Плотномеры

• Портативный плотномер DMA 35
• Портативный плотномер DMA 35 Basic
• Ручные плотномеры Densito и DensitoPro (MettlerToledo)

Для быстрого определения плотности (ρ) различных веществ, жидкостей и газов, применяются специальные приборы — плотномеры. Измерение этого физического параметра необходимо для контроля качества. В этой статье мы рассмотрим типы, особенности, устройство плотномера, а также критерии выбора.

СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Приборы для измерения плотности широко применяются в ходе различных исследований, экспериментов, контроля качества на производстве или в естественной среде. Плотномеры используют в пищевой, нефтеперерабатывающей, химической, фармацевтической промышленности, а также в строительстве. Ими измеряют плотность:

• нефтепродуктов: бензина, дизельного топлива, сырой нефти;
• сжиженных газов;
• грунта, почвы, глины;
• вязких, очень вязких, агрессивных жидкостей.

С их помощью можно обнаружить наличие примесей в веществах, определить качество продукта, несущую способность грунта.

ТИПЫ

Плотномеры различаются по типу устройства, принципу действия, сфере применения. Есть:

• Стационарные. Применяются в лабораториях и на производствах, представляют собой компактный, но недостаточно мобильный прибор.
• Портативные. Подходят для работы в полевых условиях — можно носить с собой, проводя измерения прямо на месте.

В зависимости от принципа действия, плотномеры могут быть:

• Поплавковыми (ареометрическими). Принцип вычисления основывается на законе Архимеда, согласно которому на погружаемый прибор действует выталкивающая сила, пропорциональная весу объёма вытесненного вещества. С их помощью измеряют плотность газов, жидкостей, процент содержания растворённых веществ в различных растворах, состоящих из двух компонентов. В измерениях наблюдается погрешность в 0,2-2% от общего диапазона ρ.

Рис.1. Схемы поплавковых плотномеров

1. Поплавок;
2. Стержень;
3. Емкость;
4. Преобразователь линейных перемещений.

Поплавковые плотномеры таких конструкции измеряют плотность от 0,5 до 1,2 г/см³.

• Массовыми. В основе действия лежит принцип непрерывного взвешивания, то есть прямая зависимость гидростатического давления от высоты уровня и плотности. Используются для оценки плотности суспензий, вязких жидкостей. Погрешность — от 0,5 до 1%.

Рис.2. Схема весового плотномера.

1. Концы U-образной трубки;
2. Cильфоны;
3. Силовой преобразователь;
4. Вторичный прибор.

Весовые плотномеры такой конструкции измеряют плотность от 0,5–2,5 г/см³.

• Радиоизотопными. Суть этого типа приборов заключается в перемене интенсивности пучка у-лучей после его прохождения через измеряемую среду. Их используют для вычисления плотности жидкостей, растворов, пульп, эмульсий, глубоких слоёв почвы, грунта. Погрешность не превышает 2%.

Рис.3. Схема и внешний вид радиоизотопного плотномера

1. Источник излучения;
2. Приемник излучения;
3. Вторичный прибор.

• Вибрационными. Действие базируется на связи между частотным показателем резонансных колебаний с ρ измеряемого вещества. С их помощью можно контролировать плотность жидкостей и газов, находящихся в трубопроводах или резервуарах. Разница между показанием устройства и истинным значением составляет около (1—2) х 10^-4 г/см³.

Рис.4. Схема и внешний вид проточного вибрационного плотномера жидкостей.

1. Трубка;
2. Паралельная трубка;
3. Сильфон;
4. Катушка возбуждения;
5. Измерительная катушка;
6. Электронный усилитель;
7. Вторичный измерительный прибор.

Диапазон измерений данного плотномера 0,69–1,05 г/см³.

• Ультразвуковыми. Измерение осуществляется на основе существующей зависимости между скоростью распространения ультразвука в среде от ее плотности. Такие плотномеры позволяют в реальном времени контролировать сдвиг показателя в различных жидкостях, растворах. Погрешность — не более 5%. 

По сфере применения плотномеры делятся на лабораторные и промышленные.

• Лабораторный тип приборов разделяется ещё на несколько видов:
  • ареометры (постоянной массы или постоянного объёма) — для измерения ρ твёрдых тел, процентного содержания веществ в растворах;
  • пикнометры — позволяют измерять показатель плотности веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях;
  • гидростатические весы (Мора-Вестфаля) — для жидкостей и твёрдых тел.
• Технологические установки позволяют контролировать плотность веществ, находящихся в процессе производства или переработки. Чаще всего их размещают на промышленном оборудовании, либо в контрольных точках технологических линий. Представляют собой датчики, блоки.

УСТРОЙСТВО

Устройство плотномеров напрямую зависит от их принципа действия, поскольку каждый прибор состоит из разных рабочих элементов. Например:

• Поплавковые делятся на два вида: плавающие и погружённые. Конструкция плавающих представляет собой два сосуда (основной и переливной), поплавок, сердечник, катушку, три трубы, термометр сопротивления, индукционный мост. Погружённый — это камера, поплавок, уплотнительный сифон, противовес, коромысло, ролик, рычаг, мембранная коробка, заслонка, сопло. Также в составе обеих конструкций присутствует вторичный прибор.
• Массовые установки состоят из U-образной трубки, тяги, патрубков соединения, рычага, противовеса, сильфона, трубки подачи воздуха, заслонки, сопла, пневматического преобразователя.
• Радиоизотопные плотномеры — это два излучателя (основной и дополнительный), два приёмника излучения, сосуд с жидкостью, электроусилитель, пара электронных преобразователей, компенсирующий клин, реверсивный электрический двигатель, передатчик индукции, вторичный прибор.
• Вибрационный измеритель оснащён чувствительным элементом — отполированной изнутри металлической трубкой. В ней же расположено электронное устройство.
• Ультразвуковой прибор представляет собой электроакустическую замкнутую систему, в которую входят два пьезоэлектрических элемента, промежуточный усилитель электросигнала, детектор, каскад запуска, два генератора, блок измерения и усилитель мощности.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип действия плотномеров, как и их устройство, связан с видом прибора. Снова рассмотрим основные из них:

• Поплавковые. Устройство с плавающим поплавком определяет плотность вещества, опираясь на глубину погружения, которая обратно пропорциональна показателям испытуемой жидкости. В случае с погруженным поплавком плотность вещества прямо пропорциональна его массе. При измерении ρ газов шар непрерывно взвешивают с азотом в камере, заполненной этим газом. Мерой здесь является угол наклона коромысла, который отображается на измерительной шкале.
• Массовые. При неизменном объёме масса жидкости прямо пропорциональна её плотности. Пневматический преобразователь перемещает контролируемую жидкость через трубку, связанную с заслонкой. Вторичный прибор определяет уровень воздушного давления в сильфоне, которое меняется пропорционально показателю ρ.
• Радиоизотопные. Ионизирующие лучи после прохождения через исследуемую среду меняют интенсивность в зависимости от её плотности. Излучение попадает в приёмник, который тут же образует сигнал. Этот сигнал проходит ещё через несколько ступеней, затрагивая реверсивный электродвигатель. Двигатель перемещает клин. Величина его перемещения отображает изменения ρ вещества.
• Вибрационные. Чувствительный элемент, а именно металлическая трубка, помещённая в изучаемую среду, с помощью электронного устройства колеблется в потоке. Плотность определяется на основе частоты колебаний.
• Ультразвуковые. Удельное акустическое сопротивление (УАС) пропорционально показателю ρ. С помощью возбуждаемого на резонансных частотах пьезоэлектрического преобразователя, акустически контактирующего с изучаемой средой, получают выходной сигнал напряжения, который является показателем УАС, а значит и мерой плотности.

Современные плотномеры оснащены микропроцессорами, вычислительными блоками. Они могут сохранять результаты тысяч предыдущих исследований, подключаются к компьютеру через программное обеспечение. Приборы способны автоматически корректировать параметры в зависимости от внешних условий. Это позволило создавать универсальные модели, подходящие для любых отраслей.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА

Основным критерием при выборе плотномера является область применения. Как именно будет использоваться прибор: в лабораторных или полевых условиях? У каждого из этих типов есть свои преимущества.

• Лабораторные (модульные) системы. Можно выбирать конфигурацию для проведения различных анализов, либо приобрести базовую, постепенно её модернизируя. Комбинация нескольких видов плотномеров в одном корпусе даёт возможность проводить сложные исследования. Кроме того, такие приборы отличаются высокой точностью показателей, гибкостью настройки параметров, простым управлением.
• Портативные плотномеры. Подходят как для выездных работ, так и для применения в лабораториях. Они не так точны, как модульные системы, но помогают быстро получить предварительные результаты. Просты в обслуживании, достаточно функциональны. Кроме того, они стоят меньше, чем лабораторные.

ПЛОТНОМЕРЫ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ В НАШЕЙ КОМПАНИИ

Вы можете купить лабораторные и портативные плотномеры от швейцарского производителя Mettler Toledo. Оборудование отличается высокой точностью, эффективностью, надёжностью. Модели различаются по повторяемости, уровням точности, диапазону регулирования температуры. Есть серия модульных измерителей Excellence, в которую входят приборы D4, D5, D6. А также серия Easy с моделями D30 и D40. Среди портативных плотномеров — Densito и DensitoPro.