Плотность является одной из основных физических величин

УДК 532.082.73
Г.В. Шувалов, О.A. Ясырова, А.Ю. Жуков
СГГА, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ ДЛЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ
G.V. Shuvalov, O.A. Jasirova, A.J. Gukov
Sibirian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
STUDY METROLOGICAL CHARACTERISTIC INSTRUMENT FOR DETERMINATION
THE DENSINY OF LIGUID
Analisist barbotage method determination the densiny of liguid. The Designed instrument
for determination of the densiny of ligui within the range of 0,6 – 1,0 g / sm,with inaccuracy not
more than 0 ,06 %.
Плотность является одной из основных физических величин,
характеризующих свойства веществ. Измерение плотности веществ играет
существенную роль при осуществлении контроля технологических
процессов, качества продукции и в организации правильной системы
количественного учета жидких веществ при их приемке, хранении и отпуске,
когда масса жидкостей (например, горюче-смазочных) не может быть
измерена непосредственным взвешиванием. Плотность является одним из
важнейших показателей качества нефтепродуктов, так как определяет его
основные эксплуатационные характеристики.
В настоящее время существует множество методов определения
плотности. Широко известны такие виды плотномеров как поплавковые,
весовые, гидростатические, радиоизотопные, ультразвуковые, вибрационные
и т.п., но каждый из них имеет свои недостатки [1]. Многие из этих методов
связаны с большими затратами труда и времени, кроме того, их можно
использовать только в лабораторных условиях. В то же время часто возникает
необходимость измерений вне лаборатории за короткое время. Это
обусловливает создание современных экспресс-методов определения
плотности.
Разработке и исследованию новых принципов измерения плотности,
созданию конструкций плотномеров, основанных на этих принципах,
освоению и расширению промышленного производства плотномеров
уделяется все большее внимание.
Перспективными являются гидростатические плотномеры, мерой
плотности в которых служит разность давлений двух столбов жидкости
разной высоты: ∆р= g∆h, где -плотность исследуемой жидкости, g –
ускорение свободного падения, ∆h – разность высот столбов жидкостей.
Значение ∆р измеряется либо непосредственно датчиками давления, либо как
разность давлений, необходимых для выдавливания пузырьков газа( воздуха)
в жидкость на разной глубине – барботажный метод. В работах [2,3]
исследованы возможности барботажного метода для измерения некоторых
физических величин (вязкости, плотности, поверхностного натяжения
жидкостей). Наиболее информативным является режим одиночных пузырей.
Но измерение разности давлений – довольно сложная процедура, из-за
применения высокоточных манометров.
Авторами предлагается метод, в котором информация о разности
гидростатических давлений снимается не в виде показания манометра, а в виде
количества пузырьков воздуха, выходящих из измерительных трубок. При этом
разность давлений эквивалентна количеству пузырьков. Преимуществом этого
метода является преобразование непрерывной неэлектрической величины –
разности давлений – в последовательность дискретных значений. Для этой цели
следует осуществить барботаж воздуха через исследуемую жидкость пузырьков
газа.
Рассмотрим действующие на пузырек силы:
F1
mg
4
3
R3
г
g
- сила тяжести,
– радиус пузырька, м;
падения, м/с2;
R
F2
4
3
R3 g
г
-плотность газа, кг/м3;
g
-ускорение свободного
- сила Архимеда,
- плотность жидкости, кг/м3;
F3
d
– сила поверхностного натяжения,
d - диаметр выходного отверстия трубки, м;
- поверхностное
натяжение жидкости, Н/м.
Радиус пузырька определяется из условия равновесия сил, действующих на
него в момент отрыва от трубки:
F1 F3 F2 ,
1
3d
R
3
4
г g
Это выражение подтверждает, что размер пузырька в случае работы
барботажной системы в режиме одиночных пузырей зависит от диаметра
выходного отверстия, поверхностного натяжения, плотностей жидкости и
газа, ускорения свободного падения.
Давление газа в пузырьке на конце трубки в момент отрыва (рис. 1).
Рi
Ра
gh i
2
Ri
атмосферное давление; - поверхностное натяжение жидкости;
радиус пузырька из трубки ; hi - глубина погружения трубки
Изменение давления газа в пузырьке:
Рi Рi Р0 ,
Р 0 – давление подаваемого газа, Па.
Ра
Ri
-
С другой стороны:
Рi
i
Vп
i
– коэффициент расхода газа;
частота следования пузырьков, с-1.
i
Vп
– объем пузырька газа, м3;
i
–
Рис. 1. Принцип измерения
Для ламинарного течения газа коэффициент расхода определяется по
формуле [2]:
1
d4
128
г
,
l
где г – вязкость газа, Па·c; l – длина трубки, м.
Таким образом, для двух трубок погруженных в жидкость на разную
глубину имеем:
1
i
i
Ра
V п Ri
2
gh i
Ri
Р0
1
3d i
Ri
4
3
g
Решив совместно уравнения для двух трубок, приняв, что d 1
г , получим:
2
г
2
1 1
g h2
h1
Vп ,
Учитывая, что V п
4
3
1
2
g
2
2
1 1
h2
h1
d
2
.
R3
d
g
,
d2
и
Таким образом, получена зависимость плотности исследуемой жидкости
от числа пузырьков газа (воздуха), выпускаемых в нее в одиночном режиме и
разности глубин погружения измерительных трубок. Из окончательной
формулы видно, что на результат влияет величина поверхностного натяжения
жидкости, измерение которой также представляет большой интерес.По
полученной формуле проведены оценочные расчеты, по результатам которых
можно сделать вывод, что при разработке конструкции прибора экспрессконтроля плотности нефтепродуктов можно использовать предложенный
метод измерения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаузнер, С.И. Измерение массы, объема и плотности / С.С. Кивилис, А.П.Осокина,
А.Н. Павловский. – М.: Издательство стандартов, 1972. – 624 с.
2. Лаптев, В.И. Барботажно-пьезометрические методы контроля физико-химических
свойств жидкостей. – М.: Наука, 1984. – 68 с.
3. Бондарев, Г.С. Использование явления барботажа в измерительной технике /
В.Ф.Романов // Измерительная техника. – 1972, № 12. – С. 64–66.
© Г.В. Шувалов, О.A. Ясырова, А.Ю. Жуков, 2008