§ 1. Измерение плотности

Плотность вещества—одна из основных характеристик, численно равная отношению массы М к его объему: ρ=M/V. Единицей плот­ности является кг/м³. Иногда пользуются понятием относительной плотности вещества, которая определяется отношением его массы к массе чистой воды при температуре +4°С, взятой в том же объеме. Относительная плотность—величина безразмерная. Так как вода и нефтепродукты имеют, неодинаковые коэффициенты расширения, то при определении плотности необходимо указывать температуры воды и нефтепродукта, при которых проводилось определение.

В СССР плотность нефти и нефтепродуктов определяют при тем­пературе +20°С и относят к плотности воды при температуре +4°С, принятой за единицу. Эта плотность обозначается через .

Удельный вес—это физическая величина, равная отношению веса вещества к его объему; γ=G/V.

Плотность и удельный вес связаны между собой таким же отноше­нием, как масса и вес, т. е. γ=ρg, где g— ускорение свободного па­дения.

Плотность жидкостей или газов измеряют с помощью плотноме­ров, которые по принципу действия подразделяются на следующие группы: поплавковые, весовые, пьезометрические, вибрационные и радиоактивные.

К поплавковым плотномерам относят ареометры, глуби­на погружения поплавка которых в исследуемую жидкость обратно пропорциональна ее плотности. По числу делений выступающей ча­сти ареометра из исследуемой жидкости определяют значение плот­ности. Такие ареометры применяют при определении плотности буро­вого раствора.

Принцип действия весовых плотномеров основан на том, что при Неизменном объеме масса жидкости прямо пропорциональна ее плотности. Следовательно, для измерения плотности достаточно не­прерывно взвешивать определенный: объём жидкости, протекающей по трубопроводу.

Схема весового плотномера типа ДУВ-ТК-101 изображена на рис. 9.1. Чувствительным элементом прибора является U-образная трубка 4, соединенная с подводящими неподвижными патрубками при помощи сильфонов 8. С изменением плотности жидкости, протекаю­щей по трубке, вес ее меняется и заслонка 3 приближается или от­ходит от сопла 2. Соответственно изменению плотности жидкости изменяется и давление воздуха на выходе пневмоусилителя 1. Это давление фиксируется вторичным прибором 10, шкала которого гра­дуирована в единицах плотности.

Для автоматического введения поправки на изменение плотности при изменении температуры в конструкции прибора предусмотрен манометрический термометр, состоящий из термобаллона 9, капил­лярных соединительных трубок и сильфона, заполненных сжатым азо­том. При отклонении температуры от 20 °С, при которой тарируется прибор, термосистема воздействует через рычаг обратной связи 7 и сильфон 6 на трубку 4, внося тем самым поправку. Для устранения влияния окружающей температуры Предусмотрен компенсационный сильфон 11, а для устранения произвольных колебаний—демпфи­рующее устройство 5.

Изменение показаний вторичного прибора от 0 до 100% соответст­вует приращению плотности Δρ=100 кг/м³. Максимальное рабочее давление 1,6 МПа, рабочая температура —5, +110°С. Погрешность датчика ло выходному пневматическому сигналу ±1% от диапазона шкалы.

Принцип действия пьезометрических плотномеров основан на том, что давление жидкости на глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости. При неизменных глубине Н и площади F чувствительного элемента с изменением плотности р будет пропор­ционально изменяться давление р

На рис. 9.2,а приведена схема одного из пьезометрических плотно­меров — сильфонного с унифицированным пневмопреобразователем (типа ПЖ.С-П). В измерительной камере на определенном расстоя­нии друг от друга расположены сильфоны 11 и 14, соединенные под­вижным коромыслом 13. При изменении плотности жидкости, проте­кающей через измерительную камеру, изменяется деформация сильфонов, вследствие чего коромысло поворачивается относительно сво­ей точки опоры. Коромысло 13 при помощи углового рычага 9 соеди­нено с Т-образным рычагом 1 унифицированного пневмопреобразователя. Герметичность вывода рычага из измерительной камеры обеспе­чивается мембраной 10. Внутренние полости сильфонов 11, 14 и 12, из которых 11 и 14—измерительные, соединены последовательно с помощью трубки. Сильфон 12 предназначен для компенсации по­грешности, вызываемой изменением температуры. Все сильфоны за­полнены контролируемой жидкостью, плотность которой мини­мальна. Датчик типа ПЖС-П позволяет измерять плотность в диапа­зоне 500—2500 кг/м³. Схема подключения сильфонного плотномера с унифицированным электросиловым преобразователем (ПЖС-Э) к объекту контроля показана на рис. 9.2,б.

Принцип действия пьезометрического плотномера для измерения плотности бурового раствора типа ГПА-1 (рис. 9.3) основан на диф­ференциальном измерении давления столба жидкости в желобе цир­куляционной системы.

Плотномер состоит из дифференциального узла сравнения усилий, пневмопреобразователя с силовой компенсацией и механической си­стемы передачи перемещений и усилий. Измерительные мембраны 1 и 2 связаны через суммирующий рычаг 19. На него действуют силы гидравлического давления, определяемые разностью погружения мембран под уровень жидкости:

где ΔН—разность глубин погружения мембран под уровень жидко­сти; S—эффективная площадь мембран.

Поскольку g, ΔH и S — величины постоянные, то ΔР пропорцио­нально измеряемой плотности жидкости. Усилие ΔР уравновешивает­ся силой, возникающей в сильфоне 8 обратной связи, которая пере­дается рычагу 19 через систему рычагов 4, 5, 7. Уравновешивание осуществляется следующим образом. При изменении плотности буро­вого раствора (например, при ее увеличении) усилие ΔР возрастает и вызывает перемещение толкателей 3, 4 вверх. Одновременно ры­чаг 5 поворачивается вокруг шарнирной опоры и заслонка 10 прибли­жается к соплу 11. При этом повышается давление на выходе пневмоусилителя 12 и в сильфоне 8 обратной связи. Давление на выходе пневмоусилителя изменяется пропорционально изменению плотности в пределах 20—100 кПа. Для устранения возможной разности площадей мембран предусмотрено изменение соотношения плеч 16 и 19 суммирующего рычага при помощи скользящей опоры 18.

Плотномер имеет две шкалы, отградуированные в пределах 0,8— 1,8 г/см³ и 1,8—2,8 г/см³. Переключение шкал осуществляется с по­мощью пневмотумблера 14, сильфона 22 и рычага 15. Для работы в первом диапазоне с помощью пневмотумблера 14 на сильфон 22 подается от пневмосети сжатый воздух. При этом дно сильфона упи­рается в ограничитель хода 20, в результате чего рычаг 15. переме­шается вниз, растягивая пружины 13, 23 и 9. Регулировкой натяжения этих пружин устанавливается нижний предел измерения (20 кПа). Настройка верхнего предела измерения осуществляется перемещением сильфона 8 и тяги 6. Для переключения прибора на второй предел измерения тумблер 14 размыкают. При этом сжатый воздух выходит из сильфона 22 и рычаг 15 поднимается вверх до упора винта 21 в ограничитель, вследствие чего натяжение пружин 13, 23 и 9 уменьшается, давление на выходе пневмоусилителя падает и стрелка показывающего прибора занимает положение начала отсче­та по второму диапазону измерения. Регулировка начальной точки второго диапазона измерения осуществляется путем перемещения упора 21, расположенного на рычаге 15. Основная погрешность изме­рения составляет ±1,5% от предела.

Принцип действия радиоактивных плотномеров основан на изменении поглощения γ-излучения радиоактивного источника при прохождении лучей через жидкость в зависимости от изменения плот­ности этой жидкости. Интенсивность I узкого пучка γ-лучей, прошед­шего через слой жидкости толщиной х и плотностью ρ, определяется

выражением

где Iо—начальная интенсивность при хр=0; μо—коэффициент ослабления γ-лучей.

Преимуществом радиоактивного плотномера является отсутствие непосредственного контакта измерительного прибора с измеряемой средой. Следовательно, этот прибор можно применять для измерения плотности агрессивных жидкостей, а также жидкостей, находящихся в сосудах под высоким давлением, и полимеризующихся сред.

На рис. 9.4 приведена принципиальная схема плотномера типа ПЖР. На участке трубопровода 2, в котором протекает исследуемая жидкость, монтируются источник 1 и приемник 3 излучения. В каче­стве излучателя применяют радиоактивный изотоп Со⁶⁰ или Cs¹³⁷. Гамма-лучи от источника пронизывают стенки трубопровода и слой исследуемой жидкости и попадают в приемник излучения. Электри­ческий сигнал приемника, являющийся функцией измеряемой плотно­сти, формируется блоком 4 и передается на вход электронного пре­образователя 5. На этот же преобразователь поступает электриче­ский сигнал, полученный от блока 9, формирующийся при попадании на приемник 8 гамма-лучей источника 6, прошедших через компенса­ционный клин 7. Принцип действия и устройство источника 6, бло­ка 9, приемника 8 и источника 1, приемника 3 и блока 4 идентичны.

Разность сигналов усиливается в электронном преобразователе и подается, на реверсивный двигатель 10, который связан с компенса­ционным клином 7 и плунжером 11 дифференциально-трансформа­торного датчика вторичного прибора 12. В зависимости от размера и знака сигнала в электронном преобразователе реверсивный двига­тель перемещает клин до тех пор, пока разность сигналов не станет равной нулю. Перемещение клина, с которым связана стрелка пока­зывающего прибора, пропорциональна изменению плотности жидко­сти. Интервал измерения плотности плотномером ПЖР от 600 до 2000 кг/м³, погрешность прибора 2%.