Контроль плотности

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Южно – Уральский государственный  университет»

Филиал  ЮУрГУ  в  г.Сатке

 

 

                         

 

                                                          

 

                                             

 

                                       

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ   РАБОТА

                              

По  дисциплине: Автоматика и автоматизация производственных процессов

Тема: Контроль плотности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Выполнил: студент 5 курса  СтСЗ-566

        Фисенко Игорь Николаевич

 

   Руководитель: Рябинин Антон  Викторович

  

 

 

 

 

 

 

Сатка

2010

Оглавление

 

Введение……………………………………………………………………………………3

1. Классификация автоматических плотномеров……………………………………….4
2. Поплавковые плотномеры……………………………………………………………..5
3. Весовые плотномеры…………………………………………………………………10
4. Гидростатические плотномеры………………………………………………………12
5. Радиоизотопные плотномеры………………………………………………………...15
6. Ультразвуковые плотномеры………………………………………………………...17
7. Другие плотномеры…………………………………………………………………...18

Заключение………………………………………………………………………………..19

Библиографический список……………………………………………………………...20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Актуальность исследования данной темы состоит в том, что автоматизация технологических процессов поднимает качество производства на уровень, который практически недостижим для человека. Благодаря комплексной автоматизации производственных процессов производительность повышается за счет того, что получение и использование данных в целях управления и контроля осуществляется автоматически.

Измерение плотности играет существенную роль при проведении исследовательских  работ в различных отраслях науки  и техники, связанных с изучением  свойств веществ, равно как при  осуществлении контроля за технологическими процессами и качеством продукции.

Значительна роль измерений плотности 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 на весах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация  автоматических плотномеров

 

При осуществлении целого ряда производственных процессов возникает необходимость  автоматически производить непрерывные  или периодические измерения плотности контролируемого вещества непосредственно в технологической линии (производственном агрегате).

Приборы, предназначенные для таких  измерений, называют автоматическими  плотномерами, или кратко плотномерами.

Плотномеры имеют показывающее или самопишущее устройство. Применение плотномеров в сочетании с другими устройствами позволяет также автоматически регулировать плотность вещества в технологической линии.

По принципу действия плотномеры делят  на следующие основные группы:

1. поплавковые (ареометрические);
2. весовые, основанные на непрерывном взвешивания постоянного объема жидкости;
3. гидростатические, в основу  которых  положено  измерение 
   давления столба жидкости (газа) постоянной высоты;
4. радиоизотопные, в которых используются излучения радиоактивных изотопов для «просвечивания» контролируемой среды;
5. ультразвуковые, основанные на изменении скорости распространения звука в жидкости или газе в зависимости от их плотности.

Кроме того, есть еще и другие плотномеры.

Плотномеры градуируют и поверяют в статических условиях, применяя набор жидкостей и газов известной плотности. Плотность этих жидкостей и газов при их приготовлении измеряют лабораторными приборами (ареометрами, гидростатическими весами, пикнометрами).

 

 

 

 

 

2. Поплавковые плотномеры

 

Поплавковые плотномеры бывают с плавающим  поплавком, представляющим собой ареометр постоянной массы, или с полностью погруженным поплавком, который является ареометром постоянного объема.

В приборах с плавающим поплавком  измеряется глубина  погружения поплавка, связанная с искомой плотностью р жидкости зависимостью:

ρ =

ρ_В

где  М - масса поплавка за вычетом массы воздуха в его объеме;

L и S - длина окружности   и   площадь   поперечного   сечения стержня поплавка;

V - объем поплавка без стержня;

ρ_В – плотность воздуха.

Существует много разновидностей конструкций плотномеров данной группу, отличающихся формой поплавка, местоположением его стержня, системой стабилизации потока через измерительный сосуд, типом (механические, электрические, пневматические) и принципом действия (индуктивные, потенциометрические и др.) преобразователя перемещений поплавка и т. д.

На рисунке 1 представлена схема плотномера с плавающим поплавком. Жидкость по входной трубе 8 поступает в переливной сосуд 7, обеспечивающий постоянство напора, а оттуда по подводящей трубе 5 в измерительный сосуд 3, который также снабжен переливным устройством. Требуемая скорость потока устанавливается при помощи диафрагмы 6, а также путем регулирования разности уровней в обоих сосудах (при их взаимном смещении по вертикали). Для отвода излишка жидкости имеется отводящая труба 11.

Изменение плотности жидкости вызывает перемещение (по вертикали) металлического поплавка 10 и связанного с ним сердечника. Перемещение сердечника через индуктивный датчик 9, включенный в схему измерительного моста 1, передается на вторичный показывающий и самопишущий прибор (или автоматический регулятор) 2, градуированный в единицах плотности. Для коррекции показаний на изменение температуры в схему включен термометр сопротивления 4.

Рисунок 1 – Схема плотномера с  плавающим поплавком

 

Погрешность плотномеров этой группы в зависимости от конструкции составляет от ±0,2 до ±2% диапазона измерений.

К числу основных недостатков плотномеров с плавающим поплавком относятся громоздкость (из-за значительной высоты); зависимость показаний от капиллярных свойств жидкости и скорости потока; необходимость применения открытого корпуса прибора.

В плотномерах с погруженным  поплавком действующая на него выталкивающая сила F (или пропорциональное ей перемещение поплавка) связана с искомой плотностью ρ жидкости зависимостью:

ρ =

где V - объем поплавка;

g - ускорение свободного падения.

У таких плотномеров может быть исключено или сведено к минимуму влияние капиллярных свойств жидкости.

На рисунке 2 показана схема плотномера с погруженным поплавком, уравновешенным при помощи цепочек. Выталкивающая сила, действующая на поплавок 6, уравновешивается силой тяжести поплавка и части калиброванных цепочек 4.

Рисунок 2 – Схема плотномера с  погруженным поплавком, уравновешенным при помощи цепочек

Массу М и объем V поплавка рассчитывают таким образом, что в случае, когда его равновесное положение соответствует середине диапазона измерений, масса цепочек распределяется равномерно между опорными точками 3 и точкой подвеса к поплавку.

В этом случае справедливо выражение:

М + 0,5 nm = V ρ_ср

где т - масса одной цепочки; п - число цепочек;

ρ_ср - плотность, соответствующая середине диапазона измерений.

При увеличении плотности жидкости выталкивающая сила возрастает, поплавок всплывает и сила тяжести цепочки перераспределяется так, что большая часть ее оказывается приложенной к поплавку. Равновесие поплавка наступит тогда, когда прирост выталкивающей силы уравновесится приростом силы тяжести цепочек, действующей на поплавок. При уменьшении плотности поплавок опускается из-за уменьшения выталкивающей силы, так что большая часть силы тяжести цепочки действует на опорную точку.

В поплавок вделан сердечник 5 из ферромагнитного материала, а измерительная камера 1 помещена внутрь катушки индуктивного датчика перемещений 2.

Цепочки изготовляют из платино-иридиевого сплава, а поплавок и камеру - из любого пригодного для заданных условий материала (стекла, латуни, нержавеющей стали и т. д.).

Пределы измерений прибора изменяют сменой поплавка и цепочек.

Высокая чувствительность прибора  позволяет использовать его для  малых диапазонов измерений (0,005 г/см³ и более).

На рисунке 3 представлена схема поплавкового плотномера с пневматическим преобразователем, основанным на принципе силовой компенсации.

Часть жидкости, протекающей по трубопроводу 11, непрерывно поступает в измерительную камеру 14 прибора под действием перепада давления, который создается вентилем 10 или каким-либо другим устройством для сужения потока. Жидкость течет снизу вверх вдоль верхней половины поплавка 13 и сверху вниз вдоль его нижней половины, что обеспечивает минимальное воздействие потока на поплавок.

Рисунок 3 - Схема поплавкового плотномера с пневматическим преобразователем:

1 - менометр; 2 - толкатель; 3 - мембрана обратной связи; 4 - рычаг; 5 - уплотнительный сильфон; 6 - кольцевой распылитель; 7 - нижний отводящий патрубок; 8 - отводящая труба; 9 - верхний отводящий патрубок; 10 - вентиль; 11 - трубопровод; 12 - подводящая труба; 13 - поплавок; 14 - измерительная камера; 15 - регулятор нижнего предела измерений; 16 - ролик; 17 - коромысло; 18 - заслонка;   19 - сопло; 20 - дроссель

Поплавок посажен на конце коромысла 17, уравновешенного противовесом 15 так, чтобы поплавок начинал перемещаться вверх в жидкости наименьшей плотности, равной нижнему пределу измерений прибора.

При измерениях коромысло удерживается в исходном положении равновесия при помощи пневматического преобразователя, содержащего элемент сопло - заслонка 19-18 и систему обратной связи, в которую входит мембрана 3 с толкателем 2. Давление воздуха в мембранной коробке прямо пропорционально выталкивающей силе, приложенной к поплавку, и является мерой плотности жидкости. Это давление изменяется в диапазоне 0,2-1 кГ/см² (19613-98066 Па) и измеряется манометром 1, градуированным в единицах плотности.

Наименьший диапазон измерений  составляет 0,05 г/см³.

Принцип действия плотномера с погруженным  поплавком используется и при измерении плотности жидкости путем ее сравнения с плотностью другой, вспомогательной, жидкости. Поток исследуемой жидкости, прежде чем попасть в основной сосуд с переливным устройством, проходит через промежуточный сосуд, омывая при этом цилиндр со вспомогательной жидкостью. В цилиндр и основной сосуд полностью погружены поплавки одинакового объема и одинаковой массы, подвешенные при помощи тяг к концам равноплечего углового рычага.

Аналогичным образом действует  плотномер для газов. В герметичной камере, через которую проходит испытуемый газ, помещено коромысло с двумя полыми стеклянными шарами на концах. Один (закрытый) шар заполнен контрольным инертным газом, а другой сообщается с окружающей его средой и служит противовесом. Отклонения коромысла при помощи магнитной муфты передаются на расположенные вне камеры указатель или самописец.

 

 

 

 

 

 

 

3. Весовые плотномеры

 

Весовые плотномеры основаны на том, что масса вещества при неизменном его объеме прямо пропорциональна  плотности и для измерения последней достаточно непрерывно взвешивать определенный объем вещества, протекающего по трубопроводу.

Основные преимущества весовых  плотномеров: возможность их применения для пульп, суспензий, вязких и летучих  жидкостей; независимость показаний от скорости протекания жидкости; возможность измерения при повышенном давлении (до 10 кГ/см² ≈ 1МПа); постоянное поперечное сечение измерительной полости прибора, что исключает осаждение твердых включений, содержащихся в потоке; высокая чувствительность и малая погрешность (±0,5%).

Наибольшее распространение получили весовые плотномеры, чувствительным органом которых служит (рисунок 4) горизонтальная U-образная труба 1, присоединенная при помощи гибких элементов (резиновых шлангов, сильфонов) к неподвижным патрубкам для подвода и отвода жидкости.

Вес трубы с жидкостью при  минимальной измеряемой плотности уравновешивается специальными грузами (на схеме не показаны). При увеличении плотности труба опускается, воздействуя на элемент сопло - заслонка; давление на выходе усилителя 5 и в сильфоне 5 растет до момента восстановления исходного положения равновесия трубы.

Минимальный диапазон измерений равен 0,05 г/см³.

 

 

 

Рисунок 4 – Схема весового плотномера:

1 - U-образная труба; 2 - рычаг с заслонкой; 3 - сопло; 4 - мебранный   усилитель пневматического  сигнала; 5 - сильфон обратной связи; 6 - неподвижный патрубок; 7 - гибкий соединительный элемент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Гидростатические плотномеры

 

Действие гидростатических плотномеров  основано на том, что давление Р в жидкости на глубине Н от поверхности

Р = gНρ, 

где ρ - плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения.

Давление столба жидкости неизменной высоты является мерой плотности.

Гидростатические плотномеры делятся  на две группы:

1) непосредственно измеряющие давление столба жидкости;

2) измеряющие давление столба жидкости косвенным путем.

Чтобы исключить влияние колебаний  уровня жидкости, применяют дифференциальный метод, измеряя разность давлений ∆Р двух столбов жидкости разной высоты

∆Р = ghρ

где h - разность высот столбов жидкости.

Дифференциальный плотномер с  непосредственным измерением давления жидкости в вертикальном трубопроводе или резервуаре представляет собой два преобразователя давления, установленных на определенном расстоянии друг от друга (по вертикали) и подключенных к дифманометру.

Обычно диапазон измерений, на который должен быть рассчитан плотномер, невелик, а нижний предел измерений далек от нуля, в то время как нижний предел показаний дифманометра равен нулю. Следовательно, участок, занимаемый шкалой плотности, получается очень коротким, что снижает точность измерений. В целях получения необходимой точности применяют устройства для компенсации «балластного» перепада давления, соответствующего минимальной плотности жидкости в измеряемом интервале, или используют дифманометр с безнулевой шкалой (с «подавленным» нулем).

Значительное распространение  получили гидростатические плотномеры с косвенным измерением давления при непрерывной продувке инертного  газа (или воздуха) через исследуемую  жидкость. Приборы содержат погруженную  в жидкость вертикальную трубку, по которой непрерывно пропускается газ (воздух) так, что он выходит из трубки отдельными пузырьками; давление газа прямо пропорционально плотности жидкости, так как давление столба жидкости, которое должны преодолеть пузырьки газа, пропорционально ее плотности.

Достоинства этих приборов: измерительная  часть прибора не погружается  в жидкость; возможно применение для  вязких, загрязненных, кристаллизующихся и агрессивных жидкостей; показания не зависят от скорости потока жидкости и ее поверхностного натяжения; удобно передавать показания на расстояние.

Если постоянство уровня жидкости не может быть обеспечено, применяют  дифференциальный гидростатический плотномер, схема которого показана на рисунке 5. В резервуар 3 вертикально опущены две трубки 2 и 5, глубина погружения которых различна, причем расстояние h (по вертикали) неизменно. Через обе трубки непрерывно пропускается газ (воздух) с небольшим, но постоянным и одинаковым расходом, который регулируют при помощи вентилей 4. Разность давлений газа в трубках, равная давлению столба жидкости высотой h, пропорциональна плотности жидкости и измеряется дифманометром 1. Как и в рассмотренном плотномере с непосредственным измерением давления, должна быть предусмотрена компенсация балластного перепада давления.

Гидростатические плотномеры обладают сравнительно низкой точностью: погрешность, отнесенная к диапазону показаний по шкале, достигает ± (2-4) %.

Рисунок 5 – Схема дифференциального  плотномера с продувкой газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Радиоизотопные  плотномеры

 

Радиоизотопные плотномеры относятся к так называемым бесконтактным приборам (чувствительный элемент не вводится в измеряемую среду). Их целесообразно применять для измерения плотности агрессивных или весьма вязких жидкостей, пульп и жидкостей, находящихся под высоким давлением или имеющих высокую температуру, однако лишь в тех случаях, когда другие рассмотренные выше приборы практически неприменимы.

Важным достоинством радиоизотопных приборов является возможность контроля за ходом технологического процесса в труднодоступных местах.

Датчик прибора содержит источник γ-излучения (изотопы цезий-137, стронций-30, кобальт-60 и др.) и приемник излучения, располагаемые по обе стороны трубопровода (резервуара) на линии его диаметра. γ-излучение представляет собой электромагнитные колебания с очень малой длиной волны (до 0,4 А). Интенсивность γ -излучения, прошедшего через измеряемое вещество и зарегистрированного приемником, при прочих равных условиях является экспоненциальной функцией плотности.

В качестве приемника излучения в современных плотномерах используют ионизационную камеру. Для примера на рисунке 6 приведена схема автокомпенсационного радиоизотопного плотномера ПЖР-5 с дифференциальной ионизационной камерой. Лучи от основного источника 1 излучения (цезия-137) проходят через контролируемую жидкость 2 и поступают в основное отделение 3 ионизационной камеры, а лучи от вспомогательного источника 10, пройдя через компенсационный металлический клин 9, попадают во второе отделение 6 камеры.

Разностный сигнал, вызванный изменением плотности жидкости, после усиления в электронном усилителе 4, поступает в реверсивный двигатель 7, который поворачивает клин до момента получения нулевого разностного сигнала и одновременно перемещает сердечник индукционной катушки 8, являющийся датчиком вторичного прибора 5. Шкала 11 прибора линейная.

Диапазон измерений от 0,05 до 1 г/см³ в пределах 0,3-2,5 г/см³. Погрешность составляет ±2% диапазона

Рисунок 6 - Схема радиоизотопного плотномера жидкостей ПЖР-5

Радиоизотопные плотномеры жидкости типа ГЩР-2М поверяют в соответствии с методическими указаниями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Ультразвуковые  плотномеры

 

С помощью ультразвуковых плотномеров  можно измерять плотность любых жидкостей.

Различают две разновидности этих приборов. Первая основана на том, что скорость с распространения продольных звуковых волн в жидкости является функцией ее плотности ρ и определяется из выражения

где β - коэффициент адиабатической сжимаемости жидкости.

Измеряя скорость распространения ультразвуковых колебаний в жидкости, можно судить о ее плотности.

В плотномерах второй разновидности  использована зависимость так называемого удельного акустического сопротивления R_а=ρс от плотности измеряемой среды. Применяя в качестве источника ультразвуковых колебаний пьезоэлектрический преобразователь, акустически контактирующий с измеряемой средой и возбуждаемый на резонансной частоте, получают выходной сигнал напряжения, являющийся функцией R_а, а следовательно, и плотности.

Погрешность измерений составляет ± (2-5) % диапазона шкалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Другие плотномеры

 

Вибрационные плотномеры предназначены  для работы с чистыми жидкостями или газами, не дающими отложений  на чувствительном элементе прибора.

Датчик плотномера, погружаемый  в. измеряемую среду, представляет собой тонкостенный цилиндр из полированной стали,, внутри которого расположены крест-накрест две катушки, образующие (совместно с миниатюрным транзисторным усилителем в герметичном исполнении) цепь с обратной связью и сообщающие цилиндру непрерывные колебания. Колебания цилиндра передаются окружающей его среде, причем частота колебаний тем меньше, чем выше плотность среды. Частоту измеряют при помощи частотомера, подключенного к усилителю. Чувствительный элемент плотномера может быть выполнен также в виде пластины, располагаемой внутри контролируемого потока так, что ее плоскости параллельны направлению потока. Пластина насажена на подпружиненную тягу, перпендикулярную к оси трубопровода. С помощью магнита, помещенного на конце тяги, и катушки, питаемой переменным током, тяге сообщаются продольные колебания. На другом конце тяги находится индуктивный датчик перемещений для съема сигнала.

Система представляет собой усилитель  с положительной электромеханической обратной связью, благодаря которой пластина совершает автоколебания. Частота генерируемых системой колебаний практически равна частоте ее свободных колебаний, которая зависит от упругости пластины и плотности жидкости. Существуют также вибрационные плотномеры, в которых чувствительный элемент представляет собой камертон.

Роторные плотномеры служат для  измерения относительной плотности  газа. Они содержат две камеры, расположенные  одна над другой; в одну из них  поступает испытуемый газ, а в другую - контрольный. В каждой камере помещена крыльчатка, и обе они вращаются с высокой скоростью от общего электродвигателя. Против каждой крыльчатки находится измерительный ротор. Оси роторов являются осями шанирно-рычажной системы, связанной с указательной стрелкой. Крыльчатки создают вращающиеся потоки, которые увлекают за собой роторы.

Заключение

 

В итоге можно сделать вывод, что значение приборов для автоматического измерения плотности очень велико.

Приборы для автоматического измерения плотности являются элементом комплексной автоматизации целого ряда производственных процессов во многих отраслях промышленности (химической, металлургической, нефтяной, пищевой и др.).

Плотность - универсальное и наиболее доступное для измерения качественный показатель многих веществ. Ее автоматизированное измерение позволяет контролировать процесс переработки веществ, отслеживать их выпуск, сортировать выпускаемые, контролировать качество принимаемых и отпускаемых продуктов и веществ, вести их массовый учет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

 

1. ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 16 с.
2. Брюханов, В.Н. Автоматизация производства: Учебник для сред. проф. учеб. заведений (Серия «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»). / В.Н. Брюханов, А.Г. Схиртладзе,       В.П. Вороненко. – М.: «Высшая школа», 2005. – 367 с. 
3. Гаузнер, С.И. Измерение массы, объема и плотности. / С.И. Гаузнер, С.С. Кивилис, А.П. Осокина, А.Н. Павловский. – М.: Издательство стандартов, 1972. – 617 с.
4. Зеличенок, Г.Г. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии: учеб. пособие для вузов. /                  Г.Г. Зеличенок. - М.: «Высш. школа», 1975. - 352 с.
5. Чуриков, А.А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: метод. указ. / Сост.: А.А. Чуриков, Г.В. Шишкина, Л.Л. Антонова. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. – 40 с.