Универсальный прецизионный плотномер жидких сред Российский патент 2018 года по МПК G01N9/08 G01N9/36 

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения плотности любых жидких сред, в том числе и химически активных, в широком диапазоне температур.

Известны различные методы измерения плотности жидкости. Их можно разделить на две основные группы - косвенные и прямые. Косвенные методы определения плотности являются трудоемкими и менее точными, чем прямые (Перышкин А.В. Учебник по физике за 7 класс. Издание: 2-е изд. - М.: Дрофа, 2013 г, § 51 Архимедова сила).

Известны плотномеры - патент на полезную модель RU 43647 U1, включающий тарировочный поплавок, погруженный в жидкость, и жестко закрепленные пружинные весы, где тарировочный поплавок установлен с возможностью взаимодействия с пружиной весов через равноплечий рычаг.

Недостатком этого устройства является его громоздкость и низкая точность при измерениях.

Известен плотномер - патент ER 1161667 (A1) - 2001-12-12, который включает весоизмерительное устройство и вертикальные ползуны для перемещения измерительного устройства и погружения его в исследуемую жидкость, содержащуюся в сосуде.

К недостаткам этого плотномера можно также отнести громоздкость и сложность конструкции, сложность процесса замера, недостаточно высокую точность измерения.

Известны гидростатические плотномеры DenDi, у которых на тензометрической балке измеряют массу твердого тела в воздухе, а затем в жидкости, плотность которой необходимо найти. Определив массу твердого тела в разных средах, данный плотномер при помощи алгоритма определяет плотность исследуемой жидкости.

Электронный плотномер DenDi компании-производителя LEMIS Baltic является по технической сущности наиболее близким прототипом предлагаемого устройства.

(http://chemtest.com.ua/laboratornyj_plotnomer_dendi)

Принцип действия DenDi основан на измерении выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент измеряет выталкивающую силу полностью погруженного в исследуемую жидкость поплавка плотномера, направленную снизу вверх. Полученная информация преобразуется в цифровую форму и обрабатывается микропроцессором. Результаты измерений выводятся на жидкокристаллический цифровой дисплей в виде значений плотности.

Недостатком плотномера DenDi компании-производителя LEMIS Baltic является то, что для проведения измерений плотности жидкости используется косвенный метод, который является менее точным, требуется большое количество исследуемой жидкости, а также требуются специальные приспособления, дорогостоящие микропроцессоры и необходимость регулярного проведения тарировки прибора.

Техническим результатом предлагаемого универсального прецизионного плотномера жидких сред является возможность прямого измерения плотности любой жидкости (жидкой среды) прямым способом непосредственно в г /см³ на высокоточных весах с меньшей затратой времени, с большей точностью, при малом количестве исследуемой жидкости (не более 15…20 см³) и в широком диапазоне температур путем быстрой и легкой замены сосудов с исследуемой жидкостью, нагретой до заданной температуры. Точность измерения плотности жидкости находится в прямой зависимости от класса используемых при измерении весов (аналитических, технических, фармацевтических и др.), от класса точности калиброванного шарика объемом один кубический сантиметр и может находиться в пределах от 0,01 г/см³ до 0,00001 г/см³. Причем необходимость проведения каких-либо тарировок отсутствует независимо от типа исследуемой жидкости (жидкой среды), так как применяемые для измерений заведомо сертифицированные (поверенные) весы показывают истинное (реальное) значение выталкивающей силы любой жидкости (жидкой среды) непосредственно в граммах (ньютонах), а объем вытесненной жидкости постоянен и равен объему калиброванного шарика в один кубический сантиметр.

Конкретные преимущества и полезность предлагаемого плотномера видны также в том, что у учебных, научно-исследовательских и технологических лабораторий предприятий всех отраслей, отпадает необходимость в приобретении многообразия плотномеров (ариометров, лактометров и т.д.) для различных типов жидкостей. Достаточно иметь в лаборатории аналитические, технические электронные или другие точные весы и калиброванный шарик, предложенный Осиповым Н.Е.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый плотномер, рис. 1, включает высокоточные весы 1, легкий прозрачный (пластиковый, стеклянный) сосуд 2 диаметром 20…25 мм и высотой 35…40 мм, наполненный исследуемой жидкостью в объеме 15…20 см³ и установленный на чаше весов 3, а в исследуемую жидкость на тонкой нити без касания стенок и дна сосуда полностью погружен калиброванный шарик 4 объемом один кубический сантиметр, изготовленный из сплошного коррозиестойкого материала с удельным весом более чем удельный вес исследуемой жидкой среды.

Схема сил, действующих на чашу весов и на калиброванный шарик, дана на рис. 1, откуда видно, что действующие на шарик и на чашу весов силы описываются следующим уравнением:

где G - вес калиброванного шарика;

Р_Н - сила натяжения нити;

G_Ж - вес сосуда и исследуемой жидкости;

Р_А - сила Архимеда;

Р_вес - реакция чаши весов;

R_А - реакция силы Архимеда.

Учитывая, что при замерах величины Ра включается режим для весов «без учета веса тары» и G_Ж=R_вес (весы обнуляются), уравнение запишется следующим образом:

или R_А=P_Н+P_А-G, где R_А=P_А;

или Р_Н=G+R_А-P_А.

Принцип работы предлагаемого устройства и процесс измерения плотности исследуемой жидкости происходит следующим образом:

1. В зависимости от заданной (необходимой) точности измерения плотности жидкости выбираются сертифицированные весы (аналитические, технические электронные и т.д. с точностью измерения от 0.01 г до 0.00001 г), рис. 2.

2. Легкий пластиковый (стеклянный) сосуд диаметром 20…25 мм и высотой 35…40 мм, наполненный исследуемой жидкостью объемом 15…20 см³, устанавливается на чащу весов и показания весов обнуляются (положение без учета веса тары), рис. 2.

3. Калиброванный шарик, объем которого равен одному см³ и закрепленный на тонкой нити, полностью погружается в жидкость без возможности соприкосновения его со стенками и дном сосуда, рис. 3.

4. После стабилизации показаний весов (1…2 сек) производится их запись, которая фиксирует величину реакции выталкивающей силы Архимеда в граммах и, соответственно, определяется прямым методом без каких-либо промежуточных расчетов плотность исследуемой жидкости в г/см³, так как сила Архимеда равна весу вытесненной шариком жидкости в объеме, равном один см³, рис. 3.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения плотности любых жидких сред, в том числе и химически активных, в широком диапазоне температур с высокой точностью и меньшими затратами времени. Заявлен плотномер, включающий весы, сосуд с исследуемой жидкостью, установленный на чащу весов, прикрепленный на тонкой нити калиброванный шарик, выполненный из сплошного коррозиестойкого материала, удельный вес которого больше удельного веса исследуемой жидкости, а объем шарика составляет ровно один кубический сантиметр. Технический результат - возможность прямого измерения плотности любой жидкости (жидкой среды) непосредственно в г/см³ на высокоточных весах с меньшей затратой времени, с большей точностью, при малом количестве исследуемой жидкости (не более 15…20 см³) и в широком диапазоне температур путем быстрой и легкой замены сосудов с исследуемой жидкостью, нагретой до заданной температуры, и быстрого получения результатов измерения плотности данной жидкости без изменения заданного температурного режима. 3 ил.

Универсальный прецизионный плотномер жидких сред, содержащий весы и сосуд с исследуемой жидкостью, отличающийся тем, что включает легкий прозрачный сосуд диаметром 20…25 мм и высотой 35…40 мм, наполненный исследуемой жидкостью в объеме 15…20 см³ и установленный на чаше высокоточных весов, а в исследуемую жидкость на тонкой нити без касания стенок и дна сосуда полностью погружен калиброванный шарик объемом один кубический сантиметр, изготовленный из сплошного коррозиестойкого материала с удельным весом более, чем удельный вес исследуемой жидкой среды.