Поплавковый плотномер Советский патент 1984 года по МПК G01N9/18 

to to

ф ю Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для измерения плотности жидкости поплавковым методом. Известен дистанционный ареометр с двумя жестко связанными герметиче ки закрытыми камерами разного объем ного веса, одна из которых имеет положительную плавучесть и содержит контактное устройство, а другая всплывает или погружается-при изменении плотности жидкости, вызывая поворот прибора и срабатывание контактного ycTpoicTBa 11 3. Недостатком его является зависи. мость показаний от поверхностного натяжения среды. Наиболее близким по технической сущности является прибор для измерения плотности жидкостей, содержащий поплавок частичного погружения и прибор для измерения его наклона Поплавок укреплен на сборном кольце, свободно плавающем в жидкости. Внутри кольцевой полости наружного кольца, заполненной спиртом, помещен воздушный пузырек дпя отсчета показаний. При погружении прибора в испытываемую жидкость он поворачивается относительно центра сборно го кольца на угол, определяемый плотностью и фиксируемый, на вжале по положению пузырька 2 3. Однако показания известного плот номера зависят не только от плотности испытываемых жидкостей, но и от силы поверхностного натяжения, которая вызывает дополнительный поворот, так как в плотномере линия ее действия смещена относительно центра тяжести площади плоскости плавания, т.е. фигуры, ограниченной линией пересечения свободной поверхности жидкости с по верхностью плавакицего тела. Поправку, которую следует при этом ввести в показания, определить сложно. Цель изобретения - повышение точности измерений плотности жидкос тей со значительным поверхностным натяжением. Указанная цель достигае ся тем, что в поплавковом плотномере, содержащем поплавок частичного погружения и прибор для измерения его наклона, поплавок вьшолнен в виде сектора кругового кольца прямоуголь ного сечения с централышм углом менее 15, на непогруженной образующей которого установлен прибор для измерения наклона поплавка, а также тем, что прплавок выполнен из однородного мат-ериала. На фиг.1 изображен поплавковый плотномер, общий вид j на фиг.2 вид его сверху. Поплавковый плотномер содержит поплавок 1 частичного погружения и уровень 2 с регулировочным винтом 3 . Поплавок 1 выполнен из однородного материала с формой сектора кругового кольца, имеющего прямоугольное сечение и ось 0-0. Ось 0-0 в дальнейшем именуется геометрической осью поплавка (сектора). Центральный угол сектора , т.е. угол между радиальными плоскостями 4 и 5, образующими сектор, составляет менее 15. Радиальная плоскость 4 является нижней и при измерении погружена в испытуемую жидкость. Верхняя радиальная плоскость 5 жидкостью не смачивается. Выбор значения центрального угла поплавка 1 менее 15 обосновьтается тем, что зто является дополнительным условием по исключению влияния поверхностного натяжения на измерение плотности. Из теории плавания тел известно, что при углах крена тел d. менее 15 перемещение центра давления и тел происходит относительно неизменной оси, что необходимо для исключения влияния сил поверхностногй натяжения на показания плотномера. Этому же сопутствует расположение центра тяжести поплавка и центра водоизмещения на одной вертикали при его малых (od 15°) поворотах. Поэтому для исключения влияния поверхностного натяжения необходимо, чтобы центральный угол поплавка /з, равный максимальному углу его наклона (крена)об был меньше 15. Плоскость плавания погруженного в жидкость поплавка 1 является по отношению к нему радиальной и находится между нижней 4 и верхней 5 радиальными плоскостями поплавка 1. Плотность материала поплавка 1 назначается по требуемым чувствительности прибора и нижнему пределу измерения плотности. Чувствительность плотномера максимальна при плотности материала поплавка, близкой к плотности испытываемой жидкоети, a нижний предел измерения практ чески равен плотности материала поплавка. Пользуясь нижеприведенными форму лами можно показать, что для определения плотности жидкостей,.близких к р 1000 кг/м при требуемой чувствительностиизмерений 10 рад/кг необходимо выполнить поплавок из материала с плотностьюр 380 кг/м Уровень 2, служащий для регистра ции наклона поплавка 1, прикреплен на верхней плоскости 5 поплавка 1 и сориентирован в плоскости, перпендикулярной к его оси 0-0. Винт 3 предназначен для регулирования положения уровня 2 относительно поп лавка 1. Шкала уровня отградуирована в единицах плотности и нанесена на верхней поверхности ампулы уровня 2. Плотномер работает следующим образом. При опускании поплавка 1 в испытуемую жидкость в момент соприкосн вения нижней радиальной плоскости 4 поплавка 1 и совпадении ее со сво бодной поверхностью жидкости пузырек уровня 2 находится в крайней правой позиции (обозначена на фиг. и 2 пунктиром), занимая наивысшее положение в цилиндрической ампуле уровня 2. При свободном плавании поплавка 1 права;я часть его ввиду ее боль шей, толщины погружается в жидкость больше, чем левая, причем величина погружения отдельных частей поплавка 1 пропорциональна его толщине. Другими словами, поплавок 1 в процессе погружения получает наклон или поворот относительно его геомет рической оси 0-0, совпадающей со свободной поверхностью жидкости. Уровень 2 поворачивается вместе с поплавком 1 на тот же угол об , что вызывает перемещение его шкалы относительно пузырька, занимающего всегда наивысшее положение, на величину .L . На шкале уровня 2, проградуированной в единицах плотности, по положению пузырька снимают отсчет. Из уравнения равновесия поплавка в жидкости, составленного с учетом малости углов (sin i ci ; ,9 ) имеем, что .f (1) и L-dK (2), откуда 1 Р R/bpM/L, (3) f - плотность жидкости; R - радиус кривизны ампулы уровня; fb - центральный угол поплавка} L, - смещение шкалы уровня относительно пузырька; Рд - плотность материала поплавка;cL - угол крена поплавка. Формула (3) может применяться для вычисления плотности испытуемой жидкости по непосредственно измеренному смещению или же для градуировки шкалы уровня в единицах плотности жидкости. Из уравнения (1), следует, что при снижении плотности жидкости до плотности материала поплавка об крена поплавка 1 становится равным центральному углу /i поплавка, что соответствует полному погружению поплавка и совпадению его верхней радиальной плоскости 5 с уровнем жидкости. Таким образом, максимальный угол крена поплавка oL с«х соответствует нижнему пределу измерения плотности жидкости (Р Рм) и равен центральному углу /з поплавка. При бесконечно большой плотности жидкости oL 0. Это соответствует нулевому погружению поплавка 1 и совпадению его нижней радиальной плоскости А со свободной поверхностью жидкости. Bbmie рассмотрено поведение поплавка 1 в жидкости без учета сил поверхностного натяжения. В случае смачивания поплавка 1 жидкостью равнодействующая сил поверхностного натяжения Р направлена вниз и равна (4) где Т - величина поверхностного натяжения жидкости, - периметр плоскости плавания поплавка АВСД (фиг.2). Вектор равнодействующей сил поверхностного натяжения проходит через центр тяжести М плоскости плавания поплавка 1 АВСД, а так как она является прямоугольником, то появляется равномерное дополнительное погружение поплавка на величину fi (см.фиг.1) которое уравновешивается дополнительной выталкивающей силой

(5)

F i

, где f - ускорение свободного падеНИЯ}

S - площадь плоскости плава ния поплавка АВСД;

h - величина дополнительного погружения поплавка.

Учитывая, что / 15, поворот поплавка 1 при изменении плотности жидкости всегда осуществляется относитёльно неиэменнбй .оси 0-( являющейся геометрической осью поплавка 1. Неизменность оси поворота однородность матвриф1а и фЬрма поплавка обеспечивают перпендикулярное пересечение поверхностей поплавка 1 свободной поверхностью жидкости, поэтому небольшое дополнительное погружение поплавка 1 за счет сил поверхностного натяжения не смещает плоскость плавания поплавка АВСД и их равнодействуюп(ую силу Р относительно оси 0-0, что обеспечивает равномерность погружения Ь поплавка 1 по всей плоскости плавания и исключает его дополнительный поворот от сил поверхностного натяжения жидкости.

1. ПОПЛАВКОВЫЙ ПЛОТНОМЕР, содержащий поплавок частичного погружения и прибор для измерения его наклона, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерения плотности жидкостей со значительным поверхностным натяжением, поплавок вьтолнен в виде сектора кругового кольца прямоугольного сечения с центральным углом менее 15°, на непогруженной образующей которого установлен прибор для измерения наклона поплавка. 2. Плотномер по п.1, отличающийся тем, что поплавок выполнен из однородного материала.

СЫвдная affejtfHOcaa таЙтеят