CC BY
73
УДК 531.756: 53.082.32
ПНЕВМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЧИСЛОИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ
Д.М. Мордасов
Кафедра “Автоматизированные системы и приборы ”, ТГТУ
Представлена профессором С.В. Пономаревым и членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: контроль; плотность жидкостей; пневмоди-намический; пульсирующая подача; числоимпульсный.
Аннотация: Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований пневмодинамического числоимпульсного метода измерения плотности жидкостей. Метод основан на зависимости изменения давления в пневмо-метрической трубке от плотности при пульсирующей подаче в нее газа.
Обозначения
g - ускорение свободного падения, м/с2;
0 - расход газа, кг/с; к - уровень жидкости в емкости, м; к2, к1 - максимальное и минимальное значения уровня в пневмогидравличе-ской измерительной емкости, м;
Н - глубина погружения емкости, м;
Н1 - уровень жидкости над пневмогид-равлической измерительной емкостью, м;
1 - длина емкости, м; т1, т2 - коэффициенты;
Мд - масса дозы газа, кг;
Мк - масса газа над поверхностью жидкости в измерительной емкости, кг; п - количество доз газа;
Ра - абсолютное давление над поверхностью контролируемой жидкости, Па;
Рк - давление в пневмогидравлической измерительной емкости, Па;
Я - газовая постоянная, Дж/(кг К);
S - площадь поперечного сечения емкости, м2;
Плотность - одна из основных характеристик вещества, широко используется при контроле качества продукции. Известно большое количество методов измерения, в основу которых положены различные физические эффекты [1, 2]. Особое место в этом ряду занимают пневматические методы в силу присущих им преимуществ (простота, высокая надежность, пожаро- и взрывобезопасность и др.). Перспективным направлением создания новых методов и средств контроля плотности является развитие пневмодинамического принципа измерения.
Физические основы пневмодинамических методов контроля плотности рж жидких веществ базируются на эффектах, возникающих в результате воздействия
I - время, с;
Т - абсолютная температура, К;
¥0 - объем соединительных трубок, м3;
¥д - объем газа в дозе, м3;
¥к - объем газового пространства над поверхностью жидкости в пневмогид-равлической измерительной емкости, м3; Ап - абсолютная погрешность обработки экспериментально полученных значений величины п;
Ар - абсолютная погрешность измерения плотности, кг/м3;
8р - относительная погрешность измерения плотности, %; рж - плотность жидкости, кг/м3; робр - плотность жидкости, измеренная с помощью образцовых средств измерения, кг/м3;
рэксп - плотность жидкости, измеренная с помощью устройства реализующего пневмодинамический числоимпульсный метод, кг/м3.
Рис. 1 Пневмогидравлический измерительный элемент колокольного типа
на контролируемые вещества пневматическим сигналом, параметры которого изменяются во времени.
В пневмодинамических методах измерения обязательным является выполнение измерительного элемента в виде колокола 1 (пневмогидрав-лической емкости) (рис. 1), погруженной в контролируемую жидкость 2 [3 - 6].
Процессы, происходящие в измерительном элементе при подаче в него газа с расходом G = const, описываются системой дифференциальных уравнений [4]
h=
1
Рж S
(p -р )-н,
V к а/ 1’
dP
h-z-
dt
dh RTG
+ P -----=-------,
к dt S
(1)
где Н1 =( Н -1).
Время /12 изменения уровня жидкости в емкости 1 на заданную постоянную величину Ак = к2 - Их определяется из системы уравнений (1) в виде
(2)
t12 = mi + m2Pa
где m1 =
РаS(h2 - h1) SS(h2 - M(h2 + h1 + H1)
КТО 2 КТО
Согласно уравнению (2) о плотности жидкости судят по времени /12 изменения уровня жидкости в пневмогидравлическом измерительном элементе на заданную величину при подаче на его вход газа с постоянным расходом О.
В известных пневмодинамических методах измерения плотности [4] результат измерения зависит от расхода О газа и его температуры Т. Исключить влияние температуры и расхода газа на результат измерений позволяет пневмо-динамический числоимпульсный метод, при реализации которого осуществляется пульсирующая подача газа в измерительную пневмометрическую трубку.
На рис. 2 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый метод измерения плотности.
Рис. 2 Устройство для реализации метода пневмодинамического контроля плотности жидкости
Емкость 1, объем которой циклически изменяется от 0 до Уд и наоборот, подключается через трехходовой кран 2 к пространству над поверхностью контролируемой жидкости или ко входу пневмометрической трубки 3.
При соединении емкости 1 с пространством над поверхностью жидкости производится отбор массы газа
PV
M = д RT
(3)
Состояние газа в пневмометрической трубке 3 описывается уравнением
Р V = М КГ , (4)
ТС ТС ТС ’ ^ '
где
Р = р gh + P ,
к а’
V = Sh + К .
к 0
(5)
(6)
При подаче газа с расходом О в емкость 3 изменяются давление Рк, объем Ук и масса газа Мк. Дифференцируя уравнение (4) получим
dP dV
V —к + Р —к = GRT . к dt к dt
(7)
С учетом уравнений (5) и (6) уравнение (7) после преобразований примет вид
(8)
2Sp gh— + (V0p g + P S) — = GRT Ижй dt V °vж а 1 dt
Интегрирование (8) при условии, что уровень к изменяется в пределах от к1 до к2 при изменении времени от 0 до г, дает
SPkg (h12 - h22 ) + (V0pжg + РаS)(h1 - h2 ) = GRTt
(9)
Масса М газа, подаваемого в пневмометрическую трубку 3 для изменения уровня на величину Ак = к1 - к2, при условии дискретной подачи определяется уравнением
РУ
м = Ог = пМ = п-а д
RT
(10)
Таким образом, из уравнения (9), с учетом (10) можно определить количество доз газа, которое необходимо подать в трубку 3
S(h1 - h2 )
V,
+ р • ж
Sg(h12 - h22 ) V0g (h1 - h2 )
После замены h1 =
P - P
1____а
Рж g
и h2 =
PV а д
P - P
PV
ад
(11)
П = -
S ( P, - P 2 )
Рд gV.
1 +-
Рж g P + P„
P
уравнение (11) примет вид
P i - P 2
+k——-
PV а д
(12)
где Р1 = Р! - Ра - избыточное давление в трубке 3 при уровне жидкости в ней к1; Р2 = Р2 - Ра - избыточное давление в трубке 3 при уровне жидкости в ней к2.
Изменения уровня жидкости в измерительной емкости происходит с небольшой скоростью, поэтому влиянием вязкости жидкости на происходящие процессы можно пренебречь.
При экспериментальном исследовании пневмодинамического числоимпульсного метода в качестве пневмометрической трубки использовали трубку с внутренним диаметром 0,03 м и длиной 1,3 м. Газ подавался дозами объемом Уд = 4,5-10-6 м3 с частотой 10 Гц с помощью поршневого компрессора типа КММ-1. Объем соединительных трубок У0 = 2-10-5 м3. Избыточное давление в пневмометрической трубке изменялось от 103 до 104 Па. Абсолютное давление над поверхностью контролируемой жидкости составляло 105 Па.
Образцовые измерения плотности жидкостей производились с помощью ареометров [2], погрешность которых не превышает 0,01 %.
В таблице приведены результаты экспериментальной проверки предложенного метода.
Таблица
Результаты экспериментальной проверки пневмодинамического числоимпульсного метода контроля плотности жидких сред
Вещество робр, кг/м3 n ± Ап рэксп, кг/м3 Ар, кг/м3 8р, %
Спирт этиловый 814 194 ± 4 826 12 1,5
Масло ТАП - 15 927 170 ± 3 943 16 1,7
Вода 1002 157 ± 3 1021 19 1,9
Глицерино-водный раствор 1200 131 ± 2 1224 24 2,0
Раствор серной кислоты 1420 111 ± 1 1446 26 1,8
Анализ экспериментальных данных показывает, что относительная погрешность определения плотности с помощью устройства, реализующего пневмоди-намический числоимпульсный метод, не превышает 2,0 %, чувствительность
0,13 ими/-^3.
/ м3
Разработанный метод может быть использован для экспресс-контроля жидких веществ в различных отраслях промышленности. Преимуществами метода являются простота его реализации, метод может быть легко автоматизирован, а также исключена погрешность от изменения температуры газа за счет его импульсной подачи.
Список литературы
1 Глыбин, И.П. Автоматические плотномеры / И.П. Глыбин. - Киев: Техника, 1965. - 258 с.
2 Кивилис, С.С. Плотномеры / С.С. Кивилис. - М.: Энергия, 1980. - 279 с.
3 Мордасов, М.М. Контроль плотности жидких веществ пневмометриче-скими методами / М.М. Мордасов, С.В. Мищенко, Д.М. Мордасов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1998. - Т. 64, № 7. - С. 31-37.
4 Мордасов, М.М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами. Учеб. пособие / М.М. Мордасов, С.В. Мищенко, Д.М. Мордасов - Тамбов: ТГТУ, 1999. - 76 с.
5 Лаптев, В.И. Барботажно-пьезометрические методы контроля физикохимических свойств жидкостей / В.И. Лаптев. - М.: Энергоиздат, 1984. - 79 с.
6 Авт. свид. СССР № 493702. Пьезометрический плотномер / Мордасов М.М., Шаталов Ю.С. // Открытия. Изобретения, 1975, № 44.
7 Ибрагимов, А. И. Элементы и системы пневмоавтоматики / А. И. Ибрагимов, Н.Г. Фарзане, Л.И. Илясов. - М.: Высш. школа, 1975. - 360 с.
8 Дмитриев, В.Н. Основы пневмоавтоматики / В.Н. Дмитриев, В.Г. Градец-кий. - М.: Машиностроение, 1973. - 360 с.
Air-Dynamic Numeric Impulse Method of Liquid Density Control
D.M. Mordasov
Department “Automated Systems and Devices ”, TSTU
Key words and phrases: control; liquid density; air-dynamic; pulsed feed; nu-meric-impulse.
Abstract: The results of theoretical and experimental research of air-dynamic numeric impulse method of measuring liquid density are given. The method is based on the dependence of pressure alteration in air-dynamic tube on the density during pulsed feed of gas.
Pneumodynamische zahlimpulsartige Methode der Kontrolle der Fltissig-keitsdichte
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Untersuchungen der pneumodynamischen zahlimpulsartigen Methode der Kontrolle der Flussigkeitsdichte angefuhrt. Die Methode grundet sich auf der Abhangigkeit der Dich-teveranderung im pneumometrischen Rohr von der Dichte bei der pulsierenden Gaszub-ringung.
Methode pneumodynamique numerique d’impulsion pour le controle de la densite du liquide
Resume: Sont cites les resultats des etudes theoriques et pratiques de la methode pneumodynamique numerique d’impulsion pour le controle de la densite du liquide. La methode est fondee sur la dependence de la pression dans une tube pneumometrique de la densite lors du depit pulsant du gaz.
