ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Измерение плотности и концентрации жидких сред

Получившие широкое распространение лабораторные плотномеры, предназначенные для дискретных измерений, подразделяются на ден­ситометры, шкалы которых градуированы в единицах плотности, и концентратомеры, шкалы которых градуированы в процентах по объему или массе. К первым относятся денситометры общего назначе­ния, нефтеденситометры, лактоденситометры, урометры, денситомет­ры для морской воды, аккумуляторные денситометры, денситометры для кислот. Среди концентратомеров известны спиртомеры, сахароме - ры, клеемеры, гидрометры (приборы для измерения содержания эти - ленгликоля в его водном растворе) [25]. Широкое распространение плотномера для измерения концентрации двухкомпонентных растворов основано на том, что их плотность, при неизменных других усло­виях, зависит лишь от содержания растворенного вещества.

Вибрационные плотномеры позволяют осуществлять все указанные измерения непрерывно и автоматически, обладая при этом точностью, которая в большинстве случаев превышает точность лабораторных при­боров. Выбор первичного измерительного преобразователя плотности или концентрации гомогенных жидкостей определяется условиями измерения. Так, для измерений плотности жидкости, протекающей по трубопроводу под избыточным давлением, эффективны преобразова­тели, показанные ранее на рис. 3.2—3.4. Схемы установки таких пре­образователей на технологическом потоке показаны на рис. 5.1. Уста­новка проточного преобразователя 1 (рис. 5.1, а) с трубчатым резона­тором производится на байпасной линии, подключаемой с помощью вентилей 2 и 3 к основному технологическому трубопроводу, в кото­ром с помощью вентиля 4 создается перепад давления, необходимый для обеспечения протока жидкости через резонатор. На рис. 5.1, б пока­зана схема установки погружного первичного преобразователя 1 виб­рационного плотномера внутри резервуара 2, включенного в разрыв технологического трубопровода 3. Первичный преобразователь с дву­мя трубчатыми резонаторами укреплен с помощью подвеса 4 в верх­ней крышке 5 резервуара. Герметичный кожух 6 с размещенными внутри него усилителями системы возбуждения резонаторов может быть укреплен непосредственно на выступающей части подвеса 4 или установлен в удобном для монтажа месте, если температурные условия не позволяют монтировать его вблизи технологического трубопровода. Вентиль 7 предназначен для слива жидкости при проведении монтаж-

ных работ. Обязательным условием надежной работы первичных пре­образователей является заполнение контролируемой средой всей внут­ренней полости трубчатых резонаторов. Наиболее эффективно резона­торы работают, когда жидкость внутри них протекает при повышен­ном избыточном давлении порядка 0,1—1 МПа. В этом случае предот­вращается выделение из жидкости свободного газа, наличие которого резко ухудшает метрологические характеристики всего прибора.

Для измерения плотности или концентрации жидкостей, находящих­ся в резервуарах, целесообразно применять первичные преобразовате­ли, показанные на рис. 1.17 и 1.18. При работе с погружными резонато­рами, устанавливаемыми в аппаратах под атмосферным давлением, сле­дует учитывать возможность появления прогрессирующей погрешности измерения, связанной с прилипанием к вибрирующей поверхности резонатора пузырьков свободного газа, находящегося в контролируе­мой жидкости. Возникновение этого процесса связано с явлением взаи - мопритягивания пузырьков газа, пульсирующих синфазно, и их оттал­кивания при противофазных пульсациях. Установлено [30], что влия­ние твердой стенки на газовый пузырек эквивалентно действию на него другого пузырька, расположенного зеркально симметрично от­носительно стенки. Для устранения названной прогрессирующей погреш­ности целесообразно размещать преобразователь в местах движения жидкости, вызванного, например, работой мешалки, если же контроли­руемая среда малоподвижна, следует периодически на короткое время вынимать преобразователь из жидкости.

Перспективным является направление, связанное с применением вибрационных преобразователей для контроля концентрации дисперс­ных систем типа суспензий и пульп, поскольку этот параметр трудно поддается измерению другими известными средствами. Дисперсные системы являются сырьем или продукцией большого числа технологи­ческих процессов в различных отраслях промышленности: добываю­щих отраслях — это буровые и промывочные жидкости, цементные и глийистые растворы, пульпы грунтов, полезных ископаемых и др.;

в строительстве — цементные и бетонные растворы, краски, смесе - вые покрытия, шликеры, керамики;

в химической, пищевой, фармацевтической промышленности - наполненные полимеры, кондитерские массы, пасты, кремы, мази, сточные воды и т. д.;

в энергетике - суспензия ядерного горючего, высококонцентриро­ванные наполненные ракетные топлива и топливные смеси;

в машиностроении - смазки, охлаждающие жидкости, пресс-порош - ки и т. п.

Приведенный перечень является далеко не полным и не исчерпы­вает всего многообразия дисперсных систем. Принцип действия всех существующих концентратомеров суспензий основан на различии фи­зических свойств твердой и - жидкой фаз (электропроводности, ди­электрической проницаемости, теплопроводности, плотности, погло­щающей способности и т. д.). Стабильность указанных физических свойств каждой из фаз суспензий определяет методические погреш­ности используемого концентратомера [4].

Действие подавляющего числа концентратомеров суспензий осно­вано на различии плотностей твердой и жидкой фаз, что и побудило ряд авторов применить вибрационные плотномеры для контроля кон­центрации дисперсных систем. Выбор тех или иных преобразователей концентрации суспензий, в первую очередь, обусловлен их способно­стью предотвращать возможность отложения осадка твердых частиц рнутри или снаружи чувствительного элемента. Поэтому механичес­кие резонаторы не должны иметь резких изгибов или застойных зон, должны быть доступными для периодической чистки или промывки. Как правшто, дисперсные жидкие системы перемещаются по трубопро­водам, имеющим открытый слив в приемную емкость, в связи с чем в качестве концентратомеров можно использовать как погружные, так и проточные преобразователи.

На рис. 5.2 показаны общий вид и схема установки первичного из­мерительного преобразователя концентратомера, в котором трубча­тый резонатор [20], в отличие от ранее рассмотренных, не содержит застойных зон, где могла бы скапливаться твердая фаза при прохож­дении суспензии внутри трубок. Резонатор плотномера (рис. 5.2, а) имеет три параллельно расположенные трубки в 1-3, жестко укреп­ленные концами в массивных распределителях потока 4 и 5. Боко­вые трубки 1 и 2 приводятся в режим незатухающих противофазных колебаний, поддерживаемый системой возбуждения, содержащей при­емник 6, возбудитель 7 колебаний и усилитель 8. Центральная труб­ка 3 в средней своей части жестко прикреплена с помощью стержней к скобе 9, установленной на несущей* раме 10. Суспензия подводится к резонатору через входной патрубок 11, конический амортизатор 12 и отводится от него через аналогичный конический амортизатор 13 и сливной патрубок 14. Амортизаторы изготовлены из тонкостенной листовой нержавеющей стали и отделают резонатор от входного па­трубка и корпуса, которым могут передаваться вибрации технологи­ческого трубопровода. Резонатор с системой возбуждения герметизи­руется кожухом 75, соединяемым болтами через прокладку с основа­нием 16. Нижний сливной патрубок 14 проходит через сальниковый уплотнитель 17, а в верхнем основании 16 корпуса установлена бо­бышка 18, через которую выводится кабель 19, подсоединяемый к про­межуточному измерительному преобразователю. Температурная кор­рекция выходного сигнала плотномера осуществляется неравновес­ной мостовой схемой, в одном из плеч которой установлен термис­тор 20, плотно прижатый к наружной стенке входного патрубаа 11. Первичный преобразователь устанавливается на сливном участке тех­нологического трубопровода, при этом необходимо обеспечить запол

Рис. 5.2. Общий вид (а) и схема установки (б) вибрационного концентратомера суспензий с проточным резонатором

нение всего внутреннего объема резонатора и предотвратить попада­ние в него газовых включений в виде пузырьков воздуха, перемещае­мых вместе с потоком контролируемой среды. С этой целью преоб­разователь подсоединяется к трубопроводу через специальное отбор­ное устройство, как это показано на рис. 5.2, б. Суспензия по трубо­проводу 1 подается в отстойную емкость 2 в виде конуса вращения, в нижней части которого имеется патрубок 3 с фланцем для подсоеди­нения первичного измерительного преобразователя 4. Входящий по трубе 1 поток закручивается и попадает в патрубок 3 через конусооб­разную защитную сетку 5. Крупнодисперсные включения и неконтро­лируемые примеси в суспензии скатываются по наклонной сетке 5 в сливную трубу 6 и выводятся из отборного устройства. Кроме то­го, через центральную сливную трубу 6 выводятся также газовые пузыри и образующаяся пена, поскольку они собираются в центре за­крученного потока жидкости. Излишний объем подводимой среды вы­водится от отборного устройства через переливную трубу 7. Размеры пробоотборника должны выбираться из условия обеспечения достаточ­но полного всплытия воздушных пузырьков из контролируемоЙР сус­пензии [41]. На практике оказывается достаточным изготовить отбор­ное газоотделительное устройство с высотой конической части не бо­лее 0,5—0,6 м.

Проточные первичные измерительные преобразователи, используе­мые в концентратомерах суспензий и пульп, не всегда удобны в их очистке от возможных отложений твердой фазы на внутренних стен­ках трубок. В таких случаях более предпочтительны погружные пре­образователи, однако для их монтажа необходимы резервуары доста­точной для погружения глубины, что не всегда выполнимо. Так, напри­мер, в условиях гидротранспорта различных материалов перемещаемая пульпа может выливаться из трубопровода на неограниченную стенка­ми поверхность, что характерно при перемещении грунта земснаряда­ми или при разгрузке различного рода сыпучих веществ. В этих усло­виях можно устанавливать погружные преобразователи (см. рис. 1.17, 1.18) в пробоотборном устройстве, аналогичном ранее рассмотренно­му и закрепленному на сливном конце трубопровода.

На рис. 5.3 показана схема пробоотборного устройства с установ­ленным в нем погружным преобразователем. Устройство состоит из приемного сосуда 1, в который погружен первичный измерительный преобразователь 2, и переливной трубы 5, сообщающейся с сосудом 1 в верхней ейоей части через отвер­стие в боковой стенке. Контроли­руемая суспензия поступает в про­боотборник из трубопровода 4, с которым он соединен с помощью фланцев 5. Нижняя часть приемно­го сосуда сообщается с перелив­ной трубой, позволяющей удалять излишки суспензии при колебани­ях ее расхода. Первичный измери­тельный' преобразователь 2 зафик­сирован в вертикальном положе­нии кронштейном 6 и может легко выниматься из приемного сосуда для очистки и поверки.

Погрешности рассмотренных концентратомеров суспензий в основ­ном определяются возможными изменениями их гранулометрическо­го состава, т. е. изменениями диаметра твердых частиц, поэтому градуи­ровку таких концентратомеров следует проводить с использованием в качестве образцовых сред тех суспензий, для контроля которых они предназначены. После проведения индивидуальной градуировки указан­ных приборов можно получить относительную приведенную погреш­ность измерения не более 2—2,5 %.