RU2162596C2 - Method measuring density - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical, paint and varnish and food industries. SUBSTANCE: in correspondence with proposed method measurement vessel is filled with flow rate proportional to mass of substance, rate of change of pressure in it is measured and used to evaluate value of density. EFFECT: increased accuracy of measurement of density of loose substances and solid bodies of unspecified shape, secured timeliness of control thanks to usage of one measurement process. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пневматическим способам измерения плотности сыпучих веществ и твердых тел различной формы, и может найти применение в таких отраслях промышленности, как химическая, лакокрасочная и пищевая промышленность. The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to pneumatic methods for measuring the density of bulk solids and solids of various shapes, and can find application in industries such as chemical, paint and varnish and food industries.

Известен способ измерения плотности по массе и объему вещества, в котором осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют объем его и по их отношению судят о насыпной плотности вещества (Пестов Н.Е. Физико-химические свойства зернистых и порошкообразных химических продуктов. М.- Л. : Изд-во АН СССР, 1947.- С. 152). A known method of measuring density by weight and volume of a substance in which a sample of a substance is weighed is carried out, after which its volume is determined and the bulk density of the substance is judged by their ratio (N. Pestov. Physical and chemical properties of granular and powdery chemical products. M.- L.: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, 1947.- S. 152).

Недостатком такого способа измерения плотности является невозможность определения пикнометрической плотности вещества, а также отсутствие единства процесса измерения. The disadvantage of this method of measuring density is the inability to determine the pycnometric density of the substance, as well as the lack of unity of the measurement process.

Известен способ измерения плотности путем измерения массы и объема вещества, позволяющий измерять пикнометрическую плотность вещества (Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. - 216 с. ). В таком способе осуществляют взвешивание пробы вещества, после чего определяют его объем путем погружения в сосуд с жидкостью и фиксации объема вытесненной веществом жидкости. После измерения массы m_в и объема V_в вещества определяют плотность ρ_в вещества из отношения ρ_в = m_в>/V_в.There is a method of measuring density by measuring the mass and volume of a substance, allowing to measure the pycnometric density of a substance (Makarov Yu.I. Devices for mixing bulk materials. M: Mechanical Engineering, 1973. - 216 S.). In this method, a sample of the substance is weighed, and then its volume is determined by immersion in a vessel with liquid and fixing the volume of the liquid displaced by the substance. After measuring the mass m and _a volume V _in substance define the density ρ of the substance _{in a} ratio ρ = m _a> / V _in.

Основной недостаток такого способа состоит в том, что он не применим для измерения плотности пористых и сыпучих веществ не допускающих смачивания в какой-либо жидкости. Кроме того, при реализации метода отсутствует единый измерительный процесс, что снижает оперативность измерения. The main disadvantage of this method is that it is not applicable for measuring the density of porous and granular substances that do not allow wetting in any liquid. In addition, when implementing the method, there is no single measurement process, which reduces the efficiency of measurement.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ измерения плотности (Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980.- С. 156), состоящий в том, что в измерительную емкость помещают контролируемое вещество с известной массой и заполняют газом. О плотности вещества судят по изменению абсолютного давления в измерительной емкости. Closest to the proposed technical essence is a method of measuring density (Kivilis S.S. Density meters. M: Energy, 1980.- S. 156), which consists in placing a controlled substance with a known mass in the measuring tank and filling it with gas. The density of a substance is judged by the change in absolute pressure in the measuring capacitance.

Недостатком способа, принятого за прототип, является отсутствие единого измерительного процесса и невысокая точность, обусловленная влиянием изменения атмосферного давления на результат измерения. The disadvantage of the method adopted for the prototype is the lack of a single measuring process and low accuracy due to the influence of changes in atmospheric pressure on the measurement result.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения плотности сыпучих веществ и твердых тел различной формы, а также обеспечение оперативности контроля за счет использования единого измерительного процесса. An object of the invention is to increase the accuracy of measuring the density of bulk solids and solids of various shapes, as well as ensuring the efficiency of control through the use of a single measuring process.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что заполнение измерительной емкости осуществляют с расходом, пропорциональным массе вещества, измеряют скорость изменения давления в ней, по которой судят о величине плотности. The stated technical problem is achieved due to the fact that the filling of the measuring tank is carried out at a rate proportional to the mass of the substance, the rate of change of pressure in it is measured, by which the density value is judged.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ измерения плотности. In FIG. 1 is a diagram of a device that implements a method for measuring density.

Устройство содержит емкость с контролируемым веществом 1, соединенный с ней пневматический дроссель 2 и устройство для измерения давления 3. The device comprises a container with a controlled substance 1, a pneumatic throttle 2 connected to it, and a device for measuring pressure 3.

Сущность способа заключается в следующем. The essence of the method is as follows.

В измерительной емкости 1 объемом V₁ помещают контролируемое вещество с объемом V_в. После этого в емкость 1 через линейный дроссель 2 с проводимостью α подают газ.In the measuring tank 1 with a volume of V ₁ place a controlled substance with a volume of V _in . After that, gas is supplied to the tank 1 through a linear choke 2 with conductivity α.

При ламинарном (линейном) течении газа по дросселю его проводимость определяется из уравнения Пуазейля в виде

где d, l - диаметр и длина капиллярной трубки пневматического дросселя; ρ_г,η_г- плотность и динамическая вязкость газа.In the case of laminar (linear) gas flow along the throttle, its conductivity is determined from the Poiseuille equation in the form

where d, l is the diameter and length of the capillary tube of a pneumatic throttle; ρ _g, η _g - density and dynamic viscosity of the gas.

Течение газа по дросселю 2 определяется перепадом) давлений на нем Δ = P - P₁, где P₁, P₂ - давления на входе и на выходе дросселя соответственно. Расход газа через дроссель 2
G = α ·(P₁-P₂) (1)
При условии, что P₁-P₂=k·m_в, уравнение (1) примет вид
G = α ·k·m_в, (2)
где k - весовой коэффициент; m_в - масса вещества.The gas flow through the throttle 2 is determined by the differential pressure) Δ = P - P ₁ , where P ₁ , P ₂ are the inlet and outlet pressure of the throttle, respectively. Gas flow through throttle 2
G = α (P ₁ -P ₂ ) (1)
Provided that P ₁ -P ₂ = k · m _in , equation (1) takes the form
G = α · k · m _in , (2)
where k is the weight coefficient; m _in is the mass of the substance.

Соединение дросселя 2 и измерительной емкости 1 представляет собой апериодическое звено первого порядка, скорость изменения давления в котором

где t - время; R - универсальная газовая постоянная; T - температура.The connection of the throttle 2 and the measuring capacitance 1 is an aperiodic unit of the first order, the rate of change of pressure in which

where t is time; R is the universal gas constant; T is the temperature.

Из уравнения (3) видно, что в апериодическом звене в силу специфики происходящих пневмодинамических процессов осуществляется деление массы вещества на объем. From equation (3) it is seen that in the aperiodic link, due to the specifics of the ongoing pneumodynamic processes, the mass of the substance is divided by the volume.

Таким образом, предлагаемый способ измерения плотности обладает оперативностью; о плотности контролируемого вещества, как следует из уравнения (3), можно судить
- по скорости изменения давления dP₁/dt в измерительной емкости 1;
- по величине времени Δt, за которое давление в емкости 1 изменится на заданную величину ΔP₁;
- по величине изменения давления ΔP₁, происходящее за заданный отрезок времени Δt.Thus, the proposed method for measuring density is responsive; the density of the controlled substance, as follows from equation (3), can be judged
- the rate of change of pressure dP ₁ / dt in the measuring tank 1;
- in terms of the time Δt, during which the pressure in the tank 1 will change by a predetermined value ΔP ₁ ;
- the magnitude of the pressure change ΔP ₁ occurring over a given period of time Δt.

Одна из возможных конструкций устройства для реализации способа измерения плотности СМ с совмещением процессов измерения массы и объема вещества и деления полученных результатов представлена на фиг. 2. One of the possible constructions of a device for implementing a method for measuring the density of SMs with a combination of processes for measuring the mass and volume of a substance and dividing the results is presented in FIG. 2.

Устройство состоит из измерительной емкости 1, герметично закрываемой крышкой 2, внутрь которой помещено контролируемое вещество 3. Контролируемое вещество 3 воздействует на мембрану 4, отделяющую измерительную емкость 1 от камеры 5, в которой размещено сопло 6, соединенное с атмосферой. The device consists of a measuring tank 1, a hermetically sealed lid 2, inside of which the controlled substance 3 is placed. The controlled substance 3 acts on the membrane 4, which separates the measuring tank 1 from the chamber 5, in which the nozzle 6 connected to the atmosphere is placed.

В камеру 5 через дроссель 7 с выхода задатчика 8 поступает давление питания P_пит. Кроме того, камера 5 через дроссель 9 соединена с измерителями давления 10 и времени 11, а также с измерительной емкостью 1 объемом V₁.In the chamber 5 through the throttle 7 from the output of the setter 8 receives the supply pressure P _pit . In addition, the chamber 5 through the throttle 9 is connected to the pressure gauges 10 and time 11, as well as to the measuring capacity 1 of volume V ₁ .

При реализации метода измерения плотности измерительная емкость заполнена контролируемым веществом объемом V_В = const и герметично закрытa крышкой.When implementing the density measurement method, the measuring capacitance is filled with a controlled substance with a volume of V _B = const and hermetically closed by a lid.

На мембрану 4 со стороны емкости 1 действует сила F₁ = m_в·g, где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения. Под действием этой силы происходит перемещение мембраны 4, при этом сопло 6 прикрывается. Давление P₅ в камере 5 растет до значения, которым уравновешивается действие силы F₁, определяемое из уравнения

где S - эффективная площадь мембраны 4. Таким образом, из уравнения (4) видно, что коэффициент k является весовым коэффициентом и равен k = g/S.The membrane 4 from the side of the tank 1 acts force F ₁ = m _in · g, where g = 9.81 m / s ² is the acceleration of gravity. Under the action of this force, the membrane 4 moves, while the nozzle 6 is covered. The pressure P ₅ in the chamber 5 rises to a value that balances the action of the force F ₁ determined from the equation

where S is the effective area of the membrane 4. Thus, it can be seen from equation (4) that the coefficient k is a weight coefficient and is equal to k = g / S.

При поступлении давления P₅ на вход дросселя 9 с проводимостью α₉ начинается процесс заполнения емкости 1 сжатым газом, сопровождающийся ростом давления P₁ в ней.When pressure P ₅ arrives at the inlet of the inductor 9 with conductivity α ₉ , the process of filling the tank 1 with compressed gas begins, accompanied by an increase in pressure P ₁ in it.

Изменение давления P₁ в объеме V₁ емкости 1 заполненным контролируемым веществом описывается дифференциальным уравнением

решение которого относительно времени t₁₂ изменения давления на величину ΔP = (P₁₂-P₁₁) в емкости 1 от минимального P₁₁ до максимального P₁₂ имеет вид

Если заданной постоянной величиной является время t₁₂, то о плотности можно судить по изменению давления

Достоинством предложенного способа является то, что плотность контролируемого материала измеряется в едином процессе, при этом не требуется запоминания промежуточных результатов. Информация о плотности представлена в виде интервала времени, измерение которого осуществляется простыми техническими средствами с высокой точностью. Под единым измерительным процессом авторы подразумевают то, что в выходном сигнале содержится информация о плотности вещества, при этом не используются дополнительные измерительные и вычислительные операции. В предложенном способе исключено влияние изменения атмосферного давления на выходной сигнал, так как измерению подлежит избыточное давление.The change in pressure P ₁ in the volume V _{1 of the} tank 1 filled with a controlled substance is described by the differential equation

whose solution with respect to the time t _{12 of} the pressure change by ΔP = (P ₁₂ -P ₁₁ ) in the tank 1 from the minimum P ₁₁ to the maximum P ₁₂ has the form

If the given constant is time t ₁₂ , then the density can be judged by the change in pressure

The advantage of the proposed method is that the density of the controlled material is measured in a single process, without the need to memorize intermediate results. Information about the density is presented in the form of a time interval, the measurement of which is carried out by simple technical means with high accuracy. The authors mean by a single measuring process that the output signal contains information about the density of the substance, while additional measuring and computational operations are not used. In the proposed method, the influence of atmospheric pressure changes on the output signal is excluded, since overpressure is subject to measurement.

Claims (1)

Способ измерения плотности путем помещения контролируемого вещества в измерительную емкость, подачи газа в нее и измерения давления, отличающийся тем, что заполнение измерительной емкости осуществляют с расходом, пропорциональным массе вещества, измеряют скорость изменения давления в ней, по которой судят о величине плотности. A method of measuring density by placing a controlled substance in a measuring vessel, supplying gas to it and measuring pressure, characterized in that the filling of the measuring vessel is carried out at a rate proportional to the mass of the substance, the rate of pressure change in it is measured, which is used to judge the density value.

Images