Чем измеряется плотность в физике прибор

Плотномер

Прибор для непрерывного (или периодического) измерения плотности (См. Плотность) веществ в процессе их производства или переработки, устанавливается непосредственно в технологических линиях или производственных агрегатах. По принципу действия П. для измерения плотности жидкостей (они наиболее распространены) делятся на следующие основные группы: поплавковые, весовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые. К П. примыкает группа приборов, предназначенных для измерения концентрации растворов (спиртомеры, сахаромеры, нефтеденсиметры, лактоденсиметры для определения жирности молока и др.).

Поплавковые П. бывают с плавающим поплавком (представляют собой Ареометр постоянной массы, рис. 1) или с погруженным поплавком (ареометр постоянного объёма). Погрешности П. этой группы в зависимости от конструкции составляют ±(0,2—2)% от диапазона значений плотности, охватываемого шкалой прибора. Весовые П. основаны на непрерывном взвешивании (См. Взвешивание) определённого объёма жидкости. Погрешность таких П. ±(0,5—1)%. В гидростатических П. мерой плотности ρ служит разность давлений Δр двух столбов жидкости разной высоты: Δр = ρgh, где g — ускорение свободного падения, h — разность высот столбов. Значение Δр измеряется либо непосредственно (датчиками давления), либо как разность давлений, необходимых для выдавливания пузырьков газа (воздуха) в жидкость на разной глубине (рис. 2). Погрешность таких П. достигает ±(2—4)% от диапазона шкалы прибора. Действие радиоизотопных П. основывается на определении изменения интенсивности пучка γ— или β-лучей в результате их поглощения или рассеяния слоем жидкости (ослабление пучка определяется, при фиксированной толщине слоя, плотностью жидкости). Погрешность радиоизотопных П.

(2—5)% от диапазона шкалы.

Радиоизотопный, ультразвуковой, вибрационный и ряд др. методов могут быть применены для определения плотности твёрдых и газообразных веществ.

Лит.: Кивилис С. Ш., Приборы для измерения плотности жидкостей и газов, в кн.: Приборостроение и средства автоматики, т. 2, кн. 2, М., 1964; Измерение массы, объёма и плотности, М., 1972; Глыбин И. П., Автоматические плотномеры, К., 1965.

Рис. 1. Схема плотномера с плавающим поплавком: 1 — входная труба; 2 — переливной сосуд, обеспечивающий постоянство напора жидкости; 3 — диафрагма, устанавливающая скорость потока; 4 — измерительный сосуд с переливным устройством; 5 — металлический поплавок с сердечником 6; 7 — индуктивный датчик, включенный в схему измерительного моста 8; 9 — самопишущий прибор (или автоматический регулятор); 10 — термометр сопротивления для коррекции показаний на изменение температуры.

Рис. 2. Схема дифференциального гидростатического плотномера с продувкой газа: 1 — дифференциальный манометр; 2 — длинная трубка; 3 — короткая трубка; 4 — сосуд с исследуемой жидкостью; 5 — вентили.

Источник

В чем измеряется плотность

Содержание статьи

Плотность

Среди всех прочих веществ на планете Земля самую низкую плотность имеют газы. Жидкости, как правило, характеризуются более высокой по сравнению с ними плотностью, а максимальное значение этого показателя можно встретить у твердых веществ. Так, например, наиболее плотным металлом принято считать осмий.

Измерение плотности

Для измерения плотности в физике, а также других предметных областях, где используется это понятие, принята специальная комплексная единица измерения, основанная на взаимосвязи плотности с массой и объемом вещества. Так, в международной системе единиц измерения СИ единицей, используемой для описания плотности вещества, является килограмм на один кубический метр, которую принято сокращенно обозначать как кг/м³.

Вместе с тем, в случае, если речь идет об очень малых объемах вещества, в отношении которого необходимо измерить плотность, в физике применяется использование производной от этой общепринятой единицы, выражаемой как количество граммов на кубический сантиметр. В сокращенном виде эту единицу принято обозначать г/см³.

Для измерения плотности веществ применяются различные физические приборы. Так, например, измерить плотность жидкости можно при помощи ареометра, а для того чтобы определить плотность твердого или газообразного вещества, можно воспользоваться пикнометром.

Источник

Плотность

Плотность — это интенсивность распределения одной величины по другой.

Термин объединяет несколько различных понятий, таких как: плотность вещества; оптическая плотность; плотность населения; плотность застройки; плотность огня и многие другие. Рассмотрим два понятия, касающихся неразрушающего контроля.

1. Плотность вещества.

В физике плотностью вещества называют массу этого вещества, содержащуюся в единице объёма при нормальных условиях. Тела одинакового объёма, изготовленные из различных веществ, обладают различной массой, что и характеризует их плотность. К примеру, два куба одинаковых размеров, изготовленные из чугуна и алюминия, будут отличаться весом и плотностью.

Чтобы вычислить плотность какого-либо тела, нужно точно определить его массу и разделить её на точный объём этого тела.

кг/м 3
— Единицы измерения
плотности в международной
системе единиц (СИ)

г/см 3
— Единицы измерения
плотности в системе СГС

Выведем формулу вычисления плотности.

Для примера определим плотность бетона. Возьмём бетонный кубик весом 2,3 кг со стороной 10 см. Подсчитаем объём кубика.

Подставляем данные в формулу.

Бетонный куб со стороной 10 см

График зависимости плотности воды от температуры

От чего зависит плотность вещества

Плотность вещества меняется и при изменении его агрегатного состояния. Она скачкообразно растёт при переходе вещества из газообразного в жидкое состояние, и далее — в твёрдое. Здесь также есть исключения: плотность воды, висмута, кремния и некоторых других веществ снижается при затвердевании.

Чем измеряется плотность вещества

Для измерения плотности различных веществ применяются специальные приборы и приспособления. Так, плотность жидкостей и концентрация растворов измеряется различными ареометрами. Несколько разновидностей пикнометров предназначены для измерения плотности твёрдых тел, жидкостей и газов.

Металлический пикнометр

2. Оптическая плотность.

В физике оптической плотностью называют способность прозрачных материалов поглощать свет, а непрозрачных — отражать его. Это понятие в большинстве случаев характеризует степень ослабления светового излучения при прохождении его через слои и плёнки различных веществ.

Оптическую плотность принято выражать десятичным логарифмом отношения падающего на объект потока излучения к потоку, прошедшему через объект или отражённому от него:

Оптическая плотность=логарифм (поток излучения, падающий на объект где D – оптическая плотность; F₀ – поток излучения, падающий на объект; F – поток излучения, прошедший через объект или отражённый от него).

В радиографическом методе контроля оптическая плотность является одним из основных параметров, определяющих пригодность снимков для их расшифровки. Допустимые значения этого параметра обусловлены требованиями ГОСТ 7512-82 (раздел 6 – расшифровка снимков).

Оптическая плотность измеряется в Беллах, сокращённое обозначение — «Б». Для измерения оптической плотности используется денситометр. Прибор сравнивает яркость негатоскопа и яркость точки на плёнке. По этим двум значениям прибор определяет оптическую плотность. Чем выше плотность, тем темнее изображение.

Денситометр ДП 5004

Источник

Что такое плотность?

Все, что нужно знать об измерении плотности

Измерение плотности

Определения, формулы, факторы влияния, приборы, разница между плотностью и относительной плотностью и многое другое

Измерение плотности используется для контроля чистоты и концентрации образца, получения информации о его составе. Измерение плотности незаменимо в различных отраслях для обеспечения качества сырья и готовых продуктов.

Например, плотность сверхчистой воды при +20,00 °C составляет 0,998203 г/см 3 : отклонение от этого значения (с учетом допусков) означает, что в воде присутствуют примеси.

На этой странице представлена базовая информация об измерении плотности.

Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше о плотности жидкостей.

1. Подробнее о плотности

Что такое плотность?

Плотность — это физический параметр, соответствующий массе определенного объема образца. Он зависит от плотности расположения молекул вещества в пространстве. Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ («ро»). Кроме того, для обозначения часто используется латинская буква d.

Вы когда-нибудь задумывались о том, почему нефть остается на поверхности воды при разливе?

Расслоение жидкостей происходит из-за разности плотностей. На изображении представлены типовые значения плотностей.

A — масло для ламп (0,80 г/ см 3 )
B — протирочный спирт (0,87 г/см 3 )
C — растительное масло (0,91 г/ см 3 )
D — вода (0,99 г/ см 3 )
E — средство для мытья посуды (1,33 г/см 3 )
F — мёд (1,36 г/ см 3 )

2. Как измерить плотность жидкости

В таблице ниже приведены различные методы измерения, их преимущества и недостатки.

Manual to Digital Density Measurement

Использование пикнометра для определения плотности

Посмотрите видеоролик и узнайте, правильно ли вы используете пикнометр для измерения плотности. Мы также сопоставим результаты, полученные с помощью пикнометра и цифрового плотномера.

3. Факторы, влияющие на определение плотности

a) Температура

Расстояние между атомами молекулы зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается интенсивность колебаний, атомы располагаются дальше и значение плотности уменьшается.

Молекула при определенной температуре
(малое расстояние)

Та же молекула при повышении температуры
(расстояние увеличивается)

При повышении температуры объем увеличивается, а плотность уменьшается. При уменьшении температуры объем уменьшается и плотность увеличивается. Масса вещества при этом не изменяется.

Единственное исключение — жидкая вода, которая достигает максимума плотности при +3,98 ºC. Выше этой температуры объем воды увеличивается, и плотность уменьшается. При остывании воды происходит обратный процесс.

Примечание. Связь между температурой, объемом и плотностью нелинейна: она зависит от удельной теплоемкости, теплоты испарения и других характеристик вещества.

b) Пузырьки воздуха и примеси

Если в жидкости есть хотя бы один пузырек воздуха, результат измерения плотности может сильно измениться. Такой же эффект дают и примеси.

Например, для расчета значения плотности при использовании стеклянного пикнометра измеряется масса образца. Если в образец попал пузырек воздуха или какое-то инородное включение (например, из-за недостаточной очистки), результат взвешивания будет неправильным. Это приведет к получению неправильного значения плотности.

c) Давление воздуха на жидкость

В городе Мехико на высоте 3930 метров над уровнем моря давление ниже, чем в Рио-де-Жанейро на уровне моря (на высоте 0 метров). Давление воздуха напрямую связано с высотой над уровнем моря.

Так как газы и жидкости подвижны, необходимо учитывать следующие факты:

При измерении плотности с помощью ручных приборов (например, пикнометра) давление воздуха не учитывается.

Современные цифровые плотномеры имеют встроенный барометр (датчик давления) для определения давления в точке проведения анализа. Расчет опорного значения плотности воздуха выполняется автоматически. Это значение важно по двум причинам:

d) Вязкость

Если вещество вязкое, выше ли его плотность, чем у менее вязкого вещества?

Вязкость характеризует сопротивление жидкости перемещению. Это так называемая густота жидкости, и она не связана с плотностью напрямую.

Однако вязкость может влиять на результат измерения плотности при использовании отдельных методов.

e) Относительная плотность, удельный вес, истинная плотность: физический смысл этих понятий и их отличия

Определение относительной плотности

Определение удельного веса

Истинная плотность и определение абсолютной плотности

Истинная плотность определяется как отношение массы вещества к его объему при определенных значениях давления и температуры. Масса вещества измеряется в вакууме. Это определение используется при измерении с помощью цифрового плотномера.

Определение объемной плотности

Объемная плотность используется для сыпучих веществ, например порошков или гранул. Этот параметр часто применяется в горнодобывающей, пищевой и химической промышленности. Объемная плотность определяется как отношение массы к объему, но при измерении в воздухе.

Для демонстрации разницы между истинной и объемной плотностью на весы помещен пикнометр. Наполненный жидкостью, он весит в воздухе меньше, чем в вакууме, из-за воздействия выталкивающей силы воздуха.

Многие справочные таблицы плотности до сих пор основаны на объемной плотности. Цифровой плотномер позволяет получать результаты в различных единицах измерения и концентрации, см. характеристики прибора.

f) Как получить достоверные результаты с помощью цифрового плотномера: пять элементов успешного измерения

Для получения точных результатов измерения плотности необходимо принять определенные меры, чтобы избежать ошибок в процессе работы. Ниже приведены рекомендации для успешного определения плотности.

Этап 1. Определение типа образца и его подготовка

Перед началом измерения важно определить необходимые меры предосторожности в соответствии с типом образца.

Образцы, содержащие растворенный газ

Неоднородные образцы и суспензии

Этап 2. Тестирование плотномера

Необходимо регулярно проверять рабочие характеристики системы с помощью измерения для образца с точно известной плотностью (сверхчистая вода или стандарт жидкости). Эта процедура называется тестированием, калибровкой или проверкой. По завершении тестирования необходимо сравнить измеренное значение с известной номинальной плотностью образца.

Источник

Глава 9. Приборы измерения плотности и вязкости

Глава 9. Приборы измерения плотности и вязкости.

9.1. Приборы для измерения плотности жидкости

Плотностью с вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы m вещества к занимаемому им объему V:

Удельным весом г вещества называют физическую величину, определяемую отношением веса G вещества к занимаемому им объему V:

Удельный вес и плотность связаны соотношением

,

где g — ускорение свободного падения.

Справочные данные составляют по плотности, так как плотность тела не зависит от его местонахождения на поверхности Земли, а удельный вес зависит.

Относительную плотность жидкого вещества принято выражать отношением его плотности, взятой при нормальной температуре (20 °С), к плотности дистиллированной воды при температуре 4 °С.

Относительную плотность газа принято выражать отношением его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях.

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит.

СИ плотности называются плотномерами. В настоящее время применяются весовые, поплавковые, гидростатические, вибрационные, радиоизотопные и др. плотномеры.

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей и твёрдых тел, принцип работы которого основан на Законе Архимеда.

Внешне измеритель представляет собой трубку, расширенную в нижней части. В качестве материала для ее изготовления используется стекло. В нижней (широкой) части находится балласт. На поверхности верхней (узкой) части нанесена измерительная шкала. Принцип работы очень прост. Измеритель опускается в исследуемую жидкость. Более глубокое погружение измерителя в вещество характерно для жидкостей с меньшей плотностью. Это учитывается при нанесении шкалы на трубку. Верхняя часть шкалы показывает меньшие значения, а нижняя – большие. Значение плотности определяется визуально. При этом показания смотрят по нижнему мениску.

9.2. Поплавковые плотномеры

Поплавковые плотномеры изготавливаются двух типов — с частично погруженным поплавком и с полностью погруженным поплавком.

В плотномерах с частично погруженным поплавком мерой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка. В плотномерах с полностью погруженным поплавком глубина погружения буйка остается постоянной и изменяется действующая на него выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости.

Рис.2. Схемы поплавковых плотномеров

Поплавок 1 со стержнем 2 размещен в емкости 3, через которую непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. Перемещение поплавка со стержнем при изменении плотности жидкости преобразуется в унифицированный электрический сигнал с помощью преобразователя линейных перемещений 4.

Поплавковые плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,005 до 0,01 г/см3.

На рисунке показана схема поплавкового плотномера с полностью погруженным поплавком. Поплавок 1 размещен в емкости 2, через которую прокачивается анализируемая жидкость. Поплавок укреплен на рычаге, герметичность вывода которого из емкости обеспечивается сильфоном 3. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, преобразуется преобразователем силы 4 в унифицированный пневматический или электрический сигнал.

Поплавковые плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см3.

Принцип действия этих плотномеров состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе. Таким образом, плотность определяется через удельный вес.

Наиболее распространен весовой плотномер жидкостей, схема которого показана на рисунке 3.

Рис.3. Схема весового плотномера. http://doidpo. /storage/auto/Methods%20and%20means%20of%20measurement/tutorial/theme6/part2.html

Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 1. Концы трубки через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов позволяет трубке прогибаться. Трубка соединена через тягу с силовым преобразователем 3.

При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки, в результате чего она опускается, изменяя выходной сигнал преобразователя. Этот сигнал подается на вторичный прибор 4. Если в качестве силового преобразователя используется пневматический преобразователь, то измерительным прибором является манометр, шкала которого градуирована в единицах плотности. Весовые плотномеры позволяют измерять плотность в интервале 0,5–2,5 г/см3.

9.4. Гидростатические плотномеры

Принцип действия этих плотномеров основан на зависимости давления Р столба анализируемой жидкости или газа от плотности с этих сред:

,

где Н — высота столба жидкости или газа.

Схема гидростатического плотномера, принцип действия которого основан на измерении гидростатического давления путем продувки сжатого газа, показана на рис. Такие плотномеры также называются пьезометрическими.

В сосуде 1 установлены трубки 2 и 3 с различной глубиной погружения, в которые подается газ (обычно воздух). Через открытые концы трубок газ пропускается через анализируемую жидкость. Давление газа в трубках определяется гидростатическим давлением столба жидкостей, высота которого равна глубине погружения трубок. Разность давлений в трубках измеряется дифманометром (PD). Этот перепад определяется выражением

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений изменение температуры и других факторов.

Рис.4. Схема гидростатического (пьезометрического) плотномера

9.5. Вибрационные плотномеры

Принцип действия этих плотномеров основан на зависимости частоты колебаний, сообщаемых камере с анализируемым веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. При этом камера с анализируемым веществом или тело, размещенное в нем, называется резонатором. Частота собственных колебаний резонатора, заполненного или находящегося в анализируемом веществе, описывается выражением

,

где f0 — частота колебаний резонатора при начальном значении плотности анализируемого вещества; k — константа, зависящая от конструкции резонатора.

Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2, установленные в сильфонах 3 и образующие резонатор плотномера. Система возбуждения и измерения колебаний состоит из катушки возбуждения 4, измерительной катушки 5, воспринимающей колебания трубок резонатора, и электронного усилиВыходной сигнал усилителя, пропорциональный плотности анализируемой жидкости, в виде частоты поступает во вторичный измерительный прибор 7. Диапазон измерений данного плотномера 0,69–1,05 г/см3.

Рис.5. Схема и внешний вид проточного вибрационного плотномера жидкостей.

9.6. Радиоизотопные плотномеры

Радиоизотопные плотномеры позволяют измерять плотность агрессивных, сильновязких, горячих и находящихся под большим давлением жидкостей бесконтактным способом. Их действие основано на ослаблении радиоактивного излучения с повышением плотности измеряемой жидкости.

г-излучение от источника излучения 1 проходит через слой жидкости в сосуде (трубопроводе) и попадает в приемник излучения 2, выходной сигнал которого подается на вторичный прибор 3. Интенсивность излучения, воспринимаемая приемником, зависит от плотности протекающей по трубопроводу жидкости: чем больше плотность, тем сильнее поглощение г-излучения и тем меньше сигнал на входе приемника. На величину этого сигнала будут влиять также толщина стенок сосуда (трубопровода), состав жидкости и другие факторы, уменьшающие излучение источника. Так как влияние этих факторов стабильно, оно учитывается путем введения в показания поправки, полученной при градуировке прибора.

Рис.6. Схема и внешний вид радиоизотопного плотномера

10. Измерение вязкости

Вискозиметры – это приборы для измерения вязкости.

Вязкостью называется свойство жидкостей и газов, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу.

10.1. Капиллярные вискозиметры

В данном типе вискозиметров измеряют время прохождения известного объема исследуемой и эталонной жидкости через капиллярную трубку.

Рис.7. Капиллярные вискозиметры

Через капилляр пропускают одинаковые объемы эталонной и исследуемой жидкости. А затем находят отношение объемов:

10.2. Ротационные вискозиметры.

Принцип действия этих вискозиметров основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси ротора, погруженного в измеряемую среду. Указанный крутящий момент описывается выражением:

где К — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; щ — угловая скорость вращения ротора.

Исходя из приведённого уравнения, крутящий момент однозначно определяет вязкость жидкости при постоянной угловой скорости.

Рис.8. Ротационный вискозиметр

Вращающийся с постоянной скоростью ротор 1 встречает сопротивление равномерному вращательному движению, на валу электродвигателя (ЭД) возникает тормозящий момент, пропорциональный вязкости среды, что вызывает соответствующее изменение электрических регистрируемых характеристик двигателя.

10.3. Вискозиметры с падающим шариком

Принцип действия этих вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения шарика под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости. Это движение описывается законом Стокса:

Рис.9. Шариковый вискозиметр ( Гепплера)

Анализируемая жидкость из трубопровода периодически прокачивается насосом Н по трубке 1 снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 2 от нижней до верхней ограничительной сетки (3 и 4). При выключении насоса шарик падает в анализируемую жидкость. С помощью устройств 5 и 6 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние L. С помощью измерителя временных интервалов 7 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость.

Рис.10. Вибрационные вискозиметры

Принцип действия этих вискозиметров основан на определении амплитуды вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. В настоящее время широко применяются электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды. Амплитуду колебаний зонда при постоянной возбуждающей силе можно описать выражением

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции зонда вискозиметра и типа исследуемой жидкости.

Рис.10. Вибрационный вискозиметр

Вибрационные вискозиметры имеют значительно большую по сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность, но более узкий диапазон измеряемых значений вязкости.

Источник

• ← Чем измеряется плотность в аккумуляторе электролита
• Чем измеряется плотность воды →