Плотномер: принцип работы

Принцип измерения

Наиболее популярны вибрационные плотномер основанные на методе осциллирующей U-образной трубки: измеряемый образец помещается в U-образную трубку, которая вызывает вибрацию. На собственную частоту колебаний U-образной трубки влияет масса и, следовательно, плотность образца.

Шарик, прикрепленный к листовой пружине, закрепленной на стене, начинает колебаться, когда его нажимают пальцем и отпускают. Частота колебаний зависит от веса мяча: более тяжелый мяч (синий) колеблется с более низкой частотой, чем более легкий мяч (оранжевый). Если оба шара имеют одинаковый размер, частота колебаний зависит, таким образом, от плотности материала, из которого сделан шар: чем выше плотность материала, тем ниже частота колебаний.

То же самое происходит и с U-образной трубкой плотномера: чем выше плотность образца внутри ячейки, тем ниже частота колебаний. Анимация ниже иллюстрирует это: ячейка, заполненная водой (высокая плотность, синий цвет), колеблется с более высокой частотой, чем ячейка, заполненная воздухом (низкая плотность, серый цвет).

Частоту колебаний U-образной трубки, заполненной образцом, можно выразить следующим образом:


⍴ = плотность образца в ячейке
Vc = внутренний объем U-образной трубки
m c  = масса пустой U-образной трубки
K = удельная константа U-образной трубки
С помощью этого калибровочного коэффициента (F) можно рассчитать плотность любого образца:

 

Ошибка вязкости

На практике частота колебаний U-образной трубки зависит не только от плотности образца, но и от его вязкости: если U-образная трубка заполнена образцом с высокой вязкостью, ее колебания затухают из-за возникающих сил сдвига. в жидкости. Наблюдаемая частота колебаний слишком мала, а значение плотности оказалось слишком высоким. На рисунке ниже показана величина этой ошибки в зависимости от вязкости образца.

График показывает, что погрешность измерения, вызванная вязкостью образца, всегда меньше 0,001 г/см³.

  • Цифровые плотномеры, которые обеспечивают точность только 3 знака, такие как плотномеры DA-100 и DA-130 от KEM, таким образом, не требуют какой-либо коррекции этой погрешности.
  • Для образцов с вязкостью ниже 10 мПа·с сдвиговые силы не вызывают какой-либо измеримой ошибки.

Цифровые вибрационные плотномеры известных мировых производителей Anton Paar или KEM (Kyoto), которые вы можете найти в нашем каталоге имеют автоматическую коррекцию погрешности, вызванной вязкостью образцов. Чтобы оценить конкретные данные ячейки, необходимые для исправления этой ошибки, производитель выполняет несколько измерений стандартов вязкой плотности с помощью каждого прибора на своем предприятие. Многие задачи, такие как, например, определение содержания спирта в спиртных напитках, не требуют какой-либо коррекции ошибки вязкости.

Чтобы обеспечить соответствие признанным национальным стандартам результатов, полученных с помощью цифрового плотномера, проверки производительности системы следует выполнять с использованием сертифицированного эталонного материала плотности. Если измеренные образцы требуют коррекции ошибки измерения, вызванной их вязкостью, для этих проверок производительности системы следует использовать стандартный материал вязкой плотности.

 

Контроль температуры 

Высокоточные измерения плотности требуют высокоточного контроля температуры измерительной ячейки. Для этой цели лабораторные плотномеры оснащены твердотельным термостатом, так называемым элементом Пельтье. Элементы Пельтье создают тепловой поток между стыком двух разных материалов, передают тепло с одной стороны устройства на другую против градиента температуры (от холодного к горячему) с потреблением электрической энергии. Элементы Пельтье компактны, не имеют движущихся частей и могут использоваться для нагрева и охлаждения. Эффективность элементов Пельтье при использовании для охлаждения всего на 5–10 % выше, чем у устройств сжатия пара, используемых в обычных холодильниках. Из-за низкого КПД они имеют относительно высокое энергопотребление.

Для измерения и контроля температуры внутри ячейки наиболее высокофункциональные модели выбрационных плотномеров оснащены несколькими датчиками температуры NTC. Датчики температуры NTC имеют одно важное преимущество по сравнению с датчиками температуры Pt100 и Pt1000: в идеальных условиях датчики Pt100 и Pt1000 хорошего качества имеют дрейф примерно 0,005 °C в год. Для обеспечения точности измерения температуры 0,02 °C плотномеры, оснащенные датчиками температуры этого типа, необходимо проверять и при необходимости перенастраивать не реже одного раза в 5 лет. Датчики температуры NTC имеют дрейф менее 0,002 °C в год. Поэтому для обеспечения точности измерения температуры 0,02 °C плотномеры необходимо проверять только каждые 10–15 лет. Датчики температуры NTC, в отличие от датчиков Pt100 и Pt100, демонстрируют нелинейную зависимость между сопротивлением и температурой. По этой причине сертифицированные датчики температуры поставляются с так называемой таблицей термисторов, которая хранится в плотномере и служит для точного преобразования измеренного сопротивления в температуру с помощью интерполяции Лагранжа.