. Do dolnego końca rury pomiarowej jest również podłączony wylot przewodu, przez który przepływa z natężeniem V & 2

Transkrypt

1 PRZEPŁYWOWY GĘSTOŚCIOMIERZ HYDROSTATYCZNY DO POMIARU STĘŻENIA ROZTWORÓW Cel zadania: Pnanie ciągłego pomiaru gęstości ciecz fizczną metodą hdrostatczną Kalibrowanie gęstościomierza i określenie jego właściwości dnamicznch Pnanie działania transformatorowego czujnika przesunięcia liniowego KONSTRUKCJA I DZIAŁANIE PRZYRZĄDU Gęstościomierz (rs ) składa się z pionowej rur pomiarowej Q, zakończonej w górnej części przelewem P, umożliwiającm utrzmanie stałej wsokości słupa ciecz h (patrz [], rdz 233) Ciecz o mierzonej gęstości dopłwa do rur pomiarowej z jednego ze zbiorników przez układ zaworów i rotametr R mierząc natężenie przepłwu V & Do dolnego końca rur pomiarowej jest również podłączon wlot przewodu, przez któr przepłwa z natężeniem V & 2 ciecz o stałej gęstości Żeb uniknąć błędu pomiaru spowodowanego rcieńczaniem ciecz o gęstości wielokrotnie mniejsze od V & cieczą o gęstości, natężenie przepłwu V & 2 jest S Rs Schemat gęstościomierza

2 2 Ciśnienie hdrostatczne słupa ciecz o mierzonej gęstości jest równoważone przez ciśnienie słupa ciecz o gęstości zgodnie z równaniem: h g = h g () 2 2 gdzie g jest przspieszeniem ziemskim Ponieważ gęstość ma wartość stałą i wsokość słupa ciecz h jest również stała, wsokość słupa ciecz h 2 jest liniową funkcją mierzonej gęstości Zmianę wsokości słupa ciecz h2, powstającą w wniku zmian gęstości o określa w warunkach statcznch zależność: h h2 = = K (2) Z równania (2) wnika, że w celu osiągnięcia dużej dokładności pomiaru (dużej wartości stałej K wzmocnienia gęstościomierza) należ stosować możliwie dużą wsokość słupa ciecz h Ponieważ gęstość ciecz jest funkcją temperatur, prz bardzo dokładnch pomiarach jest również konieczne uzskanie jednakowch temperatur ciecz o porównwanch gęstościach, co może bć zrealizowane np przez umieszczenie rurki z cieczą o gęstości wewnątrz rur pomiarowej z cieczą o gęstości Zmian piomu ciecz h2 powodują przesuwanie się płwaka N zanurzonego w tej ciecz Z kolei przesunięcie płwaka jest przetwarzane na analogow sgnał elektrczn w transformatorowm czujniku przesunięcia liniowego C i wskazwane przez miernik M Działanie czujnika przesunięcia (transformatora różnicowego), wjaśnia rsunek 2 (patrz też [], rdz 06B) Płwak N zawiera wewnątrz rdzeń ferromagnetczn F Rdzeń ten znajduje się w obszarze oddziałwania strumieni magnetcznch z uzwojeń pierwotnch L i L 2 transformatora różnicowego Uzwojenia są zasilane napięciem przemiennm U z i połączone w ten sposób, że w połowie odległości międz nimi przeciwnie skierowane strumienie magnetczne kompensują się Jeżeli więc rdzeń płwaka znajduje się w połowie odległości międz uzwojeniami L i L 2, to w uzwojeniu wtórnm L 3 nie będzie się wzbudzało napięcie Wstarcz jednak, b płwak przesunął się nieco w górę lub w dół, żeb została naruszona równowaga układu Uzwojenie L 3 sprzęgnie się silniej z uzwojeniem L lub L 2 i wzbudzi się w nim napięcie proporcjonalne do przesunięcia rdzenia płwaka Napięcie to jest

3 3 prostowane w detektorze D i poprzez nastawian ręcznie dzielnik (potencjometr) kalibrowania przrządu PK doprowadzane do miernika (wskaźnika) magnetoelektrcznego M Rs 2 Transformatorow czujnik przesunięcia liniowego Charakterstkę statczną transformatorowego czujnika przesunięcia liniowego i zarazem charakterstkę statczną gęstościomierza przedstawia rsunek 3 U =0 Rs 3 Charakterstka statczna transformatorowego czujnika przesunięcia liniowego

4 4 Wkres charakterstki pokazuje zależność napięcia U wskazwanego przez miernik gęstościomierza, od położenia h 2 płwaka w czujniku transformatorowm (gęstości ciecz Zerowa wartość napięcia U odpowiada smetrcznemu położeniu płwaka międz uzwojeniami L i L 2 ) Ponieważ charakterstka czujnika jest liniowa, wstarcz określić tlko jej dwa punkt: minimaln piom h 2 min (U = 0), któremu odpowiada minimalna wartość mierzonej gęstości min oraz maksmaln piom 2 ma h (U = U ma ), któremu odpowiada maksmalna wartość mierzonej gęstości ma Ze wzrostem gęstości napięcie wjściowe czujnika powinno rosnąć, korzstam więc tlko z górnej części charakterstki (linia ciągła na wkresie) Wznaczając charakterstkę statczną gęstościomierza przez określenie jej początkowego i końcowego punktu, użwam dwóch rtworów o znanch gęstościach W ten sposób dokonujem kalibrowania przrządu metodą wchłową (patrz [], rdz 32) Należ zwrócić uwagę na fakt, że drugi punkt charakterstki nie musi bć wznaczon prz jakiejkolwiek znanej wartości większej od min wted mniejsza, ze względu na mniejszą odległość międz punktami ma lecz prz Dokładność kalibrowania będzie jednak 2 PRZYGOTOWANIE ROZTWORU MELASOWEGO Należ sporządzić 5 dm 3 rtworu melasowego o zawartości suchej substancji % (B = ), któremu to stężeniu odpowiada gęstość = 004 kg/m 3 w temperaturze +20 o C W tm celu trzeba najpierw przgotować rtwór o zawartości 20 0,5% suchej substancji (B = 20 0,5), kontrolując jego stężenie refraktometrem Około 250 g (do kreski w zlewce) melasu rcieńczać powoli wodą wodociągową, aż do uzskania wmaganego stężenia zacząć od dolania ok 700 cm 3 wod) Stężenie mierzć refraktometrem optcznm (na stanowisku pomiarowm), a po uzskaniu wskazań B = 20 0,5 sprawdzić zawartość suchej substancji w sporządzonm rtworze automatcznm refraktometrem cfrowm (u laboranta) Następnie stężon rtwór rcieńczć wodą 20-krotnie w stosunku wagowm, wlewając 700 cm 3 tego rtworu (0,75 kg) przez lejek do butli z napisem melas, do której poprzednio wlano 4,25 dm 3 (do kreski) wod wodociągowej Otrzman rtwór wmieszać sprężonm powietrzem z elektrcznej dmuchaw, nie zdejmując butli z półki

5 5 3 ZEROWANIE GĘSTOŚCIOMIERZA Zerowanie gęstościomierza polega na znalezieniu położenia dolnego punktu wkresu charakterstki statcznej przrządu (rs 3), podczas przepuszczania przez rurę pomiarową ciecz o minimalnej mierzonej gęstości min wodociągowa o gęstości 000 kg/m 3 w temperaturze +20 o C Cieczą tą będzie w tm przpadku woda Cieczą o gęstości (porównawczą), będzie podczas wszstkich doświadczeń woda destlowana o gęstości wnoszącej w temperaturze +20 o C również 000 kg/m 3 W tch warunkach, w czasie zerowania gęstościomierza, i piom ciecz h oraz h 2 będą jednakowe Sprawdzić napełnienie butli wodą do kreski naczającej piom maksmaln W razie potrzeb dolać wod, otwierając zawór główn Z G i zawór Z W Nie wolno dopuścić do przepełnienia butli, które zostanie zasgnalizowane przez automatczn układ zabezpieczając! W przpadku włączenia się dzwonka alarmowego, natchmiast zamknąć zawór dopłwu wod Z W! Włączć zasilanie czujnika transformatorowego włącznikiem W s Powinna zaświecić się lampka sgnalizacjna Pokrętło kalibrowania przrządu (PK) przekręcić do oporu w prawo, czli nastawić maksmalne nachlenie charakterstki statcznej (wzmocnienie) gęstościomierza Otwierając zawór napłwow Z (zawór Z 2 zamknięt), doprowadzić do rur pomiarowej gęstościomierza wodę z butli z napisem woda Obserwując wskazania rotametru (górna płaszczzna nurnika!), ustalić ściskaczem śrubowm S natężenie przepłwu V & = 20 dm 3 /godz Okresowo należ kontrolować wielkość przepłwu V & i zapas wod w butli, uzupełniając go w razie potrzeb z instalacji wodociągowej (zawór Z W ) Nie wolno dopuścić do całkowitego opróżnienia się butli, jak również do jej przepełnienia! W przpadku włączenia się dzwonka alarmowego, natchmiast zamknąć zawór dopłwu wod Z W! Uruchomić ściskaczem S dopłw wod destlowanej V & 2 do czujnika piomu ciecz C Woda powinna kapać w ilości 2 krople na sekundę Okresowo należ kontrolować również ten przepłw wod destlowanej Jeśli w butli z wodą destlowaną jest jej mniej niż 25% napełnienia, poprosić laboranta!

6 6 Po odczekaniu około 5 minut na ustalenie się warunków prac przrządu, należ przesuwając bardzo wolno cał czujnik transformatorow w górę lub w dół nakrętką podtrzmującą, znaleźć takie jego położenie, prz którm wskazówka miernika gęstości osiągnie minimalne wchlenie na działce 000 0, kg/m 3 (U = 0 wg rs 3) Gęstościomierz został wzerowan i do końca wkonwania zadania czujnik nie może bć już przesuwan! Przepłw wod V & należ zamknąć zaworem Z, nie poruszając ściskacza śrubowego S 4 NASTAWIENIE WZMOCNIENIA GĘSTOŚCIOMIERZA Nastawienie wzmocnienia gęstościomierza polega na ustaleniu położenia drugiego punktu wkresu charakterstki statcznej przrządu, podczas przepuszczania przez gęstościomierz ciecz o określonej, maksmalnej gęstości ma Cieczą tą będzie przgotowan wcześniej (punkt 2) rtwór melasow o znanej pornej zawartości suchej substancji (B), zmierzonej za pomocą refraktometru Gęstość takiego rtworu może bć odcztana z odpowiednich tabel; unikam w ten sposób jej oddzielnego wznaczania Przez gęstościomierz przepuszczać rtwór melasow o gęstości 004 kg/m 3 z butli z wdajnością V & = 20 dm 3 /godz, otwierając zawór Z 2 i nastawiając przepłw ściskaczem śrubowm S 2 Sprawdzić kapanie wod destlowanej! Po wpełnieniu się rur pomiarowej gęstościomierza rtworem melasowm, ustawiać pokrętłem kalibrowania PK wskazówkę miernika gęstości na działkę 004 kg/m 3 aż do momentu, kied wskazania będą prawie stałe ( 0, kg/m 3 ) przez co najmniej dwie minut Po przeprowadzeniu kalibrowania, pokrętła PK nie wolno już poruszać do końca wkonwania zadania! Ponieważ kalibrowanie gęstościomierza nie zmienia położenia poprzednio ustalonego zerowego punktu charakterstki statcznej, lecz tlko jej nachlenie (wzmocnienie statczne K przetwornika gęstości), przrząd mam wskalowan w dwóch punktach: min = 000 kg/m 3 i ma = 004 kg/m 3 Prz założeniu liniowości charakterstki pomiarowej gęstościomierza (równanie 2), przrząd jest gotow do ciągłch pomiarów gęstości do 004 kg/m 3 w zakresie od 000 Po wkalibrowaniu gęstościomierza, dopłw rtworu melasowego należ zamknąć zaworem Z 2, nie poruszając ściskacza śrubowego S 2 Prz braku przepłwu rtworu przez rurę pomiarową przrządu, wskazówka miernika może zejść z działki 004 kg/m 3!

7 7 5 WŁAŚCIWOŚCI DYNAMICZNE GĘSTOŚCIOMIERZA Gęstościomierz hdrostatczn jest członem inercjnm wższego rzędu z opóźnieniem i w celu określenia jego właściwości dnamicznch, należ zbadać odpowiedź wskazań przrządu na skokowe wmuszenie zmian na jego wejściu (charakterstkę dnamiczną skokową) Z wkresu tej charakterstki będzie można określić podstawowe parametr dnamiczne gęstościomierza zastępczą stałą czasową T z oraz zastępcz czas opóźnienia τ o Doświadczenie będzie polegało na wprowadzeniu skokowej zmian gęstości ciecz dopłwającej do przrządu i obserwowaniu, jak przebiegają w funkcji czasu zmian wskazań miernika gęstości Wmuszenia skokowe będą wkonwane w dwóch kierunkach (wzrost i spadek gęstości) oraz prz trzech wartościach przepłwu V & Sprawdzić i w razie potrzeb uzupełnić zapas wod w butli Sprawdzić kapanie wod destlowanej Ponownie otworzć zawór Z 2 Poczekać, aż wskazania miernika gęstości ustalą się w pobliżu 004 kg/m 3 ( 0,2 kg/m 3 ) Niewielkie odchlenia od tej wartości nie są istotne dla dalszch pomiarów dnamicznch, a wnikają ze zmian temperatur wod i badanego rtworu, znacznie wpłwającch na gęstość Można wkonać doświadczenie z podgrzewaniem rur Q, chwtając ją dłonią poniżej połow wsokości na kilkanaście sekund Gęstość wskazwana przez miernik powinna wraźnie zmaleć! Po ustaleniu się wskazań miernika w pobliżu 004 kg/m 3 ( 0,2 kg/m 3 ) należ przgotować sekundomierz, tabele na wniki pomiarów i podzielić cznności międz wkonującch zadanie: jedna z osób pilnuje natężenia przepłwu V & i przełącza zawor, postałe określają zależność wskazań miernika gęstości od czasu Na umówion sgnał początek mierzenia czasu należ szbko zamknąć zaworem Z 2 dopłw rtworu melasowego do gęstościomierza i otworzć zaworem Z dopłw wod z butli, natchmiast korgując ściskaczem S natężenie przepłwu V & do wartości 20 dm 3 /godz Od tego momentu notować zmniejszające się wskazania miernika gęstości co 0 sekund z dokładnością 0, kg/m 3 Pierwszego odcztu dokonać w czasie τ = 0 Gd wskazania miernika ustalą się w pobliżu 000 kg/m 3 ( 0,2 kg/m 3 ), notować je jeszcze przez minutę Przgotować kolejną tabelę Na umówion sgnał, mierząc czas od nowa, szbko zamknąć zaworem Z dopłw rtworu wod z butli i otworzć zaworem Z 2 dopłw rtworu melasowego, natchmiast ustalając ściskaczem S 2 natężenie przepłwu V & = 20 dm 3 /godz Znów co 0 sekund notować rosnące wskazania miernika gęstości z dokładnością 0, kg/m 3,

8 8 aż do ich ustalenia się przez minutę w pobliżu 004 kg/m 3 0,2 kg/m 3 Pierwszego odcztu gęstości dokonać w czasie τ = 0 Powtórzć powższe cznności, wpierając rtwór melasow wodą, a następnie wodę rtworem melasowm prz V & = 5 dm 3 /godz Wkonać ostatnią serię pomiarów, wpierając rtwór melasow wodą, a następnie wodę rtworem melasowm prz V & = 25 dm 3 /godz 6 ZAKOŃCZENIE ZADANIA Zamknąć ściskaczem S dopłw wod destlowanej do czujnika piomu ciecz Wpuścić resztę rtworu melasowego z butli, otwierając na maksimum zawór Z 2 i ściskacz S 2 Zawór Z ma bć zamknięt Przepłukać dwukrotnie butlę melas wodą otwierając zawor Z G i Z M i potem Z 2 i S 2 Na koniec napełnić butlę melas wodą do kreski Zamknąć zawór Z 2 Sprawdzić zamknięcie zaworów wodnch Z M, Z W i Z G, służącch do napełniania butli Włączć włącznikiem W S zasilanie elektrczne czujnika piomu ciecz Umć refraktometr i sprzęt szklan 7 OPRACOWANIE WYNIKÓW DOŚWIADCZEŃ Sporządzić na piomm arkuszu papieru o formacie A-4 (najlepiej ręcznie, na papierze milimetrowm), we wspólnm układzie współrzędnch, wkres charakterstk dnamicznch gęstościomierza = f (τ ) dla wpierania wod rtworem melasowm, prz trzech badanch wartościach natężenia przepłwu V & = 5, 20 i 25 dm 3 /godz Wznaczć sposobem graficznm zastępcze stałe czasowe T z i zastępcze czas opóźnienia τ (patrz [], rdział 632, rs 620 i dodatkowa instrukcja teoretczna do laboratorium nr 3) Podobnie sporządzić na wspólnm rsunku o formacie A-4 wkres = f (τ ) dla wpierania rtworu melasowego wodą, również prz trzech badanch wartościach V & Wznaczć sposobem graficznm wartości T z i τ Wszstkie wznaczone wartości T z i τ (6 par) zebrać z tabelce z podaniem kierunku zmian rtworów i wartości przepłwu V &

9 9 Korzstając z wzoru (2) obliczć zmianę wsokości słupa wod h2 (w mm), odpowiadającą zmianie gęstości ciecz od 000 do 004 kg/m 3 Przjąć h = 40 cm 8 SPRAWOZDANIE Sprawdanie z wkonania zadania powinno zawierać: prost schemat całego okładu gęstościomierza z krótkim opisem, tabele z wnikami pomiarów, wkres charakterstk dnamicznch gęstościomierza f (τ ) (dwa arkusze po 3 wkres dla trzech badanch przepłwów ciecz) z graficznm wznaczeniem τ i T z, zestawienie wszstkich wznaczonch wartości τ i T z (tabelka), obliczenie zmian wsokości słupa wod h2 odpowiadającej zmianie gęstości ciecz od 000 do 004 kg/m 3, wnioski dotczące wszstkich wkonanch doświadczeń i wznaczonch wartości τ i T z = 9 LITERATURA Podstawowmi źródłami umożliwiającmi poszerzenie materiału zawartego w instrukcji są notatki z wkładów Pomiar i automatka na Wdziale Biotechnologii i Nauk o Żwności, dodatkowe czter instrukcje teoretczne do laboratorium oraz książki: [] Ludwicki M: Sterowanie procesami w przemśle spożwczm, PTTŻ, Łódź 2002 [2] Romer E: Miernictwo przemsłowe, PWN, W-wa 978 [3] Żelazn M: Podstaw automatki, PWN, W-wa 976 Opracował: dr inż Marek Ludwicki, Politechnika Łódzka, I-30 marekludwicki@plodzpl Wszelkie prawa zastrzeżone Żadna cześć tej prac nie może bć powielana, cz rpowszechniana w jakiejkolwiek formie w jakikolwiek sposób, bądź elektroniczn, bądź mechaniczn, włącznie z fotokopiowaniem, nagrwaniem na taśm lub prz użciu innch nośników informacji, bez zgod autora Copright All rights reserved