Плотность буровых, промывочных и тампонажных растворов — один из основных параметров, контролируемых при приготовлении и использовании рабочих жидкостей. От неё зависят гидростатическое давление столба раствора, условия циркуляции и соответствие смеси установленной рецептуре.
Для оперативного определения плотности в лабораторных и полевых условиях применяют ареометры. Принцип их работы основан на законе Архимеда, однако конструкция измерительных приборов и порядок выполнения измерений могут существенно различаться. Например, обычный ареометр непосредственно погружают в исследуемую жидкость, а в модели АБР-1М пробу помещают в мерный стакан, после чего прибор погружают в рабочую воду.
Разберём физику измерений, правила подготовки проб и особенности эксплуатации двух приборов: российского АБР-1М и немецкого Testing 1.0269.
Принцип действия ареометра: закон Архимеда
На погружённое в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости:
F = ρ × g × V,
где:
- F — выталкивающая сила;
- ρ — плотность жидкости;
- g — ускорение свободного падения;
- V — объём вытесненной жидкости.
Для плавающего ареометра в состоянии равновесия выталкивающая сила уравновешивает его вес. Масса прибора остаётся постоянной, поэтому глубина погружения зависит от плотности исследуемой среды.
В менее плотной жидкости ареометр должен вытеснить больший объём, чтобы уравновесить собственный вес. Поэтому он погружается глубже. В более плотной жидкости для равновесия достаточно вытеснить меньший объём — прибор всплывает выше.
Шкала на стержне ареометра позволяет определять плотность по положению поверхности жидкости относительно прибора. Результат обычно выражают в г/см³ или кг/м³. При переводе единиц необходимо учитывать соотношение: 1 г/см³ = 1000 кг/м³.
Особенность конструкции АБР-1М
Ареометр АБР-1М работает по другому варианту гидростатического принципа. Согласно описанию утверждённого типа № 54578-13, прибор состоит из мерного стакана, поплавка, трубки со шкалой плотности, заглушки, калиброванного и компенсационного грузов.
Исследуемый раствор помещают в мерный стакан прибора, а собранную конструкцию погружают в отдельную ёмкость с рабочей водой. Масса прибора и глубина его погружения зависят от массы пробы. При сравнении с состоянием, когда стакан заполнен водой, изменение глубины погружения позволяет определить плотность исследуемого раствора.
Для измерений используют основную и поправочную шкалы. Поправочная шкала предназначена для учёта плотности рабочей воды, если она отличается от 1 г/см³.
Таким образом, АБР-1М нельзя полностью отождествлять с обычным ареометром прямого погружения: исследуемый раствор в нём находится внутри мерного стакана, а внешней средой является рабочая вода.
Методика измерений: как снизить погрешность
Достоверность определения плотности зависит не только от характеристик прибора, но и от подготовки образца, температуры и соблюдения порядка измерений.
Подготовка пробы
Перед измерением буровой или промывочный раствор необходимо тщательно перемешать до однородного состояния. Если в составе присутствуют твёрдые частицы, длительная пауза после перемешивания может привести к их оседанию и изменению состава пробы.
При подготовке важно избегать вовлечения воздуха. Пузырьки газа изменяют соотношение массы и объёма исследуемого материала и могут искажать результат. В ГОСТ 33697-2015 при описании определения плотности буровых растворов отдельно предусмотрено удаление оставшегося воздуха или газа из измерительной чаши.
Температура измерения
Температуру пробы необходимо фиксировать вместе с результатом определения плотности. При изменении температуры меняется плотность самой жидкости, поэтому сравнивать результаты, полученные при разных температурных условиях, без учёта этого фактора некорректно.
Для АБР-1М в описании утверждённого типа нормированы следующие условия:
- рабочая среда — вода плотностью от 0,96 до 1,039 г/см³;
- температура рабочей воды — от 5 до 50 °C;
- пределы допускаемой абсолютной погрешности ±0,01 г/см³ установлены при температуре (20 ± 2) °C.
Важно не смешивать диапазон допустимых условий работы с температурой, при которой нормирована погрешность. Значение ±0,01 г/см³ нельзя автоматически распространять на весь диапазон 5–50 °C.
Для ареометра Testing 1.0269 производитель указывает диапазон измерений и конструкционные характеристики, но на опубликованной странице не приводит температуру градуировки и предел допускаемой погрешности. Поэтому условия температурной коррекции для этой модели необходимо уточнить по эксплуатационной документации.
Позиционирование обычного ареометра
При использовании прибора прямого погружения исследуемую жидкость помещают в чистый цилиндр достаточной высоты и диаметра. Ареометр аккуратно опускают в пробу, не допуская контакта со стенками и дном сосуда. После прекращения колебаний снимают показания.
Глаз наблюдателя должен находиться на уровне поверхности жидкости. Это позволяет избежать параллакса при считывании шкалы.
Отсчёт по мениску
Правило снятия показаний зависит от типа ареометра, способа его градуировки и свойств жидкости. Нельзя автоматически применять один вариант отсчёта ко всем приборам.
Например, ГОСТ 3900-2022 для определения плотности нефти и нефтепродуктов устанавливает отдельные правила работы с непрозрачными жидкостями. Если ареометр градуирован по нижнему мениску, к наблюдаемому показанию прибавляют предусмотренную стандартом поправку. Для прибора, градуированного по верхнему мениску, эта поправка не вводится.
Переносить это правило на любые буровые и тампонажные растворы без проверки применяемой методики нельзя. Для Testing 1.0269 необходимо руководствоваться инструкцией именно к этой модели: опубликованная карточка производителя не уточняет способ снятия показаний по мениску.
Дополнительная проверка по стандарту
Для полевого контроля буровых растворов на углеводородной основе применяется ГОСТ 33697-2015. В разделе 5 этого стандарта установлено требование к устройству для измерения плотности: точность измерения должна составлять ±0,01 г/мл, что соответствует ±0,01 г/см³. В качестве типового решения описаны рычажные весы для бурового раствора.
Стандарт также предусматривает проверку таких весов пресной водой. Например, при температуре 21 °C показание должно составлять 1,00 г/мл. Рекомендуемая периодичность такой проверки — один раз в одну-две недели.
Это требование относится к описанной в стандарте процедуре с весами для бурового раствора. Его нельзя автоматически считать подтверждением соответствия любого ареометра требованиям ГОСТ 33697-2015.
АБР-1М: контроль измерительного объёма и особенности эксплуатации
Ареометр АБР-1М предназначен для измерения плотности строительных, тампонажных и буровых растворов, а также других растворов и пульп, нейтральных к полиэтилену.
Особенность его конструкции — использование мерного стакана фиксированной вместимости. Согласно описанию утверждённого типа № 54578-13, номинальная вместимость составляет 78,5 ± 0,3 см³.
Этот параметр непосредственно связан с измерением: в стакане находится исследуемая проба, масса которой влияет на глубину погружения собранного прибора в рабочую воду. Поэтому сохранение геометрии стакана имеет метрологическое значение.
Абразивные частицы, механические повреждения и деформация стенок потенциально могут изменить вместимость измерительной полости. Если фактический объём отличается от номинального, это способно повлиять на результат определения плотности. Однако появление поверхностной царапины само по себе ещё не доказывает наличие значимой погрешности: необходимо проверять фактическую вместимость.
В методике поверки МП 2302-0067-2013 проверка вместимости стакана является отдельной обязательной операцией. Прибор заполняют дистиллированной водой до риски при температуре 20 °C, взвешивают, а затем рассчитывают фактическую вместимость. Результат проверки считается положительным, если она составляет 78,5 ± 0,3 см³.
Таким образом, состояние измерительной полости АБР-1М важно контролировать не только визуально, но и по установленной методике. Особенно это актуально при интенсивной эксплуатации в условиях контакта с абразивными частицами.
Диапазоны и метрологические характеристики АБР-1М
| Параметр | Значение |
| Диапазон с калиброванным грузом | 0,8–1,7 г/см³ |
| Диапазон без калиброванного груза | 1,7–2,6 г/см³ |
| Цена деления основной и поправочной шкал | 0,01 г/см³ |
| Предел допускаемой абсолютной погрешности при (20 ± 2) °C | ±0,01 г/см³ |
| Номинальная вместимость стакана | 78,5 ± 0,3 см³ |
| Масса калиброванного груза | 81,6 ± 0,1 г |
| Габаритные размеры | 66 × 454 мм |
| Межповерочный интервал | 1 год |
| Номер утверждённого типа СИ | 54578-13 |
Для измерения плотности в диапазоне 0,8–1,7 г/см³ используется калиброванный груз. При работе в диапазоне 1,7–2,6 г/см³ его снимают. Следовательно, переход между диапазонами требует изменения конфигурации прибора.
У АБР-1М есть важное метрологическое преимущество: для него опубликованы описание утверждённого типа и методика поверки с нормированными характеристиками. Это позволяет проверять не только работоспособность прибора, но и его соответствие установленным требованиям к вместимости и погрешности.
Ареометр Testing 1.0269: характеристики и применение
Для определения плотности промывочных растворов производитель TESTING (Bluhm & Feuerherdt GmbH, Германия) предлагает ареометр с артикулом 1.0269.
Согласно официальной карточке производителя, прибор изготовлен из анодированного алюминия с порошковым покрытием и имеет следующие характеристики:
| Параметр | Значение |
| Диапазон измерений | 0,9–2,5 г/см³ |
| Материал | Анодированный алюминий с порошковым покрытием |
| Длина | 715 мм |
| Диаметр | 35 мм |
| Масса | 0,4 кг |
| Производитель | Bluhm & Feuerherdt GmbH, Германия |
| Артикул | 1.0269 |
Основное назначение, указанное производителем, — определение плотности промывочного раствора.
Особенности выбора Testing 1.0269
Металлическая конструкция. Корпус изготовлен из анодированного алюминия с порошковым покрытием. Это принципиальное конструктивное отличие от АБР-1М, в котором используется измерительный стакан с нормированной вместимостью. При этом сам по себе материал корпуса не доказывает конкретную стойкость к абразивному износу, химическому воздействию или повышенной температуре. Для таких условий необходимо учитывать ограничения, указанные в инструкции производителя.
Диапазон измерений. Для Testing 1.0269 заявлен диапазон 0,9–2,5 г/см³. Он перекрывает значительную часть диапазона АБР-1М, но не полностью: у АБР-1М нижняя граница составляет 0,8 г/см³, а верхняя — 2,6 г/см³. Поэтому при выборе прибора необходимо учитывать фактическую плотность контролируемых растворов.
Габариты и масса. Длина прибора составляет 715 мм, диаметр — 35 мм, масса — 0,4 кг. При организации рабочего места необходимо учитывать длину ареометра и предусмотреть ёмкость достаточной высоты для выполнения измерения.
Какие характеристики нужно уточнить перед покупкой
В опубликованной карточке производителя Testing 1.0269 не указаны цена деления шкалы, предел допускаемой погрешности, температура градуировки, межповерочный интервал и номер утверждённого типа СИ в России. Также в ней не приведены подробные инструкции по подготовке пробы и снятию показаний.
Поэтому при подборе прибора для ответственного технологического контроля следует заранее запросить у поставщика:
- паспорт или руководство по эксплуатации с описанием порядка измерений;
- цену деления шкалы и предел допускаемой погрешности;
- температуру, при которой градуирована шкала, и правила температурной коррекции;
- требования к сосуду, глубине погружения и отсчёту по мениску;
- документы, подтверждающие метрологический статус прибора, если он будет применяться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Без этих сведений нельзя обоснованно заявлять, что Testing 1.0269 точнее АБР-1М или полностью заменяет его в любой методике измерений.
Сравнение АБР-1М и Testing 1.0269
| Критерий | АБР-1М | Testing 1.0269 |
| Производитель | ООО ПП «ОМА», Россия | Bluhm & Feuerherdt GmbH, Германия |
| Назначение по документации | Строительные, тампонажные и буровые растворы, пульпы, нейтральные к полиэтилену | Промывочные растворы |
| Принцип измерения | Проба в мерном стакане, прибор погружается в рабочую воду | Ареометр; подробное описание метода в открытой карточке производителя отсутствует |
| Диапазон | 0,8–1,7 г/см³ с грузом; 1,7–2,6 г/см³ без груза | 0,9–2,5 г/см³ |
| Цена деления | 0,01 г/см³ | Не указана в открытой карточке |
| Предел допускаемой погрешности | ±0,01 г/см³ при (20 ± 2) °C | Не указан в открытой карточке |
| Измерительная полость | Стакан вместимостью 78,5 ± 0,3 см³ | Вместимость не указана |
| Материал | Для измеряемых сред установлено требование нейтральности к полиэтилену | Анодированный алюминий с порошковым покрытием |
| Межповерочный интервал | 1 год | В открытой карточке не указан |
| Российский метрологический статус | Описание утверждённого типа № 54578-13 | Не указан в открытой карточке производителя |
Таким образом, приборы отличаются не только материалами и диапазонами измерений, но и принципом организации измерительной процедуры. АБР-1М имеет нормированные метрологические характеристики и документированную процедуру поверки. Testing 1.0269 представляет собой альтернативный прибор для определения плотности промывочных растворов, однако перед его использованием в конкретной методике необходимо проверить недостающие метрологические параметры.
Как выбрать ареометр для промышленной лаборатории
Выбор прибора следует начинать не с материала корпуса и не с максимального значения на шкале, а с требований технологического процесса.
- Характеристики раствора. Следует учитывать наличие абразивных частиц, вязкость, химический состав, склонность к расслоению и рабочую температуру.
- Методику контроля. Если измерения выполняются в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, необходимо проверить наличие утверждённого типа СИ и действующей поверки конкретного экземпляра.
Согласно статье 9 Федерального закона № 102-ФЗ, в сфере государственного регулирования применяются средства измерений утверждённого типа, прошедшие поверку. Поэтому при выборе прибора для такой работы одного паспорта с диапазоном измерений недостаточно.
АБР-1М целесообразно рассматривать, когда важны подтверждённые метрологические характеристики, работа в диапазоне до 2,6 г/см³ и документированная процедура измерений и поверки.
Testing 1.0269 можно рассматривать для контроля промывочных растворов, если его диапазон соответствует технологической задаче. Прибор изготовлен из анодированного алюминия, в отличие от полиэтиленового стакана у АБР. Ареометр Testing позволяет измерять плотность в диапазоне 0,9–2,5 г/см³ без перестановки грузов для переключения между поддиапазонами. Для сравнения, АБР-1М использует диапазон 0,8–1,7 г/см³ с установленным калиброванным грузом и 1,7–2,6 г/см³ без него.
Поставка ареометров и оснащение лабораторий
Компания RVS поставляет лабораторные приборы и оборудование для контроля качества строительных материалов, буровых и тампонажных растворов.
В том числе доступен к заказу ареометр Testing 1.0269 с диапазоном измерений 0,9–2,5 г/см³.
При подборе оборудования специалисты RVS помогут сопоставить диапазон измерений с параметрами рабочих растворов, уточнить комплектность и запросить у производителя недостающую техническую документацию.
Для комплексного контроля буровых и тампонажных растворов лабораторию также можно оснастить фильтр-прессами для определения водоотдачи и другим испытательным оборудованием.
