Наши партнеры ArtmMisto
Густиноміри, служать для вимірювання щільності рідин, газів і твердих речовин.
Щільність і методи її визначення. Щільність - фізична величина, яка визначається для однорідного речовини його масою в одиниці об'єму (величина, зворотна питомому об'єму речовини); щільність неоднорідного речовини - співвідношення маси й обсягу, коли останній стягується до точки, в якій вимірюється щільність. Ставлення щільності двох речовин при певних стандартних фізичних умовах називають відносною щільністю; для рідких і твердих речовин її вимірюють при температурі t, як правило, по відношенню до щільності дистильованої води при 40C ( 
), Для газів - по відношенню до щільності сухого повітря або водню при нормальних умовах (T = 273,15 К, p = 1,01 • 105 Па).
Для сипучих і пористих твердих речовин розрізняють щільності справжню (маса одиниці об'єму щільного матеріалу, що не містить пір), що здається (маса одиниці об'єму пористого матеріалу з зерен або гранул) і насипну (маса одиниці об'єму шару матеріалу). Однією з важливих характеристик кристалічних речовин служить рентгенівська щільність (визначають рентгенографически). Вона являє собою відношення маси атомів . знаходяться в елементарній комірці кристала певної речовини, до її об'єму; виражається в звичайних одиницях щільності.
Щільність речовин зазвичай зменшується з ростом температури (через теплового розширення тіл) і збільшується з підвищенням тиску. При переході з одного агрегатного стану в інше щільність змінюється стрибкоподібно. Одиницею щільності в Міжнародній системі одиниць служить кг / м3 • на практиці застосовують також такі одиниці: г / см3, г / л, т / м3 і т.д.
Діапазон значень щільності різних речовин і матеріалів (кг / м3) виключно широкий: для рідин-від 43,2 (водень при -2400C) до 13595 (ртуть), газів-від 0,0899 (водень) до 9,81 (радон) , твердих тіл-від 240 (пробка) до 22610 (осмій) і т.д.
Сукупність методів вимірювання відносить, щільності рідин і твердих тіл наз. денсиметром (від лат. densus-щільний, густий і грец. metreo- вимірюю). Деякі методи денсиметром застосовні також до газам. Інші методи визначення їх щільності засновані на зв'язку її з параметрами стану речовин (напр., Щільність ідеальних газів може бути обчислена по рівнянню Клапейрона-Менделєєва) і з залежністю від щільності протікають в них процесів (див. нижче).
При розрахунках використовують так звану середню щільність тіла, яка визначається відношенням його маси т до обсягу V, тобто а також іншими співвідношеннями.
Вибір, класифікація і застосування плотномеров Основні метрологічні і експлуатаційні характеристики, що визначають вибір плотномера: точність, відтворюваність, межі, діапазони і похибки вимірювань, робочі температури і тиску, характер і ступінь впливу аналізованих речовин на конструкційні матеріали і т. П. Стандартна температура, при якої за допомогою плотномера вимірюють щільність речовин, дорівнює 200C. Для приведення до щільності при цій температурі щільності, визначеної при будь-якій температурі t, використовують формулу:
де b-середній коефіцієнт об'ємного теплового розширення.
Відносна щільність різних речовин при 20 0C і відповідні температурні поправки знаходять в довідковій літературі за таблицями або номограммам.
Найбільш поширені ручні та автоматичні густиноміри для рідин. За принципом дії вони діляться на наступні основні групи: поплавкові, масові, гідростатичні, радіоізотопні, вібраційні, ультразвукові.
Дія поплавцевих, або ареометріческіх, плотномеров засноване на законі Архімеда; похибка приладів цієї групи 0,2-2% від діапазону значень щільності, охоплюваного шкалою приладу. Масові густиноміри засновані на безперервному зважуванні визначених обсягів рідини (пікнометричним, прилади для гидростатическом зважування, автоматичні прилади) і мають похибку 0,5-1%. За допомогою гідростатичних плотномеров вимірюють тиск стовпа рідини постійної висоти; похибка 2-4%. Дія радіоізотопних плотномеров засноване на визначенні ослаблення пучка g-випромінювання в результаті його поглинання або розсіювання шаром рідини; похибка близько 2%. Вібраційні густиноміри засновані на залежності резонансної частоти коливань, порушуваних в рідини, від її щільності; похибка (1-2) • 10-4 г / см3. В ультразвукових густиномірами використовують залежність швидкості звуку в середовищі від її щільності; похибка 2-5%. Існують густиноміри, дія яких заснована і на ін. Принципах.
Відносна щільність постійна для всіх хімічно однорідних речовин і розчинів при даній температурі. Тому за значеннями щільності, яка вимірюється за допомогою густиноміри, можна судити про наявність домішок в речовинах і про концентрацію розчинів. Це дозволяє широко застосовувати густиноміри в науч. дослідженнях і в різних галузях народного господарства як засіб для проведення різних аналізів, для контролю технологічних процесів і автоматизації управління ними, для правильної організації системи кількісного обліку матеріалів при їх прийманні, зберіганні і видачі і т. д. У даній статті описані найважливіші типи лабораторні та технологічні густиноміри, використовуваних в хімічних і агрохімічних лабораторіях, хім. і суміжних галузях промисловості.
Лабораторні густиноміри Ці прилади призначені для ручного періодичного вимірювання відносні щільності речовин головним чином ареометрами, піктометром і гидростатическими вагами.
Ареометри. Відповідно до закону Архімеда маса рідини, витіснена плаваючим ареометром, дорівнює його масі. Розрізняють ареометри постійної маси (найбільш поширені) і постійного обсягу.
До ареометрам постійної маси відносяться денсиметри (рис. 1, а), шкали яких градуюються в одиницях щільності, і прилади для визначення концентрацій розчинів (шкали градуюються в% за об'ємом або за масою), що мають спец. назви: лактомери - вимірюють жирність молока, спиртоміри - вміст спирту в воді, сахаромери - вміст цукру в сиропах і т.д.
При визначенні щільності ареометрами постійного обсягу (рис. 1,5) шляхом зміни маси поплавка досягають його занурення до відповідної мітки. Щільність знаходять по масі гир (розміщують на тарілці) і ареометра та за обсягом витісненої ним рідини. Такі прилади можуть бsnm використані також для вимірювання густини твердих тіл.
Пікнометри. Щільність знаходять по відношенню маси рідини до її обсягу. Останній вимірюють за шкалою або мітках на посудині (рис. 2), масу - зважуванням на аналітичних вагах. щільність твердих тіл (Порошків) вимірюють, занурюючи їх у посудини, називають волюмометрії (рис. 3), заповнені рідиною, в якій досліджуване речовина не розчиняється. Пікнометри спец. форми (кулясті і ін.) застосовують також для визначення щільності газів.
Прилади для гідростатичного зважування. Даний метод визначення щільності рідин і жорстких тіл також заснований на законі Архімеда. Щільність рідини вимірюють, зважуючи в ній якесь тіло (зазвичай скляний поплавок), маса і об'єм якого відомі. Щільність твердого тіла визначають його дворазовим зважуванням-спочатку в повітрі, а потім в рідини з відомою щільністю (як правило, в дистильованої воді); при першому зважуванні знаходять масу тіла, по різниці результатів обох зважувань - його обсяг. Залежно від необхідної точності гідростатичний зважування проводять на технічних, аналітичних або зразкових вагах (див. ваги ). При масових вимірах широко використовують менш точні, але більш швидкодіючі спец. гидростатич. ваги, наприклад, ваги Мора, Вестфаля або їх комбінацію (рис. 4).
щільність в'язких рідин найкраще вимірювати ареометрами або за допомогою гідростатичних ваг, маловязких -пікнометрамі.
Поряд з густиномірами традиційних типів в лабораторній практиці все частіше застосовують прилади (див. Нижче), які до останнього часу були поширені тільки в промисловості.
Технологічні густиноміри. Ці прилади є автоматичні густиноміри зазвичай для безперервного визначення і регулювання щільності речовин в процесах їх виробництва або переробки. Такі густиноміри розміщують безпосередньо на "потоках", тобто в контрольних точках на технологічних лініях, а також на апаратах промислових установок.
Автоматичні густиноміри випускають у вигляді самостійних приладів або виміряє. комплектів (датчик, блок підготовки проби, який вторинний прилад і т.д.).
Поплавкові прилади. Розрізняють густиноміри з плаваючим (рис. 5) і зануреним (рис. 6) в рідину поплавком. В одному випадку глибина його занурення обернено пропорційна щільності випробуваної рідини, в іншому ця щільність прямо пропорційна масі поплавця.
Поплавкові густиноміри служать також для визначення щільності газів (Рис. 7). Воно зводиться до безперервного зважування кулі з азотом в камері, заповненій досліджуваним газом. Міра його щільності - куток нахилу коромисла, переміщення якого з допомогою магніту передається стрілці приладу.
Масові прилади. Дія їх засновано на тому, що маса рідини при незмінному її обсязі прямо пропорційна щільності. В такому плотномери пневматичним перетворювачем (рис. 8) у безперервний спосіб зважується протікає по трубопроводу рідина певного обсягу, U -образна трубка з проходить через неї контрольованої рідиною пов'язана важеля з заслінкою. Компенсація переміщення останньої здійснюється так само, як показано на рис. 6. Тиск повітря в сильфоні, змінюється пропорційно щільності рідини, визначається по вторинного приладу. Масові густиноміри застосовують зазвичай для вимірювання щільності суспензій, а також в'язких і містять тверді включення рідин.
Гідростатичні прилади. У цих густиномірами використовують лінійну залежність гидростатической тиску від висоти рівня і щільності рідини. Тиск стовпа рідини вимірюють безпосередньо, наприклад мембранним манометром, або побічно-продуванием рідина повітря, тиск якого пропорційно стовпа рідини (п'єзометричний густиноміри, рис. 9). Щоб виключити вплив коливань температури і рівня рідини, часто застосовують диференційований метод: продувають повітря одночасно через випробувану й порівняльну рідини, що мають однакову температуру (керується за допомогою терморегулятора), і вимірюють виникла при цьому різниця тисків дифманометром. Останній забезпечений Пневмоперетворювачі, передає відповідний сигнал на вторинний прилад.
У гидростатическом плотномери для газів (Рис. 10) порівнюються тиску стовпів аналізованого і еталонного газів однакової висоти. Перепад тисків, вимірюваний дифманометром, пропорційний щільності контрольованого газу.
Pадіоізотопние прилади. При проходженні через аналізовану середу іонізуючих випромінювань інтенсивність їх змінюється. Ослаблення випромінювань пов'язане функціонально з щільністю середовища. Наиболе поширені густиноміри, що використовують γ-випромінювання (рис. 11). У такому приладі випромінювання від джерела (60Co, Cs) проходить через шар рідини в посудині і потрапляє в приймач випромінювання. Сигнал приймача, який є функцією вимірюваної щільності, посилюється в електронному підсилювачі і подається в електронний перетворювач, куди надходить також сигнал, що формується випромінюванням додаткового радіоізотопного джерела, які проходять через поглинаючий металевий клин і доповнить. приймач. У перетворювачі виробляється сигнал, який функціонально пов'язаний з різницею надходять в нього сигналів і управляє реверсивним електродвигуном, що переміщує клин до зрівнювання вхідних сигналів (від основного й додаткового джерел випромінювання). Рівноважний переміщення клина пов'язано індукційної передачею з вторинним приладом. Величина переміщення клина пропорційна зміні щільності рідини.
Радіоізотопні густиноміри дозволяють безконтактно контролювати і регулювати щільність агресивних, сильнов'язких, гарячих і знаходяться під великим тиском рідин, згущеного молока, цукрових сиропів та ін. Ці прилади використовують також для визначення щільності твердих тіл і іноді газів.
Вібраційні прилади. Чутливий елемент такого густиноміри є відполіровану зсередини металевий трубку, яку поміщають безпосередньо в потоці аналізованого речовини. Трубка осциллирует в потоці за допомогою електронного пристрою. Частота власної. коливань чутливі елементи визначається щільністю речовини (див. також Вібраційна техніка).
Сучасні технологічні густиноміри оснащені мікропроцесорами і обчислювальними блоками (наприклад, для автоматичного коректування параметрів при зміні зовнішніх умов). Завдяки цим удосконаленням значно підвищилися функціональні можливості і покращилися метрологічні і експлуатаційні характеристики технологічних плотномеров.
Літ .: Кивіліс С. Ш., в кн .: Приладобудування і засоби автоматики, т. 2, кн. 2, M., 1964, с. 270-77; Глибін І.П., Автоматичні густиноміри, К., 1965; Вимірювання маси, об'єму і щільності, M., 1972; Шкатов E. Ф., Технологічні вимірювання і КВП на підприємствах хімічної промисловості, M., 1986, с. 234-58; Кузьмін С. Т., Ліпавскій В. H., Смирнов П.Ф., Промислові прилади і засоби автоматизації в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості, M., 1987, с. 61-71. А.Ф. Гусаков.
