головна > довідник > хімічна енциклопедія: Щільноміри
Плотноміри, служать для вимірювання щільності рідин, газів і твердих речовин.
Щільність та методи її визначення.Щільність - фізична величина, що визначається для однорідної речовини його масою в одиниці об'єму (величина, обернена питомим обсягом речовини); щільність неоднорідної речовини - співвідношення маси та обсягу, коли останній стягується до точки, в якій вимірюється щільність. Ставлення густин двох речовин за певних стандартних фізичних умов називають відносною густиною; для рідких і твердих речовин її вимірюють при температурі t , як правило, по відношенню до щільності дистильованої води при 4 0 C ( ), для газів - по відношенню до щільності сухого повітря або водню за нормальних умов (T= 273,15 К, p = 1,01 • 105 Па).
Для сипучих і пористих твердих речовин розрізняють істинну густину (маса одиниці об'єму щільного матеріалу, що не містить пір), 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 є рентгенівська щільність (визначають рентгенографічно). Вона є відношенням маси атомів. що знаходяться в елементарному осередку кристала будь-якої речовини, до її об'єму; виражається у звичайних одиницях щільності.
Щільність речовин зазвичай зменшується зі зростанням температури (через теплове розширення тіл) і збільшується з підвищенням тиску. При переході з одного агрегатного стану до іншого щільність змінюється стрибкоподібно. Одиницею щільності в Міжнародній системі одиниць служить кг/м 3 • практично застосовують також такі одиниці: г/см 3 , г/л, т/м 3 і т.д.
Діапазон значень густини різних речовин та матеріалів (кг/м 3) виключно широкий: для рідин-від 43,2 (водень при -240 0 C) 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 та твердих тіл зв. денсиметрією (від латів. densus-щільний, густий і грецьк. metroo-вимірюю). Деякі методи денсиметрії застосовуються також до газів. Інші методи визначення їх щільності засновані на зв'язку її з параметрами стану речовин (напр., щільність ідеальних газів може бути обчислена за рівнянням Клапейрона-Менделєєва) і з залежністю від щільності процесів, що протікають в них (див. нижче).
При розрахунках використовують так звану середню густину тіла, що визначається ставленням його маси т до обсягу V, тобто. а також іншими співвідношеннями.
Вибір, класифікація та застосування густонамірівОсновні метрологічні та експлуатаційні характеристики, що визначають вибір густонаміру: точність, відтворюваність, межі, діапазони та похибки вимірювань, робочі температури і тиску, характер і ступінь впливу аналізованих речовин на конструкційні матеріали і т.д. п. Стандартна температура, при якій за допомогою щільноміра вимірюють щільність речовин, дорівнює 20 0 C. Для приведення до щільності при цій температурі щільності, визначеної за будь-якої температури t, використовують формулу:
де b-середній коефіцієнт об'ємного теплового розширення.
Відносна щільність різних речовин при 20 0 C та відповідні температурні поправки знаходять у довідковій літературі за таблицями або номограмами.
Найбільш поширені ручні та автоматичні густоміри для рідин. За принципом дії вони поділяються на основні групи: поплавкові, масові,гідростатичні, радіоізотопні, вібраційні, ультразвукові.
Дія поплавкових, або ареометричних, густомірів засноване на законі Архімеда; похибка приладів цієї групи 0,2-2% діапазону значень щільності, що охоплюється шкалою приладу. Масові щільноміри засновані на безперервному зважуванні певних обсягів рідини (пікнометричні, прилади для гідростатичного зважування, автоматичні прилади) та мають похибку 0,5-1%. За допомогою гідростатичних густомірів вимірюють тиск стовпа рідини постійної висоти; похибка 2-4%. Дія радіоізотопних густомірів 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, що збуджуються в рідині, від її густини; похибка (1-2) • 10 -4 г/см 3 . У ультразвукових щільномірах використовують залежність швидкості звуку серед її щільності; похибка 2-5%. Існують густоміри, дія яких заснована і на ін. принципах.
Відносна щільність стала для всіх хімічно однорідних речовин і розчинів при цій температурі. Тому за значеннями щільності, виміряної за допомогою густиноміру, можна судити про наявність домішок в речовинах і про концентрацію розчинів. Це дозволяє широко застосовувати густоміри в наук. дослідженнях та в різних галузях народного господарства як засіб для проведення різних аналізів, для контролю технологічних процесів та автоматизації управління ними, для правильної організації системи кількісного обліку матеріалів при їх прийманні, зберіганні та видачі тощо. У цій статті описані найважливіші типи лабораторні та технологічні щільноміри, що використовуються в хімічних та агрохімічнихлабораторіях, хім. та суміжних галузях промисловості.
Лабораторні густиноміриЦі прилади призначені для ручного періодичного вимірювання відносні щільності речовин головним чином ареометрами, пікнометрами та гідростатичними вагами.
Ареометри. Відповідно до закону Архімеда маса рідини, витіснена плаваючим ареометром, дорівнює його масі. Розрізняють ареометри постійної маси (найпоширеніші) та постійного об'єму.
При визначенні щільності ареометрами постійного об'єму (рис. 1,5) шляхом зміни маси поплавця досягають занурення його до відповідної мітки. Щільність знаходять по масі гир (розміщують на тарілці) та ареометра та за обсягом витісненої ним рідини. Такі прилади можуть бути використані також для вимірювання щільності твердих тіл.
Пікнометри. Щільність знаходять по відношенню до маси рідини до її об'єму. Останній вимірюють за шкалою або мітками на судині (мал. 2), масу - зважуванням на аналітичних терезах. Щільність твердих тіл (порошків) вимірюють, занурюючи їх у судини, називають волюмометрами (рис. 3), заповнені рідиною, в якій речовина, що досліджується, не розчиняється. Пікнометри спец. форми (кулясті та ін) застосовують також для визначення щільності газів.
Прилади для гідростатичного зважування. Даний метод визначення густини рідин і твердих тіл також заснований на законі Архімеда. Щільність рідини вимірюють, зважуючи в ній якесь тіло (зазвичай скляний поплавець), маса та обсяг якого відомі. Щільність твердого тіла визначають його дворазовим зважуванням-спочатку в повітрі, а потім у рідині з відомою щільністю (як правило, у дистильованій воді); при першому зважуванні знаходять масу тіла, по різниці результатів обохзважувань – його обсяг. Залежно від необхідної точності гідростатичне зважування проводять на технічних, аналітичних або зразкових вагах (див. Терези). При масових вимірах широко використовують менш точні, але більш швидкодіючі спец. гідростатич. ваги, наприклад, ваги Мора, Вестфаля або їх комбінацію (рис. 4).
Щільність в'язких рідин найкраще вимірювати ареометрами або за допомогою гідростатичних ваг, малов'язких -пікнометрами.
Поряд із щільномірами традиційних типів у лабораторній практиці все частіше застосовують прилади (див. нижче), які до останнього часу були поширені тільки в промисловості.
Технологічні густоміри. Ці прилади є автоматичними густиномірами зазвичай для безперервного визначення та регулювання щільності речовин у процесах їх виробництва або переробки. Такі густоміри розміщують безпосередньо на "потоках", тобто. у контрольних точках на технологічних лініях, а також на апаратах промислових установок.
Автоматичні густоміри випускають у вигляді самостійних приладів або виміряють. комплектів (датчик, блок підготовки проби, вторинний прилад тощо).
Поплавцеві прилади. Розрізняють щільноміри з плаваючим (рис. 5) і зануреним (рис. 6) в рідину поплавцем. В одному випадку глибина його занурення обернено пропорційна щільності випробуваної рідини, в іншому ця щільність прямо пропорційна масі поплавця.
Поплавкові плотномери служать також визначення щільності газів (рис. 7). Воно зводиться до безперервного зважування кулі з азотом у камері, заповненій досліджуваним газом. Міра його щільності - кут нахилу коромисла, переміщення якого за допомогою магніту передається стрілці приладу.
Масовіприлади. Дія їх заснована на тому, що маса рідини при її незмінному обсязі прямо пропорційна щільності. У такому щільномірі пневматичним перетворювачем (рис. 8) безперервно зважується рідина певного об'єму, що протікає по трубопроводу,U-подібна трубка з проходить через неї контрольованої рідиною пов'язана важільною системою із заслінкою. Компенсація переміщення останньої здійснюється так само, як показано на рис. 6. Тиск повітря в сильфоні, що змінюється пропорційно до густини рідини, визначається за вторинним приладом. Масові густиноміри застосовують зазвичай для вимірювання щільності суспензій, а також в'язких і містять тверді включення рідин.
Гідростатичні прилади У цих щільномірах використовують лінійну залежність гідростатичного тиску від висоти рівня та щільності рідини. Тиск стовпа рідини вимірюють безпосередньо, наприклад мембранним манометром, або опосередковано-продуванням через рідину повітря, тиск якого пропорційно стовпу рідини (п'єзометричний густоміри, рис. 9). Щоб виключити вплив коливань температури і рівня рідини, часто застосовують диференційований метод: продувають повітря одночасно через випробувану і порівняльну рідини, що мають однакову температуру (термостатовані), і вимірюють різницю тисків дифманометром, що виникла при цьому. Останній має пневмоперетворювач, що передає відповідний сигнал на вторинний прилад.
У гідростатичному густині для газів (рис. 10) порівнюються тиску стовпів аналізованого та еталонного газів однакової висоти. Перепад тисків, що вимірюється дифманометром, пропорційний щільності контрольованого газу.
Радіоізотопні прилади. При проходженні через аналізоване середовищеіонізуючих випромінювань інтенсивність їх змінюється. Ослаблення випромінювань пов'язано функціонально із щільністю середовища. Найбільш поширені щільноміри, що використовують γ-випромінювання (рис. 11). У такому приладі випромінювання джерела ( 60 Co, Cs) проходить через шар рідини в посудині і потрапляє в приймач випромінювання. Сигнал приймача, що є функцією вимірюваної щільності, посилюється в електронному підсилювачі і подається в електронний перетворювач, куди надходить сигнал, що формується випромінюванням додаткового радіоізотопного джерела, що проходить через поглинаючий металевий клин і доповнить. приймач. У перетворювачі виробляється сигнал, який функціонально пов'язаний з різницею сигналів, що надходять в нього, і керує реверсивним електродвигуном, що переміщує клин до зрівнювання вхідних сигналів (від основного і додаткового джерел випромінювання). Рівноважне переміщення клина пов'язане індукційною передачею із вторинним приладом. Розмір переміщення клина пропорційна зміні щільності рідини.
Радіоізотопні щільноміри дозволяють безконтактно контролювати і регулювати щільність агресивних, сильнов'язких, гарячих і рідин, згущеного молока, цукрових сиропів та ін. Ці прилади використовують також для визначення щільності твердих тіл і іноді газів.
Вібраційні пристрої. Чутливий елемент такого густонаміру являє собою відполіровану зсередини металеву трубку, яку поміщають безпосередньо в потоці аналізованої речовини. Трубка осцилює у потоці за допомогою електронного пристрою. Частота власних. Коливання чутливого елемента визначається щільністю речовини (див. також Вібраційна техніка).
Сучасні технологічні густоміри оснащенімікропроцесорами та обчислювальними блоками (наприклад, для автоматичного коригування параметрів при зміні зовнішніх умов). Завдяки цим удосконаленням значно підвищилися функціональні можливості та покращилися метрологічні та експлуатаційні характеристики технологічних щільномірів.
Ківіліс С. Ш., в кн.: Приладобудування та засоби автоматики, т. 2, кн. 2, M., 1964, с. 270-77; Глибін І.П., Автоматичні густоміри, До., 1965; Вимірювання маси, об'єму та щільності, M., 1972; Шкатов E. Ф., Технологічні вимірювання та КВП на підприємствах хімічної промисловості, M., 1986, с. 234-58; Кузьмін С. Т., Липавський Ст H., Смирнов П.Ф., Промислові прилади та засоби автоматизації в нафтопереробній та нафтохімічній промисловості, M., 1987, с. 61-71. А.Ф. Гусаків.