начало > директория > химическа енциклопедия: Плътномери
Плътномерите се използват за измерване на плътността на течности, газове и твърди вещества.
Плътност и методи за нейното определяне.Плътността е физична величина, определена за хомогенно вещество чрез неговата маса на единица обем (реципрочната стойност на специфичния обем на веществото); плътността на нехомогенно вещество е съотношението на масата и обема, когато последното се свие до точката, в която се измерва плътността. Съотношението на плътностите на две вещества при определени стандартни физични условия се нарича относителна плътност; за течни и твърди вещества се измерва при температура t, като правило, по отношение на плътността на дестилирана вода при 4 0 C ( ), за газове - по отношение на плътността на сух въздух или водород при нормални условия (T= 273,15 K, p = 1,01 • 10 5 Pa).
За свободно течащи и порести твърди вещества се прави разлика между истинска плътност (маса на единица обем на плътен материал, който не съдържа пори), привидна плътност (маса на единица обем на порест материал, направен от зърна или гранули) и насипна плътност (маса на единица обем на слой от материал). Една от важните характеристики на кристалните вещества е рентгеновата плътност (определена чрез рентгенови лъчи). Това е съотношението на масите на атомите. разположен в елементарната клетка на кристал на всяко вещество, към неговия обем; изразено в конвенционални единици за плътност.
Плътността на веществата обикновено намалява с повишаване на температурата (поради топлинно разширение на телата) и се увеличава с увеличаване на налягането. При прехода от едно агрегатно състояние към друго, плътността се променя рязко. Единицата за плътност в Международната система от единици е kg/m 3 • На практика се използват и следните единици: g/cm 3 , g/l, t/m 3 и др.
Диапазонът на стойностите на плътността на различни вещества и материали (kg / m 3) е изключително широк: за течности - от 43,2 (водород при -240 0 C) до 13595 (живак), газове - от 0,0899 (водород) до 9,81 (радон), твърди вещества - от 240 (корк) до 22610 (осмий) и др.
Наборът от методи за измерване се отнася до плътността на течности и твърди вещества, наречени. денсиметрия (от латински densus - плътен, дебел и гръцки metreo - измервам). Някои методи за денсиметрия са приложими и за газове. Други методи за определяне на тяхната плътност се основават на връзката му с параметрите на състоянието на веществата (например, плътността на идеалните газове може да се изчисли с помощта на уравнението на Клапейрон-Менделеев) и с зависимостта от плътността на протичащите в тях процеси (виж по-долу).
При изчисленията се използва така наречената средна плътност на тялото, която се определя от съотношението на масата му m към обема V, т.е. както и други съотношения.
Избор, класификация и приложение на денситометриОсновните метрологични и експлоатационни характеристики, които определят избора на денситометър: точност, възпроизводимост, граници, диапазони и грешки при измерване, работни температури и налягания, естеството и степента на влияние на анализираните вещества върху структурните материали и др. Стандартната температура, при която се измерва плътността на веществата с помощта на денситометър, е 20 0 C. За да се намали плътност при тази температура до плътността, определена при всяка температура t, използвайте формулата:
където b е средният коефициент на обемно топлинно разширение.
Относителната плътност на различни вещества при 20 0 C и съответните температурни корекции се намират в справочната литература с помощта на таблици или номограми.
Най-често срещаните ръчни и автоматични измерватели на плътност на течности. Според принципа на действие те се разделят на следните основни групи: поплавъчни, масови,хидростатични, радиоизотопни, вибрационни, ултразвукови.
Действието на поплавъчните или ареометричните измерватели на плътност се основава на закона на Архимед; грешката на устройствата от тази група е 0,2-2% от обхвата на стойностите на плътността, обхванати от скалата на устройството. Плътномерите се основават на непрекъснато претегляне на определени обеми течност (пикнометрични, хидростатични теглилки, автоматични устройства) и имат грешка от 0,5-1%. Хидростатичните измерватели на плътност измерват налягането на течен стълб с постоянна височина; грешка 2-4%. Работата на радиоизотопните денситометри се основава на определяне на затихването на лъча g-лъчение в резултат на неговото поглъщане или разсейване от течен слой; грешка от около 2%. Вибрационните денситометри се основават на зависимостта на резонансната честота на колебанията, възбудени в течност, от нейната плътност; грешка (1-2) • 10 -4 g/cm 3 . В ултразвуковите денситометри се използва зависимостта на скоростта на звука в среда от нейната плътност; грешка 2-5%. Има измерватели на плътност, чиято работа се основава на други принципи.
Относителната плътност е постоянна за всички химично хомогенни вещества и разтвори при дадена температура. Следователно, според стойностите на плътността, измерени с помощта на плътномер, може да се прецени наличието на примеси във веществата и концентрацията на разтворите. Това позволява на денситометрите да се използват широко в научните изследвания. научни изследвания и в различни сектори на националната икономика като средство за извършване на различни анализи, за контрол на технологичните процеси и автоматизиране на тяхното управление, за правилното организиране на системата за количествено отчитане на материалите по време на тяхното приемане, съхранение и издаване и др. Тази статия описва най-важните видове лабораторни и технологични измерватели на плътност, използвани в химическата и агрохимическата промишленост.лаборатории, хим. и свързани индустрии.
Лабораторни плътномериТези уреди са предназначени за ръчно периодично измерване на относителните плътности на веществата, предимно с ареометри, пикнометри и хидростатични везни.
Ареометри. В съответствие със закона на Архимед масата на течността, изместена от плаващ хидрометър, е равна на неговата маса. Има ареометри с постоянна маса (най-често срещаните) и постоянен обем.
При определяне на плътността с ареометри с постоянен обем (фиг. 1.5), чрез промяна на масата на поплавъка, той се потапя до съответната маркировка. Плътността се определя от масата на тежестите (поставени върху плоча) и хидрометъра и от обема на изместената от него течност. Такива инструменти могат да се използват и за измерване на плътността на твърди вещества.
Пикнометри. Плътността се определя от съотношението на масата на течността към нейния обем. Последната се измерва на везна или маркировка върху съда (фиг. 2), масата се измерва чрез претегляне на аналитична везна. Плътността на твърдите вещества (прахове) се измерва чрез потапянето им в съдове, наречени обемомери (фиг. 3), пълни с течност, в която изпитваното вещество не се разтваря. Пикнометри спец. форми (сферични и др.) също се използват за определяне на плътността на газовете.
Уреди за хидростатично претегляне. Този метод за определяне на плътността на течности и твърди тела също се основава на закона на Архимед. Плътността на течността се измерва чрез претегляне в нея на някакво тяло (обикновено стъклен поплавък), чиято маса и обем са известни. Плътността на твърдото вещество се определя чрез двукратно претегляне, първо във въздух, а след това в течност с известна плътност (обикновено в дестилирана вода); при първото претегляне се установява телесното тегло, по разликата в резултатите на двететеглилки - обемът му. В зависимост от необходимата точност, хидростатичното претегляне се извършва на технически, аналитични или примерни везни (виж Везни).При масови измервания широко се използват по-малко точни, но по-бързи специални. хидростатичен скали, например скалите на Мор, Вестфал или комбинация от тях (фиг. 4).
Плътността на вискозните течности се измерва най-добре с хидрометри или с помощта на хидростатични везни, с нисък вискозитет - пикнометри.
Наред с традиционните видове денситометри, в лабораторната практика все повече се използват устройства (вижте по-долу), които доскоро бяха разпространени само в индустрията.
Плътномери технологични. Тези устройства са автоматични измерватели на плътност, обикновено за непрекъснато определяне и контрол на плътността на веществата в процесите на тяхното производство или обработка. Такива измерватели на плътност се поставят директно върху "потоците", т.е. в контролни точки на технологични линии, както и на устройства на промишлени инсталации.
Автоматичните измерватели на плътност се произвеждат под формата на независими устройства или ще измерват. комплекти (сензор, модул за подготовка на пробата, вторично устройство и др.).
Поплавъчни устройства. Съществуват плътномери с плаващ (фиг. 5) и с потопен в течност поплавък (фиг. 6). В единия случай дълбочината на неговото потапяне е обратно пропорционална на плътността на изпитваната течност, а в другия тази плътност е право пропорционална на масата на поплавъка.
За определяне на плътността на газовете се използват и поплавъчни плътномери (фиг. 7). То се свежда до непрекъснато претегляне на топка азот в камера, пълна с изследвания газ. Мярката за неговата плътност е ъгълът на наклона на кобилицата, чието движение се предава с помощта на магнит на стрелката на устройството.
масауреди. Тяхното действие се основава на факта, че масата на течността при непроменен обем е право пропорционална на плътността. В такъв плътномер пневматичен преобразувател (фиг. 8) непрекъснато претегля течност с определен обем, протичаща през тръбопровод, тръба с форма наUс контролирана течност, преминаваща през нея, е свързана чрез лостова система с амортисьор. Компенсацията за движението на последното се извършва по същия начин, както е показано на фиг. 6. Налягането на въздуха в силфона, което варира пропорционално на плътността на течността, се определя от вторично устройство. Плътномерите обикновено се използват за измерване на плътността на суспензии, както и на вискозни и съдържащи твърди вещества течности.
хидростатични устройства. Тези измерватели на плътност използват линейна зависимост на хидростатичното налягане от височината на нивото и плътността на течността. Налягането на колоната на течността се измерва директно, например с диафрагмен манометър, или индиректно чрез продухване на въздух през течността, чието налягане е пропорционално на колоната на течността (пиезометрични измерватели на плътност, фиг. 9). За да се изключи влиянието на колебанията в температурата и нивото на течността, често се използва диференциран метод: въздухът се продухва едновременно през изпитваните и сравнителните течности, които имат еднаква температура (термостатирани), и получената разлика в налягането се измерва с диференциален манометър. Последният е оборудван с пневматичен преобразувател, който предава съответния сигнал към вторичното устройство.
В хидростатичен плътномер за газове (фиг. 10) се сравняват наляганията на колони от анализирани и еталонни газове с еднаква височина. Диференциалното налягане, измерено от диференциалния манометър, е пропорционално на плътността на контролирания газ.
радиоизотопни устройства. При преминаване през анализираната средапромени в интензитета на йонизиращото лъчение. Затихването на радиацията е функционално свързано с плътността на средата. Най-разпространени са измервателите на плътност, които използват γ-лъчение (фиг. 11). В такова устройство радиацията от източника ( 60 Co, Cs) преминава през течния слой в съда и навлиза в приемника на радиация. Сигналът от приемника, който е функция на измерената плътност, се усилва в електронен усилвател и се подава към електронен преобразувател, който също приема сигнал, генериран от излъчването на допълнителен радиоизотопен източник, преминаващ през абсорбиращ метален клин и добавящ. приемник. В преобразувателя се генерира сигнал, който е функционално свързан с разликата между постъпващите в него сигнали и управлява реверсивен електродвигател, който движи клина до изравняване на входните сигнали (от основния и допълнителните източници на лъчение). Равновесното движение на клина е свързано чрез индукционно предаване с вторичното устройство. Размерът на изместването на клина е пропорционален на промяната в плътността на течността.
Радиоизотопните плътномери позволяват безконтактен контрол и регулиране на плътността на агресивни, силно вискозни, горещи течности и течности под високо налягане, кондензирано мляко, захарни сиропи и др. Тези устройства се използват и за определяне на плътността на твърди вещества, а понякога и на газове.
вибрационни устройства. Чувствителният елемент на такъв плътномер е метална тръба, полирана отвътре, която се поставя директно в потока на аналита. Тръбата се люлее в потока с помощта на електронно устройство. Собствена честота вибрациите на чувствителния елемент се определят от плътността на веществото (вижте също вибрационна техника).
Оборудвани са съвременни технологични плътномеримикропроцесори и изчислителни единици (например за автоматично регулиране на параметрите при промяна на външните условия). Тези подобрения значително повишиха функционалността и подобриха метрологията и производителността на измервателите на технологична плътност.
Лит .: Кивилис С. Ш., в книгата: Инструменти и автоматизация, том 2, книга. 2, М., 1964, стр. 270-77; Glybin I.P., Автоматични измерватели на плътност, K., 1965; Измерване на маса, обем и плътност, М., 1972; Шкатов Е. Ф., Технологични измервания и уреди в предприятията на химическата промишленост, М., 1986, стр. 234-58; Кузмин С. Т., Липавски В. Х., Смирнов П. Ф., Промишлени устройства и оборудване за автоматизация в нефтопреработвателната и нефтохимическата промишленост, М., 1987 г., стр. 61-71. А.Ф. Гусаков.