Электрические средства измерений уровня

По виду чувствительного элемента электрические средства измерений уровня подразделяют на емкостные и кондуктометрические.

Емкостные уровнемеры. В уровнемерах этого типа используется зависимость электрической емкости чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя от уровня жидкости. Конструктивно емкостные чувствительные элементы выполняют в виде коаксиально расположенных цилиндрических электродов или параллельно расположенных плоских электродов. В номенклатуру средств измерений уровня ГСП входят емкостные уровнемеры с коаксиально расположенными электродами. Конструкция емкостного чувствительного элемента с коаксиально расположенными электродами определяется физико-химическими свойствами жидкости. Для неэлектропроводных (диэлектрических) жидкостей — жидкостей, имеющих удельную электропроводность менее 10^-6 См/м, применяют уровнемеры, оснащенные чувствительным элементом, схемы которого представлены на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Схемы электрических средств измерений уровня

Чувствительный элемент (рис. 12.7, а) состоит из двух коаксиально расположенных электродов 1 и 2, частично погруженных в жидкость. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, межэлектродное пространство которого до высоты h заполнено жидкостью, а пространство — парогазовой смесью. Для фиксирования взаимного расположения электродов предусмотрен изолятор 3.

В общем виде электрическая емкость цилиндрического конденсатора определяется уравнением

, (12.14)

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; ε₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума; Н — высота электродов; D, d — диаметры соответственно наружного и внутреннего электродов.

Преобразование электрической емкости чувствительных элементов в сигнал измерительной информации осуществляется мостовым, резонансным или импульсным методом.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня.

Уровнемеры этого вида предназначены для сигнализации уровня электропроводящих жидких сред и сыпучих сред с удельной проводимостью более 10^-3 См/м. На рис. 12.7, г приведена схема сигнализатора верхнего предельного уровня жидкости. В соответствии со схемой при достижении уровнем значения h замыкается электрическая цепь между электродом 1 и корпусом технологического аппарата. При этом срабатывает реле 2, контакты которого включены в схему сигнализации.

Принцип действия кондуктометрических сигнализаторов уровня сыпучих сред аналогичен рассмотренному.

Электроды, применяемые в кондуктометрических сигнализаторах уровня, изготавливают из стали специальных марок или угля. Причем угольные электроды используются только при измерении уровня жидких сред.

Акустические средства измерений уровня

В настоящее время предложены различные принципы построения акустических уровнемеров, из которых широкое распространение получил принцип локации.

В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала). Уровнемеры, в которых локация границы раздела двух сред осуществляется через газ, называют акустическими, а уровнемеры с локацией границы раздела двух сред через слой рабочей среды — ультразвуковыми.

Преимуществом акустических уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня неоднородных кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.

Рис. 12.8. Схема акустического уровнемера

ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Общие сведения

К числу физико-химических свойств, автоматический контроль которых осуществляется в химико-технологических процессах, относятся:

• плотность,

• вязкость,

• коэффициент преломления,

• давление насыщенных паров,

• теплота сгорания.

Измерение плотности жидкостей и газов осуществляется для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции.

Для химико-технологических процессов, связанных с производством нефтяных масел, консистентных смазок, полимеров, растворителей, вязкость является показателем, однозначно определяющим качество продукции.

Для некоторых видов продукции химико-технологических процессов требуется измерение коэффициента преломления как одной из величин, определяющих качество.

Для светлых нефтепродуктов (особенно для авиационных и автомобильных бензинов) одним из важных свойств является давление насыщенных паров (упругость паров), характеризующее склонность этих нефтепродуктов к испарению и образованию паровых пробок в топливных системах двигателей.

Для жидких однокомпонентных веществ значение давления насыщенных паров может использоваться в качестве характеристики их чистоты.

Теплоценность жидких и газообразных топлив, используемых в огневых нагревательных и реакционных аппаратах химико-технологических процессов, определяется теплотой их сгорания. Автоматическое измерение этого физико-химического свойства в настоящее время приобретает чрезвычайно важное значение в связи с проводимыми мероприятиями по экономии топливно-энергетических ресурсов.

Средства измерений плотности жидкостей и газов

Плотностью ρ вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы пг вещества к занимаемому им объему V:

ρ = m/V, [ед. массы]/[ед. объема]. (10.1)

Удельным весом γ вещества называют физическую величину, определяемую отношением веса G вещества к занимаемому им объему V:

γ =G/V[ед. силы]/[ед. объема]. (10.2)

Удельный вес и плотность связаны соотношением

(10.3)

где g — местное ускорение свободного падения.

В то время как плотность тела не зависит от его местонахождения на поверхности Земли, удельный вес изменяется в зависимости от расположения тела на земном шаре (в пределах нашей страны более чем на 0,3%). Поэтому справочные данные составляют по плотности.

В некоторых случаях используется понятие относительной плотности, определяемое как отношение плотности данного вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных физических условиях.

Относительную плотность жидкого вещества принято выражать отношением его плотности, взятой при нормальной температуре (20 °С), к плотности дистиллированной воды при температуре 4°С и обозначить ρ²⁰₄.

Относительную плотность газа принято выражать отношением его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях (нормальная температура — 293,15 К, нормальное давление— 101 325 Па = 760 мм рт. ст.).

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит.

Средства измерений плотности называют плотномерами или денсиметрами (денситометрами) (от лат. densus — плотный, густой и от греч. metreo — измеряю).

Для измерения плотности в настоящее время применяются плотномеры весовые, поплавковые, гидроаэростатические, гидрогазодинамические, радиоизотопные, акустические, вибрационные и др.

Весовые, или пикнометрические (от греч. pyknos— плотный), плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров (см. табл. 9.1) состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе, т. е. в соответствии с выражениями (10.1) — (10.3) плотность определяется через удельный вес.

Рис. 10.1. Схемы весовых и поплавковых плотномеров жидкостей

Чувствительным элементом плотномера a) служит U-образная трубка 7, изготовленная из нержавеющей стали, соединенная через тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачиваться вокруг оси О — О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4 передается к механоэлектрическому или механопневматическому преобразователю 5, построенному по принципу компенсации сил (см. гл. 5), выходной сигнал С_Вых которого пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство 8 служит для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в зависимости от температуры анализируемой жидкости, которую это устройство непрерывно измеряет.

Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в интервале 0,5—2,5 г/см³. При этом может быть установлен диапазон измерений 0,05—0,3 г/см³ в любой части указанного интервала. Максимальная температура анализируемой жидкости 100 °С, классы точности 1—1,5.

Поплавковые, или ареометрические (от греч.—aratos жидкий и metreo измеряю), плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.

На рис. б) показана схема поплавкового плотномера жидкостей с частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плотномера через сборник 3. При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение положения равновесия сил N и G_n обеспечивается при этом изменением длины l стержня 4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5.

Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) G_n и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями

где т — масса поплавка и стержня; V—объем поплавка; / — длина участка стержня, погруженного в жидкость; 5 — площадь поперечного сечения стержня.

При равенстве сил G_n и N из выражений (10.4) и (10.5) с учетом действия на стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения

где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая поверхностное натяжение.

Как видно из (10.6), длина 1, а следовательно, и сигнал дифференциального трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу т подбирают в зависимости от диапазона измерений.

Плотномеры такой конструкции обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (всего 0,005—0,01 г/см³) с погрешностью (l,5—3) % от диапазона измерений.

На рис. в) показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 1, через которую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. Поплавок укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответствующем нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем силы 6 в унифицированный пневматический или электрический сигнал С_вых. Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см³. Диапазон измерений может быть установлен от 0,05 до 0,2 г/см³ в любой части указанного интервала. Температура анализируемой жидкости может составлять —5 = +100°С. Класс точности 1.

Гидро- и аэростатические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости давления Р столба анализируемой жидкости или газа от плотности р этих сред:

где Н — высота столба жидкости или газа.

Если значение Н принять постоянным, то давление Р однозначно определяется плотностью среды: P = kρ, (10.8)

где k=gH — постоянный коэффициент.

На рис. 10.2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости. В данном измерительном устройстве анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру 1, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами по высоте составляет Н, поэтому на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон 3 заполнены вспомогательной жидкостью. Сильфон 3 служит для температурной компенсации и по существу представляет собой жидкостный манометрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 я 4, возникающая за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном рычаге 8 вращающий момент, который через рычаг 7 передается в преобразователь 5 силы в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага 7. Основные технические характеристики: диапазон измерений от 0—0,05 до 0—0,5 г/см³; максимальная температура жидкости 200°С; класс точности 1.

Рис. 10.2. Схемы гидро- и газостатических плотномеров жидкостей и газов

Схема гидростатического плотномера, принцип действия которого основан на измерении гидростатического давления путем продувки сжатого газа, показана на рис. 10.2, б. Такие плотномеры используются в химико-технологических процессах для измерения плотности непосредственно в технологических аппаратах. В аппарате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной погружения. Газ (обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматическим дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 2 и 1. Через открытые торцы трубок газ барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба жидкостей высотой H₁ и H₂ (см. гл. 8). Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или электрическим выходным сигналом. Этот перепад определяется выражением

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.

Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на рис. 10.2, в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при постоянных давлениях соответственно через вертикальные трубки 1 и 2, внутренние полости которых образуют столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность аэростатических давлений этих столбов измеряется с помощью высокочувствительного колокольного дифманометра 3, работающего по принципу уравновешивания за счет изменения выталкивающей силой (см. гл. 4). Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью преобразователя 5 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м³ с диапазоном измерений от 0,2 до 1 кг/м³ и с погрешностью ±0,01 кг/м³.

Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры.

Принцип действия этих механических плотномеров основан на сообщении потоку анализируемого вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении параметров, характеризующих эффекты, возникающие при этом воздействии. В основном указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению плотности газов.

На рис. 10.3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов. В плотномере (рис. 10.3, а) потоку анализируемого газа, протекающего через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, приводимой во вращательное движение синхронным двигателем 1. Поток газа поступает к турбинке 4 и создает на ней за счет своей кинетической энергии вращающий момент, определяемый формулой

М = kω²ρ, (10.11)

или P₁—P₂ =kρ (10.12)

где k — постоянный коэффициент,

ω - частота вращения турбинки 3.

Под действием этого момента турбинка 4 поворачивается, а возникающий на ней момент уравновешивается моментом, создаваемым на оси 8 плоской пружины 5. Угол поворота оси 8 и стрелки 6 по шкале пропорционален плотности газа. С помощью преобразователя 7 угол поворота преобразуется в унифицированный сигнал. Класс точности рассматриваемого плотномера 0,5—1,5 (в зависимости от диапазона измерений).

В основу работы плотномеров (рис. 10.3,6, в)- положен эффект истечения газа через диафрагму. В плотномере, представленном на рис. 10.3, б, анализируемый газ прокачивается с постоянным объемным расходом Q, создаваемым трехступенчатым вентилятором 3, через диафрагму 4 диаметром 0,5—1 мм. Вентилятор приводится во вращательное движение через магнитную муфту 2 синхронным двигателем или пневматической турбинкой 1. Перепад давлений (50—500 Па), возникающий на диафрагме 4, измеряется дифманометром 5 с унифицированным сигналом. В соответствии с выражениями (7.23), (7.25) этот перепад давлений

Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных и рабочих условиях. Класс точности его 1.

Рис. 10.3. Схемы газодинамических плотномеров газов

Вибрационные плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т. д. Частота собственных колебаний резонатора, заполненного или находящегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением

где f₀ — частота колебаний резонатора при начальном значении плотности анализируемого вещества; k — константа, зависящая от конструкции резонатора.

Конструктивно различают проточные и погружные вибрационные плотномеры. В первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во вторых — резонатор размещается в потоке анализируемого вещества.

На рис. 10.4, а показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2 (резонатор), установленные в сильфонах 6 и скрепленные перемычками 8. Сильфоны 6 расположены в опорах 5. Указанные трубки, катушка 3, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 4 и электронный усилитель 10 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 10 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 9, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 7 и 11, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м³, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м³.

Рис. 10.4. Схемы вибрационных плотномеров жидкостей и газов

На рис. 10.4, б показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом 1, катушек возбуждения 6 с магнитом 7, камертона 4, расположенного в корпусе 3, и электронного усилителя 5. Частота колебаний системы на выходе усилителя 5 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.

Средства измерений вязкости жидкостей

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:

(10.16)

где F — тангенциальная (касательная) сила; вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; dW/dn — градиент скорости W течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности η называют динамической вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Величину, обратную динамической вязкости φ=1/η, называют текучестью. Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие кинематической вязкости:

Кинематическая вязкость своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Единица динамической вязкости с СИ — Па·с, в системе СГС — П (пуаз); единица кинематической вязкости в СИ — м²/с, в системе СГС — ст (стокc). Соотношение между названными единицами: 1П==10^-1 Па·с; 1ст=10^-4 м²/с.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов — увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико-технологических процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В настоящее время разработаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрационные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом и др.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемой законом Пуазейля:

(10.18)

где Q-объемный расход жидкости; d - диаметр и l - длина капилляра; Р₁, Р₂ - давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (10.18) можно преобразовать к виду

Р₁ - Р₂ = kη (10.19)

где k — постоянный коэффициент для принятого расхода жидкости.

Из (10.19) следует, что для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлений на капилляре.

Рис. 10.5. Схемы капиллярных вискозиметров

На рис. 10.5, а показана схема капиллярного вискозиметра, в котором для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос 1, приводимый в движение синхронным двигателем 2. Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем — в капилляр 4, размеры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значений вязкости. Перепад давлений на капилляре измеряется дифманометром 5 с пневматическим или электрическим унифицированным выходным сигналом, который пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и равняется 50 или 100°С. Диапазоны измерений от (0-2) 10^-3 Па·с до (0-4-1000) 10^-3 Па·с. Классы точности вискозиметра 1,5—2,5 (в зависимости от диапазона измерений).

В вискозиметре, представленном на рис. 10.5, б, стабилизация объемного расхода анализируемой жидкости осуществляется пневматической системой автоматического регулирования, состоящей из диафрагмы 4, дифманометра 7, пневматического регулятора 8 и исполнительного механизма 2. Анализируемая жидкость подается из напорной емкости 1 с переливной трубкой. Возможность стабилизации расхода жидкости таким способом базируется на том, что перепад давлений на диафрагме (Р₀—P₁) практически не зависит от динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости (например, нефтяных масел) изменяется незначительно. При таких условиях поддержание постоянного перепада давления (Р₀—P₁) обеспечивает постоянство объемного расхода анализируемой жидкости. Змеевик 3, диафрагма 4 и капилляр 5 размещены в водяном термостате 9, где поддерживается температура, равная 100 °С, за счет подачи в него насыщенного водяного пара при атмосферном давлении. Перепад давления P₁—Р₂ на капилляре измеряется дифманометром 6 с пневматическим выходным сигналом. Класс точности вискозиметра 2,5.

Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости.

Это движение описывается законом Стокса:

где W — скорость равномерного падения шарика; ρ_ш — плотность материала шарика (ρ_ш>ρ); r — радиус шарика.

Если учесть, что плотность анализируемой жидкости изменяется незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика, то выражение (10.20) можно преобразовать к виду

W = k₁/, (10.21)

где k₁ — постоянный коэффициент.

Обычно измерение скорости W сводится к измерению отрезка времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постоянный отрезок пути l между двумя принятыми отметками. В этом случае

где k = l/k₁ — постоянный коэффициент.

Рис. 10.6. Схема шарикового вискозиметра

На рис. 10.6 показана схема шарикового вискозиметра циклического действия. Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик падает в анализируемую жидкость. С помощью датчиков 3 и 2 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. С помощью измерителя временных интервалов 10 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость. Класс точности вискозиметра 2.

Ротационные вискозиметры. Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска и т. п.), погруженного в измеряемую среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент в общем случае описывается выражением

M=kω, (10.23)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора (при постоянной угловой скорости крутящий момент однозначно определяет вязкость жидкости).

Рис. 10.7. Схемы ротационных вискозиметров

Из большого многообразия конструкций вращающихся элементов ротационных вискозиметров в автоматических анализаторах обычно используются конструкции, показанные на рис. 10.7. Вискозиметры, представленные на рис. 10.7, а—в, объединяет общий принцип действия, в соответствии с которым вязкость определяется по моменту сил трения, возникающему при вращении тела, погруженного в анализируемую жидкость. Таким телом может быть цилиндр (рис. 10.7, а), шар (рис. 10.7, б) или диски, посаженные на общий вал и расположенные между неподвижными шайбами (рис. 10.7, в). В вискозиметрах момент вращения, создаваемый диском (рис. 10.7, г) или цилиндром 2 (рис. 10.7, д), передается через жидкость диску или цилиндру 3. Диску или цилиндру вращательное движение сообщается двигателем 1. Вращающий момент, возникающий на диске (цилиндре) 3, а, следовательно, на шкиве 5, насаженном на одном валу 4 с диском (цилиндром) 3, пропорционален динамической вязкости. Этот момент уравновешивается силой упругой деформации пружины 7, соединенной с гибкой нитью 6, которая прикреплена к шкиву 5. Значение деформации пружины можно наблюдать по шкале 8. С помощью преобразователя 9 сила упругой деформации пружины 7 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Характерной особенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон измеряемых значений вязкости (0,01— 1000 Па-с). Классы точности ротационных вискозиметров 1—2,5.

Средства измерений показателя преломления жидкостей

Измерение показателя (или коэффициента) преломления (рефракции) осуществляется интерферометрами и рефрактометрами (от лат. refractus — преломленный и от греч. metreo — измеряю). Для автоматических измерений обычно используются рефрактометры, относящиеся к оптическим средствам измерений. Принцип действия их основан на законе преломления света, согласно которому часть световой энергии луча, падающего на границу раздела прозрачных сред 1 и 2 (рис. 10.8, а), возвращается в среду 1, а остальная часть проходит в среду 2 и при этом меняет направление. Математический закон преломления выражается зависимостью

где α₁ и α₂ — углы падения и преломления светового луча; п₂₁ — константа, называемая относительным показателем преломления вещества 2 по отношению к веществу 1.

Рис. 10.8. Схема рефрактометра

В соответствии с волновой теорией света показатель преломления определяет отношение скоростей W₁ и W₂ распространения световых волн в двух средах:

n₂₁ = W_l/W₂. (10.25)

Из двух сред та, в которой свет распространяется с большей скоростью, называется средой, оптически менее плотной, а среда, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной.

Коэффициент преломления жидкостей практически не зависит от давления, а изменение его с изменением температуры для огромного большинства жидкостей лежит в пределах 0—0,0006 1/град. Для многих практически важных случаев коэффициент преломления жидкостей можно рассматривать как аддитивное физико-химическое свойство.

На рис. 10.8, б показана схема рефрактометра. Свет от лампы 1 через оптическую систему 2 в виде луча посылается в так называемую дифференциальную кювету 4. Последняя состоит из двух частей, отделенных друг от друга стеклянной перегородкой. Через измерительную камеру 5 кюветы непрерывно прокачивается анализируемая жидкость, а сравнительная камера 3 заполнена образцовой жидкостью. При равенстве показателей преломления этих жидкостей луч от лампы проходит через обе камеры без отклонений. Изменение показателя преломления анализируемого вещества вызывает отклонение луча, пропорциональное разности показателей преломления анализируемого и образцового веществ. Луч света из кюветы попадает в неподвижную 6 и подвижную 7 призмы. Когда он не испытывает отклонений, фотоэлементы 9 и 10, включенные встречно и образующие дифференциальный фотоприемник, освещены одинаково. На выходе электронного усилителя 11 сигнал равен нулю. При отклонении луча возникает различие в освещенности этих фотоэлементов. Сигнал на входе электронного усилителя 11 становится отличным от нуля. Этот сигнал усиливается и управляет работой двигателя 8, который через механическую передачу поворачивает призму 7 до тех пор, пока освещенности фотоэлементов 9 и 10 опять не станут одинаковыми. Положение ротора двигателя 8 и связанное с ним положение стрелки на шкале определяют разность коэффициентов преломления анализируемого и образцового веществ. Рефрактометр обычно снабжен устройством коррекции показаний в зависимости от температуры анализируемой среды.

Диапазон измерений разности показателей преломления между анализируемой или образцовой жидкостью от (0÷0,02)10~² до (0÷10)10~². Классы точности 1,5 — 4 (в зависимости от диапазона измерений).

Средства измерений давления насыщенных паров жидкостей

Давление насыщенных паров (упругость паров) является одним из важных показателей качества светлых нефтепродуктов, особенно автомобильных и авиационных бензинов. Давление насыщенных паров характеризует их испаряемость и склонность к образованию паровых пробок, а также может использоваться в качестве характеристики чистоты жидких однокомпонентных веществ. Давление насыщенных паров существенно зависит от температуры. На рис. 10.9, а показана схема первичного измерительного преобразователя упругости паров жидкостей, который может быть установлен непосредственно на технологическом аппарате. По принципу действия он является механическим средством измерения. Чувствительный элемент анализатора — сильфон 8 заключен в кожух 1 из тонкой листовой меди. Пространство между кожухом 1 и сильфоном 8 заполнено образцовой жидкостью 9, которая по составу должна быть близка к анализируемому веществу. При установке преобразователя на контрольной тарелке (по качеству продукта на которой проводится процесс) ректификационной колонны 2 сильфон 8 находится под одновременным воздействием давления паров в колонне, поступающих во внутреннее пространство через отверстие 7, и давления паров образцовой жидкости 9. Усилие на сильфоне 8, возникающее под действием этой разности давлений, через шток 6, рычаг 3 и уплотнительный сильфон 5 передается к преобразователю 4 силы в унифицированный пневматический сигнал. Этот сигнал пропорционален разности давлений насыщенных паров анализируемой и образцовой жидкостей при температуре аппарата.

Диапазоны измерений от 0—1000 до 0—64000 Па; классы точности 1 и 1,5; диапазон рабочих температур 0—150°С.

Рис. 10.9. Схемы анализаторов давления насыщенных паров