Измерение свойств веществ

Приборы для измерения плотности подразделяются на: поплавковые, весовые, гидростатические и приборы косвенного измерения плотности.

Поплавковые плотномеры имеют две разновидности с плавающим поплавком и с полностью погруженным.

Принцип действия этих плотномеров основан на законе Архимеда. При изменении плотности жидкости изменяется действующая на поплавок выталкивающая сила. В приборах с плавающим поплавком эта сила уравновешивается весом поплавка в зависимости от глубины его погружения, т.е. объёма, погруженного в жидкость. В приборах с погруженным поплавком глубина погружения поплавка остается постоянной, а выталкивающая сила, пропорциональна плотности, уравновешивается помимо веса поплавка специальным устройством.

Пермещение поплавка преобразуется в электрическую величину с помощью электрических датчиков.

Весовые плотномеры - принцип действия основан на определении плотности жидкости по измерению массы постоянного объема контролируемой жидкости, исходя из соотношения: =m / V

где: m- масса жидкости; V-объём.

Рассмотрим схему весового плотномера – рисунок 69.

Контролируемая жидкость пропускается через отрезок трубопровода1,уровновешенный пружиной 2. При изменении плотности жидкости труба 1 отклоняется от своего нейтрального положения, в результате чего перемещается жестко связанный с ней плунжер2, находящийся внутри индукционной катушки 3.

Рисунок 69

Напряжение на выходе является функцией перемещения трубы, а, следовательно, и плотности контролируемой жидкости.

Гидростатические плотномеры (рисунок 70) - метод основан на измерении давления столба жидкости постоянной высоты, т.к. давление, создаваемое столбом жидкости пропорционально ее плотности.

Для измерения плотности таким способом нет необходимости поддерживать постоянный уровень измеряемой жидкости в емкости.

Рисунок 70

Достаточно применить в качестве измерительного устройства дифманометр, который измеряет разность давлений P, создаваемых двумя столбами жидкости H_и H₂. Ясно, что при любом уровне в ёмкости разность столбов жидкости постоянная и перепад давлений будет зависеть только от плотности жидкости.

Измерение вязкости. Вязкость - это способность вещества оказывать сопротивление перемещению в нем какого-либо тела. Если вещество само движется относительно тела, то возникает сопротивление его движению. Для измерения вязкости применяют вибрационные и ротационные вискозиметры.

Действие вибрационных вискозиметров основано на том, что жидкость стремится затормозить колебания опущенной в нее плоской пластины, причем сила торможения зависит от вязкости жидкости. Рассмотрим схему датчика: пластина 1 закреплена в эластичной мембране 2 – рисунок 71.

Рисунок 71

Нижняя часть пластины погружена в жидкость, а верхняя находится в катушке 3, соединенной с генератором импульсов 4 . При включении катушки в пластине возникают продольные колебания. Затем катушка отключается от генератора и колебания пластины затухают.

В процессе свободных колебаний пластины в катушке наводится э.д.с., соответствующую частоте ее свободных колебаний. Она обеспечивает запирание генератора 4 до момента полного прекращения колебаний, после чего генератор снова включает катушку и цикл повторяется. Чем больше вязкость жидкости, тем быстрее затухают колебания пластины и тем меньше интервалы между включениями генератора. Прибор 5 измеряет величину этих интервалов.

Ротационные вискозиметры - принцип действия основан на измерении сопротивления, которое оказывает жидкость вращению погруженного в нее тело. Это сопротивление растет с увеличением вязкости жидкости.

Ротационный вискозиметр состоит из привода 1, измерительного устройства 2 и рабочего тела 3 – рисунок 72.

Рисунок 72

В одних приборах поддерживают постоянную скорость вращения тела и измеряют мощность, которую затрачивает на эту работу привод. В других используют при- вод постоянной мощности, а измеряют скорость вращения тела. Очевидно, что в первом случае с увеличением вязкости жидкости потребуется большая мощность привода, во втором - это приведет к уменьшению скорости вращения тела.

ВЛАГОМЕРЫ

Влажность является одним из важнейших показателей качества пищевых продуктов, поскольку их сорт, вкус, цвет, длительность хранения в значительной степени зависят от этого параметра.

Влагосодержание продуктов определяют прямым или косвенным методом. В прямых методах измерения используют весы, по которым выявляют разницу в массе образца до и после высушивания. Прямые методы имеют высокую точность, поэтому их часто используют в лабораториях для контроля и тарировки промышленных влагомеров, предназначенных для определения влажности косвенным методом.

Косвенные методы основаны на измерении параметров, величина которых зависит от содержания влаги в образце.

Для измерения влажности в сухих продуктах используются методы диэлькометрический и оптический, и сверхвысокочастотный.

Диэлькометрические влагомеры измеряют влагосодержание по изменению диэлектрической проницаемости и диэлектрическим потерям энергии во влажных продуктах. С увеличением влагосодержания диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери возрастают. Однако на диэлектрическую проницаемость влияют не только количество влаги, но и ее распределение в продукте, а также форма связи. Поэтому этот метод малопригоден для продуктов, где влага находится в связанном состоянии (мясо, сыр, хлеб).

В качестве чувствительного элемента в приборах этого типа используется плоский или цилиндрический конденсатор. Емкость конденсатора определяют по формуле:

C=S/ ,

где C - емкость, ф ;

-диэлектрическая проницаемость материала, находящегося в

межэлектродном пространстве, ф/м;

S-площадь поверхности электродов, м² ;

 - расстояние между электродами, м.

Расстояния между цилиндрическими электродами находят из зависимости

где d₁ и d₂ - диаметр соответственно внешнего и внутреннего цилиндров, м.

При S/ = const емкость конденсатора является функцией диэлектрической проницаемости C = f(). Изменение диэлектрической проницаемости зависит от ряда факторов и в общем виде может быть представлено зависимостью

где _в, _{с.в ,}_см, - диэлектрическая проницаемость соответственно свободной воды, связанной воды и сухого материала, ф/м;

 - дисперсность распределения влаги ,;

C_к - концентрация влаги в образце, кг/м³.

Диэлектрический влагомер (рисунок 73) состоит из мостовой измеритель- ной схемы, в противоположные плечи которой подключены конденсатор переменной емкости С_п и рабочий конденсатор C, а также сопротивления R₁ и R₂ .

Рисунок 73

В диагональ моста АB подается напряжение питания от высококачественного генератора 2, с диагонали БД снимается напряжение рассогласования, усиливается с помощью усилителя 3 и подается реверсивный электродвигатель 4, который перемещает стрелку регистрирующего прибора и изменяет емкость конденсатора C₁₂.

Оптические влагомеры. В оптических влагомерах инфракрасные (ИК) лучи поглощаются или отражаются образцами, содержащими влагу. Степень поглощения ИК -лучей зависит от количества влаги в исследуемом образце. Чувствительность и точность метода близки к чувствительности и точности химического анализа.

Влагомер (рисунок 74) состоит из источника излучения 2; оптических устройств (линз) 1,8; светофильтров 7 и фоторезистора 3; усилителя 4; вычислительного устройства 5 и регистрирующего прибора 6.

ИК - лучи собираются первой линзой и направляются на образец, отразившись от которого, рассеянный пучок лучей собирается второй линзой и подается через светофильтр на фоторезистор.

Рисунок 74

Светофильтр, в процессе работы, периодически меняется в зависимости от частоты излучения, поглощаемого исследуемым образцом. Интенсивность отражения лучей разных частот фиксируется, рассчитывается вычислительным устройством, после чего расчетная величина сигнала подается на регистрирующий прибор, показывающий содержание влаги в продукте. В качестве источника монохроматического излучения может быть использован луч лазера.

Измерение влажности. Влажность газов в технологических процессах обычно измеряют психрометрическим методом.

Действие психрометрических влагомеров основано на измерении двух температур: температуры ”сухого” термодатчика, помещенного в анализируемый газ, и температуры “мокрого” термодатчика, завернутого в чулок из влажной ткани, конец которой опущен в воду. За счет испарения воды этот термодатчик охлаждается до температуры меньшей, чем температура газа. С увеличением влажности газа испарение идет менее интенсивно и температура “мокрого” термометра растет. При влажности 100% вода вообще не будет испарятся, и температуры обоих термодатчиков сравниваются.

В промышленных влагомерах в качестве термодатчиков обычно используют термометры сопротивления, включенные в схему для измерения отношения их сопротивлений, т.е. отношения температур “мокрого” и “сухого” термометров.

Рисунок 75

Из принципиальной схемы влагомера видно, что она состоит из двух неуравновешенных мостов 1 и 3, реохорда 2, усилителя 4, реверсивного электродвигателя 5 и показывающего устройства 6.

В плечи неуравновешенных мостов 1 и 3 включены соответственно “сухой” R_c и” мокрый” R_м термометры. Выходной сигнал моста 3 - напряжения U₂ включен встречно с напряжением U₃ снимаемым с движка реохорда. Их разность U приложена к входу усилителя 4. Там она усиливается и приводит в действие реверсивный электродвигатель 5. Вал электродвигателя перемещает движок реохорда 2 и связанную с ним стрелку показывающего устройства 6.

Состояние равновесия в схеме наступает при равенстве напряжений U₂ и U₃. При этом U=0, поэтому движок реохорда и стрелка прибора перестают перемещаться. Положение движка реохорда в момент равновесия зависит от отношения напряжений U₁ и U₂, а значит, от отношения температур ”сухого” (t_c) и “мокрого” (t_м) термометров. Таким образом, положение стрелки прибора связано с измеряемой влажностью.

Во влагомерах для жидкостей используют емкостной и абсорбционный методы измерения. Емкостные влагомеры - действие основано на изменении диэлектрической проницаемости жидкости при изменении содержания в ней воды. Электрическая схема такого влагомера аналогична электрической схеме емкостного уровнемера.

Абсорбционный процесс принцип действия основан на поглощении водой энергии излучения в области спектра близкой инфракрасной. Жидкость пропускают через кювету 2, где через нее проходит поток излучения Ф от источника 1 – рисунок 76.

Рисунок 76

Так как в камере часть энергии поглощается влагой, энергия выходящего потока Ф₂ будет тем меньше, чем больше концентрация влаги в смеси. Поток Ф₂ измеряется приемником 3.

Источником излучения служит машина накаливания, приемником - фоторезистор. В оптических влагомерах используется связь между влажностью вещества и потоком отраженного от него излучения.

Для наибольшей чувствительности применяют излучение в инфракрасной части спектра, которое создается источником 1. Отраженный анализируемым материалом 2 световой поток направляется собирающим устройством 3 на приемник 4. Чем больше влажность материала, тем лучше он поглощает инфракрасное излучение и тем меньше величина отраженного потока.

Поскольку таким методом можно измерить влажность лишь тонкого слоя (5-30) мм, влагомер применяют для сыпучих материалов, транспортируемых по конвейерным лентам.