5.2.2. Измерение вязкости веществ

Вязкость (внутреннее трение) – свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

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

Единица динамической вязкости  в СИ – Пас.

, где

Единица кинематической вязкости  в СИ – м²/с.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов – увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления.

Средства для измерения вязкости называют вискозиметрами. В настоящее время для измерения вязкости жидкостей разработаны автоматические капиллярные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом, ротационные, вибрационные вискозиметры и др. Во всех случаях температуру жидкости надо поддерживать постоянной, так как вязкость зависит от температуры.

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

Ротационные вискозиметры. При вращении тела в вязкой жидкости возникает противодействующий момент, обусловленный вязкостным сопротивлением. Этот момент пропорционален динамической вязкости:

,

где к – постоянная прибора,  – динамическая вязкость,  – постоянная угловая скорость вращения тела. Таким образом, мерой вязкости является крутящий момент ↔М.

Ротационные вискозиметры различаются по форме вращающегося тела и способу измерения крутящего момента. В качестве вращающихся тел используются пластины, лопасти, цилиндры, наборы дисков и т.д. Крутящий момент замеряется различными способами, например, по потребляемой силе тока электродвигателем. Диапазон измерений ротационных вискозиметров весьма широк (μ = 0,01 – 1000 Нс/м²).

Вибрационные вискозиметры. Позволяют оценивать вязкость по величине изменения амплитуды колебаний пластины в вязкой среде.

5.2.3. Измерение влажности газов и твердых тел

Для автоматического определения относительной влажности газов чаще всего используются психрометрический метод и метод точки росы.

Для определения влажности твердых тел обычно применяют косвенные методы, позволяющие определять влажность путем из­мерения функционально связанной с ней физической величины. Из косвенных методов для автоматического непрерывного изме­рения влажности твердых тел наибольшее распространение получили метод диэлектрической проницаемости и кондуктометрический метод.

5.2.3.1. Контроль относительной влажности газов

Под влагосодержанием w_c понимают отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала, выраженное в процентах:

;

При этом под влажностью воздуха понимают содержание водяного пара в воздухе, которое может определяться упругостью водяного пара, абсолютной влажностью и точкой росы.

Упругость водяного пара – измеряемое в мм.рт.ст. парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе (под парциальным давлением понимают давление компонента идеальной газовой смеси, которое он оказывал бы, если бы один занимал объем всей смеси).

Абсолютная влажность – количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1м³ воздуха.

Относительная влажность  – это отношение упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре, %.

Влажность газа определяется психрометрическим методом, методом точки росы.

Психрометрический метод

Психрометр имеет два одинаковых термометра, из которых у одного, называемого мокрым, тепловоспринимающая часть все время остается влажной, соприкасаясь с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого тер­мометра температура его понижается. В результате создается разность температур мокрого и сухого термометров, назы­ваемая психрометрической разностью. Относительная влажность газа пропорциональна психрометрической разности. В преобразователях электрических психрометров для определе­ния температур обычно применяются металлические термометры сопротивления.

Психрометры измеряют температуру сухого t_c и мокрого t_м термометров. Температурные условия, близкие к t_м, создаются в процессе адиабатического испарения воды с поверхности мокрого термометра. Зная t_c и t_м, можно определить относительную влажность воздуха:

,

где Р_м, Р_с – упругость насыщенного водяного пара соответственно при температурах t_м и t_c; А – психрометрическая постоянная, зависящая от рода газа, скорости потока вокруг «мокрого» термометра, температуры t_м и конструкции прибора; В – барометрическое давление [17].

Принцип действия психрометра представлен на рис. 5.9. для измерения температуры t_c и t_м применяют проволочные (полупроводниковые) психрометры с автоматическими мостами или потенциометрами. Основная погрешность при измерении по психрометрическому термометру не превышает 2% за счет погрешности вторичного прибора и колебаний температуры окружающего воздуха. Диапазон измерения психрометрами относительной влажности 20 – 100% при температуре 5 – 50С. психрометрический метод позволяет определить энтальпию (теплосодержание) влажного воздуха, так как [17].

Рис. 5.9. Принцип действия психрометра:

1 и 2 – сухой и мокрый термометры; 3 – батист, смачиваемый водой;

4 – емкость; 5 – вентилятор.

Преимущества психрометрического метода – вполне удовлетво­рительная точность при положительных температурах и незначи­тельная инерционность. Недостатки – зависимость результатов измерения от скорости движения газов и колебаний атмосферного давления, а также понижение чувствительности и рост погрешности измерений с понижением температуры [17].

Метод точки росы

Точка росы – температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нем пар достиг насыщения и начал конденсироваться, т.е. появилась роса.

Миниатюрное зеркало охлаждается за счет эффекта Пельтье (эффект поглощения тепла при прохождении тока через место спайки двух проводников). При достижении определенной температуры влага конденсируется на зеркале, интенсивность отраженного света снижается, что регистрируется фотоприемником. Температура, при которой произошла конденсация, является температурой точки росы (рис.5.10) [18].

Таким образом, определение влажности газа сводится к определению температуры, что позволяет значительно повысить точность измерений [18].

Рис. 5.10. Схема влагомера