Глава 10

ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

§ 10.1. 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.

Поэтому ее автоматическое измерение позволяет создавать очень эффективные системы автоматического управления назван­ными выше процессами.

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.

§ 10.2. Средства измерений плотности жидкостей и газов

Плотностью ρ вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы m 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

γ = ρg=mg/V, (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. Во мно­гих важных для практики случаях плотность можно рассматривать как аддитивное физическое свойство (см. гл. 11).

Средства измерений плотности часто 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. [20].

Далее рассмотрены наиболее широко применяемые автоматиче­ские плотномеры жидкостей и газов.

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.

Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рис. 10.1, а.

Чувствительным элементом плотномера 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.

Рис. 10.1. Схемы весовых и поплавковых плотномеров жидкостей

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. — araios 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. 10.1, 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_П 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_П и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями

G_П = mg, (10.4)

N = (V + lS)ρg, (10.5)

где m — масса поплавка и стержня; V—объем поплавка; l — длина участка стержня, погруженного в жидкость; S — площадь попереч­ного сечения стержня.

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

l = (m – Vρ + A)/(Sρ), (10.6)

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

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

Существует много различных конструкций плотномеров с ча­стично погруженным поплавком [20, 21]. Они обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотно­сти в узком диапазоне (всего 0,005—0,01 г/см³) с погрешностью ±(1,5—3) % от диапазона измерений. На рис. 10.1, 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 +110°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 ρ этих сред:

P = ρgH, (10.7)

где H — 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 /, 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 и 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.

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 Н₁ и H₂ (см. гл. 8). Разность давлений в труб­ках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или электри­ческим выходным сигналом. Этот перепад определяется выра­жением

ΔP = P₂ - P₁ = ρgH₂-ρgH₁ = (H₂-H₁)ρg = Hρg. (10.9)

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

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.

Одним из наиболее совершенных и чувствительных является плотномер (рис. 10.2, г), в котором используется комбинация меха­нического и теплового эффектов. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом поступает в трубку 2, а в трубку 3 при посто­янном давлении поступает вспомогательный газ (обычно воздух). Газовые потоки выводятся через трубку /. Трубки 1, 2 и 3 располо­жены вертикально. При изменении плотности анализируемого газа изменяется аэростатическое давление столба газа в трубке 2, а следовательно, и давление в точке А. Поэтому изменяется расход воздуха, омывающего резисторный измерительный термоанемометр RK (см. § 7.8), в результате чего изменяется его сопротивление. Сопротивление сравнительного термоанемометра R_СР остается по­стоянным, так как омывающий его поток воздуха практически не изменяется. Изменение сопротивления термоанемометра R_И вызы­вает разбаланс U неравновесного моста 4. Этот разбаланс описы­вается выражением [22]:

U=K(ρ-ρ_B), (10.10)

где К — коэффициент преобразования плотномера; ρ_B — плотность

воздуха.

Плотномер термостатируется при температуре 40 или 45°С, обеспечивает измерение плотности в пределах 0—3 кг/см³ с диапазоном измерений, отсчитанным от значения плотности воздуха при 20°С, ±(0,01 1,5) кг/м³ и классами точности 2—5 (в зависимости от диапазона измерений).

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

M = 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, б, 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

P₁ – P₂=0,5[Q/(αεF₀)]²ρ. (10.13)

Рис. 10.3. Схемы газодинамических плот­номеров газов

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

Плотномер (рис. 10.3, в) является устройством циклического действия и работает в импульсном режиме (см. гл. 9). Он пред­ставляет собой пневматический неравновесный мост, составленный из четырех диафрагм (турбулентных пневмосопротивлений), два из которых R_И и R₁ включены в измерительную 4, а два других R_СР и R₂ — в сравнительную 7 ветвь моста. Через обе ветви моста все время протекает сухой воздух (газ-носитель), поступающий от регулятора давления 1. При этом перепад давления между точка­ми А и В моста равен нулю. В дозатор 3 все время поступает анализируемый газ, промывая дозируемый объем 2. Периодически по сигналу командного прибора 6 каналы дозатора переключаются (см. гл. 12) так, что дозируемый объем отключается от линии ана­лизируемого газа, а к нему подключается линия подачи газа-носи­теля. Газ-носитель начинает выталкивать отобранный объем газа через измерительную ветвь 4 и турбулентное пневмосопротивление R_И в атмосферу. При этом давление в точке А изменяется, а в точ­ке В остается постоянным. Разность давления между точками А и В описывается выражением

ΔR = k(ρ-ρ_B), (10.14)

где k — постоянный коэффициент.

Перепад давлений на измерительной диагонали АВ моста изме­ряется дифманометром 5 с унифицированным выходным сигналом. Сигнал плотномера практически не зависит от изменений окружа­ющей температуры и давления. Продолжительность одного цикла работы 3 мин. Плотномер обеспечивает измерение плотности от О до 3 кг/м³ с диапазонами измерений, отсчитанными от значения плотности воздуха при 20°С и равными от ±0,1 до ±1,5 кг/м³. Классы точности 2 — 3 (в зависимости от диапазона измерений).

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

, (10.15)

где ƒ₀ — 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.