9.2 Металлические спиртомеры

9.2.1 Устройство металлических спиртомеров

Металлические спиртомеры делятся на рабочие, образцовые 2-го разряда и образцовые 1-го разряда. Рабочие металлические спиртомеры служат для измерения крепости водно-спиртовых растворов, образцовые металлические спиртомеры 2-го разряда - для поверки рабочих спиртомеров. Образцовые металлические спиртомеры 1-го разряда применяют при изготовлении образцовых 2-го разряда и рабочих спиртомеров. Образцовый металлический спиртомер 2-го разряда и рабочий металлический спиртомер (ГОСТ 3638 - 53) по конструкции и размерам одинаковы и состоят из пустотелого позолоченного латунного шарика с припаянными к нему вверху и внизу позолоченными латунными стержнями (рисунок 9.7). Верхний стержень выполнен в виде закрытой сверху четырехгранной трубки, нижний имеет форму расширяющегося книзу конуса, заканчивающегося грушевидным наконечником, который играет ту же роль, что и балласт у стеклянного ареометра.

Рисунок 9.6 – Образцовый (эталонный) 2-го разряда и рабочий металлический спиртометр. Поверхности спиртомера отполированы.

На широкой стороне верхнего стержня нанесена равномерная условная шкала, разделенная на 100 частей. Первый снизу и каждый десятый штрих выполнены во всю ширину стержня и помечены возрастающими снизу вверх числами от 0 до 10. Расстояние между смежными промежуточными штрихами соответствует 0,1 условной единицы. Под нижним (нулевым) штрихом шкалы выгравировано число 100. Шкала градуирована для температуры 20 °С. У рабочих спиртомеров шкала предусмотрена на обеих широ­ких сторонах стержня, у образцовых спиртомеров 2-го разряда - только на одной стороне.

На одной из узких сторон верхнего стержня на расстоянии 0,3 мм выше и ниже каждого крайнего штриха нанесены контроль­ные отметки, которые используются при изготовлении спиртомера. На противоположной боковой стороне стержня выше шкалы обо­значены заводской номер спиртомера и нормальная температура (20 °С).

К спиртомеру прилагается комплект из восьми полированных позолоченных латунных гирек разных размеров, имеющих форму шарового сегмента (рисунок 10.7). Диаметр отверстия в центре гирьки несколько превышает наибольший диаметр конуса нижнего стержня спиртомера, а ширина прорези превышает наименьший диаметр конуса стержня. Гирьку надевают (выпуклой стороной вниз) на узкую часть конуса и опускают вниз до упора в грушевидный наконечник. Снимают гирьку в обратной последовательности.

Рисунок 9.7 – Гирька к металлическому спиртомеру

На плоской поверхности каждой гирьки обозначено одно из следующих условных чисел: 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 (чем крупнее и тяжелее гирька, тем меньше указанное на ней число). Гирька «90» имеет наружный диаметр 13 мм, гирька «20» - 18 мм. Гирьки можно применять только с тем спиртомером, для которого они предназначены; поэтому на каждой гирьке нанесен заводской номер соответствующего спиртомера.

В зависимости от крепости испытуемого спиртового раствора спиртомер применяют либо без гирьки, либо с одной из гирек. Чем больше крепость спиртового раствора, тем меньше его плотность, тем легче должен быть спиртомер и, следовательно, тем меньшая по массе гирька должна быть применена для погружения спиртомера в раствор. Поэтому для весьма крепких растворов следует пользоваться спиртомером без гирьки, а для слабых растворов - спиртомером с самой тяжелой гирькой (гирькой «20»).

Таким образом, металлический спиртомер с восьмью гирьками представляет собой набор из девяти ареометров постоянной массы. Прибор рассчитан таким образом, чтобы можно было измерять концентрацию спиртовых растворов в пределах 20-110 условных единиц при температуре 0-40 ° С или 20-103,4 условных единиц при температуре от -25 до 0 °С, что соответствует крепости в диапазоне 25,7-100 % по объему при 20 °С.

Погрешность измерений металлическим спиртомером (в условных единицах) не превышает: для рабочего спиртомера ±0,1, для образцового спиртомера 2-го разряда ±0,03.

Спиртомер хранится в отдельном футляре, покрытом внутри мягким материалом. В футляре предусмотрены гнездо для спиртомера и восемь полированных штифтов из кости, рога или твердого дерева для навешивания гирек.

9.2.2 Пользование металлическим спиртомером

Крепость спиртового раствора измеряют в стеклянном цилиндре высотой не менее 250 мм. Предварительно цилиндр тщательно промывают теплой водой, вытирают чистым полотенцем и споласкивают испытуемым раствором. Спиртомер обтирают сначала полотенцем, слегка смоченным спиртом, а затем сухим полотенцем из мягкой ткани.

Во избежание повреждения позолоты следует лишь слегка прикасаться полотенцем к спиртомеру.

При недостаточной чистоте спиртомера образуется вогнутый мениск неправильной формы или даже выпуклый мениск, что иска­жает показания прибора.

Перемешивание раствора перед измерением и погружение металлического спиртомера в раствор выполняют так же, как при пользовании стеклянным спиртомером.

Гирьку к спиртомеру подбирают следующим образом. Если возможные пределы крепости раствора неизвестны, то сначала по­гружают спиртомер без гирьки, а затем последовательно с каждой гирькой, начиная с наиболее легкой (гирька «90»), до тех пор, пока уровень жидкости не будет пересекать стержень в какой-либо ча­сти шкалы.

Если же при погружении спиртомера без гирьки уровень жидкости окажется выше верхнего штриха шкалы, то раствор сле­дует охладить (перенести в более холодное помещение или поместить в сосуд со льдом). При охлаждении спиртового раствора отношение объемов спирта и воды уменьшается, так как коэффи­циент объемного расширения спирта примерно в пять раз выше, чем воды; следовательно, объемная концентрация спирта в растворе падает, и показание спиртомера при неизменной исходной крепости раствора (в процентах по объему при 20 °С) уменьшается.

Когда известны возможные пределы крепости испытуемого раствора и температура в помещении около 20 °С, требуемую гирьку можно ориентировочно подобрать по данным таблицы 9.2.

Перед отсчетом показания необходимо убедиться в том, что на поверхности спиртомера (в особенности около подвешенной на нем гирьки) нет скопления пузырьков воздуха. В случае образования пузырьков спиртомер берут за верхний конец и, не вынимая из жидкости, встряхивают так, чтобы гирька переместилась вверх и вниз по стержню; при этом пузырьки воздуха отделяются от спиртомера и поднимаются вверх.

Показание спиртомера определяют не ранее чем через 3 мин после погружения в раствор. Показание отсчитывают по нижнему краю мениска, пользуясь шкалой на той стороне стержня, которая обращена к свету. Если уровень жидкости находится между двумя смежными штрихами шкалы, отсчет выполняют по ближайшему штриху.

Таблица 9.2

Крепость спиртового раство­ра, % по объему	Гирька	Крепость спиртового раство­ра, % по объему	Гирька
33 — 45 Свыше 45 до 55 » 55 » 64 » 64 » 71 » 71 » 78	20 30 40 50 60	Свыше 78 до 85 » 85 » 90 » 90 » 95 » 95 » 100	70 80 90 Без гирьки

Показание спиртомера без гирьки подсчитывают как сумму двух чисел: числа 100, нанесенного под нижним штрихом шкалы и числа, отсчитанного по шкале в месте пересечения ее линией уровня.

При измерении спиртомером с подвешенной к нему гирькой следует к отсчету по шкале прибавить число, обозначенное на гирьке.

Для определения крепости спиртового раствора необходимо знать температуру раствора. Поэтому в цилиндр с раствором кроме спиртомера и мешалки опускают лабораторный термометр с ценой деления шкалы 0,1 °С. Показание термометра отсчитывают только после того, как высота ртутного столбика перестанет изменяться.

В тех случаях, когда ширина сосуда недостаточна для одновременного беспрепятственного погружения спиртомера и термометра, температуру раствора измеряют дважды непосредственно перед погружением спиртомера и после его удаления из раствора; в расчет принимают среднее арифметическое из найденных значе­ний температуры.

Вынутый из раствора спиртомер следует тотчас же тщательно вытереть и уложить в футляр или поставить на этажерку (на влажном приборе быстрее нарушается позолота, что приводит к искажению показаний спиртомера и сокращению его срока службы).

9.2.3 Расчет шкалы металлического спиртомера

Устройство металлического спиртомера основано на соблюдении следующих условий.

Опущенный в спиртовой раствор плотностью при определенной температуре спиртомер без гирьки должен погрузиться до крайнего верхнего штриха шкалы, помеченного числом 10. В дру­гом растворе большей плотности при той же температуре спиртомер без гирьки должен погрузиться до крайнего нижнего штриха шкалы, помеченного цифрой 0. Спиртомер с самой легкой гирькой «90» в растворе плотностью должен погрузиться до верхнего штриха, а в растворе большей плотности - до нижнего штриха. Нагруженный более тяжелой гирькой «80», спиртомер должен погрузиться до верхнего штриха в растворе 2 и до нижнего штриха в растворе большей плотности и т. д. Наконец, с самой тяжелой (восьмой) гирькой «20» спиртомер должен погрузиться до верхнего штриха в растворе плотностью и до нижнего штриха в растворе плотностью .

Спиртовые растворы плотностью принято называть предельными спиртами, причем первый из них - раствор наименьшей плотностью - называется исходным предельным спиртом.

Плотность исходного предельного спирта устанавливают произвольно, но так, чтобы при нормальной температуре спиртомером можно было измерять спиртовые растворы наибольшей крепости. Поэтому в качестве исходного предельного спирта принят спиртовой раствор крепостью 99,04 % по объему при 20 °С, плотность которого при температуре 20 °С = 0,79411 г/см³.

Рассмотрим основные принципы расчета металлического спиртомера. Для расчета следует ввести еще две дополнительные гирь­ки «10» и «0». Десятая гирька «0» является наиболее тяжелой, и нагруженный ею спиртомер должен погрузиться до верхнего штриха шкалы в десятом предельном спирте (плотностью ) и до нижнего штриха в дистиллированной воде.

Примем следующие обозначения:

— объем нижней части спиртомера до нулевого штриха, см³;

— объем стержня на участке между крайними штрихами шкалы, см³;

т — масса спиртомера (вместе с заключенным в нем воздухом), г;

т₁, т₂,…, т₁₀ — массы 1-й, 2-й,…,10-й гирек, помеченных соответственно числами 90, 80,..., 10 и 0, г;

— плотности предельных спиртов (соответственно исходного, 1-го, 2-го и т. д.), г/см³;

—плотность дистиллированной воды, г/см³;

— плотность латуни, из которой изготовлены гирьки, г/см³;

D — плотность воздуха г/см³, .

Уравнение равновесия спиртомера без гирьки в исходном пре­дельном спирте при погружении до верхнего штриха шкалы можно записать в виде

m = , (9.10)

Тот же спиртомер в первом предельном спирте погрузится до нижнего штриха шкалы, и уравнение равновесия будет иметь вид

m = (9.11)

В этом же спирте спиртомер с гирькой «90» опустится до верхнего штриха, то есть:

т + т₁ = (υ₀+υ+ т₁/ρ)ρ₁, (9.12)

где т₁/ρ- объем гирьки «90».

Уравнение равновесия спиртомера с гирькой «90» во втором предельном спирте (при погружении до нижнего штриха)

т + т₁ = (υ₀+ т₁/ρ)ρ₂, (9.13)

Поступая так же для остальных гирек, для спиртомера с гирькой «0» имеем следующие два уравнения:

т + т₁₀ = (υ₀+υ+ т₁₀/ρ)ρ₁₀ и т + т₁₀ = (υ₀+ т₁₀/ρ)ρ_в, (9.14)

В составленные выше уравнения не были введены члены, учитывающие влияние мениска спиртового раствора на глубину погружения спиртомера. Это объясняется тем, что влияние изменения массы мениска в разных предельных спиртах по сравнению с первым предельным спиртом, по которому подгоняется шкала спиртомера при его изготовлении, может быть компенсировано соответствующим изменением массы гирек, полученной расчетным путем.

Кроме того, в полученных уравнениях не принято во внимание действие выталкивающей силы на выступающую из жидкости часть стержня, что в рассматриваемом случае вполне допустимо, так как обусловленная этим погрешность пренебрежимо мала (лишь в пятом десятичном знаке значения плотности спирта).

В общем виде уравнения равновесия спиртомера с k-й гирькой при погружении его до верхнего штриха в k-й предельный спирт плотностью и до нижнего штриха в (k +1)-й предельный спирт плотностью можно представить следующим образом:

(9.15)

т + т_к = (υ₀+υ+ т_к/ρ)ρ_к

т + т_к = (υ₀+ т_к/ρ)ρ_к+1

После соответствующих преобразований получим

(9.16)

Формула (9.16) позволяет определить значения плотности предельных спиртов в зависимости от плотности исходного предельного спирта (таблица 9.3). В таблице 9.3 плотность исходного предельного спирта =0,79411 г/см³.

Таблица 9.3

,г/см3	к	,г/см3	к
1 2 3 4	0.81100 0.82821 0.88178 0.86360 0.84574	6 7 8 9 10	0.90031 0.91919 0.97791 0.95798 0.93841

Рассмотрим расчет плотности спиртовых растворов, соответствующей промежуточным штрихам шкалы спиртомера. Обозначим плотность раствора, в котором спиртомер погружается до n-го штриха, через . Так как шкала разделена на 100 частей, объем погруженной части стержня с участком шкалы на длине п штрихов составит . Тогда уравнение равновесия спиртомера примет вид:

т =

откуда:

(9.17)

где

Величины А и В можно найти из условия, что в предельном спирте плотностью спиртомер погружается до крайнего верхнего (т.е. 100-го) штриха, а в спирте плотностью - до нулевого штриха. Следовательно, и

Решая эти равенства совместно, найдем

(9.18)

Подставив полученные выражения в формулу (9.17) получим уравнение для определения плотности спиртового раствора, в котором спиртомер с k-й гирькой погружается до некоторого проме­жуточного штриха п шкалы, считая от нулевого штриха (указанную плотность обозначим через )

(9.19)

Формула (9.18) в сочетании с формулой (9.16) позволяет связать между собой показание по равномерной условной шкале спиртомера и концентрацию спирта в растворе. Подсчитав по формуле плотность раствора, в котором спиртомер погружается до некото­рого штриха, и введя поправку на расширение латуни, легко опре­делить соответствующую крепость этого раствора с помощью таблиц значений плотности водно-спиртовых растворов.