Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Измерение плотности жидкостей



Измерения, связанные с анализом состава и свойств веществ, основаны на использовании зависимостей между составом ана­лизируемого вещества (или концентрациями его компонентов) и величинами, характеризующими его физические или физико­химические параметры.

Плотность жидкости является одним из показателей (пара­ метров), характеризующих ее свойства. Плотность — это масса вещества, заключенная в единице объема.

Весовые плотномеры. Этн приборы основаны на измерении массы анализируемой жидкости определенного объема, которая, является функцией ее плотности. Конструктивно они выпол­няются в виде мерной камеры определенного объема, масса которой измеряется.

Весовой плотномер (рнс. 3.19) с t/ образной трубкой 2 в качестве чувствительного элемента снабжен пневматическим преобразователем. По (/-образной трубке непрерывно протекает анализируемая жидкость, подводимая к ней через специальные безмоментные подводы гибкие рукава / (резиновые трубки, сильфоны и т. п.). Изменение массы чувствительного элемента, пропорциональное изменению плотности жидкости, перелается с помощью тяги 3 на левое плечо рычага 4. На правое плечо того же рычага действуют противовес 5 и усилие сильфона об­ратной связи 6. Перемещение рычага 4 преобразуется в пневма­тический сигнал с помощью пневмопреобразователя типа соп­ло — заслонка 7. Этот сигнал поступает к измерительному пне­вматическому прибору и в сильфом обратной связи 6. При равновесии рычага 4 выходной пневматический сигнал пропор­ционален плотности анализируемой жидкости. Настройка при­бора на необходимый диапазон измерения осуществляется пере­мещением груза 5.

Поплавковые плотномеры. Приборы основаны на изменении степени погружения поплавка, являющейся функцией плотности анализируемой жидкости. При погружении в жидкость полупо- груженного тела (поплавка) согласно закону Архимеда на него будет действовать выталкивающая си­ла. равная массе вытесненной им жид­кости.

В лабораторной и производственной практике широко используются поп­лавковые приборы, предназначенные для эпизодических измерений, так на­зываемые ареометры. Они могут быть стеклянными или металлическими и самой разнообразной формы. В пище­вой промышленности применяется большая группа плотномеров автома­тических. использующих поплавковый (ареометрнческнй) принцип измерения.

В поплавковом плотномере (рис. 3.20) анализируемая жидкость подводится н измерительную камеру / через входной патрубок и отводится через выходной сливной. Поплавок 2. полностью погруженный в жидкость, с помощью штока 3 соединен с тор­сионной трубкой (пружиной) 4. Уси­лие. создаваемое на ней. уравновеши­вает выталкивающую силу поплавка. Торсионная трубка сое­динена также с сердечником электрического преобразователя 5. к которому подключается измерительный прибор.

Гидростатические плотномеры. Принцип их действия основан на измерении давления столба однородной анализируемой жид­кости определенной пысоты. пропорционального ее плотности. Эта зависимость выражается следующим уравнением:

P = pgH. (3.14)

где р давление столба жидкости. Па. р — платность жидкости. кг/м*. ft — ускоренно свободного падении, м/с*; Н высота столба жидкости, м.

При неизменной высоте столба жидкости Н давление р является мерой ее плотности. Известны гидростатические плот­номеры с чувствительными элементами в виде мембран или силь­фонов и с продувкой воздухом, называемые пневмометрическими.

Гидростатические плотномеры. Принцип их действия основан на измерении давления столба однородной анализируемой жид­кости определенной пысоты. пропорционального ее плотности. Эта зависимость выражается следующим уравнением:

P = pgH.

где р давление столба жидкости. Па. р — платность жидкости. кг/м*. ft — ускоренно свободного падении, м/с*; Н высота столба жидкости, м.

При неизменной высоте столба жидкости Н давление р является мерой ее плотности. Известны гидростатические плот­номеры с чувствительными элементами в виде мембран или силь­фонов и с продувкой воздухом, называемые пневмометрическими.

Гидростатические писвмометрическне плотномеры с продувкой воздухом основаны на принципе, суть которого ясна из схемы, приведенной на рис. 3.21. Через трубку, погруженную открытым концом в анализируемую жидкость на постояннуюглубину //,
продувают (барботнруют) воздух. К трубке подключен измери­тельный прибор — чувствительный манометр, давление в котором прямо пропорционально плотности контролируемой жидкости (определяется по формуле (3.14)).


 

Радиоизотопные плотномеры. Измерение плотности раз­личных сред этими плотномерами основано на зависимости сте­пени ослабления ионизирующего излучения, прошедшего через анализируемую среду, от плотности этой среды.

В радиоизотопном плотномере (рис. 3.22) пучок у-излу­чения от источника / проходит через анализируемую жидкость 2. протекающую по трубопроводу или находящуюся в сосуде, и попадает на приемник излучения (детектор) 3. При изменении плотности жидкости изменяется интенсивность излучения, попадающего на приемник 3. Полученный сигнал далее подается на усилитель 4, а затем и на измерительный прибор 5.

3.2.2. Измерение вязкости жидкостей

Вязкость жидкостей характеризуется динамическим коэффи­циентом вязкости — величиной, равной отношению силы внутрен­него трения, которая действует на поверхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя. Для измерения вязкости служат вискозиметры.

Капиллярные вискозиметры. Их действие основано на исполь­зовании закона Пуазенля для истечения жидкости из капилляр­ных трубок:

Q = (n< lA/\\l)\p,

где Q — объемный расход жидкости, вытекающей из трубки, м*/с; d - диаметр трубки, м; р динамический коэффициент вязкости жидкости. Па-с; I — длина трубки, м, Дг> — разность давлений между концами трубки, Па.

В капиллярном вискозиметре (рис. 3.23) постоянство зна­чения расхода обеспечивается шестеренным насосом /. Анали­зируемая жидкость проходит через капиллярную трубку 3 диа­метром d и длиной /. Перепад давления между входом и вы­ходом трубки измеряется чувствительным дифманометром 2, от­градуированным в единицах вязкости.

 

Шариковые вискозиметры. В основе принципа их действия лежит теория Стокса, справедливая в применении к движению шариков малого диаметра в жидкостях и заключающаяся в том. что шар. падающим в достаточно вязкой среде, приобретает постоянную скорость движения за сравнительно короткий проме­жуток времени.

Ротационные вискозиметры. Принцип их действия основан на измерении моментов сопротивления или крутящих моментов, передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному эле- менту, которые являются функцией вязкости жидкости. Чаше других применяются приборы с коаксиальными цилиндрами, вращающимися телами и вращающимися параллельными диска­ми, погружаемыми в анализируемую жидкость.

Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (рис. 3.24) представляет собой два цилиндра, между которыми помещается анализируемая жидкость. При вращении внешнего цилиндра 2 с постоянной скоростью от электродвигателя / жидкость приходит в стационарное вращательное движение и передаст момент вра­щении внутреннему цилиндру «?. Для сохранения этого цилиндра в покое к нему должен быть приложен противоположный но знаку и равный по величине момент силы, создаваемый, как показано на рисунке, грузом 4.

3.2.3. Измерение содержания веществ, растворенных в жидкостях

Анализаторы состава жидкостей представляют собой средства измерений, предназначенные для получения измерительной ин­формации о количестве вещества или его концентрации, а в некоторых случаях — о сумме компонентов веществ в анали­зируемой жидкости.

Кондуктометрические приборы. Принцип их действии основан на измерении электропроводности анализируемых растворов.
Удельная электропроводность (удельная элек­трическая проводимость) жидкостей в зависи­мости от концентрации и природы растворенных в них веществ может изменяться на несколько порядков* от 10“* (чистая вода) до 100 См/м (сильные электролиты), что позволяет в ряде случаев просто и с высокой степенью точности контролировать концентрацию компонентов в растворах.

Чувствительный элемент этих приборов — измерительная ячейка —состоит из двух электро­дов, помещаемых в анализируемый раствор на определенном расстоянии один от другого (рис.

3.25). Сопротивление ячейки определяется элек­тропроводностью раствора. При площади элек­тродов S, расстоянии между электродами L и удельной электропроводности раствора о сопротивление изме­рительной ячейки (в Ом)

R = L/aS = К/о. (3.16)

Измерение электропроводности может производиться как на постоянном, так и на переменном токе. В настоящее время широкое распространение получают бесконтактные методы изме­рения электропроводности растворов, которые обеспечивают измерение концентрации сильно загрязненных агрессивных жид­костей, суспензий и коллоидных растворов непосредственно в технологических потоках.

Потенциометрические анализаторы. С помощью этих прибо­ров могут быть измерены концентрация в растворах ионов водо­рода во всем диапазоне изменения — от самых кислых до самых щелочных сред, ионов разных веществ (Na, К, Са, Mg, Li и др.), а также окислительно-восстановительные потенциалы практи­чески любых сред.

Метод потенциометрического измерения концентрации ионов в растворах основан на измерении разности электрических потен­циалов двух специальных электродов, помещаемых в анализируе­мую среду, причем один из электродов является измерительным, а другой - вспомогательным и в процессе измерения свой по­тенциал изменять не должен. В качестве измерительных широко распространены стеклянные и сурьмяные электроды, в качестве вспомогательных — каломельные и хлорсеребряные.

Электрическая цепь преобразователя (ячейки) для измере­ния pH растворов (рис. 3.26) состоит из измерительного стек­лянного электрода / с вспомогательным внутренним электродом, служащим для создания электрической цепи, и внешнего вспо­могательного электрода 2. осуществляющего контакт с контроли­руемым раствором. При погружении электродов в анализируемый

раствор между поверхностью стекла шарика и раствором про­исходит обмен ионами, в результате чего одновалентные ноны металлов, содержащиеся в электродном стекле, переходят в ра­створ и замещаются ионами водорода из раствора. Вследствие такого взаимодействия между поверхностью стекла н контроли­руемым раствором возникает разность потенциалов £ *, обус­ловленная активностью ионов водорода в растворе. Измеряя по­тенциал стеклянного электрода, погруженного в анализируемый раствор, можно определить значение pH.

Оптические анализаторы. Эти приборы относятся к классу спектральных анализаторов, в которых значение выходного сигнала измерительной информации зависит от взаимодействия потока излучения с анализируемой жидкостью или от свойств излучения анализируемой жидкости. В оптических приборах, как правило, в качестве измерительных преобразователей оптических величин в электрические применяются различные фотоэлектри­ческие преобразователи.

Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан на использовании зависимости показателя преломления света при переходе его из одной среды в другую. В проточном рефрак­тометре (рис. 3.27) использована дифференциальная измери­тельная кювета.

Световой поток от источника / проходит через коллиматор 2 и направляется на измерительную кювету 3. состоящую из двух частей: одна заполнена эталонной жидкостью, а через другую протекает анализируемый раствор. Пройдя через изме­рительную кювету, световой поток попадает на блок дифферен­циального фотоприемника 4, состоящего из двух одинаковых фоторезисторов. Если коэффициенты преломления контролируе­мой и образцовой жидкостей одинаковы, то и обе половины с, »то- приемннка освещены одинаково. При этом сигнал разбаланса, подаваемый на электронный усилитель 5, равен нулю. При изме­нении концентрации анализируемой жидкости меняется коэффи­циент ее преломления и луч света отклоняется вверх или вниз, что поведет к изменению освещенности частей фотопрнемника. В результате на входе усилителя 5 появляется сигнал разбалан­са, который после усиления будет подан к реверсивному электро­двигателю б, изменяющему положение блока фотопрнемника до наступления нового состояния равновесия. Одновременно произ­водится перестановка стрелки показывающего или пера записы­вающего устройства 7.

Известны и также широко испозуются в пищевой про­мышленности оптические анализаторы жидкостей: колориметри­ческие, поляризационные, нефелометрические, турбидиметрические и др.

3.2. Специальные методы измерения и контроля

В пищевой промышленности очень часто возникает необходи­мость в измерении влажности газов, твердых и сыпучих матери­алов и продуктов, состава газовых сред и других параметров, которые не рассматриваются в предыдущих пунктах.

3.2. Измерение влажности газов, твердых и сыпучих материалов

Содержание влаги (воды) в воздухе и других газовых средах, а также в твердых, вязкопластичных и сыпучих материалах и продуктах является весьма важной характеристикой, определяю­щей как протекание многих технологических процессов (сушка, выпечка, обжарка, выпарка и др.), так и качество исходного сырья и готовой пищевой продукции.

Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха (газа)—это содержание в нем водяного пара; абсолютная влажность — масса водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого газа; влагосодержание — отноше­ние массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме. Психрометрический метод измерения влажности основан на ис­пользовании зависимости между упругостью водяного пара в га­зовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду.

Простейший психрометр состоит из двух одинаковых жид­костных стеклянных палочных термометров, расположенных ря­дом. Баллончик с ртутью одного из термометров покрывается тканью, конец которой опускается в резервуар с водой. На осно­вании показаний обоих термометров по соответствующим таб­лицам определяют влажность воздуха или газа. Психрометричес­кий метод положен в основу построения ряда автоматических промышленных приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности воздуха и газов.

Конденсационный метод измерения влажности газов, или метод точки росы, основан на использовании следующей зависи­мости:

Ф=£ т/£ /, (3.17)

где Е, — упругость насыщенного пара при температуре точки росы т, Па; ЕТ упругость насыщенного пара при температуре Г. Па.

Зная температуру точки росы т и температуру исследуемого газа Л можно определить его относительную влажность.

В основе сорбционного метода измерения влажности лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности. В сорбционных элек­тролитических влагомерах влагочувствительный элемент пред­ставляет собой жидкую или сухую пленку электролита, наноси­мую на неэлектропроводную основу (подложку), которая облада­ет свойством поглощать влагу из окружающей среды до тех пор. пока не установится динамическое равновесие между давлением водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и давлением пара окружающей среды. Сопротивление электро­литической пленки чувствительного элемента влагомера изменя­ется в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. В качестве электролитов, применяемых в электро­литических датчиках, используются водные растворы хлорита ли­тия (LiCl), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.

Методы измерения влажности твердых и сыпучих материалов. Средства измерении влажности твердых и сыпучих материалов — влагомеры — широко используются в пищевой промышленности в лабораториях и непосредственно в производственных услови­ях для контроля и управления технологическими процессами. Для характеристики содержания влаги в твердых и сыпучих материалах применяются, как правило, две величины: влагосо- держание U и влажность W. выражаемые в относительных единицах или в процентах.

Влагосодержание - отношение массы влаги М. содержащей­ся в материале, к массе абсолютно сухого материала М>:

и=М/М„. (3.18)

Влажность — отношение массы влаги М% содержащейся в ма­териале, к массе влажного материала Мвл:

ЦГ=/И/МПЛ=М/(М, +М). (3.19)

Известно много методов измерения содержания влаги в твер­дых и сыпучих материалах, которые могут быть подразделены на две большие группы: прямые и косвенные. В основе прямых методов лежит разделение исследуемого вещества или материала на влагу и сухой остаток. Косвенные методы, получившие самое широкое распространение во влагометрнн твердых и сыпучих материалов, основаны на использовании функциональных связей между их физическими свойствами (тепловыми, механическими, электрофизическими и др.) н содержанием в них влаги.

Термогравиметрическнй метод, называемый также весовым или методом сушки, характеризуется тем. что проба исследуемого вещества или материала подвергается воздушно-тепловому высу­шиванию до постоянной массы. Метод получил широкое распро­странение как в лабораторной, так и в производственной прак­тике благодаря высокой точности и простоте аппаратурного оформления. В настоящее время этот метод является единствен­ным образцовым методом измерения влажности твердых и сы­пучих материалов, применимым к очень широкому классу ма­териалов.

Электрофизические методы косвенного измерения влажности основаны на зависимости электрофизических свойств исследуе­мых материалов и веществ (электрической проводимости, ди­электрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических по­терь и др.) от содержания в них влаги*

Кондуктометрический метод основан на использовании зави­симости между влажностью вещества W и его электрической проводимостью ол

Ot—A/W*. (3.20)

где о, - электрическая проводимость материала. См, А и А—положительные постоянные коэффициенты, зависящие от природы анализируемого материала и условий измерения.

В качестве измерительных схем для реализации кондукто­метрического метода большое распространение получили раз­личного вида омметры и мегомметры — электронные и электро­магнитные.

Диэлькометрический метод измерения влажности основан на различии диэлектрической проницаемости твердых материалов, воздуха и воды. Поскольку относительная диэлектрическая про­ницаемость воды является величиной постоянной и близка к 81 (е.«81), а относительная диэлектрическая проницаемость боль­шинства сухих веществ лежит в пределах 2—10, то даже незначительное изменение влажности вещества вызывает изме­нение его электрических характеристик, в том числе диэлектри­ческой проницаемости. Для реализации диэлькометрического ме­тода используются влагомеры, состоящие из трех основных частей: высокочастотного генератора, первичного измерительного преобразователя и измерительной схемы (прибора).

Измерение состава газов

В пищевой промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании разных видов тоилива, для контроля состава газовых сред в пекарных н сушильных камерах, концентрации диоксида серы, диоксида углерода и других газов, подаваемых в ходе многих технологических про­цессов виноделия, сахарного производства и др.. а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро и взрывопасных пищевых производствах и помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего пер­сонала.

В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу уст­ройства в целом. Основными вспомогательными узлами являют­ся приспособления для отбора, очистки, транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.

Механические газоанализаторы. К этой группе относятся приборы, основанные на использовании различных химических реакций и связанных с ними изменений объема или давления анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируе­мого компонента с помощью специальных поглотителей.

Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа (рис. 3.28) осуществляется измерение относительного изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с теплопроводностью эталонной смеси известного состава. Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного преобра­зователя — мостовой электрической схемы.

Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувстви­тельными элементами (резисторами) /? й и /? ь выполняющими роль нагревателей и термопреобразователей сопротивления од­новременно, и двумя одинаковыми постоянными резисторами R| и /? 2. Один из чувствительных элементов /? „ помещен в рабо­чую камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R*—в закрытую сравнительную камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Обыч­но температура нагрева чувствительных элементов /?. н /?, в термокондуктометрических газоанализаторах составляет 100— 120 °С.

Если теплопроводность анализируемого и эталонного газов одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы Rа и /? > будут иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равно­весии. При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от этого значения мост выйдет из равновесия и в диагона­ли его появится напряжение разбаланса Л(/, которое служит мерой концентрации определяемого компонента.

Термомагнитные газоанализаторы. Действие этих устройств основано на использовании потока кислородсодержащего газа («термомагннтного ветра*), возникающего в неоднородном маг­нитном поле при наличии температурного градиента. Принципиальная схема измерительного преобразователя термомагнитного газоанализатора приведена на рис. 3.29.

Через кольцевую камеру, представляющую собой полое коль­цо с трубкой (перемычкой), установленной по диаметру этого кольца, протекает анализируемый газ. На перемычку намотана спираль из платиновой проволоки. Спираль состоит из двух секций-резисторов R\ и /? 2, нагреваемых до температуры 200— 250 °С от источника электрического тока Е. Платиновые резис­торы являются одновременно и нагревательным и чувствитель­ным элементами, включенными в измерительную схему (состав­ленную из резисторов /? * и /? 2 и постоянных резисторов /? 3 И /? *).

При отсутствии кислорода в анализируемой газовой смеси тот ее объем, который заполняет перемычку, не движется, т. е. термомагнитный ветер отсутствует. При наличии кислорода вследствие взаимодействия его молекул с магнитным полем внут­ри перемычки образуется конвективный поток газа, направлен­ный вдоль ее оси (на рисунке слева направо). Этот поток охлаждает секцию R|, находящуюся в межполюсном простран­стве магнита, и передает часть тепла секции /? 2. Это вызывает соответствующее изменение их температуры, а следовательно, и электрического сопротивления, что воспринимается измеритель­ным прибором ИП, включенным в диагональ мостовой измери­тельной схемы.

Оптические газоанализаторы. Эти устройства входят в большую группу различных приборов, основанных на использо­вании зависимости изменения оптических свойств анализируемой газовой смеси от изменения концентрации определяемого ком­понента.

 

 


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-08; Просмотров: 2037; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.033 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь