Измерение плотности жидкостей

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

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.

P = pgH.

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

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< l^A/\\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 М_вл:

ЦГ=/И/М_ПЛ=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 о_л

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 R_а 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.

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒