Измерение плотности (денсиметрические методы). Способы и средства измерения плотности. Измерение вязкости (вискозиметрические методы).

Физико-механические методы основаны на молекулярно-механических свойствах, газах, жидкостях и твердых веществ или молекулярно-механических явлениях протекающих в них. Основные измеряемые величины, которые характеризуют эти свойства – это масса, плотность, вязкость, упругость, твердость и т.д. Методы определения вязкости – вискозиметрические методы.

Вязкость — свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации. Иначе говоря, вязкость - это степень сопротивления жидкости (газа) внешним силам, вызывающим ее течение.

Различают:

- динамическую вязкость (η, Па∙с); читается эта

- кинематическую вязкость (ν, м/с), читается ню

ν = η/ρ, где ρ — плотность при данной температуре, кг/м3.

Значения вязкости могут колебаться в широких пределах:

от 1÷100 мкПа∙с (для газов)

до ~100 МПа∙с (для каучуков, битумов и др.) и даже ~10¹¹ ÷ 10¹² Па∙с (для перехода веществ в стеклообразное состояние). Большой диапазон значений вязкости обусловливает разнообразие вискозиметрических методов и приборов (вискозиметров).

Капиллярная вискозиметрия. Это один из наиболее широко используемых методов. В этом методе измеряют время истечения определенного объема вещества через калиброванный капилляр (t). Динамическую вязкость рассчитывают по формуле Пуазейля: η = с∙t∙ρ (η = ν∙ρ), где c — постоянная вискозиметра.

В практике автоматического технологического контроля большое распространение получили:

- ротационный и

- вибрационный методы.

Они характеризуются:

- высокой воспроизводимостью результатов;

- широкими пределами измерений; так ротационные вискозиметры применяют для измерения вязкости в интервале 10^-3 – 10⁵ Па∙с, а вибрационные вискозиметры - в интервале 10^-3 – 10² Па∙с.

Ротационная вискозиметрия. Метод основан на измерении какого-либо параметра вращения (крутящий момент, число оборотов в ед. времени, время поворота тела на определенный угол и др.) в жидкой среде подвижного тела относительно неподвижного под действием постоянной вращающей силы. При этом исследуемое вещество помещают между двумя соосными цилиндрами, один из которых вращается. (Могут применяться системы не только «цилиндр — цилиндр», но и «конус — конус», «полусфера - полусфера».)

Схема рабочего узла (датчика) ротационного вискозиметра

Работа, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления вращению одного тела относительно другого (неподвижного) находится в функциональной зависимости только от вязкости жидкости (М = f (η)): η = А • М / ω,

где А - константа, зависящая от геометрических параметров прибора; ее определяют путем калибровки по эталонным жидкостям с известной η;

М - крутящий момент (произведение силы, вызывающей вращение, на расстояние от точки ее приложения до оси вращения);

ω - угловая скорость вращения ротора.

Примером использования данного способа измерений являются измерения с помощью вискозиметра Брукфилда, снабженного дисплеем, на котором фиксируются все измеряемые параметры жидкости (вязкость, напряжение сдвига и др.).

Вибрационная вискозиметрия. Вязкость определяют также по интенсивности затухания вынужденных колебаний твердого тела правильной геометрической формы (зонда), помещенного в исследуемую среду.

Принципиальная схема датчика вибрационного вискозиметра:

В катушку электромагнитного возбуждения (1) поступает ток, который возбуждает продольные колебания стержня-зонда (чувствительный элемент - ЧЭ) (2). Амплитуда этих колебаний зависит от сопротивления, которое испытывает ЧЭ, погруженный в испытуемую жидкость (3), т.е. от вязкости жидкости. В катушке взаимной индукции (4) возбуждается индукционный ток. Его величина пропорциональна амплитуде колебаний ЧЭ, т.е. обратно пропорциональна вязкости.(I = f (η)). Вибрационные вискозиметры обладают уникальной способностью реагировать на неоднородность структуры контролируемой среды. Это позволяет проводить оперативный контроль за процессом гелеобразования, за скоростью перехода вязких эмульсий в растворенное состояние в производственном процессе. Вискозиметрический метод широко применяется:

- в нефтехимии, производствах искусственных волокон, синтетических смол, красок, смазочных веществ, полимерных материалов и др.

- для контроля и управления технологическими процессами (показатель вязкости можно использовать для оценки качества веществ и материалов, поскольку вязкость изменяется пропорционально их составу; так нестабильность вязкости может привести к образованию дефектов и ухудшению свойств готового изделия, например, изделия из полимерного материала).

Обычно вискозиметрические измерения дополняются денсиметрическими.

Методы определения плотности – денситометрические методы. Плотность является одним из наиболее важных показателей свойств веществ и материалов. Плотность веществ/материалов зависит от их химического состава и может быть использована для оценки их качества (чистоты), для контроля содержания компонентов жидких сред (плотность жидкостей пропорциональна их составу), для контроля влагосодержания и т.д. Существует много различных методов измерения плотности. Наиболее применяются в аналитическом контроле:

1) Ареометрический метод. Сущность метода заключается в погружении специального устройства,- ареометра,- в испытуемый продукт, снятии показания по шкале ареометра при температуре определения. Это соответствует плотности вещества при температуре испытания (ρ) (масса вещества, содержащаяся в единице его объема, кг/м3). Затем проводят пересчет результатов на плотность при температуре 20°С, пользуясь табличными данными.

2) Пикнометрический метод. Метод основан на определении относительной плотности -отношения массы испытуемого продукта к массе воды, взятой в том же объеме и при той же температуре. Для этой цели используют пикнометры, которые заполняют испытуемым веществом, доводя уровень последнего до метки на горлышке пикнометра. Затем проводят его точное взвешивание (m). За единицу принимается масса 1 см (м) воды при t° = 4°С; при расчете плотности вносят поправку для приведения к плотности при 20°С.

3) Поплавковый метод

Схема поплавкового массового плотномера:

В плотномере поплавок опущен в жидкость, непрерывно протекающую через сосуд. Выталкивающая сила (F), действующая на поплавок, пропорциональна плотности анализируемого раствора (вещества): F = f(p)

Давление, оказываемое поплавком на мембрану пневмоповторителя, равно этой выталкивающей силе. Кроме плотномеров с одним поплавком существуют плотномеры с двумя поплавками. Один из них помещен в сосуд с эталонной жидкостью.

Метод применим:

- для контроля состава низковязких жидкостей (жидких нефтепродуктов, органических смесей, растворов солей, щелочей, некоторых кислот, растворителей);

- для контроля влагосодержания гидрофильных растворителей (спиртов, ацетона и др.).

4) Радиоизотопный метод. Работа радиоизотопного плотномера основана на измерении изменения (ослабления в результате поглощения) интенсивности (I) γ-излучения, проходящего через слой вещества определенной толщины. Интенсивность γ-излучения на выходе из слоя вещества зависит от состава (плотности) среды: I = f(p)

Данный метод позволяет проводить бесконтактный контроль фактически любых сред (растворов, суспензий, эмульсий), в том числе и сред, протекающих по технологическим трубопроводам. Схема действия радиоизотопного плотномера:

 

Большая проникающая способность γ-лучей позволяет проводить измерения с помощью датчиков, непосредственно устанавливаемых на технологических трубопроводах (диаметром 0,2 - 0,3 м). Однако применение радиоактивных приборов требует строгого соблюдения правил техники безопасности!

5) Ультразвуковой метод. Действие ультразвуковых плотномеров основано на зависимости амплитуды ультразвуковой волны (А) от свойств среды, в т.ч. от плотности контролируемой среды: A = f(p)

В качестве источников ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Денсиметрические методы широко применяются:

- в химии, нефтехимии, в топливной, пищевой и прочих отраслях промышленности;

- при проведении научных исследований;

- в технологических процессах для оценки качества выпускаемой продукции.

Тем самым эти методы помогают в решении таких крупнейших проблем, как:

- развитие топливно-энергетического комплекса страны,

- энергосбережение на узлах учета нефти и природного газа,

- повышение качества продукции в различных областях промышленности,

- создание новых материалов со специальными свойствами.