Вимірювання фізико-хімічних властивостей рідин і газів

16

ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ РІДИН І ГАЗІВ

Загальні відомості

До числа фізико-хімічних властивостей, автоматичний контроль яких здійснюється в хіміко-технологічних процесах, відносяться густина, в'язкість, коефіцієнт переломлення, тиск насиченої пари, теплота згорання.

Вимірювання густини рідин і газів здійснюється для цілей керування хіміко-технологічними процесами і виконання операцій обліку кількості сировини, палива, реагентів і готової продукції.

Для хіміко-технологічних процесів, пов'язаних з виробництвом нафтових масел, консистентних змащень, полімерів, розчинників, в'язкість є показником, що однозначно визначає якість продукції. Тому її автоматичне вимірювання дозволяє створювати дуже ефективні системи автоматичного керування названими вище процесами.

Для деяких видів продукції хіміко-технологічних процесів потрібне вимірювання коефіцієнта переломлення як однієї з величин, що визначають якість.

Для світлих нафтопродуктів (особливо для авіаційних і автомобільних бензинів) одним з важливих властивостей є тиск насиченої пари (пружність пари), що характеризує схильність цих нафтопродуктів до випару і утворення парових пробок у паливних системах двигунів. Для рідких однокомпонентних речовин значення тиску насиченої пари може використовуватися як характеристика їхньої чистоти.

Теплова цінність рідких і газоподібних палив, які використовуються у вогневих нагрівальних і реакційних апаратах хіміко-технологічних процесів, визначається теплотою їхнього згорання. Автоматичне вимірювання цієї фізико-хімічної властивості в цей час отримує надзвичайно важливе значення у зв'язку із проведеними заходами щодо економії паливно-енергетичних ресурсів.

2. Засоби вимірювання густини рідин і газів

Густиною р речовини називають фізичну величину обумовлену відношенням маси т речовини до займаному їм об'єму V:

р = V, [одиниця маси]/[одиниця об'єму]

Питомою вагою у речовини називають фізичну величину, обумовлену відношенням ваги О речовини до її об'єму V:

у = V, [одиниця сили]/[ одиниця об'єму]

У той час як густина тіла не залежить від його місцезнаходження на поверхні Землі, питома вага змінюється залежно від розташування тіла на земній кулі. Тому довідкові дані становлять по густини.

У деяких випадках використовується поняття відносної густини, обумовлене як відношення густини даної речовини до густини іншої (умовної) речовини при певних фізичних умовах.

Відносну густину рідкої речовини прийнято виражати відношенням її густини, узятої при нормальній температурі (20°С), до густини дистильованої води при температурі 4°С

Відносну густину газу прийнято виражати відношенням його густини до густини сухого повітря, узятого при нормальних умовах (нормальна температура -- 293,15 К, нормальний тиск -- 101,325 кПа = 760 мм рт. ст.).

Густина рідин і газів зменшується зі збільшенням температури. Густина газів збільшується зі збільшенням тиску, густина рідини практично від тиску не залежить. У багатьох важливих для практики випадках густина можна розглядатися як адитивна фізична властивість.

Засоби вимірювання густини часто називають денсиметрами (денситометрами) (від лат. йетт -- густий і від грецьк. теїтед -- вимірюю).

Для вимірювання густини в цей час застосовуються вагові денсиметри, поплавкові, гідроаеростатичні, гідрогазодинамічні, радіоізотопні, акустичні, вібраційні і ін.

Далі розглянуті найбільше широко застосовувані автоматичні денсиметри рідин і газів.

Вагові (пікнометричні) денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів складається в безперервному зважуванні постійного об'єму аналізованої речовини в деякій ємності або трубопроводі, тобто відповідно до виражень (1) - (3) густина визначається через питому вагу.

Схема найпоширенішого вагового денсиметра рідин показана на рис.1. Чутливим елементом денсиметра служить Ц-образна трубка 7, виготовлена з нержавіючої сталі, з'єднана через тягу 3 з важелем 4.

Рисунок 1 - Схема вагового денсиметра

Кінці трубки 7 через сильфони 2 з'єднані з нерухомими патрубками 1, через які подається аналізована рідина. Наявність сильфонів 2 дозволяє трубці 7 повертатися навколо осі 0 -- 0. При збільшенні густини рідини збільшується маса трубки з рідиною, що через важіль 4 передається до механоелектричного або механопневматичного перетворювача 5, побудованого за принципом компенсації сил, вихідний сигнал С_вих якого пропорційний зміні густини аналізованої рідини. Противага 6, яка укріплена на важелі 4, служить для зрівноважування моменту сил, створюваного трубкою 7 з рідиною при обраній нижній межі вимірювання густини. Пристрій 8 служить для автоматичного введення виправлення до сигналу денсиметра залежно від температури аналізованої рідини, яку цей пристрій безупинно вимірює.

Денсиметри даної конструкції дозволяють вимірювати густину в інтервалі 0,5...2,5 г/см³. При цьому може бути встановлений діапазон вимірювання 0,05...0,3г/см у будь-якій частині зазначеного інтервалу. Максимальна температура аналізованої рідини 100°С, класи точності 1...1,5.

Поплавкові (ареометричні) денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів заснований на безперервному вимірюванні виштовхуючої (підйомної) сили, яка діє на поплавець, частково або повністю зануреного в аналізовану речовину.

На рис.2 показана схема поплавкового денсиметра рідин із частково зануреним поплавцем 2, що розміщений у ємності 1. Через цю ємність безупинно прокачується аналізована рідина. За рахунок переливу в ємності підтримується постійний рівень. Аналізована рідина витікає із денсиметра через збірник 3. При зміні густини рідини змінюється, ступінь занурення поплавця 2 у ємність. Досягнення положення рівноваги сил N і G_п забезпечується глибиною занурення поплавка, при цьому змінюється довжина І стрижня 4, зануреного в рідину. Переміщення в електричний сигнал за допомогою диференціального поплавця 2 перетворюється трансформатора 5.

(4)

Рисунок 2 - Поплавковий денсиметр

Вага поплавця 2 зі стрижнем 4 (у повітрі) G_п і виштовхуючи сила N діюча на поплавець, описуються вираженнями

де т -- маса поплавця і стрижня; V-- об'єм поплавця;

І - довжина ділянки стрижня, зануреного в рідину; ? -- площа поперечного переріза стрижня.

При рівності сил G_п і N з вираження (4) з урахуванням дії на стрижень на поверхні розділення фаз сил поверхневого натягу можна визначити величину ходу стрижня /. Як видно, довжина /, а отже, і сигнал диференціального трансформатора 5 однозначно пов'язані із густиною рідини. Масу т підбирають залежно від діапазону вимірювання.

Існує багато різних конструкцій денсиметрів із частково зануреним поплавцем. Вони мають високу чутливість, що дозволяє здійснювати вимірювання густини у вузькому діапазоні (усього 0,005--0,01 г/см³) з похибкою ±(1,5...3)% від діапазону вимірювання.

Гідро- і аеростатичні денсиметри

Принцип дії цих; механічних денсиметрів заснований на залежності тиску Р стовпа аналізованої рідини або газу від густини цих середовищ:

Якщо значення Н прийняти постійним, то тиск Р однозначно визначається густиною середовища.

Схема гідростатичного денсиметра, принцип дії якого заснований на вимірюванні гідростатичного тиску методом продувки стисненого газу, показана на рис.3.

Рисунок 3 - Схема гідростатичного денсиметра

Такі денсиметри використовуються в хіміко-технологічних процесах для вимірювання густини безпосередньо в технологічних апаратах. В апарату 7 установлені трубки 1 і 2 з різною глибиною занурення. Газ (звичайно повітря) від регулятора витрати 5 надходить до пневматичних дроселів 3 і 4, а потім до трубок 2 і 1.

Рисунок 4 - Аеростатичний денсиметр

Через відкриті торці трубок газ барботує через рідину. Тиск газу в трубках 1 і 2 визначається гідростатичним тиском стовпа рідин висотою Н1 і Н2. Різниця тисків у трубках виміряється дифманометром 6 із пневматичним або електричним вихідним сигналом.

Наявність двох трубок дозволяє виключити вплив на результат вимірювання можливих змін рівня рідини в апараті. Одним з найбільш удосконалених і чутливих є аеростатичний денсиметр (рис.4), у якому використовується комбінація механічного і теплового ефектів. Аналізований газ із постійною об'ємною витратою надходить у трубку 2, а в трубку 3 при постійному тиску надходить допоміжний газ (звичайно повітря). Газові потоки виводяться через трубку 1. Трубки 1, 2 і 3 розташовані вертикально. При зміні густини аналізованого газу змінюється аеростатичний тиск стовпа газу в трубці 2, а отже, і тиск у точці А. Тому змінюється витрата повітря, яке обвітрює резисторний вимірювальний термоанемометр Я_и, у результаті чого змінюється його опір. Опір порівняльного термоанемометра Я_ср залишається постійним, тому що потік повітря, яке його обвітрює, практично не змінюється. Зміна опору термоанемометра Я_и спричиняє розбаланс II нерівноважного мосту 4. Цей розбаланс описується вираженням:

Денсиметр термостатируєтся при температурі 40 або 45°С, і забезпечує вимірювання густини в межах 0...3 кг/см³ з діапазоном вимірювання, відліченим від значення густини повітря при 20°С, ± (0,01...1,5) кг/м³ і класами точності 2--5 (залежно від діапазону вимірювання).

Гідро- газо(аеро)динамічні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів заснований на приданні потоку аналізованої речовини додаткової кінетичної енергії і на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти, які виникають при цьому впливі. В основному зазначені денсиметри застосовуються для вимірювання малої за значенням густини газів.

Рисунок 5 - Аеродинамічний денсиметр

На рис. 5 показана спрощена схема газодинамичного денсиметра газів. У денсиметрі, потоку аналізованого газу, що протікає через камеру 2, передається кінетична енергія турбинкою 3, яка приводиться в обертовий рух синхронним двигуном 1. Потік газу надходить до турбинки 4 і створює на ній за рахунок своєї кінетичної енергії обертовий момент, який виражений формулою.

Під дією цього моменту турбинка 4 повертається, а виникаючий на ній момент урівноважується моментом, створюваним на осі 8 плоскою пружиною 5. Кут повороту осі 8 і стрілки 6 по шкалі пропорційний густині газу. За допомогою перетворювача 7 кут повороту перетворюється в уніфікований сигнал. Клас точності розглянутого денсиметра 0,5-1,5 (залежно від діапазону вимірювання).

Вібраційні денсиметри

Принцип дії цих механічних денсиметрів заснований на залежності параметрів пружних коливань (вібрація), які передаються камері з аналізованою речовиною або тілу, розміщеному в ньому, від густини цієї речовини. Звичайно як параметр пружних коливань використовується частота власних коливань резонатора, який перебуває в режимі автоколивань. Резонатори вібраційних денсиметрів виконують у вигляді трубки, пластини, стрижня, струни, камертона і т. д.

Конструктивно розрізняють проточні і заглибні вібраційні денсиметри. У перших, аналізована речовина протікає через внутрішню порожнину резонатора, у других -- резонатор розміщається в потоці аналізованої речовини, діапазон вимірювання даних денсиметрів 690-- 1050 кг/м³, температура рідини 10--100°С; абсолютна похибка вимірювання ±1,5 кг/м³.

Засоби вимірювання в'язкості рідин

В'язкість (внутрішнє тертя) -- властивість текучих тіл (рідин і газів) чинити опір переміщенню однієї їхньої частини щодо іншої.

Коефіцієнт пропорційності ц називають динамічною в'язкістю. Він характеризує опір рідини (газу) зсуву її шарів. Величину, зворотну динамічної в'язкості ф= 1/ц називають текучістю

В'язкість рідин зі збільшенням температури зменшується, а газів -- збільшується. Динамічна в'язкість до тисків 20 МПа практично не залежить від тиску. В'язкість у загальному випадку не є адитивною фізичною властивістю.

Засоби вимірювання в'язкості називають віскозиметрами. На хіміко-технологічних процесах віскозиметри використовуються тільки для вимірювання в'язкості рідин. У цей час розроблені автоматичні капілярні, ротаційні, вібраційні віскозиметри, віскозиметри з падаючим тілом і ін. Далі розглянуті віскозиметри, найбільше часто застосовувані в хіміко-технологічних процесах.

Капілярні віскозиметри (віскозиметри витікання)

Принцип дії цих механічних віскозиметрів заснований на закономірності витікання рідини через капіляр, що описується законом Пуазейля:З формули видно, що для вимірювання динамічної в'язкості при постійній об'ємній витраті рідини досить вимірювати перепад тиску на капілярі.

На рис.6 показана схема капілярного віскозиметра, у якому для створення постійної об'ємної витрати аналізованої рідини використовується шестерний насос 1, який приводиться у рух синхронним двигуном 2. З насоса аналізована рідина надходить у змійовик 3, де нагрівається

до температури масла, що заповнює термостат 6, а потім -- у капіляр 4, розміри якого вибирають залежно від діапазону вимірюваних значень в'язкості. Перепад тисків на капілярі вимірюється дифманометром 5 із пневматичним або електричним уніфікованим вихідним сигналом, що пропорційний динамічної в'язкості аналізованої рідини.

Діапазони вимірювання від 0...2 10^-3Па-с до 0...1000 10^-3 Па-с. Класи точності віскозиметра 1,5--2,5 (залежно від діапазону вимірювання).

Віскозиметри з падаючим тілом (шарикові віскозиметри)

Принцип дії цих механічних віскозиметрів заснований на вимірюванні швидкості (або часу) руху тіла (шарика) під дією сил ваги і тертя в аналізованій рідині. Цей рух описується законом Стокса:

Звичайний вимір швидкості Ж зводиться до вимірювання відрізку часу т, за який шарик, падаючи з постійною швидкістю, проходить деякий постійний відрізок шляху 1 між двома прийнятими відмітками.

Рисунок 7 Віскозиметр з падаючим тілом

На рис.7 показана схема шарикового віскозиметра циклічної дії. Аналізована рідина з апарата 7 або трубопроводу прокачується насосом 6 по трубці 1 з немагнітного матеріалу знизу нагору і при своєму русі піднімає шарик від нижньої 11 до верхньої 5 обмежувальної сітки. При вимиканні двигуна 8 насоса (періодичне включення і вимикання здійснюються блоком керування 9) шарик падає в аналізовану рідину. За допомогою диференціальних трансформаторів 3 і 2 формуються електричні імпульси в моменти часу, коли шарик проходить дві прийняті відмітки, що відстоять одна від одної по висоті трубки на відстані І. За допомогою вимірювача тимчасових інтервалів 10 виміряється відрізок часу між зазначеними імпульсами, значення якого і визначає динамічну в'язкість. Клас точності віскозиметра 2.

Існують конструкції віскозиметрів з падаючим тілом безперервної дії.

Ротаційні віскозиметри

З різноманіття конструкцій обертових елементів ротаційних віскозиметрів в автоматичних аналізаторах найбільше використовуються конструкції, показані на рис.8. Представлені віскозиметри поєднує загальний принцип дії, відповідно до якого в'язкість визначається по моменту сил тертя, який виникає при обертанні тіла, зануреного в аналізовану рідину. Таким тілом може бути циліндр (рис.8, а), шарик (рис.8, б) або диски, посаджені на загальний вал і розташовані між нерухомими шайбами (рис.8, в). Диску або циліндру обертовий рух а передається синхронним двигуном. Обертаючий момент, що виникає на диску (циліндрі), а отже, на шківі, розташованому на одному валу з диском (циліндром), пропорційний динамічній в'язкості.

Схема механічного аналізатора пружності пари бензинів показана на рис.

Рисунок 9 - Схема вимірювача тиску насиченої пари

Аналізована рідина надходить у блок підготовки 1, з якого з постійною об'ємною витратою вона подається в змійовик 3, розташований у термостаті 2, заповненому антифризом. Тут шляхом подачі гарячої води в змійовик 9 за допомогою регулятора 8 підтримується постійна температура, рівна 38°С (при цій температурі за діючими стандартами визначається тиск насиченої пари бензинів). Зі змійовика 3 аналізована рідина, нагріта до 38°С, надходить у сопло 5 струминного насоса. При витіканні рідини із сопла за рахунок в'язкості струмінь затягує за собою пари рідини, які є в камері 4 струминного насосу, тому в названій камері створюється розрядження тим більше, чим менше пружність пари аналізованої рідини. Вимірювання розрядження в камері 4 здійснюється вакуумметром 6 з уніфікованим пневматичним сигналом, що по пневмопроводу подається вторинному приладу 7.

Діапазон вимірювання аналізатора 250-- 650 мм рт. ст.; витрата аналізованої речовини 800 см³/хв; абсолютна похибка вимірювання 15 мм рт. ст.

Засоби вимірювання теплоти згорання рідких і газоподібних палив

Теплота згорання є характеристикою теплової цінності палива. Під питомою теплотою згорання розуміють кількість теплової енергії, що виділяється при повному згоранні одиниці маси або одиниці об'єму палива. Відповідно розрізняють питомі масову і об'ємну теплоти згорання. Інформація про теплоту згорання використовується для керування процесом горіння у вогневих нагрівальних апаратах і для виконання облікових операцій, пов'язаних зі споживанням палив. Як палива на хіміко-технологічних процесах використовують мазут, попутний нафтовий і природний гази. Питома масова теплота згорання мазуту змінюється незначно і жорстко скоректована із густиною мазуту. Тому автоматичне вимірювання цієї величини можна звести до вимірювання густини.

Газоподібні палива можуть включати у свій склад крім вуглеводів негорючі компоненти, повітря, азот, діоксид вуглецю і ін., тому для визначення теплової цінності палив необхідно здійснювати вимірювання їхньої питомої теплоти згорання. Для газоподібних палив звичайно вимірюють питому об'ємну теплоту згорання.

Розрізняють вищу і нижчу питомі теплоти згорання.

Під вищою питомою об'ємною теплотою згорання палива ()_в розуміють кількість теплової енергії, що виділилося при згоранні одиниці об'єму палива і конденсації водяної пари, яка утримується в продуктах згорання.

Під нижчою питомою об'ємною теплотою згорання палива ()_н розуміють кількість теплової енергії, що виділилося при згоранні одиниці об'єму палива без обліку енергії, що виділяється при конденсації водяної пари із продуктів згорання.

У вогневих нагрівальних апаратах для запобігання конденсації пари води в димоходах температура продуктів згорання звичайно становить 110.130⁰С. Тому теплова цінність палив визначається нижчою питомою теплотою згорання.

Засоби вимірювання питомої теплоти згорання називають калориметрами. За принципом дії вони відносяться до термохімічних аналізаторів. На рис.10 наведена схема автоматичного калориметра, що дозволяє одержувати інформацію про вищу питому об'ємну теплоту згорання газоподібних палив.

Рисунок 10 - Схема калориметра

Робота калориметра заснована на вимірюванні кількості теплової енергії, що виділяється в процесі хімічної реакції горіння аналізованого газу. Останній з постійною об'ємною витратою надходить через стабілізатор витрати 5 у пальник 11. Продукти згорання обмивають стінки теплообмінника 8, розміщеного в корпусі калориметра 7, і передають всю теплову енергію, що виділяється, дистильованій воді, яка безупинно прокачується через теплообмінник. Воді також передається теплова енергія, що виділяється на стінках теплообмінника при конденсації пари води, які утворюються при згоранні вуглеводнів. Конденсат, що утворюється, збирається за допомогою конденсатовідвідника 12 і стікає в ємність 13. Для подачі води в теплообмінник служать замкнуті системи, які складаються з резервуара 1, насоса 2, холодильника 3 і стабілізатора витрати 4. На вході і виході теплообмінника 5 розміщені батареї термоелектричних чутливих елементів 6 і 10. Ці батареї включені диференційно і з їхньою допомогою виміряється різниця температур вхідного в теплообмінник і вихідного з нього потоків води. Сигнал II, що надходить на автоматичний потенціометр 9, пропорційний зазначеної різниці температур Аі, що у свою чергу пропорційна вищій питомій об'ємній теплоті згорання аналізованого газу:

За відрізок часу 1...2 год, протягом якого в ємність 13 збирається достатня для вимірювання кількість конденсату, можна визначити середнє значення нижчої об'ємної теплоти згорання, використовуючи формулу (16). Для цього необхідно обчислити середнє за цей інтервал часу значення вищої об'ємної теплоти згорання за показниками потенціометра 9 і виміряти кількість конденсату.

Витрата аналізованого газу 0,15--0,5 м³/год; діапазон вимірювання 0...50-10³ кДж/м³; класи точності 1--2.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Алимзаде А.Ю. Технологические измерения и приборы. Учебник для Вузов. - М. - 1989. - 456 с.

Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. Учебник для техникумов. - М. -1979-424 с.

Ілюшенко В.І., Туяхов А.І., Саф'янц С.М. Вимірювання в енергетиці. - Донецьк: Норд-Прес, 2008. - 352 с.

Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. - Л. - 1982 -214 с.

Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. - Л. -1989. - 704 с.

Анисимов А.Ф., Вайнберг И.Б., Иванов В.С. и др. Автоматизация и средства контроля производственных процессов: Серия справочников. Книга четвертая /Под ред. В. В.Карибского.

- М.: Изд-во "Недра", 1979. - 624 с.

Тойберт П. Оценка точности результатов измерений М.: Энергоатомиздат, 1988.

Зайделъ А. Я. Ошибки измерений физических величин Л.: Науке. 1974.

Румшипский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента: Справочное пособие. -- М.: Наука, 1971.

Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок М.: Мир, 1985.

Савельева А.И., Фетисов И.Н. Обработка результатов измерения при проведении физического эксперимента: Методические указания к лабораторной работе М-1 по курсу "Общая физика" / Под ред. С.П.Ерковича. - М.: Изд-во МГТУ, 1990. - 32с., ил.

Маликов С.П., Михайловский С.С., Старостина Л.Н., Клементьев П.К. Весы и дозаторы весовые: Справочник. - М.: Машиностроение, 1981. - 320 с.

Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Изд. 3-е, доп. и испр. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. - 480 с.