Плотномеры, служат для измерения плотности жидкостей, газов и твердых веществ.
Плотность и методы ее определения. Плотность - физическая величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объема (величина, обратная удельному объему вещества); плотность неоднородного вещества - соотношение массы и объема, когда последний стягивается к точке, в которой измеряется плотность. Отношение плотностей двух веществ при определенных стандартных физических условиях называют относительной плотностью; для жидких и твердых веществ ее измеряют при температуре t, как правило, по отношению к плотности дистиллированной воды при 40C ( ), для газов - по отношению к плотности сухого воздуха или водорода при нормальных условиях (T= 273,15 К, p = 1,01 • 105 Па).
Для сыпучих и пористых твердых веществ различают плотности истинную (масса единицы объема плотного материала, не содержащего пор), кажущуюся (масса единицы объема пористого материала из зерен или гранул) и насыпную (масса единицы объема слоя материала). Одной из важных характеристик кристаллических веществ служит рентгеновская плотность (определяют рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов. находящихся в элементарной ячейке кристалла какого-либо вещества, к ее объему; выражается в обычных единицах плотности.
Плотность веществ обычно уменьшается с ростом температуры (из-за теплового расширения тел) и увеличивается с повышением давления. При переходе из одного агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно. Единицей плотности в Международной системе единиц служит кг/м3• на практике применяют также следующие единицы: г/см3, г/л, т/м3 и т.д.
Диапазон значений плотности разных веществ и материалов (кг/м3) исключительно широк: для жидкостей-от 43,2 (водород при -2400C) до 13595 (ртуть), газов-от 0,0899 (водород) до 9,81 (радон), твердых тел-от 240 (пробка) до 22610 (осмий) и т.д.
Совокупность методов измерения относит, плотности жидкостей и твердых тел наз. денсиметрией (от лат. densus-плотный, густой и греч. metreo- измеряю). Некоторые методы денсиметрии применимы также к газам. Иные методы определения их плотности основаны на связи ее с параметрами состояния веществ (напр., плотность идеальных газов может быть вычислена по уравнению Клапейрона-Менделеева) и с зависимостью от плотности протекающих в них процессов (см. ниже).
При расчетах используют так называемую среднюю плотность тела, определяемую отношением его массы т к объему V, т.е. а также другими соотношениями.
Выбор, классификация и применение плотномеровОсновные метрологические и эксплуатационные характеристики, определяющие выбор плотномера: точность, воспроизводимость, пределы, диапазоны и погрешности измерений, рабочие температуры и давления, характер и степень воздействия анализируемых веществ на конструкционные материалы и т. п. Стандартная температура, при которой посредством плотномера измеряют плотность веществ, равна 200C. Для приведения к плотности при этой температуре плотности, определенной при любой температуре t, используют формулу:
где b-средний коэффициент объемного теплового расширения.
Относительная плотность разных веществ при 20 0C и соответствующие температурные поправки находят в справочной литературе по таблицам или номограммам.
Наиболее распространены ручные и автоматические плотномеры для жидкостей. По принципу действия они делятся на следующие основные группы: поплавковые, массовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые.
Действие поплавковых, или ареометрических, плотномеров основано на законе Архимеда; погрешность приборов этой группы 0,2-2% от диапазона значений плотности, охватываемого шкалой прибора. Массовые плотномеры основаны на непрерывном взвешивании определенных объемов жидкости (пикнометрические, приборы для гидростатическом взвешивания, автоматические приборы) и имеют погрешность 0,5-1%. С помощью гидростатических плотномеров измеряют давление столба жидкости постоянной высоты; погрешность 2-4%. Действие радиоизотопных плотномеров основано на определении ослабления пучка g-излучения в результате его поглощения или рассеяния слоем жидкости; погрешность около 2%. Вибрационные плотномеры основаны на зависимости резонансной частоты колебаний, возбуждаемых в жидкости, от ее плотности; погрешность (1-2)• 10-4 г/см3. В ультразвуковых плотномерах используют зависимость скорости звука в среде от ее плотности; погрешность 2-5%. Существуют плотномеры, действие которых основано и на др. принципах.
Относительная плотность постоянна для всех химически однородных веществ и растворов при данной температуре. Поэтому по значениям плотности, измеренной посредством плотномеры, можно судить о наличии примесей в веществах и о концентрации растворов. Это позволяет широко применять плотномеры в науч. исследованиях и в разных отраслях народного хозяйства как средство для проведения различных анализов, для контроля технологических процессов и автоматизации управления ими, для правильной организации системы количественного учета материалов при их приемке, хранении и выдаче и т. д. В данной статье описаны важнейшие типы лабораторные и технологические плотномеры, используемых в химических и агрохимических лабораториях, хим. и смежных отраслях промышленности.
Лабораторные плотномерыЭти приборы предназначены для ручного периодического измерения относительные плотности веществ главным образом ареометрами, пикнометрами и гидростатическими весами.
Ареометры. В соответствии с законом Архимеда масса жидкости, вытесненная плавающим ареометром, равна его массе. Различают ареометры постоянной массы (наиболее распространены) и постоянного объема.
К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис. 1,а), шкалы которых градуируются в единицах плотности, и приборы для определения концентраций растворов (шкалы градуируются в % по объему или по массе), имеющие спец. названия: лактомеры - измеряют жирность молока, спиртомеры - содержание спирта в воде, сахаромеры - содержание сахара в сиропах и т.д.
При определении плотности ареометрами постоянного объема (рис. 1,5) путем изменения массы поплавка достигают его погружения до соответствующей метки. Плотность находят по массе гирь (размещают на тарелке) и ареометра и по объему вытесненной им жидкости. Такие приборы могут бsnm использованы также для измерения плотности твердых тел.
Пикнометры. Плотность находят по отношению массы жидкости к ее объему. Последний измеряют по шкале или меткам на сосуде (рис. 2), массу - взвешиванием на аналитических весах. Плотность твердых тел (порошков) измеряют, погружая их в сосуды, называют волюмометрами (рис. 3), заполненные жидкостью, в которой исследуемое вещество не растворяется. Пикнометры спец. формы (шаровидные и др.) применяют также для определения плотности газов.
Приборы для гидростатического взвешивания. Данный метод определения плотности жидкостей и твердых тел также основан на законе Архимеда. Плотность жидкости измеряют, взвешивая в ней какое-либо тело (обычно стеклянный поплавок), масса и объем которого известны. Плотность твердого тела определяют его двукратным взвешиванием-сначала в воздухе, а затем в жидкости с известной плотностью (как правило, в дистиллированной воде); при первом взвешивании находят массу тела, по разности результатов обоих взвешиваний - его объем. В зависимости от требуемой точности гидростатическое взвешивание проводят на технических, аналитических или образцовых весах (см. Весы). При массовых измерениях широко используют менее точные, но более быстродействующие спец. гидростатич. весы, например, весы Мора, Вестфаля либо их комбинацию (рис. 4).
Плотность вязких жидкостей лучше всего измерять ареометрами или с помощью гидростатических весов, маловязких -пикнометрами.
Наряду с плотномерами традиционных типов в лабораторной практике все чаще применяют приборы (см. ниже), которые до последнего времени были распространены только в промышленности.
Технологические плотномеры. Эти приборы представляют собой автоматические плотномеры обычно для непрерывного определения и регулирования плотности веществ в процессах их производства или переработки. Такие плотномеры размещают непосредственно на "потоках", т.е. в контрольных точках на технологических линиях, а также на аппаратах промышленных установок.
Автоматические плотномеры выпускают в виде самостоятельных приборов или измерит. комплектов (датчик, блок подготовки пробы, вторичный прибор и т.д.).
Поплавковые приборы. Различают плотномеры с плавающим (рис. 5)и погруженным (рис. 6) в жидкость поплавком. В одном случае глубина его погружения обратно пропорциональна плотности испытуемой жидкости, в другом эта плотность прямо пропорциональна массе поплавка.
Поплавковые плотномеры служат также для определения плотности газов (рис. 7). Оно сводится к непрерывному взвешиванию шара с азотом в камере, заполненной исследуемым газом. Мера его плотности - угол наклона коромысла, перемещение которого с помощью магнита передается стрелке прибора.
Массовые приборы. Действие их основано на том, что масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорциональна плотности. В таком плотномере пневматическим преобразователем (рис. 8) непрерывно взвешивается протекающая по трубопроводу жидкость определенного объема, U-образная трубка с проходящей через нее контролируемой жидкостью связана рычажной системой с заслонкой. Компенсация перемещения последней осуществляется так же, как показано на рис. 6. Давление воздуха в сильфоне, изменяющееся пропорционально плотности жидкости, определяется по вторичному прибору. Массовые плотномеры применяют обычно для измерения плотности суспензий, а также вязких и содержащих твердые включения жидкостей.
Гидростатические приборы. В этих плотномерах используют линейную зависимость гидростатической давления от высоты уровня и плотности жидкости. Давление столба жидкости измеряют непосредственно, например мембранным манометром, или косвенно-продуванием через жидкость воздуха, давление которого пропорционально столбу жидкости (пьезометрический плотномеры, рис. 9). Чтобы исключить влияние колебаний температуры и уровня жидкости, часто применяют дифференцированный метод: продувают воздух одновременно через испытуемую и сравнительную жидкости, имеющие одинаковую температуру (термостатированные), и измеряют возникшую при этом разность давлений дифманометром. Последний снабжен пневмопреобразователем, передающим соответствующий сигнал на вторичный прибор.
В гидростатическом плотномере для газов (рис. 10) сравниваются давления столбов анализируемого и эталонного газов одинаковой высоты. Перепад давлений, измеряемый дифманометром, пропорционален плотности контролируемого газа.
Pадиоизотопные приборы. При прохождении через анализируемую среду ионизирующих излучений интенсивность их изменяется. Ослабление излучений связано функционально с плотностью среды. Наиболе распространены плотномеры, использующие γ-излучения (рис. 11). В таком приборе излучение от источника (60Co, Cs) проходит через слой жидкости в сосуде и попадает в приемник излучения. Сигнал приемника, являющийся функцией измеряемой плотности, усиливается в электронном усилителе и подается в электронный преобразователь, куда поступает также сигнал, формируемый излучением дополнительного радиоизотопного источника, проходящим через поглощающий металлический клин и дополнит. приемник. В преобразователе вырабатывается сигнал, который функционально связан с разностью поступающих в него сигналов и управляет реверсивным электродвигателем, перемещающим клин до уравнивания входных сигналов (от основного и дополнительного источников излучения). Равновесное перемещение клина связано индукционной передачей с вторичным прибором. Величина перемещения клина пропорциональна изменению плотности жидкости.
Радиоизотопные плотномеры
позволяют бесконтактно контролировать и регулировать плотность агрессивных, сильновязких, горячих и находящихся под большим давлением жидкостей, сгущенного молока, сахарных сиропов и др. Эти приборы используют также для определения плотности твердых тел и иногда газов.
Вибрационные приборы. Чувствительный элемент такого плотномеры представляет собой отполированную изнутри металлический трубку, которую помещают непосредственно в потоке анализируемого вещества. Трубка осциллирует в потоке с помощью электронного устройства. Частота собств. колебаний чувствительные элемента определяется плотностью вещества (см. также Вибрационная техника).
Современные технологические плотномеры оснащены микропроцессорами и вычислительными блоками (например, для автоматической корректировки параметров при изменении внешних условий). Благодаря этим усовершенствованиям значительно повысились функциональные возможности и улучшились метрологические и эксплуатационные характеристики технологических плотномеров.
Лит.: Кивилис С. Ш., в кн.: Приборостроение и средства автоматики, т. 2, кн. 2, M., 1964, с. 270-77; Глыбин И.П., Автоматические плотномеры, К., 1965; Измерение массы, объема и плотности, M., 1972; Шкатов E. Ф., Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности, M., 1986, с. 234-58; Кузьмин С. Т., Липавский В. H., Смирнов П.Ф., Промышленные приборы и средства автоматизации в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, M., 1987, с. 61-71. А.Ф. Гусаков.
), для газов - по отношению к плотности сухого 
а также другими соотношениями.
