Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы - файл n16.doc

приобрести
Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы
скачать (9637.9 kb.)
Доступные файлы (68):
n1.rar
n2.rar
n3.rar
10-1.bmp
10-10.bmp
10-2.bmp
10-3.bmp
10-4.bmp
10-5.bmp
10-6.bmp
10-7.bmp
10-8.bmp
10-9.bmp
n14.rar
n16.doc546kb.28.08.2003 13:23скачать
n17.rar
n18.rar
n19.rar
n20.rar
n21.rar
n22.rar
n23.rar
n24.rar
n25.rar
n26.rar
n27.rar
n28.rar
n29.rar
n30.rar
n31.rar
n32.rar
n33.rar
n34.rar
n35.rar
n36.rar
n37.rar
n38.rar
n39.rar
n40.rar
n41.rar
n42.rar
n43.rar
n44.rar
n45.rar
n46.rar
n47.rar
n48.rar
n49.rar
n50.rar
n51.rar
n52.rar
n53.rar
n54.rar
n55.rar
n56.rar
n57.rar
n58.rar
n59.rar
n60.rar
n61.rar
n62.rar
n63.rar
n64.rar
n65.rar
n66.rar
n67.rar
n68.rar
n69.rar

n16.doc

ГЛАВА 10

ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ


§ 10.1. Общие сведения

К числу физико-химических свойств, автоматический контроль которых осуществляется в химико-технологических процессах, относятся плотность, вязкость, коэффициент преломления, давление насыщенных паров, теплота сгорания.

Измерение плотности жидкостей и газов осуществляется для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции.

Для химико-технологических процессов, связанных с производством нефтяных масел, консистентных смазок, полимеров, растворителей, вязкость является показателем, однозначно определяющим качество продукции.

Поэтому ее автоматическое измерение позволяет создавать очень эффективные системы автоматического управления названными выше процессами.

Для некоторых видов продукции химико-технологических процессов требуется измерение коэффициента преломления как одной из величин, определяющих качество.

Для светлых нефтепродуктов (особенно для авиационных и автомобильных бензинов) одним из важных свойств является давление насыщенных паров (упругость паров), характеризующее склонность этих нефтепродуктов к испарению и образованию паровых пробок в топливных системах двигателей.

Для жидких однокомпонентных веществ значение давления насыщенных паров может использоваться в качестве характеристики их чистоты.

Теплоценность жидких и газообразных топлив, используемых в огневых нагревательных и реакционных аппаратах химико-технологических процессов, определяется теплотой их сгорания. Автоматическое измерение этого физико-химического свойства в настоящее время приобретает чрезвычайно важное значение в связи с проводимыми мероприятиями по экономии топливно-энергетических ресурсов.
§ 10.2. Средства измерений плотности жидкостей и газов

Плотностью вещества называют физическую величину, определяемую отношением массы m вещества к занимаемому им объему V:

, [ед. массы]/[ед. объема]. (10.1)

Удельным весом вещества называют физическую величину, определяемую отношением веса G вещества к занимаемому им объему V:

[ед. силы]/[ед. объема]. (10.2)

Удельный вес и плотность связаны соотношением

, (10.3)

где g — местное ускорение свободного падения.

В то время как плотность тела не зависит от его местонахождения на поверхности Земли, удельный вес изменяется в зависимости от расположения тела на земном шаре (в пределах нашей страны более чем на 0,3%). Поэтому справочные данные составляют по плотности.

В некоторых случаях используется понятие относительной плотности, определяемое как отношение плотности данного вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных физических условиях.

Относительную плотность жидкого вещества принято выражать отношением его плотности, взятой при нормальной температуре (20°С), к плотности дистиллированной воды при температуре 4°С и обозначить

Относительную плотность газа принято выражать отношением его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных условиях (нормальная температура — 293,15 К, нормальное давление— 101325 Па=760 мм рт. ст.).

Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит. Во многих важных для практики случаях плотность можно рассматривать как аддитивное физическое свойство (см. гл. 11).

Средства измерений плотности часто называют плотномерами или денсиметрами (денситометрами) (от лат. densusплотный, густой и от греч. metreoизмеряю).

Для измерения плотности в настоящее время применяются плотномеры весовые, поплавковые, гидроаэростатические, гидрогазодинамические, радиоизотопные, акустические, вибрационные и др. [20].

Далее рассмотрены наиболее широко применяемые автоматические плотномеры жидкостей и газов.

Весовые, или пикнометрические (от греч. pyknosплотный), плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров (см. табл. 9.1) состоит в непрерывном взвешивании постоянного объёма анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе, т. е. в соответствии с выражениями (10.1) — (10.3) плотность определяется через удельный вес.

Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рис.

10.1, а.

Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 7, изготовленная из нержавеющей стали, соединенная через

тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов 2 позволяет трубке 7 поворачиваться вокруг оси О—О. При увеличении плотности жидкости увеличивается масса трубки с жидкостью, что через рычаг 4 передается к механоэлектрическому или механопневматическому преобразователю 5, построенному по принципу компенсации сил (см. гл. 5), выходной сигнал С которого пропорционален изменению плотности анализируемой жидкости. Противовес 6, укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания момента сил, создаваемого трубкой 7 с жидкостью при выбранном нижнем пределе измерения плотности. Устройство 5 служит для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в зависимости от температуры анализируемой жидкости, которую это устройство непрерывно измеряет.

Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность в интервале 0,5—2,5 г/см3. При этом может быть установлен диапазон измерений 0,05—0,3 г/см3 в любой части указанного интервала. Максимальная температура анализируемой жидкости 100°С, классы точности 1—1,5.

Поплавковые, или ареометрические (от греч. — araios жидкий и metreo измеряю), плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на непрерывном измерении выталкивающей (подъемной) силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемое вещество.

На рис. 10.1, б показана схема поплавкового плотномера жидкостей с частично погруженным поплавком 2, который размещен в емкости 1. Через эту емкость непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень. Анализируемая жидкость удаляется из плотномера через сборник 3. При изменении плотности жидкости изменяется степень погружения поплавка 2 в емкость. Достижение положения равновесия сил N и Gn обеспечивается при этом изменением длины l стержня 4, погруженного в жидкость. Перемещение поплавка 2 преобразуется в электрический сигнал с помощью дифференциального трансформатора 5.

Вес поплавка 2 со стержнем 4 (в воздухе) Gn и выталкивающая сила N, действующая на поплавок, описываются выражениями

, (10.4)

N = (V + lS)pg, 10.5)

где т — масса поплавка и стержня; Vобъем поплавка; l — длина участка стержня, погруженного в жидкость; Sплощадь поперечного сечения стержня.

При равенстве сил Gn и N из выражений (10.4) и (10.5) с учетом действия на стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения

, (10.6)

где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая поверхностное натяжение.

Как видно из (10.6), длина l, а следовательно, и сигнал дифференциального трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу т подбирают в зависимости от диапазона измерений.

Существует много различных конструкций плотномеров с частично погруженным поплавком [20, 21]. Они обладают высокой чувствительностью, что позволяет осуществлять измерение плотности в узком диапазоне (всего 0,005—0,01 г/см3) с погрешностью ±(1,5—3) % от диапазона измерений. На рис. 10.1, в показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 1, через которую прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок, при прочих постоянных условиях пропорционально изменению плотности жидкости. Поплавок укреплен на рычаге 3, герметичность вывода которого из камеры 1 обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответствующем нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым противовесом 5. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем силы 6 в унифицированный пневматический или электрический сигнал СВЫХ. Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см3. Диапазон измерений может быть установлен от 0,05 до 0,2 г/см3 в любой части указанного интервала. Температура анализируемой жидкости может составлять -5 +110°С. Класс точности 1.

Гидро- и аэростатические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости давления Р столба анализируемой жидкости или газа от плотности этих сред:

, (10.7)

где Н — высота столба жидкости или газа.

Если значение Н принять постоянным, то давление Р однозначно определяется плотностью среды:

, (10.8)

где k=gHпостоянный коэффициент.



На рис. 10.2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости. В данном измерительном устройстве анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру l, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами по высоте составляет H, поэтому на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон 3 заполнены вспомогательной жидкостью. Сильфон 3 служит для температурной компенсации и по существу представляет собой жидкостный манометрический термометр. Разность усилий на сильфонах 2 и 4, возникающая за счет разности гидростатических давлений на них, создает на измерительном рычаге 8 вращающий момент, который через рычаг 7 передается в преобразователь 5 силы в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичный вывод рычага 7. Основные технические характеристики: диапазон измерений от 0—0,05 до 0—0,5 г/см3; максимальная температура жидкости 200°С; класс точности 1.

Схема гидростатического плотномера, принцип действия которого основан на измерении гидростатического давления путем продувки сжатого газа, показана на рис. 10.2,б. Такие плотномеры используются в химико-технологических процессах для измерения плотности непосредственно в технологических аппаратах. В аппарате 7 установлены трубки 1 и 2 с различной глубиной погружения. Газ (обычно воздух) от регулятора расхода 5 поступает к пневматическим дросселям 3 и 4, а затем к трубкам 2 и 1. Через открытые торцы трубок газ барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба жидкостей высотой Н1 и Н2(см. гл. 8). Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или электрическим выходным сигналом. Этот перепад определяется выражением

(10.9)

Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.

Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на рис. 10.2,в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при постоянных давлениях соответственно через вертикальные трубки 1 и 2, внутренние полости которых образуют столбы анализируемого газа и воздуха одинаковой высоты. Разность аэростатических давлений этих столбов измеряется с помощью высокочувствительного колокольного дифманометра 3, работающего по принципу уравновешивания за счет изменения выталкивающей силой (см. гл. 4). Перемещение колокола 4 дифманометра с помощью преобразователя 5 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м3 с диапазоном измерений от 0,2 до 1 кг/м3 и с погрешностью ±0,01 кг/м3.

Одним из наиболее совершенных и чувствительных является плотномер (рис. 10.2, г), в котором используется комбинация механического и теплового эффектов. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом поступает в трубку 2, а в трубку 3 при постоянном давлении поступает вспомогательный газ (обычно воздух). Газовые потоки выводятся через трубку 1. Трубки 1, 2 и 3 расположены вертикально. При изменении плотности анализируемого газа изменяется аэростатическое давление столба газа в трубке 2, а, следовательно, и давление в точке А. Поэтому изменяется расход воздуха, омывающего резисторный измерительный термоанемометр Rи (см. § 7.8), в результате чего изменяется его сопротивление. Сопротивление сравнительного термоанемометра Rср остается постоянным, так как омывающий его поток воздуха практически не изменяется. Изменение сопротивления термоанемометра Rи вызывает разбаланс U неравновесного моста 4. Этот разбаланс описывается выражением [22]:

, (10.10)

где К — коэффициент преобразования плотномера; в — плотность воздуха.

Плотномер термостатируется при температуре 40 или 45°С, обеспечивает измерение плотности в пределах 0—3 кг/см3 с диапазоном измерений, отсчитанным от значения плотности воздуха при 20°С, ±(0,011,5) кг/м3 и классами точности 2—5 (в зависимости от диапазона измерений).

Гидро-газо(аэро)динамические плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на сообщении потоку анализируемого вещества дополнительной кинетической энергии и на измерении параметров, характеризующих эффекты, возникающие при этом воздействии. В основном указанные плотномеры применяются для измерения малой по значению плотности газов.

На рис. 10.3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов. В плотномере (рис. 10.3, а) потоку анализируемого газа, протекающего через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 5, приводимой во вращательное движение синхронным двигателем 1. Поток газа поступает к турбинке 4 и создает на ней за счет своей кинетической энергии вращающий момент, определяемый формулой

, (10.11)

или

, (10.12)

где kпостоянный коэффициент, w — частота вращения турбинки 3.

Под действием этого момента турбинка 4 поворачивается, а возникающий на ней момент уравновешивается моментом, создаваемым на оси 8 плоской пружины 5. Угол поворота оси 8 и стрелки 6 по шкале пропорционален плотности газа. С помощью преобразователя 7 угол поворота преобразуется в унифицированный сигнал. Класс точности рассматриваемого плотномера 0,5—1,5 (в зависимости от диапазона измерений).

В основу работы плотномеров (рис. 10.3, б, в) положен эффект истечения газа через диафрагму. В плотномере, представленном на рис. 10.3,б, анализируемый газ прокачивается с постоянным объемным расходом Q, создаваемым трехступенчатым вентилятором 3, через диафрагму 4 диаметром 0,5—1 мм. Вентилятор приводится во вращательное движение через магнитную муфту 2 синхронным двигателем или пневматической турбинкой 1. Перепад давлений (50—500 Па), возникающий на диафрагме 4, измеряется дифманометром 5 с унифицированным сигналом. В соответствии с выражениями (7.23), (7.25) этот перепад давлений

. (10.13)

Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных и рабочих условиях. Класс точности его 1.

Плотномер (рис. 10.3, в) является устройством циклического действия и работает в импульсном режиме (см. гл. 9). Он представляет собой пневматический неравновесный мост, составленный из четырех диафрагм (турбулентных пневмосопротивлений), два из которых RИ и R1 включены в измерительную 4, а два других Rср и R2 — в сравнительную 7 ветвь моста. Через обе ветви моста все время протекает сухой воздух (газ-носитель), поступающий от регулятора давления 1. При этом перепад давления между точками А и Б моста равен нулю. В дозатор 3 все время поступает анализируемый газ, промывая дозируемый объем 2. Периодически по сигналу командного прибора 6 каналы дозатора переключаются (см. гл. 12) так, что дозируемый объем отключается от линии анализируемого газа, а к нему подключается линия подачи газа-носителя. Газ-носитель начинает выталкивать отобранный объем газа через измерительную ветвь 4 и турбулентное пневмосопротивление Rи в атмосферу. При этом давление в точке А изменяется, а в точке В остается постоянным. Разность давления между точками А и В описывается выражением

, 10.14)

где kпостоянный коэффициент.

Перепад давлений на измерительной диагонали АВ моста измеряется дифманометром 5 с унифицированным выходным сигналом. Сигнал плотномера практически не зависит от изменений окружающей температуры и давления. Продолжительность одного цикла работы 3 мин. Плотномер обеспечивает измерение плотности от 0 до 3 кг/м3 с диапазонами измерений, отсчитанными от значения плотности воздуха при 20°С и равными от ±0,1 до ±1,5 кг/м3. Классы точности 2—3 (в зависимости от диапазона измерений).

Вибрационные плотномеры. Принцип действия этих механических плотномеров основан на зависимости параметров упругих колебаний (вибрация), сообщаемых камере с анализируемым веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого вещества. Обычно в качестве параметра упругих колебаний используется частота собственных колебаний резонатора, находящегося в режиме автоколебаний. Резонаторы вибрационных плотномеров выполняют в виде трубки, пластины, стержня, струны, камертона и т. д. Частота собственных колебаний резонатора, заполненного или находящегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением

, (10.15)

где fo — частота колебаний резонатора при начальном значении плотности анализируемого вещества; kконстанта, зависящая от конструкции резонатора.

Конструктивно различают проточные и погружные вибрационные плотномеры. В первых анализируемое вещество протекает через внутреннюю полость резонатора, во вторых — резонатор размещается в потоке анализируемого вещества.

На рис. 10.4, а показана схема проточного вибрационного плотномера жидкостей. Анализируемая жидкость поступает параллельно в трубки 1 и 2 (резонатор), установленные в сильфонах 6 и скрепленные перемычками 8. Сильфоны 6 расположены в опорах 5. Указанные трубки, катушка 3, воспринимающая колебания трубок резонатора, катушка возбуждения 4 и электронный усилитель 10 составляют электромеханический генератор, частота колебаний которого определяется плотностью анализируемой жидкости. Выходной сигнал усилителя 10 в виде частоты вводится в вычислительное устройство 9, к которому подключены платиновые термометры сопротивления 7 и 11, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем. Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м3, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м3.

На рис. 10.4, б показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор



состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом 1, катушек возбуждения 6 с магнитом 7, камертона 4, расположенного в корпусе 3, и электронного усилителя 5. Частота колебаний системы на выходе усилителя 5 сравнивается с частотой кварцевого генератора, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность газа, измеряется частотомером. Класс точности плотномера 1. Он может быть использован для измерения плотности газа в рабочих условиях.
§ 10.3. Средства измерений вязкости жидкостей
Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения описывается формулой Ньютона:

, (10.16)

где Fтангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по которому происходит сдвиг; dW/dnградиент скорости W течения (быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности называют динамической вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев. Величину, обратную динамической вязкости называют текучестью. Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие кинематической вязкости:

. (10.17)

Единица динамической вязкости с СИ — Пас, в системе СГС—П (пуаз); единица кинематической вязкости в СИ — м2/с, в системе СГС—ст (стокс). Соотношение между названными единицами: 1П=10-1 Пас; 1ст=10-4 м2/с.

Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а газов — увеличивается. Динамическая вязкость до давлений 20 МПа практически не зависит от давления. Вязкость в общем случае не является аддитивным физическим свойством.

Средства измерений вязкости называют вискозиметрами. На химико-технологических процессах вискозиметры используются только для измерения вязкости жидкостей. В настоящее время разработаны автоматические капиллярные, ротационные, вибрационные вискозиметры, вискозиметры с падающим телом и др. [23]. Далее рассмотрены вискозиметры, наиболее часто применяемые в химико-технологических процессах.

Капиллярные вискозиметры (вискозиметры истечения). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр, описываемой законом Пуазейля:

, (10.18)

где Q — объемный расход жидкости; d и l—внутренний диаметр и длина капилляра; Р1 Р2 давление до и после капилляра по потоку.

При постоянном объемном расходе жидкости выражение (10.18) можно преобразовать к виду

, (10.19)

где - постоянный коэффициент для принятого расхода жидкости

Из (10.19) следует, что для измерения динамической вязкости достаточно при постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлении на капилляре.

На рис. 10.5, а показана схема капиллярного вискозиметра в котором для создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости используется шестеренчатый насос 1, приводимый в



движение синхронным двигателем 2. Из насоса анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до температуры масла, заполняющего термостат 6, а затем - в капилляр 4, размеры которого выбирают в зависимости от диапазона измеряемых значении вязкости. Перепад давлений на капилляре измеряется дифманометром 5 с пневматическим или электрическим унифицированным выходным сигналом, который пропорционален динамической вязкости анализируемой жидкости. Температура в термостате поддерживается постоянной и равняется 50 или 100°С Диапазоны измерений от (02) 10-3 Пас до (01000) 10-3 Пас Классы точности вискозиметра 1,5-2,5 (в зависимости от диапазона измерений.

В вискозиметре, представленном на рис. 10.5, б, стабилизация объемного расхода анализируемой жидкости осуществляется пневматической системой автоматического регулирования, состоящей из диафрагмы 4, дифманометра 7, пневматического регулятора 8 и исполнительного механизма 2. Анализируемая жидкость подается из напорной емкости 1 с переливной трубкой. Возможность стабилизации расхода жидкости таким способом базируется на том, что перепад давлений на диафрагме (P0P1) практически не зависит от динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости (например, нефтяных масел) изменяется незначительно.

При таких условиях поддержание постоянного перепада давления (P0P1) обеспечивает постоянство объемного расхода анализируемой жидкости. Змеевик 3, диафрагма 4 и капилляр 5 размещены в водяном термостате 9, где поддерживается температура, равная 100°С, за счет подачи в него насыщенного водяного пара при атмосферном давлении. Перепад давления P1P2 на капилляре измеряется дифманометром 6 с пневматическим выходным сигналом. Класс точности вискозиметра 2,5.

Вискозиметры с падающим телом (шариковые вискозиметры). Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении скорости (или времени) движения тела (шарика) под действием сил тяжести и трения в анализируемой жидкости.

Это движение описывается законом Стокса:

, (10.20)

где Wскорость равномерного падения шарика; ш — плотность материала шарика (ш>); rрадиус шарика.

Если учесть, что плотность анализируемой жидкости изменяется незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика, то выражение (10.20) можно преобразовать к виду

, (10.21)

где —постоянный коэффициент.

Обычно измерение скорости W сводится к измерению отрезка времени , за который шарик, падая с постоянной скоростью, проходит некоторый постоянный отрезок пути l между двумя принятыми отметками. В этом случае

(10.22)

где — постоянный коэффициент.

На рис. 10.6 показана схема шарикового вискозиметра циклического действия. Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачивается насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сетки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение и выключение осуществляются блоком управления 9) шарик падает в анализируемую жидкость. С помощью дифференциальных трансформаторов (см. гл. 5) 3 и 2 формируются электрические импульсы в моменты времени, когда шарик проходит две выбранные отметки, отстоящие друг от друга по высоте трубки на расстояние l. С помощью измерителя временных интервалов 10 измеряется отрезок времени между указанными импульсами, значение которого и определяет динамическую вязкость. Класс точности вискозиметра 2.

Известны конструкции вискозиметров с падающим телом непрерывного действия [23].

Ротационные вискозиметры. Принцип действия этих механических вискозиметров основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси ротора (цилиндра, диска и т. п.), погруженного в измеряемую среду, при взаимном их перемещении. Указанный крутящий момент в общем случае описывается выражением

, (10.23)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора вискозиметра; - угловая скорость вращения ротора (при постоянной угловой скорости крутящий момент однозначно определяет вязкость жидкости).



Из большого многообразия конструкций вращающихся элементов ротационных вискозиметров в автоматических анализаторах обычно используются конструкции, показанные на рис. 10.7. Вискозиметры, представленные на рис. 10.7, а—в, объединяет общий принцип действия, в соответствии с которым вязкость определяется по моменту сил трения, возникающему при вращении тела, погруженного в анализируемую жидкость. Таким телом может быть цилиндр (рис. 10.7, а), шар (рис. 10.7, б) или диски, посаженные на общий вал и расположенные между неподвижными шайбами (рис. 10.7, в). В вискозиметрах момент вращения, создаваемый диском (рис. 10.7, г) или цилиндром 2 (рис. 10.7, д), передается через жидкость диску или цилиндру 3. Диску или цилиндру вращательное движение сообщается синхронным двигателем 1. Вращающий момент, возникающий на диске (цилиндре) 3, а следовательно, на шкиве 5, насаженном на одном валу 4 с диском (цилиндром) 3, пропорционален динамической вязкости. Этот момент уравновешивается силой упругой деформации пружины 7, соединенной с гибкой нитью 6, которая прикреплена к шкиву 5. Значение деформации пружины можно наблюдать по шкале 8. С помощью преобразователя 9 сила упругой деформации пружины 7 преобразуется в унифицированный электрический или пневматический сигнал.

Характерной особенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон измеряемых значений вязкости (0,01— 1000 Пас). Классы точности ротационных вискозиметров 1—2,5.
§ 10.4. Средства измерений показателя преломления жидкостей
Измерение показателя (или коэффициента) преломления (рефракции) осуществляется интерферометрами и рефрактометрами (от лат. refractusпреломленный и от греч. metreoизмеряю). Для автоматических измерений обычно используются рефрактометры, относящиеся



к оптическим средствам измерений (см. табл. 9.1). Принцип действия их основан на законе преломления света, согласно которому часть световой энергии луча, падающего на границу раздела прозрачных сред 1 и 2 (рис. 10.8, а), возвращается в среду 1, а остальная часть проходит в среду 2 и при этом меняет направление. * Анализаторы, работа которых базируется на использовании отраженного луча для получения измерительной информации, называют рефлектометрами (от лат reflectere — отражатель и от греч. metreo — измеряю). Математический закон преломления выражается зависимостью

, (10.24)

где и — углы падения и преломления светового луча; — константа, называемая относительным показателем преломления вещества 2 по отношению к веществу 1.

В соответствии с волновой теорией света показатель преломления определяет отношение скоростей W1 и W2 распространения световых волн в двух средах:

=. (10.25)

Из двух сред та, в которой свет распространяется с большей скоростью, называется средой, оптически менее плотной, а среда, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной.

Коэффициент преломления жидкостей практически не зависит от давления, а изменение его с изменением температуры для огромного большинства жидкостей лежит в пределах 0—0,0006 1/град. Для многих практически важных случаев коэффициент преломления жидкостей можно рассматривать как аддитивное физико-химическое свойство.

На рис. 10.8, б показана схема рефрактометра. Свет от лампы 1 через оптическую систему 2 в виде луча посылается в так называемую дифференциальную кювету 4. Последняя состоит из двух частей, отделенных друг от друга стеклянной перегородкой. Через измерительную камеру 5 кюветы непрерывно прокачивается анализируемая жидкость, а сравнительная камера 3 заполнена образцовой жидкостью. При равенстве показателей преломления этих жидкостей луч от лампы проходит через обе камеры без отклонений. Изменение показателя преломления анализируемого вещества вызывает отклонение луча, пропорциональное разности показателей преломления анализируемого и образцового веществ. Луч света из кюветы попадает в неподвижную 6 и подвижную 7 призмы. Когда он не испытывает отклонений, фотоэлементы 9 и 10, включенные встречно и образующие дифференциальный фотоприемник, освещены одинаково. На выходе электронного усилителя 11 сигнал равен нулю. При отклонении луча возникает различие в освещенности этих фотоэлементов. Сигнал на входе электронного усилителя 11 становится отличным от нуля. Этот сигнал усиливается и управляет работой реверсивного двигателя 8, который через механическую передачу поворачивает призму 7 до тех пор, пока освещенности фотоэлементов 9 и 10 опять не станут одинаковыми. Положение ротора двигателя 8 и связанное с ним положение стрелки на шкале определяют разность коэффициентов преломления анализируемого и образцового веществ. Рефрактометр обычно снабжен устройством коррекции показаний в зависимости от температуры анализируемой среды.

Диапазон измерений разности показателей преломления между анализируемой или образцовой жидкостью от 10-2 до 10-2. Классы точности 1,5—4 (в зависимости от диапазона измерений).
§ 10.5. Средства измерений давления насыщенных паров жидкостей
Давление насыщенных паров (упругость паров) является одним из важных показателей качества светлых нефтепродуктов, особенно автомобильных и авиационных бензинов. Давление насыщенных паров характеризует их испаряемость и склонность к образованию паровых пробок, а также может использоваться в качестве характеристики чистоты жидких однокомпонентных веществ. Давление насыщенных паров существенно зависит от температуры. На рис. 10.9, а показана схема первичного измерительного преобразователя упругости паров жидкостей, который может быть установлен непосредственно на технологическом аппарате. По принципу действия



он является механическим средством измерения. Чувствительный элемент анализатора - сильфон 8 заключен в кожух 1 из тонкой листовой меди. Пространство между кожухом 1 и сильфоном 8 заполнено образцовой жидкостью 9, которая по составу должна быть близка к анализируемому веществу. При установке преобразователя на контрольной тарелке (по качеству продукта на которой проводится процесс) ректификационной колонны 2 сильфон 8 находится под одновременным воздействием давления паров в колонне, поступающих во внутреннее пространство через отверстие 7, и давления паров образцовой жидкости 9. Усилие на сильфоне 8, возникающее под действием этой разности давлений, через шток 6, рычаг 3 и уплотнительный сильфон 5 передается к преобразователю 4 силы в унифицированный пневматический сигнал. Этот сигнал пропорционален разности давлений насыщенных паров анализируемой и образцовой жидкостей при температуре аппарата. Диапазоны измерений от 0—1000 до 0—64000 Па; классы точности 1 и 1,5; постоянная времени 40 с; диапазон рабочих температур 0—150°С.

Схема механического анализатора упругости паров бензинов показана на рис. 10.9, б. Анализируемая жидкость поступает в блок подготовки 1, из которого с постоянным объемным расходом она подается в змеевик 3, расположенный в термостате 2, заполненном антифризом. Здесь путем подачи горячей воды в змеевик 9 с помощью регулятора 8 поддерживается постоянная температура, равная 38°С (при этой температуре по действующим стандартам определяется давление насыщенных паров бензинов). Из змеевика 3 анализируемая жидкость, нагретая до 38°С, поступает в сопло 5 струйного насоса. При истечении жидкости из сопла за счет вязкости струя увлекает за собой пары жидкости, находящейся в камере 4 струйного насоса, поэтому в названной камере создается разряжение тем большее, чем меньше упругость паров анализируемой жидкости. Измерение разряжения в камере 4 осуществляется вакуумметром 6 с унифицированным пневматическим сигналом, который по пневмопроводу подается вторичному прибору 7.

Диапазон измерений анализатора 250—650 мм рт. ст.; расход анализируемого вещества 800 см3/мин; абсолютная погрешность измерений 15 мм рт. ст.
§ 10.6. Средства измерений теплоты сгорания жидких и газообразных топлив
Теплота сгорания является характеристикой теплоценности топлива.

Под удельной теплотой сгорания понимают количество тепловой энергии, выделяющееся при полном сгорании единицы массы или единицы объема топлива. Соответственно различают удельные массовую и объемную теплоты сгорания. Информация о теплоте сгорания используется для управления процессом горения в огневых нагревательных аппаратах и для выполнения учетных операций, связанных с потреблением топлив. В качестве топлив на химико-технологических процессах используют мазут, попутный нефтяной и природный газы. Удельная массовая теплота сгорания мазута изменяется незначительно и жестко коррелирована с плотностью мазута. Поэтому автоматическое измерение этой величины можно свести к измерению плотности.

Газообразные топлива могут включать в свой состав помимо углеводородов негорючие компоненты, воздух, азот, диоксид углерода и др., поэтому для определения теплоценности топлив необходимо осуществлять измерение их удельной теплоты сгорания. Для газообразных топлив обычно измеряют удельную объемную теплоту сгорания.

Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Под высшей удельной объемной теплотой сгорания топлива QB понимают количество тепловой энергии, выделившееся при сгорании единицы объема топлива и конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания.

Под низшей удельной объемной теплотой сгорания топлива QН понимают количество тепловой энергии, выделившееся при скорости единицы объема топлива без учета энергии, выделяющейся при конденсации водяного пара из продуктов сгорания.

В огневых нагревательных аппаратах для предотвращения конденсации паров воды в дымоходах температура продуктов сгорания обычно составляет 110—130°С. Поэтому теплоценность топлив определяется низшей удельной теплотой сгорания.

Связь между высшей и низшей теплотами сгорания имеет вид

(10.26)

где qтеплота конденсации водяных паров, образующихся при сгорании единицы объема топлива.

Средства измерений удельной теплоты сгорания называют калориметрами. По принципу действия они относятся к термохимическим анализаторам (см. табл. 9.1). На рис. 10.10, а приведена схема автоматического калориметра, позволяющего получить информацию о высшей удельной объемной теплоте сгорания газообразных топлив. Работа калориметра основана на измерении количества тепловой энергии, выделяющейся в процессе химической реакции горения анализируемого газа. Последний с постоянным объемным расходом поступает через стабилизатор расхода 5 в горелку 11. Продукты сгорания омывают стенки теплообменника 5, размещенного в корпусе калориметра 7, и передают всю выделяющуюся тепловую энергию дистиллированной воде, которая непрерывно прокачивается через теплообменник. Воде также передается тепловая энергия, выделяющаяся на стенках теплообменника при конденсации паров воды, которые образуются при сгорании углеводородов. Образующийся конденсат собирается с помощью воронки 12 и стекает в емкость 13. Для подачи воды в теплообменник служат замкнутые системы, состоящие из резервуара 1, насоса 2, холодильника 3 и стабилизатора расхода 4. На входе и выходе теплообменника 8 размещены батареи термоэлектрических чувствительных элементов 6 к 10 (по 20 элементов в каждой батарее). Эти батареи включены дифференциально и с их помощью измеряется разность температур входящего в теплообменник и выходящего из него потоков воды. Сигнал U, поступающий на автоматический потенциометр 9, пропорционален указанной разности температур , которая в свою очередь пропорциональна высшей удельной объемной теплоте сгорания анализируемого газа:

, (10.27)

где kкоэффициент преобразования дифференциальной батареи термоэлектрических чувствительных элементов; QГ и QB — постоянные объемные расходы анализируемого газа и воды; объемная теплоемкость воды.

За отрезок времени 1—2 ч, в течение которого в емкость 13 собирается достаточное для измерения количество конденсата, можно определить среднее значение низшей объемной теплоты сгорания, используя формулу (10.26). Для этого необходимо вычислить среднее за этот интервал времени значение высшей объемной теплоты сгорания по показаниям потенциометра 9 и измерить количество конденсата.

Расход анализируемого газа 0,15—0,5 м3/ч; диапазон измерений 0—50-103 кДж/м3; классы точности 1—2.
На рис. 10.10,6 показана схема автоматического калориметра низшей объемной теплоты сгорания газов. Этот калориметр является анализатором циклического действия с импульсным вводом пробы анализируемого вещества и может работать в двух режимах: «Подготовка» и «Анализ».

Принцип действия калориметра состоит в измерении температуры газового потока, образующегося при сгорании пробы анализируемого вещества в пламени водорода. Измерение осуществляется с помощью так называемого пламенно-температурного детектора [22]. В камеру 3 этого детектора, расположенного в аналитическом устройстве 2, из блока подготовки газов 1 непрерывно подается воздух, а в миниатюрную горелку 5 (внутренний диаметр 0,5 мм)—водород. Кроме того, воздух как газ-носитель непрерывно прокачивается с постоянным объемным расходом через автоматический дозатор 14, колонку (трубку) 13 и горелку 5. В камере 3 распределителем 4 создается равномерный по сечению поток воздуха. Водород сгорает в горелке 5. Для контроля и зажигания пламени водорода служат термоэлектрический чувствительный элемент 7, нихромовая спираль 8 и автомат зажигания пламени 11. В дозатор 14 непрерывно подается анализируемый газ. Температура газообразных продуктов сгорания измеряется термоэлектрическим чувствительным элементом 6, сигнал которого подается на масштабирующий преобразователь 9. Сигнал последнего измеряется автоматическим потенциометром 10. В режиме «Подготовка» в горелке сгорает только водород, а формирующийся при этом сигнал термоэлектрического элемента 6 принимают за начальный уровень сигнала калориметра. Температура потока продуктов сгорания в сечении, в котором располагается термоэлектрический элемент 6, составляет 130—150°С. В этот период происходит продувка дозируемого объема дозатора 14 (см. § 12.3) анализируемым газом. Режим «Подготовка» длится 30—60 с. Затем по команде управляющего устройства 12 дозатор, а с ним и весь калориметр переводятся в режим работы «Анализ». При этом проба анализируемого газа вводится в поток газа-носителя (воздуха) и транспортируется им через колонку 13 в горелку 5. Колонка создает небольшую (15—30 с) задержку в поступлении пробы анализируемого газа из дозатора в горелку. Эта задержка необходима для завершения переходных процессов, возникающих при переключении дозатора. При поступлении пробы анализируемого газа в горелку горючие компоненты ее сгорают в пламени водорода. При этом увеличивается температура потока газообразных продуктов сгорания, измеряемая термоэлектрическим элементом 6. Изменение температуры (обычно несколько градусов) этого потока при постоянных расходах воздуха, водорода, газа-носителя и малом (не более 0,5—2 см3) объеме пробы анализируемого газа пропорционально низшей удельной объемной теплоте сгорания анализируемого газа. Сигнал термоэлектрического элемента имеет форму пика (см. рис. 9.3, б). Амплитуда этого сигнала используется в калориметре в качестве информативного параметра. В последующих циклах работы калориметра все операции повторяются. С помощью запоминающего устройства (на рис. 10.10, б не показано) сигнал преобразователя 9 может быть запомнен на время, равное одному циклу работы калориметра.

Расход анализируемого газа в рассматриваемых калориметрах 0,01 м3/ч; диапазон измерений 0—50-103 кДж/м3; продолжительность одного цикла работы 200 с; класс точности 2; температура аналитического устройства 50°С.

ГЛАВА 10 ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации