Методы и средства измерения плотности. Плотномеры.

Методы  и средства измерения  плотности. Плотномеры.

Плотность и методы ее определения.

Плотность-физ. величина, определяемая для однородного  в-ва его массой в единице объема (величина, обратная уд. объему в-ва); плотность  неоднородного в-ва-соотношение  массы и объема, когда последний стягивается к точке, в к-рой измеряется плотность. Отношение плотностей двух в-в при определенных стандартных физ. условиях наз. относительной плотностью; для жидких и твердых в-в ее измеряют при т-ре t, как правило, по отношению к плотности дистиллиров. воды при 4⁰C ( ), для газов-по отношению к плотн. сухого воздуха или водорода при нормальных условиях (T= 273,15 К, p = 1,01 · 10⁵ Па).

Для сыпучих  и пористых твердых в-в 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 кристаллич. в-в служит рентгеновская плотн. (определяют рентгенографически). Она представляет собой отношение массы атомов, находящихся в элементарной ячейке кристалла к.-л. в-ва, к ее объему; выражается в обычных единицах плотности.

Плотность в-в обычно уменьшается с ростом т-ры (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 след. единицы: г/см³, г/л, т/м³ и т.д.

Диапазон  значений плотности разных в-в 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). Нек-рые методы денсиметрии применимы также к газам. Иные методы определения их плотности основаны на связи ее с параметрами состояния в-в (напр., плотность идеальных газов м. б. вычислена по Клапейрона-Менделеева уравнению)и с зависимостью от плотности протекающих в них процессов (см. ниже).

При расчетах используют т. наз. среднюю плотность тела, определяемую отношением его массы т к объему V, т.е. а также др. соотношениями. 
 
 
 
 
 
 
 

Выбор, классификация и применение плотномеров. Осн. метрологич. и эксплуатац. характеристики, определяющие выбор плотномеров: точность, воспроизводимость, пределы, диапазоны и погрешности измерений, рабочие т-ры и давления, характер и степень воздействия анализируемых в-в на конструкц. материалы и т. п. Стандартная т-ра, при к-рой посредством плотномеров измеряют плотность в-в, равна 20⁰C. Для приведения к плотности при этой т-ре плотности, определенной при любой т-ре t, используют ф-лу:

где b-средний  коэф. объемного теплового расширения.

Относит. плотн. разных в-в при 20 ⁰C и соответствующие температурные поправки находят в справочной литературе по таблицам или номограммам.

Наиб. распространены ручные и автоматич. плотномеры для жидкостей. По принципу действия они делятся на след. осн. 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 гидростатич. взвешивания, автоматич. 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 ок. 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 к-рых основано и на др. принципах.

Относит. плотность  постоянна для всех химически однородных в-в и р-ров при данной т-ре. Поэтому по значениям плотности, измеренной посредством плотномеров, можно судить о наличии примесей в в-вах и о концентрации р-ров. Это позволяет широко применять плотномеры в науч. исследованиях и в разных отраслях народного хозяйства как ср-во для проведения разл. анализов, для контроля технол. процессов и автоматизации управления ими, для правильной организации системы количеств. учета материалов при их приемке, хранении и выдаче и т. д. В данной статье описаны важнейшие типы лаб. и технол. плотномеров, используемых в хим. и агрохим. лабораториях, хим. и смежных отраслях пром-сти.

Лабораторные  плотномеры. Эти приборы предназначены для ручного периодич. измерения относит. плотности в-в гл. обр. ареометрами, пикнометрами и гидростатич. весами.

Ареометры. В соответствии с законом Архимеда масса жидкости, вытесненная плавающим ареометром, равна его массе. Различают ареометры постоянной массы (наиб. распространены) и постоянного объема.

К ареометрам постоянной массы относятся денсиметры (рис. 1,а), шкалы к-рых градуируются в единицах плотности, и приборы для определения концентраций р-ров (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 м. б. 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 аналит. весах. Плотность твердых тел (порошков) измеряют, погружая их в сосуды, наз. волюмометрами (рис. 3), заполненные жидкостью, в к-рой исследуемое в-во не растворяется. Пикнометры спец. формы (шаровидные и др.) применяют также для определения плотности газов.

Приборы для  гидростатич. взвешивания. Данный метод определения плотности жидкостей и твердых тел также основан на законе Архимеда. Плотность жидкости измеряют, взвешивая в ней к.-л. тело (обычно стеклянный поплавок), масса и объем к-рого известны. Плотность твердого тела определяют его двукратным взвешиванием-сначала в воздухе, а затем в жидкости с известной плотностью (как правило, в дистиллиров. воде); при первом взвешивании находят массу тела, по разности результатов обоих взвешиваний - его объем. В зависимости от требуемой точности гидростатич. взвешивание проводят на техн., аналит. или образцовых весах (см. Весы). При массовых измерениях широко используют менее точные, но более быстродействующие спец. гидростатич. весы, напр.весы Мора, Вестфаля либо их комбинацию (рис. 4).

Плотность вязких жидкостей лучше всего измерять ареометрами или с помощью гидростатич. весов, маловязких -пикнометрами.

Наряду с  плотномерами традиц. типов в лаб. практике все чаще применяют приборы (см. ниже), к-рые до последнего времени  были распространены только в пром-сти.

Технологические плотномеры. Эти приборы представляют собой автоматические плотномеры обычно для непрерывного определения и регулирования плотности в-в в процессах их произ-ва или переработки. Такие плотномеры размещают непосредственно на "потоках", т.е. в контрольных точках на технол. линиях, а также на аппаратах пром. установок.

Автоматич. плотномеры выпускают в виде самостоят. 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 к-рого 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 с пневматич. 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 гидростатич. давления от высоты уровня и плотности жидкости. Давление столба жидкости измеряют непосредственно, напр. мембранным манометром, или косвенно-продуванием через жидкость воздуха, давление к-рого пропорционально столбу жидкости (пьезометрический плотномер, рис. 9). Чтобы исключить влияние колебаний т-ры и уровня жидкости, часто применяют дифференц. метод: продувают воздух одновременно через испытуемую и сравнительную жидкости, имеющие одинаковую т-ру (термостатированные), и измеряют возникшую при этом разность давлений дифманометром. Последний снабжен пневмопреобразователем, передающим соответствующий сигнал на вторичный прибор.