Колбочку взвешивают дважды: сначала вакуумированную, а затем наполненную исследуемым газом. По разности значений 2-х полученных масс узнают массу газа mв, г. При заполнении колбочки газом измеряют его давление , а при взвешивании — температуру окружающей среды, которую принимают за температуру газа в колбочке. Найденные значения р и Т газа дают возможность вычислить плотность газа при нормальных условиях (0 °С; около 0,1 МПа).
Для уменьшения поправки на потерю массы колбочки с газом в воздухе при ее взвешивании в качестве тары на Другом плече коромысла весов располагают запаянную колбочку точно, такого же объема.
Рис. 274. Приборы для определения плотности газа: колбочка (а) и жидкостной (б) и ртутный (в) эффуэиометры
Поверхность этой колбочки обрабатывают (очищают) каждый раз точно так же, как и взвешиваемой с газом.
В процессе вакуумирования колбочку немного нагревают, оставляя подключенной к вакуумной системе в течение нескольких часов, поскольку остатки воздуха и влаги удаляются с трудом. У вакуумированной колбочки может измениться объем из-за сжатия стенок атмосферным давлением. Погрешность определения плотности легких газов от такого сжатия может достигать 1%. В отдельных случаях для газа определяют и относительную плотность dв, т. е. отношение плотности данного газа рв к плотности другого газа, выбранного в качестве стандартного р0, взятого при тех же температуре и давлении:
где Mв и Mо — соответственно молярные массы исследуемого газа В и стандартного, например воздуха или водорода, г/моль.
Для водорода M0 = 2,016 г/моль, поэтому
Из этого соотношения можно определить молярную массу газа, если принять его за идеальный.
Быстрым методом определения плотности газа является метод измерения продолжительности его истечения из малого отверстия под давлением, которая пропорциональна скорости истечения.
время истечения газа В и воздуха соответственно.
Измерение плотности газа этим методом проводят при полоши эффузиометра (рис. 274,6) — широкого цилиндра б высоки около 400 мм, внутри которого находится сосуд 5 с основанием 7, снабженным отверстиями для входа и выхода жидкости. На сосуде 5 нанесены две метки М1 и М2 для отсчета объема газа, время истечения которого наблюдают. Кран 3 служит для впуска газа, а кран 2 — для выпуска через капилляр 1. Термометром 4 контролируют температуру газа.
Определение плотности газа по скорости его истечения выполняют следующим образом. Наполняют цилиндр б жидкостью, в которой газ почти нерастворим, чтобы был заполнен и сосуд 5 выше метки М2. Затем через кран 3 жидкость выдавливают из сосуда 5 исследуемым газом ниже метки М1, причем вся жидкость должна остаться в цилиндре. После этого, закрыв кран 3, открывают кран 2 и дают выйти излишку газа через капилляр 1. Как только жидкость достигнет метки М1 включают секундомер. Жидкость, вытесняя газ, постепенно поднимается до метки М2. В момент касания мениска жидкости метки М2 секундомер выключают. Опыт повторяют 2-3 раза. Аналогичные операции проводят и с воздухом, тщательно промыв им сосуд 5 от остатков исследуемого газа. Разные наблюдения длительности истечения газа не должны различаться более чем на 0,2 — 0,3 с.
Если для исследуемого газа нельзя подобрать жидкость, в которой он был бы малорастворим, применяют ртутный эффузионетр (рис. 274,в). Он состоит из стеклянного сосуда 4 с трехходовым краном 1 и уравнительного сосуда 5, наполненного ртутью. Сосуд 4 находится в стеклянном сосуде 3, выполняющем функции термостата. Через кран 1 в сосуд 4 вводят газ, вытесняя ртуть ниже метки М1. Выпускают исследуемый газ или воздух через капилляр 2, подняв уравнительный сосуд 5. Более чувствительными приборами для определения плотности газов являются газовый ареометр Штока (рис. 275,а) и газовые весы
Шток Альфред (1876-1946) — немецкий химик-неорганик и аналитик.
В ареометре Штока один конец кварцевой трубки раздут в тонкостенный шар 1 диаметром 30 — 35 мм, наполненный воздухом, а другой оттянут в волосок 7. Внутрь трубки плотно сдавлен небольшой железный стержень 3.
Рис. 275. Ареометр Штока (а) и схема установки (б)
Острием Отрубка с шаром опирается на кварцевую или агатовую опору. Трубка с шаром помешены в кварцевый сосуд 5 с пришлифованной круглой пробкой. Вне сосуда расположен соленоид 6 с железным сердечником. При помощи тока различной силы, протекающего через соленоид, выравнивают положение коромысла с шаром так, чтобы волосок 7 указывал точно на индикатор нуля 8. За положением волоска наблюдают при помощи зрительной трубы или микроскопа.
Ареометр Штока приваривают к трубке 2 для устранения каких-либо вибраций.
Шар с трубкой находятся в равновесии при данной плотности окружающего их газа. Если в сосуде 5 один газ заменить на другой при постоянном давлении, то равновесие нарушится из-за изменения плотности газа. Для его восстановления необходимо либо притянуть стержень 3 электромагнитом 6 вниз при понижении плотности газа, либо дать ему подняться вверх при увеличении плотности. Сила тока, протекающего через соленоид, при достижении равновесия прямо пропорциональна изменению плотности.
Прибор градуируют по газам известной плотности. Точность ареометра Штока 0,01 — 0,1%, чувствительность порядка ДО»7 г, диапазон измерений от 0 до 4 г/л.
Установка с ареометром Штока. Ареометр Штока / (рис-275,6) присоединяют к вакуумной системе так, что он висит на трубке 2 как на пружине. Колено 3 трубки 2 погружено в сосуд Дьюара 4 с охлаждающей смесью , позволяющей поддерживать температуру не выше -80 o C для конденсации пара ртути, если для создания вакуума в ареометре использует диффузионный ртутный насос. Кран 5 соединяет ареометр с колбой, содержащей иесследуемый газ. Ловушка защищает диффузионный насос от воздействием исследуемого газа, а приспособление 7 служит для точной регулировки давления . Вся система через трубку соединена с диффузионным насосом.
Объем газа измеряют при помощи калиброванных газовых береток (см. рис. 84) с термостатируемой водяной рубашкой. Во избежание поправок на капиллярные явления газовую 3 и компенсационную 5 бюретки подбирают одинакового диаметра и располагают в термостатируемой рубашке 4 рядом (рис. 276). В качестве запирающих жидкостей применяют ртуть, глицерин и другие жидкости, плохо растворяющие исследуемый газ.
Оперируют этим прибором следующим образом. Сначала заполняют бюретки жидкостью до уровня выше крана 2, поднимая сосуд б. Затем газовую бюретку соединяют с источником газа и вводят его, опуская сосуд б, после чего кран 2 закрывают. Для уравнивания давления газа, находящегося в бюретке 3, с атмосферным давлением сосуд б подносят вплотную к бюретке и устанавливают на такой высоте, чтобы мениски ртути в компенсационной 5 и газовой 3 бюретках были на одном уровне. Поскольку компенсационная бюретка сообщается с атмосферой (ее верхний конец открыт), при таком положении менисков давление газа в газовой бюретке будет равно атмосферному.
Одновременно измеряют атмосферное давление по барометру и температуру воды в рубашке 4 при помощи термометра 7.
Найденный объем газа приводят к нормальным условиям (0 °С; 0,1 МПа), используя уравнение для идеального газа:
V0 и V — приведенный к нормальным условиям объем (л) газа и измерен-иЬ1й объем газа при температуре t (°С) соответственно; р — атмосферное давление в момент измерения объема газа, торр.
Если газ содержит пары воды или находился перед измерением объема в сосуде над водой или водным раствором, то его Oбъем приводят к нормальным условиям с учетом давления пара воды p1 при температуре опыта (см. табл. 37):
Уравнения применяют в том случае, если атмосферное давление при измерении объема газа было сравнительно близко к 760 торр. Давление реального газа всегда меньше, чем у идеального, из-за взаимодействия молекул. Поэтому в найденное значение объема газа вводят поправку на неидеальность газа, взятую из специальных справочников.
Средства измерений плотности жидкостей и газов
Средства измерений плотности жидкостей и газов
Измерение плотности осуществляется для целей управления химико-технологическими процессами и выполнения операций учета количества сырья, топлива, реагентов и готовой продукции [3, c.274].
Плотностью вещества называют физическую, определяемую отношением массы вещества к занимаемому величину им объему.
Плотность жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плотность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жидкости практически от давления не зависит.
Средства измерений плотности называют плотномерами.
Весовые, или пикнометрические плотномеры.
Принцип действия этих механических плотномеров состоит в непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе, т. е. плотность определяется через удельный вес. Наиболее распространен плотномер жидкостей, схема которого показана на рис. 1, а.
Чувствительным элементом плотномера служит U-образная трубка 7 из нержавеющей стали, соединенная через
Рис. 1. Схемы весовых и поплавковых плотномеров жидкостей
тягу 3 с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 7, 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, выходной сигнал Свых 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 8 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 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. 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 / 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
где m—масса поплавка и стержня; V—объем поплавка; /—длина участка стержня, погруженного в жидкость; S — площадь поперечного сечения стержня.
При равенстве сил Gn и N с учетом действия на стержень на поверхности раздела фаз сил поверхностного натяжения:
где А — постоянная для данной жидкости величина, учитывающая поверхностное натяжение.
Длина /, а следовательно, и сигнал дифференциального трансформатора 5 однозначно связаны с плотностью жидкости. Массу т подбирают в зависимости от диапазона измерений.
Плотномеры с частично погруженным поплавком 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. 1, в показана схема поплавкового плотномера жидкостей с полностью погруженным поплавком 2. Последний размещен в камере 7, 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 б в унифицированный пневматический или электрический сигнал Свых.
Плотномеры данной конструкции позволяют измерять плотность от 0,5 до 1,2 г/см. 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 столба анализируемой жидкости или газа от плотности этих сред:
где Н—высота столба жидкости или газа.
На рис. 2, а приведена схема гидростатического плотномера жидкости. Анализируемая жидкость непрерывно прокачивается через камеру 1, в которой на опорной плате 9 размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами по высоте составляет Н, поэтому на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Указанные сильфоны и сильфон 2 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 О—0,5 г/см ; 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. 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 7. Через открытые торцы трубок газ барботирует через жидкость. Давление газа в трубках 1 и 2 определяется гидростатическим давлением столба
Рис. 2. Схемы гидро — и газостатических плотномеров жидкостей и газов
жидкостей высотой Hi и Н-г. Разность давлений в трубках измеряется дифманометром 6 с пневматическим или электрическим выходным сигналом. Этот перепад определяется выражением:
Наличие двух трубок позволяет исключить влияние на результат измерений возможных изменений уровня жидкости в аппарате.
Схема широко распространенного аэростатического плотномера газов показана на рис. 2, в. В этом плотномере анализируемый газ и воздух прокачиваются при постоянных давлениях соответственно через вертикальные трубки 7 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. 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.
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. 3 показаны упрощенные схемы газодинамических плотномеров газов. В плотномере (рис. 3, а) потоку анализируемого газа, протекающего через камеру 2, сообщается кинетическая энергия турбинкой 3, 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
где k — постоянный коэффициент, ω —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. 3,6, в) положен эффект истечения газа через диафрагму. В плотномере, представленном на рис. 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 /.
Рис. 3.Схемы газодинамических плотномеров газов
Перепад давлений (50—500 Па), возникающий на диафрагме 4, измеряется дифманометром 5 с унифицированным сигналом.
Плотномер способен измерять плотность газа в нормальных и рабочих условиях. Класс точности его 1.
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.
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. 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 5. 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 77, позволяющие корректировать сигнал плотномера в зависимости от значения средней температуры жидкости в нем.
Диапазон измерений данного плотномера 690— 1050 кг/м, температура жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м3.
На рис. 4, б показана схема погружного камертонного вибрационного плотномера газов. Здесь электромеханический генератор
Рис. 4. Схемы вибрационных плотномеров жидкостей и газов
состоит из воспринимающих катушек 2 с магнитом /, катушек возбуждения 6 с. магнитом 7, камертона 4, расположенного в корпусе 3, и электронного усилиЧастота 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.