Единица плотности есть физический показатель характеристики, определяемой для веществ однородного характера (жидкого, твердого, газообразного) при помощи их массы в единице их объёма. Характеристика плотности для неоднородных же веществ исчисляется соотношением массы и объёма, когда весь объём вещества сосредотачивается в месте замера плотности. При снятии показаний плотности относительной берётся соотношение двух веществ при соблюдении нормальных условий: для жидких состояний относительная плотность снимается при температуре, относящейся к плотности дистиллированной воды 4 °С, а, определяя относительную плотность газов, исходят из отношения к плотности водорода (сухого воздуха) также при поддержании нормальных условий. С увеличением температуры растет давление вещества или тела, под воздействием чего происходит тепловое расширение, влекущее за собой уменьшение показателя плотности. Данная плотность при изменении агрегатного состояния для данного вещества также идёт на убыль, но скачкообразно.
По Международной системе единиц для определения показателей плотности служит единица, выражаемая в кг/м³, однако практика допускает применение и других единиц, как г/см³, г/л, т/м³.
Значения плотности для различных материалов находятся в довольно широких диапазонах измерений. Возможности определения плотности веществ в жидких и твердых состояниях носят название денсиметрии, некоторые её методы подходят и для газов.
Для чего нужно определять плотность? Для жидкостей, например, определение плотности важно пo двyм пpичинaм. Пepвaя заключается в оценке жидкости с кaчecтвeнной стороны, при проверке её плoтнocти смотрят на cooтвeтcтвиe жидкости нopмaм показателей качества. Тaкиe замеры делаются, как правило, лaбopaтopно, с помощью лaбopaтopных плoтнoмepов. Вторая пpичинa определения плoтнocти заключается в pacчeте мaccы жидкocти. Так как пpи измeнeнии тeмпepaтypы не происходит изменения мaccы жидкocти, то пpинятo учитывать количество жидкocти не по литрам, то есть нe пo oбъeмy, а пo мacce, то есть по килoгpaммам, в которых она выражается.
Характеристика плотности любого вещества зависит:
Прямая зависимость: больше масса атомов, значит больше плотность вещества. Рассматривая те же вещества в ином агрегатном состоянии, мы видим, что плотность их разная в зависимости от состояния.
У жидких веществ плотность же компоновки атомов и молекул ещё сохраняется высокой, поэтому плотность жидкого вещества не очень сильно отлична от его плотности в твердом виде.
У газов молекулы очень слабо соединены между собой с большой удалённостью друг от друга, поэтому плотность упаковки атомов очень низкая, а значит, вещество в виде газа обладает невысокой плотностью.
Численно плотность выражается в отношении массы вещества к его объему. Известная формула расчета: плотность = Масса / Объем.
ρ = m·V
Точность параметров при определении характеристики плотности имеет огромное значение в разработке и при выпуске средств измерений в различных промышленных сферах, как приборостроение и метрология, которые тесно связаны с анализом свойств определенных веществ и материалов. Не менее актуальным считается вопрос о выборе различных возможностей определения плотности веществ в исследованиях в космической сфере, в решении вопросов по охране окружающей среды, в вопросах исследования плазмы, а также в новых технических и научных отраслях.
Для определения характеристик плотностей жидкостей и газов существуют практически одинаковые методы. Средства измерения, представленные в виде плотномеров, различаются по своему конструктивному исполнении и принципу действия. Существует много разных групп методов возможного определения плотности. Большую группу составляют поплавково-весовые методы, базирующиеся на определении выталкивающей силы, действующей на тело или вспомогательный элемент - поплавок и по закону Архимеда имеющей прямо пропорциональную зависимость от плотности среды. К этой группе относятся измерения ареометром, посредством гидростатического взвешивания, поплавковый, флотационный способы определения плотности. К следующей группе относятся гидростатические методы определения характеристики плотности, которые определяет зависимость статического давления столба жидкости или газа постоянной высоты от их плотности. К отдельной группе можно отнести гидродинамические методы, зависимые от плотности других физических величин, например, времени истечения жидкости или газа из отверстия, степени удара струи о барьер, энергии потока жидкости, динамического давления.
Для определения плотности жидких веществ характерны следующие методы, и соответственно, средства измерений.
Методы плавучести
Для осуществления данных методов тело, на которое давит выталкивающая, равная весу вытесненной телом жидкости сила, частично или полностью погружается в жидкость. Этот метод реализуется с помощью поплавковых плотномеров:
Ареометр представляет собой, пожалуй, одно из самых простых средств измерения, не нуждающихся в обслуживании и относительно дешёвое средство, представляющее собой обычную взвешенную трубку, плавающую в жидкости. Трубка погружается в жидкость на глубину, обусловленную плотностью данной жидкости. Нижняя часть трубки при калибровке заполняется дробью или ртутью, чтобы получить необходимую массу. Вес ареометра идентичен весу вытесненной им жидкости. По шкале, находящейся на верхней, узкой части ареометра, считывается значение плотности на уровне поверхности жидкости. Основой работы ареометра служит Закон Архимеда и полагают, что этот прибор изобрела Гипатия, которая преподавала на тот момент в Александрийской школе.
Среди этих приборов различают ареометры с постоянным объёмом и ареометры с постоянной массой. Для контроля плотности жидкости используется сухой и чистый ареометр постоянной массы, который помещается в сосуд с этой жидкостью. Он должен свободно плавать в сосуде. Для контроля плотности жидкости ареометром с постоянным объёмом необходимо изменить его массу, при которой он будет погружен в жидкость до указанной метки. Плотность снимают по массе груза (гирьки) и на основании объёма вытесненной жидкости. Ареометры постоянной массы можно подразделить по их назначению на 2 следующие группы:
Широко применяют на практике вышеописанный метод в целях определения относительной плотности этилового спирта и кислот (серной, азотной и соляной). Анализы с помощью данного метода выполняются быстро, что относится к его положительным моментам. Также с его помощью можно анализировать жидкости, имеющие довольно высокую вязкость. Однако точность измерения данным методом оставляет желать лучшего, что относится к его недостаткам, а также для измерений необходимо относительно большое количество жидкости.
Метод гидростатического взвешивания
Флотационный метод снятия характеристик плотности
В лабораториях химических производств и фармацевтических заводов при проведении технических анализов обычно наряду с ареометрами используют пикнометры. Пикнометр изобрел в 1859 году Менделеев Д.И.
Перед началом анализа пикнометр в чистом и сухом состоянии взвешивается с помощью аналитических весов. Точность взвешивания должна составлять до 0,0002 г. Затем в пикнометр заливают дистиллированную воду чуть выше метки, закупоривают пробкой и ставят в термостат. Выдержав пикнометр в термостате при 20 °С в течение 20 минут, уровень воды в нём быстро доливают до отметки. Лишнюю воду убирают пипеткой или свернутой полоской из чистой фильтровальной бумаги. Пикнометр снова закупоривают, нагревают в термостате 10 минут, проверяют, соответствует ли уровень жидкости метке. Затем пикнометр насухо вытирают чистой мягкой тряпочкой и оставляют на 10 минут. Затем снова взвешивают на аналитических весах. После этого из устройства (пикнометра) выливают воду, ополаскивают его спиртом, затем эфиром, удаляют остатки эфира, продув пикнометр воздухом, и заливают в него испытуемую жидкость. Затем осуществляют операции в той же последовательности, в которой работали с дистиллированной водой.
Плотномеры объёмно-весового типа. Принцип работы данных измерителей состоит в том, что масса вещества имеет прямо пропорциональную зависимость от плотности при постоянном объеме этого вещества. Для определения плотности достаточно будет непрерывно взвешивать какой-то объем протекающей по трубопроводу жидкости. Преимуществами этих устройств является то, что ими можно определять плотность пульп, суспензий, жидкостей (высокой степени загрязненности, вязких и летучих); снятые ими показания не зависят от времени протекания жидкости и её свойств; ими возможно определять плотность при высоких показателях давлений (макс. 2,5 МПа); измерительная полость устройства имеет неизменное поперечное сечение, что предотвращает осаждение твердых включений из потока, они обладают высокими параметрами чувствительности и высокой точности измерения; диапазон измерений данными приборами регулируется в широких пределах (100 - 2000 кг/м³). Ограничение области использования объемно-весовых плотномеров объясняется недопустимостью включений газов в жидкости.
Методы на основе определения давления. Для осуществления данных методов берется разница давлений между двумя уровнями жидкости или газа hρg, причём h это высота между уровнями, ρ – это плотность вещества в жидком состоянии и g – ускорение земного притяжения.
Вибрационные методы.
Вибрирующий цилиндр Данное средство измерения служит для определения плотностных характеристик газов, для чего в газ погружается тонкостенный цилиндр. При зажимании цилиндра с одной стороны, в цилиндре создаются колебания подобно описанной выше вибрирующей трубе. Частота цилиндра поддерживает колебательные движения в нём, и газ, контактирующий со стенками цилиндра, тоже колеблется. Соотношение между частотой цилиндра и плотностью газа представляет собой следующее уравнение:
ρ = 2d0[(f0-f)/f]·[1+K/2((f0-f)/f)]
При этом f является частотой для создания колебаний газа, имеющего плотность ρ, f0 – показатель частоты в вакууме, а d0 и K являются постоянными величинами для данной трубы. Данный метод можно применять для газов с целью определения в них значений плотности до 400 кг/м³.
Характеристику плотности газа можно определить методом истечения при помощи эффузиометра, точность измерения составляет до 1-2%. Плотность можно определить данным методом за несколько минут. Известен тот факт, что если перепады давлений (до 500 мм водяного столба) невелики, то скорости истечения у разных газов имеют обратно пропорциональную зависимость от квадратных корней, извлекаемых из показателей плотностей этих газов. Это значит, что время истечения одинаковых газовых объемов из малых отверстий пропорционально квадратным корням из единиц плотностей этих газов. Имеются в виду одни и те же температурные предпосылки и одинаковые давления, т. е.
τв/τг = √(Q0в/Q0г)
при этом Q0г - определяемая плотность рабочего газа, кг/м³;
Q0в - показатель плотности известного газа, кг/м³;
τr - время истечения рабочего газа, сек;
τв - время истечения известного газа, сек.
Продолжительность истечения рабочего газа обычно сравнивается со скоростью истечения воздуха (одинаковые температурные условия и одинаковое давление), тогда
Q0г = 1,293·(τ²г/τ²в)
Эффузиометр представляет собой сосуд большого диаметра 120-150 мм, изготовленный из стекла и имеющий высоту ок. 400 мм. В эту ёмкость вставляется другой сосуд, имеющий меньший диаметр 25-30 мм, который в двух местах сужается и имеет верхнюю и нижнюю метки. Меньший по диаметру сосуд открыт снизу, сверху у него расположена крышка, в которой распределены две трубки с кранами. Через одну трубку сосуд заполняется рабочим газом, через другую осуществляется выпуск газа. В конце этой трубки находится платиновая диафрагма, имеющая небольшое отверстие. В большой сосуд заливается выше верхнего уровня вода (дистиллированная). Малый сосуд, расположенный внутри, в это время заполнен воздухом. Краны закрыты, а уровень воды в малом сосуде должен быть меньше нижнего уровня. Температуру воды во время измерения необходимо поддерживать на постоянном уровне. Открыв кран трубки с малым отверстием, выпускают воздух и замеряют секундомером время его прохождения от минимального до максимального уровня. Получив более достоверные данные, замеряют время истечения рабочего газа, соблюдая при этом аналогичные условия измерения и такой же объём.
Гидро-газо (аэро) динамические устройства (плотномеры). Данные плотномеры используют при определении малых по показателям плотностей газов. Принцип работы этих плотномеров механического типа характерен тем, что поток анализируемого газа снабжается дополнительной кинетической энергией и измеряются возникающие при этом параметры.
В плотномере потоку анализируемого газа, который протекает через камеру, сообщается кинетическая энергия. Энергия подается посредством турбинки, приводимой во вращение синхронным механизмом. Поток газа подступает к турбинке, на которой создает с помощью собственной кинетической энергии момент вращения, под действием которого турбинка разворачивается, а образующийся на ней момент уравновешивается моментом, имеющимся на оси плоской пружины. Угол поворота оси и стрелки по шкале прямо пропорционален плотности газа. Преобразователь преобразует угол поворота в сигнал.
Ультразвуковые плотномеры. Устройства данного вида для определения плотности вещества используют ультразвук, продолжая развивать тем самым перспективное направление в развитии плотномеров. УЗ (ультразвуковые) колебания это те колебания, которые по частоте превышают верхнюю границу предела звуков, улавливаемых человеческим органом слуха. Ультразвуковое колебание в среде может создаваться любым колеблющимся телом, которое находится в контакте с этой средой. Для определения показателя плотности в этой среде необходимо будет определить скорость распространения ультразвука в ней. УЗ-метод высокочувствительный метод, почти совсем безынерционен и исключает контактирование с контролируемой средой, а значит, может работать в агрессивных средах. УЗ-плотномеры, для которых характерна чувствительность к скорости ультразвука, можно подразделить на измерители:
Радиоизотопные и вихревые приборы (плотномеры). Плотномеры данного вида представляют собой бесконтактные устройства. Что это означает? То, что чувствительный элемент не контактирует со средой, плотность которой нам нужно будет определить. Данное оборудование целесообразно выбирать для применения при определении показателей плотностей агрессивных жидких сред или жидкостей с довольно высокой вязкостью, пульп и жидкостей, работа с которыми связана с высоким давлением или проводится при высокой температуре в больших трубопроводах. К их услугам прибегают лишь тогда, когда другие, описанные нами выше плотномеры применять невозможно. Большим достоинством устройств радиоизотопного действия является возможность их применения в труднодоступных местах для контроля плотности среды. Но их сильная зависимость при выдаче показаний от физических свойств среды или контролируемого вещества считается негативным моментом, и это требует отдельной градуировки на шкале устройства для каждого вида вещества. Определение характеристики плотности жидкостей, находящихся в трубопроводах и ёмкостях, посредством гамма-излучения можно делать двумя методами. Первый метод основан на поглощении излучения жидкостью, он базируется на следующем процессе. После прохода через жидкость у прямого пучка гамма-излучения определяется уровень ослабления интенсивности. Источник излучения и приемник лучей размещаются по обеим сторонам трубопровода (ёмкости) по линии его (её) диаметра. Прямой пучок гамма-излучения попадает в приемник излучения, как только проходит через стенки трубопровода (ёмкости) и через проверяемую жидкую среду. 2-ой способ определения плотности посредством гамма-излучения базируется на контроле ослабления интенсивности гамма-излучения, пучок которого подвергается рассеянию в жидкости. Источник излучения и приемник гамма-излучений размещают по одной стороне трубопровода, а не по обе, как в первом случае, и экранируют, чтобы в приемник поступало только то гамма-излучение, пучки которого прошли через процесс рассеяния в жидкости. Далее путь прямого пучка излучения проходит к свинцовому поглотителю.
Мы уже неоднократно останавливались на важности определения плотности при проведении научных и исследовательских работ в науке и технике, при проведении мониторинга технологических операций и качества продукции. Огромное значение имеют устройства для определения плотности веществ, работающие в автоматическом режиме измерения, являясь при этом весьма важным компонентом комплексной автоматизации процессов химической, металлургической, а также производства пищевых продуктов. Сегодня уделяют много внимания и выделяют средства на разработку новых методов определения плотности, разработку и выпуск новых плотномеров современного конструктивного исполнения, которые основаны на этих методах, исследование и освоение новых промышленных производств, связанных с выпуском плотномеров. С ростом и расширением новых технологий и новых производств возрастает роль и значимость процесса определения плотности. Весьма велика роль определения характеристики этой физической единицы и в организации учета количества (по массе) веществ во время их приемки, хранения и отгрузки. Если массу вещества невозможно определить, просто взвесив его на весах, то ее определяют по результатам определения объема и плотности.
Большую популярность получают вновь освоенные методы измерений, связанные с применением определённых физических явлений и использованием величин, однозначно зависящих от плотности, например, ослабление радиоактивного излучения, скорость распространения звука в веществе, частота и амплитуда колебаний вибрирующего вспомогательного тела, параметры имеющих место в потоке жидкости или газа вихрей.
Главные функциональные элементы – нагреватель, циркуляционный насос и управляющая электроника. Электронное пропорциональное регулирование температуры адаптировано к нагреву, подаваемому согласно термическим требованиям ванны.
Настройка осуществляется легко и быстро при помощи клавишной панели с символами, которые легко изучаются. Клавишная панель устойчива к брызгам, легко чистится и имеет эргономичную конструкцию.
Встроенный микропроцессор позволяет регулировать и настраивать рабочую температуру и желаемые предупреждающие пределы сверхвысокой и низкой температуры. Регулируемые настройки отображаются на дисплее.
Комплектация:
Термостатирующая баня (емкость должна быть защищена от протекания с термоизоляцией). Максимальная раб.температура: +150°C, стабильность: ±0,01°C .
Термостатирующая баня включает: ёмкость из боросиликатного стекла, двухслойную вставку бани из нержавеющей стали для тепловой защиты пользователя с четырьмя отверстиями в крышке для размещения четырех цилиндров для ареометров или для установки четырех переходных колец.
Дополнительное отверстие служит для размещения охлаждающего зонда или охлаждающего элемента внешней циркуляционной системы охлаждения. Термостатирующее устройство включает: микропроцессорный контроллер температуры; цифровой дисплей; системы защиты от превышения температуры и понижения уровня; охлаждающий змеевик для подключения внешней системы охлаждения.
Дополнительные приспособления: ёмкость для защиты от протекания с термоизоляцией; цилиндры для ареометров; переходные кольца для держателей пикнометров; крышки для закрытия неиспользуемых отверстий бани. Питание: 230В-50/60Гц.
Испытания при температуре ниже +25°C требуют применения системы внешнего охлаждения, например, циркуляционного охладителя.
Комплектация:
термостатирующая баня (емкость должна быть защищена от протекания с термоизоляцией). Максимальная раб.температура: +150°C, стабильность: ±0,01°C.
Термостатирующая баня включает: ёмкость из боросиликатного стекла, двухслойную вставку бани из нержавеющей стали для тепловой защиты пользователя с четырьмя отверстиями в крышке для размещения четырех цилиндров для ареометров или для установки четырех переходных колец. Дополнительное отверстие служит для размещения охлаждающего зонда или охлаждающего элемента внешней циркуляционной системы охлаждения.
Термостатирующее устройство включает: микропроцессорный контроллер температуры; цифровой дисплей; системы защиты от превышения температуры и понижения уровня; охлаждающий змеевик для подключения внешней системы охлаждения. Дополнительные приспособления: ёмкость для защиты от протекания с термоизоляцией; цилиндры для ареометров; переходные кольца для держателей пикнометров; крышки для закрытия неиспользуемых отверстий бани. Питание: 230В-50/60Гц
Испытания при температуре ниже +25°C требуют применения системы внешнего охлаждения, например, циркуляционного охладителя.
Дополнительное оборудование и акссессуары.
Персонал компании Интех ГмбХ (Intech GmbH) готовы ответить на любые технические вопросы по поставляемому компанией оборудованию (приборам) для определения плотности газа или жидкости.
Определение плотности газа или жидкости
Установление причин возникновения коррозии (коррозионных поражений) сосудов и трубопроводов
Анализаторы для определения давления паров в бензине
Анализаторы кислоты
Анализаторы серы
Поточные анализаторы
Коммерческие системы и узлы учета газа
Расходомеры газа, воды. Мультифазные расходомеры
Атомно-абсорбционный спектрофотометр
Анализаторы хлора
Gas/liquid density measurement instruments and equipment
Geräten und Ausrüstungen für die Dichtebestimmung von Gasen und Flüssigkeiten