Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

281

дает на ней за счет своей кинетической энергии вращающий момент,

определяемый формулой

M = kω

ρ,

(10.

11)

или

- P

= kρ,

(10.

12)

где k — постоянный коэффициент, ω — частота вращения турбинки 3.

Под действием этого момента

турбинка 4 поворачивается, а

возникающий на ней момент

уравновешивается моментом, созда-

ваемым на оси 8 плоской пружины 5.

Угол поворота оси 8 и стрелки 6 по шкале

пропорционален плотности газа. С помо-

щью 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 приво-

дится во вращательное движение через магнитную муфту 2 синхронным

двигателем или пневматической турбинкой /. Перепад давлений (50—500 Па),

возникающий на диафрагме 4, измеряется дифманометром 5 с уни-

фицированным сигналом.

В соответствии с выражениями (7.23), (7.25) этот перепад давлений

- P

= 0,5[Q/(αεF

)]

ρ.

(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

Рис. 10.3. Схемы газодинамических

плотномеров газов

282

из которых R

и R

включены в измерительную 4, а два других R

ср

и R

— 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 R

в атмосферу. При этом

давление в точке А изменяется, а в точке В остается постоянным. Разность

давления между точками А и В описывается выражением

ΔP = k(ρ – ρ

), (10.14)

где k — постоянный 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/м

с диапазонами измерений,

отсчитанными от значения плотности воздуха при 20°С и равными от ±0,1 до

±1,5 кг/м

. 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 находя-

щегося в анализируемом веществе, описывается в общем случае выражением

(

)

ρ+= kff 11

(10.15

)

где f

— частота колебаний резонатора при начальном значении плотности

анализируемого вещества; k — константа, 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

283

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/м

, температура

жидкости 10—100°С; абсолютная погрешность измерения ±1,5 кг/м

На рис. 10.4, б показана схема погружного камертонного вибрационного

плотномера газов. Здесь электромеханический генератор состоит из

воспринимающих катушек 2

Рис. 10.4. Схемы вибрационных плотномеров жид-

костей и газов

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 генерато-

ра, а разность частот этих колебаний, определяющих плотность

284

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:

SF η= ,

(10.16

)

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев

жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по которому

происходит сдвиг; dW/dn — градиент скорости W течения (быстроты

изменения ее от слоя к слою) по нормали п.

Коэффициент пропорциональности η называют динамической вязкостью.

Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению ее слоев.

Величину, обратную динамической вязкости φ = 1/η, называют текучестью.

Наряду с понятием динамической вязкости используют понятие

кинематической вязкости:

ν = η/ρ, (10.17)

Единица динамической вязкости в СИ — Па·с, в системе СГС—П (пуаз);

единица кинематической вязкости в СИ — м

/с, в системе СГС—ст (стокс).

Соотношение между названными единицами: 1П = 10

-1

Па·с; 1ст = 10

-4

/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:

( )

128

Q −

= ,

(10.18

)

где Q — объемный расход жидкости; d и I — внутренний диаметр и длина

капилляра; P

, Р

— давление до и после капилляра по потоку.

285

при постоянном объемном

расходе жидкости выражение (10.18) можно

преобразовать к виду

– P

= kη,

(10.19)

где k = 128lQ/(πd4) - постоянный коэффициент для принятого расхода

жидкости.

Из (10.19) следует, что для измерения динамической вязкости достаточно при

постоянном объемном расходе жидкости измерять перепад давлений на

капилляре.

На рис. 10.5, а

показана схема капиллярного вискозиметра, в котором для

создания постоянного объемного расхода анализируемой жидкости

используется шестеренчатый насос

Рис. 10.5. Схемы капиллярных вискозиметров

1, приводимый в движение синхронным двигателем 2. Из насоса

анализируемая жидкость поступает в змеевик 3, где нагревается до

температуры масла, заполняющего термостат б, 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 (Р

—Р

) практически не зависит от

динамической вязкости, а плотность анализируемой жидкости (например,

нефтяных масел) изменяется незначительно.

286

При таких условиях поддержание постоянного перепада давления (Р

—Р

)

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

ри атмосферном давлении. Перепад давления

—Р

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:

( )

ρ−ρ

W ,

(10.20

)

где W — скорость равномерного падения шарика; ρ

— плотность материала

шарика (ρ

> ρ); r — радиус 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

W = k

/η, (10.21)

где

( )

ш1

rgk ρ−ρ= — постоянный коэффициент.

Обычно измерение скорости W

сводится к измерению отрезка времени

τ, за который шарик, падая с

постоянной скоростью, проходит

некоторый постоянный отрезок пути l

между двумя принятыми отметками. В

этом случае

τ = l/W = lη/k

= kη,

(10.22)

где k = l/k

— постоянный

коэффициент.

Рис. 10.6. Схема шарикового вискозиметра

На рис. 10.6 показана схема шарикового вискозиметра циклического

действия. Анализируемая жидкость из аппарата 7 или трубопровода прокачива-

ется насосом 6 по трубке 1 из немагнитного материала снизу вверх и при своем

движении поднимает шарик 4 от нижней 11 до верхней 5 ограничительной сет-

ки. При выключении двигателя 8 насоса (периодическое включение

287

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 1. 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

M = kωη, (10.23)

где k — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции ротора

вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора (при постоянной

угловой скорости крутящий момент однозначно определяет вязкость

жидкости).

Рис. 10.7. Схемы ротационных вискозиметров

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 определяет-

288

ся 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 о, 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. refractus—

преломленный и от греч. metreo — измеряю). Для автоматических измерений

обычно используются рефрактометры,

Рис. 10.8. Схема рефрактометра

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

289

среду 1*, а остальная часть проходит в среду 2 и при этом меняет направление.

Математический закон преломления выражается зависимостью

sinα

/ sinα

= n

(10.24)

где α

и α

— углы падения и преломления светового луча; n

— константа,

называемая относительным показателем преломления вещества 2 по

отношению к веществу 1.

В соответствии с волновой теорией света показатель преломления

определяет отношение скоростей W

и W

распространения световых волн в

двух средах:

/ W

(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 управ-

ляет работой реверсивного двигателя 8, который через механическую передачу

поворачивает призму 7 до тех пор, пока освещенности фотоэлементов 9 и 10

опять не станут одинаковыми. Поло-

* Анализаторы, работа которых базируется на использовании отраженного

луча для получения измерительной информации, называют рефлектометрами

(от лат reflectere — отражатель и от греч. metreo — измеряю).

290

жение 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 (0

0,02) 10

-2

до (0

10) 10

-2

Классы точности 1,5 – 4 (в зависимости от точности 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

Рис. 10.9. Схемы анализаторов давления насыщенных паров

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 ко-