CC BY
329
Ермолаев А. Н. Егто1аег А. N.
кандидат технических наук, генеральный директор ООО НПФ «Экситон-автоматика», г. Уфа, Российская Федерация
Мельничук О. В. МеМ^^ O. V.
кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ электротехники, ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 531.756
СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД
Определение плотности различных жидкостей играет большую роль во многих отраслях промышленности (в химической, нефтяной, пищевой и других), а также при проведении научных исследований, поскольку плотность является важнейшей физической величиной, от которой зависят очень многие процессы или качество продукции. Определенные сложности возникают при проведении измерений плотности жидких дисперсных систем, т.е. смесей, в которых основная жидкая среда содержит взвешенные частицы другого, нерастворимого в основной среде вещества (эмульсии, различные технологические суспензии и пр.).
Для того чтобы избежать искажений результатов измерений плотности жидких дисперсных систем, необходимо учитывать их особенности — возможность деэмульгации, седиментации или флотации частиц, образование флокул, налипание частиц дисперсной фазы на чувствительный элемент и т.д. Применяемые в настоящее время средства измерения плотности жидкостей можно подразделить по принципу действия на ареометрические (поплавковые), пикнометрические (весовые), гидростатические (пьезометрические), вибрационные, ультразвуковые и радиоактивные.
Наиболее предпочтительными для жидких дисперсных систем методами определения плотности является вибрационный и ультразвуковой методы. Преимуществами эти методов являются высокая точность и стабильность измерений, возможность работы как при очень низких, так и при высоких температурах и значительном давлении в среде.
Для качественного проведения измерений плотности жидких дисперсных сред обязательным является исключение перепадов температур, а также использование механизма пробоподготовки (использование диспергаторов, гомогенизаторов и подобных устройств для исключения расслоения пробы, образования неоднородностей и пузырьков газа в исследуемой среде).
Приведенный в статье обзор позволил выявить наиболее предпочтительные методы для определения плотности жидких дисперсных систем — ультразвуковой и вибрационный. Ультразвуковой метод, несмотря на сложность реализации и необходимость пробоподго-товки, позволяет организовать бесконтактные измерения, в т.ч. в очень агрессивных средах; кроме того, диапазоны измерений плотности, а также диапазоны допустимых температур и давлений рабочей среды при использовании этого метода значительно шире по сравнению с вибрационным методом.
Ключевые слова: жидкие дисперсные системы, плотность, плотномер, средства измерения, ареометр, пикнометр, гидростатический плотномер, вибрационный плотномер, ультразвуковой плотномер, радиоактивный плотномер.
MODERN TECHNOLOGIES FOR MEASURING DENSITY OF LIQUID DISPERSION MEDIA
Density determination of various liquids is an important in many industries (chemical, petroleum, food, etc.) and scientific research, because density is the most important physical quantity and many processes and product quality depends on. It is difficult to measure the density of liquid disperse systems (compositions, where the main liquid medium contains suspended particles of another substance insoluble in the basic medium, for example, emulsions, various technological suspensions, etc.).
It is necessary to take into account of liquid disperse systems features: the demulsification, sedimentation or flotation of particles, floccullation, contamination of the sensor and other aspects.
Densitometers for liquid disperse systems can be subdivided according to the principle of action — areometric (float), pycnometric (weight), hydrostatic (piezometric), vibrational, ultrasonic and radioactive.
The most preferred methods for liquid disperse systems density determination are vibrational and ultrasonic methods. The advantages of these methods are high accuracy and stability of measurements, the ability to work at very low and high temperatures and high pressures in the medium.
For density of liquid disperse media measuring accuracy is necessary to eliminate temperature differences and use sample preparation mechanism (use of dispersants, homogenizers and similar devices to exclude sample stratification, formation of inhomogeneities and gas bubbles in liquid medium).
The presented review made it possible to identify the most preferable methods for determining the density of liquid disperse systems — ultrasonic and vibrational. Despite the complexity and needing for sample preparation ultrasonic method makes it possible to organize non-contact measurements including very aggressive medias; in addition, the ranges of measurements, temperatures and pressures of the working medium of this method are wider than in the vibrational method.
Key words: liquid disperse media, density, densitometers, measuring devices, areometer, pyc-nometer, hydrostatic densitometer, vibration densitometer, ultrasonic densitometer, radioactive densitometer.
Определение плотности различных жидкостей играет большую роль во многих отраслях промышленности (в химической, нефтяной, пищевой и других), а также при проведении научных исследований, поскольку плотность является важнейшей физической величиной, от которой зависят очень многие процессы или качество продукции. Контроль плотности жидкостей проводят как в лабораторных, так и в полевых условиях. Последнее часто выполняется непосредственно в потоке в производственном цикле или при транспортировке, что, конечно, является более сложной задачей, чем выполнение лабораторных измерений. Сложностей в измерениях плотности становится больше, если объектом измерения является не чистая жидкость, а дисперсная система, т.е. смесь, в которой основная жидкая среда содержит взвешенные частицы другого, нерастворимого в основной среде вещества [1].
К жидким дисперсным системам относятся, например, водонефтяные эмульсии, различные технологические суспензии и эмульсии в химии и фармацевтике, молоко и другие жидкие смеси в пищевой промышленности и т.д.
Особенность измерения плотности жидких дисперсных систем заключается в необходимости постоянно учитывать возможность нарушения их однородности: т.е. при определенных условиях возможны такие явления, как деэмульгация, седиментация или флотация частиц, образование флоккул и т.д. [2]. Возможно также налипание частиц к чувствительному элементу плотномера, что также приведет к погрешности измерения. Все это необходимо учитывать при выборе модели плотномера или датчика плотности, а также принимать специальные меры для обеспечения гомогенности жидкости.
Под плотностью, как известно, понимают отношение массы вещества к его объему [3]. Применяемые в настоящее время средства измерения плотности жидкостей можно подразделить по принципу действия на ареоме-трические (поплавковые), пикнометрические (весовые), гидростатические (пьезометрические), вибрационные, ультразвуковые и радиоактивные. Рассмотрим кратко эти классы, в том числе на предмет применимости для работы с жидкими дисперсными системами.
Наиболее простыми применительно к жидким дисперсным системам плотномерами в настоящее время являются ареоме-трические [4], принцип действия которых основан на измерении перемещения поплавка в зависимости от плотности жидкости.
Различают ареометры постоянной массы (с плавающим поплавком) и постоянного объема (с погружаемым поплавком). Ареометры постоянной массы применимы для определения плотности относительно однородных и чистых жидких сред и представлены множеством разновидностей по конструктивному исполнению и форме поплавкового устройства. Главным недостатком таких ареометров является невозможность использования для жидких сред с быстро оседающей дисперсной фазой и низкая точность измерений. Проблема загрязнения поплавка решается использованием принудительной вибрации или ультразвукового воздействия, в результате чего производится встряхивание осевших на поплавок частиц, однако при этом значительно усложняется структура средства измерения.
Ареометры постоянного объема несмотря на необходимость пробоподготовки обладают более равномерной шкалой по сравнению с ареометрами постоянной массы и имеют меньшую погрешность измерения из-за поверхностного натяжения среды [5]. Среди современных приборов этого типа можно выделить плотномеры компаний ООО «Союзцветметавтоматика» (Россия), Атом (Россия), Lemis Baltic (Латвия), Tobias Associates (США) [6] и др.
Работа пикнометрических плотномеров основана на непрерывном взвешивании объема образца, протекающего по каналу. По сравнению с ареометрами измерения пикнометром являются более точными, не зависят от скорости протекания жидкости, кроме того, возможно их использование с летучими жидкостями и суспензиями, но обязательным условием при этом является отсутствие пузырьков. Известны пикнометры компаний Elcometer Limited (Великобритания) [7], Стеклоприбор (Россия), Simax (Чехия) и др. (рисунок 1).
При помощи гидростатических плотномеров можно измерять плотность очень вязких жидкостей независимо от скорости протекания образца по каналу и поверхностного натяжения. Плотность в таких приборах определяется по давлению столба жидкости, в связи с чем требуется довольно большое количество образца, соответственно увеличиваются массогабаритные показатели [4]. Известны приборы этого типа производителей Lemis Baltic (Латвия) [8] и Mettler-Toledo (Швейцария) (рисунок 2).
/
а)
efcometgf'J 1800 | 180006100 I
ЭД- С - 1«
№100 ■ 10001«
)
ebomeier 1800 Tsoooeoed so-с -socnf
б)
а) ареометр DM-230.1A (Lemis Baltic); б) пикнометр Elcometer 1800 (Elcometer Limited) Рисунок 1. Пикнометрических плотномеры
Вибрационные плотномеры на сегодняшний день являются одними из самых точных и чувствительных в линейке приборов для измерения плотности. Принцип их действия основан на зависимости плотности образца от частоты колебаний резонатора. Главным достоинством является возможность применения при высоких давлениях для разнообразных сред, недостатками — зависимость от нелинейности шкалы и необходимость дополнительных мер по устранению влияния окружающей среды на резонатор [3]. На сегодняшний день известны вибрационные плотномеры компаний AFT (США), Lemis Baltic (Латвия), Mettler-Toledo [9] (Швейцария), Термэкс (Россия), Пьезоэлектрик (Россия) и др.
В основе измерении плотности ультразвуковым методом лежит зависимость плотности от скорости распространения ультразвука. Достоинствами являются бесконтактность метода, его высокая чувствительность, независимость от свойств исследуемой среды,
возможность исследований в поточном режиме. Недостатками являются сложность реализации и необходимость удаления пузырьков газа. Среди новых ультразвуковых плотномеров можно выделить приборы компании Геотрон (Россия) [10], Haffinans B.V. (Нидерланды), Flixim (Германия).
Радиоактивные плотномеры также являются бесконтактными средствами измерений плотности и применимы для очень агрессивных образцов с высокой вязкостью или находящихся под высоким давлением (плотномеры компании SAIP (Франция), Ohmart (США), НПП «Тетра» (Украина) [11] и др.) (рисунок 3). Принцип работы основан на измерении плотности в зависимости от поглощения средой бета- или гамма-излучения. Недостатками данного метода являются сложность реализации и зависимость от физических свойств исследуемого образца.
Наиболее предпочтительными для жидких дисперсных систем методами определения плотности являются вибрационный и ультра-
а) б)
а) гидростатический плотномер DM45 LiquiPhysics (Mettler-Toledo) б) вибрационный плотномер ВИП-2МР (ООО «Термекс») Рисунок 2. Гидростатические плотномеры
а) ультразвуковой плотномер PLM Plato Monitor (Haffinans B.V.) б) радиоактивный плотномер ПРИЗ-Т (ООО НПП «Тетра») Рисунок 3. Радиоактивные плотномеры
Таблица 1. Сравнительные характеристики современных вибрационных и ультразвуковых средств измерения плотности
Наименование характеристики Вибрационный метод Ультразвуковой метод
Абсолютная погрешность измерений, кг/м3 (±) 0,1 - 0,6 0,1 - 0,5
Диапазон измерений для жидких дисперсных систем, кг/м3 600 - 1600 600 - 2000
Воспроизводимость измерений, кг/м3 0,5 - 5 0,5 - 2
Диапазон температуры рабочей среды, °С -70 ...+200 -90 ...+ 200
Максимальное давление в среде, МПа 5 - 25 0 - 50
Вязкость жидкости, не более, мм2/с 20000 20000
звуковой методы. Сравнительные характеристики современных вибрационных и ультразвуковых средств измерения плотности приведены в таблице 1. Преимуществами этих методов является высокая точность и стабильность измерений, возможность работы как при очень низких, так и при высоких температурах и значительном давлении в среде.
Важным аспектом при измерении плотности жидких дисперсных систем является ее зависимость от температуры и пузырьков газа, исключить которую можно введением механизма пробоподготовки, температурных поправок или термостатированием приборов.
Вывод
Таким образом, анализ достоинств и недостатков существующих средств измерения плотности жидких дисперсных сред
Список литературы
1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988. 463 с.
2. Клейтон В. Эмульсии их теория и технические применения. М.: ИЗИНЛ, 1950. 680 с.
3. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия, 1980. 278 с.
4. Викторов В.А., Лункин Б.В. Измерение количества и плотности различных сред. М.: Энергия, 1973. 109 с.
5. Измерения массы, плотности и вязкости / В.Я. Кузьмин, С.И. Торопин, Ю.В. Тар-беев и др. М.: Изд-во стандартов, 1988. 175 с.
6. Densitometers [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.densitometers.net/ densitometers_main.aspx#main (дата обращения: 28.10.2017).
7. Density Cups (Picnometers). Продукция компании Elcometer [Электронный ресурс].
позволяет сделать вывод о том, что для большинства случаев более предпочтительными являются плотномеры, основанные на ультразвуковом и вибрационном методах. Особенно стоит выделить ультразвуковой метод, который, несмотря на сложность реализации и необходимость пробоподготовки, позволяет организовать бесконтактные измерения, в т.ч. в очень агрессивных средах. Кроме того, проведенный обзор современных вибрационных и ультразвуковых плотномеров показал, что при использовании ультразвукового метода диапазоны измеряемых плотностей, а также диапазоны рабочих температур и давлений значительно шире, чем при применении вибрационного метода.
Режим доступа: http://www.elcometer.com/en/ physical-test-equipment/density.html (дата обращения: 28.10.2017).
8. Densitometers. Продукция LEMIS Baltic [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://lemislab.com/pages/index.php?mid=8 (дата обращения: 28.10.2017).
9. Плотномеры. Продукция компании Mettler Toledo [Электронный ресурс]. Режим доступа: https:// www.mt.com/ru/ru/home/ products/Laboratory_Analytics_ Browse/ Density_Family_Browse_main.html (дата обращения: 28.10.2017).
10. Плотномеры. Продукция АО «ГЕОТРОН» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://geotron.ru/ru/products (дата обращения: 28.10.2017).
11. Плотномер ПРИЗ-Т. Продукция компании НПП «Тетра» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tetra.ua/produc-tion/radioisotope_apparatus/priz-t (дата обращения: 28.10.2017).
References
1. Frolov Yu.G. Kurs kolloidnoj himii. Poverhnostnye yavleniya i dispersnye sistemy: uchebnik dlya vuzov. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Himiya, 1988. 463 s.
2. Klejton V. Emul'sii ih teoriya i tekhni-cheskie primeneniya. M.: IZINL, 1950. 680 s.
3. Kivilis S.S. Plotnomery. M.: Energiya, 1980. 278 s.
4. Viktorov V.A., Lunkin B.V. Izmerenie kolichestva i plotnosti razlichnyh sred. M.: Energiya, 1973. 109 s.
5. Kuz'min V.Ya., Toropin S.I., Tarbe-ev Yu.V. i dr. Izmereniya massy, plotnosti i vyazkosti / Pod red. Yu.V. Tarbeeva. M.: Izd-vo standartov, 1988. 175 s.
6. Densitometers. Produkciya kompanii Tobias Associates [Electronic Resource]. Available at: http://www.densitometers.net/densito-meters_main.aspx#main (accessed 28.10.2017).
7. Density Cups (Picnometers). Produkciya kompanii Elcometer [Electronic Resource].
Available at: http://www.elcometer.com/en/ physical-test-equipment/density.html (accessed 28.10.2017).
8. Densitometers. Produkciya LEMIS Baltic [Electronic Resource]. Available at: http:// lemislab.com/pages/index.php?mid=8 (accessed 28.10.2017).
9. Plotnomery. Produkciya kompanii Mettler Toledo [Electronic Resource]. Available at: https://www.mt.com/ru/ru/home/products/ Laboratory _Analytics_Browse/Density_ Family_Browse_main.html (accessed 28.10.2017).
10. Plotnomery. Produkciya AO «GEOTRON» [Electronic Resource]. Available at: http://geotron.ru/ru/products (accessed 28.10.2017).
11. Plotnomer PRIZ-T. Produkciya kompanii NPP «Tetra» [Electronic Resource]. Available at: http://www.tetra.ua/production/ radioisotope_apparatus/priz-t/ (accessed 28.10.2017).
