Радіоізотопні густиноміри забезпечують вимірювання в межах 500...3500 кг/м3 з діапазоном вимірювання 25...500 кг/м3 і відносною похибкою ±1 %.

Вібраційні густиноміри. Принцип дії цих механічних густиномірів ґрунтується на залежності параметрів пружних коливань (вібрації), які передаються камері з аналізованою речовиною, від її густини. Зазвичай як параметр пружних коливань використовують власну частоту резонатора, який перебуває в режимі автоколивань. Резонатори вібраційних густиномірів утворюють з трубки, пластини, стрижня, струни тощо.

Частота власних коливань резонатора (заповненого або зануреного в аналізовану речовину). Розрізняють проточні та заглибні вібраційні густиноміри. Схему проточного вібраційного густиноміра для рідин показано на рис. 8.

Рисунок 8 - Схема вібраційного густиноміра:

1,2- трубки резонатора; 3 - котушка для сприймання коливання трубок резонатора; 4 - котушка збудження; 5 - перемички; 6 - сильфони; 7 - опори; 8,11 - ТО; 9 - обчислювальний пристрій; 10- підсилювач.

Аналізована рідина одночасно надходить у паралельні трубки 1 та 2, які встановлені на сильфонах 6 та скріплені перемичками 5 і утворюють резонатор. Сильфони закріплено в опорах 7. Трубки 1, 2, котушка 3, що сприймає коливання трубок резонатора, котушка збудження 4 та електронний підсилювач 10 складають електромеханічний генератор, частота коливань якого визначається густиною аналізованої рідини. Вихідний частотний сигнал підсилювача 10 надходить до обчислювального пристрою 9, до якого підключені ТО 8 та 11, які дозволяють коригувати сигнал густиноміра залежно від температури аналізованої рідини у ньому.

Діапазон вимірювання становить 690... 1050 кг/м3, температура рідини - 10... 100 °с, основна абсолютна похибка - ±1,5 кг/м3.

2.

В'язкість (внутрішнє тертя) - це властивість плинних тіл (рідин і газів) виявляти опір переміщенню однієї їх частини відносно другої, тобто взаємному переміщенню їхніх частинок. Основний закон в'язкої течії описується формулою Ньютона:

де F - тангенціальна (дотична) сила, що спричинює зсув шарів рідини (газу); S - площа внутрішнього тертя (площа шару, по якому відбувається зсув); dv/dn - градієнт швидкості V течії (швидкості змінювання її від шару до шару) по нормалі n.

Коефіцієнт пропорційності μ називають динамічною в'язкістю (іноді її позначають літерою η). Коефіцієнт ц характеризує опір рідини (газу) переміщенню її шарів. Величину, обернену динамічній в'язкості, φ = 1/μ називають плинністю.

Одиниця виміру динамічної в'язкості в системі СІ - Па∙с, а в системі СГС - П (пуаз): 1 Па∙c = 1 Н∙с/м²; 1 П = 0,1 Па∙с. Також використовують термін кінематична в'язкість ν = μ / ρ, одиницею виміру якої є м/с².

В'язкість у загальному випадку не є адитивною фізичною властивістю. В'язкість рідин з підвищенням температури зменшується, газів - збільшується. Взагалі розглядати в'язкість незалежно від температури неможливо. Найчастіше використовують в'язкість за температур 20, 50 і 100 °С.

У хіміко-технологічних процесах віскозиметри використовують лише для вимірювання в'язкості рідин. До найпоширеніших автоматичних вимірювачів в'язкості належать ротаційні, вібраційні та кулькові віскозиметри.

Ротаційні віскозиметри. Під час обертання тіла у в'язкій рідині виникає протидійний момент, зумовлений в'язкісним опором рідини. Принцип дії цих механічних віскозиметрів грунтується на вимірюванні крутильного моменту, що виникає на осі ротора (циліндра, диска, лопаті тощо), зануреного у вимірювану рідину, під час їх взаємного переміщення.

Розроблено чимало конструкцій обертових елементів ротаційних віскозиметрів в автоматичних аналізаторах. Конструкції ротаційних віскозиметрів, об'єднаних за загальним принципом роботи, згідно з яким в'язкість визначається за моментом сил тертя, що виникає внаслідок обертання тіла, заглибленого в аналізовану рідину, показано на рис. 7.9. Таким тілом обертання можуть бути: циліндр (рис. 9, а), куля (рис. 9, б), насаджені на спільний вал і розміщені між нерухомими шайбами диски (рис. 9, в) тощо.

Рисунок 9 - Схеми ротаційних віскозиметрів:

1- синхронний двигун; 2,3- привідний та «ведений» диски; 4 - поворотний шків;

5 - гнучкий тросик; 6 - місцевий відліковий пристрій; 7 - пружина; 8 - електро- чи пневмосиловий перетворювач.

У віскозиметрах іншої конструкції момент обертання, що створюється синхронним двигуном 1 на диску 2 (рис. 9, г) або циліндрі 2 (рис. 9, д), через аналізовану рідину передається відповідно дискові 3 чи циліндрові 3. Обертальний момент, який виникає на «веденому» дискові (циліндрі) 3, пропорційний динамічній в'язкості аналізованої рідини. Цей момент урівноважується силою пружної деформації пружини 7, з'єднаної гнучким тросиком 5 з поворотним шківом 4.

Величину деформації пружини (вона пропорційна динамічній в'язкості) показує місцевий відліковий пристрій 6. За допомогою відповідного перетворювача 8 (наприклад, електро- чи пневмосилового) сила пружної деформації перетворюється в уніфікований електричний або пневматичний сигнали. Як вихідний параметр останніх віскозиметрів можна також використати кут повороту «веденого» диска (циліндра). У такому разі для отримання уніфікованих сигналів можна застосувати, наприклад, феродинамічний або пневматичний (типу «кут повороту - пневмосигнал») перетворювач (на рис. 9, г показано пунктиром).

Характерна особливість ротаційних віскозиметрів - широкий діапазон вимірюваних значень в'язкості (0,01...1000 Па∙с). Клас точності ротаційних віскозиметрів - 0,5...2,5.

Кулькові віскозиметри. Принцип дії цих механічних віскозиметрів ґрунтується на вимірюванні швидкості (частіше - часу) руху кульки в аналізованій рідині під дією сил тяжіння і тертя. Вимірювання швидкості V зазвичай зводять до вимірювання відрізка часу τ, за який кулька, падаючи зі сталою швидкістю, проходить однакову відстань між двома фіксованими відмітками.

Схему кулькового віскозиметра циклічної дії показано на рис. 10. Аналізована рідина з апарата чи трубопроводу 6 прокачується насосом 7 по трубці 1 з немагнітного матеріалу знизу вверх і у своєму русі підіймає кульку 4 від нижньої 11 до верхньої 5 обмежувальної сітки. Після вимикання двигуна 8 насоса (періодичне вмикання та вимикання здійснює блок керування 9) кулька рухається вниз під дією сили тяжіння (падає) в аналізованій Рідині. Диференціальні трансформатори 3 та 2 (можна використати оптичні, Радіоізотопні та інші пристрої) формують електричні імпульси в моменти часу, коли кулька проходить обрані відмітки, розміщені одна від одної на відстані l. За допомогою вимірювача часових інтервалів 10 вимірюють проміжок часу т між вказаними імпульсами, за яким і розраховують значення вимірюваної в'язкості.

Рисунок 10 - Схема кулькового віскозиметра:

1 - трубка з немагнітного матеріалу; 2,3 - диференціальні трансформатори; 4 - кулька; 5,11 - верхня та нижня обмежувальні сітки; 6 - апарат або трубопровід; 7- насос; 5 - двигун; 9 - блок керування; 10- вимірювач часових інтервалів.

Вібраційні віскозиметри. Принцип дії цих віскозиметрів ґрунтується на вимірюванні того чи іншого ефекту, який виникає під час взаємодії аналізованої рідини з пружним коливним елементом - вібратором (стрижнем або пластиною). Цей ефект залежить від в'язкості аналізованої рідини: зі збільшенням в'язкості зростає опір рідини вібраторові.

Вібратори виробляють з феромагнітного матеріалу, якому притаманний магнітострикційний ефект: лінійні розміри тіла змінюються в напрямі магнітного поля залежно від його напруження (виявляється також обернений магнітострикційний ефект - механічні напруження в тілі змінюють його магнітний стан).

Зазвичай для збудження коливань вібратора застосовують електромагнітну систему, в якій зв'язок вібратора з котушкою здійснюється не безпосередньо (механічний зв'язок), а за допомогою магнітного поля. Можливі два режими роботи вібраторів - імпульсний та неперервний. Використовують як низькочастотні (при цьому вібратор здійснює поперечні коливання), так і високочастотні (вібратор здійснює поздовжні коливання) вібратори. У разі імпульсного збудження коливань вібратора мірою в'язкості є швидкість або частота загасання вільних коливань, а за неперервних коливань - їх амплітуда, частота або фаза.

На рис. 11, а наведено схему низькочастотного вібраційного віскозиметра з неперервним режимом роботи. В корпусі 1 за допомогою еластичної мембрани З закріплено ЧЕ (вібратор) 2, нижній кінець якого занурений у контрольовану рідину, а верхній - перебуває в магнітному полі збуджувальної 4 та вимірювальної 5 котушок. Вимірювальну котушку підключено до входу, а збуджувальну - до виходу електронного підсилювача 7 з автоматично регульованим коефіцієнтом підсилення. Вмикання електронного підсилювача спричиняє появу в системі вібратор - вимірювальна котушка - електронний підсилювач - збуджувальна котушка гармонійних коливань з частотою механічного резонансу ЧЕ (близько 400 Гц).

Рисунок 11 - Схема вібраційного віскозиметра (а) та магнітострикційного віброперетворювача (зонда) з імпульсним режимом роботи (б):

а: 1 - корпус; 2 - вібратор; 3- мембрана; 4 - котушка збудження; 5 – вимірювальна котушка; 6 - джерело живлення; 7 - електронний підсилювач; 8 - вторинний прилад; б: 1 - вібратор; 2 - торцевий бік герметизованої гільзи 3; 4 - обмотка збудження.

Коефіцієнт підсилення електронного підсилювача 7 автоматично встановлюється таким, щоб амплітуда змінної напруги, яка знімається з вимірювальної котушки 5, була сталою й дорівнювала напрузі, що подається з джерела живлення 6. Міра вимірюваної в'язкості - амплітуда сили струму, який подається на збуджувальну котушку 4. Пропорційний цій величині сигнал надходить на вторинний прилад 8.

Схему магнітострикційного перетворювача (зонда) з імпульсним режимом роботи показано на рис. 11, б. Вібратор 1 (пластина з магнітострикційного матеріалу завтовшки 0,2...0,4 мм) закріплений з торцевого боку 2 герметизованої гільзи 3. Одна з половин вібратора (зовнішня) занурюється в аналізовану рідину, в'язкість якої вимірюється, а друга, що перебуває всередині гільзи 3, охоплена обмоткою збудження 4, також розміщеною всередині гільзи.

На обмотку 4 від генератора подається короткочасний імпульс струму, від якого в пластині виникають поздовжні коливання (магнітопружна деформація), унаслідок чого вона здійснює загасальні коливання. Під час коливань вібратора завдяки оберненому магнітострикційному ефекту в котушці 4 наводиться деяка ЕРС, яка має частоту коливань вібратора. Надалі, в результаті перетворення ЕРС, формується сигнал, який забезпечує запирання генератора імпульсів до моменту закінчення коливань вібратора (зменшення амплітуди до 0,002 початкової величини), після чого генератор імпульсів знову збуджується. Таким чином, мірою інтенсивності загасання є величина інтервалів часу між послідовними збудженнями генераторів імпульсів: чим більша в'язкість рідини, тим менші інтервали часу між імпульсами, тим швидше загасають коливання вібратора.

Найбільш поширений промисловий вібраційний віскозиметр - віскозиметр типу ВВН (низькочастотний). Залежно від діапазону вимірювання (1...40000 Па∙с) випускається понад двадцять модифікацій цих віскозиметрів. Допустима основна відносна похибка становить ±4 % від діапазону вимірювань.

3.

Вологість газів, твердих і сипких матеріалів - один з найважливіших показників технологічних процесів у хімічній, текстильній, металургійній та інших галузях промисловості.

Вологість газів вимірюють в абсолютних або відносних одиницях. Абсолютна вологість - це маса водяної пари, яка міститься в одиниці об'єму вологого газу. Відносна вологість - відношення кількості водяної Пари, що міститься в одному кубічному метрі газової суміші, до максимально можливої кількості пари, яка може міститись у цьому ж об'ємі суміші за такої самої температури (у відсотках).

Вологість газів характеризується також вологомісткістю - масою водяної пари, віднесеної до маси сухого тіла, а також температурою точки роси, тобто температурою, за якої газ насичується водяною парою, що міститься в ньому (у градусах Цельсія).

Вологість твердих і сипких тіл характеризується вологомісткістю -відношенням маси вологи до маси абсолютно сухого тіла, або вологістю, під якою розуміють відношення маси вологи до маси вологого тіла. Ці величини переважно виражають у відсотках.

Вимірювання вмісту вологи в газах. Абсолютну вологість газів вимірюють кулонометричним методом. Принцип дії кулонометричних гігрометрів ґрунтується на безупинному поглинанні вологи з контрольованого газового потоку плівкою гідрофільної речовини (фосфорного ангідриду) і одночасному розкладанні води на водень і кисень у товщі плівки через електроліз. У сталому режимі значення сили струму електролізу служить мірою вологості аналізованого газу. Чутливий елемент являє собою два платинові електроди, між якими розміщено плівку фосфорного ангідриду (п'ятиоксиду фосфору).

Схему кулонометричного гігрометра для вимірювання вологості газів показано на рис. 12. Первинний вимірювальний перетворювач гігрометра виконано у вигляді ізоляційної трубки 1, всередині якої поміщено платинові електроди 2 і 3 у вигляді двох паралельних спіралей, які підключено до джерела постійного струму 5.

Електроди утворюють спіральний проміжок, покритий тонкою плівкою з фосфорною ангідриду, який є високоефективним сорбентом і не розкладається під час електролізу. Плівка поглинає вологу з газу, який пропускається через ПВП зі сталою швидкістю. При цьому безперервно проходять два процеси: утворення фосфорної кислоти та електроліз з регенерацією фосфорного ангідриду:

Р₂О₅+Н₂О → 2НРО₃

4НРО₃ → 2Н₂ + О₂ + 2Р₂О₅

Струм електролізу, який вимірюється за спадом напруги на резисторі ц за допомогою автоматичного компенсатора 4, пропорційний абсолютній вологості газу.

Рисунок 12 - Схема кулонометричного гігрометра:

1 - ізоляційна трубка; 2,3 - платинові електроди; 4 - автоматичний компенсатор; 5 - джерело постійного струму.

Серед модифікацій кулонометричних гігрометрів, використовуваних для вимірювання вологості в промислових умовах, значного поширення завдяки високій точності та надійності набули гігрометри типу «Байкал» (модифікацій «Байкал-1», «Байкал-11», «Байкал-2» і «Байкал-21»), призначені для вимірювання вмісту вологи в газах (Н₂, повітрі, СО₂, Н₂, О₂, інертних газах і їхніх сумішах та інших газах, які не взаємодіють із фосфорним ангідридом). Гігрометри двох останніх модифікацій мають іскробезпечне виконання, а «Байкал-11» - електричний вихідний сигнал у паралельному двійково-десятковому коді 8-4-2-1. Стала часу гігрометрів «Байкал» становить від 2 до 15 хв - залежно від діапазону вимірювання.

Гігрометр типу «Байкал-5» призначено для вимірювання та сигналізації граничнодопустимих значень вологості повітря. Допустимий вміст механічних домішок становить 0,05 мг/м³, а пари та аерозолів - 0,1 мг/м³ . Час початку реагування - 20 с, час перехідного процесу - 15 хв, стала часу становить 150 с. Гігрометри призначені для умов роботи: температури навколишнього повітря 5...50 °С, відносної вологості до 80 %. Витрата газу через гігрометр - 180 л/год. До складу гігрометрів «Байкал» входять вторинні прилади КСП4 відповідного виконання.

Гігрометри типу «Корунд-М» застосовують для вимірювання вмісту вологи в хлоровмісних газах з об'ємним вмістом контрольованого середовища (%): 45... 98 С1₂, 0... 4 Н₂, 0... 10 мг/м³ Н₂РО₄ (аерозолі); решта - повітря та СО₂. Стала часу цих гігрометрів становить 10 хв, витрата газу - 180л/год. До складу гігрометра входять вторинні прилади КСПЗ або «Диск-250». Гігрометри призначені для умов роботи: температури навколишнього повітря 5... 50 °С, відносної вологості 30...80 %.

Вимірювання абсолютної вологості газів методом точки роси полягає у визначенні температури, до якої необхідно охолодити за сталого тиску ненасичений газ для того, щоб він став насиченим. Якщо додатково виміряти температуру газу, то можна визначити і відносну вологість.

У сучасних дзеркальних гігрометрах точки роси в потоці аналізованого газу розміщують металеве дзеркальце 3 (рис. 13), яке охолоджується за допомогою напівпровідникового елемента Пельтьє (термопари) 5.

Рисунок 13 - Схема автоматичного вологоміра точки роси:

1 - випромінювач; 2,9- лінзи; 3 - дзеркальце; 4 - термоелектричний термометр; 5 - елемент Пельтьє; 6 - регулятор струму; 7 - підсилювач; 8 – фотоелемент.

На дзеркальце 3 від випромінювача 1 через лінзу 2 спрямовується промінь світла, який, відбившись від нього, через другу лінзу 9 потрапляє на фотоелемент 8. Викликаний у фотоелементі струм підсилюється і через регулятор струму 6 живить елемент Пельтьє 5. Якщо на дзеркалі немає вологи, то промінь світла від дзеркала майже повністю відбивається і потрапляє на фотоелемент, викликаючи струм зворотного зв'язку і відповідно - охолодження дзеркала. Температура дзеркала буде зменшуватися доти, доки на дзеркалі не випаде роса. Тоді на фотоелемент буде потрапляти ослаблений потік світла, струм через елемент Пельтьє зменшуватиметься, а температура дзеркала почне підвищуватися внаслідок нагрівання аналізованих газів. Це призведе до випаровування роси, збільшення світлового потоку, підвищення струму зворотного зв'язку й охолодження дзеркала. Отже, температура дзеркала буде підтримуватися близькою до температури точки роси, яку вимірюють контактним ТП 4.

Недоліками методу точки роси вважають складність фіксації моменту випадання роси, залежність температури точки роси від стану поверхні дзеркала тощо.

Для вимірювання відносної вологості газів за додатних температур (0...100°С) широко використовують психрометричний метод, що ґрунтується на вимірюванні різниці температур двох термоперетворювачів: сухого, розміщеного в досліджуваному газовому середовищі, та мокрого, який змочений водою і перебуває в термодинамічній рівновазі з навколишнім газовим середовищем. У цьому випадку чим менша вологість аналізованого газу, тим інтенсивніше випаровування з поверхні ЧЕ мокрого термоперетворювача і тим нижча його температура.

Під час випаровування вологи зі зволоженої поверхні мокрого термометра його температура знижується. У результаті між сухим і мокрим термометрами виникає різниця температур, яку називають психрометричною. різницею. Відносну вологість залежно від психрометричної різниці (t_c −t_м) виражають залежністю:

φ = [р_м-А(t_c −t_м)]/р_с,

де р_м - пружність пари, яка насичує аналізоване середовище за температури мокрого термометра; р_с - пружність пари, що насичує аналізоване середовище за температури сухого термометра; А - психрометричний коефіцієнт, який залежить від конструкції психрометра, швидкості обдування мокрого термометра газом і тиску газу.

Рис. 7.14. Принципова схема даомостового компенсаційного психрометра.

В електричних психрометрах для визначення температури застосовують ТП, напівпровідникові та металеві термоперетворювачі опору (ТО). Термоелектричні перетворювачі зазвичай виготовляють у вигляді термобатарей, поділених на дві групи, одна з яких змочується. Електрорушійна сила, вимірювана на виводах термобатарей, пропорційна психрометричній різниці температур. Для її вимірювання в електричних психрометрах використовують переважно стандартні ТО. В автоматичному психрометрі (рис. 14) різницю температур вимірюють за допомогою терморезистивних перетворювачів - сухого R_тc та мокрого R_тм, увімкнених у двомостову компенсаційну вимірювальну схему.

Напруга розбалансу кожного з мостів буде пропорційною відповідно температурі t_c і t_м, а різниця цих напруг - мірою вимірюваної вологості. А оскільки напруга розбалансування двомостового кола автоматично врівноважується спадом напруги на реохорді R_р, то переміщення повзунка реохорда і відповідно покажчика відлікового пристрою можуть бути також мірою вимірювальної вологості, а шкала - проградуйованою в одиницях вимірюваної величини.

Переваги психрометричного методу вимірювання вологості - порівняно висока точність, висока чутливість за температури понад 0 °С; недоліки - зменшення точності та чутливості за низьких температур, нестабільність функції перетворення (психрометричної сталої), зумовлена впливом зовнішніх чинників.