MĂSURAREA PE CALE ELECTRICĂ A MĂRIMILOR DE STARE A GAZELOR ŞI

LICHIDELOR.

1. Introducere

În procesele industriale din industria chimică, farmaceutică etc., este necesar să fie controlate şi reglate o serie de mărimi de stare a gazelor şi lichidelor care intră în procesele de producţie sau rezultă în diferite faze ale acestora.

Astfel trebuie măsurate: compoziţia chimică a amestecurilor, conţinutului de apă, densitatea, aciditatea sau alcalinitatea (pH-ul) etc.

Aceste mărimi se bazează, unele pe principii deja expuse, altele pe principii deosebite adecvate mărimilor măsurate.

Astfel pentru determinarea compoziţiei unei substanţe sau a concentraţiei diferiţilor componenţi dintr-un amestec se utilizează analizatoarele.

Unele măsoară în mod continuu modificarea proprietăţilor fizice sau electrochimice datorate unui element component urmărit.

Altele măsoară, prin separare, toate elementele componente ale amestecului, deci în mod discontinuu sau ciclic.

2. Măsurarea densităţii.

Prin definiţie densitatea = m/V Deoarece volumul V variază cu temperatura şi densitatea se modifică cu temperatura,

de aceea ea trebuie cunoscută şi luată în considerare. În special la gaze ea variază foarte mult.

Cifra de densitate utilizată uneori în locul densităţii este o densitate relativă şi ea reprezintă raportul dintre densitatea substanţei şi cea apei la = 0C şi p=1bar.

Densitatea la unele substanţe se mai exprimă şi în grade Baumé:

a) Densimetru cu areometru Se compune dintr-un densimetru cu plutitor marcat ce converteşte densitatea într-o

deplasare. Plutitorul este de tip legat, cu lănţişoare, care măresc greutatea acestuia pe măsură ce plutitorul urcă.

Mişcarea tijei feromagnetice solidară cu plutitorul modifică inductivitatea bobinei. Pentru eliminarea erorilor datorate variaţiilor de debit, acesta este menţinut constant în camera de măsurare cu ajutorul unei duze comandată de un regulator care menţine diferenţa de presiune constantă. Pentru raportarea la temperatura normală se montează şi un termometru electric. Precizia acestui tip de densimetru este de cca. 3 %.

BS

3,144

3,14415

a) Densimetru cu areometru Se compune dintr-un densimetru cu plutitor marcat ce converteşte

densitatea într-o deplasare. Plutitorul este de tip legat, cu lănţişoare, care măresc greutatea acestuia pe măsură ce plutitorul urcă.

Mişcarea tijei feromagnetice solidară cu plutitorul modifică inductivitatea bobinei. Pentru eliminarea erorilor datorate

variaţiilor de debit, acesta este menţinut constant în camera de măsurare cu ajutorul unui regulator Pentru raportarea la temperatura normală se montează şi un termometru electric. Precizia acestui tip de densimetru este de cca. 3 %.

Fig.1. Densimetru cu areometru.

b) Densimetru cu radiaţii Acest tip de densimetru utilizează fenomenul de atenuare a unei radiaţii

proporţional cu densitatea materiei prin care trece. Principiul acestui densimetru este redat în fig. 2.

Radiaţiile emise de preparatul radioactiv PR străbate conducta cu lichid şi ajung la o cameră de ionizare Geiger (Gm) în care produc curentul Im.

Pentru reglarea domeniului de măsurare se foloseşte o cameră de ionizare de compensaţie Gk care dă curentul constant Ik produs de acelaşi preparat radioactiv.

Printr-un ecran de absorbţie, se reglează intensitatea Ik = Im în absenţa lichidului.

Diferenţa Ik - Im dată de absorbţia lichidului este aplicată unui amplificator ce cc de tip electrometric cu impedanţă foarte mare de intrare.

Prin rezistenţa de reacţie (R 1011) se aranjează ca la ieşire curentul să fie proporţional cu Ik - Im.

Se pot măsura astfel densităţi de lichide cu = 0,1g/cm3. Pentru gaze sau conducte mici (trasee scurte) se pot utiliza şi radiaţii .

Fig.2. Densimetru cu radiaţii nucleare

3. Măsurarea vâscozităţii

Vâscozitatea este o proprietate fundamentală a lichidelor ce caracterizează fluiditatea lor. La lichide cu moleculă simplă este valabilă legea lui Newton:

dy

dv - efortul tangenţial, - factor de vâscozitate dinamică, dv/dy - acceleraţia în sensul de aplicare al efortului.

• Unitatea de măsură pentru este Poise (1P=1g/cm/s) sau cP = 0,01P.• Alte fluide cum ar fi masele plastice, uleiurile, nu respectă legea lui Newton, având curbe proprii de vâscozitate.• În practică majoritatea lichidelor a căror vâscozitate trebuie măsurată sunt lichide newtoniene.

Fig.3. Vâscozimetru rotativ

Pentru măsurarea vâscozităţii se utilizează vâscozimetre rotative. Ele convertesc vâscozitatea într-o deplasare unghiulară şi cu un traductor de deplasare unghiulară aceasta se transformă în mărime electrică.

Principul unui vâscozimetru rotativ este expus în fig.3. Pentru cilindrul interior:

Dacă cilindrul exterior este mult mai mare ca cel interior:

22

22

2 11

11

,2

ie

it

rr

rr

hr

M

22 r

M

t

a) Vâscozimetru electric cu cuplu mecanic antagonist La acest tip de vâscozimetru, cilindrul exterior este rotativ şi se găseşte

într-o baie de temperare. Cilindrul interior este suspendat de o bară de torsiune. Cuplul produs de

efortul tangenţial în lichid va produce o deplasare unghiulară a armăturii traductorului inductiv de deplasare care o transformă în mărime electrică.

Domeniul de măsurare a acestor vâscozimetre rotative atinge valori de 01000P cu exactităţi de 1%.

Fig.4. Vâscozimetru rotativ cu bară de torsiune şi traductor inductiv de deplasare.

b) Vâscozimetru cu compensaţie Într-un vas termostatat (fig.16.5), sunt cufundaţi atât cilindrul exterior cât

şi cilindrul interior, sprijinit într-un pivot cu frecare neglijabilă. Pe axul acestuia se află, în partea superioară, o oglindă şi un echipament

magnetoelectric astatic format din din bobinele B şi magneţii M. Cuplul exercitat asupra cilindrului interior este compensat de cel dat de

curentul I. • Echilibrul este menţinut automat prin bucla de aducere la zero realizată cu fotocelula F şi amplificatorul A.• În acest mod curentul I este proporţional cu vâscozitatea şi poate fi gradat direct.• Cilindrul exterior este rotativ şi este pus în mişcare de motorul sincron M. Domeniul de măsurare: 1 105cP.

Fig.5. Vâscozimetru cu compensaţie

4. Măsurarea conţinutului de apă

Pentru măsurarea conţinutului de apă (sau vapori de apă) în amestecuri gazoase, lichide sau solide (lemn, hârtie, textile, cereale etc.) se utilizează umidimetre sau higrometre.

Umiditatea se exprimă în general în procente din masa substanţei umede de măsurat:

Principiul de măsurare al umidităţii se bazează pe modificarea caracteristicilor electrice ale substanţei cu conţinutul de apă cum ar fi: conductivitatea şi permitivitatea, absorbţia diferită a unor radiaţii electromagnetice de înaltă frecvenţă (GHz), absorbţia selectivă a radiaţiilor infraroşii etc. atenuarea radiaţiilor nucleare proporţional cu conţinutul de apă al substanţei.

[%]100umed

apărel m

mW

a) Umidimetre rezistive Ele se bazează pe modificarea importantă a rezistivităţii materialelor cu

conţinutul de apă. Sunt utilizate la măsurarea umidităţii solidelor sub formă masivă sau

pulverulentă caz în care se utilizează celule de măsurare. Materialul este introdus sub o anumită presiune , rezistenţa probei astfel

măsurate fiind puternic dependentă de umiditate, caracteristica fiind dependentă de natura materialului măsurat.

Rezistenţa poate varia de la câţiva ohmi la sute de kiloohmi când umiditatea variază de la 5% la 80%.

Pentru măsurarea rezistenţei se utilizează punţi sau alte metode potrivite. Pentru măsurarea umidităţii relative a aerului se utilizează higrometre

rezistive cu absorbţie. În cazul aerului se defineşte umiditatea relativă:

PV - presiunea vaporilor de apă din aer iar

PS - presiunea vaporilor saturaţi din aer la aceeaşi temperatură.

S

V

P

PU

Funcţionarea se bazează pe atingerea unei temperaturi de echilibru la care presiunea vaporilor soluţiei de LiCl devine egală cu presiunea vaporilor de apă din aer.

O temperatură mai mare ar evapora o parte mai mare din apa din soluţie, rezistenţa între cele două fire de argint creşte, scade curentul şi deci şi temperatura traductorului.

Totodată scade presiunea vaporilor de apă din soluţie şi atunci LiCl absoarbe noi cantităţi de apă devenind din nou mai conductoare.

Măsurând cu termorezistenţa R, temperatura , după anumite curbe de dependenţă între şi umiditatea relativă se poate deduce valoarea acesteia.

Fig.6. Higrometrul electric cu LiCl.

b) Umidimetre capacitive.

Permitivitatea relativă a apei (r = 80) fiind mult mai mare decât a majorităţii substanţelor (r = 2 10), conţinutul de apă într-o substanţă va modifica puternic permitivitatea relativă a acesteia.

Introdusă între armăturile unui condensator plan (celulă de măsurare) substanţa va modifica capacitatea acestuia proporţional cu permitivitatea lui, deci şi cu conţinutul de apă.

Variaţia capacităţii de la gol la plin se poate măsura prin metode de rezonanţă sau de punte, ambele oferind precizii de 0,30,5%.

Metoda se poate folosi: pentru substanţe solide, granulare sau pulverulente, cum ar fi: cereale, făină, amidon şi alte elemente.

Pentru măsurarea umidităţii în condiţii şi pentru materiale speciale s-au realizat şi umidimetre şi higrometre cu absorbţie de radiaţii electromagnetice sau nucleare, foarte precise dar complicate şi scumpe, de aceea mai puţin răspândite.

5. Măsurarea concentraţiei ionilor de hidrogen în soluţii (pH)

Aparatele din această categorie se numesc pH-metre şi ele măsoară aciditatea sau bazicitatea soluţiilor printr-o cifră cuprinsă între 0 şi 14.

Prin definiţie cifra pH este:

C+H - concentraţia ionilor de hidrogen în soluţia măsurată iar

(C+H)max - concentraţia maximă a ionilor de hidrogen într-o soluţie nediluată de

acid (1 mol/litru = 1 ion. gram/1itru). Concentraţia minimă posibilă în soluţiile bazelor este de 10-14 mod/1 deci

pH=14. Sărurile neutre au pH = 7. Între pH = 07 sunt cuprinşi acizi iar între pH =

714, bazele. Traductoarele electrochimice de pH sunt de fapt electrozi speciali care, vor

da o tensiune electromotoare dependentă de concentraţia ionilor de hidrogen din soluţie, de temperatură şi de natura electrozilor.

max)(log

H

H

C

CpH

Potenţialul unui electrod faţă de soluţie are expresia:

Dacă electrodul de referinţă este plasat într-o soluţie etalon de acid concentrat atunci diferenţa de potenţial dintre cei doi electrozi:

Pentru măsurare se folosesc doi electrozi unul de măsură şi unul de referinţă.

Pentru măsură se folosesc electrozi de stibiu sau sticlă, iar ca referinţă un electrod de calomel, (HgO2) sau clorură de argint (AgCl).

Fig.7. pH-metru

HCnF

RTEE ln0

HH CnF

RTEC

nF

RTEEEE lnln 0max021

pHkC

C

nF

RTEEE

H

H

max

21 ln mVenF

RTk 58lg

6. Analizoare de gaze Măsurarea concentraţiei unui component gazos într-un amestec de gaze se

bazează pe proprietăţile fizice diferite ale gazelor cum ar fi: conductivitatea termică, căldura de reacţie, susceptivitatea magnetică, absorbţia diferită a razelor infraroşii.

a) Analizoare de gaze bazate pe măsurarea conductivităţii termice.

Sunt utilizate la măsurarea concentraţiei de CO2, H2, sau SO2 care au conductivitatea termică mult diferită de aer, azot sau oxigen.

De aceea a amestecului va fi dependentă de concentraţia de gaz cu mare în amestec.

Traductorul utilizat pentru aceste analizoare constă într-un fir subţire de platină cu diametrul d = 0,020,05 mm şi 510 cm lungime, încălzit la 100200 C de un curent continuu constant, aflat în gazul măsurat.

În funcţie de conductivitatea a gazului, temperatura faţă de pereţii traductorului, , se va modifica:

Dintre aceste mărimi cea care poate fi măsurată este rezistenţa firului

Rf = f1() = f2(c) .

Fig.8. Analizor conductimetric Pentru compensarea erorilor datorate variaţiei temperaturii gazului

analizat, se plasează două traductoare pe două braţe opuse ale punţii aflate în amestec etalon cu aceeaşi temperatură;

Tensiunea de dezechilibru proporţională cu concentraţia componentului analizat poate fi citită direct la un instrument.

)(2 fKIR f

b) Analizoare de gaze combustibile bazate pe căldura de ardere catalitică.

Măsoară conţinutul de gaze combustibile (nearse) în gazele arse, sau conţinutul de gaze combustibile (H2, CO, CH4 etc.) în aer pentru avertizarea la atingerea concentraţiei ce prezintă pericol de explozie.

Traductorul este format din două fire de platină închise în tuburi ceramice dintre care unul acoperit cu negru de platină, catalizator care produce arderea catalitică a gazelor combustibile din amestec (fig.8).

)()()( 321 cffRf

În consecinţă firul aflat în tubul cu catalizator aflat la o temperatură mai mare va avea o rezistenţă mărită care va dezechilibra puntea.

Fig.9. Analizoare bazate pe arderea catalitică

c) Analizoare bazate pe variaţia susceptivităţii magnetice.

Se folosesc la măsurarea concentraţiei de oxigen în amestecuri gazoase. Ele se bazează pe proprietatea oxigenului de a fi paramagnetic (are o structură polară a moleculelor) faţă de majoritatea gazelor care sunt diamagnetice. Astfel susceptivitatea magnetică este definită astfel:

în care este susceptivitatea magnetică relativă.

1 r

Deoarece r depinde de temperatură iar la temperatura Curie r scade brusc, acest fenomen este utilizat la măsurarea concentraţiei de O2 în gaze. Traductorul este realizat sub forma unei punţi inelare (fig. 16.9) formate din conducte prin care circulă gazul. Pe diagonala orizontală sunt plasate la exterior două rezistenţe şi un magnet permanent, aşezat în dreptul uneia din rezistenţe.

Fig.10. Analizor de oxigen

Deoarece r depinde de temperatură iar la temperatura Curie r scade brusc, acest fenomen este utilizat la măsurarea concentraţiei de O2 în gaze.

Traductorul este realizat sub forma unei punţi inelare (fig.9) formata din conducte prin care circulă gazul.

Pe diagonala orizontală sunt plasate la exterior două rezistenţe şi un magnet permanent, aşezat în dreptul uneia din rezistenţe.

Oxigenul din amestec, având proprietăţi magnetice va fi atras în tubul orizontal în zona câmpului magnetic.

Datorită încălzirii de la rezistenţa din vecinătate îşi pierde proprietăţile magnetice fiind împins spre capătul celălalt al tubului de alte molecule de O2 mai reci.

Se va forma astfel un curent de gaz proporţional cu conţinutul de O2 care va răci prima rezistenţă şi o va încălzi pe cea de-a doua, dezechilibrând puntea.

Concentraţia de O2 se va putea citi la instrumentul ce măsoară acest dezechilibru.