Измерване на плътност

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2017 • 19.09.2017

Измерване на плътност
Измерване на плътност

Плътността се измерва в много производства, за да се определят редица характеристики на суровините или на готовата продукция. Във връзка с данните и от други измервания, плътността на материала може да бъде индикатор за възможните причини за измененията в качествата на крайните изделия.

Определянето на плътността е сред най-често използваните тегловни методи за анализ в лабораториите.
Чрез измерване на плътността може да се установи изменение в състава на материала или дефект в крайното изделие от рода на пукнатини или шупли в отливки, което намира приложение в производството на санитарен фаянс, в леярните и стоманодобивните предприятия.

При леенето на алуминий качеството на топилката се следи като се вземат две проби: едната при нормално атмосферно налягане, а другата – при налягане от например 80 милибара. След като изстинат и се втвърдят се определя плътността им. Съотношението на двете измерени стойности на плътността дава информация за чистотата на топилката.

С измерването на плътността на техническите пластмаси може да се определи съотношението във фазовото им състояние – какво е съдържанието на кристалната и на аморфната фаза, тъй като кристалите са от по-висш геометричен порядък и те правят пластмасата по-плътна. 

Плътността на стъклото пък е показател както за химическия му състав, така и за скоростта на охлаждане на стопената маса.
При материали с порьозна структура плътността зависи от количеството на порите, което на свой ред определя и други качества на материалите – например студоустойчивостта на керемиди или изолационните свойства на тухли от глина или на порьозен бетон.

Плътността е важен параметър и за стоки, предлагани в различни разфасовки в случаите, когато продуктът се пълни в пакети с контрол по тегло, но на етикетите трябва да се укаже и обемът.

Зависимост на плътността от температурата
Плътността на всички твърди, течни и газообразни вещества зависи от температурата. Освен от температурата, плътността на газообразните вещества зависи и от налягането. Нормалната плътност е плътността на газа (или на сместа от газове) при нормални физически условия: температура 0°C и налягане 101,325 kPa. 

Общото правило е, че колкото по-висока е температурата, толкова по-малка е плътността. Веществата се разширяват при нагряване, с други думи техният обем се увеличава и затова плътността им намалява. Това се наблюдава по-добре при течностите, отколкото при твърдите тела, а при газовете е съвсем явно.

Промяната на плътността в рамките на определен температурен интервал може да се изчисли като се използва коефициентът на температурно разширение. Той дава промяната на обема на даденото вещество при изменение на температурата.

Температурата влияе на някои вещества по-силно, отколкото на други. При определяне на плътността, в зависимост от необходимата точност на измерването, разбира се, температурата трябва да се зададе много точно и да се поддържа постоянна.

При хидростатичните методи за определяне на плътността например обикновено е по-добре да се използва вода вместо етанол като течност за поплавъка; когато температурата се увеличи примерно от 20 до 21°C, плътността на водата намалява с 0,00021 g/cm3, докато плътността на етанола намалява с 0,00085 g/cm3 – повече от 4 пъти. 
Това означава, че температурата трябва да се контролира по-прецизно; в противен случай в резултатите от измерването на плътността с уреди, използващи етанол, трябва да се има предвид по-голямата грешка.

Въздушни включвания
В редица продукти въздухът остава от само себе си по време на различните етапи от производствения процес, просто защото няма откъде да излезе. Когато се взимат проби от такива продукти, в тях вече са налични въздушни включвания. Въздухът, който влиза по време на вземането на пробата, в някои случаи може да излезе много бързо, а в други – доста бавно. Може да минат часове и цели дни, докато в продукта окончателно не остане въздух (например при шампоаните). 

Има и случаи, когато въздухът, след като веднъж вече е влязъл, остава за постоянно в продукта, например в китовете за замазки. При непрозрачните течности, в които наличието на въздух не се забелязва, неопределеността на измерванията е още по-голяма.

Измерване на плътността трябва да се прави само след като от пробата се премахнат въздушните включвания. Затова наливането и смесването на течности трябва да се прави плавно и с голямо внимание. Ако има индикации, че по време на пълненето в течността прониква въздух и че се задържа само временно (т. е. въздухът няма да остане в крайния продукт), възможно е пробите да се взимат от по-големите производствени съдове преди наливането в крайния съд.

Ареометри
Ареометърът има цилиндрично тяло от стъкло. Долната му част, която е изцяло потопена в течността, чиято плътност се измерва, е пълна с тежести, а горната част, потопена само частично, е във формата на тясна градуирана тръбичка.

Принципът на работа се основава на закона на Архимед – дълбочината на потапяне на тялото, в случая на ареометъра, зависи от равновесието между неговото тегло и подемната сила, равна на теглото на обема на изместената от него течност.

Има различни видове ареометри – със или без вграден термометър; с различна точност: от 0,02 до 0,0001 g/ml; с различен обхват (в зависимост от точността). В Европа най-широко за измерване на плътността при контрола на продукти в различни разфасовки се ползват ареометри без вграден термометър и с точност 0,0005 g/ml.

Правилното отчитане зависи също и от вида на продукта, чиято плътност се измерва: ако става дума за течност, която образува вдлъбнат мениск, отчита се линията, съвпадаща с допирателната към дъното му; и обратно, ако менискът е изпъкнал, отчита се по допирателната към върха му.

Необходимо е също и да се знае повърхностното напрежение на измерваната течност – именно от него зависи вдлъбнатостта или изпъкналостта на мениска. В тази връзка трябва да се знае и повърхностното напрежение на течността (с известна плътност), използвана за калибриране на ареометъра. Не е нужно да се ползва уред за претегляне.

Пикнометри
Пикнометърът представлява стъклен или метален съд с точно фиксиран обем, който се използва за измерване както на плътността, така и на дисперсията, чрез просто претегляне на фиксирания обем. Служи преди всичко за определяне на плътността на вещества във вид на прах и гранули.

Пикнометрите могат да се използват и за определяне на плътността на твърдата фаза в порьозни тела, но пробата трябва да се разтроши и смели, така че всички пори да се отворят. В зависимост от областта на приложението им, пикнометрите са с различна форма и отговарят на различни стандарти.

По време на измерването е важно всички операции по претегляне да се извършват при постоянна температура и да не се допуска да остане въздух в течността или между частиците на пробата.

Пикнометричният метод е свързан с повече труд и отнема повече време в сравнение с плаването в течност и отчитането на изместения обем. При него съществува и трудността да се определи точно обемът на прахообразната проба, получена от твърдо тяло, с цел установяване на плътността му. 

В общия случай, необходимостта да се определи обемът на прахообразни вещества или гранули може да се избегне като се използва допълнително течност с известна плътност и се извършат три претегляния.

Електронни плътномери
Виброчестотният метод се използва широко за определяне на плътността на хомогенни течности. Той не е подходящ за суспензии или емулсии, които могат да се разделят на съставящите ги различни фази.

Електронните плътномери, които се предлагат на пазара, могат да измерват плътността с точност 0,001 g/ml и температурата с точност 0,1°C. Това ги прави подходящи за измерване на плътността на продукти в различни разфасовки.

Принципът на действието им е следният. Пробата, чиято плътност ще се измерва, се налива в U-образна стъклена тръба, която се подлага на механични вибрации. Пресмятането на плътността се основава на взаимозависимостта между честотата на колебанията и масата на U-образната тръба заедно с пробата. Установката трябва да се калибрира като се използват течности с известна плътност и с вискозитет, подобен на този на течността, която ще се изследва.

Електронните плътномери за лабораторни цели са по-точни от преносимите и освен това използват собствената честота на тръбата, напълнена с веществото, чиято плътност се измерва. Те могат да разполагат с механизъм за регулация на температурата, а ако не, изискват външна термостатична баня.

Някои типове лабораторни плътномери издържат на повишено налягане до 10 бара, което им позволява да измерват плътността на аерозоли. Като цяло те дават възможност за измерване на плътността на всякакви вещества, било то в течен или пастообразен вид, стига да не съдържат мехурчета въздух или въглероден диоксид.

Предимствата на измерването на плътността по вибрациите на U-образна тръба са добрата повторяемост и високата точност. Електронните уреди, работещи въз основа на този принцип, лесно се ползват и опростяват измерването, което се извършва в рамките на минути при зададена температура.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top