4.3.2 Плотномеры

Закон Архимеда устанавливает связь между плотностью вещества, и выталкивающей силой, действующей на поплавок:

где - плотность жидкости;

- ускорение свободного падения ;

- объем погруженной части поплавка.

Выразим плотность жидкости:

Если создать постоянный уровень жидкости в резервуаре (рис. 4.6), то величина Архимедовой силы, выталкивающей поплавок, будет постоянной и зависит только от плотности жидкости. Но с ростом плотности вещества выталкивающая сила возрастает, и поплавок поднимается вверх. Напряжение на выходе дифференциального трансформатора возрастает пропорционально плотности. Для создания постоянного уровня жидкости применим объект с самовыравниванием. Жидкость поступает снизу и при достижении определенного уровня начинает сливаться, создавая постоянный уровень. Измерять плотность жидкости можно и при переменном расходе жидкости, но необходимо одно условие, уровень жидкости в сосуде должен быть постоянным.

Недостатком данного метода измерений является зависимость плотности жидкости от температуры. Рост температуры жидкости снижает её плотность. Следовательно, для повышения точности измерений необходимо поддерживать постоянной не только уровень, но и температуру жидкости. По этому принципу работают ареометры.

4.3.3 Барботажный метод измерения плотности

Барботажный метод позволяет измерять плотность жидкости в сосудах с переменным уровнем, рис. 4.7. Производится продувка воздуха через две трубки, погруженные в жидкость, расположенные на разных уровнях от поверхности.

Чтобы продуть воздух в трубке, расположенной на определенном уровне, необходимо создать в ней давление равное давлению жидкости на данном уровне. Так на продуваемых концах трубок давление будет определяться по формулам:

Тогда для определения плотности жидкости достаточно измерить перепад давлений. Докажем это с помощью формул. Дифференциальный манометр измеряет разность давлений:

Из формулы следует, что измерить плотность можно по перепаду давлений. Как бы не изменялся общий уровень жидкости, перепад уровней останется постоянным, как и постоянно ускорение свободного падения - . Шкала дифманометра градуируется в единицах плотности.

4.3.4 ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ БУМАЖНОЙ МАССЫ

Принцип действия абсолютного большинства приборов для измерения средней концентрации бумажной массы (1 - 6) % основан на измерении сил трения:

1) при движении массы в открытых и закрытых трубопроводах возникает сопротивление его движению, что приводит к потере напора в трубопроводах, что служит мерой концентрации массы;

2) в массу различными способами помещают вращающийся чувствительный элемент (роторный датчик) разнообразных конструктивных модификаций (рис. 4.8), которые при своем движении испытывают сопротивление, зависящее от поверхностного и внутреннего трения массы, и определяющее тормозной момент при заданной круговой скорости вращения датчика. Этот момент характеризует концентрацию массы;

3) в движущуюся по напорным трубопроводам массу погружают чувствительный элемент - сверло специальной конфигурации (рис. 4.9) - датчик обтекания на который действуют силы, связанные с поверхностью внутренним трением и являющиеся мерой ее концентрации. Чувствительный датчик обтекания выбирают в зависимости от многих факторов;

4 ) при перемещении массы обычно высокой концентрации с помощью электрического оборудования (например, мешалок) используется зависимость загрузки приводных двигателей от поверхностного и внутреннего течения массных суспензий, которое определяется концентрацией вещества, рис 4.10. Рост концентрации массы приводит к повышению плотности массы, a, следовательно, и ее вязкости. Асинхронные двигатели с КЗ ротором увеличивают скольжение при повышении нагрузки, что вызывает рост тока нагрузки двигателя. Шкала амперметра градуируется в единицах концентрации массы.

4.3.5 рН - МЕТРЫ И ОКСРЕДМЕТРЫ

Измерение концентрации ионов в растворе, основанное на изменении электрических потенциалов двух электродов - измерительного, помещенного в исследуемый раствор с известной концентрацией, и электрода с постоянным потенциалом, называется потенциометрией. Наиболее широкое распространение получил способ измерения активной концентрации ионов в воде характеризующих кислотные и щелочные свойства водных растворов и окислительно-восстановительные свойства сред. По этим показателям можно контролировать ход многих технологических процессов.

В ЦБП широко применяются приборы для измерения электродных потенциалов в варочном, отбельном производстве и при промывке, а также при хлорировании, нейтрализации щелоков и сточных вод, при подготовке отливе бумажного полотна.

Вода при диссоциации создает положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксильной группы:

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС применительно к реакции диссоциации воды

где - постоянная электролитической диссоциации воды при t = 22 °C.

Следует полагать что

Это обстоятельство свидетельствует о том, что если в любой кислоте или в любой щелочи концентрация ионов водорода в растворах кислот и щелочей составляет , то при их слиянии возникнет нейтральный раствор соли в воде.

Поскольку работать с отрицательными показателями степеней не очень удобно, то вводится величина рН - равная отрицательному значению десятичного логарифма от активной концентрации ионов водорода:

Так в нейтральном растворе при концентрации ионов водорода получим рН:

Если исследуемая среда кислая, то рН < 7; а для щелочной среды рН > 7.

Значение рН может быть определено двумя способами:

1) колориметрическим методом, основанным на свойстве некоторых веществ изменять свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода. Этот метод применяется исключительно для лабораторных анализов.

2) потенциометрический метод, основанный на измерении разности электрических потенциалов для специальных электродов, один из которых измерительный, помещен в исследуемый раствор, а другой - сравнительный, помещают в известный стандартный раствор. В нем электрод имеет постоянный потенциал.

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ рН

Р ассмотрим измерительную систему, представленную на рис. 4.11. В анализируемую среду 1 помещены два электрода, - измерительный электрод, чувствительный к ионам водорода (рН - электрод) 3, и электрод сравнения 2, потенциал которого не меняется при измерении рН и состава среды. Обычно применяют хлорсеребряный электрод. Разность потенциалов Е, возникающую между электродами, измеряют милливольтметром 5 с высоким внутренним сопротивлением. Милливольтметр специально предназначен для измерения рН.

Потенциал измерительного стеклянного электрода Е зависит от концентрации (точнее активности) ионов водорода согласно уравнению Нернста:

где - активность ионов водорода в среде;

- стандартный потенциал стеклянного электрода;

- потенциал электрода сравнения;

- число Фарадея.

Для градуировки и поверки рН-метров применяют специальные буферные растворы.

БУФЕРНЫМИ РАСТВОРАМИ называют такие растворы специального состава, рН которых мало меняется при разбавлении, добавлении сильных кислот и оснований.

Как правило, буферные растворы представляют собой смеси растворов слабых кислот, слабых оснований и их солей.

Процедура определения рН эталонного раствора с высокой степенью точности оказывается довольно сложной проблемой и требует применения специализированной аппаратуры и приборов. Условно её можно разделить на два этапа:

1) на первом проводят измерение потенциала хлоросеребряного электрода сравнения относительно водородного электрода в так называемой «ячейке без переноса»;

2) на втором этапе определения рН в «ячейках без переноса» проводят измерение потенциала водородного электрода в эталонном растворе относительно хлоросеребряного электрода, потенциал которого измерен на первом этапе.

Для измерения потенциала хлоросеребряного электрода в эталонном растворе, как правило, в него добавляют небольшое количество хлористого калия. Функцию потенциала, зависящую от рН, находят методом экстраполяции на нулевую концентрацию хлористого калия.

К онструктивно стеклянный электрод представляет собой стеклянную трубку, к концу которой припаян тонкостенный стеклянный шарик (мембрана) из специального электродного стекла (рис. 4.12 и 4.13). Шарик (иногда полусфера, конус и т.п.) заполнен электролитом, и в него помещен внутренний электрод (обычно хлорсеребряный).

Электрод сравнения, работающий в паре со стеклянным электродом, представляет собой трубку из диэлектрического материала (обычно стекла), заполненную электролитом, в которую помещен электрод, образующий со вторым электродом устойчивую обратимую электрохимическую систему. На трубе имеется пористая мембрана, обеспечивающая жидкостное электрическое соединение электрода с анализируемой средой.

Е сли допустить, что окисление и восстановление всегда сопровождаются обменом электронов, то для характеристики рН, с точки зрения их способности к взаимному окислению, достаточно руководствоваться значением активной окислительной формы. Окислительно-восстановительная способность растворов характеризуется величиной еН - окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), выражаемого в вольтах или милливольтах и измеряемая также системой двух электродов.

По условиям применяемости электроды бывают:

• переносные (лабораторные), установленные на штативы и погруженные в стакан с исследуемой жидкостью;

• погруженные, предназначенные для измерения рН или ОВП, т.е. (еН) непосредственно в открытых технологических аппаратах, находящихся при атмосферном давлении;

• специализированные, применяемые для работы в технологических аппаратах со специальными условиями эксплуатации.

Специализированные рН - метры применяются для измерения рН в варочном котле при температуре порядка 150°С и давлении 1,2 МПа. Любой отбор проб изменяет характеристики раствора, значение рН и еН. Поэтому измерение рН и еН необходимо производить непосредственно в ходе технологического процесса.

Для технических измерений рН измерительный преобразователь (ячейку) составляют из стеклянного и хлорсеребряного электрода. Хлорсеребряный электрод состоит из платинового стержня, покрытого слоями серебра, а затем малорастворимого хлорного серебра AgCl, помещенный в раствор с ионами [ ].

Стеклянные электроды получили наибольшее распространение в качестве измерительных электродов, рис. 4.13.

Стеклянная трубка имеет на конце шарик из тонкого натриевого или литиевого стекла толщиной не менее 0,1 мм. Она погружается в исследуемую жидкость. Шарик заполнен раствором химически чистой соляной кислоты, в которую помещается вспомогательный хлоро-серебряный электрод. Потенциал этого электрода постоянен и не влияет на значение рН.

В измерительной практике стеклянные электроды зарекомендовали себя удовлетворительно. Они имеют устойчивые характеристики в течение длительного времени, одинаковую с водородным электродом зависимость и практически безинерционны.

К существенным недостаткам стеклянных электродов относится значительный потенциал асимметрии , имеющий различные значения у разных образцов при рН = 0. Для снижения погрешности необходимо длительное вымачивание электродов в одном растворе, которое несколько снижает потенциал асимметрии.

С теклянные электроды обладают положительным температурным коэффициентом порядка или для диапазона температур 15-50°С.

Для измерения рН применяют шкалу, в центре которой цифра 7, с предельной шкалой 14 единиц, рис 4.14. В интервале от 0 до 7 единиц – среда кислая, в интервалах от 7 до 14 единиц – среда щелочная.

Для измерения окислительно-восстановительного потенциала ОВП применяют шкалу, которая градуируется в милливольтах. Известно, что в одной единице рН содержится 58 милливольт напряжения. В центре такой шкалы 406 мВ, а предельная шкала рассчитана на 812 мВ. Такая шкала более

точная и называется шкалой ОВП - окислительно-восстановительного потенциала.

В настоящее время для измерения рН применяют комбинированные и редоксметрические электроды. Они представляют собой встроенные в одну стеклянную колбу два электрода, которые измеряют активность водородных ионов как обычные рН-метры. Внешний вид таких электродов показан на рис. 4.15.

Электроды этих серий представляют собой высококачественные сенсоры для профессионального применения в технологических процессах. Их отличает использование самых качественных материалов и компонентов. Они выполнены как комбинированные электроды (стеклянный или металлический электрод и электрод сравнения в одном корпусе). При необходимости, в зависимости от типа, электрод может иметь дополнительный встроенный датчик температуры.

Внешний вид современного рН-метра показан на рис. 4.16. Цифровая информация выводится не только на ЖК-индикатор прибора, но и на компьютер.