Физические науки/1.Теоретическая физика

Магеррамов М. А.

Азербайджанский Государственный Экономический Университет

Бакинский Колледж Пищевой Промышленности

Новая конструкция измерительной ячейки для измерения плотности жидкостей методом гидростатического взвешивания

При исследованиях смесей жидкостей, нередко один компонент является основным, и его процентное содержание доминирует. Этот компонент можно назвать растворителем. Тогда второй компонент назовем растворенным веществом. Это может быть и твердое вещество и жидкость. В этом случае, основной задачей при измерении объемных свойств смеси является количественное определение изменения плотности чистого растворителя при введении второго компонента – растворенного вещества. При малом присутствии второго компонента, абсолютные изменения плотности являются не столь значительными. Порой, они даже сопоставимы с погрешностью прямых измерений, или, по крайней мере, имеют одинаковый порядок. В такой ситуации, характеризовать изменения плотности в зависимости от параметров состояния становиться чрезвычайно сложной задачей [1-3].

Для решения вопросов связанных с такого рода смесями нами предлагается новая установка для измерения плотности жидкостей. Принцип работы установки является таким же, как и описанная и опубликованная в [4]. Используется метод гидростатического взвешивания[1,2].

Основные части установки следующие: измерительная камера (1), труб-чатая головка (2), пережимной сосуд (3), поплавок (4), нижний соединяющий конус (5), верхний укрепляющий конус (6), аналитические весы (7), элекромаг-нитная катушка (8), подвесная система с соединительным стержнем (9), электронно- следящая система (10), титановая печь (11), грузопоршневой манометр МП-60 (12), электронагреватель (13).

Измерительный прибор, изготовленный из нержавеющей стали, состоит из поплавковой камеры (4), соединенной трубкой высокого давления с головкой (2), выполненной из титана. В этой головке, в тефлоновом вкладыше, расположена катушка-датчик электроноследящей системы, концы которой проходят в тефлоновой изоляции и выводятся наружу через уплотнительный тефлоновый сальник.

Сверху прибор закрывается колпачком с конусным винтом, в котором находится сердечник подвесной системы. На горлышко сосуда надет холодильник, в котором постоянно циркулирует холодная вода, охлаждающая трубку высокого давления, чтобы горячая жидкость не поднималась в зону сердечника. Подвесная система, размещенная внутри прибора, состоит из кварцевого поплавка, сердечника, изготовленного из серебрянки и соединяющей их манганитовой нити. Магнитная связь между подвесной системой и катушкой-соленоидом подвешенной к одной из чашек аналитических весов осуществляется с помощью ферромагнитного сердечника. Вес подвесной системы в исследуемой среде, представляющего разность весов соленоида с подвесной системой и без нее, определяется весами ВЛА-200 с чувствительностью 0.1 мг.

Основной отличительной особенностью методики измерений установки является не определение абсолютной величины массы поплавка в измерительной ячейке, а определение разности масс поплавка который находится в измерительной ячейке наполненной исследуемой жидкостью, и поплавка, который находится в другой ячейке, наполненной чистым растворителем.

Конструктивная особенность предлагаемой установки сводится к следующему (рис.). Вместо одной измерительной ячейки, мы используем две одинаковые емкости, с равным объемом и два одинаковых поплавка. Одна из ячеек заполняется эталонной жидкостью. В качестве эталонной жидкости может быть использована жидкость, являющаяся основным компонентом в смеси, например, растворитель. Второй измерительный сосуд заполняется исследуемой смесью. Оба поплавка присоединяются к коромыслам аналитических весов. В ходе проведения экспериментов, оба измерительных сосуда находятся при одинаковых параметрах состояния. После выхода на заданный режим и установления теплового равновесия в термостате, измеряется разность масс поплавков. Через разность масс поплавков рассчитывается разность плотностей. Зная плотность эталонного вещества и определив разность плотностей эталонной жидкости и исследуемой жидкости можно рассчитать плотность последней. Остальные действующие системы и узлы аналогичны одноячеечной схеме, показанной на рисунке 3.2 в [5].

Рис. Схема двухъячеечной экспериментальной установки для измерения плотности пищевых жидкостей

Более высокая точность определения плотности смеси в предлагаемом методе измерений заключается в следующем. Когда мы проводим прямые измерения плотности по классическому варианту метода гидростатического взвешивания, в суммарную погрешность опыта входят погрешность измерения температуры и давления. В добавок к ним имеются случайные погрешности измерений, как то погрешность, связанная с колебаниями поплавка, что водит неточность в определение массы, и т.д. В новом методе измерений удается избежать отмеченные недостатки. Так, точность определения температуры и давления уже не столь существенна, поскольку разность плотностей смеси и чистого растворителя остается практически одинаковой при малых изменениях температуры и давления. То есть, если мы определили разность плотности между растворителем и смесью, то она будет таковой в окрестности заданной температуры с границей этой окрестности как минимум в ±0.5К. Те же самые соображения применимы и к определению давления. Таким образом, мы полностью исключаем погрешность определения плотности связанную с температурой и давлением. Измерив разность плотностей и температуру жидкостей, мы, зная плотность чистого растворителя при заданной температуре, вычисляем плотность исследуемой смеси, и относим это к той же температуре. Та же самая операция проводится и с давлением.

Далее, случайные погрешности, связанные с колебаниями поплавка практически тоже сводятся к нулю, поскольку обе измерительные ячейки, и оба поплавка находятся в равных условиях.

Наконец, самое основное преимущество нового метода заключается в следующем. Сколь бы малые отклонения в плотности не были между плотностью чистого растворителя и смеси, предлагаемая установка определит эту разность. В традиционном варианте гидростатического взвешивания, разность в плотностях, если она довольно мала, может лежать в пределах погрешности измерений. В этом случае не представляется возможным не только точно определить разность плотностей, но даже затруднительно установить знак этих изменений.

Предлагаемая нами новая конструкция и новая методика измерений плотности с помощью гидростатического взвешивания позволяет решать задачи, трудно разрешимые на классическом варианте.

Анализ метода гидростатического взвешивания показал, что этот метод может быть успешно использован для измерения удельных объемов различных плодоовощных соков при различных параметрах состояния. Это подтверждается контрольными измерениями удельных объемов хорошо изученных жидкостей, анализом теории данного метода и оценкой погрешности измерений. Предложена новая методика для одновременного измерения удельных объемов чистых соков и их смесей при различных давлениях и температурах.

Л и т е р а т у р а

1. Голубев И.Ф. Определение удельного веса жидкостей и газов при высоких давлениях методом гидростатического взвешивания // Труды ГИАП. М.: 1957. Вып. 7.

2. Гусейнов К.Д. Исследование термодинамических и переносных свойств ряда кислородсодержащих органических веществ в широком интервале параметров состояния: Автореф. Дисс… д-ра техн. наук. Баку, 1979.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шеиндлин А.Б. Техническая термодинамика, М.Л. Госэнергоиздат, I и II часть, 1956

4. Магеррамов М.А. Плотность концентратов гранатового и персикового cоков при повышенных параметрах состояния // ИФЖ, Минск.2006, том 79. №4, с.174-178.

5. Магеррамов М. А. Тепло и электрофизические свойства жидких пищевых продуктов. Palmarium Academic Publishing, Германия. 2012, 428 с.