200... 500 °С. По выделяющейся при этом теплоте и изменяющейся в
результате этого температуре нити определяется концентрация ана-
лизируемого компонента.
Изменение температуры ∆t при таком окислении (горении) опре-
деляется выражением
где К — постоянный коэффициент, зависящий от природы опреде-
ляемого компонента и конструктивных параметров чувствительного
элемента; QH, С — удельная объемная теплота сгорания и объемная
концентрация определяемого компонента соответственно.
Каталитически активная платиновая нить включается в одно из
плеч неуравновешенного моста. В этот мост входит также резистор,
выполненный из каталитически пассивной платиновой проволоки и
находящийся в камере, заполненной неопределяемыми компонента-
ми газовой смеси. Если определяемый компонент в смеси отсутству-
ет, их сопротивления одинаковы. Резисторы двух оставшихся плеч
имеют постоянное сопротивление и выполнены из манганиновой
проволоки. При наличии определяемого компонента в газовой смеси
происходит его сгорание на активном резисторе, сопротивление по-
следнего возрастает, что приводит к появлению на измерительной
диагонали моста напряжения, пропорционального концентрации
определяемого компонента. Милливольтметр в измерительной диа-
гонали градуируется в единицах концентрации определяемого ком-
понента.
Такие ГА в основном используются как индикаторы и сигнализа-
торы взрывоопасных концентраций, градуируются в процентах НКПВ
и выполняются как в стационарном, так и в переносном варианте
(сигнализаторы серии СГГ, ПГФ и др.). Сигнализируемые значения
5... 50 % НКВП для горючих газов и паров и 5...20 % НКВП для сме-
сей водорода с воздухом, время реакции не более 30 с. Существуют
также термохимические ГА, в которых реакция окисления опреде-
ляемого компонента протекает на поверхности гранулированного
катализатора, в качестве которого часто используется смесь диокси-
да марганца и оксида меди. Увеличение поверхности катализатора
позволяет снизить нижний предел измерения до долей процента.
В остальном их работа аналогична рассмотренному выше ГА.
Термохимические ГА в настоящее время являются одними из наи-
более распространенных в промышленности средств аналитической
техники. Их различные модели выпускаются как российскими, так и
зарубежными фирмами.
8.1.4. Оптические газоанализаторы
Принцип действия оптических ГА основан на явлении избиратель-
ного поглощения анализируемым компонентом энергии излучения
определенной длины волны, причем интенсивность этого поглощения
зависит от концентрации анализируемого компонента в АГС. Эта за-
висимость описывается законом Бугера—Ламберта—Бера:
где I0λ — интенсивность монохроматического излучения с длиной
волны λ, на входе в поглощающий слой газа и после прохождения
через него соответственно; ελ — коэффициент поглощения излучения
определяемым компонентом на длине волны λ; С — концентрация
определяемого компонента в газовой смеси; L — толщина погло-
щающего слоя.
Произведение ελCL называется оптической плотностью D,:
Каждый газ характеризуется определенным спектром поглощения.
Газы, содержащие в своем составе два и более разнородных атомов,
такие как СО, С02, СН4, NH3, С2Н2, имеют спектры поглощения в
инфракрасной (ИК) области.
Для использования этого метода измерения необходимо, чтобы
определяемый компонент имел спектр поглощения, отличающийся
от спектров поглощения других компонентов анализируемой смеси.
Лежащие в ИК-области спектры поглощения СО, С02, СН4, NH3
изображены на рис. 8.2, а. Хотя спектры С02 и СО, С02 и СН4 ча-
стично перекрываются, можно выделить длины волн, на которых
имеет место селективное поглощение ИК-излучения этими компо-
нентами, что позволяет измерять их концентрацию в многокомпо-
нентных АГС. В качестве источников излучения инфракрасных ГА
используются нихромовые излучатели, нагретые до 700... 800 "С. При-
емниками излучения служат батареи термопар или терморезисторов,
фоторезисторы или конденсаторные микрофоны. Схема одного из
вариантов акустического приемника ИК-излучения представлена на
рис. 8.2, б. Источником 1 создается постоянное излучение, которое
с помощью вращающегося диска с отверстиями (обтюратора) 2 и
светофильтра 3 преобразуется в пульсирующее монохроматическое
излучение. Определяемый компонент, находящийся в камере 4, по-
глощает излучение, при этом в камере возникают пульсации темпе-
ратуры, а следовательно, и давления, изображенные на рис. 8.2, в.
Эти пульсации воспринимаются микрофонным чувствительным
элементом 5, представляющим собой конденсатор, образованный
подвижной мембраной и неподвижной пластиной. Под действием
давления мембрана перемещается, вызывая из-за колебаний зазора 5
изменение емкости С конденсатора.
Используемые в промышленности оптико-акустические ГА, как
правило, представляют собой дифференциальные двухлучевые схемы
и имеют две кюветы: измерительную, через которую прокачивается
АГС, и сравнительную, которая заполняется вспомогательной газовой
смесью. В нее входят какой-либо не поглощающий ИК-излучение газ
и неопределяемые компоненты АГС со средними значениями концен-
траций. ИК-излучение (2... 8 мкм) поступает в измерительную и срав-
нительную камеры через фильтровые камеры, служащие для уменьше-
ния влияния на результаты измерения неопределяемых компонентов,
полосы поглощения которых частично перекрываются с полосой по-
глощения определяемого компонента. Они заполняются этими компо-
нентами, причем их концентрация должна быть больше их возможной
концентрации в АГС. Если определяемый компонент отсутствует в АГС,
поглощение импульсного ИК-излучения в обеих камерах будет одина-
ково. При появлении в АГС определяемого компонента он поглощает
часть энергии излучения, проходящего через измерительную камеру, в
результате чего в конденсаторном микрофоне возникают колебания,
частота которых составляет несколько герц.
Оптико-акустические ГА используются для измерения в много-
компонентных смесях концентраций СО, С02, СН4, С2Н2, С3Н6 и др.
Диапазоны измерений этих анализаторов от 0...0Д до 0... 100% об.
Классы точности 2,5... 10 (в зависимости от диапазона измерений).
8.2. Измерение плотности жидкостей и газов
8.2.1. Общие сведения об измерении плотности
Плотностью р вещества называют физическую величину, опреде-
ляемую отношением массы т вещества к занимаемому им объему V:
Плотность тела не зависит от его местонахождения на поверхности
земли и является физической константой вещества. Плотность из-
меряется в таких единицах, как кг/м3, г/см3. В некоторых случаях
используется понятие относительная плотность, определяемая как
отношение плотности данного вещества к плотности другого вещества
при определенных физических условиях. Относительную плотность
жидкого вещества принято выражать отношением его плотности,
взятой при нормальной температуре (20 °С), к плотности дистилли-
рованной воды при температуре 4 °С. Обозначается такая плотность ρ420.
Относительную плотность газа принято выражать отношением
его плотности к плотности сухого воздуха, взятых при нормальных
условиях (температура 20 °С и давление 760 мм рт. ст.). Плотность
жидкостей и газов уменьшается с увеличением температуры. Плот-
ность газов увеличивается с увеличением давления, плотность жид-
кости от давления практически не зависит.
8.2.2. Основные виды плотномеров
Средства измерения плотности называются плотномерами (ден-
ситометрами). По принципу действия выделяют весовые, поплавко-
вые, гидроаэростатические, вибрационные, акустические, радиоизо-
топные и некоторые другие плотномеры.
Принцип действия в е с о в ы х плотномеров состоит в непрерывном
взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в неко-
торой емкости или трубопроводе. Таким образом, плотность опреде-
ляется через удельный вес. Весовые плотномеры применяют обычно
для измерения плотности суспензий, а также вязких и содержащих
твердые включения жидкостей. Они позволяют измерять плотность в
интервале 0,5...2,5 г/см3 с выделением поддиапазона 0,05...0,3 г/см3
в любой части основного интервала. Классы точности 1... 1,5.
П о п л а в к о в ы е плотномеры изготавливаются двух типов: с
частично погруженным поплавком и с полностью погруженным по-
плавком. В плотномерах с частично погруженным поплавком мерой
плотности жидкости служит глубина погружения поплавка. В плот-
номерах с полностью погруженным поплавком глубина погружения
поплавка (буйка) остается постоянной, а изменяется действующая на
него выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости.
Плотномеры первого типа измеряют плотность от 0,005 до 0,01 г/см3
с погрешностью 1,5... 3 % от диапазона измерения, а второго типа — от
0,5 до 1,2 г/см3 с поддиапазоном 0,05... 0,2 г/см3 в любой части основ-
ного интервала; их класс точности 1.
Принцип действия г и д р о - и а э р о с т а т и ч е с к и х плотно-
меров основан на зависимости давления Р столба анализируемой
жидкости или газа от плотности ρ этих сред:
где g — ускорение свободного падения; Н— высота столба жидкости
или газа.
Р а д и о и з о т о п н ы е плотномеры позволяют измерять плотность
агрессивных, сильновязких, горячих и находящихся под большим
давлением жидкостей бесконтактным способом. Их действие осно-
вано на ослаблении радиоактивного излучения с повышением плот-
ности измеряемой жидкости.
8.2.3. Вибрационные плотномеры
Вибрационные плотномеры на сегодняшний день являются наи-
более востребованными на объектах трубопроводного транспорта.
Принцип действия вибрационных плотномеров основан на зависи-
мости частоты колебаний, сообщаемых камере с анализируемым
веществом или телу, размещенному в нем, от плотности этого веще-
ства. Камера с анализируемым веществом или тело, размещенное в
нем, называется резонатором. Частота собственных колебаний ƒ ре-
зонатора, заполненного анализируемым веществом с плотностью ρ
или находящегося в нем, описывается выражением
где /о — частота колебаний резонатора при начальном значении плот-
ности анализируемого вещества; к — константа, зависящая от кон-
струкции резонатора.
Конструктивно различают пр о т оч н ы е и п о г р у ж н ы е виб-
рационные плотномеры. В первом случае анализируемое вещество
протекает через внутреннюю полость резонатора, во втором — резо-
натор размещается в потоке анализируемого вещества. Проточные
плотномеры являются более распространенными.
При измерении плотности в трубопроводе необходимо учитывать
влияние давления и температуры потока. Для этого обычно исполь-
зуются два резонатора: измерительный и компенсирующий. На рис.
8.3, а показан датчик плотномера, представляющий собой корпус 1
из нержавеющей стали, внутри которого расположены два тонкостен-
ных ферромагнитных цилиндра: измерительный 2 и компенсирую-
щий 3. Через измерительный цилиндр протекает жидкость, плотность
которой измеряется, а компенсирующий цилиндр заполнен образцо-
вой жидкостью (керосином). Давление измеряемой среды передается
в компенсирующий цилиндр 3 через сильфон 4, благодаря чему дав-
ление в цилиндрах 2 и 3 одинаково, и погрешность измерения плот-
ности от разности давлений в цилиндрах практически отсутствует.
Для введения температурной коррекции в компенсирующем цилин-
дре 3 установлен терморезистор 5. При измерении плотности (рис.
8.3, б) оба цилиндра 2 и 3 колеблются с собственной частотой, воз-
буждаемой электромагнитными катушками 7. Собственная частота
компенсирующего цилиндра на 80... 100 Гц больше, чем максималь-
ная частота (при наименьшей плотности перекачиваемого продукта)
измерительного цилиндра. Колебания цилиндров 2 и 3 возбуждают
в измерительных катушках 6 электромагнитные колебания с частотой
fmwfk соответственно, которые через фазосдвигающие устройства 7
поступают на усилители-ограничители 8. Узел вычитания 10 из ча-
стоты колебаний fk компенсирующего цилиндра вычитает частоту
колебаний ƒm измерительного цилиндра. При этом компенсируется
погрешность измерения плотности нефти, возникающая из-за на-
личия в трубопроводе, а значит, и в датчике довольно значительного
давления.
Плотность керосина, находящегося в компенсирующем цилинд-
ре 3, сильно зависит от температуры. Для уменьшения температурной
погрешности в датчике предусмотрена схема компенсации, состоящая
из терморезистора 5 и усилителя постоянного тока 9. Терморезистор
включен в чувствительное плечо мостовой схемы, выходное напря-
жение которой усиливается усилителем 9 и поступает в устройство
температурной компенсации 11, куда также поступает разностная
частота ∆f=ƒk-fm. Далее сигнал разностной частоты ∆ƒt скорректи-
рованной по температуре, подается на схему линеаризации 12 и далее
на устройство индикации 13.
Вибрационные плотномеры позволяют измерять плотность в
диапазоне от 750 до 930 кг/м3 с основной погрешностью не более
0,5 % в потоках с давлением до 6,4 МПа.
8.3. Измерение вязкости
8.3.1. Общие сведения об измерении вязкости
Вязкость (внутреннее трение) — свойство текучих веществ
(жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной
их части относительно другой. Именно вязкость обусловливает ги-
дравлическое сопротивление в трубопроводах. Основной закон вяз-
кого течения описывается формулой Ньютона:
где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг сло-
ев жидкости (газа) друг относительно друга; S — площадь слоя, по
которому происходит сдвиг; dV/ dn — градиент скорости V течения
(быстроты изменения ее от слоя к слою) по нормали п.
Коэффициент пропорциональности г| называется динамической
вязкостью. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смеще-
нию ее слоев. Величина, обратная динамической вязкости, называ-
ется текучестью φ = 1/η
Наряду с понятием динамической вязкости используется понятие
кинематическая вязкость v:
Единицами динамической вязкости являются Па-с (в системе
единиц СИ) и П (пуаз). 1 Па-с — это вязкость такой жидкости, в
которой на 1 м поверхности слоя действует сила, равная одному нью-
тону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на
1 см/с. Жидкость с вязкостью 1 Па с относится к числу высоковязких,
поэтому на практике часто используются единицы мПа • с (миллипу-
аз) и сП (сантипуаз). Единицами кинематической вязкости являются
м2/с (в системе единиц СИ) и Ст (стокс). Соотношение между ука-
занными единицами:
1 П = 10-1 Па-с; 1 Ст = 10-4 м2/с.
На практике иногда используют понятие условная вязкость, ко-
торая представляет собой отношение времени истечения из виско-
зиметра определенного объема некоторой жидкости ко времени ис-
течения такого же объема дистиллированной воды при температуре
20 °С. Условная вязкость измеряется в градусах ВУ.
Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, а
газов — увеличивается.
• 8.3.2. Средства измерения вязкости
Средства измерения вязкости называют вискозиметрами. В за-
висимости от назначения вискозиметры делятся на промышленные
(технологического контроля) и лабораторные (стационарные и пере-
носные). По режиму работы вискозиметры могут быть непрерывного
и циклического действия. По принципу действия вискозиметры де-
лятся на пять групп: ротационные, вибрационные, капиллярные,
шариковые и условной вязкости (типа воронки).
Принцип действия р о т а ц и о н н ы х вискозиметров (рис. 8.4)
основан на измерении крутящего момента, возникающего на оси
ротора 1, погруженного в измеряемую среду. Этот крутящий момент
М описывается выражением
где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции рото-
ра вискозиметра; ω — угловая скорость вращения ротора; η — дина-
мическая вязкость.
Таким образом, при постоянной угловой скорости крутящий мо-
мент однозначно определяет вязкость жидкости. Характерной осо-
бенностью ротационных вискозиметров является широкий диапазон
измеряемых значений вязкости.
Принцип действия в и б р а ц и о н н ы х вискозиметров основан
на определении амплитуды вынужденных колебаний тела правильной
геометрической формы, называемого зондом вискозиметра, при по-
гружении его в исследуемую среду. В настоящее время широко при-
меняются электронные вибрационные вискозиметры, в которых зонд
совершает вынужденные колебания под воздействием импульсов
электромагнитного вибратора со встроенным датчиком амплитуды.
Эту амплитуду А колебаний зонда при постоянной возбуждающей
силе можно описать выражением
где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции зонда
вискозиметра и типа исследуемой жидкости; η — динамическая вяз-
кость.
Вибрационные вискозиметры имеют значительно большую по
сравнению с ротационными вискозиметрами чувствительность, но
более узкий диапазон измеряемых значений вязкости.
Принцип действия к а п и л л я р н ы х механических вискозимет-
ров основан на закономерности истечения жидкости через капилляр,
описываемой законом Пуазейля:
где Q — объемный расход жидкости; R и L — внутренний радиус и
длина капилляра соответственно; η — динамическая вязкость; Р1
Р2 — давление до и после капилляра по потоку.
При постоянном объемном расходе жидкости выражение (8.19)
можно преобразовать к виду
Следовательно, для определения динамической вязкости жидкости
достаточно при постоянном объемном расходе измерять перепад
давлений на капилляре. Этот постоянный объемный расход анали-
зируемой жидкости создается насосом Н (рис. 8.5, а). Анализируемая
жидкость поступает в змеевик 1, где нагревается до температуры,
поддерживаемой в термостате 2, а затем — в капилляр 3, размеры
которого выбираются в зависимости от диапазона измеряемых зна-
чений вязкости. Перепад давлений на капилляре, который пропор-
ционален динамической вязкости анализируемой жидкости, измеря-
ется дифманометром ДМ. Температура в термостате поддерживается
на уровне 50 или 100 "С. Диапазон измерений этих вискозиметров от
0... 2 до 0... 1 ООО сП, класс точности 1,5... 2,5 (в зависимости от диа-
пазона измерений).
Принцип действия ш а р и к о в ы х вискозиметров основан на
измерении скорости (или времени) движения шарика под действием
сил тяжести и трения в анализируемой жидкости. Это движение опи-
сывается законом Стокса:
где V— скорость равномерного падения шарика; ρш и ρж — плотности
материала шарика и жидкости соответственно; g — ускорение сво-
бодного падения; R — радиус шарика; η — динамическая вязкость.
Учитывая, что плотность анализируемой жидкости изменяется
незначительно и что она в несколько раз меньше плотности шарика,
выражение (8.21) можно преобразовать к виду
Обычно измерение скорости V сводится к измерению отрезка
времени τ, за который шарик, падая с постоянной скоростью, про-
ходит некоторый постоянный отрезок пути L между двумя приняты-
ми отметками. В этом случае
В нерабочем состоянии шарик 2 (рис. 8.6, а) находится на нижней
сетке 4. Анализируемая жидкость из трубопровода периодически
прокачивается насосом Н по трубке 1 снизу вверх и при своем дви-
жении поднимает шарик 2 от нижней 4 до верхней 3 ограничительной
сетки. В момент касания шарика с верхней сеткой насос автомати-
чески отключается и шарик падает в неподвижной среде — анализи-
руемой жидкости. С помощью устройств 5 и 6 (например, индукци-
онных катушек) в моменты времени, когда шарик проходит две вы-
бранные отметки, отстоящие друг от друга на расстояние L по
высоте трубки, формируются электрические импульсы. Промежуток
времени между указанными импульсами, значение которого и опре-
деляет динамическую вязкость, измеряется блоком 7 (измеритель
временных интервалов). Во время измерения жидкость и шарик тер-
мостатируют с точностью 0,2 °С, для чего измерительную трубку по-
мещают во вторую, более широкую трубку, в которой поддерживают
постоянную температуру 50 или 100 °С. Диаметр трубки, в которой
проводят измерение вязкости, должен быть по крайней мере в 10 раз
больше диаметра шарика. Длина трубки подбирается с таким рас-
четом, чтобы измерять время падения шарика на средней ее части,
на отрезке, равном 1/3 — 1/2 длины трубки.
Пределы измерений вискозиметра можно менять в широком диа-
пазоне установкой расстояний между устройствами формирования
импульса и подбором размера шарика. Шариковые вискозиметры
используются для измерения вязкости до 100 Па - с с погрешностью
не выше ±2%.
8.4. Измерение влажности
8.4.1. Общие сведения об измерении влажности
Влажность газов и жидкостей — с)дин из важных параметров тех-
нологических процессов. Влажность газов, например, необходимо
измерять в процессе осушки, при очистке газов, в газосборниках, при
кондиционировании воздуха и т.д. Измерение содержания воды в
нефти необходимо для выбора режимных параметров установок под-
готовки нефти, контроля качества товарной нефти и т.п. Влага, т.е.
наличие молекул воды в веществе, в газах содержится в виде водяно-
го пара, а в жидкостях — в виде смеси воды и самой жидкости. Для
характеристики содержания влаги в жидкостях применяются две
величины: влагосодержание и влажность. Под влагосодержанием (и)
понимается отношение массы влаги М, содержащейся в веществе, к
массе абсолютно сухого вещества М0:
где Р — вес влажного вещества; Р0 — вес абсолютно сухого веще-
ства.
Для указания содержания влаги в материале может быть приме-
нена любая из этих величин. В теоретических исследованиях и рас-
четах содержание влаги задается влагосодержанием, а в производ-
ственных условиях для той же цели чаще применяется влажность.
Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по
соотношениям:
Влажность газов характеризуется абсолютной влажностью, от-
носительной влажностью и температурой точки росы. Абсолютная
влажность газа равна массе водяного пара, содержащегося в едини-
це объема парогазовой смеси, и равна плотности водяного пара.
Относительная влажность воздуха φ — это величина, характери-
зующая степень насыщения воздуха водяными парами. Она равна
отношению парциального давления содержащегося в воздухе водя-
ного пара Рп к парциальному давлению насыщенных водяных паров
Рн при одной и той же температуре
Температура точки росы — это температура, до которой необ-
ходимо охладить влажный воздух, чтобы достичь насыщения водя-
ного пара, сохраняя постоянным массовое содержание влаги в про-
цессе охлаждения. При температуре точки росы РП = Рн.
Средства измерения влажности жидкостей и твердых тел называ-
ются влагомерами, а газов — гигрометрами. При этом необходимо
отметить, что влагометрия представляет собой особый частный слу-
чай измерения состава вещества. В нефтегазовой промышленности
наиболее распространенными влагомерами жидкостей являются
диэлькометрические (емкостные) и сверхвысокочастотные (СВЧ)
влагомеры, а для измерения влажности газов используются диэлько-
метрические, конденсационные гигрометры, психрометры и др.
8.4.2. Диэлькометрические влагомеры
Принцип действия диэлькометрических влагомеров основан на
сильной зависимости диэлектрической проницаемости материалов
от содержания в них влаги. Это обусловлено аномально большой
диэлектрической проницаемостью воды (е = 81 при 20 °С). Для срав-
нения, диэлектрическая проницаемость углеводородов, входящих в
состав нефти, составляет от 2 до 2,6; нефть, содержащая воду, может
поэтому рассматриваться по диэлектрической проницаемости как
псевдобинарная смесь. Измерение диэлектрической проницаемости
в диапазоне средних частот тока (0,1... 30 МГц) сводится к определе-
нию емкости конденсатора, между обкладками (электродами) кото-
рого помещено исследуемое вещество. При этом измеренная ем-
кость
где С0 — емкость незаполненного конденсатора; е — диэлектрическая
проницаемость исследуемого вещества.
В диэлькометрических влагомерах для измерения влажности жид-
костей в основном используются коаксиальные цилиндрические
конденсаторы. При этом роль внешнего конденсатора выполняет
труба, внутри которой размещается стержень, играющий роль вну-
треннего электрода. Точность измерения диэлькометрическими
влагомерами вполне приемлема, а диапазон измерений составляет от
0,1 до 100 % об. Недостатком является дополнительная погрешность