Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Provozní snímače hustoty kapalin (část 2)

Karel Kadlec
(dokončení z čísla 1/2011)
 

Kombinované snímače hustoty a rychlosti zvuku

 
Kombinovaný snímač hustoty a rychlosti zvuku je možné využít ke stanovení koncen­trací tří složek ve vícesložkové směsi. Analy­zovaný vzorek kontinuálně protéká přes jeden kombinovaný senzor současně měřící husto­tu a rychlost zvuku v médiu a navíc doplněný senzorem teploty, který je určen ke kompenzaci teplotní závislosti. Uspořádání kombinované­ho snímače je schematicky ukázáno na obr. 21.
 
Jako příklad analýzy vícesložkové směsi lze uvést měření koncentrace alkoholu, ex­traktu (koncentrace extraktu původní mladiny) a vody při výrobě piva [1]. S rostou­cí koncentrací alkoholu klesá hustota rozto­ku, naopak rychlost zvuku v kapalině roste (obr. 22). U extraktu je tomu jinak: s rostou­cí koncentrací extraktu roste jak hustota, tak i rychlost zvuku.
 
Kombinace měření hustoty a rychlosti zvuku v médiu umožňuje přesně stanovit obsah alkoholu a extraktu v analyzovaném vzorku. Výpočty koncentrace jednotlivých složek jsou prováděny s využitím výkonné­ho softwaru. Kombinovaný snímač DSRn 427S z korozivzdorné oceli s integrovaným čerpadlem od firmy Anton Paar je na obr. 23.
 
Jiným příkladem použití kombinované­ho snímače je měření hmotnostní koncent­race kyseliny octové ve vodě v rozmezí od 0 do 100 %. Vzhledem k tomu, že závis­lost hustoty roztoku kyseliny octové vyka­zuje maximum při hmotnostní koncentraci 85 %, nelze celý požadovaný rozsah pokrýt samotným snímačem hustoty. Rychlost ul­trazvuku v roztocích kyseliny octové v roz­mezí od 0 do 40 % se mění jen velmi málo, ale od 40 % výše výrazně klesá. Kombino­vaný snímač tedy umožní měřit hmotnostní koncentrace kyseliny octové ve vodě v celém rozmezí od 0 až do 100 % [2].
 

Radiační hustoměry

 
Při průchodu radioaktivního záření hmot­ným prostředím se zeslabuje tok záření a ten­to jev lze využít k měření hustoty kapalin. Pro zeslabení intenzity záření, které prošlo vrstvou kapaliny o tloušťce l a hustotě ρ, pla­tí vztah
 
Φ = Φ0eμlρ      (6)
 
kde
Φ0, Φ je tok záření vystupujícího ze zdroje, popř. z měřeného prostředí,
μ hmotnostní součinitel zeslabení záření.
 
Měřicí zařízení tvoří radioaktivní zářič a detektor záření s elektronickými obvody. Jako radioaktivní zářiče se používají zdroje záření gama, které velmi dobře proniká ma­teriálem, ale nemá schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu). Lze je proto používat i v potravinářském průmyslu. Aby nebyly nutné časté kalibrace, používají se izotopy s delším poločasem rozpadu, např. 60Co (poločas rozpadu 5,5 roku) nebo 137Cs (30,5 roku). Zářič musí být opatřen olověným ochranným pouzdrem. Protože intenzita zá­ření se mění s časem, bývá zavedena auto­matická kompenzace jako funkce času, ane­bo se provádí pravidelná korekce při kont­rolním měření, kdy záření prochází mimo měřenou kapalinu.
 
K detekci záření se používá Geigerův--Müllerův detektor (při teplotách vyšších než 60 °C musí být elek­tronická část oddělena od detektoru) nebo citlivý scintilační detektor s fo­tonásobičem. Vyhodno­cuje se zeslabení svazku radioaktivního záření při jeho průchodu sledova­ným prostorem. Intenzita záření dopadající na de­tektor závisí na hustotě a tloušťce vrstvy měře­ného materiálu.
 
Snímače hustoty s ra­dioaktivním zářičem se nejčastěji vyrábějí jako průtočné a radioaktivní zářič a detektor prochá­zejícího záření se montu­jí na vnější stranu potru­bí nebo provozní nádo­by. Měří-li se na potrubí s velkým průměrem či na zásobníku, zářič a de­tektor se montují podle obr. 24a. Jestliže je třeba měřit na potrubí malého průměru (d < 150 mm), dráha záření v médiu není dostatečná pro do­sažení požadované citli­vosti a přesnosti měření, a proto se zářič a detek­tor montují podle obr. 24b. Pouzdro zářiče bývá vy­baveno uzavíracím me­chanismem, který uzavírá otvor pro paprsky zářiče během montáže a údržby. Vzhledem k tomu, že ces­ta ionizačního záření zahr­nuje stěny potrubí či nádo­by, provádí se empirická kalibrace snímače s použi­tím roztoků o známé hus­totě [4].
 
Radiační hustoměry představují bez­kontaktní způsob měření (montáž vně po­trubí) a vykazují minimální poruchovost. Uplatní se zejména ve velmi těžkých pro­vozních podmínkách, při kterých jiné meto­dy nevyhovují, tj. při měření hustoty kapalin se značným obsahem nečistot, velmi agresivních kapalin a kapalin s velkou viskozitou, a to i při extrémních teplotách a tlacích, včet­ně vakua, při vibracích technologického za­řízení apod. Měřené médium by nemělo ob­sahovat bubliny plynu; příčinou znatelných chyb měření jsou také usazeniny na stěnách.
 
Nevýhodou radiačních hustoměrů je nut­nost chránit obsluhu před účinky radioaktiv­ního ozáření a povinnost zajistit pravidelné kontroly zařízení předepsané zákonem. Při projektování a používání zařízení s radioak­tivními zářiči je třeba dbát na dodržování pří­slušných bezpečnostních předpisů.
 

Další principy využívané k měření hustoty

 
K měření hustoty lze využít také signál od­vozený z Coriolisova průtokoměru používané­ho k měření hmotnostního průtoku. Coriolisův průtokoměr je založen na měření deformace kmitající měřicí trubice působením Corio­lisovy síly, která vzniká v kmitající trubici proté­kané tekutinou [6]. K do­sažení minimální možné spotřeby budicí energie kmitá trubice na své rezonanční frekvenci, když se budicí oscilátor přelaďu­je tak dlouho, až dosáhne rezonance. Podle vztahu (5) je rezonanční frekven­ce úměrná celkové hmot­nosti měřicí trubice (cel­ková hmotnost trubice je dána součtem hmotnosti prázdné trubice a jejího obsahu, když objem mě­řicí trubice je konstantní). Pro výpočet hustoty z na­měřené rezonanční frek­vence tedy platí
 
ρ = (k/4π2Vf2) – (m/V)         (7)
 
Jde o způsob vhodný např. k měření hustoty kalů a kašovitých hmot [5], [14].
 
Kapacitní snímač hus­toty je založen na závis­losti permitivity na husto­tě u nevodivých kapalin. Snímač obvykle tvoří dvě válcové elektrody, mezi ni­miž proudí měřená kapa­lina. Použití je omezeno pouze na nevodivé kapa­liny (např. v petrochemickém průmyslu). Výsledky měření mohou být značně ovlivněny obsahem vlhkosti v měře­ném médiu [3].
 
Pro měření hustoty kapalného média je možné použít i refraktometr, protože mezi indexem lomu a hustotou kapaliny existuje vzájemný vztah [4].
 
V minulosti se k provoznímu měření čas­to využívaly vztlakové hustoměry s plovákem, pracující na principu Archimedova zákona [6]. V současné době jsou tyto přístroje na­hrazovány moderními ultrazvukovými nebo vibračními snímači.
 

Možnosti využití snímačů hustoty

Měření hustoty je v praxi rozšířené a pale­ta měřicích principů je široká. Přestože vztah mezi hustotou a složením analyzované smě­si platí především pro binární směsi, lze často měřením hustoty získat cenné informace o slo­žení a charakteristických vlastnostech i mnoha složitějších směsí.
 
Moderní ultrazvukové a vibrační snímače nabízejí četné možnosti využití při sledování a řízení technologických procesů. Jde o přístro­je obvykle obsahující inteligentní převodník sig­nálu s příslušným softwarem. Kombinace ultrazvukové a vibrační metody měření umožňuje provádět analýzu vícesložkových směsí. Měři­cí rozsah, přesnost i reprodukovatelnost těchto snímačů vyhovují většině požadavků kladených při běžných i náročných provozních měřeních.
 
tab. 1 jsou uvedeny vhodné oblasti využi­tí jednotlivých typů hustoměrů a v dalším tex­tu příklady úloh řešených při použití snímačů hustoty a koncentrace ve vybraných odvětvích. V chemickém průmyslu se uplatní v těchto úlo­hách: měření koncentrace kyselin, zásad a solí, měření koncentrace organických látek (močo­vina, formaldehyd, alkoholy, uhlovodíky, kyselina octová atd.), sledování postupu při se­paraci rozpouštědel, sledování stupně konver­ze polymerizačních reakcí, měření koncentrace suspenzí, kalů a kašovitých médií.
 
V potravinářském průmyslu jsou hustomě­ry potřeba pro: měření koncentrace cukerných roztoků při výrobě cukru, měření hustoty či koncentrace při výrobě nealkoholických ná­pojů, měření hustoty v pivovarnictví, v mlé­kárenství, při fermentacích všech druhů, mě­ření koncentrace cukru a alkoholu při výrobě vína, měření hustoty médií. měření koncent­race kapalných škrobů.
 
Hustoměry se uplatní i v dalších úlohách: měření koncentrace suspenzí a emulzí v pet­rochemickém, papírenském a farmaceutickém průmyslu, monitorování průběhu chemických reakcí a fázových separací, měření koncent­race D2O v H2O v jaderném výzkumu a prů­myslu, měření hustoty kapalin ve výzkum­ných laboratořích, identifikace látek a kontro­la jejich čistoty.
 
Poděkování
Práce vznikla s podporou výzkumného zámě­ru MSM 6046137306.
 
Obr. 21. Schéma kombinovaného snímače hustoty a rychlosti zvuku v médiu (upraveno podle [1])
Obr. 22. Závislost hustoty a rychlosti zvuku v kapalině na koncen­traci směsi alkoholu, extraktu a vody (upraveno podle [1])
Obr. 23. Kombinovaný snímač hustoty a rychlosti zvuku v médiu DSRn 427S (zdroj: Anton Paar [7])
Obr. 24. Instalace radiačních hustoměrů: a) průměr potrubí >150 mm, b) průměr potrubí <150 mm)
 
Tab. 1. Možnosti použití vybraných skupin provozních snímačů hustoty 1)
 
Literatura:
[1] BISMARK, R.: Die Kombination macht´s. Anton Paar GmbH, Nürnberg, Brauwelt, 2008, 148, s. 41–42.
[2] BISMARK, R. – LIST, T.: Concentration measurement of acetic acid/water mixtures in real time in the production of ketene. Chemie Technik, 2002, 31, 10.
[3] ĎAĎO, S. – KREIDL, M.: Senzory a měřicí obvody. ČVUT Praha, 1999.
[4] DYER, S. A.: Survey of Instrumentation and Measurement. John Wiley & Sons, 2001.
[5] KADLEC, K.: Coriolisovy průtokoměry. Au­toma, 2010, roč. 16, č. 11, s. 40–42.
[6] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.
 
Odkazy na internet:
[7] http://www.anton-paar.com (listopad 2010)
[8] http://www.bdsensors.cz (listopad 2010)
[9] http://www.bhvsenzory.cz (listopad 2010)
[10] http://www.berthold.com (listopad 2010)
[14] http://www.krohne.com; www.krohne.cz (listopad 2010)
[15] http://www.numet.cz (listopad 2010)
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
ústav fyziky a měřicí techniky
VŠCHT Praha
(karel.kadlec@vscht.cz)