Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Karel Kadlec
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 = Φ0e–μlρ (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.
V 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:
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
ústav fyziky a měřicí techniky