型振蕩管測量液體密的原理

1、 振蕩管法測量物質(zhì)密度江 巍中國石化股份有限公司潤滑油茂名分公司 廣東茂名 525011 摘要： 該文介紹了利用電磁引發(fā)玻璃U型管產(chǎn)生振蕩，管內(nèi)存在不同物質(zhì)的振動頻率各不相同，物質(zhì)的振動頻率與密度有關(guān)，通過對被測物質(zhì)與參考標準物質(zhì)之間的頻率差異推算出物質(zhì)的實際密度。采用振蕩管法，樣品消耗量少，測量精度高，可達到0.0001 g/cm3 甚至更高。同時也對奧地利Anton Paar公司、瑞士Mettler-Toledo公司和日本KEM公司的自動密度儀作了比較。關(guān)鍵詞：物質(zhì)密度、振蕩法、頻率前言 在有機化合物的分析測試中，作為被測物質(zhì)的物理常數(shù)之一，密度主要應(yīng)用于計量、成本核算。密度是在規(guī)定溫度下

2、,單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量數(shù) 1，即質(zhì)量(m)與體積(V)之比。= （kg/m3 或g/cm3）液體產(chǎn)品的密度的測量方法主要有：密度計法、韋氏天平法、密度瓶法。對極易揮發(fā)的油品和有機溶劑只能使用密度瓶法2。在大多數(shù)情況下，液體物質(zhì)的密度的測量一般都選用密度計法，但用密度計法測量時量筒內(nèi)樣品的溫度會發(fā)生變化，而且人工目測密度計時容易出現(xiàn)較大的偏差，造成測量結(jié)果誤差較大。而密度瓶法是準確測量物質(zhì)密度的唯一方法，它需要與天平連用，測量某一已知的確切體積的樣品的質(zhì)量，樣品的密度只需將其質(zhì)量除以體積便可得出。但若在空氣中測量，由于周圍空氣造成的質(zhì)量損失往往會被忽略，而在測量時產(chǎn)生一定的誤差。要精確測量就

3、必須要在真空環(huán)境下進行，這在實際操作中是無法實現(xiàn)的3。目前一種新的、更為科學(xué)的測量方法正被廣泛應(yīng)用于液體物質(zhì)和氣體的密度測量中，即振蕩管法。自上個世紀七十、八十年代，它由發(fā)現(xiàn)至成熟應(yīng)用后，它以實用、可靠，準確率高、測量精度高等優(yōu)點，正廣泛應(yīng)用于飲料食品、石油化工、檢驗檢疫、計量校準等各分析領(lǐng)域里。1 工作原理振蕩管法的原理是：利用基于電磁引發(fā)的玻璃U型管的振蕩頻率（見圖1），即利用一塊磁鐵固定在U型玻璃測量管上，由振蕩器使其產(chǎn)生振動，玻璃管的振動周期將被振動傳感器測量得到。每一個U型玻璃管都有其特征頻率或按固有頻率振動。當(dāng)玻璃管內(nèi)充滿物體后其頻率會發(fā)生變化，不同的物質(zhì)頻率變化會有所不同，其頻率

4、為管內(nèi)填充物質(zhì)質(zhì)量的函數(shù)。當(dāng)物質(zhì)的質(zhì)量增加時其頻率會降低，即振動周期T增加。測量時選擇某些物質(zhì)作為標準物質(zhì)，測量頻率后通過被測物質(zhì)與標準物質(zhì)之間振蕩頻率的差值計算出被測物質(zhì)的密度值。.圖 1 振動管簡圖在振動中一個完整的來回變化是一個振動周期T（見圖2）。每秒振動周期數(shù)即為頻率f。 (S-1)振動周期可由下式得出： T=2式中：測量管中樣品的密度（g/cm3）VC：樣品體積（U型玻璃管容積）（cm3） mC：U型玻璃測量管的質(zhì)量（g） K ：測量管的常數(shù)（g/s2）圖2 振動曲線圖可得出： =T2- 即由此可看出密度和振動周期T的關(guān)系。由于玻璃測量管的容積和質(zhì)量是可以測量出來的。每一個玻璃管的

5、質(zhì)量不同，所以需要每次測量前進行測定。測量管的系數(shù)可由測定兩個已知密度的物質(zhì)的振動周期T來計算得到，如利用干燥空氣（20=0.00120g/cm3； P=1013.25hPa）和水（20=0.9982g/cm3）作為標準物質(zhì)。 F =式中：A ：空氣的密度（g/m3）w ：純水的密度（g/m3）TA ： 測得的空氣的振動周期（s）TW： 測得的純水的振動周期（s）則：F（TA2-TS2）= A-S 得到：S=A- F（TA2-TS2）2 溫度控制對測量結(jié)果的影響 密度與測量溫度有關(guān)，所以測量時必須要指定測量溫度。由于目前使用U型玻璃管的容積有限(13ml)，為了得到準確的結(jié)果必須要能夠精確測量

6、溫度并控制溫度。但在測量過程中玻璃管不停的振動，且玻璃管容積過小，是無法直接測量樣品溫度的，所以現(xiàn)在都采用一種近似法，在三個不同的點來測量溫度，這三個點分別測量發(fā)熱體、U型管和環(huán)境溫度，見圖3：三種溫度值由儀器內(nèi)部的微處理系統(tǒng)按特殊的計算公式計算出樣品的實際溫度。發(fā)熱體溫度與輸入儀器的設(shè)定溫度相比較后，由溫度控制器根據(jù)兩者之差控制帕爾貼元件，相應(yīng)調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度。圖3 測量U型管溫度簡圖3 振蕩管測定儀的粘度校正振蕩管法技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了密度測量的效率。由于U型玻璃測量管的體積較小，在測量一些粘度較大的樣品時，樣品的大粘度會產(chǎn)生一定的剪切力，阻礙了U型管的振蕩，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)M

7、ettler公司所做的對比試驗：用精度為0.0001g/cm3儀器測量濃硫酸（20=25.4mPas），由于粘度誤差造成的密度誤差僅為0.0001g/cm3，而測量乙二醇（20=1490mPas）時，密度誤差達到0.0007g/cm3。而ANTON PAAR公司和KEM公司則認為測試樣品的粘度大于500mPas，若不能進行校正，那密度值將大到無法讀值。所以必須要對測量值進行修正。目前各家的儀器都能夠進行自動粘度校正，儀器通過兩、三次測量探測到不同粘度對振動的衰減影響，通過這個影響推算出粘度，再根據(jù)粘度造成的測量誤差計算出樣品的實際密度值。4 振蕩管技術(shù)的應(yīng)用振蕩管法技術(shù)發(fā)明于上世紀中期，至19

8、67年奧地利Anton Paar公司研制出第一臺利用U型振蕩管的數(shù)值式密度計。使該項技術(shù)得到世人的矚目。至八十年代振蕩管技術(shù)日趨成熟，并應(yīng)用于實踐當(dāng)中。它由于實用可靠，精度高（110-4 g/cm3或110-5 g/cm3），所以很快得到推廣。在實驗室分析及過程分析領(lǐng)域都有其舉足輕重的地位。早在上世紀八十年代末九十年代初，日本的清酒釀造企業(yè)就成功利用圓筒振動傳感器替代了原先的波美比重計，實現(xiàn)了酒類產(chǎn)品密度的在線測定，從而掌握了發(fā)酵的過程，為更好的把控產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。在歐洲，許多食品加工企業(yè)和飲料、釀酒生產(chǎn)企業(yè)（包括生產(chǎn)啤酒、葡萄酒及各類軟飲料的部門）已經(jīng)普遍采用U型管振動密度計實現(xiàn)了

9、在線密度連續(xù)監(jiān)測甚至糖度、酒精度等以便控制產(chǎn)品的質(zhì)量。如可口可樂、百事可樂公司等在全球各生產(chǎn)現(xiàn)均使用了U型振蕩管技術(shù)對產(chǎn)品進行質(zhì)量監(jiān)控。目前在實驗室分析儀器方面，奧地利Anton Paar公司和日本KEM公司、瑞士Mettler-Toledo公司等是將該項技術(shù)應(yīng)用最成功的公司，幾家公司均有悠久的儀器設(shè)備的制造歷史，雄厚的科研技術(shù)力量，在儀器設(shè)備的領(lǐng)域具有廣泛的影響。各家公司的儀器設(shè)備簡單實用，主要由進樣組件、測量組件、恒溫組件、微處理系統(tǒng)、輸出打印等部分組成。儀器還設(shè)有RS232C接口，以便用戶連接計算機進行數(shù)據(jù)交換。對于儀器各項參數(shù)及其它設(shè)定值的輸入和修改，則完全可由儀器面板上的鍵盤完成。儀

10、器均開發(fā)了熱平衡及全量程自動粘度修正功能，同時加入視頻監(jiān)控及智能判斷功能，全新模塊化設(shè)計以及可升級等功能?；赨型管的測量儀器發(fā)展已很成熟，適用的范圍寬廣，在實驗室內(nèi)的高精度檢測或是生產(chǎn)過程在線控制方面均能滿足需要。近年來，作為生產(chǎn)振蕩法測量儀器的龍頭老大奧地利Anton Paar公司還積極研究開拓U型管振蕩法在其他分析領(lǐng)域的使用，最近已成功推出了一款新型分析儀器，它結(jié)合了密度和運動粘度的測量，把 U型管振蕩法的應(yīng)用又推上了一個新的層次。5 自動密度儀的實際操作與數(shù)據(jù)的可靠性自動密度測量儀操作簡便，快速準確，都采用振蕩管技術(shù)并加以自動處理系統(tǒng)，使得測量樣品密度的整個過程都在儀器內(nèi)部進行，加上儀

11、器能夠自動進行測量管的清洗、干燥工作，用戶只需要將樣品注入儀器的測量管中即可，由于儀器外設(shè)了自動進樣器，這樣可以連續(xù)不斷地進行多量樣品的測定，最終結(jié)果再通過外接的打印機打印出來，方便用戶記錄。儀器的主要測量過程有以下幾點：（1） U型玻璃管中先充滿干燥的空氣，儀器降溫并恒定在20，再測量U型玻璃管的振動頻率，計算出空氣的密度值（A 20=0.001205 g/cm3； P=1013.25hPa）。（2）U型玻璃管內(nèi)再充滿二次蒸餾水，并測量水的密度值（W 20=0.99820g/cm3）。（3）玻璃管內(nèi)再充滿需要測量的樣品，恒溫后測量振動頻率并計算出樣品的密度值。（4）儀器完成排放樣品、清洗、干

12、燥U型玻璃管的工作。儀器在進行測量過程中，為了保證測量的準確性，在對同一樣品測量時，可由用戶選擇設(shè)定測量次數(shù)，一般選兩次就足夠了。振動管法得出的結(jié)果準確度非常高，其優(yōu)越性是顯而易見的，以下是自動密度測定儀（DMA4500）和密度計法進行部分樣品測試的比較，比較結(jié)果見表.1。表1：自動儀器與密度計法測量結(jié)果的對比 樣品振動管法密度計法溫度：20溫度：20第一次第二次誤差第一次第二次誤差1#0869608697000010869408691000032#088340883400883408832000023#087350873500872908732000034#08838088380088360

13、8839000035#087780877800877408778000046#09098090980090920909207#089450894500894808946000028#0876908770000010876908772000039#0884808848008843088470000410#08828088280088240882500001注：測量結(jié)果單位為：g/cm3由于儀器內(nèi)部設(shè)有恒溫系統(tǒng)，可以將樣品溫度控制在20，測得樣品的20標準密度，也可將溫度控制在580之間，測量其在任何設(shè)定溫度時的實際密度，并且依靠相當(dāng)完善的軟件系統(tǒng)，能夠把結(jié)果直接換算成符合美國API標準（15或60 OF）的密度值，并根據(jù)要求打印出來。而相比之下，使用密度計法時，將所得的密度結(jié)果換算成其它溫度下的密度或相對密度必須要使用密度換算表【4】，密度換算表是根據(jù)使用的玻璃密度計測定密度在 修正了玻璃的膨脹系數(shù)后建立的。如果不考慮玻璃的膨脹系數(shù)，換算處來的密度結(jié)果與標準結(jié)果會存在偏差。6 結(jié)論與展望U型振蕩管法和傳統(tǒng)的密度計法測量相比較，U型管振蕩法測量精度更高，收到人為的干擾因數(shù)更小，更適合測量液體物質(zhì)的密度。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，廣泛利用U型振動管技術(shù)測試液體尤其是石油化工產(chǎn)