Стеклянные ареометры

9.1.1 Классификация ареометров

Различают ареометры постоянного объема и ареометры по­стоянной массы. Ареометр постоянного объема погружается в жидкость всегда на одну и ту же глубину, в то время как глубина погружения ареометра постоянной массы различна в зависимости от плотности испытуемой жидкости.

Ареометр постоянного объема состоит из полого продолгова­того металлического или стеклянного корпуса цилиндрической формы, переходящего вверху в тонкий стержень, на конце которо­го имеется тарелка (чашка) для накладывания гирь. Для устой­чивости корпус снабжен балластом. На стержне нанесена метка, до которой должен погружаться ареометр при определенной плотности жидкости и определенной массе гирь. О плотности исследуемой жидкости судят по массе гирь, снятых или добавленных для того, чтобы ареометр погрузился в данную жидкость до метки.

Ареометры постоянной массы по своему назначению делятся па две группы:

1) для измерения плотности жидкостей (называются денсиметрами); шкалы денсиметров градуированы в единицах плотности;

2) для измерения концентрации растворов; шкалы этих ареометров градуированы в процентах по объему или массе.

Денсиметры подразделяются на:

а) денсиметры общего назначения, служащие для измерения плотности различных жидкостей легче и тяжелее воды (водные растворы кислот, солей, щелочей и др.);

б) нефтеденсиметры (для измерения плотности нефтепродуктом);

в) лактоденсиметры (для измерения плотности молока и сыворотки);

г) денсиметры для морской воды;

д) урометры (для измерения плотности мочи);

е) аккумуляторные денсиметры (для измерения плотности раствора электролита в аккумуляторах);

ж) денсиметры АК (для жидкостей типа кислот).

К ареометрам для измерения концентрации растворов относятся:

а) спиртомеры - для измерения крепости (концентрации) водноспиртовых растворов, определяемой процентным (по объему) содержанием безводного спирта в растворе;

б) сахаромеры - для определения процентного (по массе) содержания сухих веществ в сахарных растворах;

в) клеемеры - для определения концентрации клеевых растворов, выраженной процентным (по массе) содержанием костного клея в воде;

г) гидрометры - для определения процентного (по объему) содержания этиленгликоля в его водном растворе.

Ареометры постоянной массы бывают стеклянные и металлические. В большинстве случаев применяются стеклянные ареометры, обеспечивающие более высокую точность измерений, так как стекло обладает наилучшей смачиваемостью жидкостями, однако в ряде случаев незаменимыми оказываются металлические приборы. Так, для измерения плотности жидких металлов при высокой температуре используют металлические ареометры, изготовленные из стали с эмалевым покрытием или из вольфрамового сплава.

Ареометры постоянной массы по их метрологическому назначению (т. е. по назначению в схеме передачи размера единицы плотности) делятся на эталонные, образцовые и рабочие.

В различных отраслях промышленности и народного хозяйстве непосредственно для измерения плотности жидкостей или концентрации растворов применяют рабочие ареометры. Образцовые ареометры служат для поверки рабочих ареометров, а эталонные - для поверки образцовых ареометров.

9.1.2 Устройство стеклянных ареометров

Ареометр представляет собой симметричное относительно продольной оси удлиненное тело, состоящее из полого корпуса ци­линдрической (рисунок 10.1, а)или веретенообразной (рисунок 10.1, б) формы и припаянного к нему в верхней части стержня. Стержень выполнен в виде тонкостенной цилиндрической трубки круглого сечения с запаянным концом. У образцовых ареометров и у спиртомеров с ценой деления шкалы 0,1 % допускается конусность стержня не более 0,0005, у остальных спиртомеров, лактоденсиметров и сахаромеров - не более 0,001.

б

Рисунок 9.1 – Денсиметры общего назначения типа ІІ (а) и типа ІІІ (б)

Нижняя часть ареометра заполнена балластом, который не­подвижно закреплен при помощи связующего вещества (смолки, сургуча), размягчающегося при температуре не ниже 70 °С (у клеемеров - не ниже 87 °С). Балласт предназначен для понижения центра тяжести ареометра, чтобы последний при погружении в жидкость плавал в строго вертикальном положении и находился при этом в устойчивом равновесии. Балластом служит мелкая дробь, металлическая высечка или ртуть, которые должны быть сухими и чистыми. Существуют также ареометры с обособленной балластной камерой, которая соединена с нижней частью корпуса (рисунки 9.2, 9.3).

Рисунок 9.2 – Денсиметр для морской воды

Рисунок 9.3 – Схема расположения резервуара термометра над балластом ареометра

К внутренней поверхности стержня ареометра прочно приклеена прозрачным клеем плотная бумажная полоска белого цвета, на которой нанесена шкала, соответствующая назначениюареометра.

Цена деления шкалы устанавливается числовыми значениями следующего ряда:

а) у денсиметров - 0,0001; 0,0002; 0,0005; 0,002; 0,005; 0,01 и 0,02 г/см³ (или единиц относительной плотности);

б) у ареометров для измерения концентрации - 0,1; 0,2; 0.5 и 1 %.

Ширина штрихов шкалы не превышает 0,2 мм (у образцовых ареометров и у спиртомеров с ценой деления шкалы 0,1 % - не более 0,1 мм). Длина основных штрихов (т. е. штрихов, обозначен­ных цифрами) составляет не менее 1/4 длины окружности в по­перечном сечении стержня, длина наименьших штрихов - не менее 1/8 длины окружности (для образцовых ареометров - соответственно 1/2 и 1/4 длины окружности). Расстояние между соседними штрихами, как правило, не ме­нее 0,75 мм. У денсиметров для морской воды, аккумуляторных денсиметров, урометров, спиртомеров, клеемеров и гидрометров это расстояние составляет не менее 1 мм, у сахаромеров не ме­нее 1,2 мм, у лактоденсиметров - не менее 1,5 мм, у денсиметров для определения плотности малых количеств жидкости - не менее 0,5 мм. Кроме крайних основных штрихов шкалы, которые соответствуют нижнему и верхнему пределам измерений данного ареометра, на каждом конце шкалы предусмотрено не менее двух дополнительных штрихов (см. рисунок 9.1, а)на расстоянии, соответствующем (для соседних штрихов) цене деления.

Дополнительными штрихами можно пользоваться в том случае, когда показание ареометра несколько выходит за пределы крайних основных штрихов.

На шкальной бумажной полоске или на отдельной полоске, помещенной внутри корпуса ареометра, имеются следующие надписи и обозначения:

а) наименование (назначение) ареометра;

б) номер стандарта, которому соответствует ареометр;

в) температура, для которой градуирована ареометрическая шкала;

г) товарный знак или марка завода-изготовителя;

д) заводской номер ареометра;

е) надпись «Отсчет по верхнему краю мениска» у нефтеденсиметров, лактоденсиметров, денсиметров АК, рабочих клеемеров, сахаромеров и гидрометров.

Некоторые типы рабочих ареометров (нефтеденсиметры, лактоденсиметры, сахаромеры, клеемеры, спиртомеры, гидрометры) изготовляют со встроенным термометром (рисунок 9.4), позволяющим одновременно с плотностью (концентрацией) измерять и температуру жидкости. Жидкость, заполняющая резервуар термометра (ртуть, толуол), служит также частью балласта ареометра. Резервуар термометра может располагаться как под основным балластом ареометра (рисунок 9.4), так и над ним (рисунок 9.3).

Рисунок 9.4 – Нефтеденсиметр типа А

Бумажная полоска с нанесенной на ней термометрической шкалой помещается

либо внутри корпуса ареометра (у нефтеденсиметров, спиртомеров, сахаромеров и гидрометров), либо в верхней (расширенной) части стержня (у лактоденсиметров и клеемеров, так как они предназначены для непрозрачных жидкостей).

9.1.3 Принцип действия ареометра. Особенности шкалы

При погружении в жидкость ареометр согласно закону Архимеда испытывает действие выталкивающей силы, равной весу вы­тесненной ареометром жидкости. По мере погружения ареометра постепенно увеличивается вес жидкости в объеме погруженной части ареометра, т. е. возрастает выталкивающая сила. В тот момент, когда выталкивающая сила становится равной весу всего ареометра, наступает состояние равновесия.

Глубина погружения, при которой ареометр приходит в равновесие и начинает плавать, зависит от плотности жидкости: чем больше плотность, тем меньше должна быть глубина погружения ареометра, чтобы вес жидкости в объеме погруженной части стал равен общему весу ареометра; наоборот, чем меньше плотность жидкости, тем больше глубина погружения ареометра.

Таким образом, числовые значения плотности на шкале ареометра должны располагаться в возрастающем порядке сверху вниз (см. рисунок 9.1, а), т. е. штрихи, соответствующие меньшей плотности, должны находиться в верхней части шкалы, а штрихи, соответствующие большей плотности, - в нижней. То же относится и к ареометрам для измерения концентрации растворов, плотность которых прямо пропорциональна концентрации; у этих ареометров (сахаромеров, клеемеров, гидрометров) указанные на шкале зна­чения концентрации возрастают сверху вниз. Плотность водноспиртовых растворов увеличивается по мере уменьшения крепости раствора, поэтому на шкале спиртомера числа возрастают снизу вверх.

Шкала ареометра неравномерная: деления шкалы, т. е. расстояния между двумя смежными штрихами, постепенно увеличи­ваются снизу вверх, к концу стержня.

9.1.4 Капиллярная постоянная

Если открытую с обеих сторон цилиндрическую капиллярную трубку радиусом r опустить в сосуд с жидкостью, которая полностью смачивает стенки трубки, то жидкость в трубке поднимется на высоту h, которая определится из формулы:

(9.1)

где - плотность жидкости, кг/м³;

- ускорение свободного падения, м/с².

Если жидкость не смачивает стенки трубки, то уровень ее в трубке будет стоять ниже, чем в широком сосуде, на величину, определяемую по формуле (9.2).

Величина не зависит от радиуса капилляра и определяется молекулярной природой жидкости, в связи с чем называется капиллярной постоянной. Капиллярная постоянная измеряется в квадратных миллиметрах и численно равна высоте капиллярного поднятия в полностью смачиваемой трубке радиусом 1мм. В ареометрии принято называть капиллярной постоянной величину условно обозначаемую буквой , которая вычисляется по формуле:

(9.2)

Для получения капиллярной постоянной, выраженной в квадратных миллиметрах, необходимо умножить на 100 значение, найденное по формуле (9.2), выражено в дин / см, - в г / см³, g – см / с².

Капиллярная постоянная с повышением температуры уменьшается; исключение составляют растворы глицерина в воде: при содержании глицерина свыше 60 % капиллярная постоянная растет по мере нагревания раствора.

Рассмотренные выше капиллярные явления приобретают особенное значение при ареометрических измерениях. Вокруг стержня ареометра, плавающего в жидкости, поверхность искривляется и образуется вогнутый мениск (искривление поверхности в месте прикосновения со стержнем ареометра с жидкостью), так как большинство жидкостей смачивает стекло. Мениск как бы прилипает к стержню ареометра, увеличивая его массу, отчего ареометр погружается в жидкость на большую глубину; здесь и далее объем жидкости между мениском и горизонтальной плоскостью, касательной к нему, условно именуется мениском.

Мениск, представляющий собой некоторое количество жидкости, поднявшейся вдоль стержня ареометра, удерживается силой поверхностного натяжения, которое действует на линии соприкосновения жидкости со стержнем.

В случае полного смачивания стержня ареометра жидкостью сила поверхностного натяжения направлена вдоль стержня и равна произведению поверхностного натяжения на длину окружности стержня, т.е. , где d – диаметр стержня. Обозначая массу мениска через m, получаем следующее уравнение равновесия:

(9.3)

После подстановки значения из формулы (9.2) находим выражение для определения массы мениска, т.е. получаем формулу:

(9.4)

Хотя масса мениска сравнительно с массой ареометра весьма мала, подсчитаем, насколько погрузится ареометр под действием мениска.

Ареометр находится в равновесии в жидкости, когда его вес равен весу вытесненной жидкости; следовательно, вес жидкости в объеме той части стержня, которая погрузилась под действием мениска, равен весу мениска.

Обозначим через , величину этой части стержня, запишем указанное условие в виде:

(9.5)

Откуда искомая глубина погружения ареометра будет вычисляться по формуле:

(9.6)

Как видим, под действием мениска ареометр погружается довольно значительно, так что влиянием мениска нельзя пренебречь.

Формулу (9.6) можно представить и в другом виде, если в нее подставить значение m из уравнения (9.4). Тогда получим формулу (9.7):

(9.7)

Формула (9.7) подтверждает, что в двух жидкостях, имеющих одинаковую плотность, но различную капиллярную постоянную, один и тот же ареометр дает разные показания. Если и - капиллярные постоянные жидкостей и , то глубина погружения ареометра под действием мениска в первой жидкости будет больше, чем во второй, причем разность глубин согласно формуле (9.7) составит

Таким образом, глубина погружения ареометра прямо пропорциональна капиллярной постоянной жидкости и обратно пропорциональна диаметру стержня ареометра. Отсюда следует, что в жидкости с большей капиллярной постоянной из-за большего погружения ареометр будет показывать меньшую, чем следует, плотность, так как значения плотности на шкале ареометра растут сверху вниз.

9.1.5 Уравнение равновесия ареометра в жидкости

Рассмотрим силы, действующие на ареометр, плавающий в жидкости, и выведем уравнение равновесия ареометра, устанавливающее зависимость между основными размерами ареометра и плотностью жидкости.

Введем следующие обозначения:

- - плотность жидкости;

- - капиллярная постоянная жидкости;

- - объем всего ареометра;

- - объем корпуса ареометра и части стержня до нижнего штриха шкалы;

- - расстояние от нижнего штриха до уровня жидкости;

- - площадь поперечного сечения стержня;

- - длина окружности сечения стержня;

- - масса ареометра;

- - плотность воздуха;

-g- ускорение свободного падения.

Для равновесия ареометра в жидкости необходимо, чтобы существовало равенство между силами, погружающими ареометр в жидкость, и силами, выталкивающими его из жидкости.

Силы, погружающие ареометр в жидкость, складываются из веса ареометра и веса мениска (рисунок 9.5). Выталкивающая сила равна сумме следующих трех сил: Допустим, что жидкость имеет ту температуру, для которой градуирован ареометр веса жидкости в объеме погруженной части ареометра веса воздуха в объеме не погруженной части стержня ; веса воздуха в объеме мениска [последний определяется делением массы мениска, на плотность жидкости] .

Условие равновесия ареометра можно выразить в виде:

или (9.8)

Принимая во внимание, что разность представляет собой массу ареометра за вычетом массы воздуха в объеме ареометра, т.е. массу ареометра М, определенную взвешиванием в воздухе, получим следующее окончательное уравнение:

(9.9)

Рисунок 9.5 – Силы, действующие на ареометр.

9.1.6 Пользование рабочими ареометрами

Перед определением плотности жидкости или концентрации раствора необходимо прежде всего выбрать тип ареометра и его пределы измерений, руководствуясь при этом данными, указанными в паспорте на испытуемую жидкость, а также требуемой точностью измерения. Так, если плотность нефтепродуктов измеряют для их количественного учета, рекомендуется пользоваться нефтеденсиметрами с ценой деления шкалы 0,0005 г/см³, поскольку они имеют наименьшую погрешность показаний.

При выборе ареометра следует иметь в виду, что в паспорте на жидкость указывается ее плотность (концентрация) при нормальной температуре, в то время как в большинстве случаев приходится измерения выполнять при иной температуре, и необходимо хотя бы ориентировочно знать плотность (концентрацию) именно при этой температуре, чтобы можно было правильно выбрать пре­делы измерений прибора.

Испытуемую жидкость наливают в стеклянный цилиндр (ГОСТ 9545-60), внутренний диаметр которого превышает диаметр кор­пуса ареометра не менее чем вдвое, а высота несколько превышает длину ареометра. Если жидкость непрозрачна, можно применять металлический цилиндр; при этом после погружения ареометра в жидкость ее уровень должен находиться у верхнего края ци­линдра.

Цилиндр перед заполнением жидкостью промывают теплой водой, насухо вытирают чистым полотенцем и споласкивают испы­туемой жидкостью.

Для того чтобы жидкость не вспенивалась при заполнении ци­линдра, струю жидкости направляют на стенки цилиндра, а не на дно, или же наливают жидкость по стеклянной палочке. Если пена все же образовалась, ее необходимо удалить фильтровальной бумагой. Для удаления пены маловязкой жидкости часто оказывается достаточным хлопнуть ладонью по верху цилиндра.

Перед погружением клеемера в испытуемый клеевой раствор необходимо удалить пленку с поверхности раствора.

При измерении плотности (концентрации) жидкости для анализа ее качества жидкость предварительно выдерживают в помещении до тех пор, пока отклонение температуры жидкости от тем­пературы окружающего воздуха составит не более ±3 °С. Температура, исследуемого клеевого раствора должна находиться в пределах 30 - 80 °С.

Плотность нефтепродукта для подсчета его массы по объему рекомендуется измерять при температуре, отличающейся от темпе­ратуры, при которой определяли объем, не более чем на +10 °С. Однако если температура жидкости, допустимая для измерений согласно этому требованию, в то же время отличается от температуры воздуха в лаборатории более чем на ±3 °С, то цилиндр с жидкостью следует поместить в термостат или водя­ную ванну для поддержания необходимой температуры.

Непосредственно перед погружением ареометра жидкость в цилиндре тщательно перемешивают стеклянной или металлической мешалкой, длина которой превышает высоту цилиндра. Стеклян­ная мешалка изготовляется из стеклянного прутка, конец которого, загнут в плоскую спираль под прямым углом к прутку. Металлическая мешалка представляет собой круглую или серповидную пластинку, припаянную перпендикулярно к стержню. Мешалку следует 5-7 раз переместить вверх и вниз по всей высоте столба жидкости, не вынимая из жидкости, чтобы в нее не попадал воздух. Если в жидкости все же появились пузырьки воздуха, то к измерению можно приступать лишь после того, как они удалены.

Затем, взявшись двумя пальцами за верхний конец стержня, чистый сухой ареометр медленно и осторожно погружают (вертикально) в жидкость так, чтобы он не задевал стенок цилиндра. После того как ареометр погрузится в жидкость настолько, что штрих шкалы, соответствующий ожидаемой плотности (концентрации), окажется на 3 - 5 мм выше уровня жидкости, ареометр перестают держать и дают ему возможность свободно опуститься под действием собственного веса; это необходимо для образования правильного мениска. Если ареометр отпустить преждевременно, то он начнет быстро погружаться в жидкость, может удариться о дно цилиндра и разбиться. Кроме того, вследствие глубокого погружения, вызванного движением ареометра по инерции, жидкость смочит стержень намного выше штриха, соответствующего ее плотности (концентрации) и показание прибора будет неправильным.

Погруженный в жидкость ареометр должен плавать вертикально и свободно, не соприкасаясь со стенками цилиндра.

Ареометр следует выдержать в жидкости 3 - 4 мин, чтобы уравнялись их температуры. После полного успокоения ареометра снимают отсчет показания по шкале.

Показание ареометра, как правило, отсчитывают на линии пересечения стержня нижним краем мениска. Для этого необходимо смотреть на поверхность жидкости снизу вверх так, чтобы основание мениска имело форму вытянутого эллипса, а затем поднимать голову до тех пор, пока эллипс, постепенно суживаясь, не обратится в четкую прямую линию, пересекающую шкалу.

У ареометров, предназначенных для непрозрачных (мутных) жидкостей, показание отсчитывают по верхнему краю мениска, о чем на шкале имеется соответствующая надпись. В этом случае глаза наблюдателя должны находиться немного выше уровня жидкости. Место соприкосновения стержня с верхним краем мениска удобнее наблюдать по боковым, несколько затемненным частям мениска, так как их границы очерчены более резко.

Если ареометр плохо вымыт и, следовательно, плохо смачивается жидкостью, то контур мениска неровный или верхние его края располагаются на разной высоте; такой ареометр следует снова промыть. Иногда вследствие разного освещения один затем­ненный край мениска кажется более высоким, чем другой; отсчет следует проводить по более высокой стороне мениска.

В случае совпадения наблюдаемой линии мениска (по нижнему или верхнему краю его) с каким-либо штрихом шкалы записывают значение плотности, соответствующее этому штриху. Когда край мениска находится в промежутке между двумя штрихами шкалы, видимую часть деления, располагающуюся под наблюдаемой линией мениска (при отсчете по нижнему краю) или над ней (при отсчете по верхнему краю), оценивают на глаз путем сравнения с соседним полным делением и выражают в долях деления. Если эта доля равна или менее 0,25, ее не учитывают; если она равна или более 0,75, ее округляют до единицы; наконец, если она более 0,25, но менее 0,75, ее округляют до 0,5. Округленное таким образом значение видимой части деления выражают в единицах плотности (концентрации), исходя из цены деления шкалы. Полученное число для ареометров, у которых показания по шкале возрастают сверху вниз, при отсчете по верхнему краю мениска добавляют к значению, соответствующему ближайшему штриху над мениском, а при отсчете по нижнему краю вычитают из значения, соответствующего ближайшему штриху под мениском. Для ареометров, показания которых убывают сверху вниз (спиртомеров), указанное число при отсчете по нижнему краю мениска прибавляют к значению, соответствующему ближайшему штриху под мениском.

При измерении плотности (концентрации) одновременно опре­деляют температуру жидкости, пользуясь термометром, встроен­ным в ареометр, или отдельным термометром с погрешностью показаний не более +0,5 °С (ГОСТ 215-57). Для получения более точных результатов измерения, в особенности при работе с ареометрами, имеющими цену деления шкалы не более 0,001 г/см³ или 0,2 % рекомендуется применять лабораторные термометры с ценой деления шкалы 0,1 или 0,2 °С, погрешность показаний которых не превышает ± 0,2 °С.

Когда диаметр цилиндра мал и не допускает совместного погружения ареометра и термометра, температуру жидкости измеряют до и после погружения ареометра, принимая в расчет среднее из двух показаний термометра.

После употребления ареометр и термометр необходимо тщательно промыть в воде или в бензине (в зависимости от свойств испытуемой жидкости), насухо вытереть чистым полотенцем и уложить в футляры. Таким же образом промывают цилиндр и мешалку. Спиртомеры и применяемые с ними термометры по окончании измерений только протирают полотенцем.

Так как в большинстве случаев температура исследуемой жидкости отличается от нормальной температуры ареометра, в показание прибора следует вводить поправку на температуру. Разность температур, начиная с которой практически целесообразно учитывать поправку, определяют для каждого конкретного случая в зависимости от соотношения между измеряемой плотностью, погрешностью показаний ареометра и значением поправки. Так, для нефтеденсиметров с ценой деления шкалы 0,0005 г/см³ поправку целесообразно вводить при разности температур примерно 15 °С и более.

Температурную поправку к показаниям клеемера определяют по специальной шкале, расположенной в верхней части стержня и охватывающей пределы от - 7,5 до +2 % по массе.

При пользовании гидрометром температуру учитывают в соответствии с данными таблицы 9.1. В строке, соответствующей данной температуре, находят число, равное показанию гидрометра, и в той же колонке, где находится это число, определяют концентрацию при 20 °С. Так, например, если при температуре - 10 °С гидрометр, опущенный в водный раствор этиленгликоля, показал 50 %, то со­гласно таблице 10.1 концентрация этого раствора при 20 °С составляет 40 % по объему.

Таблица 9.1