Pomiar gęstości cieczy i gazów
Czym jest gęstość?
Gęstość jest właściwością fizyczną substancji, która zależy od temperatury i ciśnienia. Informuje o tym, jak ciężka jest dana substancja. Porównując masy dwóch substancji o tej samej objętości, substancja o większej masie ma wyższą gęstość.
Gęstość ρ (rho) definiuje się jako masę m na jednostkę objętości V.
Z powodu rozszerzalności cieplnej, bezpośredni wpływ na gęstość substancji ma temperatura i ciśnienie. Stopień zależności gęstości od temperatury i ciśnienia jest znacznie wyższy dla cieczy niż dla ciał stałych.
Podczas gdy gęstość i objętość substancji zmieniają się pod wpływem temperatury i ciśnienia, masa zawsze pozostaje stała. Jeśli objętość zostanie zmniejszona na skutek działania ciśnienia i/lub temperatury, przy stałej masie gęstość wzrośnie.
Dlaczego mierzona jest gęstość?
Gęstość jest standardową wartością służącą do charakteryzowania substancji i mieszanin, dlatego jest to parametr często wykorzystywany w analizie.
Wartość gęstości pozwala na wyprowadzenie różnych parametrów, na których podstawie można przeanalizować skład mieszaniny lub związku. Bardzo często gęstość jest używana do określenia stężenia substancji w roztworze wodnym. Ilość (czystej) substancji w mieszaninie można podać w procentach objętościowych, ułamku masy lub jako stężenie ilościowe substancji.
Ponadto jakość mieszaniny lub związku często określa się na podstawie średniej masy molowej. Średnią masę molową można również wyznaczyć przy pomocy gęstości.
Jakie metody wykorzystywane są do pomiaru gęstości?
Istnieje wiele metod pomiarowych, za pomocą których można określić gęstość substancji. Do najpopularniejszych metod należą:
- Areometry to często stosowana metoda pomiaru gęstości cieczy. Szklany pływak umieszczany jest w cieczy i opada do momentu, aż siła wyporu badanej cieczy zrównoważy jego ciężar. Gęstość cieczy można wyznaczyć na podstawie głębokości zanurzenia pływaka.
- Piknometry to naczynia do ważenia, które najpierw są ważone puste, a następnie z cieczą lub ciałem stałym, którego gęstość ma być zmierzona. Gęstość można obliczyć na podstawie tych dwóch wartości.
- Z pomocą prawa Archimedesa możliwy jest również pomiar gęstości za pomocą ważenia wyporowego. Ciało tonące jest zanurzone w cieczy, której gęstość ma być zmierzona, a jego wypór jest mierzony za pomocą wagi. Iloraz wyporu i objętości ciała tonącego daje gęstość badanej cieczy.
- Układ Omega to rezonatorowy densymetr. W tej metodzie rezonator drga w kontakcie z mierzoną substancją. Mierzona jest częstotliwość drgań, która zależy od gęstości cieczy. Układ ten wykorzystywany jest w czujnikach TrueDyne.
| Areometry | Piknometry | Ważenie wyporowe | Rezonatorowe densymetry | |
| Typ substancji | ciecze | ciała stałe, ciecze (o niskiej lepkości) | ciała stałe, ciecze | ciecze, gazy |
| Obszar zastosowania | laboratorium, w czasie procesu | laboratorium | laboratorium, w czasie procesu (częściowo) | laboratorium, w czasie procesu |
| Identyfikowalność | pomiar bezpośredni | pomiar bezpośredni | pomiar bezpośredni | brak bezpośredniej identyfikowalności |
| Procedura | ✔️ stosunkowo prosta procedura pomiarowa ❌ mało elastyczna metoda pomiarowa | ❌ złożona procedura pomiarowa | ✔️ stosunkowo prosta procedura pomiarowa | ✔️ bardzo prosta procedura pomiarowa |
| Wymagania dot. temperatury | ❌ wymagana jednorodna temperatura | ❌ wymagana dokładna kontrola temperatury | ❌ wymagana jednorodna temperatura | ✔️ brak restrykcyjnych wymagań dot. temperatury |
| Wynik pomiaru | ✔️ brak odchyleń | ✔️ brak odchyleń, ✔️ bardzo dokładny pomiar | ✔️ bardzo dokładny pomiar | ✔️ bardzo dokładny pomiar, ✔️ natychmiastowy wynik, ✔️ pomiar ciągły |
| Czynniki wpływające | ❌ wymagana duża ilość próbek ❌ możliwy błąd odczytu, ❌ problem z pomiarem wynikający z parowania | ❌ problem z pomiarem przy dużej lepkości ❌ trudny pomiar przy wysokim ciśnieniu | ✔️ możliwy pomiary przy wysokim ciśnieniu ❌ problem z pomiarem przy dużej lepkości i zanieczyszczonej próbce |
Jak mierzona jest gęstość w czujnikach TrueDyne?
Metoda pomiaru gęstości wykorzystywana w czujnikach gęstości TrueDyne oparta jest na pomiarze częstotliwości drgań. Badana ciecz nalewana jest do rezonatora, który wprawiany jest w drgania. Częstotliwość oscylacji rezonatora jest zależna od gęstości badanej cieczy oraz znanej sztywności rezonatora. Na tej podstawie wyliczana jest gęstość badanej cieczy. Im wyższa częstotliwość drgań, tym niższa jest gęstość cieczy w rezonatorze.
Właściwości rezonatora (np. sztywność) zależą od temperatury i ciśnienia. Te zależności są określane na podstawie pomiarów kalibracyjnych i kompensowane na bieżąco przez czujnik. Jedyną zmienną pozostaje gęstość badanej cieczy.
Jakie są zalety metody pomiaru gęstości z wykorzystaniem rezonatora?
Główną zaletą metody pomiaru gęstości z wykorzystaniem rezonatora jest prosta obsługa i niezawodność. Gęstość mierzona jest natychmiast po dodaniu medium i nie jest wymagana żadna dodatkowa regulacja. Temperatura próbki mierzona jest in situ, więc nie jest wymagana jej kontrola przez użytkownika. Możliwa miniaturyzacja technologii oznacza, że do wiarygodnego określenia gęstości potrzebne są jedynie małe ilości próbek. To szczególnie istotne w przypadku pomiaru drogich lub trudno dostępnych mediów. Pomiar gęstości metodą w wykorzystaniem rezonatora można wykonać w układzie zamkniętym, a zatem pod ciśnieniem. Co może być przydatne w trakcie pomiarów niektórych mediów, takich jak mieszaniny alkoholu i wody lub gazu. Bez odpowiedniego ciśnienia takie media ulatniałyby się, co prowadziłoby do nieprawidłowych wartości pomiarowych.
Przyrządy pomiarowe wykorzystujące metodę rezonatorową można stosować do ciągłego pomiaru przepływu, bezpośrednio w procesie, a wyniki pomiaru dostępne są w niezwykle krótkim czasie.
Jakie są wady metody pomiaru gęstości z wykorzystaniem rezonatora?
Metoda nie pozwala na bezpośrednią identyfikowalność, tj. zmierzona gęstość nie może być porównywana z normami krajowymi (kg i m3) dla tej zmiennej mierzonej. Powodem tego jest to, że gęstość jest obliczana przy użyciu zmierzonej częstotliwości. Do obliczeń wymagane są co najmniej dwa media odniesienia o znanej gęstości. Identyfikowalność jest zatem możliwa tylko za pomocą tych dwóch mediów odniesienia.
Czułość pomiaru zależy od rodzaju rurki pomiarowej. Im mniejsza jest masa własna rurki pomiarowej, tym mniejszy jest jej wpływ na częstotliwość i wyższa czułość pomiaru. Z drugiej strony, pomiar małych mas medium przy jednocześnie dużej masie własnej rurki pomiarowej może być problematyczny.
Ponadto, pęcherzyki powietrza w cieczy pomiarowej mogą również prowadzić do błędów pomiarowych. Nie ma to miejsca, jeśli przed pomiarem zostanie przeprowadzone odgazowanie substancji.
Gdzie stosuje się metodę pomiaru gęstości z wykorzystaniem rezonatora?
Metoda pomiaru z wykorzystaniem rezonatora sprawdzi się w tych aplikacjach, w których wymagana jest doskonała precyzja, a wynik pomiaru dostępny jest w krótkim czasie, są to np.:
- Przemysł naftowy i gazowy – np. do określania wartości opałowej, energetyczności, czy dokładnego składu
- Stacje paliw – do ustalania składu mieszaniny i określania cząstek obcych
- Transport i lotnictwo – ustalanie prawidłowej wartości gęstości i sprawdzanie medium.
- Stanowiska testowe silników – ciągła weryfikacja jakości paliwa
Czym jest technologia MEMS wykorzystywana w czujnikach TrueDyne?
MEMS to skrót od mikroukładu elektromechanicznego (z ang. microelectromechanical system). Technologia ta łączy drobne komponenty mechaniczne i elektroniczne w złożonym mikro-systemie opartym na technologii półprzewodników krzemowych.
Technologia półprzewodnikowa umożliwia miniaturyzację obwodów elektronicznych, które w klasycznej elektronice składają się z mechanicznie wytwarzanych komponentów. Układ scalony MEMS od TrueDyne Sensors AG zawiera nie tylko elementy elektroniczne, ale także mechaniczne i fluidyczne.
Gdzie wykorzystywana jest technologia MEMS?
Technologie MEMS stają się coraz bardziej popularne i są wykorzystywane w najróżniejszych dziedzinach. Systemy MEMS są coraz częściej stosowane w aplikacjach przemysłu motoryzacyjnego, np. do zabezpieczeń przed kradzieżą, kontroli poduszek powietrznych czy systemów wykrywania przewrócenia pojazdu. Ponadto znajdują zastosowanie w sektorze urządzeń mobilnych, do nawigacji, czy określania orientacji urządzenia. Istnieje również ogromny potencjał zastosowań dla systemów mikrofluidycznych w inżynierii medycznej, szczególnie w analizach biomolekularnych.
Jak zbudowany jest układ MEMS z urządzeń TrueDyne?
Obecnie układ scalony MEMS firmy TrueDyne Sensors AG jest bardzo mały, o wymiarach nieprzekraczających 6,9 x 6,9 x 1,5 mm. Zawiera komponenty elektroniczne, kanał pomiarowy oraz czujnik temperatury.
Układ MEMS TrueDyne Sensors AG jest produkowany przy użyciu łącznie czterech wafli (płytek) krzemowych. Dwie płytki krzemowe tworzą kanał pomiarowy. Kanał pomiarowy jest formowany przy użyciu technologii trawienia plazmowego. W tym celu połowa każdego kanału jest wytrawiana w płytce krzemowej. Kanał jest tworzony przez połączenie dwóch połówek (metoda łączenia). Płytka szklana zawiera elektrody metalowe, otwory przepływowe i czujnik temperatury. Kolejna płytka krzemowa jest używana do umiejscowienia kanału pomiarowego w próżni. Pozwala to kanałowi pomiarowemu na oscylację bez strat wywołanych przez powietrze.
Artykuł przygotowany w oparciu o publikację firmy TrueDyne Sensors AG – https://www.truedyne.com/density-measurement-basics-part-1
