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1、 振蕩管法測量物質密度 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型管產生振蕩，管內存在不同物質的振動頻率各不相同，物質的振動頻率與密度有關，通過對被測物質與參考標準物質之間的頻率差異推算出物質的實際密度。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。 關鍵詞：物質密度、振蕩法、頻率 前言 在有機化合物的分析測試中，作為被測物質的

2、物理常數之一，密度主要應用于計量、成本核算。密度是在規(guī)定溫度下,單位體積內所含物質的質量數 [1]，即質量(m)與體積(V)之比。 ρ= （kg/m3 或g/cm3） 液體產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]。 在大多數情況下，液體物質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較大的偏差，造成測量結果誤差較大。 而密度瓶法是準確測量物質密度的唯一方法，它需要與天平連用，測量某一已知的確切體積的樣品的質量，樣品的密度只需將其質量除以體積便可得出。但若在

3、空氣中測量，由于周圍空氣造成的質量損失往往會被忽略，而在測量時產生一定的誤差。要精確測量就必須要在真空環(huán)境下進行，這在實際操作中是無法實現的[3]。 目前一種新的、更為科學的測量方法正被廣泛應用于液體物質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)現至成熟應用后，它以實用、可靠，準確率高、測量精度高等優(yōu)點，正廣泛應用于飲料食品、石油化工、檢驗檢疫、計量校準等各分析領域里。 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

4、璃管都有其特征頻率或按固有頻率振動。當玻璃管內充滿物體后其頻率會發(fā)生變化，不同的物質頻率變化會有所不同，其頻率為管內填充物質質量的函數。當物質的質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作為標準物質，測量頻率后通過被測物質與標準物質之間振蕩頻率的差值計算出被測物質的密度值。 .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）。每秒振動周期數即為頻率f。 (S-1) 振動周期可由下式得出： T=2π 式中：ρ：測量管中樣品的密度（g/cm3）

5、VC：樣品體積（U型玻璃管容積）（cm3） mC：U型玻璃測量管的質量（g） K ：測量管的常數（g/s2） 圖2 振動曲線圖 可得出： ρ=T2- 即由此可看出密度ρ和振動周期T的關系。 由于玻璃測量管的容積和質量是可以測量出來的。每一個玻璃管的質量不同，所以需要每次測量前進行測定。測量管的系數可由測定兩個已知密度的物質的振動周期T來計算得到，如利用干燥空氣（ρ20=0.00120g/cm3； P

6、=1013.25hPa）和水（ρ20=0.9982g/cm3）作為標準物質。 F == 式中：ρA ：空氣的密度（g/m3） ρw ：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）= ρA-ρS 得到：ρS=ρA- F（TA2-TS2） 2 溫度控制對測量結果的影響 密度與測量溫度有關，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

7、的容積有限(1~3ml)，為了得到準確的結果必須要能夠精確測量溫度并控制溫度。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定溫度相比較后，由溫度控制器根據兩者之差控制帕爾貼元件，相應調節(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 振蕩管法技術的應用，大大提高了密度測量的效率。由于U型玻璃測量管的體

8、積較小，在測量一些粘度較大的樣品時，樣品的大粘度會產生一定的剪切力，阻礙了U型管的振蕩，會對測量結果產生影響。 根據Mettler公司所做的對比試驗：用精度為0.0001g/cm3儀器測量濃硫酸（υ20=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（υ20=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

9、這個影響推算出粘度，再根據粘度造成的測量誤差計算出樣品的實際密度值。 4 振蕩管技術的應用 振蕩管法技術發(fā)明于上世紀中期，至1967年奧地利Anton Paar公司研制出第一臺利用U型振蕩管的數值式密度計。使該項技術得到世人的矚目。至八十年代振蕩管技術日趨成熟，并應用于實踐當中。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，實現了酒類產品密度的在線測定，從而掌握了發(fā)酵的過程，為更好的把控

10、產品質量提供了可靠的依據。在歐洲，許多食品加工企業(yè)和飲料、釀酒生產企業(yè)（包括生產啤酒、葡萄酒及各類軟飲料的部門）已經普遍采用U型管振動密度計實現了在線密度連續(xù)監(jiān)測甚至糖度、酒精度等以便控制產品的質量。如可口可樂、百事可樂公司等在全球各生產現均使用了U型振蕩管技術對產品進行質量監(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應用最成功的公司，幾家公司均有悠久的儀器設備的制造歷史，雄厚的科研技術力量，在儀器設備的領域具有廣泛的影響。各家公司的儀器設備簡單實用，主要由進樣組件、測量組件、恒溫組件、微處理系統(tǒng)、輸出打

11、印等部分組成。儀器還設有RS232C接口，以便用戶連接計算機進行數據交換。對于儀器各項參數及其它設定值的輸入和修改，則完全可由儀器面板上的鍵盤完成。儀器均開發(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，全新模塊化設計以及可升級等功能。 基于U型管的測量儀器發(fā)展已很成熟，適用的范圍寬廣，在實驗室內的高精度檢測或是生產過程在線控制方面均能滿足需要。近年來，作為生產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域的使用，最近已成功推出了一款新型分析儀器，它結合了密度和運動粘度的測量，把 U型管振蕩法的應用又推上了一個新的層次。

12、 5 自動密度儀的實際操作與數據的可靠性 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部進行，加上儀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（ρA 20=0.001205 g/cm3； P=1013.25hPa）。 （2）U型玻璃

13、管內再充滿二次蒸餾水，并測量水的密度值（ρW 20=0.99820g/cm3）。 （3）玻璃管內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，可由用戶選擇設定測量次數，一般選兩次就足夠了。振動管法得出的結果準確度非常高，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，比較結果見表.1。 表1：自動儀器與密度計法測量結果的對比 樣品 振動管法 密度計法 溫度：20℃ 溫

14、度：20℃ 第一次 第二次 誤差 第一次 第二次 誤差 1# 0．8696 0．8697 0．0001 0．8694 0．8691 0．0003 2# 0．8834 0．8834 0 0．8834 0．8832 0．0002 3# 0．8735 0．8735 0 0．8729 0．8732 0．0003 4# 0．8838 0．8838 0 0．8836 0．8839 0．0003 5# 0．8778 0．8778 0 0．8774 0．8778 0．0004 6# 0．9098 0．9098 0 0．

15、9092 0．9092 0 7# 0．8945 0．8945 0 0．8948 0．8946 0．0002 8# 0．8769 0．8770 0．0001 0．8769 0．8772 0．0003 9# 0．8848 0．8848 0 0．8843 0．8847 0．0004 10# 0．8828 0．8828 0 0．8824 0．8825 0．0001 注：測量結果單位為：g/cm3 由于儀器內部設有恒溫系統(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5~80℃之間，測量其在任何設定溫度時的實際密度

16、，并且依靠相當完善的軟件系統(tǒng)，能夠把結果直接換算成符合美國API標準（15℃或60 OF）的密度值，并根據要求打印出來。 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】，密度換算表是根據使用的玻璃密度計測定密度在 修正了玻璃的膨脹系數后建立的。如果不考慮玻璃的膨脹系數，換算處來的密度結果與標準結果會存在偏差。 6 結論與展望 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更小，更適合測量液體物質的密度。隨著現代化技術的不斷發(fā)展，廣泛利用U型振動管技術測試液體尤其是石油化工產品的密度，實現生產過程的智能控制和提高生產裝置的自動化水平以及計量精度具有很高的現實意義。 參考文獻： [1] 石油產品標準化技術歸口單位石油和石油產品試驗方法國家標準匯編北京：中國標準出版社， 1998375 [2] 劉珍等化驗員讀本-化學分析第三版北京：化學工業(yè)出版社，1998414 [3] 董彗茹、唐登志過程化學與過程分析儀器 分析儀器，1991，（3）：12~13 [4] GB/T1885-1998, 石油產品密度測定法及計量換算表.北京技術標準出版社