1. MĂSURAREA PE CALE ELECTRICĂ A
MĂRIMILOR DE STARE A GAZELOR ŞI
LICHIDELOR.

2. 1. Introducere
 În procesele industriale din industria chimică, farmaceutică etc., este
necesar să fie controlate şi reglate o serie de mărimi de stare a gazelor şi
lichidelor care intră în procesele de producţie sau rezultă în diferite faze ale
acestora.
 Astfel trebuie măsurate: compoziţia chimică a amestecurilor, conţinutului
de apă, densitatea, aciditatea sau alcalinitatea (pH-ul) etc.
 Aceste mărimi se bazează, unele pe principii deja expuse, altele pe
principii deosebite adecvate mărimilor măsurate.
 Astfel pentru determinarea compoziţiei unei substanţe sau a concentraţiei
diferiţilor componenţi dintr-un amestec se utilizează analizatoarele.
 Unele măsoară în mod continuu modificarea proprietăţilor fizice sau
electrochimice datorate unui element component urmărit.
 Altele măsoară, prin separare, toate elementele componente ale
amestecului, deci în mod discontinuu sau ciclic.

3. 2. Măsurarea densităţii.
 Prin definiţie densitatea ρ = m/V
 Deoarece volumul V variază cu temperatura şi densitatea se modifică cu
temperatura, de aceea ea trebuie cunoscută şi luată în considerare. În
special la gaze ea variază foarte mult.
 Cifra de densitate utilizată uneori în locul densităţii este o densitate relativă
şi ea reprezintă raportul dintre densitatea substanţei şi cea apei la θ = 0°C şi
p=1bar.
 Densitatea la unele substanţe se mai exprimă şi în grade Baumé:
144,3
S15 =
144,3 ± B
a) Densimetru cu areometru
 Se compune dintr-un densimetru cu plutitor marcat ce converteşte
densitatea într-o deplasare. Plutitorul este de tip legat, cu lănţişoare, care
măresc greutatea acestuia pe măsură ce plutitorul urcă.
 Mişcarea tijei feromagnetice solidară cu plutitorul modifică inductivitatea
bobinei. Pentru eliminarea erorilor datorate variaţiilor de debit, acesta este
menţinut constant în camera de măsurare cu ajutorul unei duze comandată

4. a) Densimetru cu areometru
 Se compune dintr-un densimetru cu plutitor marcat ce converteşte
densitatea într-o deplasare. Plutitorul este de tip legat, cu lănţişoare, care
măresc greutatea acestuia pe măsură ce plutitorul urcă.
 Mişcarea tijei feromagnetice solidară cu plutitorul modifică inductivitatea
bobinei. Pentru eliminarea erorilor datorate
variaţiilor de debit, acesta este menţinut
constant în camera de măsurare cu
ajutorul unui regulator
Pentru raportarea la temperatura
normală se montează şi un termometru
electric.
Precizia acestui tip de densimetru este
de cca. 3 %.
Fig.1. Densimetru cu areometru.

5. b) Densimetru cu radiaţii
 Acest tip de densimetru utilizează fenomenul de atenuare a unei radiaţii
proporţional cu densitatea materiei prin care trece. Principiul acestui
densimetru este redat în fig. 2.
 Radiaţiile γ emise de preparatul radioactiv PR străbate conducta cu lichid şi
ajung la o cameră de ionizare Geiger (Gm) în care produc curentul Im.
 Pentru reglarea domeniului de măsurare se foloseşte o cameră de ionizare
de compensaţie Gk care dă curentul constant Ik produs de acelaşi preparat
radioactiv.
 Printr-un ecran de absorbţie, se reglează intensitatea I k = Im în absenţa
lichidului.
 Diferenţa Ik - Im dată de absorbţia lichidului este aplicată unui amplificator
ce cc de tip electrometric cu impedanţă foarte mare de intrare.
 Prin rezistenţa de reacţie (R ≈ 1011Ω) se aranjează ca la ieşire curentul să fie
proporţional cu Ik - Im.
 Se pot măsura astfel densităţi de lichide cu ρ = 0,1g/cm3. Pentru gaze sau
conducte mici (trasee scurte) se pot utiliza şi radiaţii β.

6. Fig.2. Densimetru cu radiaţii nucleare

7. 3. Măsurarea vâscozităţii
 Vâscozitatea este o proprietate fundamentală a lichidelor ce caracterizează
fluiditatea lor. La lichide cu moleculă simplă este valabilă legea lui
Newton:
dv τ - efortul tangenţial,
τ =η η - factor de vâscozitate dinamică,
dy
dv/dy - acceleraţia în sensul de aplicare al
efortului.
• Unitatea de măsură pentru η este Poise
(1P=1g/cm/s) sau cP = 0,01P.
• Alte fluide cum ar fi masele plastice, uleiurile,
nu respectă legea lui Newton, având curbe
proprii de vâscozitate.
• În practică majoritatea lichidelor a căror
vâscozitate trebuie măsurată sunt lichide
newtoniene.
Fig.3. Vâscozimetru rotativ

8.  Pentru măsurarea vâscozităţii se utilizează vâscozimetre rotative. Ele
convertesc vâscozitatea într-o deplasare unghiulară şi cu un traductor de
deplasare unghiulară aceasta se transformă în mărime electrică.
 Principul unui vâscozimetru rotativ este expus în fig.3. Pentru cilindrul
interior:
1 1
2
− 2
M r ri
τ= , ω = ωt
2π hr 2 1 1
− 2
re2 ri
 Dacă cilindrul exterior este mult mai mare ca cel interior:
M
η=
2π ω t r 2

9. a) Vâscozimetru electric cu cuplu mecanic antagonist
 La acest tip de vâscozimetru, cilindrul exterior este rotativ şi se găseşte
într-o baie de temperare.
 Cilindrul interior este suspendat de o bară de torsiune. Cuplul produs de
efortul tangenţial în lichid va produce o deplasare unghiulară a armăturii
traductorului inductiv de deplasare care o transformă în mărime electrică.
Domeniul de măsurare a acestor vâscozimetre
rotative atinge valori de 0÷1000P cu exactităţi
de 1%.
Fig.4. Vâscozimetru rotativ cu bară de torsiune şi
traductor inductiv de deplasare.

10. b) Vâscozimetru cu compensaţie
 Într-un vas termostatat (fig.16.5), sunt cufundaţi atât cilindrul exterior cât
şi cilindrul interior, sprijinit într-un pivot cu frecare neglijabilă.
 Pe axul acestuia se află, în partea superioară, o oglindă şi un echipament
magnetoelectric astatic format din din bobinele B şi magneţii M.
 Cuplul exercitat asupra cilindrului interior este compensat de cel dat de
curentul I.
• Echilibrul este menţinut automat prin
bucla de aducere la zero realizată cu
fotocelula F şi amplificatorul A.
• În acest mod curentul I este proporţional
cu vâscozitatea şi poate fi gradat direct.
• Cilindrul exterior este rotativ şi este pus
în mişcare de motorul sincron M.
Domeniul de măsurare: 1 ÷ 105cP.
Fig.5. Vâscozimetru cu compensaţie

11. 4. Măsurarea conţinutului de apă
 Pentru măsurarea conţinutului de apă (sau vapori de apă) în amestecuri
gazoase, lichide sau solide (lemn, hârtie, textile, cereale etc.) se utilizează
umidimetre sau higrometre.
 Umiditatea se exprimă în general în procente din masa substanţei umede de
măsurat:
mapă
Wrel = 100 [%]
mumed
 Principiul de măsurare al umidităţii se bazează pe modificarea
caracteristicilor electrice ale substanţei cu conţinutul de apă cum ar fi:
 conductivitatea şi permitivitatea,
 absorbţia diferită a unor radiaţii electromagnetice de înaltă frecvenţă (GHz),
 absorbţia selectivă a radiaţiilor infraroşii etc.
 atenuarea radiaţiilor nucleare proporţional cu conţinutul de apă al substanţei.

12. a) Umidimetre rezistive
 Ele se bazează pe modificarea importantă a rezistivităţii materialelor cu
conţinutul de apă.
 Sunt utilizate la măsurarea umidităţii solidelor sub formă masivă sau
pulverulentă caz în care se utilizează celule de măsurare.
 Materialul este introdus sub o anumită presiune , rezistenţa probei astfel
măsurate fiind puternic dependentă de umiditate, caracteristica fiind
dependentă de natura materialului măsurat.
 Rezistenţa poate varia de la câţiva ohmi la sute de kiloohmi când
umiditatea variază de la 5% la 80%.
 Pentru măsurarea rezistenţei se utilizează punţi sau alte metode potrivite.
 Pentru măsurarea umidităţii relative a aerului se utilizează higrometre
rezistive cu absorbţie. În cazul aerului se defineşte umiditatea relativă:
PV
U=
PS
 PV - presiunea vaporilor de apă din aer iar
 PS - presiunea vaporilor saturaţi din aer la aceeaşi temperatură.

13. Fig.6. Higrometrul electric cu LiCl.
 Funcţionarea se bazează pe atingerea unei temperaturi de echilibru la care
presiunea vaporilor soluţiei de LiCl devine egală cu presiunea vaporilor de
apă din aer.
 O temperatură mai mare ar evapora o parte mai mare din apa din soluţie,
rezistenţa între cele două fire de argint creşte, scade curentul şi deci şi
temperatura traductorului.
 Totodată scade presiunea vaporilor de apă din soluţie şi atunci LiCl
absoarbe noi cantităţi de apă devenind din nou mai conductoare.
 Măsurând cu termorezistenţa Rθ, temperatura θ, după anumite curbe de
dependenţă între θ şi umiditatea relativă se poate deduce valoarea acesteia.

14.  b) Umidimetre capacitive.
 Permitivitatea relativă a apei (εr = 80) fiind mult mai mare decât a
majorităţii substanţelor (εr = 2 ÷ 10), conţinutul de apă într-o substanţă va
modifica puternic permitivitatea relativă a acesteia.
 Introdusă între armăturile unui condensator plan (celulă de măsurare)
substanţa va modifica capacitatea acestuia proporţional cu permitivitatea
lui, deci şi cu conţinutul de apă.
 Variaţia capacităţii de la gol la plin se poate măsura prin metode de
rezonanţă sau de punte, ambele oferind precizii de 0,3÷0,5%.
 Metoda se poate folosi: pentru substanţe solide, granulare sau pulverulente,
cum ar fi: cereale, făină, amidon şi alte elemente.
 Pentru măsurarea umidităţii în condiţii şi pentru materiale speciale s-au
realizat şi umidimetre şi higrometre cu absorbţie de radiaţii
electromagnetice sau nucleare, foarte precise dar complicate şi scumpe, de
aceea mai puţin răspândite.

15. 5. Măsurarea concentraţiei ionilor de hidrogen în soluţii (pH)
 Aparatele din această categorie se numesc pH-metre şi ele măsoară
aciditatea sau bazicitatea soluţiilor printr-o cifră cuprinsă între 0 şi 14.
 Prin definiţie cifra pH este:
+
CH
pH = − log +
(C H ) max
 C+H - concentraţia ionilor de hidrogen în soluţia măsurată iar
 (C+H)max - concentraţia maximă a ionilor de hidrogen într-o soluţie nediluată de
acid (1 mol/litru = 1 ion. gram/1itru).
 Concentraţia minimă posibilă în soluţiile bazelor este de 10 -14 mod/1 deci
pH=14.
 Sărurile neutre au pH = 7. Între pH = 0÷7 sunt cuprinşi acizi iar între pH =
7÷14, bazele.
 Traductoarele electrochimice de pH sunt de fapt electrozi speciali care, vor
da o tensiune electromotoare dependentă de concentraţia ionilor de
hidrogen din soluţie, de temperatură şi de natura electrozilor.

16. Pentru măsurare se folosesc doi electrozi
unul de măsură şi unul de referinţă.
Pentru măsură se folosesc
electrozi de stibiu sau sticlă, iar ca
referinţă un electrod de calomel, (HgO 2)
sau clorură de argint (AgCl).
Fig.7. pH-metru
 Potenţialul unui electrod faţă de soluţie are expresia:
RT +
E = E0 + ln C H
nF
 Dacă electrodul de referinţă este plasat într-o soluţie etalon de acid
concentrat atunci diferenţa de potenţial dintre cei doi electrozi:
∆E = E1 − E 2 = E 0 +
RT
nF
( )
+
ln C H max
− E0 +
RT
nF
+
ln C H
+
RT CH RT
∆E = E1 − E 2 = ln + = k ⋅ pH k= lg e = 58mV
nF ( )
C H max nF

17. 6. Analizoare de gaze
 Măsurarea concentraţiei unui component gazos într-un amestec de gaze se
bazează pe proprietăţile fizice diferite ale gazelor cum ar fi:
 conductivitatea termică,
 căldura de reacţie,
 susceptivitatea magnetică,
 absorbţia diferită a razelor infraroşii.
a) Analizoare de gaze bazate pe măsurarea conductivităţii termice.
 Sunt utilizate la măsurarea concentraţiei de CO 2, H2, sau SO2 care au
conductivitatea termică λ mult diferită de aer, azot sau oxigen.
 De aceea λ a amestecului va fi dependentă de concentraţia de gaz cu λ
mare în amestec.
 Traductorul utilizat pentru aceste analizoare constă într-un fir subţire de
platină cu diametrul d = 0,02÷0,05 mm şi 5÷10 cm lungime, încălzit la
100÷200 °C de un curent continuu constant, aflat în gazul măsurat.
 În funcţie de conductivitatea λ a gazului, temperatura faţă de pereţii
traductorului, ∆θ, se va modifica:

18. ∆θ = R f I 2 = K∆θ = f (λ )
Dintre aceste mărimi cea care poate fi măsurată este rezistenţa firului
Rf = f1(λ) = f2(c) .
Fig.8. Analizor conductimetric
 Pentru compensarea erorilor datorate variaţiei temperaturii gazului analizat,
se plasează două traductoare pe două braţe opuse ale punţii aflate în
amestec etalon cu aceeaşi temperatură;
 Tensiunea de dezechilibru proporţională cu concentraţia componentului
analizat poate fi citită direct la un instrument.

19. b) Analizoare de gaze combustibile bazate pe căldura de ardere
catalitică.
 Măsoară conţinutul de gaze combustibile (nearse) în gazele arse, sau
conţinutul de gaze combustibile (H2, CO, CH4 etc.) în aer pentru avertizarea
la atingerea concentraţiei ce prezintă pericol de explozie.
 Traductorul este format din două fire de platină închise în tuburi ceramice
dintre care unul acoperit cu negru de platină, catalizator care produce
arderea catalitică a gazelor combustibile din amestec (fig.8).
α = f 1 ( ∆R ) = f 2 ( ∆θ ) = f 3 ( c )
În consecinţă firul aflat în tubul cu
catalizator aflat la o temperatură mai
mare va avea o rezistenţă mărită care
va dezechilibra puntea.
Fig.9. Analizoare bazate pe arderea
catalitică

20. c) Analizoare bazate pe variaţia susceptivităţii magnetice.
Se folosesc la măsurarea concentraţiei de oxigen în amestecuri gazoase.
Ele se bazează pe proprietatea oxigenului de a fi paramagnetic (are o
structură polară a moleculelor) faţă de majoritatea gazelor care sunt
diamagnetice. Astfel susceptivitatea magnetică χ este definită astfel:
χ = µr −1
în care χ este susceptivitatea magnetică relativă.
Deoarece µr depinde de temperatură
iar la temperatura Curie µr scade
brusc, acest fenomen este utilizat la
măsurarea concentraţiei de O2 în
gaze. Traductorul este realizat sub
forma unei punţi inelare (fig. 16.9)
formate din conducte prin care
circulă gazul.
Pe diagonala orizontală sunt plasate
Fig.10. Analizor de oxigen la exterior două rezistenţe şi un
magnet permanent, aşezat în dreptul
uneia din rezistenţe.

21.  Deoarece µr depinde de temperatură iar la temperatura Curie µr scade brusc,
acest fenomen este utilizat la măsurarea concentraţiei de O 2 în gaze.
 Traductorul este realizat sub forma unei punţi inelare (fig.9) formata din
conducte prin care circulă gazul.
 Pe diagonala orizontală sunt plasate la exterior două rezistenţe şi un
magnet permanent, aşezat în dreptul uneia din rezistenţe.
 Oxigenul din amestec, având proprietăţi magnetice va fi atras în tubul
orizontal în zona câmpului magnetic.
 Datorită încălzirii de la rezistenţa din vecinătate îşi pierde proprietăţile
magnetice fiind împins spre capătul celălalt al tubului de alte molecule de
O2 mai reci.
 Se va forma astfel un curent de gaz proporţional cu conţinutul de O 2 care va
răci prima rezistenţă şi o va încălzi pe cea de-a doua, dezechilibrând
puntea.
 Concentraţia de O2 se va putea citi la instrumentul ce măsoară acest
dezechilibru.