Градусы ареометра
Внесистемные шкалы плотности жидкостей · величина: относительная плотность при 60 °F
Нефтяная биржа устроена так, что тяжёлый товар оказывается дешёвым: битум из Атабаски продают со скидкой, а лёгкий техасский сорт — с надбавкой, и вся эта разница в цене записана в контракте одним числом, градусами API. Шкала у них перевёрнута относительно привычного порядка вещей, потому что чем плотнее жидкость, тем меньше градусов ей достаётся. Ноль пришёлся на жидкость тяжелее воды, а самой воде отвели ровно десять.
У того же стеклянного поплавка есть ещё две шкалы, доставшиеся ему от других ремёсел: химик читает на стержне градусы Боме, а кожевник и красильщик — градусы Твэдделла. Говорят все три об одном и том же, о глубине, на которую прибор погрузился в жидкость, но каждая делает это своими числами и в своём диапазоне, за пределами которого попросту молчит.
01 · Определение
Все три градуса — не более чем переписанная относительная плотность, то есть отношение плотности жидкости к плотности воды, взятых при одной и той же температуре 60 °F. Прибор во всех трёх случаях один и тот же, стеклянный поплавок со шкалой на стержне, и различаются они лишь тем, по какой формуле эту шкалу нанесли на стекло.
Ареометр погружается тем глубже, чем легче жидкость, поскольку вытесняет ровно свой собственный вес, и глубина погружения оказывается пропорциональна не плотности, а обратной ей величине. Отсюда и вид формул: у градуса API и у лёгкой ветви Боме плотность стоит в знаменателе, так что числа растут в сторону лёгких жидкостей, тогда как у Твэдделла знаменателя нет вовсе — его шкала линейна по плотности и отсчитывается от воды только вверх.
У шкалы Боме две ветви, тяжёлая и лёгкая, и на приборе всегда указано, какая из них нанесена. Начинаются обе от воды, но дальше расходятся: тяжёлая ведёт к кислотам и щелочам, лёгкая — к спиртам и топливу. Спутать их проще, чем кажется, а на крепкой кислоте ошибка в выборе ветви доходит до десяти градусов.
Само число на шкале имеет смысл лишь вместе с температурой, при которой оно снято: стекло размечено для 60 °F, и тёплая проба неизбежно даёт заниженную плотность. В нефтяной торговле поправку на это не прикидывают на глаз, а берут из таблиц ASTM D1250 — сначала показание приводят к опорным шестидесяти градусам и только потом считают объём и деньги.
Двигайте плотность: поплавок всплывает или тонет, а три шкалы читают его положение каждая по-своему. У каждой из них есть своя слепая зона, и там, где две шкалы ещё работают, третья уже ничего не показывает.
Зелёная линия — градусы API: они падают по мере роста плотности. Оранжевая — градусы Твэдделла, которые, напротив, растут. Пересекаются линии на воде, где API даёт десять, а Твэдделл ноль, и дальше расходятся в противоположные стороны: одна шкала размечена под нефть, что легче воды, другая — под кислоты и щёлочи, которые тяжелее. Прибора с обеими шкалами на одном стержне не делает никто, потому что общего диапазона у них слишком мало.
02 · Пересчёт
Введите показание — паспорт даст остальные
Все шкалы сходятся к одной относительной плотности при 60 °F, а потому переводятся друг в друга точно. Неточность появляется лишь там, где показание снято при иной температуре и не приведено к опоре по таблице.
Модуль тяжёлой ветви Боме в разных странах брали разным — 144,3, 145 или 146,3, — и переключатель модуля вынесен в тонкие настройки листа: на крепкой кислоте разница видна уже в первом знаке.
Пятнадцать с половиной градусов Цельсия — не круглое число и не чей-то каприз: это ровно 60 °F, привычные шестьдесят градусов американского термометра, на которые опирается вся нефтяная арифметика. Тёплая проба показывает градусов API больше, чем есть на деле, и на партии размером в танкер эта разница считается уже в деньгах, поэтому показание сначала приводят к опоре и только потом умножают на объём.
| Пояснение | |||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Порядки величин
логарифмическая шкала: от воздуха до осмия04 · Приборы измерения
Чем берут плотность жидкости
Поплавок с дробью в брюшке и шкалой на стержне: читают то деление, которое совпало с уровнем жидкости. Один прибор охватывает узкую полосу плотностей, поэтому продают их наборами по шесть-девять штук в футляре. Метод описан в ASTM D1298 и до сих пор остаётся законным при приёмке нефти.
Сосуд известного объёма взвешивают пустым и полным, держа его в термостате. Из механических способов это самый точный: пятый знак плотности берётся уверенно. Расплата — время, на одну пробу уходит около получаса, зато именно пикнометром поверяют сами ареометры.
Изогнутую трубку раскачивают на собственной частоте, и чем плотнее её содержимое, тем медленнее она качается. Плотность прибор вычисляет из периода колебаний и сам приводит её к 60 °F. Пробы нужен миллилитр, ответа ждать полминуты — в лаборатории такой прибор давно вытеснил поплавок.
В трубопроводе плотность нужна непрерывно, и там ставят массомер: он раскачивает две петли и по их закрутке определяет сразу массовый расход и плотность. Градусы API прибор выдаёт тут же, так что цифра попадает в товарный отчёт без пробы и без человека.
05 · Правила записи
Число без ветви и без градусов Фаренгейта не значит ничего
Знак градуса ставят перед буквами и слитно с ними, а значение отделяют пробелом. Для Боме обязательно указывают ветвь, тяжёлую или лёгкую. У градуса API температуру позволительно опустить только потому, что она всегда одна и та же, 60 °F; если проба измерена при другой, это оговаривают особо.
Третья запись путает величину с её шкалой: плотность измеряется в килограммах на кубометр, а градусы API — безразмерное число, посчитанное из плотности. Четвёртая ошибка самая частая в цехе: серная кислота в 66 °Bé содержит около 93 % моногидрата, а вовсе не 66 %. Проценты совпадают с градусами только у Брикса и Плато, где шкала так и задумана.
06 · Соседние единицы
По смыслу рядом стоят все шкалы, в которых плотность переписана в удобные для отрасли числа: сахар считают по Бриксу, виноградное сусло по Эксле, нефть по API, а под всеми ними лежит одна и та же безразмерная относительная плотность.
шкала перевёрнута
две ветви от воды
линейна по плотности
Из паспортов Simetrium ближе всего стоят плотность в кг/м³, к которой сводятся все три шкалы, градус Брикса и градус Плато с их сахарными таблицами, баррель, в котором нефть считают объёмом, и баррель нефтяного эквивалента, где к объёму добавляют теплоту сгорания.
07 · Исторический раздел
Соль, кожа и нефть
Антуан Боме размечал стержень по двум точкам: чистая вода дала ему ноль, а раствор из пятнадцати частей соли на восемьдесят пять частей воды — пятнадцать. Расстояние между этими метками он разделил ровно, и получилась шкала, которую аптекари приняли сразу.
Шотландский мастер Уильям Твэдделл обошёлся без формулы: он положил на градус пять тысячных плотности, так что считать ничего не приходится. Отбельные и дубильные растворы держат в узкой полосе над водой, и кожевники с текстильщиками говорят в градусах Твэдделла до сих пор.
Американские нефтяные ареометры десятки лет градуировали с модулем 141,5, хотя формула Боме требовала 140. Бюро стандартов, обнаружив расхождение, предпочло не переделывать стекло, а узаконить его, — так и появилась шкала API.
Плотность в лаборатории давно берут вибрационной трубкой, а в трубе — массомером, но контракты на нефть по-прежнему написаны в градусах API, и надбавка за лёгкий сорт считается по ним. Шкала пережила свой прибор: числа остались те же, поплавка в этой цепочке уже нет.
Единица, у которой нет ни эталона, ни нуля на месте
Поверить сам градус API невозможно: поверяют плотномер, а градус получается из плотности по формуле. Проверять в этой цепочке нужно две величины, плотность и температуру, причём вторая важнее первой. Тёплая нефть легче, градусов у неё выходит больше, а значит, по контракту она дороже, и потому температуру пробы записывают вместе с показанием, а поправку берут из таблиц, а не считают в уме.
Ноль этой шкалы стоит не на воде, а на плотности 1,076, там, где вода давно позади. Так распорядилась формула, задуманная для жидкостей легче воды: её ноль оказался в стороне от всякого физического смысла. Тяжёлые сорта уходят в отрицательные градусы, и минус в товарном отчёте выглядит странно, но считается совершенно нормально.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные величины, без которых не обходится ни наука, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи, история. На 36 языках.