Het meten van de dichtheid van een monster is een belangrijke kwaliteitsparameter van zowel grondstoffen als eindproducten. Verschillende technieken maken het mogelijk om de dichtheid van vaste, viskeuze en vloeibare materialen nauwkeurig te bepalen, zoals metalen, kunststoffen, chemicaliën, smeermiddelen en voedingsmiddelen.
Dichtheid voor kwaliteitscontrole
Een variatie in een grondstof, die blijkt uit een verandering in de dichtheid, kan nadelige gevolgen hebben voor de werking of de kwaliteit van het eindproduct. Dichtheidsmeting van grondstoffen kan worden gebruikt om de zuiverheid van het materiaal te bevestigen. Als een stof is versneden met een goedkoper alternatief, zal de gemeten dichtheid van het composietmateriaal anders zijn dan de zuivere stof.
Dichtheid kan ook worden gebruikt om homogeniteit te garanderen. Als een gefabriceerd onderdeel niet homogeen is, kunnen belangrijke prestatiekenmerken zoals sterkte en scheurbestendigheid worden beïnvloed. Een interne luchtbel kan er bijvoorbeeld uiteindelijk voor zorgen dat een onderdeel defect raakt wanneer het onder spanning wordt geplaatst. Willekeurige bemonstering van onderdelen is een eenvoudige en kosteneffectieve manier om de voortdurende kwaliteit te controleren.
Waarom nauwkeurig wegen cruciaal is
Gebruikelijke gravimetrische laboratoriumprocedures voor het bepalen van de dichtheid zijn de drijftechniek, het verplaatsingsprincipe en de pyknometermethode.
De meest gebruikte methode is de drijftechniek die gebruik maakt van het principe van Archimedes: een lichaam ondergedompeld in vloeistof geeft een schijnbaar gewichtsverlies aan dat gelijk is aan het gewicht van de vloeistof die het verplaatst. Dit oude principe, van rond 200 voor Christus, is precies wat tegenwoordig wordt gebruikt om de dichtheid gravimetrisch te bepalen. Nauwkeurige dichtheidsmeting is daarom sterk afhankelijk van nauwkeurige gewichtswaarden. Bloed bevat bijvoorbeeld natuurlijke buffers om een stabiele pH tussen 7,35 en 7,45 te behouden, zodat onze enzymen correct werken. Aangezien de enzymactiviteit varieert met de pH, is het handhaven van een constante pH essentieel in biochemische tests om ervoor te zorgen dat het juiste activiteitsniveau wordt waargenomen. In commerciële toepassingen zijn buffers te vinden in shampoos om huidirritatie te voorkomen, in babylotions om de groei van bacteriën te remmen en in contactlensvloeistoffen om ervoor te zorgen dat de pH-waarde van de vloeistof compatibel blijft met die van het oog.
Het voorbereiden van buffers bestaat uit verschillende stappen: het wegen van de componenten, het oplossen van de componenten, het aanpassen van de pH en het aanvullen tot het uiteindelijke volume. Aangezien de verhouding van het zuur tot de base in een buffer direct verband houdt met de uiteindelijke pH, is het van essentieel belang om de componenten met een hoge mate van nauwkeurigheid te wegen. Het is dus belangrijk dat de gebruikte apparatuur (balans, pipetten en pH-meter) goed gekalibreerd is en voldoende nauwkeurig is.
Bekijk hoe eenvoudig het is om de dichtheid van uw laboratoriumbalans van METTLER TOLEDO te meten. Met de Density Kit kunt u de dichtheid van vaste, vloeibare, poreuze en viskeuze stoffen bepalen. Met stapsgewijze instructies en automatische berekeningen is het hele proces eenvoudig.
Drijfvermogenmethode - Het principe van Archimedes in actie
Het principe van Archimedes stelt dat een lichaam dat gedeeltelijk of volledig in vloeistof is ondergedompeld, een opwaartse kracht ervaart die erop inwerkt. De grootte van deze kracht is gelijk aan het gewicht van de vloeistof die door het lichaam wordt verplaatst.
De vaste stof wordt gewogen in lucht (A) en vervolgens opnieuw (B) in de hulpvloeistof met een bekende dichtheid. De dichtheid van het vaste lichaam ρ kan als volgt worden berekend:
Berekeningsformule voor de dichtheid van een vast monster
ρ = Dichtheid van het monster
A = Gewicht van het monster in de lucht
B = Gewicht van het monster in de hulpvloeistof
ρ0 = Dichtheid van de hulpvloeistof
ρL = Dichtheid van de lucht
Er moet rekening worden gehouden met de temperatuur van de vloeistof, aangezien dit dichtheidsveranderingen in de orde van grootte van 0,001 tot 0,1 per °C kan veroorzaken, waarvan het effect te zien is in de derde decimaal van het resultaat.
| Gravimetrisch, drijfvermogen | Gravimetrisch, Verplaatsing | Pyknometer | Digitale dichtheidsmeter | |
| Methoden |
Bekerglas voor hulpvloeistof staat op een platform of onder de balans. |
Bekerglas voor hulpvloeistof staat op de balans. |
Glazen beker met een bepaald volume. |
Oscillerende buistechnologie |
| Geschikt voor |
|
|
|
|
| Voordelen |
|
|
|
|
| Nadelen |
|
|
|
|
Als u de massa en het volume van een monster (vaste stoffen of vloeistoffen) kent, kan de dichtheid worden berekend uit:
Berekening van dichtheid door massa en volume
De moeilijkheid met volume
Het is vrij eenvoudig om een monster nauwkeurig te wegen, maar het nauwkeurig bepalen van het volume van een monster kan een uitdaging zijn.
Drijfvermogen
De drijfvermogenmethode vermijdt het probleem van het bepalen van het volume, omdat het monster twee keer wordt gewogen in twee verschillende media (lucht en een vloeistof). Er kan dus van worden uitgegaan dat het volume in beide situaties constant is.
Verplaatsing
Bij de eenvoudigste toepassing van de verplaatsingsmethode wordt het volume van een vast monster bepaald door de toename van het vloeistofniveau waarin het monster wordt ondergedompeld te observeren.
Omgekeerd, wanneer een object met een bekend volume wordt ondergedompeld in een vloeistof met een onbekende dichtheid, kan het verschil in gewichtswaarden (in lucht en in de vloeistof) worden gebruikt om de dichtheid van de vloeistof te bepalen.
Pyknometer
Een pyknometer is een speciaal ontworpen glazen kolf, meestal met een bepaald volume. Het wordt meestal gebruikt om de dichtheid van vloeistoffen te bepalen. De pyknometer wordt eerst leeg gewogen en vervolgens vol met de te onderzoeken vloeistof. Het verschil (d.w.z. de massa van het monster) gedeeld door het volume van de pyknometer is de dichtheid van het monster.
De pyknometermethode kan ook worden gebruikt voor het bepalen van de dichtheid van poedermonsters of granulaten.
Digitale dichtheidsmeter
Een holle glazen buis trilt met een bepaalde frequentie. De frequentie verandert wanneer de buis wordt gevuld met verschillende stoffen: hoe hoger de massa van het monster, hoe lager de frequentie. Digitale dichtheidsmeters werken door de frequentie te meten en deze om te zetten in dichtheid.
Zie de onderstaande tabel voor een vergelijking van deze vier verschillende methoden.
| Gravimetrisch, drijfvermogen | Gravimetrisch, Verplaatsing | Pyknometer | Digitale dichtheidsmeter | |
| Methoden |  Bekerglas voor hulpvloeistof staat op een platform of onder de balans. |  Bekerglas voor hulpvloeistof staat op de balans. |  Glazen beker met een bepaald volume. |  Oscillerende buistechnologie |
| Geschikt voor |
|
|
|
|
| Meetprincipe voor een solide monster |
Het monster wordt eenmaal gewogen in lucht en eenmaal ondergedompeld in de hulpvloeistof met bekende dichtheid. De dichtheid van het vaste monster kan worden bepaald aan de hand van de bekende dichtheid van de vloeistof en de twee massawaarden.  ρ,= Dichtheid van het monster A,= gewicht van het monster in lucht B,= Gewicht van het monster in de hulpvloeistof ρ0,= Dichtheid van de hulpvloeistof ρL,= Dichtheid van de lucht
| De hulpvloeistof met bekende dichtheid wordt voor en na het onderdompelen van het monster gewogen (tarra kan worden gebruikt om het massaverschil direct te meten). Aan de hand van het massaverschil en de vloeistofdichtheid kan het volume van het monster worden bepaald. Dit wordt vervolgens samen met de massa van het monster gebruikt om de dichtheid te berekenen. | De pyknometer wordt eerst leeg gewogen en vervolgens weer vol met de referentievloeistof met een bekende dichtheid. Het poeder wordt toegevoegd aan de gereinigde en gedroogde pyknometer. Het wordt gewogen om het gewicht van het poedermonster te bepalen. De pyknometer wordt vervolgens bijgevuld met dezelfde vloeistof waarin het poeder volledig onoplosbaar moet zijn. De pyknometer wordt opnieuw gewogen. Het gewicht van de verplaatste vloeistof kan dan worden bepaald en daarmee de dichtheid van het poeder worden berekend. | n.v.t |
| Meetprincipe voor een vloeibaar monster | Het referentielichaam met bekend volume (glazen zinklood) wordt eenmaal gewogen in lucht en eenmaal in de vloeistof met onbekende dichtheid. B,= Gewicht van het referentielichaam in de vloeistof | Het gewicht van de vloeistof met de onbekende dichtheid wordt gemeten voor (tarra) en na onderdompeling van het referentielichaam (gammabol of glazen zinklood). Aan de hand van het massaverschil en het bekende volume van het referentielichaam kan de dichtheid van het vloeistofmonster worden bepaald. | De pyknometer wordt eerst leeg gewogen en vervolgens weer vol met het vloeistofmonster. Het massaverschil gedeeld door het volume van de pyknometer is de dichtheid van de vloeistof. | Het monster wordt toegevoegd aan een U-vormige holle glazen buis in het apparaat. De dichtheid van het monster wordt bepaald door de trillingsfrequentie van de buis te meten. Hoe lager de trillingsfrequentie, hoe hoger de dichtheid van het monster. |
Als er meer dan alleen de dichtheid van belang is, meten digitale dichtheidsmeters de dichtheid, het soortelijk gewicht en andere gerelateerde kenmerken van vloeistofmonsters (d.w.z. alcohol%, BRIX°, API-graden) met hoge precisie en korte meettijd.
Er bestaan veel normen en standaarden voor de bepaling van de dichtheid in monsters van vaste stoffen. Enkele van de meest gebruikte zijn:
ISO 1183-1 specificeert het gebruik van een analytische balans met 4 decimalen.
Bulkdichtheid geeft aan hoeveel deeltjes, onderdelen of stukken er in een bepaald volume aanwezig zijn. Bulkdichtheid is geen eigenschap van het materiaal zelf. Bulkdichtheid omvat zowel de ruimtes tussen de deeltjes of items als eventuele holtes binnen de items zelf. De bulkdichtheid kan variëren, afhankelijk van de manier waarop met het materiaal wordt omgegaan; door bijvoorbeeld een container te schudden, kunnen onderdelen bezinken, waardoor de totale bulkdichtheid toeneemt.
Het meten van de dichtheid is een uiterst belangrijke kwaliteitsparameter van zowel grondstoffen als eindproducten. We begrijpen dat er veel factoren zijn waarmee rekening moet worden gehouden om nauwkeurige dichtheidsresultaten te garanderen. Als u ondersteuning nodig heeft bij het bepalen van de dichtheid of advies wilt over welke balans of dichtheidskit u moet aanschaffen, staat ons team van experts voor u klaar.
Aarzel niet om contact met ons op te nemen voor hulp.
Bubbels
Verreweg de grootste bron van fouten bij dichtheidsmeting is de beperkte bevochtigbaarheid van het monster. Wanneer het monster wordt ondergedompeld in vloeistof, is het van cruciaal belang dat alle bubbels die aan het monster en de apparatuur vastzitten, worden verwijderd. Eventuele resterende bubbels veroorzaken een drijfeffect en verstoren de dichtheidsberekening. (Een luchtbel met een diameter van 1 mm veroorzaakt een drijfvermogen van 0,5 mg.) Wij bevelen aan:
Temperatuur
Vaste stoffen zijn over het algemeen zo ongevoelig voor schommelingen in de omgevingstemperatuur dat de bijbehorende dichtheidsveranderingen geen gevolgen hebben. Aangezien de dichtheidsbepaling echter wordt uitgevoerd met een hulpvloeistof, moet rekening worden gehouden met de temperatuur. Temperatuur heeft een groter effect op vloeistoffen en veroorzaakt dichtheidsveranderingen in de orde van grootte van 0,1 tot 1‰ per °C.
Dit effect is al zichtbaar in de derde decimaal van het resultaat. Om nauwkeurige resultaten te verkrijgen, raden wij u aan om bij alle dichtheidsbepalingen altijd rekening te houden met de temperatuur van de hulpvloeistof. Waarden zijn beschikbaar in speciale boeken met tabellen. De dichtheden van de belangrijkste referentievloeistoffen (H, 2O en Ethanol) worden in de balans opgeslagen.
Weging
Zoals hierboven vermeld, speelt wegen een belangrijke rol bij de nauwkeurige bepaling van de dichtheid, dus het is van cruciaal belang dat de gebruikte balans voldoet aan de behoeften van de dichtheidstoepassing. Voor kleine monsters moet rekening worden gehouden met het minimale nettomonstergewicht van de balans - het wegen van een monster onder dit gewicht kan niet worden vertrouwd als het vereiste nauwkeurigheidsniveau.
Gegevensverwerking
Handmatige transcriptie van monstergegevens, gewichtswaarden en dichtheidsberekeningen is tijdrovend en foutgevoelig.
De meeste analytische en precisiebalansen van METTLER TOLEDO met een afleesbaarheid van 1 mg of hoger kunnen eenvoudig worden gebruikt om de dichtheid te bepalen via de drijftechniek met behulp van een dichtheidskit die in een paar eenvoudige stappen op de balans wordt gemonteerd.
Het meten van de dichtheid van vaste stoffen met behulp van een balans is een eenvoudig en handig proces dat zeer betrouwbare resultaten oplevert in vergelijking met andere methoden waarbij het volume van het onderdeel onafhankelijk van het gewicht wordt bepaald. Door een standaard laboratoriumbalans om te bouwen met de toevoeging van een dichtheidskit, vermijdt u de noodzaak om een speciaal apparaat aan te schaffen om deze eenvoudige procedure uit te voeren. Dit maakt de aanschaf van de Density Kit accessoire een zeer kosteneffectieve investering. Met de toevoeging van een glazen zinklood met een bekend volume, kan de Density Kit ook worden gebruikt voor het bepalen van de dichtheid van vloeistofmonsters.
De ingebouwde dichtheidstoepassing biedt stapsgewijze instructies, waardoor het zelfs voor ongetrainde operators gemakkelijk te gebruiken is. Profiteer verder van:
Meet de dichtheid van omvangrijke monsters
Voor omvangrijke monsters, die niet in de dichtheidskit passen, kunnen de bovenwegers van METTLER TOLEDO met een afleesbaarheid van 0,1 g en 0,01 g worden omgebouwd om onder de balans te wegen door de toevoeging van een speciale haak. Het principe van de dichtheidsmeting is precies hetzelfde; het monster wordt gewogen in lucht en opnieuw in een referentievloeistof.
De combinatie van een Excellence balanssysteem van METTLER TOLEDO en LabX-software biedt een hoger niveau van datamanagement en procesbeveiliging. Excellence analytische en precisiebalansen kunnen worden ingesteld met een dichtheidskit voor dichtheidsbepaling. LabX zorgt ervoor dat uw dichtheids-SOP nauwkeurig wordt gevolgd. LabX registreert alle gewichtswaarden, voert alle berekeningen uit en slaat alle resultaten veilig op in een centrale database. Alle gegevens met betrekking tot uw dichtheidstoepassing kunnen rechtstreeks worden overgedragen naar uw interne gegevensbeheersysteem.
De bepaling van de dichtheid in kunststof is essentieel voor een constante kunststofkwaliteit. In de Application Note wordt beschreven hoe de dichtheid van massieve kunststof onderdelen eenvoudig kan worden bepaald met behulp van de geïntegreerde applicatie op een MX-, MR- of MA-analysebalans van METTLER TOLEDO met een dichtheidskit.
De beste procedures voor de dichtheidsbepaling van vaste stoffen zijn de drijf- en verplaatsingsmethoden, die beide gebaseerd zijn op het principe van Archimedes. Voorwaarde voor deze methoden is het gebruik van een vloeistof met een bekende dichtheid die niet reageert met het monstermateriaal, maar het grondig bevochtigt. Aan de vloeistof kan een bevochtigingsmiddel worden toegevoegd.
De geïntegreerde balansapplicatie biedt stapsgewijze instructies. Balansen op Excellence-niveau hebben workflows voor 5 verschillende methoden voor het bepalen van de dichtheid. Balansen op Advanced- en Standard-niveau bieden workflows voor 2.
In combinatie met de Density Kit kunt u met de optionele glazen zinklood van 10 ml de dichtheid van vloeistoffen bepalen. Het verschil van het gewicht van het zinklood in lucht en in de vloeistof wordt gebruikt om de dichtheid te berekenen. Als alternatief kan een pyknometer of digitale dichtheidsmeter worden gebruikt.
De weeghouder op de Density Kit kan worden omgekeerd, zodat lichtere monsters onder de vloeistof worden gehouden en niet naar het oppervlak kunnen drijven. Als u merkt dat de drijfkracht groter is dan die van de houder, plaatst u een extra gewicht op het bovenste weegplateau van de dichtheidskit en start u de dichtheidsbepalingsprocedure opnieuw. U kunt ook een andere referentievloeistof met een lagere dichtheid gebruiken.
Voeg een paar druppels bevochtigingsmiddel toe aan de referentievloeistof. Laat het een nacht staan om het opgeloste gas te laten ontsnappen. Gebruik een zachte borstel om de bubbels van het monster en de Density Kit voorzichtig te verwijderen.
De nauwkeurigheid van de dichtheidsmeting wordt beïnvloed door de tolerantie van de methode (luchtbellen etc.) en de temperatuurmeting, evenals de nauwkeurigheid van de gewichtsmetingen. Elke meting op ELKE balans is onderhevig aan onzekerheid. Inzicht in deze onzekerheid is essentieel voor nauwkeurige weegresultaten. De nauwkeurigheid van een weeginstrument wordt niet bepaald door de afleesbaarheid, maar door de herhaalbaarheid en het minimale nettogewicht van het monster.
Om de juiste balans voor uw behoeften te vinden, moet u weten wat de kleinste hoeveelheid is die u wilt wegen en hoe nauwkeurig u deze moet wegen (d.w.z. met welke tolerantie).
GWP® , de wereldwijde weegstandaard van METTLER TOLEDO, helpt u bij het kiezen van de juiste balans die aan uw toepassingsvereisten voldoet. Vraag uw lokale vertegenwoordiger om een gratis balans-aanbeveling. Bepaal of uw bestaande balans voldoet aan uw kwaliteitseisen.
Naleving van ISO 1183-1 vereist een balans met een afleesbaarheid van 0,1 mg of minder en specificeert dat het monster bij voorkeur een massa van ten minste 1 g moet hebben. Het wegen van monsters van ten minste 1 g op een weegschaal met een afleesbaarheid van 0,1 mg is over het algemeen niet in strijd met het minimale nettogewicht van de weegschaal. De vereiste nauwkeurigheid van de balans moet echter worden beschouwd in combinatie met de door u vereiste procestolerantie. Onze gratis GWP® Recommendation-service kan u helpen bij het selecteren van de juiste balans voor uw specifieke behoeften.
Er zijn verschillende stappen in het dichtheidsmeetproces, en soms moet u even wachten totdat de weegschaal is gestabiliseerd. Dit kan het proces verwarrend maken, vooral wanneer u met meerdere taken tegelijk bezig bent. De geïntegreerde balansapplicatie biedt stapsgewijze instructies. U bevestigt elke instructie door op de OK-knop te drukken, zodat u altijd weet waar u zich bevindt.
Sluit een barcodelezer aan op uw balans om metagegevens, zoals monster-ID, lotnummer en ordernummer etc., direct foutloos in te lezen. Met de P-50 printers van METTLER TOLEDO kunnen de metagegevens, plus de datum en tijd van de meting, samen met de resultaten worden afgedrukt.
Wanneer u een reeks dichtheidsbepalingen moet uitvoeren, kunt u met de statistiekoptie op de balansen van METTLER TOLEDO snel trends in uw data identificeren, zodat u waar nodig beslissingen kunt nemen over te volgen acties.
XPE-, XSE-, MS-TS-, ML-T- en ME-T-balansen hebben een ingebouwde dichtheidsdatabase voor de meest gebruikte referentievloeistoffen. De dichtheidswaarde wordt aangepast op basis van de temperatuur die u invoert.
De dichtheidstoepassing op XPE-, XSE- en MS-TS-balansen doet alle berekeningen voor u. U hoeft alleen de temperatuur in te voeren en de gebruikte referentievloeistof te selecteren. De weegschaal registreert de gewichtswaarden en berekent automatisch de dichtheid.
De dichtheidstoepassing op MS-TS-, ML-T- en ME-T-balansen stelt u in staat om rapporten van uw dichtheidsbepalingsreeksen te maken, die u kunt afdrukken of opslaan op een USB-stick. XPE- en XSE-balansen in combinatie met LabX-software bieden een hogere mate van rapportaanpassing met grafieken en diagrammen, en deze rapporten kunnen rechtstreeks naar uw LIMS of EPD worden verzonden.
