Měření hustoty vzorku je důležitým parametrem kvality surovin i hotových výrobků. Různé techniky umožňují přesně určit hustotu pevných, viskózních a kapalných materiálů, např. kovů, plastů, chemikálií, maziv a potravin.
Hustota pro kontrolu kvality
Odchylka v surovině, která se projevuje změnou hustoty, může mít nepříznivý dopad na fungování nebo kvalitu konečného produktu. Měření hustoty surovin lze použít k potvrzení čistoty materiálu. Pokud byla látka falšována levnější alternativou, naměřená hustota kompozitního materiálu se bude lišit od čisté látky.
Hustotu lze také použít k zajištění homogenity. Pokud vyrobený díl není homogenní, mohou být ovlivněny klíčové výkonnostní atributy, jako je pevnost a odolnost proti prasknutí. Například vnitřní vzduchová bublina může v konečném důsledku způsobit selhání dílu, pokud je vystaven namáhání. Náhodný odběr vzorků dílů je jednoduchý a nákladově efektivní způsob, jak sledovat průběžnou kvalitu.
Proč je přesné vážení zásadní
Běžné laboratorní gravimetrické postupy pro stanovení hustoty jsou vztlaková technika, princip posunutí a pyknometrická metoda.
Nejpoužívanější metodou je technika vztlaku, která využívá Archimédův princip: těleso ponořené do tekutiny indikuje zdánlivý úbytek hmotnosti rovnající se hmotnosti tekutiny, kterou vytlačuje. Tento starověký princip, pocházející přibližně z roku 200 př. n. l., je přesně to, co se dnes používá k gravimetrickému určování hustoty. Přesné měření hustoty je proto vysoce závislé na přesných hodnotách hmotnosti. Například krev obsahuje přirozené pufry pro udržení stabilního pH mezi 7,35 a 7,45, aby naše enzymy správně fungovaly. Vzhledem k tomu, že aktivita enzymu se mění s pH, je v biochemických testech nezbytné udržovat konstantní pH, aby byla zajištěna správná úroveň aktivity. V komerčních aplikacích lze pufry nalézt v šamponech, aby se zabránilo podráždění pokožky, v dětských pleťových vodách k inhibici růstu bakterií a v roztocích na kontaktní čočky, aby se zajistilo, že hladina pH tekutiny zůstane kompatibilní s hodnotou oka.
Příprava pufrů se skládá z několika kroků: Vážení složek, rozpuštění složek, úprava pH a doplnění na konečný objem. Vzhledem k tomu, že poměr kyseliny a zásady v pufru přímo souvisí s konečným pH, je životně důležité vážit složky s vysokým stupněm přesnosti. Je tedy důležité, aby použité vybavení (váha, pipety a pH metr) bylo správně zkalibrováno a mělo dostatečnou přesnost.
Podívejte se, jak jednoduché je měření hustoty na laboratorní váze METTLER TOLEDO. Souprava pro měření hustoty umožňuje určit hustotu pevných, kapalných, porézních a viskózních látek. Díky podrobným pokynům a automatickým výpočtům je celý proces snadný.
Vztlaková metoda - Archimédův princip v praxi
Archimédův princip říká, že těleso částečně nebo úplně ponořené do tekutiny zažívá vztlakovou sílu, která na něj působí směrem nahoru. Velikost této síly je ekvivalentní hmotnosti tekutiny vytlačené tělesem.
Pevná látka se zváží na vzduchu (A) a poté znovu (B) v pomocné kapalině se známou hustotou. Hustotu tělesa ρ lze vypočítat následovně:
Vzorec pro výpočet hustoty v pevném vzorku
ρ = hustota vzorku
A = hmotnost vzorku na vzduchu
B = hmotnost vzorku v pomocné kapalině
ρ0 = hustota pomocné kapaliny
ρL = hustota vzduchu
Je třeba vzít v úvahu teplotu kapaliny, protože to může způsobit změny hustoty řádově 0,001 až 0,1 na °C, jejichž účinek lze pozorovat na třetím desetinném místě výsledku.
| Gravimetrické - vztlakové | Gravimetrické - s posunem | Pyknometr | Digitální hustoměr | |
| Metody |
Kádinka na pomocnou kapalinu stojí na plošině nebo pod váhou. |
Kádinka na pomocnou kapalinu stojí na váze. |
Skleněná kádinka definovaného objemu. |
Technologie oscilačních trubek |
| Vhodné pro |
|
|
|
|
| Výhody |
|
|
|
|
| Nevýhody |
|
|
|
|
Pokud znáte hmotnost a objem vzorku (pevných látek nebo kapalin), lze jeho hustotu vypočítat z:
Výpočet hustoty podle hmotnosti a objemu
Potíž s objemem
Přesné vážení vzorku je poměrně jednoduché, ale přesné určení objemu vzorku může být náročné.
Vztlak
Metoda vztlaku se vyhýbá problému s určením objemu, protože zahrnuje dvojí vážení vzorku ve dvou různých médiích (vzduch a kapalina). Lze tedy předpokládat, že objem je v obou situacích konstantní.
Přemístění
Při nejjednodušším použití metody přemístění se objem pevného vzorku určuje pozorováním zvýšení hladiny kapaliny, do které je vzorek ponořen.
Naopak, když je předmět se známým objemem ponořen do kapaliny s neznámou hustotou, rozdíl v hmotnostních hodnotách (ve vzduchu a v kapalině) lze použít k určení hustoty kapaliny.
Pyknometr
Pyknometr je speciálně navržená skleněná baňka, obvykle s definovaným objemem. Nejčastěji se používá ke stanovení hustoty kapalin. Pyknometr se nejprve zváží prázdný a poté se naplní zkoumanou kapalinou. Rozdíl (tj. hmotnost vzorku) dělený objemem pyknometru je hustota vzorku.
Pyknometrickou metodu lze také použít pro stanovení hustoty práškových vzorků nebo granulátů.
Digitální hustoměr
Dutá skleněná trubice vibruje na určité frekvenci. Frekvence se mění, když je zkumavka naplněna různými látkami: čím vyšší je hmotnost vzorku, tím nižší je frekvence. Digitální hustoměry fungují tak, že měří frekvenci a převádí ji na hustotu.
V níže uvedené tabulce naleznete srovnání těchto čtyř různých metod.
| Gravimetrické - vztlakové | Gravimetrické - s posunem | Pyknometr | Digitální hustoměr | |
| Metody |  Kádinka na pomocnou kapalinu stojí na plošině nebo pod váhou. |  Kádinka na pomocnou kapalinu stojí na váze. |  Skleněná kádinka definovaného objemu. |  Technologie oscilačních trubek |
| Vhodné pro |
|
|
|
|
| Princip měření pro Solidní vzorek |
Vzorek se zváží jednou na vzduchu a jednou se ponoří do pomocné kapaliny se známou hustotou. Hustotu pevného vzorku lze určit ze známé hustoty kapaliny a dvou hmotnostních hodnot.  ρ,= Hustota vzorku A,= hmotnost vzorku na vzduchu B,= hmotnost vzorku v pomocné kapalině ρ0,= Hustota pomocné kapaliny ρL,= hustota vzduchu
| Pomocná kapalina se známou hustotou se zváží před a po ponoření vzorku (táru lze použít k přímému měření hmotnostního rozdílu). Pomocí hmotnostního rozdílu a hustoty kapaliny lze určit objem vzorku. To se pak použije spolu s hmotností vzorku k výpočtu jeho hustoty. | Pyknometr se nejprve zváží prázdný a poté se znovu naplní referenční kapalinou o známé hustotě. Prášek se přidá do vyčištěného a vysušeného pyknometru. Zváží se pro stanovení hmotnosti vzorku prášku. Pyknometr se poté doplní stejnou kapalinou, ve které musí být prášek zcela nerozpustný. Pyknometr se znovu zváží. Poté lze určit hmotnost vytlačené kapaliny, a tím vypočítat hustotu prášku. | Není k dispozici |
| Princip měření pro kapalný vzorek | Referenční těleso se známým objemem (skleněná platina) se zváží jednou na vzduchu a jednou v kapalině s neznámou hustotou. | Hmotnost kapaliny s neznámou hustotou se měří před (tára) a po ponoření referenčního tělesa (gama koule nebo skleněná platina). Pomocí hmotnostního rozdílu a známého objemu referenčního tělesa lze určit hustotu kapalného vzorku. | Pyknometr se nejprve zváží prázdný a poté se znovu naplní kapalným vzorkem. Hmotnostní rozdíl dělený objemem pyknometru je hustota kapaliny. | Vzorek se přidá do duté skleněné trubice ve tvaru písmene U v zařízení. Hustota vzorku se určuje měřením frekvence vibrací trubice. Čím nižší je frekvence vibrací, tím vyšší je hustota vzorku. |
Pokud vás zajímá více než jen hustota, digitální hustoměry měří hustotu, měrnou hmotnost a další související atributy kapalných vzorků (tj. alkohol%, BRIX°, stupně API) s vysokou přesností a krátkou dobou měření.
Pro stanovení hustoty ve vzorcích pevných látek existuje mnoho standardů a norem. Některé z nejčastěji používaných jsou:
Norma ISO 1183-1 specifikuje použití analytické váhy na 4 desetinná místa.
Objemová hmotnost je měřítkem toho, kolik částic, dílů nebo kusů je obsaženo v měřeném objemu. Objemová hmotnost není vlastností samotného materiálu. Objemová hmotnost zahrnuje prostory mezi částicemi nebo předměty a také případné mezery v samotných předmětech. Objemová hmotnost se může lišit v závislosti na způsobu manipulace s materiálem. Například protřepání nádoby umožňuje usazování dílů, čímž se zvyšuje celková objemová hmotnost.
Měření hustoty je nesmírně důležitým parametrem kvality surovin i hotových výrobků. Chápeme, že existuje mnoho faktorů, které je třeba vzít v úvahu, aby byly zajištěny přesné výsledky hustoty. Pokud potřebujete pomoc se stanovením hustoty nebo chcete poradit, jakou váhu nebo sadu pro stanovení hustoty si koupit, náš tým odborníků je tu, aby vám pomohl.
Neváhejte se na nás obrátit s žádostí o pomoc.
Bubliny
Zdaleka největším zdrojem chyb při měření hustoty je omezená smáčivost vzorku. Když je vzorek ponořen do kapaliny, je důležité, aby byly odstraněny všechny bubliny ulpívající na vzorku a zařízení. Jakékoli zbývající bubliny způsobí vztlakový efekt a zkreslí výpočet hustoty. (Bublina o průměru 1 mm způsobuje vztlak 0,5 mg.) Doporučujeme:
Teplota
Pevné látky jsou obecně tak necitlivé na kolísání okolní teploty, že odpovídající změny hustoty nemají žádný význam. Protože se však stanovení hustoty provádí pomocí pomocné kapaliny, je třeba vzít v úvahu teplotu. Teplota má větší vliv na kapaliny a způsobuje změny hustoty řádově 0,1 až 1 ‰ na °C.
Tento efekt je patrný již na třetím desetinném místě výsledku. Pro získání přesných výsledků doporučujeme při všech stanovení hustoty vždy vzít v úvahu teplotu pomocné kapaliny. Hodnoty jsou k dispozici ve vyhrazených knihách tabulek. Hustoty nejdůležitějších referenčních kapalin (H2Oa ethanol) jsou uloženy v váze.
Vážení
Jak bylo uvedeno výše, vážení hraje důležitou roli při přesném stanovení hustoty, takže je důležité, aby použitá váha splňovala potřeby aplikace s vysokou hustotou. U malých vzorků je třeba vzít v úvahu minimální čistou hmotnost vzorku váhy – u vážení vzorku pod touto hmotností nelze považovat požadovanou úroveň přesnosti.
Zpracování dat
Ruční přepis dat vzorků, hodnot hmotnosti a výpočtů hustoty je časově náročný a náchylný k chybám.
Většinu analytických a přesných vah METTLER TOLEDO s odečitatelností 1 mg nebo vyšší lze snadno použít ke stanovení hustoty pomocí vztlakové techniky s použitím soupravy pro měření hustoty, která se na váhu namontuje v několika jednoduchých krocích.
Měření hustoty pevných látek pomocí váhy je snadný a pohodlný proces, který poskytuje vysoce spolehlivé výsledky ve srovnání s jinými metodami, při nichž se objem dílu určuje nezávisle na hmotnosti. Přestavbou standardní laboratorní váhy s přidáním soupravy pro měření hustoty se vyhnete nutnosti kupovat speciální zařízení k provedení tohoto jednoduchého postupu. Díky tomu je nákup příslušenství Density Kit velmi nákladově efektivní investicí. S přidáním skleněné platiny o známém objemu lze soupravu Density Kit použít také ke stanovení hustoty kapalných vzorků.
Vestavěná aplikace poskytuje podrobné pokyny, které usnadňují použití i neškoleným operátorům. Další výhody plynou:
Měření hustoty objemných vzorků
U objemných vzorků, které se nevejdou do soupravy pro měření hustoty, lze přesné váhy METTLER TOLEDO s odečitatelností 0,1 g a 0,01 g převést na váhu pod váhou přidáním speciálního háčku. Princip měření hustoty je naprosto stejný; Vzorek se zváží na vzduchu a znovu v referenční kapalině.
Kombinace váhy METTLER TOLEDO Excellence a softwaru LabX nabízí vyšší úroveň správy dat a zabezpečení procesů. Analytické a přesné váhy řady Excellence lze sestavit pomocí soupravy pro stanovení hustoty.
Software LabX zajišťuje přesné dodržování SOP pro měření hustoty. Software LabX zaznamenává všechny hodnoty hmotnosti, provádí všechny výpočty a všechny výsledky bezpečně ukládá do centrální databáze. Všechna data související s vaší aplikací pro správu dat lze přenést přímo do vašeho interního systému správy dat.
Stanovení hustoty v plastu je nezbytné pro konzistentní kvalitu plastu. Aplikační poznámka popisuje, jak lze snadno určit hustotu pevných plastových dílů pomocí integrované aplikace na analytických vahách METTLER TOLEDO MX, MR nebo MA se sadou pro měření hustoty.
Nejlepšími postupy pro stanovení hustoty pevných látek jsou metody vztlaku a posunutí, které jsou založeny na Archimédově principu. Předpokladem pro tyto metody je použití kapaliny se známou hustotou, která nereaguje s materiálem vzorku, ale důkladně jej navlhčí. Do kapaliny lze přidat smáčedlo.
Integrovaná aplikace pro vyvážení poskytuje pokyny krok za krokem. Váhy na úrovni Excellence mají pracovní postupy pro pět různých metod stanovení hustoty.
Ve spojení se sadou pro měření hustoty umožňuje volitelná skleněná platina o objemu 10 ml určit hustotu kapalin. K výpočtu hustoty se používá rozdíl hmotnosti ponoru ve vzduchu a v kapalině. Alternativně lze použít pyknometr nebo digitální hustoměr .
Vážicí koš na soupravě pro měření hustoty lze obrátit tak, aby lehčí vzorky zůstaly pod kapalinou a nemohly vyplavat na hladinu. Pokud zjistíte, že vztlaková síla je větší než u koše zařízení, umístěte další závaží na horní vážicí misku soupravy pro měření hustoty a spusťte postup stanovení hustoty. Případně použijte jinou referenční kapalinu s nižší hustotou.
Do referenční kapaliny se přidá několik kapek smáčedla. Nechte jej stát přes noc, aby se uvolnil veškerý rozpuštěný plyn. Pomocí měkkého štětce setřete bubliny ze vzorku a sady pro měření hustoty.
Přesnost měření hustoty je ovlivněna tolerancí metody (vzduchové bubliny atd.) a měřením teploty, stejně jako přesností měření hmotnosti. Každé měření na JAKÉKOLI váze podléhá nejistotě. Pochopení této nejistoty je klíčem k zajištění přesných výsledků vážení. Přesnost váhy neurčuje odečitatelnost, ale spíše její opakovatelnost a minimální čistá hmotnost vzorku.
Abyste našli vhodnou váhu pro své potřeby, musíte vědět, jaké nejmenší množství váhy chcete vážit a jak přesně ho potřebujete vážit (tj. s jakou tolerancí).
Globální váhový standard METTLER TOLEDO GWP® vám pomůže vybrat tu správnou váhu, která splní požadavky vaší aplikace. Požádejte svého místního zástupce o doporučení volného zůstatku. Zjistěte, zda vaše stávající váha splňuje vaše požadavky na kvalitu.
Shoda s normou ISO 1183-1 vyžaduje váhu s odečitatelností 0,1 mg nebo méně a specifikuje, že vzorek by měl mít pokud možno hmotnost alespoň 1 g. Vážení vzorků o hmotnosti alespoň 1 g na váze s odečitatelností 0,1 mg obecně neporuší požadavek váhy na minimální čistou hmotnost vzorku. Požadovaná přesnost vyvážení by však měla být brána v úvahu ve spojení s požadovanou procesní tolerancí. Naše bezplatná služba doporučení GWP® vám pomůže vybrat správnou rovnováhu pro vaše konkrétní potřeby.
Proces měření hustoty má několik kroků a někdy je třeba chvíli počkat, než se rovnováha ustálí, takže se můžete snadno ztratit, zejména když jste zaneprázdněni více úkoly. Integrovaná aplikace pro vyvážení poskytuje pokyny krok za krokem. Každý pokyn potvrdíte stiskem tlačítka OK, takže vždy víte, kde se nacházíte.
Připojte k váze čtečku čárových kódů a umožněte přímé a bezchybné načtení metadat, jako je ID vzorku, číslo šarže a číslo objednávky atd. U tiskáren řady METTLER TOLEDO P-50 lze vedle výsledků vytisknout i metadata a datum a čas měření.
Potřebujete-li provést řadu stanovení hustoty, možnost statistik na vahách METTLER TOLEDO vám umožní rychle identifikovat trendy ve vašich datech a v případě potřeby vám pomůže při rozhodování o dalším postupu.
Váhy XPE, XSE, MS-TS, ML-T a ME-T mají vestavěnou databázi hustoty pro nejčastěji používané referenční kapaliny. Hodnota hustoty se upraví podle zadané teploty.
Aplikace hustoty na vahách XPE, XSE a MS-TS provede všechny výpočty za vás. Stačí zadat teplotu a vybrat použitou referenční kapalinu. Váha zaznamenává hodnoty hmotnosti a automaticky vypočítává hustotu.
Aplikace hustoty na vahách MS-TS, ML-T a ME-T vám umožňuje vytvořit zprávu o sériích stanovení hustoty, kterou si můžete vytisknout nebo uložit na USB flash disk. Váhy XPE a XSE v kombinaci se softwarem LabX nabízejí vyšší stupeň přizpůsobení protokolů pomocí grafů a tabulek a zprávy lze odeslat přímo do systémů LIMS nebo EPR.
