Die Messung der Dichte einer Probe ist ein wichtiger Qualitätsparameter sowohl von Rohstoffen als auch von Endprodukten. Verschiedene Techniken ermöglichen es, die Dichte von festen, viskosen und flüssigen Materialien genau zu bestimmen, z. B. Metalle, Kunststoffe, Chemikalien, Schmierstoffe und Lebensmittel.
Dichte für die Qualitätskontrolle
Eine Abweichung in einem Rohstoff, die sich durch eine Änderung der Dichte zeigt, kann sich nachteilig auf die Funktion oder Qualität des Endprodukts auswirken. Die Dichtemessung von Rohstoffen kann verwendet werden, um die Reinheit des Materials zu bestätigen. Wenn ein Stoff mit einer billigeren Alternative verfälscht wurde, unterscheidet sich die gemessene Dichte des Verbundwerkstoffs von der des reinen Stoffes.
Die Dichte kann auch verwendet werden, um die Homogenität zu gewährleisten. Wenn ein gefertigtes Teil nicht homogen ist, können wichtige Leistungsmerkmale wie Festigkeit und Rissbeständigkeit beeinträchtigt werden. Zum Beispiel kann eine interne Luftblase letztendlich dazu führen, dass ein Teil versagt, wenn es belastet wird. Die Stichprobenentnahme von Teilen ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die laufende Qualität zu überwachen.
Warum genaues Wägen entscheidend ist
Gängige gravimetrische Verfahren im Labor zur Bestimmung der Dichte sind die Auftriebstechnik, das Verdrängungsprinzip und die Pyknometermethode.
Die am weitesten verbreitete Methode ist die Auftriebstechnik, die das archimedische Prinzip nutzt: Ein Körper, der in Flüssigkeit eingetaucht ist, zeigt einen scheinbaren Gewichtsverlust an, der dem Gewicht der Flüssigkeit entspricht, die er verdrängt. Dieses uralte Prinzip aus der Zeit um 200 v. Chr. wird heute genau zur gravimetrischen Bestimmung der Dichte verwendet. Eine genaue Dichtemessung hängt daher in hohem Maße von genauen Gewichtswerten ab. Zum Beispiel enthält Blut natürliche Puffer, um einen stabilen pH-Wert zwischen 7,35 und 7,45 zu halten, damit unsere Enzyme richtig funktionieren. Da die Enzymaktivität mit dem pH-Wert variiert, ist die Aufrechterhaltung eines konstanten pH-Werts bei biochemischen Assays unerlässlich, um sicherzustellen, dass das richtige Aktivitätsniveau beobachtet wird. In kommerziellen Anwendungen finden sich Puffer in Shampoos, um Hautreizungen zu verhindern, in Babylotionen, um das Wachstum von Bakterien zu hemmen, und in Kontaktlinsenlösungen, um sicherzustellen, dass der pH-Wert der Flüssigkeit mit dem des Auges kompatibel bleibt.
Die Vorbereitung von Puffern besteht aus mehreren Schritten: Einwägen der Komponenten, Auflösen der Komponenten, Einstellen des pH-Werts und Nachfüllen auf das endgültige Volumen. Da das Verhältnis von Säure zu Base in einem Puffer in direktem Zusammenhang mit dem endgültigen pH-Wert steht, ist es wichtig, die Komponenten mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu wägen. Daher ist es wichtig, dass die verwendeten Geräte (Waage, Pipetten und pH-Meter) ordnungsgemäß kalibriert sind und eine ausreichende Genauigkeit aufweisen.
Sehen Sie sich an, wie einfach es ist, die Dichte auf Ihrer Laborwaage von METTLER TOLEDO zu messen. Mit dem Dichte-Kit können Sie die Dichte von festen, flüssigen, porösen und viskosen Substanzen bestimmen. Mit Schritt-für-Schritt-Anleitungen und automatischen Berechnungen ist der gesamte Prozess einfach.
Auftriebsmethode - Das Archimedische Prinzip in Aktion
Das archimedische Prinzip besagt, dass ein Körper, der teilweise oder vollständig in Flüssigkeit eingetaucht ist, eine Auftriebskraft erfährt, die nach oben auf ihn wirkt. Die Größe dieser Kraft entspricht dem Gewicht der Flüssigkeit, die vom Körper verdrängt wird.
Der Feststoff wird in Luft (A) und dann wieder (B) in der Hilfsflüssigkeit mit bekannter Dichte gewogen. Die Dichte des Festkörpers ρ kann wie folgt berechnet werden:
ρ = Dichte der Probe
A = Gewicht der Probe in Luft
B = Gewicht der Probe in der Hilfsflüssigkeit
ρ0 = Dichte der Hilfsflüssigkeit
ρL = Dichte der Luft
Dabei muss die Temperatur der Flüssigkeit berücksichtigt werden, da dies zu Dichteänderungen in der Größenordnung von 0,001 bis 0,1 pro °C führen kann, deren Auswirkung in der dritten Nachkommastelle des Ergebnisses zu sehen ist.
| Gravimetrisch, Auftrieb | Gravimetrisch, Verschiebung | Pyknometer | Digitales Dichtemessgerät | |
| Methodik |
Becher für Hilfsflüssigkeit steht auf einer Plattform oder unterhalb der Waage. |
Becher für Hilfsflüssigkeit steht auf der Waage. |
Glasbecher mit definiertem Volumen. |
Oszillierende Rohrtechnik |
| Geeignet für |
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| Vorteile |
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Wenn Sie die Masse und das Volumen einer Probe (Feststoffe oder Flüssigkeiten) kennen, kann ihre Dichte berechnet werden aus:
Die Schwierigkeit mit dem Volumen
Es ist recht einfach, eine Probe genau zu wiegen, aber die genaue Bestimmung des Volumens einer Probe kann eine Herausforderung sein.
Auftrieb
Die Auftriebsmethode vermeidet das Problem der Volumenbestimmung, da die Probe zweimal in zwei verschiedenen Medien (Luft und Flüssigkeit) gewogen wird. Es kann also davon ausgegangen werden, dass das Volumen in beiden Situationen konstant ist.
Verschiebung
Bei der einfachsten Anwendung des Verdrängungsverfahrens wird das Volumen einer festen Probe bestimmt, indem die Erhöhung des Füllstands der Flüssigkeit, in die die Probe eingetaucht wird, beobachtet wird.
Umgekehrt, wenn ein Objekt mit bekanntem Volumen in eine Flüssigkeit mit unbekannter Dichte getaucht wird, kann die Differenz der Gewichtswerte (in Luft und in der Flüssigkeit) zur Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit verwendet werden.
Pyknometer
Ein Pyknometer ist ein speziell entwickelter Glaskolben, in der Regel mit einem definierten Volumen. Es wird am häufigsten verwendet, um die Dichte von Flüssigkeiten zu bestimmen. Das Pyknometer wird zunächst leer gewogen und dann mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gefüllt. Die Differenz (d.h. die Masse der Probe) geteilt durch das Volumen des Pyknometers ist die Dichte der Probe.
Das Pyknometerverfahren kann auch zur Bestimmung der Dichte von Pulverproben oder Granulaten verwendet werden.
Digitales Dichtemessgerät
Ein hohles Glasrohr schwingt mit einer bestimmten Frequenz. Die Frequenz ändert sich, wenn das Röhrchen mit unterschiedlichen Substanzen gefüllt wird: Je höher die Masse der Probe, desto niedriger die Frequenz. Digitale Dichtemessgeräte messen, indem sie die Frequenz messen und in Dichte umwandeln.
In der folgenden Tabelle finden Sie einen Vergleich dieser vier verschiedenen Methoden.
| Gravimetrisch, Auftrieb | Gravimetrisch, Verschiebung | Pyknometer | Digitales Dichtemessgerät | |
| Methodik |  Becher für Hilfsflüssigkeit steht auf einer Plattform oder unterhalb der Waage. |  Becher für Hilfsflüssigkeit steht auf der Waage. |  Glasbecher mit definiertem Volumen. |  Oszillierende Rohrtechnik |
| Geeignet für |
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| Messprinzip für eine feste Probe |
Die Probe wird einmal an der Luft gewogen und einmal in die Hilfsflüssigkeit mit bekannter Dichte getaucht. Die Dichte der festen Probe kann aus der bekannten Dichte der Flüssigkeit und den beiden Massenwerten bestimmt werden.  ρ,= Dichte der Probe A,= Gewicht der Probe in Luft B,= Gewicht der Probe in der Hilfsflüssigkeit ρ0,= Dichte der Hilfsflüssigkeit ρL,= Dichte der Luft
| Die Hilfsflüssigkeit mit bekannter Dichte wird vor und nach dem Eintauchen der Probe gewogen (Tara kann zur direkten Messung der Massendifferenz verwendet werden). Anhand der Massendifferenz und der Flüssigkeitsdichte kann das Volumen der Probe bestimmt werden. Diese wird dann zusammen mit der Masse der Probe verwendet, um ihre Dichte zu berechnen. | Das Pyknometer wird zunächst leer und dann wieder voll mit der Referenzflüssigkeit bekannter Dichte gewogen. Das Pulver wird in das gereinigte und getrocknete Pyknometer gegeben. Es wird gewogen, um das Gewicht der Pulverprobe zu bestimmen. Das Pyknometer wird dann mit der gleichen Flüssigkeit aufgefüllt, in der das Pulver vollständig unlöslich sein muss. Das Pyknometer wird erneut gewogen. Anschließend kann das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit bestimmt und damit die Dichte des Pulvers berechnet werden. | n/a |
| Messprinzip für eine flüssige Probe | Der Referenzkörper mit bekanntem Volumen (Glassinker) wird einmal in Luft und einmal in der Flüssigkeit mit unbekannter Dichte gewogen. | Das Gewicht der Flüssigkeit mit der unbekannten Dichte wird vor (Tara) und nach dem Eintauchen des Referenzkörpers (Gammakugel oder Glassinker) gemessen. Anhand der Massendifferenz und des bekannten Volumens des Referenzkörpers kann die Dichte der flüssigen Probe bestimmt werden. | Das Pyknometer wird zuerst leer und dann wieder voll mit der flüssigen Probe gewogen. Die Massendifferenz geteilt durch das Volumen des Pyknometers ist die Dichte der Flüssigkeit. | Die Probe wird in ein U-förmiges hohles Glasrohr im Gerät gegeben. Die Dichte der Probe wird durch Messung der Schwingungsfrequenz des Rohres bestimmt. Je niedriger die Schwingungsfrequenz, desto höher die Dichte der Probe. |
Wenn mehr als nur die Dichte von Interesse ist, messen digitale Dichtemessgeräte die Dichte, das spezifische Gewicht und andere verwandte Attribute von flüssigen Proben (z. B. Alkohol%, BRIX°, API-Grad) mit hoher Präzision und kurzer Messzeit.
Für die Bestimmung der Dichte in Feststoffproben gibt es viele Standards und Normen. Einige der am häufigsten verwendeten sind:
Die ISO 1183-1 legt die Verwendung einer Analysenwaage mit 4 Dezimalstellen fest.
Die Schüttdichte ist ein Maß dafür, wie viele Partikel, Teile oder Stücke in einem gemessenen Volumen enthalten sind. Die Schüttdichte ist keine Eigenschaft des Materials selbst. Die Schüttdichte umfasst die Zwischenräume zwischen den Partikeln oder Gegenständen sowie alle Hohlräume in den Partikeln selbst. Die Schüttdichte kann variieren, je nachdem, wie das Material gehandhabt wird. Durch das Schütteln eines Behälters können sich beispielsweise Teile absetzen, wodurch die Gesamtschüttdichte erhöht wird.
Die Messung der Dichte ist ein äußerst wichtiger Qualitätsparameter sowohl von Rohstoffen als auch von Fertigprodukten. Wir wissen, dass es viele Faktoren gibt, die berücksichtigt werden müssen, um genaue Dichteergebnisse zu gewährleisten. Wenn Sie Unterstützung bei der Dichtebestimmung benötigen oder eine Beratung zum Kauf einer Waage oder eines Dichte-Kits wünschen, hilft Ihnen unser Expertenteam gerne weiter.
Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren, um Unterstützung zu erhalten.
Blasen
Die mit Abstand größte Fehlerquelle bei der Dichtemessung ist die eingeschränkte Benetzbarkeit der Probe. Wenn die Probe in Flüssigkeit getaucht wird, ist es entscheidend, dass alle Blasen, die an der Probe und dem Gerät haften, entfernt werden. Verbleibende Blasen verursachen einen Auftriebseffekt und verzerren die Dichteberechnung. (Eine Blase mit einem Durchmesser von 1 mm bewirkt einen Auftrieb von 0,5 mg.) Wir empfehlen:
Temperatur
Feststoffe sind in der Regel so unempfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur, dass die entsprechenden Dichteänderungen keine Rolle spielen. Da die Dichtebestimmung jedoch mit einer Hilfsflüssigkeit durchgeführt wird, muss die Temperatur berücksichtigt werden. Bei Flüssigkeiten hat die Temperatur einen größeren Einfluss und verursacht Dichteänderungen in der Größenordnung von 0,1 bis 1 ‰ pro °C.
Dieser Effekt zeigt sich bereits in der dritten Nachkommastelle des Ergebnisses. Um genaue Ergebnisse zu erhalten, empfehlen wir, bei allen Dichtebestimmungen immer die Temperatur der Hilfsflüssigkeit zu berücksichtigen. Die Werte sind in speziellen Tabellenbüchern verfügbar. In der Waage werden die Dichten der wichtigsten Referenzflüssigkeiten (H2Ound Ethanol) gespeichert.
Wägen
Wie oben erwähnt, spielt das Wägen eine wichtige Rolle bei der genauen Bestimmung der Dichte, daher ist es entscheidend, dass die verwendete Waage den Anforderungen der Dichteanwendung entspricht. Bei kleinen Proben muss das minimale Nettoprobengewicht der Waage berücksichtigt werden – beim Wägen einer Probe unter diesem Gewicht kann nicht darauf geachtet werden, dass sie das erforderliche Maß an Genauigkeit aufweist.
Datenverarbeitung
Die manuelle Transkription von Probendaten, Gewichtswerten und Dichteberechnungen ist zeitaufwändig und fehleranfällig.
Die meisten Analysen- und Präzisionswaagen von METTLER TOLEDO mit einer Ablesbarkeit von 1 mg oder höher können mithilfe der Auftriebstechnik mit Hilfe eines Dichtekits, das in wenigen einfachen Schritten an der Waage montiert wird, zur Bestimmung der Dichte verwendet werden.
Die Messung der Dichte von Feststoffen mit einer Waage ist ein einfaches und bequemes Verfahren, das im Vergleich zu anderen Methoden, bei denen das Volumen des Teils unabhängig vom Gewicht bestimmt wird, äußerst zuverlässige Ergebnisse liefert. Durch den Umbau einer Standard-Laborwaage durch die Hinzufügung eines Dichte-Kits vermeiden Sie die Notwendigkeit, ein spezielles Gerät zu kaufen, um dieses unkomplizierte Verfahren durchzuführen. Dies macht die Anschaffung des Density Kit Zubehörs zu einer sehr kostengünstigen Investition. Mit der Hinzufügung eines Glassinkers mit bekanntem Volumen kann das Density Kit auch zur Bestimmung der Dichte von flüssigen Proben verwendet werden.
Die integrierte Density-Anwendung bietet Schritt-für-Schritt-Anweisungen, die auch ungeschulten Bedienern die Verwendung erleichtern. Profitieren Sie weiter von:
Messen Sie die Dichte von sperrigen Proben
Für sperrige Proben, die nicht in das Density Kit passen, können Präzisionswaagen von METTLER TOLEDO mit einer Ablesbarkeit von 0,1 g und 0,01 g durch Hinzufügen eines speziellen Hakens so umgerüstet werden, dass sie unter der Waage wägen. Das Prinzip der Dichtemessung ist genau dasselbe; Die Probe wird an der Luft und erneut in einer Referenzflüssigkeit gewogen.
Die Kombination aus einer Excellence-Waage von METTLER TOLEDO und der LabX-Software bietet ein höheres Maß an Datenmanagement und Prozesssicherheit. Excellence-Analysen- und Präzisionswaagen können mit einem Dichte-Kit zur Dichtebestimmung eingerichtet werden. LabX stellt sicher, dass Ihre Dichte-SOP genau eingehalten wird. LabX zeichnet alle Gewichtswerte auf, führt alle Berechnungen durch und speichert alle Ergebnisse sicher in einer zentralen Datenbank. Alle Daten, die sich auf Ihre Dichteanwendung beziehen, können direkt in Ihr internes Datenmanagementsystem übertragen werden.
Die Bestimmung der Dichte in Kunststoffen ist für eine gleichbleibende Kunststoffqualität unerlässlich. Die Application Note beschreibt, wie die Dichte von festen Kunststoffteilen mit der integrierten Anwendung auf einer METTLER TOLEDO MX-, MR- oder MA-Analysenwaage mit einem Density Kit einfach bestimmt werden kann.
Die besten Verfahren zur Dichtebestimmung von Festkörpern sind die Auftriebs- und Verdrängungsmethoden, die beide auf dem Archimedischen Prinzip basieren. Voraussetzung für diese Methoden ist die Verwendung einer Flüssigkeit mit bekannter Dichte, die nicht mit dem Probenmaterial reagiert, sondern dieses gründlich benetzt. Der Flüssigkeit kann ein Netzmittel zugesetzt werden.
Die integrierte Waagenanwendung bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung. Excellence-Level-Waagen verfügen über Arbeitsabläufe für 5 verschiedene Methoden zur Bestimmung der Dichte. Salden der Advanced- und Standard-Stufe haben Workflows für 2.
In Verbindung mit dem Density Kit ermöglicht Ihnen der optionale 10 mL Glassinker die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten. Zur Berechnung der Dichte wird die Differenz des Gewichts des Senkbleis in der Luft und in der Flüssigkeit verwendet. Alternativ kann ein Pyknometer oder ein digitales Dichtemessgerät verwendet werden.
Der Wägekorb des Density Kits kann umgedreht werden, so dass leichtere Proben unter der Flüssigkeit gehalten werden und nicht an die Oberfläche schwimmen können. Wenn Sie feststellen, dass die Auftriebskraft größer ist als die des Korbgeräts, platzieren Sie ein zusätzliches Gewicht auf der oberen Waagschale des Density Kits und starten Sie den Dichtebestimmungsvorgang neu. Alternativ können Sie eine andere Referenzflüssigkeit mit geringerer Dichte verwenden.
Geben Sie ein paar Tropfen Netzmittel in die Referenzflüssigkeit. Lassen Sie es über Nacht stehen, um gelöstes Gas freizusetzen. Verwenden Sie einen weichen Pinsel, um die Blasen von der Probe und dem Density Kit abzubürsten.
Die Genauigkeit der Dichtemessung wird durch die Toleranz der Methode (Luftblasen etc.) und der Temperaturmessung sowie durch die Genauigkeit der Gewichtsmessungen beeinflusst. Jede Messung an JEDER Waage ist mit Unsicherheiten behaftet. Das Verständnis dieser Unsicherheit ist der Schlüssel zur Gewährleistung präziser Wägeergebnisse. Nicht die Ablesbarkeit entscheidet über die Genauigkeit einer Waage, sondern ihre Wiederholgenauigkeit und das minimale Nettoprobengewicht.
Um die passende Waage für Ihre Bedürfnisse zu finden, müssen Sie wissen, welche kleinste Menge Sie wiegen möchten und wie genau Sie sie wägen müssen (d. h. mit welcher Toleranz).
GWP® , der globale Wägestandard von METTLER TOLEDO, hilft Ihnen bei der Auswahl der richtigen Waage für Ihre Anwendungsanforderungen. Fragen Sie Ihren lokalen Vertreter nach einer kostenlosen Saldoempfehlung. Stellen Sie fest, ob Ihre vorhandene Waage Ihren Qualitätsanforderungen entspricht.
Die Einhaltung der ISO 1183-1 erfordert eine Waage mit einer Ablesbarkeit von 0,1 mg oder weniger und legt fest, dass die Probe vorzugsweise eine Masse von mindestens 1 g haben sollte. Das Wägen von Proben von mindestens 1 g auf einer Waage mit einer Ablesbarkeit von 0,1 mg verstößt im Allgemeinen nicht gegen das Mindestnettoprobengewicht der Waage. Die erforderliche Wuchtgenauigkeit sollte jedoch in Verbindung mit Ihrer erforderlichen Prozesstoleranz betrachtet werden. Unser kostenloser GWP-Empfehlungsservice® kann Ihnen helfen, die richtige Waage für Ihre spezifischen Bedürfnisse auszuwählen.
Der Prozess der Dichtemessung besteht aus mehreren Schritten, und manchmal müssen Sie eine Weile warten, bis sich das Gleichgewicht einpendelt, sodass es leicht passieren kann, dass es sich verirrt, insbesondere wenn Sie mit mehreren Aufgaben beschäftigt sind. Die integrierte Waagenanwendung bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung. Sie bestätigen jede Anweisung mit der OK-Taste, so dass Sie immer wissen, wo Sie sich befinden.
Schließen Sie einen Barcode-Leser an Ihre Waage an, um Metadaten wie Proben-ID, Chargennummer, Bestellnummer etc. direkt und fehlerfrei einlesen zu können. Mit der P-50-Druckerlinie von METTLER TOLEDO können die Metadaten sowie das Datum und die Uhrzeit der Messung zusammen mit den Ergebnissen ausgedruckt werden.
Wenn Sie eine Reihe von Dichtebestimmungen vornehmen müssen, können Sie mit der Statistikoption für METTLER TOLEDO-Waagen schnell Trends in Ihren Daten erkennen und gegebenenfalls Entscheidungen über eine Vorgehensweise treffen.
XPE-, XSE-, MS-TS-, ML-T- und ME-T-Waagen verfügen über eine integrierte Dichtedatenbank für die am häufigsten verwendeten Referenzflüssigkeiten. Der Dichtewert wird entsprechend der von Ihnen eingegebenen Temperatur angepasst.
Die Dichteanwendung für XPE-, XSE- und MS-TS-Waagen führt alle Berechnungen für Sie durch. Sie müssen nur die Temperatur eingeben und die verwendete Referenzflüssigkeit auswählen. Die Waage zeichnet die Gewichtswerte auf und berechnet die Dichte automatisch.
Die Dichteapplikation auf MS-TS-, ML-T- und ME-T-Waagen ermöglicht es Ihnen, einen Bericht über Ihre Dichtebestimmungsreihen zu erstellen, den Sie ausdrucken oder auf einem USB-Stick speichern können. XPE- und XSE-Salden in Kombination mit der LabX-Software bieten ein höheres Maß an Berichtsanpassung mit Grafiken und Diagrammen, und der Bericht kann direkt an Ihr LIMS oder EPR gesendet werden.
