La mesure de la masse volumique d’un échantillon est un paramètre de qualité important pour les matières premières et les produits finis. Diverses techniques permettent de déterminer avec précision la masse volumique des matériaux solides, visqueux et liquides, par exemple les métaux, les plastiques, les produits chimiques, les lubrifiants et les aliments.
Densité pour le contrôle de la qualité
Une variation d’une matière première, indiquée par un changement de densité, peut avoir un résultat préjudiciable sur le fonctionnement ou la qualité du produit final. La mesure de la masse volumique des matières premières peut être utilisée pour confirmer la pureté du matériau. Si une substance a été frelatée avec une alternative moins chère, la densité mesurée du matériau composite sera différente de celle de la substance pure.
La densité peut également être utilisée pour assurer l’homogénéité. Si une pièce fabriquée n’est pas homogène, des attributs de performance clés tels que la résistance aux fissures peuvent être affectés. Par exemple, une bulle d’air interne pourrait finalement provoquer la défaillance d’une pièce lorsqu’elle est soumise à des contraintes. L’échantillonnage aléatoire des pièces est un moyen simple et rentable de surveiller la qualité en continu.
Pourquoi un pesage précis est crucial
Les procédures gravimétriques courantes en laboratoire pour déterminer la masse volumique sont la technique de flottabilité, le principe de déplacement et la méthode du pycnomètre.
La méthode la plus utilisée est la technique de flottabilité qui utilise le principe d’Archimède : un corps immergé dans un fluide indique une perte apparente de poids égale au poids du fluide qu’il déplace. Ce principe ancien, datant d’environ 200 av. J.-C., est précisément ce qui est utilisé de nos jours pour déterminer la densité gravimétriquement. Une mesure précise de la masse volumique dépend donc fortement de valeurs de poids précises. Par exemple, le sang contient des tampons naturels pour maintenir un pH stable entre 7,35 et 7,45 afin que nos enzymes fonctionnent correctement. Comme l’activité enzymatique varie avec le pH, le maintien d’un pH constant est essentiel dans les essais biochimiques pour s’assurer que le bon niveau d’activité est observé. Dans les applications commerciales, on peut trouver des tampons dans les shampooings pour prévenir l’irritation de la peau, dans les lotions pour bébés pour inhiber la croissance des bactéries et dans les solutions pour lentilles de contact pour s’assurer que le niveau de pH du liquide reste compatible avec celui de l’œil.
La préparation des tampons se compose de plusieurs étapes : peser les composants, dissoudre les composants, ajuster le pH et réapprovisionner jusqu’au volume final. Comme le rapport acide/base dans un tampon est directement lié au pH final, il est essentiel de peser les composants avec un haut degré de précision. Il est donc important que l’équipement utilisé (balance, pipettes et pH-mètre) soit correctement calibré et ait une précision suffisante.
Découvrez à quel point il est simple de mesurer la masse volumique sur votre balance de laboratoire METTLER TOLEDO. Le kit de densité vous permet de déterminer la masse volumique des substances solides, liquides, poreuses et visqueuses. Grâce à des instructions étape par étape et à des calculs automatiques, l’ensemble du processus est facile.
Méthode de flottabilité - Le principe d’Archimède en action
Le principe d’Archimède stipule qu’un corps immergé partiellement ou totalement dans un fluide subit une force de flottaison agissant vers le haut. L’intensité de cette force est équivalente au poids du fluide déplacé par le corps.
Le solide est pesé à l’air (A) puis à nouveau (B) dans le liquide auxiliaire de densité connue. La masse volumique du solide ρ peut être calculée comme suit :
ρ = Masse volumique de l’échantillon
A = Poids de l’échantillon dans l’air
B = Poids de l’échantillon dans le liquide auxiliaire
ρ0 = Masse volumique du liquide auxiliaire
ρL = Masse volumique de l’air
La température du liquide doit être prise en compte car elle peut provoquer des changements de densité de l’ordre de grandeur de 0,001 à 0,1 par °C, dont l’effet peut être vu à la troisième décimale du résultat.
| Gravimétrique, Flottabilité | Gravimétrique, Déplacement | Pycnomètre | Densimètre numérique | |
| Méthode |
Le bécher pour liquide auxiliaire se trouve sur une plate-forme ou sous la balance. |
Un bécher pour liquide auxiliaire se trouve sur la balance. |
Bécher en verre de volume défini. |
Technologie des tubes oscillants |
| Convient pour |
|
|
|
|
| Avantages |
|
|
|
|
| Inconvénients |
|
|
|
|
Si vous connaissez la masse et le volume d’un échantillon (solides ou liquides), sa masse volumique peut être calculée à partir de :
La difficulté du volume
Il est assez simple de peser un échantillon avec précision, mais il peut être difficile de déterminer le volume d’un échantillon avec précision.
Flottabilité
La méthode de flottabilité évite le problème de la détermination du volume car elle implique de peser l’échantillon deux fois dans deux milieux différents (air et liquide). On peut donc supposer que le volume est constant dans les deux situations.
Déplacement
Dans l’application la plus simple de la méthode du déplacement, le volume d’un échantillon solide est déterminé en observant l’augmentation du niveau du liquide dans lequel l’échantillon est immergé.
À l’inverse, lorsqu’un objet de volume connu est immergé dans un liquide de densité inconnue, la différence des valeurs de poids (dans l’air et dans le liquide) peut être utilisée pour déterminer la masse volumique du liquide.
Pycnomètre
Un pycnomètre est une fiole en verre spécialement conçue, généralement avec un volume défini. Il est le plus souvent utilisé pour déterminer la densité des liquides. Le pycnomètre est d’abord pesé à vide, puis plein du liquide étudié. La différence (c’est-à-dire la masse de l’échantillon) divisée par le volume du pycnomètre est la densité de l’échantillon.
La méthode du pycnomètre peut également être utilisée pour déterminer la masse volumique d’échantillons de poudre ou de granulés.
Densimètre numérique
Un tube de verre creux vibre à une certaine fréquence. La fréquence change lorsque le tube est rempli de différentes substances : plus la masse de l’échantillon est élevée, plus la fréquence est basse. Les densimètres numériques fonctionnent en mesurant la fréquence et en la convertissant en densité.
Veuillez consulter le tableau ci-dessous pour une comparaison de ces quatre méthodes différentes.
| Gravimétrique, Flottabilité | Gravimétrique, Déplacement | Pycnomètre | Densimètre numérique | |
| Méthode |  Le Bécher pour liquide auxiliaire se trouve sur une plate-forme ou sous la balance. |  Un Bécher pour liquide auxiliaire se trouve sur la balance. |  Bécher en verre de volume défini. |  Technologie des tubes oscillants |
| Convient pour |
|
|
|
|
| Principe de mesure pour un échantillon solide |
L’échantillon est pesé une fois dans l’air et une fois immergé dans le liquide auxiliaire de densité connue. La masse volumique de l’échantillon solide peut être déterminée à partir de la masse volumique connue du liquide et des deux valeurs de masse.  ρ,= Masse volumique de l’échantillon A,= Poids de l’échantillon dans l’air B,= Poids de l’échantillon dans le liquide auxiliaire ρ0,= Masse volumique du liquide auxiliaire ρL,= Masse volumique de l’air
| Le liquide auxiliaire dont la densité est connue est pesé avant et après l’immersion de l’échantillon (la tare peut être utilisée pour mesurer directement la différence de masse). En utilisant la différence de masse et la densité du liquide, le volume de l’échantillon peut être déterminé. Celle-ci est ensuite utilisée avec la masse de l’échantillon pour calculer sa densité. | Le pycnomètre est d’abord pesé à vide, puis à nouveau plein avec le liquide de référence de densité connue. La poudre est ajoutée au pycnomètre nettoyé et séché. Il est pesé pour déterminer le poids de l’échantillon de poudre. Le pycnomètre est ensuite complété par le même liquide dans lequel la poudre doit être complètement insoluble. Le pycnomètre est pesé à nouveau. Le poids du liquide déplacé peut alors être déterminé, et donc la densité de la poudre calculée. | n/a |
| Principe de mesure pour un échantillon liquide | Le corps de référence dont le volume est connu (plomb en verre) est pesé une fois à l’air et une fois dans le liquide de densité inconnue. | Le poids du liquide de densité inconnue est mesuré avant (tare) et après immersion du corps de référence (sphère gamma ou plomb de verre). À l’aide de la différence de masse et du volume connu du corps de référence, la masse volumique de l’échantillon liquide peut être déterminée. | Le pycnomètre est d’abord pesé à vide, puis à nouveau plein avec l’échantillon liquide. La différence de masse divisée par le volume du pycnomètre est la masse volumique du liquide. | L’échantillon est ajouté à un tube de verre creux en forme de U dans l’appareil. La densité de l’échantillon est déterminée en mesurant la fréquence de vibration du tube. Plus la fréquence des vibrations est basse, plus la densité de l’échantillon est élevée. |
Si au-delà de la masse volumique est intéressante, les densimètres numériques mesurent la densité, la gravité spécifique et d’autres attributs connexes des échantillons de liquide (c’est-à-dire le % d’alcool, BRIX°, les degrés API) avec une grande précision et un temps de mesure court.
Il existe de nombreux standards et normes pour la détermination de la masse volumique dans les échantillons solides. Parmi les plus couramment utilisés, citons :
L’ISO 1183-1 spécifie l’utilisation d’une balance analytique à 4 décimales.
La masse volumique apparente est une mesure du nombre de particules, de parties ou de morceaux contenus dans un volume mesuré. La densité apparente n’est pas une propriété du matériau lui-même. La densité apparente comprend les espaces entre les particules ou les éléments, ainsi que les vides à l’intérieur des éléments eux-mêmes. La densité apparente peut varier en fonction de la façon dont le matériau est manipulé ; Secouer un récipient, par exemple, permet aux pièces de se déposer, ce qui augmente la densité apparente globale.
La mesure de la masse volumique est un paramètre de qualité extrêmement important, tant pour les matières premières que pour les produits finis. Nous comprenons qu’il existe de nombreux facteurs qui doivent être pris en compte pour garantir des résultats de densité précis. Si vous avez besoin d’aide pour déterminer la masse volumique ou si vous souhaitez obtenir des conseils sur la balance ou le kit de densité à acheter, notre équipe d’experts est là pour vous aider.
N’hésitez pas à nous contacter pour obtenir de l’aide.
Bulles
De loin, la plus grande source d’erreur dans la mesure de la masse volumique est la humectabilité limitée de l’échantillon. Lorsque l’échantillon est immergé dans un liquide, il est crucial que toutes les bulles adhérant à l’échantillon et à l’équipement soient éliminées. Toutes les bulles restantes provoqueront un effet de flottabilité et fausseront le calcul de la densité. (Une bulle de 1 mm de diamètre provoque une flottabilité de 0,5 mg.) Nous vous recommandons :
Température
Les solides sont généralement si insensibles aux fluctuations de la température ambiante que les changements de densité correspondants n’ont aucune conséquence. Cependant, comme la détermination de la masse volumique est effectuée avec un liquide auxiliaire, la température doit être prise en compte. La température a un effet plus important avec les liquides et provoque des changements de densité de l’ordre de grandeur de 0,1 à 1‰ par °C.
Cet effet est déjà visible à la troisième décimale du résultat. Pour obtenir des résultats précis, nous vous recommandons de toujours tenir compte de la température du liquide auxiliaire dans toutes les déterminations de la masse volumique. Les valeurs sont disponibles dans des carnets de tables dédiés. Les densités des liquides de référence les plus importants (H2O et éthanol) sont stockées dans la balance.
Pesée
Comme mentionné ci-dessus, le pesage joue un rôle important dans la détermination précise de la masse volumique, il est donc essentiel que la balance utilisée réponde aux besoins de l’application de masse volumique. Pour les petits échantillons, le poids net minimum de l’échantillon de la balance doit être pris en compte – le pesage d’un échantillon inférieur à ce poids n’est pas fiable pour avoir le niveau de précision requis.
Traitement des données
La transcription manuelle des données d’échantillons, des valeurs de poids et des calculs de masse volumique prend du temps et est sujette à des erreurs.
La plupart des balances analytiques et de précision METTLER TOLEDO avec une précision d’affichage de 1 mg ou plus peuvent être facilement utilisées pour déterminer la masse volumique via la technique de flottabilité à l’aide d’un kit de densité qui est monté sur la balance en quelques étapes simples.
La mesure de la masse volumique des solides à l’aide d’une balance est un processus facile et pratique qui fournit des résultats très fiables par rapport à d’autres méthodes dans lesquelles le volume de la pièce est déterminé indépendamment du poids. En convertissant une balance de laboratoire standard avec l’ajout d’un kit de densité, vous évitez d’avoir à acheter un équipement dédié pour effectuer cette procédure simple. L’achat de l’accessoire du kit de densité est donc un investissement très rentable. Avec l’ajout d’un plomb en verre de volume connu, le kit de densité peut également être utilisé pour déterminer la densité d’échantillons liquides.
L’application Density intégrée fournit des instructions étape par étape, ce qui la rend facile à utiliser, même pour les opérateurs non formés. Bénéficiez également des avantages suivants :
Mesurer la masse volumique d’échantillons encombrants
Pour les échantillons volumineux, qui ne rentrent pas dans le kit de densité, les balances de précision METTLER TOLEDO avec une précision d’affichage de 0,1 g et 0,01 g peuvent être converties pour peser en dessous de la balance grâce à l’ajout d’un crochet dédié. Le principe de mesure de la masse volumique est exactement le même ; L’échantillon est pesé à l’air et à nouveau dans un liquide de référence.
La combinaison d’une balance de niveau METTLER TOLEDO Excellence et du logiciel LabX offre un niveau supérieur de gestion des données et de sécurité des processus. Les balances analytiques et de précision Excellence peuvent être configurées avec un kit de masse volumique pour la détermination de la masse volumique. LabX s’assure que votre POS de densité est suivie avec précision. LabX enregistre toutes les valeurs de poids, effectue tous les calculs et enregistre tous les résultats en toute sécurité dans une base de données centrale. Toutes les données relatives à votre application de densité peuvent être transférées directement vers votre système interne de gestion des données.
La détermination de la masse volumique du plastique est essentielle pour une qualité constante du plastique. La note d’application décrit comment la masse volumique des pièces en plastique solide peut être facilement déterminée à l’aide de l’application intégrée sur une balance analytique METTLER TOLEDO MX, MR ou MA avec un kit de densité.
Les meilleures procédures pour la détermination de la masse volumique des solides sont les méthodes de flottabilité et de déplacement, toutes deux basées sur le principe d’Archimède. La condition préalable à ces méthodes est l’utilisation d’un liquide de densité connue qui ne réagit pas avec le matériau de l’échantillon, mais le mouille abondamment. Un agent mouillant peut être ajouté au liquide.
L’application de balance intégrée fournit des instructions étape par étape. Les balances de niveau Excellence ont des flux de travail pour 5 méthodes différentes de détermination de la densité. Les balances de niveau avancé et standard ont des flux de travail pour 2.
En conjonction avec le kit de densité, l’enfonceur en verre de 10 ml en option vous permet de déterminer la masse volumique des liquides. La différence entre le poids de l’enfonceur dans l’air et dans le liquide est utilisée pour calculer la densité. Alternativement, un pycnomètre ou un densimètre numérique peut être utilisé.
Le panier de pesée du kit de densité peut être inversé de sorte que les échantillons plus légers sont maintenus sous le liquide et ne peuvent pas flotter à la surface. Si vous constatez que la force de flottabilité est supérieure à celle de l’appareil du panier, placez un poids supplémentaire sur le plateau de pesée supérieur du kit de densité et redémarrez la procédure de détermination de la masse volumique. Vous pouvez également utiliser un liquide de référence différent avec une densité plus faible.
Ajoutez quelques gouttes d’agent mouillant au liquide de référence. Laissez-le reposer toute la nuit pour libérer tout gaz dissous. À l’aide d’une brosse douce, brossez les bulles de l’échantillon et du kit de densité.
La précision de la mesure de la masse volumique est influencée par la tolérance de la méthode (bulles d’air, etc.) et de la mesure de la température ainsi que par la précision des mesures de poids. Chaque mesure sur n’importe quelle balance est sujette à l’incertitude. Comprendre cette incertitude est la clé pour garantir des résultats de pesage précis. Ce n’est pas la lisibilité qui détermine la précision d’un instrument de pesage, mais plutôt sa répétabilité et le poids net minimum de l’échantillon.
Pour trouver la balance adaptée à vos besoins, vous devez connaître la plus petite quantité que vous souhaitez peser et avec quelle précision vous devez la peser (c’est-à-dire à quelle tolérance).
La norme mondiale de pesage de METTLER TOLEDO, GWP® , vous aide à choisir la balance adaptée aux exigences de votre application. Demandez à votre représentant local une recommandation de solde gratuite. Déterminez si votre balance existante répond à vos exigences de qualité.
La conformité à la norme ISO 1183-1 exige une balance avec une précision d’affichage de 0,1 mg ou moins et spécifie que l’échantillon doit de préférence avoir une masse d’au moins 1 g. Le fait de peser des échantillons d’au moins 1 g sur une balance avec une précision d’affichage de 0,1 mg ne viole généralement pas l’exigence minimale de poids net de l’échantillon de la balance. Cependant, la précision de la balance requise doit être prise en compte en conjonction avec la tolérance de processus requise. Notre service gratuit de recommandation GWP® peut vous aider à choisir le bon équilibre pour vos besoins spécifiques.
Le processus de mesure de la masse volumique comporte plusieurs étapes, et il faut parfois attendre un certain temps pour que l’équilibre se stabilise, ce qui permet de se perdre facilement, surtout lorsque vous êtes occupé par plusieurs tâches. L’application de balance intégrée fournit des instructions étape par étape. Vous confirmez chaque instruction en appuyant sur le bouton OK, de sorte que vous savez toujours où vous êtes.
Connectez un lecteur de codes-barres à votre balance pour permettre la lecture directe et sans erreur des métadonnées telles que l’ID de l’échantillon, le numéro de lot et le numéro de commande, etc. Avec la gamme d’imprimantes METTLER TOLEDO P-50, les métadonnées, ainsi que la date et l’heure de la mesure, peuvent être imprimées en même temps que les résultats.
Lorsque vous avez une série de déterminations de densité à effectuer, l’option statistiques sur les balances METTLER TOLEDO vous permet d’identifier rapidement les tendances de vos données, ce qui vous aide à prendre des décisions sur un plan d’action le cas échéant.
Les balances XPE, XSE, MS-TS, ML-T et ME-T disposent d’une base de données de densité intégrée pour les liquides de référence les plus couramment utilisés. La valeur de densité est ajustée en fonction de la température que vous saisissez.
L’application de masse volumique sur les balances XPE, XSE et MS-TS effectue tous les calculs pour vous. Il vous suffit de saisir la température et de sélectionner le liquide de référence utilisé. La balance enregistre les valeurs de poids et calcule automatiquement la densité.
L’application de masse volumique sur les balances MS-TS, ML-T et ME-T vous permet de créer un rapport de vos séries de détermination de masse volumique que vous pouvez imprimer ou enregistrer sur une clé USB. Les balances XPE et XSE, associées au logiciel LabX, offrent un degré plus élevé de personnalisation des rapports avec des graphiques et des tableaux, et le rapport peut être envoyé directement à votre LIMS ou EPR.
