Измерение плотности образца является важным параметром качества как сырья, так и готовой продукции. Различные методы позволяют точно определить плотность твердых, вязких и жидких материалов, например, металлов, пластмасс, химикатов, смазочных материалов и продуктов питания.
Плотность для контроля качества
Изменение в сырье, на которое указывает изменение плотности, может иметь пагубные последствия для функционирования или качества конечного продукта. Измерение плотности сырья может быть использовано для подтверждения чистоты материала. Если вещество было фальсифицировано более дешевой альтернативой, измеренная плотность композитного материала будет отличаться от плотности чистого вещества.
Плотность также может быть использована для обеспечения однородности. Если изготовленная деталь не является однородной, это может повлиять на ключевые эксплуатационные характеристики, такие как прочность и трещиностойкость. Например, внутренний пузырь воздуха может в конечном итоге привести к выходу детали из строя при нагрузке. Случайный отбор проб деталей — это простой и экономичный способ контроля текущего качества.
Почему точное взвешивание имеет решающее значение
Общими лабораторными гравиметрическими процедурами для определения плотности являются метод плавучести, принцип смещения и метод пикнометра.
Наиболее широко используемым методом является метод плавучести, в котором используется принцип Архимеда: тело, погруженное в жидкость, показывает видимую потерю веса, равную весу жидкости, которую оно вытесняет. Этот древний принцип, возникший примерно в 200 году до нашей эры, является именно тем, что используется в настоящее время для определения плотности гравиметрическим путем. Таким образом, точное измерение плотности в значительной степени зависит от точных значений веса. Например, кровь содержит естественные буферы для поддержания стабильного pH в диапазоне от 7,35 до 7,45, чтобы наши ферменты работали правильно. Поскольку активность фермента изменяется в зависимости от pH, поддержание постоянного pH имеет важное значение в биохимических анализах, чтобы обеспечить правильный уровень активности. В коммерческом применении буферы можно найти в шампунях для предотвращения раздражения кожи, в детских лосьонах для подавления роста бактерий и в растворах контактных линз для обеспечения того, чтобы уровень pH жидкости оставался совместимым с уровнем pH глаза.
Приготовление буферных растворов состоит из нескольких этапов: взвешивание компонентов, растворение компонентов, регулировка pH и пополнение до конечного объема. Поскольку соотношение кислоты и основания в буфере напрямую связано с конечным pH, крайне важно взвешивать компоненты с высокой степенью точности. Так, важно, чтобы используемое оборудование (весы, пипетки и рН-метр) было правильно откалибровано и обладало достаточной точностью.
Посмотрите, как просто измерить плотность на лабораторных весах МЕТТЛЕР ТОЛЕДО. Набор Density Kit позволяет определять плотность твердых, жидких, пористых и вязких веществ. Благодаря пошаговым инструкциям и автоматическим расчетам весь процесс становится простым.
Метод плавучести - принцип Архимеда в действии
Принцип Архимеда гласит, что тело, частично или полностью погруженное в жидкость, испытывает выталкивающую силу, действующую на него снизу вверх. Величина этой силы эквивалентна весу жидкости, вытесняемой телом.
Твердое вещество взвешивают на воздухе (А), а затем снова (В) во вспомогательной жидкости с известной плотностью. Плотность твердого тела ρ может быть рассчитана следующим образом:
ρ = плотность образца
A = Вес образца в воздухе
B = Масса образца во вспомогательной жидкости
ρ0 = плотность вспомогательной жидкости
ρL = плотность воздуха
Необходимо учитывать температуру жидкости, так как это может вызвать изменения плотности порядка 0,001–0,1 °C, эффект которых можно увидеть в третьем знаке результата после запятой.
| Гравиметрические, плавучесть | Гравиметрический, Водоизмещающий | Пикнометр | Цифровой плотномер | |
| Методика |
Стакан для вспомогательной жидкости стоит на платформе или ниже весов. |
Стакан для вспомогательной жидкости стоит на весах. |
Стеклянный стакан определенного объема. |
Технология осциллирующих труб |
| Подходит для |
|
|
|
|
| Преимущества |
|
|
|
|
| Недостатки |
|
|
|
|
Если вы знаете массу и объем образца (твердого вещества или жидкости), его плотность можно рассчитать по формуле:
Трудности с громкостью
Точно взвесить образец довольно просто, но точное определение объема образца может быть сложной задачей.
Плавучесть
Метод плавучести позволяет избежать проблемы определения объема, поскольку он включает в себя двойное взвешивание образца в двух разных средах (воздухе и жидкости). Таким образом, можно предположить, что объем постоянен в обеих ситуациях.
Смещение
При простейшем применении метода вытеснения объем твердого образца определяется путем наблюдения за повышением уровня жидкости, в которую погружен образец.
И наоборот, когда объект известного объема погружается в жидкость с неизвестной плотностью, разница в весовых значениях (в воздухе и в жидкости) может быть использована для определения плотности жидкости.
Пикнометр
Пикнометр представляет собой специально разработанную стеклянную колбу, обычно с определенным объемом. Чаще всего используется для определения плотности жидкостей. Пикнометр сначала взвешивается пустым, а затем полным исследуемой жидкостью. Разница (т.е. масса образца), деленная на объем пикнометра, и есть плотность образца.
Метод пикнометра также может быть использован для определения плотности образцов порошка или гранулятов.
Цифровой плотномер
Полая стеклянная трубка вибрирует с определенной частотой. Частота меняется при заполнении пробирки разными веществами: чем выше масса образца, тем ниже частота. Цифровые плотномеры работают, измеряя частоту и преобразуя ее в плотность.
В таблице ниже приведено сравнение этих четырех различных методов.
| Гравиметрические, плавучесть | Гравиметрический, Водоизмещающий | Пикнометр | Цифровой плотномер | |
| Методика |  Стакан для вспомогательной жидкости стоит на платформе или ниже весов. |  Стакан для вспомогательной жидкости стоит на весах. |  Стеклянный стакан определенного объема. |  Технология осциллирующих труб |
| Подходит для |
|
|
|
|
| Принцип измерения для Твердый образец |
Образец взвешивают один раз на воздухе и после погружения во вспомогательную жидкость с известной плотностью. Плотность твердого образца может быть определена по известной плотности жидкости и двум значениям массы.  ρ,= Плотность образца A,= вес образца в воздухе B,= Масса образца во вспомогательной жидкости ρ0,= Плотность вспомогательной жидкости ρL,= плотность воздуха
| Вспомогательная жидкость с известной плотностью взвешивается до и после погружения образца (тара может использоваться для непосредственного измерения разницы масс). Используя разность масс и плотность жидкости, можно определить объем образца. Затем она используется вместе с массой образца для расчета его плотности. | Пикнометр сначала взвешивается пустым, а затем снова заполненным эталонной жидкостью известной плотности. Порошок добавляют в очищенный и высушенный пикнометр. Он взвешивается для определения веса образца порошка. Затем пикнометр доливают той же жидкостью, в которой порошок должен быть полностью нерастворимым. Пикнометр снова взвешивают. Затем можно определить вес вытесняемой жидкости и, следовательно, рассчитать плотность порошка. | н/д |
| Принцип измерения для жидкий образец | Эталонное тело с известным объемом (стеклянное грузило) взвешивается один раз на воздухе и один раз в жидкости с неизвестной плотностью. | Вес жидкости с неизвестной плотностью измеряется до (тара) и после погружения в эталонное тело (гамма-сферу или стеклянное грузило). Используя разность масс и известный объем эталонного тела, можно определить плотность жидкого образца. | Пикнометр сначала взвешивается пустым, а затем снова заполнен жидким образцом. Разница масс, деленная на объем пикнометра, и есть плотность жидкости. | Образец добавляется в U-образную полую стеклянную трубку в приборе. Плотность образца определяется путем измерения частоты вибрации трубки. Чем ниже частота вибрации, тем выше плотность образца. |
Если речь идет не только о плотности, цифровые плотномеры измеряют плотность, удельный вес и другие связанные с этим характеристики жидких образцов (например, спирт, градусы по шкале Брикса°, градусы API) с высокой точностью и коротким временем измерения.
Существует множество стандартов и норм для определения плотности в образцах твердых веществ. Некоторые из наиболее часто используемых:
Стандарт ISO 1183-1 предусматривает использование аналитических весов с точностью до 4 знаков после запятой.
Насыпная плотность — это мера того, сколько частиц, деталей или кусочков содержится в измеряемом объеме. Насыпная плотность не является свойством самого материала. Объемная плотность включает в себя пространства между частицами или предметами, а также любые пустоты внутри самих предметов. Насыпная плотность может варьироваться в зависимости от того, как обрабатывается материал; Например, встряхивание контейнера позволяет деталям оседать, увеличивая общую насыпную плотность.
Измерение плотности является чрезвычайно важным параметром качества как сырья, так и готовой продукции. Мы понимаем, что существует множество факторов, которые необходимо учитывать для получения точных результатов по плотности населения. Если вам нужна помощь в определении плотности или вы хотите получить совет о том, какие весы или комплект плотности приобрести, наша команда экспертов всегда готова помочь.
Не стесняйтесь обращаться к нам за помощью.
Пузыри
Безусловно, самым большим источником ошибок при измерении плотности является ограниченная смачиваемость образца. Когда образец погружается в жидкость, крайне важно удалить все пузырьки, прилипшие к образцу и оборудованию. Любые оставшиеся пузырьки вызовут эффект плавучести и исказят расчет плотности. (Пузырь диаметром 1 мм вызывает плавучесть 0,5 мг.) Мы рекомендуем:
Температура
Твердые тела, как правило, настолько нечувствительны к колебаниям температуры окружающей среды, что соответствующие изменения плотности не имеют никакого значения. Однако, поскольку определение плотности проводится с помощью вспомогательной жидкости, необходимо учитывать температуру. Температура оказывает большее влияние на жидкости и вызывает изменения плотности на порядок от 0,1 до 1‰ на °C.
Этот эффект проявляется уже в третьем знаке после запятой. Для получения точных результатов мы рекомендуем всегда учитывать температуру вспомогательной жидкости при всех измерениях плотности. Значения доступны в специальных книгах таблиц. На весах хранятся плотности наиболее важных эталонных жидкостей (H, 2, O и этанол).
Взвешивание
Как упоминалось выше, взвешивание играет важную роль в точном определении плотности, поэтому очень важно, чтобы используемые весы соответствовали требованиям приложения для измерения плотности. Для небольших образцов необходимо учитывать минимальный вес нетто весов весов — нельзя доверять взвешиванию образца ниже этого веса с требуемым уровнем точности.
Обработка данных
Ручная расшифровка данных образца, значений веса и расчетов плотности занимает много времени и подвержена ошибкам.
Большинство аналитических и прецизионных весов МЕТТЛЕР ТОЛЕДО с дискретностью 1 мг или выше можно легко использовать для определения плотности с помощью метода плавучести с помощью комплекта для измерения плотности, который устанавливается на весы за несколько простых шагов.
Измерение плотности твердых тел с помощью весов является простым и удобным процессом, который дает высоконадежные результаты по сравнению с другими методами, в которых объем детали определяется независимо от веса. Переоборудовав стандартные лабораторные весы с помощью комплекта для измерения плотности, вы избавитесь от необходимости приобретать специальное оборудование для выполнения этой простой процедуры. Это делает покупку аксессуара Density Kit очень экономичной инвестицией. С добавлением стеклянного грузила известного объема набор Density Kit также может быть использован для определения плотности жидких образцов.
Встроенное приложение Density содержит пошаговые инструкции, что делает его простым даже для неподготовленных операторов. Получите дополнительные преимущества:
Измерение плотности объемных образцов
Для крупногабаритных образцов, которые не помещаются в комплект Density Kit, прецизионные весы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО с дискретностью 0,1 г и 0,01 г можно преобразовать в весы ниже весов, добавив специальный крючок. Принцип измерения плотности точно такой же; Образец взвешивают на воздухе и снова в эталонной жидкости.
Сочетание весов уровня Excellence МЕТТЛЕР ТОЛЕДО и программного обеспечения LabX обеспечивает более высокий уровень управления данными и безопасности процессов. Аналитические и прецизионные весы Excellence можно настроить с помощью комплекта для определения плотности. LabX обеспечивает точное соблюдение СОП плотности. LabX записывает все значения веса, выполняет все расчеты и надежно сохраняет все результаты в центральной базе данных. Все данные, относящиеся к приложению для измерения плотности, могут быть переданы непосредственно во внутреннюю систему управления данными.
Определение плотности пластика имеет важное значение для стабильного качества пластика. В указаниях по применению описано, как можно легко определить плотность твердых пластиковых деталей с помощью встроенного приложения на аналитических весах МЕТТЛЕР ТОЛЕДО MX, MR или MA с набором Density Kit.
Наилучшими методами определения плотности твердых тел являются методы плавучести и смещения, оба из которых основаны на принципе Архимеда. Обязательным условием для этих методов является использование жидкости с известной плотностью, которая не вступает в реакцию с материалом образца, но тщательно смачивает его. В жидкость можно добавить смачивающий агент.
Встроенное приложение для весов содержит пошаговые инструкции. Весы уровня excellence имеют рабочие процессы для 5 различных методов определения плотности. Балансы расширенного и стандартного уровней имеют рабочие процессы для 2.
В сочетании с комплектом Density Kit опциональное стеклянное грузило объемом 10 мл позволяет определять плотность жидкостей. Разница веса грузила в воздухе и в жидкости используется для расчета плотности. В качестве альтернативы можно использовать пикнометр или цифровой плотномер.
Корзину для взвешивания в комплекте Density Kit можно перевернуть, чтобы более легкие образцы удерживались под жидкостью и не могли всплыть на поверхность. Если вы обнаружите, что сила выталкивающей силы больше, чем у устройства для корзины, поместите дополнительный груз на верхнюю весовую чашу комплекта Density Kit и возобновите процедуру определения плотности. В качестве альтернативы используйте другую эталонную жидкость с более низкой плотностью.
Добавьте несколько капель смачивающего средства в эталонную жидкость. Оставьте его на ночь, чтобы выпустить растворенный газ. С помощью мягкой кисти смахните пузыри с образца и набора для плотности.
На точность измерения плотности влияет допуск метода (пузырьки воздуха и т. д.) и измерения температуры, а также точность измерения веса. Каждое измерение на ЛЮБЫХ весах подвержено неопределенности. Понимание этой неопределенности является ключом к получению точных результатов взвешивания. Точность весового прибора определяется не дискретностью, а его повторяемостью и минимальным весом нетто-образца.
Чтобы подобрать весы, соответствующие вашим потребностям, необходимо знать, какое наименьшее количество веса вы хотите взвесить и насколько точно вам нужно его взвесить (т. е. с каким допуском).
Международный стандарт взвешивания МЕТТЛЕР ТОЛЕДО (GWP® ) помогает выбрать весы в соответствии с вашими требованиями. Обратитесь к местному представителю за рекомендациями по бесплатному балансу. Определите, соответствуют ли существующие весы вашим требованиям к качеству.
Соответствие стандарту ISO 1183-1 требует наличия весов с дискретностью 0,1 мг или менее и указывает, что предпочтительно иметь массу образца не менее 1 г. Взвешивание образцов весом не менее 1 г на весах с дискретностью 0,1 мг, как правило, не является нарушением требований к минимальному весу нетто-образца, установленному на весах. Однако требуемая точность весов должна рассматриваться в сочетании с требуемыми допусками процесса. Наша бесплатная служба рекомендаций GWP® поможет вам выбрать правильный баланс для ваших конкретных потребностей.
Процесс измерения плотности состоит из нескольких этапов, и иногда вам нужно подождать некоторое время, пока весы устаканятся, поэтому может быть легко потеряться, особенно когда вы заняты несколькими задачами. Встроенное приложение для весов содержит пошаговые инструкции. Вы подтверждаете каждую инструкцию нажатием кнопки OK, поэтому всегда знаете, где находитесь.
Подключите считыватель штрих-кодов к весам, чтобы обеспечить прямой считывание метаданных, таких как идентификатор образца, номер партии, номер заказа и т. д., без каких-либо ошибок. С помощью принтеров МЕТТЛЕР ТОЛЕДО P-50 вместе с результатами можно распечатать метаданные, а также дату и время измерения.
Если вам нужно выполнить ряд определений плотности, опция статистики весов МЕТТЛЕР ТОЛЕДО позволяет быстро определить тенденции в данных и принять решение о дальнейших действиях, если это необходимо.
Весы XPE, XSE, MS-TS, ML-T и ME-T имеют встроенную базу данных плотности для наиболее часто используемых эталонных жидкостей. Значение плотности регулируется в соответствии с введенной температурой.
Приложение плотности на весах XPE, XSE и MS-TS выполняет все расчеты за вас. Вам нужно только ввести температуру и выбрать используемую эталонную жидкость. Весы записывают значения веса и автоматически рассчитывают плотность.
Приложение для измерения плотности на весах MS-TS, ML-T и ME-T позволяет создавать отчеты по сериям определения плотности, которые можно распечатать или сохранить на USB-накопителе. Весы XPE и XSE в сочетании с программным обеспечением LabX обеспечивают более высокую степень персонализации отчетов с помощью графиков и диаграмм, а также могут быть отправлены непосредственно в LIMS или EPR.
