Was ist ein digitales Dichtemessgerät?
Ein digitales Dichtemessgerät (auch Densitometer bezeichnet) nutzt die Biegeschwinger-Methode, um die Dichte oder verwandte Werte einer flüssigen Probe zu messen. Diese Messung erfolgt digital, wodurch Bedienereingriffe erheblich reduziert werden. Bei geringem Probenvolumen (ca. 3 mL) und kurzer Messzeit (weniger als eine Minute) kann eine Genauigkeit von bis zu 0,000005 g/cm3 erreicht werden.
Wie funktioniert ein digitales Dichtemessgerät?
Digitale Dichtemessgeräte nutzen ein U-förmiges Hohlglasrohr, das in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungsfrequenz des mit der Probe gefüllten Rohrs wird gemessen. Diese Frequenz ändert sich, wenn das Rohr mit der Probe gefüllt wird: Je grösser die Masse der Probe, desto niedriger die Frequenz. Die Frequenz wird gemessen und in einen Dichtewert umgerechnet. In der Tischausführung verfügen digitale Dichtemessgeräte darüber hinaus über ein eingebautes Peltier-Thermostat zur Regelung der Probentemperatur.
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Welche Instrumente werden zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten verwendet?
Die Dichte einer Lösung kann manuell oder digital gemessen werden. Detaillierte Informationen zur Dichtemessung mit Pyknometern, Hydrometern und digitalen Dichtemessgeräten finden Sie in unserem Leitfaden 3 Möglichkeiten der Dichtemessung.
Manuelle Methoden wie Pyknometer und Hydrometer werden häufig zur Bestimmung der Dichte und verwandter Werte eingesetzt, z. B. spezifisches Gewicht, Alkoholgehalt, Brix, API-Grad, Baumé, Plato etc. Obwohl diese Methoden einfach und kostengünstig sind, ist bei jedem Schritt der manuellen Verfahren grosses Fachwissen erforderlich. Dadurch werden häufig die Genauigkeit sowie die Zuverlässigkeit der Resultate beeinträchtigt.
Ein Pyknometer ist ein Glasgefäss mit einem definierten Volumen. Das Gefäss wird ohne Probe (M1) gewogen, dann mit der Probe gefüllt und erneut gewogen (M2). Die Differenz zwischen M1 und M2 dividiert durch das Volumen des Gefässes ergibt die Dichte der Probe.
Ein Hydrometer ist ein Glaskörper, der in die Probe getaucht wird. Nach einer kurzen Äquilibrierungszeit schwimmt der Körper in einer bestimmten Tiefe. Je höher die Dichte der Probe, desto niedriger ist die Eintauchtiefe des Hydrometers. Das Äquilibrierungslevel wird als Dichte angezeigt.
Das Dichte-Kit wird zusammen mit einer Waage verwendet. Ein Glaskörper mit einem definierten Volumen wird in Luft gewogen (M1), in die Probe eingetaucht und in der Probe erneut gewogen (M2). Die Differenz zwischen M1 und M2 (Auftrieb) dividiert durch das Volumen des Glaskörpers entspricht der Dichte der Probe. Es kann auch ein Spezialhalter verwendet werden, um die Dichte von Feststoffen mithilfe einer Referenzflüssigkeit (Wasser, Ethanol oder benutzerdefinierte Flüssigkeit) zu messen.
Dichtemessgeräte sind als Ausführung für den Tischbetrieb und als tragbare Variante erhältlich. Sie nutzen die Biegeschwinger-Methode, um die Dichte einer Probe in kurzer Zeit sehr genau zu messen. Ein Hohlglasrohr schwingt mit einer bestimmten Frequenz. Diese Frequenz ändert sich, wenn das Rohr mit der Probe gefüllt wird: Je grösser die Masse der Probe, desto niedriger die Frequenz. Die Frequenz wird gemessen und in einen Dichtewert umgerechnet. In der Tischausführung verfügen digitale Dichtemessgeräte darüber hinaus über ein eingebautes Peltier-Thermostat zur Regelung der Probentemperatur.
Weitere Informationen zu digitalen Dichtemessgeräten und deren Vergleich mit manuellen Methoden finden Sie in unseren Vergleich verschiedener Messtechniken
Wie gross ist die Dichte von Luft?
Die Dichte der Luft beträgt 0,00120 g/cm3 bei 20 °C und einem Umgebungsdruck von 101,325 kPa ((d. h. auf Meereshöhe). Dieser Umgebungsdruck ändert sich mit den Wetterbedingungen (niedrigerer Druck bei Regen oder Schnee) und mit der Höhe (niedrigerer Druck in grösserer Höhe als auf Meereshöhe). Bei einer Höhe von z. B. 440 m über dem Meeresspiegel beträgt der Luftdruck (jährlicher Durchschnitt) nur 96,12 kPa und die mittlere Luftdichte beträgt 0,00114 g/cm3 bei 20 °C.
Wie gross ist die Dichte von Wasser?
Die Dichte von Wasser ist temperaturabhängig und beträgt bei 20 °C 0,99820 g/cm3. Von 0 °C bis 4 °C (wo sie ca. 1 beträgt) steigt sie an und sinkt dann mit steigender Temperatur ab.
Wie viel Probenvolumen benötigen Sie für ein digitales Dichtemessgerät?
Das typische Volumen eines U-förmigen Hohlglasrohres, das als Messzelle in einem digitalen Dichtemessgerät verwendet wird, liegt bei ca. 1 mL. Für eine problemlose Befüllung wird ein grösseres Volumen empfohlen. In der Regel werden 3 bis 5 mL mit einer Spritze verwendet, um einen Teil des Ablaufschlauchs ebenfalls mit der Probe zu füllen.
Wie viel Zeit benötigen Sie zur Messung einer Probe mit einem digitalen Dichtemessgerät?
Dies hängt stark vom Temperaturunterschied zwischen der Probe und der Messzelle sowie vom Probentyp ab. Auch die erforderliche Genauigkeit der Messung spielt dabei eine Rolle. Die Messzeit kann von einigen Sekunden mit einem tragbaren digitalen Dichtemessgerät ohne Temperaturregelung bis zu etwa 2 bis 5 Minuten mit einem Instrument für den Tischbetrieb mit aktiver Temperaturregelung reichen.
Wie justieren Sie ein digitales Dichtemessgerät?
Dichtemessgeräte werden normalerweise mit Luft und Wasser bei einer bestimmten Messtemperatur justiert. Diese Temperatur wird mit einem Peltier-Element geregelt, das die Messzelle auf eine bestimmte Temperatur (z. B. 20 °C) abkühlen oder aufheizen kann. Zunächst wird die Frequenz der mit Luft gefüllten Messzelle gemessen. Diese erste Frequenz wird dem Dichtewert von Luft zugeordnet. Danach wird die Messzelle mit Wasser gefüllt und die Frequenz der mit Wasser gefüllten Messzelle wird gemessen. Diese zweite Frequenz wird dem Dichtewert von Wasser zugeordnet. Diese Zweipunktjustierung kann auch mit Luft und einem Standard oder mit zwei Standards für unterschiedliche Dichtebereiche vorgenommen werden.
Welche Proben können mit digitalen Dichtemessgeräten gemessen werden?
Diese Dichtemessgeräte wurden ursprünglich für die Messung homogener Flüssigkeiten entwickelt. In der Realität werden auch viele andere Proben mit gutem Erfolg gemessen. Wenn die Probenviskosität durch Erhitzen auf Pumptemperatur (z. B. Paraffin) auf unter 36 000 mPa*s gesenkt werden kann, können diese Proben sogar vollautomatisch mit einer beheizten Automatisierungseinheit wie SC1H oder SC30H gemessen werden. Proben mit höherer Viskosität können manuell gemessen werden, wenn sie in eine Spritze gefüllt werden können, ohne Lufteinschlüsse zu hinterlassen. Diese Messung ist ebenfalls möglich, der Bediener diese Proben dann mit kontrollierter Geschwindigkeit durch ein schmales, ca. 15 cm langes Rohr, herausdrücken kann. Proben, die das U-Rohr der Messzelle angreifen (z. B. Flusssäure, Flüssigkeiten oder Pasten zum Ätzen von Glas), sollten nicht mit diesen Dichtemessgeräten gemessen werden.
Worin besteht der Einfluss der Viskosität auf die digitale Dichtemessung?
Die Viskosität der Proben hat Einfluss auf die Dichte, die mit einem digitalen Dichtemessgerät gemessen wird. Die höhere Scherkraft, die zwischen der Flüssigkeit und der Rohrwand auftritt, führt zu einer Verringerung der Schwingungsfrequenz und damit zu einem höheren Dichtewert. Moderne digitale Dichtemessgeräte verfügen daher über eine eingebaute Viskositätskorrektur. Damit wird dieser Effekt kompensiert und es werden korrekte Ergebnisse angezeigt.
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