サンプルの密度の測定は、原材料と完成品の両方にとって重要な品質パラメータです。さまざまな技術により、金属、プラスチック、化学薬品、潤滑剤、食品など、固体、粘性、液体の材料の密度を正確に測定できます。
品質管理のための密度
密度の変化によって示される原材料の変動は、最終製品の機能または品質に悪影響を与える可能性があります。原材料の密度測定により、材料の純度を確認することができます。物質が安価な代替品で混入されている場合、複合材料の測定密度は純粋な物質とは異なります。
密度は、均質性を確保するためにも使用できます。製造された部品が均質でない場合、強度や耐亀裂性などの主要な性能属性が影響を受ける可能性があります。たとえば、内部の気泡は、応力下に置かれたときに最終的に部品が故障する可能性があります。部品のランダムサンプリングは、継続的な品質を監視するためのシンプルで費用対効果の高い方法です。
正確な計量が重要な理由
密度を決定するための一般的な実験室の重量測定手順は、浮力法、変位原理、およびピクノメーター法です。
最も広く使用されている方法は、アルキメデスの原理を利用した浮力技術です：流体に浸された物体は、それが変位する流体の重量に等しい重量の見かけの損失を示します。紀元前200年頃にさかのぼるこの古代の原理は、今日、重量測定で密度を決定するために使用されているものです。したがって、正確な密度測定は、正確な重量値に大きく依存します。たとえば、血液には、酵素が正しく機能するように、7.35〜7.45の安定したpHを維持するための天然の緩衝液が含まれています。酵素活性はpHによって変化するため、生化学アッセイでは、正しいレベルの活性が観察されるように、一定のpHを維持することが不可欠です。商業用途では、バッファーは、皮膚の炎症を防ぐためのシャンプー、細菌の増殖を抑制するためのベビーローション、および液体のpHレベルが目のpHレベルと互換性を保つためのコンタクトレンズ溶液に見られます。
バッファーの調製は、成分の計量、成分の溶解、pHの調整、最終容量への補充など、いくつかのステップで構成されています。バッファー中の酸と塩基の比率は最終pHに直接関係しているため、成分を高い精度で計量することが重要です。そのため、使用する機器(天秤、ピペット、pHメーター)が適切に校正され、十分な精度を備えていることが重要です。
メトラー・トレドのラボ用天秤で密度を測定するのがいかに簡単かをご覧ください。Density Kitは、固体、液体、多孔質、粘性物質の密度を測定することができます。ステップバイステップの指示と自動計算により、プロセス全体が簡単になります。
浮力法 - アルキメデスの原理の実践
アルキメデスの原理は、体が部分的または完全に流体に浸されたときには、上向きに作用する浮力が発生すると述べています。この力の大きさは、体によって押しのけられる流体の重量に相当します。
固体は、空気中(A)で秤量され、次に既知の密度の補助液体中（B）で再度秤量されます。固体ρの密度は次のように計算できます。
ρ = サンプルの密度
A = 空気中のサンプルの重量
B = 補助液中のサンプルの重量
ρ0 = 補助液体の密度
ρL = 空気の密度
液体の温度は、°Cあたり0.001から0.1のオーダーの密度変化を引き起こす可能性があるため、考慮に入れる必要があります。その影響は、結果の小数点以下第3位に見られます。
| 重量式, 浮力 | 重量式, 移動用, 移動用 | ピクノメーター | デジタル密度計 | |
| メソッド |
補助液用ビーカーは、プラットフォーム上または天秤の下に立っています。 |
補助液用ビーカーが天秤に立っています。 |
定義された容量のガラスビーカー。 |
振動管技術 |
| 適したサンプル |
|
|
|
|
| 利点 |
|
|
|
|
| 欠点 |
|
|
|
|
サンプル(固体または液体)の質量と体積がわかっている場合、その密度は以下から計算できます。
ボリュームの難しさ
サンプルを正確に計量するのは非常に簡単ですが、サンプルの量を正確に測定するのは難しい場合があります。
浮力
浮力法は、2つの異なる媒体(空気と液体)でサンプルを2回計量するため、体積を決定する問題を回避します。したがって、どちらの状況でも体積は一定であると想定できます。
排水量
変位法の最も単純な適用では、固体サンプルの体積は、サンプルが沈められる液体のレベルの増加を観察することによって決定されます。
逆に、既知の体積の物体を密度が不明な液体に沈めると、重量値(空気中と液体中)の差を使用して液体の密度を決定できます。
ピクノメーター
ピクノメーターは特別に設計されたガラスフラスコで、通常は容量が定義されています。これは、液体の密度を決定するために最もよく使用されます。ピクノメーターは、最初に空で計量され、次に調査中の液体でいっぱいになります。差(つまり、サンプルの質量)をピクノメーターの体積で割ったものがサンプルの密度です。
ピクノメーター法は、粉末サンプルや顆粒の密度を測定するためにも使用できます。
デジタル密度計
中空のガラス管は、一定の周波数で振動します。チューブに異なる物質が充填されると周波数が変化します：サンプルの質量が大きいほど、周波数は低くなります。デジタル密度計は、周波数を測定し、それを密度に変換することで機能します。
これら4つの異なる方法の比較については、以下の表を参照してください。
| 重量式, 浮力 | 重量式, 移動用, 移動用 | ピクノメーター | デジタル密度計 | |
| メソッド |  補助液用ビーカーは、プラットフォーム上または天秤の下に立っています。 |  補助液用ビーカーが天秤に立っています。 |  定義された容量のガラスビーカー。 |  振動管技術 |
| 適したサンプル |
|
|
|
|
| 固体サンプルの測定原理 | サンプルを空気中で1回秤量し、1回分濃度の補助液に浸します。 固体サンプルの密度は、液体の既知の密度と2つの質量値から決定できます。  ρ,= サンプルの密度 A、=空気中のサンプルの重量 B、=補助液体中のサンプルの重量 ρ0,= 補助液体の密度 ρL,= 空気の密度 | 密度がわかっている補助液体は、サンプルを浸漬する前後に秤量されます(風袋を使用して質量差を直接測定できます)。 質量差と液体密度を使用して、サンプルの体積を決定できます。次に、これをサンプルの質量とともに使用して、その密度を計算します。 | ピクノメーターは、最初に空で計量され、次に既知の密度の参照液体で再び満杯になります。粉末を洗浄および乾燥したピクノメーターに加える。粉末サンプルの重量を決定するために計量されます。次に、ピクノメーターに、粉末が完全に不溶性でなければならないのと同じ液体を補充します。ピクノメーターを再度計量します。その後、押しのけられた液体の重量を決定することができ、したがって粉末の密度を計算することができます。 | 該当なし |
| 液体サンプルの測定原理 | 体積がわかっている基準体(ガラスシンカー)は、空気中で1回、密度が不明な液体で1回計量されます。 | 密度が不明な液体の重量は、基準体(ガンマ球またはガラスシンカー)を浸す前(風袋)と浸漬後に測定されます。 参照体の質量差と既知の体積を使用して、液体サンプルの密度を決定できます。 | ピクノメーターは、最初に空で計量され、次に液体サンプルで再び満杯になります。質量差をピクノメーターの体積で割ったものが液体の密度です。 | サンプルは、デバイス内のU字型中空ガラス管に追加されます。サンプルの密度は、チューブの振動周波数を測定することによって決定されます。振動の周波数が低いほど、サンプルの密度は高くなります。 |
密度だけでなく、密度も重視される場合、デジタル密度計は、液体サンプルの密度、比重、その他の関連属性(アルコール度、BRIX°、API度など)を高精度かつ短い測定時間で測定します。
固体サンプルの密度を決定するために、多くの基準と基準が存在します。最も一般的に使用されるものは次のとおりです。
ISO 1183-1は、小数点以下4桁の分析天秤の使用を指定しています。
かさ密度は、測定された体積に含まれる粒子、部品、またはピースの数の尺度です。かさ密度は材料自体の特性ではありません。かさ密度には、粒子またはアイテム間のスペースと、アイテム自体のボイドが含まれます。かさ密度は、材料の取り扱い方法によって異なります。例えば、容器を振ると部品が沈殿し、全体の嵩密度が増加します。
密度の測定は、原材料と完成品の両方にとって非常に重要な品質パラメータです。正確な密度の結果を確保するために考慮しなければならない多くの要因があることを理解しています。密度測定のサポートが必要な場合、またはどの天秤または密度キットを購入すべきかについてアドバイスが必要な場合は、当社の専門家チームがお手伝いします。
お気軽にお問い合わせください。
泡
密度測定における誤差の最大の原因は、サンプルの濡れ性が限られていることです。サンプルを液体に浸すときは、サンプルや装置に付着している気泡をすべて取り除くことが重要です。残っている気泡は浮力効果を引き起こし、密度計算を歪めます。(直径1mmの気泡は0.5mgの浮力を引き起こします。次のことをお勧めします。
温度
固体は一般に、周囲温度の変動に非常に敏感ではないため、対応する密度の変化は重要ではありません。ただし、密度測定は補助液体を使用して行われるため、温度を考慮する必要があります。温度は液体の影響が大きく、°Cあたり0.1〜1‰のオーダーの密度変化を引き起こします。
この効果は、結果の小数点以下第 3 位ですでに明らかです。正確な結果を得るために、すべての密度測定において、常に補助液体の温度を考慮に入れることをお勧めします。値は専用のテーブルブックで入手できます。最も重要な参照液体(H2Oおよびエタノール)の密度は、天秤に保存されます。
看貫
前述したように、計量は密度の正確な測定に重要な役割を果たすため、使用する天秤が密度アプリケーションのニーズを満たすことが重要です。小さなサンプルの場合、天秤の最小正味サンプル重量を考慮する必要があります。この重量を下回るサンプルの計量は、必要な精度レベルであるとは信頼できません。
データの取り扱い
サンプルデータ、重量値、密度計算の手動転写は時間がかかり、エラーが発生しやすくなります。
メトラー・トレドのほとんどの分析天秤と精密天秤は、最小表示が1 mg以上のもので、天秤に取り付けられた密度キットを使用して浮力技術による密度測定に簡単に使用できます。
天秤を使用して固体の密度を測定することは、部品の体積が重量とは無関係に決定される他の方法と比較して、信頼性の高い結果を提供する簡単で便利なプロセスです。密度キットを追加して 標準的なラボ用天秤を変換することで、この簡単な手順を実行するために専用の機器を購入する必要がなくなります。これにより、Density Kitアクセサリの購入は非常に費用対効果の高い投資になります。既知の体積のガラスシンカーを追加することで、Density Kitは液体サンプルの密度を決定するためにも使用できます。
組み込みのDensityアプリケーションには、段階的な手順が用意されているため、訓練を受けていないオペレーターでも簡単に使用できます。さらにメリット：
かさばるサンプルの密度を測定
密度キットに収まらないかさばるサンプルの場合、0.1 gおよび0.01 gの最小表示のメトラー・トレドの精密天秤は、専用のフックを追加することで天秤を下回る重量に変換できます。密度測定の原理はまったく同じです。サンプルを空気中で秤量し、再度参照液中で秤量します。
メトラー・トレドのExcellenceレベル天秤と LabXソフトウェア の組み合わせにより、より高いレベルのデータ管理とプロセスセキュリティが実現します。Excellence分析天秤と上皿天秤は、密度測定用のDensity Kitを使用してセットアップできます。LabXは、密度SOPが正確に従うことを保証します。LabXは、すべての重量値を記録し、すべての計算を実行し、すべての結果を中央データベースに安全に保存します。密度アプリケーションに関連するすべてのデータは、内部データ管理システムに直接転送できます。
プラスチックの密度を測定することは、一貫したプラスチック品質に不可欠です。このアプリケーションノートでは、メトラー・トレドのMX、MR、またはMA分析天秤と密度キットに統合されたアプリケーションを使用して、固体プラスチック部品の密度を簡単に測定する方法について説明しています。
固体の密度測定に最適な手順は、浮力と変位の方法であり、どちらもアルキメデスの原理に基づいています。これらの方法の前提条件は、サンプル材料と反応せず、完全に濡らす既知の密度の液体を使用することです。液に湿潤剤を添加することができます。
統合された天秤アプリケーションは、ステップバイステップの指示を提供します。エクセレンス天秤には、5種類の密度測定方法のワークフローがあります。アドバンスドおよびスタンダードレベルの天秤には、2種類のワークフローがあります。
Density Kitと組み合わせることで、オプションの 10 mLガラスシンカー を使用すると、液体の密度を測定できます。空気中と液体中のシンカーの重量の差を使用して密度を計算します。あるいは、ピクノメーターや デジタル密度計 を使用することもできます。
Density Kitの計量バスケットは、軽いサンプルが液体の下に保持され、表面に浮かぶのを防ぐために、反転させることができます。浮力がバスケット装置よりも大きい場合は、密度キットの上部計量皿に追加の重りを置き、密度測定手順を再開します。または、密度の低い別の参照液を使用します。
参照液に数滴の湿潤剤を加えます。溶存ガスを放出するために一晩放置してください。柔らかいブラシを使用して、サンプルと密度キットの泡を払い落とします。
密度測定の精度は、方法の許容誤差(気泡など)と温度測定、および重量測定の精度に影響されます。ANY天秤のすべての測定値は不確実性の影響を受けます。この不確実性を理解することは、正確な計量結果を確保するための鍵です。計量機器の精度を決定するのは最小表示ではなく、その再現性と最小正味サンプル重量です。
ニーズに適した天秤を見つけるには、計量する最小量と、それをどれだけ正確に計量する必要があるか(つまり、どの許容誤差で計量する必要があるか)を知る必要があります。
メトラー・トレドの世界的な計量標準であるGWP® は、お客様のアプリケーション要件を満たす適切な天秤の選択を支援します。お近くの担当者に無料の残高の推奨を依頼してください。既存の天秤が品質要件を満たしているかどうかを判断します。
ISO 1183-1 への準拠には、最小表示が 0.1 mg 以下の天秤が必要であり、サンプルの質量は少なくとも 1 g であることが望ましいと規定されています。最小表示0.1 mgの天秤に少なくとも1 gのサンプルを計量しても、通常、天秤の最小正味サンプル重量要件に違反しません。ただし、必要な天秤の精度は、必要なプロセス公差と併せて検討する必要があります。無料のGWP® レコメンデーションサービスは、特定のニーズに適した天秤を選択するのに役立ちます。
密度測定プロセスにはいくつかのステップがあり、特に複数のタスクで忙しい場合は、天秤が落ち着くまでしばらく待つ必要があるため、迷子になりやすい場合があります。統合された天秤アプリケーションは、ステップバイステップの指示を提供します。OKボタンを押して各指示を確認するため、常に自分がどこにいるかを把握できます。
バーコードリーダーを天秤に接続すると、サンプルID、ロット番号、注文番号などのメタデータをエラーなく直接読み取ることができます。メトラー・トレドのP-50シリーズのプリンタでは、メタデータと測定の日時を結果と一緒に印刷することができます。
密度を一連の決定する必要がある場合、メトラー・トレドの天秤の統計オプションを使用すると、データの傾向をすばやく特定し、必要に応じて一連の行動を決定するのに役立ちます。
XPE、XSE、MS-TS、ML-T、ME-T天秤には、最も一般的に使用される標準液の密度データベースが組み込まれています。密度値は、入力した温度に応じて調整されます。
XPE、XSE、MS-TS天秤の密度計算アプリケーションが、すべての計算を行います。温度を入力し、使用する参照液を選択するだけです。天秤は重量値を記録し、密度を自動的に計算します。
MS-TS、ML-T、ME-T天秤の密度アプリケーションを使用すると、密度測定シリーズのレポートを作成し、印刷したりUSBスティックに保存したりできます。XPE天秤とXSE天秤をLabXソフトウェア と組み合わせることで 、グラフやチャートを使用してレポートをより高度にカスタマイズでき、レポートはLIMSまたはESRに直接送信できます。
