샘플의 밀도 측정은 원료와 완제품 모두의 중요한 품질 매개변수입니다. 다양한 기술을 통해 금속, 플라스틱, 화학 물질, 윤활유 및 식품과 같은 고체, 점성 및 액체 물질의 밀도를 정확하게 측정할 수 있습니다.
품질 관리를 위한 밀도
밀도의 변화로 표시되는 원료의 변화는 최종 제품의 기능이나 품질에 해로운 결과를 초래할 수 있습니다. 원료의 밀도 측정은 재료의 순도를 확인하는 데 사용할 수 있습니다. 물질이 더 저렴한 대안으로 오염된 경우 복합 재료의 측정된 밀도는 순수한 물질과 다릅니다.
밀도는 균질성을 보장하는 데도 사용할 수 있습니다. 제조된 부품이 균일하지 않으면 강도 및 균열 저항성과 같은 주요 성능 속성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 내부 기포는 궁극적으로 응력을 받을 때 부품이 파손되는 원인이 될 수 있습니다. 부품의 무작위 샘플링은 지속적인 품질을 모니터링할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 방법입니다.
정확한 계량이 중요한 이유
밀도를 측정하기 위한 일반적인 실험실 중량 측정 절차는 부력 기술(Buoyancy technique), 변위 원리(displacement principle) 및 비중병법(pycnometer method)입니다.
가장 널리 사용되는 방법은 아르키메데스의 원리를 활용하는 부력 기법으로, 유체에 잠긴 물체는 유체가 대체하는 유체의 무게와 동일한 무게의 명백한 손실을 나타냅니다. 기원전 200년경부터 시작된 이 고대 원리는 오늘날 밀도를 중량 측정으로 결정하는 데 사용되는 것입니다. 따라서 정확한 밀도 측정은 정확한 중량 값에 크게 의존합니다. 예를 들어, 혈액에는 효소가 올바르게 작동하도록 7.35에서 7.45 사이의 안정적인 pH를 유지하기 위한 천연 완충액이 포함되어 있습니다. 효소 활성은 pH에 따라 변하기 때문에 생화학 분석에서는 올바른 수준의 활성이 관찰되도록 하기 위해 일정한 pH를 유지하는 것이 필수적입니다. 상업용 응용 분야에서 완충제는 피부 자극을 방지하기 위해 샴푸에서, 박테리아의 성장을 억제하기 위해 베이비 로션에서, 유체의 pH 수준이 눈의 pH 수준과 호환되도록 유지하기 위해 콘택트 렌즈 용액에서 찾을 수 있습니다.
완충액 준비는 여러 단계로 구성됩니다: 성분 계량, 성분 용해, pH 조정 및 최종 부피까지 보충. 완충액의 염기와 산의 비율은 최종 pH와 직접적인 관련이 있기 때문에 높은 정확도로 성분을 칭량하는 것이 중요합니다. 따라서 사용된 장비(저울, 파이펫 및 pH 측정기)가 적절하게 교정되고 충분한 정확도를 갖는 것이 중요합니다.
메틀러 토레도 실험실 저울에서 밀도를 측정하는 것이 얼마나 간단한지 확인하십시오. Density Kit를 사용하면 고체, 액체, 다공성 및 점성 물질의 밀도를 측정할 수 있습니다. 단계별 지침과 자동 계산을 통해 전체 프로세스가 쉽습니다.
부력 방법 - 아르키메데스의 원리 작용
아르키메데스의 원리에 따르면 유체의 일부 또는 완전히 잠긴 물체는 위쪽으로 작용하는 부력의 영향을 받습니다. 이 힘의 크기는 몸체에 의해 변위된 유체의 무게와 같습니다.
고체는 공기 (A)에서 칭량 된 다음 알려진 밀도로 보조 액체에서 다시 (B) 계량됩니다. 고체 ρ의 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
ρ = 샘플의 밀도
A = 공기 중 샘플의 무게
B = 보조 액체에 있는 샘플의 무게
ρ0 = 보조액의 밀도
ρL = 공기의 밀도
액체의 온도는 °C당 0.001에서 0.1 정도의 밀도 변화를 일으킬 수 있으므로 고려해야 하며, 그 영향은 결과의 소수점 이하 세 번째 자리에서 볼 수 있습니다.
| 중량 측정, 부력 | 중량 측정, 변위 | 비중병계 | 디지털 밀도계 | |
| 방법 |
보조 액체용 비커는 플랫폼 또는 저울 아래에 있습니다. |
보조 액체용 비커가 저울에 서 있습니다. |
정의된 부피의 유리 비커. |
진동 튜브 기술 |
| 에 적합 |
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| 장점 |
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| 단점 |
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샘플(고체 또는 액체)의 질량과 부피를 알고 있는 경우 밀도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
볼륨의 어려움
샘플을 정확하게 칭량하는 것은 매우 간단하지만 샘플의 부피를 정확하게 측정하는 것은 어려울 수 있습니다.
부 력
부력 분석법은 두 개의 서로 다른 매체(공기와 액체)에서 시료의 무게를 두 번 측정하는 것을 포함하기 때문에 부피를 결정하는 문제를 피할 수 있습니다. 따라서 볼륨은 두 상황 모두에서 일정하다고 가정할 수 있습니다.
변위
변위 방법의 가장 간단한 적용에서, 고체 샘플의 부피는 샘플이 잠긴 액체의 레벨 증가를 관찰하여 결정됩니다.
반대로, 알려진 부피의 물체가 밀도를 알 수 없는 액체에 잠겼을 때 중량 값(공기 및 액체)의 차이를 사용하여 액체의 밀도를 결정할 수 있습니다.
비중병계
비중병계는 일반적으로 정의된 부피를 가진 특별히 설계된 유리 플라스크입니다. 액체의 밀도를 결정하는 데 가장 자주 사용됩니다. 비중병계는 먼저 빈 상태로 무게를 잰 다음 조사 중인 액체로 가득 채웁니다. 차이(즉, 샘플의 질량)를 비중병계의 부피로 나눈 값이 샘플의 밀도입니다.
비중병(pycnometer) 방법은 분말 시료 또는 과립의 밀도를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다.
디지털 밀도계
속이 빈 유리관이 특정 주파수로 진동합니다. 튜브가 다른 물질로 채워질 때 주파수가 변합니다: 샘플의 질량이 높을수록 주파수가 낮아집니다. 디지털 밀도계는 주파수를 측정하고 이를 밀도로 변환하여 작동합니다.
이 네 가지 방법을 비교하려면 아래 표를 참조하십시오.
| 중량 측정, 부력 | 중량 측정, 변위 | 비중병계 | 디지털 밀도계 | |
| 방법 |  보조 액체용 비커는 플랫폼 또는 저울 아래에 있습니다. |  보조 액체용 비커가 저울에 서 있습니다. |  정의된 부피의 유리 비커. |  진동 튜브 기술 |
| 에 적합 |
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| 측정 원리 고체 시료 | 샘플의 무게를 공기 중에서 한 번 측정하고 알려진 밀도의 보조 액체에 한 번 담근다. 고체 샘플의 밀도는 액체의 알려진 밀도와 두 질량 값에서 결정될 수 있습니다.  ρ,= 샘플의 밀도 A,= 공기 중 시료의 무게 B,= 보조 액체에 있는 샘플의 무게 ρ0,= 보조액의 밀도 ρL,= 공기의 밀도 | 알려진 밀도를 가진 보조 액체는 샘플을 담그기 전과 후에 칭량됩니다(용기 중량을 사용하여 질량 차이를 직접 측정할 수 있음). 질량 차이와 액체 밀도를 사용하여 샘플의 부피를 측정할 수 있습니다. 그런 다음 샘플의 질량과 함께 사용하여 밀도를 계산합니다. | 비중병계는 먼저 빈 상태로 칭량한 다음 알려진 밀도의 기준 액체로 다시 채웁니다. 분말은 세척 및 건조 된 비중병계에 첨가됩니다. 분말 샘플의 무게를 결정하기 위해 무게를 잰다. 그런 다음 비중병계에 분말이 완전히 불용성이어야 하는 동일한 액체로 채워집니다. 비중병계의 무게를 다시 잰다. 그런 다음 치환된 액체의 무게를 측정할 수 있으므로 분말의 밀도를 계산할 수 있습니다. | 해당 없음 |
| 측정 원리 액체 시료 | 알려진 부피(유리 싱커)를 가진 기준 물체는 공기 중에서 한 번, 밀도를 알 수 없는 액체에서 한 번 칭량합니다. | 밀도를 알 수 없는 액체의 무게는 기준 물체(감마 구 또는 유리 싱커)를 담그기 전(용기)과 후에 측정됩니다. 질량 차이와 기준 물체의 알려진 부피를 사용하여 액체 샘플의 밀도를 결정할 수 있습니다. | 비중병계는 먼저 빈 상태로 칭량한 다음 액체 샘플로 다시 채웁니다. 질량 차이를 비중병계의 부피로 나눈 값은 액체의 밀도입니다. | 샘플은 장치의 U자형 중공 유리관에 추가됩니다. 샘플의 밀도는 튜브의 진동 빈도를 측정하여 결정됩니다. 진동 주파수가 낮을수록 샘플의 밀도가 높아집니다. |
밀도 이상의 것에 관심이 있는 경우, 디지털 밀도계는 높은 정밀도와 짧은 측정 시간으로 액체 시료의 밀도, 비중 및 기타 관련 속성(예: 알코올%, BRIX°, API 정도)을 측정합니다.
고체 시료의 밀도를 측정하기 위한 많은 표준과 규범이 존재합니다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 다음과 같습니다.
ISO 1183-1은 소수점 이하 4자리 분석 저울의 사용을 지정합니다.
벌크 밀도는 측정된 부피 내에 얼마나 많은 입자, 부품 또는 조각이 포함되어 있는지를 측정한 것입니다. 벌크 밀도는 재료 자체의 속성이 아닙니다. 벌크 밀도에는 입자 또는 항목 사이의 공간과 항목 자체 내의 공극이 포함됩니다. 벌크 밀도는 재료 취급 방법에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 용기를 흔들면 부품이 가라앉아 전체 부피 밀도가 증가합니다.
밀도 측정은 원료와 완제품 모두에서 매우 중요한 품질 매개변수입니다. 정확한 밀도 결과를 보장하기 위해 고려해야 할 많은 요소가 있다는 것을 알고 있습니다. 밀도 측정에 대한 지원이 필요하거나 어떤 저울 또는 밀도 키트를 구매해야 하는지에 대한 조언이 필요한 경우, 메틀러 토레도의 전문가 팀이 도와드리겠습니다.
주저하지 마시고 저희에게 연락하여 도움을 받으십시오.
거품
지금까지 밀도 측정에서 가장 큰 오류 원인은 샘플의 제한된 습윤성입니다. 샘플이 액체에 잠길 때 샘플과 장비에 부착된 모든 기포를 제거하는 것이 중요합니다. 남아 있는 기포는 부력 효과를 일으키고 밀도 계산을 왜곡합니다. (직경 1mm의 기포는 0.5mg의 부력을 일으킵니다.) 권장 사항은 다음과 같습니다.
온도
고체는 일반적으로 주변 온도 변동에 매우 둔감하여 해당 밀도 변화는 중요하지 않습니다. 그러나 밀도 측정은 보조 액체로 수행되므로 온도를 고려해야 합니다. 온도는 액체에 더 큰 영향을 미치며 °C당 0.1에서 1피트 정도의 밀도 변화를 일으킵니다.
이 효과는 결과의 소수점 이하 세 번째 자리에서 이미 분명합니다. 정확한 결과를 얻으려면 모든 밀도 측정에서 항상 보조 액체의 온도를 고려하는 것이 좋습니다. 값은 테이블의 전용 책에서 사용할 수 있습니다. 가장 중요한 기준 액체(H2, O 및 에탄올)의 밀도가 저울에 저장됩니다.
무게
위에서 언급한 바와 같이, 칭량은 밀도의 정확한 측정에 중요한 역할을 하므로 사용되는 저울이 밀도 Application의 요구 사항을 충족하는 것이 중요합니다. 작은 샘플의 경우, 저울의 최소 순 샘플 중량을 고려해야 하며, 이 중량 미만의 샘플을 칭량하는 것은 필요한 정확도 수준이라고 신뢰할 수 없습니다.
데이터 처리
샘플 데이터, 중량 값 및 밀도 계산을 수동으로 기록하는 것은 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉽습니다.
해독도가 1 mg 이상인 대부분의 메틀러 토레도 분석 및 정밀 저울 은 몇 가지 간단한 단계를 통해 저울에 장착된 밀도 키트를 사용하여 부력 기법을 통해 밀도를 측정하는 데 쉽게 사용할 수 있습니다.
저울을 사용하여 고체의 밀도를 측정하는 것은 부품의 부피가 중량과 독립적으로 결정되는 다른 방법과 비교할 때 매우 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는 쉽고 편리한 프로세스입니다. 밀도 측정 키트를 추가하여 표준 실험실 저울을 변환하면 이 간단한 절차를 수행하기 위해 전용 장비를 구입할 필요가 없습니다. 따라서 Density Kit 액세서리를 구입하는 것은 매우 비용 효율적인 투자가 됩니다. 알려진 부피의 유리 싱커가 추가됨에 따라 Density Kit는 액체 샘플의 밀도를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다.
내장된 Density 애플리케이션은 단계별 지침을 제공하므로 교육을 받지 않은 작업자도 쉽게 사용할 수 있습니다. 추가 혜택:
부피가 큰 샘플의 밀도 측정
밀도 측정 키트에 맞지 않는 부피가 큰 샘플의 경우, 0.1 g 및 0.01 g 해독도를 갖춘 메틀러 토레도 정밀 저울을 전용 후크를 추가하여 저울 이하의 칭량으로 변환할 수 있습니다. 밀도 측정 원리는 정확히 동일합니다. 샘플은 공기 중에서 칭량되고 다시 기준 액체에서 칭량됩니다.
메틀러 토레도 Excellence 레벨 저울과 LabX 소프트웨어의 조합은 더 높은 수준의 데이터 관리 및 공정 보안을 제공합니다. Excellence 분석 및 정밀 저울은 밀도 측정을 위해 Density Kit와 함께 설정할 수 있습니다. LabX는 밀도 SOP가 정확하게 준수되도록 보장합니다. LabX는 모든 중량 값을 기록하고 모든 계산을 수행하며 모든 결과를 중앙 데이터베이스에 안전하게 저장합니다. 밀도 어플리케이션과 관련된 모든 데이터를 내부 데이터 관리 시스템으로 직접 전송할 수 있습니다.
플라스틱의 밀도 측정은 일관된 플라스틱 품질을 위해 필수적입니다. Application Note는 밀도 측정 키트가 포함된 메틀러 토레도 MX, MR 또는 MA 분석 저울의 통합 어플리케이션을 사용하여 고체 플라스틱 부품의 밀도를 쉽게 측정할 수 있는 방법을 설명합니다.
고체의 밀도 측정을 위한 가장 좋은 절차는 부력 및 변위 방법이며, 둘 다 아르키메데스의 원리를 기반으로 합니다. 이러한 방법의 전제 조건은 샘플 물질과 반응하지 않고 완전히 적시는 알려진 밀도의 액체를 사용하는 것입니다. 액체에 습윤제를 첨가할 수 있습니다.
통합 저울 Application은 단계별 지침을 제공합니다. Excellence 수준 저울에는 5가지 밀도 측정 방법을 위한 업무 흐름이 있습니다. 고급 및 표준 수준 저울에는 2에 대한 작업 흐름이 있습니다.
밀도 측정 키트와 함께 옵션인 10mL 유리 싱커 를 사용하여 액체의 밀도를 측정할 수 있습니다. 공기와 액체에서 싱커의 무게 차이는 밀도를 계산하는 데 사용됩니다. 또는 비중병계 또는 디지털 밀도계 를 사용할 수 있습니다.
Density Kit의 칭량 바스켓은 뒤집을 수 있어 가벼운 샘플이 액체 아래에 보관되어 표면으로 떠오르지 않도록 할 수 있습니다. 부력이 바스켓 장치보다 큰 경우, 밀도 측정 키트의 상단 칭량 팬에 추가 중량을 놓고 밀도 측정 절차를 다시 시작하십시오. 또는 밀도가 더 낮은 다른 기준 액체를 사용하십시오.
기준 액체에 습윤제 몇 방울을 추가합니다. 용해된 가스를 방출하기 위해 밤새 그대로 두십시오. 부드러운 브러시를 사용하여 샘플과 Density Kit에 묻은 기포를 털어냅니다.
밀도 측정의 정확도는 방법의 허용 오차(기포 등)와 온도 측정 및 중량 측정의 정확도에 의해 영향을 받습니다. 모든 저울에 대한 모든 측정은 불확도의 영향을 받습니다. 이러한 불확도를 이해하는 것이 정확한 계량 결과를 보장하는 열쇠입니다. 계량 기기의 정확도를 결정하는 것은 가독성이 아니라 반복성과 최소 순 샘플 중량입니다.
귀하의 요구에 적합한 저울을 찾으려면 칭량하고자 하는 최소량과 이를 얼마나 정확하게 칭량해야 하는지(즉, 허용 오차 범위)를 알아야 합니다.
메틀러 토레도의 글로벌 칭량 표준인 GWP® 는 Application 요건을 충족하는 올바른 저울을 선택하는 데 도움을 줍니다. 현지 담당자에게 무료 잔액 추천을 요청하십시오. 기존 저울이 품질 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오.
ISO 1183-1 규정 준수는 해독도가 0.1 mg 이하인 저울을 필요로 하며, 샘플의 질량이 1 g 이상이어야 한다고 명시하고 있습니다. 해독도가 0.1 mg인 저울에서 최소 1 g의 샘플을 칭량하는 것은 일반적으로 저울의 최소 순 샘플 중량 요건을 위반하지 않습니다. 그러나 필요한 저울 정확도는 필요한 공정 허용 오차와 함께 고려해야 합니다. 메틀러 토레도의 무료 GWP® 추천 서비스는 특정 요구사항에 적합한 저울을 선택하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
밀도 측정 프로세스에는 여러 단계가 있으며, 때로는 저울이 안정될 때까지 잠시 기다려야 하므로 특히 여러 작업으로 바쁠 때 쉽게 잃어버릴 수 있습니다. 통합 저울 Application은 단계별 지침을 제공합니다. 확인 버튼을 눌러 각 지시 사항을 확인하므로 현재 위치를 항상 알 수 있습니다.
바코드 리더를 저울에 연결하여 샘플 ID, 로트 번호 및 주문 번호 등과 같은 메타데이터를 오류 없이 직접 판독할 수 있습니다. 메틀러 토레도 P-50 프린터 라인을 사용하면 메타 데이터와 측정 날짜 및 시간을 결과와 함께 인쇄할 수 있습니다.
일련의 밀도 측정을 수행해야 하는 경우, 메틀러 토레도 저울의 통계 옵션을 통해 데이터의 추세를 신속하게 식별하여 적절한 경우 작업 과정에 대한 결정을 내리는 데 도움을 줄 수 있습니다.
XPE, XSE, MS-TS, ML-T 및 ME-T 저울에는 가장 일반적으로 사용되는 표준 액체에 대한 밀도 데이터베이스가 내장되어 있습니다. 밀도 값은 입력한 온도에 따라 조정됩니다.
XPE, XSE 및 MS-TS 저울의 밀도 Application은 모든 계산을 수행합니다. 온도를 입력하고 사용된 기준 액체를 선택하기만 하면 됩니다. 저울은 중량 값을 기록하고 밀도를 자동으로 계산합니다.
MS-TS, ML-T 및 ME-T 저울의 밀도 Application을 통해 밀도 측정 시리즈에 대한 보고서를 생성하여 출력하거나 USB 스틱에 저장할 수 있습니다. LabX 소프트웨어와 결합된 XPE 및 XSE 저울은 그래프 및 차트를 통해 보다 높은 수준의 보고서 맞춤화를 제공하며 보고서를 LIMS 또는 EPR로 바로 보낼 수 있습니다.
