Wyznaczanie gęstości za pomocą wagi

Badaj gęstość cieczy, ciał stałych i substancji lepkich za pomocą przystawki do wag

Przy wyznaczaniu gęstości ciał stałych najlepiej posłużyć się metodami wykorzystującymi siłę wyporu lub zjawisko wypierania, które opierają się na prawie Archimedesa. W przypadku obu tych metod konieczne jest użycie cieczy o znanej gęstości, która nie reaguje z materiałem próbki, ale dokładnie go zwilża. Do płynu można dodać środek zwilżający.

Waga jest wyposażona w zintegrowaną aplikację, która zawiera szczegółowe instrukcje. W pamięci wag Excellence zapisane są procedury pracy dla 5 metod wyznaczania gęstości. W przypadku wag Advanced i Standard dostępne są procedury dla 2 metod.

Przy badaniu gęstości cieczy przydatny jest opcjonalny pływak szklany o objętości 10 mL przeznaczony do użycia z przystawką do wyznaczania gęstości. W celu obliczenia gęstości pływak ważony jest w powietrzu i w cieczy. Podstawą do obliczeń jest różnica między uzyskanymi wartościami. Zamiast tego można także skorzystać z piknometru lub gęstościomierza cyfrowego.

Koszyk będący częścią przystawki do wyznaczania gęstości można odwrócić, tak aby lżejsze próbki nie mogły wypłynąć na powierzchnię cieczy. Jeżeli koszyk nie będzie w stanie przeciwstawić się sile wyporu, należy umieścić na górnej szalce przystawki dodatkowy wzorzec masy i rozpocząć ponownie procedurę wyznaczania gęstości. Można również zmienić ciecz referencyjną na taką o mniejszej gęstości.

Do płynu referencyjnego należy dodać kilka kropel środka zwilżającego. Płyn należy pozostawić na noc, aby rozpuszczony gaz ulotnił się. Za pomocą miękkiego pędzelka należy usunąć pęcherzyki z próbki i z elementów przystawki do wyznaczania gęstości.

Na dokładność pomiarów gęstości wpływa tolerancja przyjętej metody (wpływ pęcherzyków itp.), a także pomiar temperatury i dokładność ważenia. Każdy pomiar na KAŻDEJ wadze jest obarczony niepewnością. Kluczem do uzyskania dokładnych wyników ważenia jest zrozumienie jej przyczyn. O dokładności wagi nie decyduje dokładność odczytu, lecz powtarzalność wyników i minimalna masa netto próbki.

Do znalezienia odpowiedniej wagi potrzebna jest znajomość dwóch wartości: najmniejszej masy, jaka będzie ważona oraz wymaganej dokładności (czyli tolerancji ważenia).

Pomocą w wyborze wagi, która spełnia wszystkie wymagania danego zastosowania, może być GWP^{^®} – globalny standard ważenia METTLER TOLEDO. Zwróć się do lokalnego przedstawiciela firmy, aby uzyskać bezpłatną rekomendację dotyczącą wyboru wagi. Określ, czy waga, którą posiadasz, spełnia wymagania w zakresie jakości.

GWP Recommendation

Zachowanie zgodności z wymogami normy ISO 1183-1 wymaga wagi o dokładności odczytu 0,1 mg lub wyższej. Norma stanowi też, że próbka powinna mieć masę co najmniej 1 g. Ważenie próbek o masie nie niższej niż 1 g na wadze o dokładności odczytu 0,1 mg jest ogólnie zgodne z wymogami dotyczącymi zapewnianego przez wagę dolnego zakresu masy ważonej próbki. Wymaganą dokładność należy jednak rozpatrywać w połączeniu z żądaną tolerancją procesu. Nasza bezpłatna usługa GWP^{^®} Recommendation ułatwia wybór wagi odpowiadającej konkretnym wymaganiom.

GWP Recommendation

Proces pomiaru gęstości składa się z kilku etapów, a dodatkowo czasami trzeba zaczekać na ustabilizowanie się wagi. W takiej sytuacji łatwo się pogubić – szczególnie, gdy wykonuje się kilka zadań na raz. Waga jest wyposażona w zintegrowaną aplikację, która zawiera szczegółowe instrukcje. Każdy krok należy potwierdzić przyciskiem OK, więc określenie aktualnego etapu procedury nie stanowi problemu.

Rozwiązaniem jest podłączenie do wagi czytnika kodów kreskowych, który umożliwi bezpośredni i bezbłędny odczyt metadanych, takich jak identyfikator próbki, numer partii, numer zamówienia itp. Drukarki METTLER TOLEDO z linii P-50 umożliwiają drukowanie wyników uzupełnionych o metadane oraz datę i godzinę wykonania pomiaru.

Wagi METTLER TOLEDO oferują funkcję statystyki, która pozwala szybko zidentyfikować trendy w wynikach serii pomiarów gęstości i w razie potrzeby pomaga wybrać kierunek działań.

Wagi XPE, XSE, MS-TS, ML-T i ME-T mają wbudowaną bazę danych z wartościami gęstości najczęściej używanych cieczy referencyjnych. Wartość gęstości jest odpowiednio korygowana do temperatury podanej przez użytkownika.

Wagi XPE, XSE i MS-TS oferują funkcję, która umożliwia automatyzację wszystkich obliczeń gęstości. Rola użytkownika sprowadza się do podania temperatury i wybrania używanej cieczy referencyjnej. Waga rejestruje wartości masy i automatycznie wylicza gęstość.

Aplikacja do pomiarów gęstości w wagach MS-TS, ML-T i ME-T umożliwia przygotowanie raportu z wyników serii pomiarów, który można następnie wydrukować albo zapisać w pamięci USB. Większe możliwości personalizacji raportów oferują wagi XPE i XSE w połączeniu z oprogramowaniem LabX. Umożliwiają one stosowanie wykresów i tabel, a także bezpośrednie przesyłanie raportów do systemu LIMS EPR.

Przegląd
Aplikacje
Publikacja
Powiązane produkty
Więcej informacji

Wyznaczanie gęstości próbki to istotny element kontroli jakości surowców i produktów gotowych. Istnieje wiele technik umożliwiających precyzyjny pomiar gęstości ciał stałych, cieszy i substancji lepkich, takich jak metale, tworzywa sztuczne, chemikalia, smary czy produkty spożywcze.

Wyznaczanie gęstości w kontroli jakości

Zmienność struktury surowca, która wyraża się zmianami w jego gęstości, może mieć ujemny wpływ na jakość lub działanie produktu końcowego. Wyniki pomiaru gęstości surowców pozwalają potwierdzić ich czystość. Umożliwia to wykrycie oszustw polegających na zamianie substancji na tańszy surowiec alternatywny, ponieważ w takim przypadku gęstość materiału złożonego różni się od gęstości czystej substancji.

Wyznaczanie gęstości może służyć także do zapewnienia jednorodności produktu. Brak jednorodności wytworzonego produktu może oznaczać, że nie będzie on zachowywać kluczowych parametrów, takich jak wytrzymałość lub odporność na pękanie. Przykładowo, nawet pęcherzyk powietrza może sprawić, że pod wpływem naprężeń dana część ulegnie uszkodzeniu. Prostym i ekonomicznym sposobem monitorowania jakości jest badanie losowo wybranych części.

Dlaczego dokładne ważenie jest niezwykle ważne

W laboratoriach do wyznaczania gęstości używa się procedur grawimetrycznych, które wykorzystują siłę wyporu, zjawisko wypierania lub piknometrię.

Najczęściej stosowana technika wykorzystuje siłę wyporu i opiera się na prawie Archimedesa, zgodnie z którym ciało zanurzone w płynie pozornie traci na wadze tyle, ile waży wyparty przez nie płyn. To właśnie ta starożytna zasada, sformułowana około 200 r. p.n.e., służy i dziś do grawimetrycznego wyznaczania gęstości. Dokładność pomiaru gęstości w dużym stopniu zależy więc od dokładności wyników ważenia.

Aby dowiedzieć się więcej, przejdź do wybranej sekcji:

Przebieg pracy i wyzwania
Rozwiązania METTLER TOLEDO
Często zadawane pytania

Procedury pracy przy wyznaczaniu gęstości próbek ciał stałych

Wykorzystanie siły wyporu – prawo Archimedesa w praktyce

Prawo Archimedesa mówi, że na ciało zanurzone częściowo lub całkowicie w płynie działa siła wypychająca je do góry. Wielkość tej siły jest równa
masie płynu wypartego przez to ciało.

Ciała stałe waży się w powietrzu (A), a następnie w cieczy pomocniczej (B) o znanej gęstości. Gęstość ciała stałego ρ można zatem obliczyć w następujący sposób:

Calculation formula for density in solid sample

ρ = gęstość próbki

A = masa próbki w powietrzu

B = masa próbki w cieczy pomocniczej

ρ₀ = gęstość cieczy pomocniczej

ρ_L = gęstość powietrza

Podczas pomiarów należy uwzględnić także temperaturę płynu, ponieważ 1°C może powodować zmiany gęstości rzędu 0,001–0,1,
co w wyniku odpowiada trzeciemu miejscu po przecinku.

	Grawimetryczna, siła wyporu	Grawimetryczna, wypieranie	Piknometr	Gęstościomierz cyfrowy
Metody	Zlewka na ciecz pomocniczą znajduje się na platformie lub poniżej wagi.	Zlewka na ciecz pomocniczą stoi na wadze.	Szklana zlewka o określonej objętości.	Rozwiązanie z wibrującą rurką
Zastosowania	Ciała stałe Ciecze (ze szklanym pływakiem)	Substancje o konsystencji pasty (ze sferą gamma) Ciecze (ze szklanym pływakiem) Ciała stałe	Ciecze, dyspersje Proszki Granulaty	Ciecze Gazy
Zalety	Szybki przebieg Elastyczność w zakresie wielkości próbki Waga jest już dostępna	Szybki przebieg Waga jest już dostępna	Duża dokładność Waga jest już dostępna	Szybki przebieg Precyzyjne sterowanie temperaturą z użyciem modułów Peltiera Automatyczny pomiar gęstości Mała objętość próbki
Wady	Wrażliwość na temperaturę Zwilżanie próbki wymaga dużej ostrożności Nie może dojść do uwięzienia pęcherzyków powietrza	Wrażliwość na temperaturę Wymagana duża objętość próbki	Wrażliwość na temperaturę Duża pracochłonność Duża czasochłonność Nie może dojść do uwięzienia pęcherzyków powietrza	Próbki substancji lepkich wymagają stosowania korekty (funkcja dostępna w nowoczesnych urządzeniach).

Jeżeli masa i objętość próbki (ciała stałego lub cieczy) są znane, jej gęstość można obliczyć ze wzoru:

Calculation of density by mass and volume

Kłopoty z objętością

Dokładne zważenie próbki nie jest trudne, ale precyzyjne określenie jej objętości może okazać się wyzwaniem.

Siła wyporu

Metoda wykorzystująca siłę wyporu pozwala obejść problem wyznaczania objętości próbki, ponieważ waży się ją dwukrotnie w różnych ośrodkach – w powietrzu i w cieczy. Można więc założyć, że przy obu pomiarach objętość próbki będzie taka sama.

Wypieranie

W najprostszej metodzie wykorzystującej wypieranie objętość próbki ciała stałego wyznacza się na podstawie obserwacji wzrostu poziomu cieczy, w której próbka ta jest zanurzana.
Z kolei gdy obiekt o znanej objętości zostanie zanurzony w cieczy o nieznanej gęstości, różnica mas (mierzonych w powietrzu i w cieczy) pozwoli wyznaczyć gęstość tej cieczy.

Piknometr

Piknometr to szklana kolba o specjalnej konstrukcji, zazwyczaj o określonej objętości. Najczęściej służy do wyznaczania gęstości cieczy. Najpierw waży się pusty piknometr, a następnie wypełniony badaną cieczą. Gęstość próbki jest równa różnicy mas (czyli masie próbki) podzielonej przez objętość piknometru.
Piknometria może służyć także do wyznaczania gęstości próbek proszków i granulatów.

Gęstościomierz cyfrowy

Pusta w środku szklana rurka wibruje z określoną częstotliwością. Częstotliwość ta zmienia się po napełnieniu rurki próbkami różnych substancji: im większa masa próbki, tym niższa częstotliwość. Gęstościomierze cyfrowe mierzą częstotliwość i przekształcają wynik na gęstość.

Porównanie czterech metod mierzenia gęstości znajduje się w tabeli poniżej.

	Grawimetryczna, siła wyporu	Grawimetryczna, wypieranie	Piknometr	Gęstościomierz cyfrowy
Metody	Zlewka na ciecz pomocniczą znajduje się na platformie lub poniżej wagi.	Zlewka na ciecz pomocniczą stoi na wadze.	Szklana zlewka o określonej objętości.	Rozwiązanie z wibrującą rurką
Zastosowania	Ciała stałe Ciecze (ze szklanym pływakiem)	Substancje o konsystencji pasty (ze sferą gamma) Ciecze (ze szklanym pływakiem) Ciała stałe	Ciecze, dyspersje Proszki Granulaty	Ciecze
Zasada pomiaru próbek ciał stałych	Próbkę waży się w powietrzu, a następnie w cieczy pomocniczej o znanej gęstości. Gęstość próbki można wyliczyć ze znanej gęstości cieczy oraz z dwóch uzyskanych wyników ważenia. ρ = gęstość próbki A = masa próbki w powietrzu B = masa próbki w cieczy pomocniczej ρ0 = gęstość cieczy pomocniczej ρL = gęstość powietrza	Ciecz pomocniczą o znanej gęstości waży się przed zanurzeniem w niej próbki i po zanurzeniu (tara pozwala bezpośrednio zmierzyć różnicę mas). Znajomość różnicy mas oraz gęstości cieczy pozwala wyznaczyć objętość próbki. Znając objętość i masę próbki, można już wyliczyć jej gęstość.	Piknometr waży się pusty, a następnie napełniony cieczą referencyjną o znanej gęstości. Proszek umieszcza się w uprzednio wyczyszczonym i osuszonym piknometrze. Ważenie pozwala poznać masę próbki proszku. Piknometr następnie napełnia się tą samą cieczą, w której proszek nie może się w żadnym stopniu rozpuszczać. Później piknometr waży się ponownie. Na tej podstawie można określić masę wypartej cieczy i obliczyć gęstość proszku.	nd.
Zasada pomiaru próbek ciekłych	Obiekt referencyjny o znanej objętości (szklany pływak) waży się najpierw w powietrzu, a następnie w cieczy o nieznanej gęstości. Gęstość cieczy można wyliczyć ze znanej objętości pływaka oraz z dwóch uzyskanych wyników ważenia. ρ = gęstość próbki cieczy α = współczynnik korygujący masy (0,99985), który pozwala uwzględnić siłę wyporu działającą w powietrzu na wzorzec masy A = masa obiektu referencyjnego w powietrzu B = masa obiektu referencyjnego w cieczy V = znana objętość obiektu referencyjnego ρL = gęstość powietrza	Ciecz o nieznanej gęstości waży się przed (tara) i po zanurzeniu w niej obiektu referencyjnego (sfery gamma lub szklanego pływaka). Znajomość różnicy mas oraz objętości obiektu referencyjnego pozwala wyznaczyć gęstość próbki cieczy.	Piknometr waży się pusty, a następnie napełniony próbką cieczy. Gęstość próbki cieczy jest równa różnicy mas podzielonej przez objętość piknometru.	Próbkę umieszcza się w pustej szklanej rurce w kształcie litery „U”, która stanowi część urządzenia. Gęstość próbki wyznacza się, mierząc częstotliwość wibracji rurki. Im niższa częstotliwość, tym wyższa gęstość próbki.

Wyznaczanie gęstości cieczy z użyciem gęstościomierzy cyfrowych

Gdy trzeba zmierzyć nie tylko gęstość, z pomocą przychodzą gęstościomierze cyfrowe, które dodatkowo z dużą precyzją i w krótkim czasie pozwalają wyznaczyć ciężar właściwy i inne powiązane właściwości próbek cieczy (np. procentową zawartość alkoholu, stopień BRIX czy stopień API).

Pomiary z użyciem gęstościomierzy cyfrowych

Standardy dotyczące wyznaczania gęstości

Istnieje wiele standardów i norm dotyczących wyznaczania gęstości próbek ciał stałych. Oto niektóre z najczęściej stosowanych:

ISO 1183-1: Tworzywa sztuczne – sposoby wyznaczania gęstości niekomórkowych tworzyw sztucznych
OIML G 14: Pomiar gęstości według OIML
ASTM-D-792: Standardowe metody badania gęstości i ciężaru właściwego

Norma ISO 1183-1 określa wykorzystanie wagi analitycznej wskazującej wynik z dokładnością do 4 miejsca dziesiętnego.

Problemy z gęstością nasypową

Gęstość nasypowa to określenie liczby cząstek, części lub elementów zawartych w mierzonej objętości. Gęstość nasypowa nie jest właściwością samego materiału. Do gęstości nasypowej wlicza się puste przestrzenie między cząstkami lub elementami, a także pustki wewnątrz samych elementów. Gęstość nasypowa może się zmieniać zależnie od sposobu postępowania z materiałem. Przykładowo, potrząsanie pojemnikiem umożliwia ułożenie się cząstek materiału i zwiększa jego ogólną gęstość nasypową.

Potrzebujesz pomocy?

Pomiar gęstości to niezwykle istotny element kontroli jakości surowców i produktów gotowych. Zdajemy sobie sprawę, że uzyskanie dokładnych wyników pomiaru gęstości wymaga uwzględnienia wielu czynników. Oferujemy usługi zespołu ekspertów, którzy mogą pomóc w wyznaczaniu gęstości oraz doradzić w zakresie wyboru odpowiedniej wagi lub przystawki do wyznaczania gęstości.
Skontaktuj się z nami, aby uzyskać pomoc.

Wyzwania związane z pomiarem gęstości ciał stałych

Wyzwania związane z dokładnym pomiarem gęstości ciał stałych

Pęcherzyki

Najwięcej błędów w pomiarach gęstości jest spowodowanych ograniczoną zwilżalnością próbki. Bardzo ważne jest, aby po zanurzeniu próbki w cieczy usunąć wszelkie pęcherzyki przylegające do powierzchni próbki i urządzenia. Pęcherzyki powodują powstanie siły wyporu i zniekształcenie wyników obliczeń gęstości. (Pęcherzyk o średnicy 1 mm wytwarza siłę wyporu o wartości 0,5 mg). Nasze zalecenia:

Należy zastosować środek zwilżający albo ciecz organiczną (zmiana gęstości wody destylowanej spowodowana dodaniem kilku kropel środka zwilżającego jest pomijalna).
Trzeba odtłuścić ciała stałe odporne na rozpuszczalnik.
Należy regularnie czyścić urządzenia.
Nie można dotykać gołymi rękami elementów, które mają być zanurzone.
Oporne pęcherzyki powietrza powinno się usuwać delikatnym pędzelkiem.

Temperatura

Ciała stałe są z reguły na tyle niewrażliwe na wahania temperatury otoczenia, że związane z nimi zmiany gęstości nie odgrywają żadnej roli. Temperatura musi być jednak brana pod uwagę, ponieważ do wyznaczania gęstości używa się cieczy pomocniczej. Temperatura silniej wpływa na ciecze i może powodować zmiany gęstości rzędu od 0,1 do 1‰ na 1°C.

Ten wpływ będzie widoczny w wyniku już na trzecim miejscu po przecinku. Dla większej precyzji pomiaru zalecamy, aby uwzględniać temperaturę cieczy pomocniczej przy wszystkich pomiarach gęstości. Wartości można sprawdzić w odpowiednich zbiorach tabel. Gęstości najważniejszych cieczy referencyjnych (H₂O i etanolu) są zapisane w pamięci wagi.

Ważenie

Jak już wspomniano, ważenie jest istotne dla dokładnego pomiaru gęstości, dlatego kluczowe znaczenie ma użycie wagi, która będzie odpowiadać wymaganiom tego zastosowania. Gdy próbki są małe, należy sprawdzić, jaki dolny limit masy netto próbki ma posiadana waga, ponieważ nie można przyjmować, że próbki o masie niższej niż ten limit zostaną zważone z wymaganą dokładnością.

Obsługa danych

Ręczne przepisywanie danych próbek, wartości masy oraz obliczeń gęstości to pracochłonne zajęcie, przy którym łatwo o pomyłkę.

Rozwiązanie METTLER TOLEDO do wyznaczania gęstości próbek metodą grawimetryczną

Do wyznaczania gęstości techniką wykorzystującą siłę wyporu nadaje się większość wag precyzyjnych i analitycznych METTLER TOLEDO o dokładności odczytu nie mniejszej niż 1 mg, jeżeli zamontuje się na nich przystawkę do wyznaczania gęstości. Proces montażu jest prosty i wymaga zaledwie kilku czynności.

Wyznaczanie gęstości ciał stałych z użyciem wagi to łatwy i wygodny proces, a ponadto dostarcza bardzo wiarygodne wyniki w porównaniu z metodami, w których objętość badanego elementu określa się niezależnie od jego masy. Zamontowanie przystawki do wyznaczania gęstości na standardowej wadze laboratoryjnej pozwala wykonywać tę prostą procedurę bez konieczności zakupu specjalnych urządzeń. Dzięki temu zakup przystawki do wyznaczania gęstości staje się bardzo korzystną inwestycją. Zastosowanie szklanego pływaka o znanej objętości pozwala wykorzystać przystawkę także do pomiaru gęstości próbek ciekłych.

Dzięki wbudowanej aplikacji Density, która wyświetla szczegółowe instrukcje, nawet niewyszkolony użytkownik bez trudu poradzi sobie z jej użyciem. Dalsze zalety tego rozwiązania to:

Duża elastyczność ułatwiająca przystosowanie do wymagań procesów użytkownika
Automatyczne obliczanie gęstości ciał stałych i cieczy z adiustacją temperatury cieczy referencyjnej
Statystyczna ocena wielu próbek
Wszystkie wyniki, wraz z informacjami o użytkowniku, identyfikatorem próbki, numerem partii, datą i godziną można wydrukować lub zapisać w pamięci USB.

Pomiar gęstości próbek o dużych rozmiarach

Jeżeli rozmiar próbki uniemożliwia użycie przystawki do wyznaczania gęstości, precyzyjne wagi METTLER TOLEDO o dokładności odczytu 0,1 g i 0,01 g można wyposażyć w haczyk, aby ważoną próbkę umieścić pod wagą. Sama zasada pomiaru nie zmienia się – próbkę waży się w powietrzu, a następnie w cieczy referencyjnej.

Film: Wyznaczanie gęstości w praktyce

Obejrzyj film i przekonaj się, jak łatwy jest pomiar gęstości próbek z użyciem wag laboratoryjnych METTLER TOLEDO. Przystawka do wyznaczania gęstości umożliwia pomiar gęstości ciał stałych i cieczy oraz substancji porowatych i lepkich. Dzięki szczegółowym instrukcjom i automatyzacji obliczeń wykonanie całego procesu jest proste.

Wyznaczanie gęstości w celu zapewnienia jakości tworzyw sztucznych

Bezpłatna nota aplikacyjna: Łatwe wyznaczanie gęstości w celu zapewnienia niezmiennej jakości tworzyw sztucznych

Wyznaczanie gęstości jest niezbędne dla zachowania niezmiennej jakości tworzyw sztucznych. W nocie aplikacyjnej opisano, w jaki sposób można łatwo wyznaczać gęstość części z tworzyw sztucznych przy użyciu zintegrowanej aplikacji do wag analitycznych METTLER TOLEDO MS-TS, ML-T lub ME-T z przystawką do wyznaczania gęstości.

Rozbudowane funkcje zarządzania danymi i bezpieczeństwa procesów

LabX Software connects all instruments

Połączenie wagi Excellence METTLER TOLEDO z oprogramowaniem LabX pozwala usprawnić zarządzanie danymi i uzyskać większe bezpieczeństwo procesów. Wagi analityczne i precyzyjne Excellence można wyposażyć w przystawkę do wyznaczania gęstości. Oprogramowanie LabX gwarantuje ścisłe przestrzeganie procedur SOP. Rejestruje ono wszystkie wyniki ważenia, wykonuje wszelkie obliczenia i bezpiecznie zapisuje uzyskane wyniki w scentralizowanej bazie danych. Wszelkie dane dotyczące wyznaczania gęstości można bezpośrednio przesyłać do wewnętrznego systemu zarządzania danymi.