Đo mật độ của mẫu là một thông số chất lượng quan trọng của cả nguyên liệu thô và thành phẩm. Các kỹ thuật khác nhau cho phép xác định chính xác mật độ của vật liệu rắn, nhớt và lỏng, ví dụ như kim loại, nhựa, hóa chất, chất bôi trơn và thực phẩm.
Mật độ để kiểm soát chất lượng
Sự thay đổi trong nguyên liệu thô, được biểu thị bằng sự thay đổi mật độ, có thể có tác động bất lợi đến chức năng hoặc chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Phép đo mật độ của nguyên liệu thô có thể được sử dụng để xác nhận độ tinh khiết của vật liệu. Nếu một chất đã được pha trộn với một chất thay thế rẻ hơn, mật độ đo được của vật liệu tổng hợp sẽ khác với chất tinh khiết.
Mật độ cũng có thể được sử dụng để đảm bảo tính đồng nhất. Nếu một bộ phận được sản xuất không đồng nhất, các thuộc tính hiệu suất chính như độ bền và khả năng chống nứt có thể bị ảnh hưởng. Ví dụ, một bong bóng khí bên trong cuối cùng có thể khiến một bộ phận bị hỏng khi chịu ứng suất. Lấy mẫu ngẫu nhiên các bộ phận là một cách đơn giản và tiết kiệm chi phí để theo dõi chất lượng liên tục.
Tại sao cân chính xác là rất quan trọng
Các quy trình đo trọng lượng phổ biến trong phòng thí nghiệm để xác định mật độ là kỹ thuật lực đẩy, nguyên lý dịch chuyển và phương pháp Pycnometer.
Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là kỹ thuật lực đẩy sử dụng nguyên lý Archimedes: một vật thể ngâm trong chất lỏng cho thấy sự mất trọng lượng rõ ràng bằng trọng lượng của chất lỏng mà nó dịch chuyển. Nguyên lý cổ xưa này, có từ khoảng năm 200 trước Công nguyên, chính xác là những gì được sử dụng ngày nay để xác định mật độ theo phương pháp đo trọng lượng. Do đó, phép đo mật độ chính xác phụ thuộc nhiều vào các giá trị trọng lượng chính xác. Ví dụ, máu chứa dung dịch đệm tự nhiên để duy trì độ pH ổn định từ 7,35 đến 7,45 để các enzym của chúng ta hoạt động chính xác. Vì hoạt động của enzyme thay đổi theo pH, nên việc duy trì độ pH không đổi là điều cần thiết trong các xét nghiệm sinh hóa để đảm bảo mức độ hoạt động chính xác được quan sát. Trong các ứng dụng thương mại, dung dịch đệm có thể được tìm thấy trong dầu gội đầu để ngăn ngừa kích ứng da, trong kem dưỡng da trẻ em để ức chế sự phát triển của vi khuẩn và trong dung dịch kính áp tròng để đảm bảo độ pH của chất lỏng vẫn tương thích với mức độ pH của mắt.
Chuẩn bị dung dịch đệm bao gồm một số bước: Cân các thành phần, hòa tan các thành phần, điều chỉnh độ pH và bổ sung đến thể tích cuối cùng. Vì tỷ lệ axit và bazơ trong dung dịch đệm có liên quan trực tiếp đến độ pH cuối cùng, điều quan trọng là phải cân các thành phần với độ chính xác cao. Vì vậy, điều quan trọng là thiết bị được sử dụng (cân, pipet và máy đo pH) phải được hiệu chuẩn đúng cách và đảm bảo độ chính xác.
Xem cách đo mật độ bằng cân phòng thí nghiệm METTLER TOLEDO của bạn đơn giản như thế nào. Bộ dụng cụ đo mật độ cho phép bạn xác định mật độ của các chất rắn, lỏng, xốp và nhớt. Với hướng dẫn từng bước và tính toán tự động, toàn bộ quá trình trở nên dễ dàng.
Phương pháp lực đẩy - Nguyên tắc của Archimedes trong thực tế
Nguyên lý Archimedes nói rằng một vật thể được nhúng một phần hoặc toàn bộ trong chất lỏng sẽ chịu một lực đẩy tác động lên nó theo hướng lên trên. Độ lớn của lực này tương đương với trọng lượng của chất lỏng bị vật thể chiếm chỗ.
Chất rắn được cân trong không khí (A) và sau đó được cân một lần nữa trong chất lỏng phụ có mật độ đã biết (B). Mật độ của chất rắn ρ có thể được tính như sau:
ρ = Mật độ của mẫu
A = Trọng lượng của mẫu trong không khí
B = Trọng lượng của mẫu trong chất lỏng phụ trợ
ρ0 = Mật độ của chất lỏng phụ trợ
ρL = Mật độ của không khí
Nhiệt độ của chất lỏng phải được tính đến vì điều này có thể gây ra sự thay đổi mật độ theo cấp độ từ 0,001 đến 0,1 trên ° C, tác động của nó có thể được nhìn thấy ở chữ số thập phân thứ ba của kết quả.
| Trọng lực, Lực đẩy | Trọng lực, Độ dịch chuyển | Pycnometer | Máy đo mật độ kỹ thuật số | |
| Phương pháp |
Cốc đựng chất lỏng phụ trợ đặt trên bệ hoặc bên dưới cân. |
Cốc đựng chất lỏng phụ đặt trên cân. |
Cốc thủy tinh có thể tích xác định. |
Công nghệ ống dao động |
| Thích hợp cho |
|
|
|
|
| Lợi thế |
|
|
|
|
| Khó khăn |
|
|
|
|
Nếu bạn biết khối lượng và thể tích của mẫu (chất rắn hoặc chất lỏng), mật độ có thể được tính từ:
Khó khăn với thể tích
Cân chính xác một mẫu khá đơn giản, nhưng xác định chính xác thể tích của mẫu có thể là một thách thức.
Lực đẩy
Phương pháp lực đẩy tránh được vấn đề xác định thể tích vì nó liên quan đến việc cân mẫu hai lần trong hai môi trường khác nhau (không khí và chất lỏng). Do đó, thể tích có thể được giả định là không đổi trong cả hai trường hợp.
Dịch chuyển
Trong ứng dụng đơn giản nhất của phương pháp dịch chuyển, thể tích của mẫu rắn được xác định bằng cách quan sát sự gia tăng mực chất lỏng mà mẫu bị ngập trong đó.
Ngược lại, khi một vật thể có thể tích đã biết bị chìm trong chất lỏng có mật độ chưa xác định, thì có thể sử dụng sự chênh lệch giữa các giá trị trọng lượng (trong không khí và trong chất lỏng) để xác định mật độ của chất lỏng.
Pycnometer
Pycnometer là một bình thủy tinh được thiết kế đặc biệt, thường có thể tích xác định. Bình này thường được sử dụng để xác định mật độ của chất lỏng. Đầu tiên, cân Pycnometer rỗng rồi cân đầy chất lỏng đang nghiên cứu. Sự chênh lệch (tức là khối lượng của mẫu) chia cho thể tích của pycnometer là mật độ của mẫu.
Phương pháp pycnometer cũng có thể được sử dụng để xác định mật độ của các mẫu bột hoặc hạt.
Máy đo mật độ kỹ thuật số
Một ống thủy tinh rỗng rung ở một tần số nhất định. Tần số thay đổi khi ống chứa đầy các chất khác nhau: khối lượng của mẫu càng lớn thì tần số càng thấp. Máy đo mật độ kỹ thuật số hoạt động bằng cách đo tần số và chuyển đổi nó thành mật độ.
Vui lòng xem bảng dưới đây để so sánh bốn phương pháp khác nhau này.
| Trọng lực, lực đẩy | Trọng lực, độ dịch chuyển | Pycnometer | Máy đo mật độ kỹ thuật số | |
| Phương pháp |
Cốc đựng chất lỏng phụ trợ đặt trên bệ hoặc bên dưới cân. |
Cốc đựng chất lỏng phụ trợ đặt trên cân. |
Cốc thủy tinh có thể tích xác định. |
Công nghệ ống dao động |
| Thích hợp cho |
|
|
|
|
| Nguyên tắc đo lường cho Một mẫu rắn | Mẫu được cân một lần trong không khí và một lần ngâm trong chất lỏng phụ có mật độ đã biết. Mật độ của mẫu rắn có thể được xác định từ mật độ đã biết của chất lỏng và hai giá trị khối lượng.  ρ,= Mật độ của mẫu A, = Trọng lượng của mẫu trong không khí B, = Trọng lượng của mẫu trong chất lỏng phụ trợ ρ0, = Mật độ của chất lỏng phụ trợ ρL, = Mật độ của không khí | Chất lỏng phụ trợ có mật độ đã biết được cân trước và sau khi nhúng mẫu (có thể sử dụng khối lượng bì để đo trực tiếp chênh lệch khối lượng). Sử dụng chênh lệch khối lượng và mật độ chất lỏng, thể tích của mẫu có thể được xác định. Sau đó, thể tích này được sử dụng cùng với khối lượng của mẫu để tính mật độ của mẫu. | Đầu tiên, cân pycnometer rỗng rồi lại cân đầy chất lỏng tham chiếu có mật độ đã biết. Bột được thêm vào pycnometer đã làm sạch và sấy khô. Nó được cân để xác định trọng lượng của mẫu bột. Sau đó, pycnometer được đổ đầy cùng một chất lỏng mà bột phải hoàn toàn không tan. Pycnometer được cân lại. Sau đó, thể tích của chất lỏng dịch chuyển có thể được xác định, và do đó tính được mật độ của bột. | N/a |
| Nguyên tắc đo lường cho một mẫu chất lỏng | Vật tham chiếu có thể tích đã biết (thủy tinh chìm) được cân một lần trong không khí và một lần trong chất lỏng có mật độ chưa xác định. | Trọng lượng của chất lỏng có mật độ chưa xác định được đo trước và sau khi nhúng vật tham chiếu (hình cầu gamma hoặc thủy tinh chìm). Sử dụng chênh lệch khối lượng và thể tích đã biết của vật tham chiếu, có thể xác định mật độ của mẫu chất lỏng. | Đầu tiên, pycnometer được cân rỗng và sau đó được làm đầy với mẫu lỏng. Chênh lệch khối lượng chia cho thể tích của pycnometer là mật độ của chất lỏng. | Mẫu được thêm vào một ống thủy tinh rỗng hình chữ U trong thiết bị. Mật độ của mẫu được xác định bằng cách đo tần số rung động của ống. Tần số rung động càng thấp thì mật độ của mẫu càng cao. |
Nếu không chỉ quan tâm đến mật độ, máy đo mật độ kỹ thuật số đo mật độ, trọng lượng riêng và các thuộc tính liên quan khác của mẫu chất lỏng (độ cồn%, độ BRIX°, API) với độ chính xác cao và thời gian đo ngắn.
Có nhiều tiêu chuẩn và quy chuẩn để xác định mật độ trong các mẫu rắn. Một số tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất là:
ISO 1183-1 chỉ định sử dụng cân phân tích 4 chữ số thập phân.
Khối lượng riêng là thước đo số lượng hạt, bộ phận hoặc mảnh được chứa trong một thể tích đã đo. Khối lượng riêng không phải là một đặc tính của chính vật liệu. Khối lượng riêng bao gồm khoảng cách giữa các hạt hoặc vật phẩm cũng như bất kỳ khoảng trống nào bên trong chính các vật phẩm đó. Khối lượng riêng có thể thay đổi tùy thuộc vào cách xử lý vật liệu; ví dụ, lắc một thùng chứa sẽ cho phép các bộ phận lắng xuống, làm tăng khối lượng riêng tổng thể.
Đo mật độ là một thông số chất lượng cực kỳ quan trọng của cả nguyên liệu thô và thành phẩm. Chúng tôi hiểu rằng có nhiều yếu tố phải được xem xét để đảm bảo kết quả mật độ chính xác. Nếu bạn cần hỗ trợ để xác định mật độ hoặc muốn được tư vấn về cân hoặc bộ dụng dụ mật độ, đội ngũ chuyên gia của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ.
Đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi.
Bọt khí
Cho đến nay, nguồn lỗi lớn nhất trong phép đo mật độ là khả năng thấm ướt hạn chế của mẫu. Khi mẫu được ngâm trong chất lỏng, điều quan trọng là phải loại bỏ tất cả các bọt khí bám vào mẫu và thiết bị. Bất kỳ bong bóng nào còn sót lại sẽ gây ra hiệu ứng lực đẩy và làm sai lệch phép tính mật độ. (Một bong bóng có đường kính 1 mm gây ra lực đẩy là 0,5 mg.) Chúng tôi khuyến nghị:
Nhiệt độ
Chất rắn thường không nhạy cảm với biến động nhiệt độ môi trường xung quanh nên những thay đổi về mật độ tương ứng không có hậu quả gì. Tuy nhiên, khi xác định mật độ bằng chất lỏng phụ trợ, cần phải tính đến nhiệt độ. Nhiệt độ có tác động lớn hơn đối với chất lỏng và gây ra những thay đổi về mật độ theo cấp độ từ 0,1 đến 1‰ trên °C.
Hiệu ứng này đã rõ ràng ở chữ số thập phân thứ ba của kết quả. Để có được kết quả chính xác, chúng tôi khuyên bạn nên luôn tính đến nhiệt độ của chất lỏng phụ trợ trong mọi lần xác định mật độ. Các giá trị có sẵn trong các sổ bảng chuyên dụng. Mật độ của các chất lỏng tham chiếu quan trọng nhất (H2O và Ethanol) được lưu trữ trong cân.
Cân
Như đã đề cập ở trên, cân đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác mật độ, vì vậy điều quan trọng là cân được sử dụng phải đáp ứng nhu cầu của ứng dụng mật độ. Đối với các mẫu nhỏ, phải xem xét trọng lượng mẫu tịnh tối thiểu của cân - không thể tin tưởng rằng việc cân một mẫu dưới trọng lượng này sẽ đạt được mức độ chính xác cần thiết.
Xử lý dữ liệu
Việc sao chép thủ công dữ liệu mẫu, giá trị cân và tính toán mật độ rất tốn thời gian và dễ xảy ra lỗi.
Hầu hết các cân phân tích và cân chính xác của METTLER TOLEDO có độ đọc từ 1 mg trở lên đều có thể dễ dàng sử dụng để xác định mật độ thông qua kỹ thuật lực đẩy bằng cách sử dụng bộ dụng cụ đo mật độ được gắn trên cân theo một vài bước đơn giản.
Để đo mật độ của chất rắn bằng cách sử dụng cân là một quy trình dễ dàng và thuận tiện, mang lại kết quả có độ tin cậy cao khi so sánh với các phương pháp khác trong đó thể tích của bộ phận được xác định độc lập với khối lượng. Bằng cách chuyển đổi cân phòng thí nghiệm tiêu chuẩn với việc bổ sung bộ dung cụ đo mật độ, bạn không cần phải mua một thiết bị chuyên dụng để thực hiện quy trình đơn giản này. Điều này khiến việc mua phụ kiện Bộ dụng cụ đo mật độ trở thành khoản đầu tư rất tiết kiệm chi phí. Với việc bổ sung thêm một quả chìm thủy tinh có thể tích đã biết, Bộ dụng cụ đo mật độ cũng có thể được sử dụng để xác định mật độ của các mẫu chất lỏng.
Ứng dụng Density tích hợp cung cấp hướng dẫn từng bước giúp ngay cả những người vận hành chưa được đào tạo cũng có thể dễ dàng sử dụng. Lợi ích hơn nữa từ:
Đo mật độ của các mẫu cồng kềnh
Đối với các mẫu cồng kềnh, không vừa với Bộ đo mật độ, cân chính xác của METTLER TOLEDO có khả năng đọc 0,1 g và 0,01 g có thể được chuyển đổi để cân bên dưới cân thông qua việc bổ sung một móc chuyên dụng. Nguyên tắc đo mật độ hoàn toàn giống nhau; mẫu được cân trong không khí và một lần nữa trong chất lỏng tham chiếu.
Sự kết hợp giữa cân Excellence của METTLER TOLEDO và phần mềm LabX mang lại mức độ quản lý dữ liệu và bảo mật quy trình cao hơn. Cân phân tích và cân chính xác Excellence có thể được thiết lập với Bộ dụng cụ đo mật độ để xác định mật độ. LabX đảm bảo rằng quy trình vận hành chuẩn (SOP) về mật độ của bạn được tuân thủ chính xác. LabX ghi lại tất cả các giá trị trọng lượng, thực hiện tất cả các phép tính và lưu tất cả các kết quả một cách an toàn trong cơ sở dữ liệu trung tâm. Tất cả dữ liệu liên quan đến ứng dụng mật độ của bạn có thể được chuyển trực tiếp đến hệ thống quản lý dữ liệu nội bộ của bạn.
Việc xác định mật độ trong nhựa là điều cần thiết để có chất lượng nhựa đồng nhất. Ghi chú ứng dụng mô tả cách xác định mật độ của các bộ phận nhựa rắn dễ dàng bằng cách sử dụng ứng dụng tích hợp trên cân phân tích METTLER TOLEDO MX, MR hoặc MA với Bộ dụng cụ đo mật độ.
Các quy trình tốt nhất để xác định mật độ chất rắn là phương pháp lực đẩy và dịch chuyển, cả hai đều dựa trên Nguyên tắc Archimedes. Điều kiện tiên quyết cho các phương pháp này là sử dụng chất lỏng có mật độ đã biết không phản ứng với vật liệu mẫu, nhưng làm ướt hoàn toàn. Có thể thêm dung môi làm ướt vào chất lỏng.
Ứng dụng cân tích hợp cung cấp hướng dẫn từng bước. Cân Excellence có quy trình làm việc cho 5 phương pháp xác định mật độ khác nhau. Cân Tiêu chuẩn và Nâng cao có quy trình làm việc cho 2.
Kết hợp với Bộ dụng cụ đo mật độ, bình thủy tinh 10mL tùy chọn cho phép bạn xác định mật độ của chất lỏng. Sự khác biệt về trọng lượng của bình thủy tinh trong không khí và trong chất lỏng được sử dụng để tính toán mật độ. Ngoài ra, có thể sử dụng pycnometer hoặc máy đo mật độ kỹ thuật số.
Giỏ cân trên Bộ dụng cụ đo mật độ có thể được đảo ngược để các mẫu nhẹ hơn được giữ dưới chất lỏng và không thể nổi lên bề mặt. Nếu bạn thấy lực đẩy lớn hơn thiết bị giỏ, hãy đặt thêm một trọng lượng lên đĩa cân trên cùng của Bộ dụng cụ đo mật độ và khởi động lại quy trình xác định mật độ. Ngoài ra, hãy sử dụng chất lỏng tham chiếu khác có mật độ thấp hơn.
Thêm một vài giọt chất làm ướt vào chất lỏng tham chiếu. Để yên qua đêm để giải phóng khí hòa tan. Sử dụng bàn chải mềm để chải bọt khí ra khỏi mẫu và Bộ dụng cụ đo mật độ.
Độ chính xác của phép đo tỷ trọng bị ảnh hưởng bởi dung sai của phương pháp (bọt khí, v.v.) và phép đo nhiệt độ cũng như độ chính xác của các phép đo trọng lượng. Mọi phép đo trên BẤT KỲ cân nào đều có thể không đảm bảo. Hiểu được sự không chắc chắn này là chìa khóa để đảm bảo kết quả cân chính xác. Không phải khả năng đọc xác định độ chính xác của thiết bị cân, mà là độ lặp lại của nó và trọng lượng mẫu ròng tối thiểu.
Để tìm được cân phù hợp với nhu cầu của mình, bạn cần biết lượng cân nhỏ nhất bạn muốn cân và mức độ chính xác của bạn cần cân (tức là ở dung sai bao nhiêu).
Tiêu chuẩn cân toàn cầu của METTLER TOLEDO, GWP® giúp bạn chọn cân phù hợp để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng của bạn. Yêu cầu đại diện địa phương của bạn để được đề xuất số dư miễn phí. Xác định xem cân hiện tại của bạn có đáp ứng các yêu cầu chất lượng của bạn hay không.
Tuân thủ ISO 1183-1 yêu cầu cân có độ đọc từ 0,1 mg trở xuống và quy định rằng mẫu tốt nhất nên có khối lượng ít nhất là 1 g. Cân mẫu ít nhất 1 g trên cân có độ đọc 0,1 mg thường sẽ không vi phạm yêu cầu trọng lượng mẫu thực tối thiểu của cân. Tuy nhiên, độ chính xác của cân cần thiết nên được xem xét kết hợp với dung sai quy trình yêu cầu của bạn. Dịch vụ Đề xuất GWP® miễn phí của chúng tôi có thể giúp bạn chọn số dư phù hợp với nhu cầu cụ thể của mình.
Có một số bước trong quá trình đo mật độ và đôi khi bạn cần đợi một lúc để cân ổn định để có thể dễ dàng bị mất, đặc biệt là khi bạn bận rộn với nhiều nhiệm vụ. Ứng dụng cân tích hợp cung cấp hướng dẫn từng bước. Bạn xác nhận từng hướng dẫn bằng cách nhấn nút OK, vì vậy bạn luôn biết mình đang ở đâu.
Kết nối đầu đọc mã vạch với số dư của bạn để cho phép đọc trực tiếp siêu dữ liệu, chẳng hạn như ID mẫu, số lô và số đơn đặt hàng, v.v. mà không có bất kỳ lỗi nào. Với dòng máy in P-50 của METTLER TOLEDO, siêu dữ liệu, cùng với ngày giờ đo, có thể được in ra cùng với kết quả.
Khi bạn phải thực hiện một loạt các xác định tỷ trọng, tùy chọn thống kê trên cân METTLER TOLEDO cho phép bạn nhanh chóng xác định xu hướng trong dữ liệu của mình, hỗ trợ bạn đưa ra quyết định về quá trình hành động khi thích hợp.
Cân XPE, XSE, MS-TS, ML-T và ME-T có cơ sở dữ liệu mật độ tích hợp cho các chất lỏng tham chiếu được sử dụng phổ biến nhất. Giá trị mật độ được điều chỉnh theo nhiệt độ bạn nhập.
Ứng dụng mật độ trên cân XPE, XSE và MS-TS thực hiện tất cả các tính toán cho bạn. Bạn chỉ cần nhập nhiệt độ và chọn chất lỏng tham chiếu được sử dụng. Cân ghi lại các giá trị trọng lượng và tính toán mật độ tự động.
Ứng dụng mật độ trên cân MS-TS, ML-T và ME-T cho phép bạn tạo báo cáo về chuỗi xác định tỷ trọng mà bạn có thể in ra hoặc lưu trên thẻ USB. Cân XPE và XSE kết hợp với phần mềm LabX cung cấp mức độ tùy chỉnh báo cáo cao hơn với đồ thị và biểu đồ, đồng thời báo cáo có thể được gửi thẳng đến LIMS hoặc EPR của bạn.
