Dichtemessung
Anhand der Dichte lassen sich Substanzen charakterisieren, ihre Qualität oder Reinheit bestimmen und es können Konzentrationen in binären oder quasibinären Mischungen gemessen werden. Die Dichtebestimmung ist zudem ein wichtiges Mittel der Identitätsprüfung von Rohstoffen und Reinstsubstanzen.
Zur Dichte-Messung gibt es unterschiedliche Verfahren
Das Aräometer ist preiswert, aber bei hochviskosen oder dunklen Proben schlecht abzulesen und sehr zerbrechlich. Zudem wird ein Probenvolumen von mindestens 100 ml benötigt, und die maximale Messgenauigkeit von 0,001 g/cm³ setzt eine langwierige exakte Temperierung voraus.
Das Pyknometer – ein ursprünglich als „Dichtefläschchen“ bezeichnetes Glasgefäß mit sehr genau und reproduzierbar bestimmbarem Innenvolumen – dient zur gravimetrischen Dichtemessung. Die Messung ist aufwendig, langwierig und erfordert geschultes Personal.
Unsere leichthandhabbaren Dichtemessgeräte messen mittels Biegeschwinger. Diese liefern gut reproduzierbare, schnelle Ergebnissen, exakte Temperierung und benötigen maximal 1 ml Probenvolumen.
Biegeschwingermethode
Dieses Verfahren macht es sich zunutze, dass die Schwingungsfrequenz eines Körpers von seiner Masse abhängt. Eine U-förmige Kapillare wird mit der Flüssigkeitsprobe gefüllt und piezoelektrisch oder magnetisch zur Schwingung angeregt. Aus der resultierenden Eigenfrequenz des Biegeschwingers lässt sich die Masse und damit die Dichte der Probe berechnen. Messungen mit Biegeschwinger benötigen geringes Probenvolumen und liefern schnell präzise Ergebnisse.
Dichte als Stoffgröße
Die Dichte ist eine charakteristische Stoffgröße und bezeichnet das Verhältnis von Masse (m) zu Volumen (V). Sie wird in g/cm³ oder kg/m³ angegeben. Einfach gesagt: Dichte gibt an, wie eng die Moleküle einer Substanz räumlich beieinander liegen. Als Abkürzung für Dichte wird in der Regel der griechische Buchstabe Rho „ρ“ benutzt. Zum Beispiel beträgt die Dichte von Reinstwasser bei 20,00 °C = 0,998203 g/cm3.
Binäre Systeme
Die Dichtemessung wird auch gern für die Konzentrationsbestimmung von flüssigen Stoffgemischen verwendet. Dies gilt streng genommen für Zweistoffgemische, auch binäre Systeme genannt. Umfangreiche Konzentrationstabellen können im DS7800 für unsere Kunden hinterlegt werden und erleichtern das direkte Ablesen der Konzentration. Aber auch bei der Analyse von komplexen Lösungen wie z.B. Bier oder Fruchtsäften ist die Dichte eine der wichtigsten Bezugsparameter.
Wie funktioniert ein Dichtemessgerät?
Dichtemessung mit Biegeschwinger-Verfahren
Mit der Biegeschwinger-Methode wird die Dichte von Flüssigkeiten gemessen. Die Probe wird in einen U-förmigen Messschwinger gefüllt, der elektronisch zur Schwingung in seiner Eigenfrequenz angeregt wird. Die Resonanzfrequenz des U-Rohrs ändert sich in Abhängigkeit der Dichte der eingefüllten Probe. Die Dichte wird also über die Messung der sich einstellenden Resonanzfrequenz ermittelt. Grob gesagt gilt: Je grösser die Masse der Probe, desto niedriger die Frequenz.
Die Temperatur der Probe ist eine der wichtigsten Einflussgrößen für eine hochgenaue Messung, weshalb die Messzelle sehr genau temperiert werden muss. Weitere Einflussfaktoren sind: Eigenschaften der zu messenden Flüssigkeit wie z. B. die Viskosität und die Kompressibilität, Homogenität und Sedimentationseigenschaften sowie die spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit.
Temperatur und Dichte
In vielen Fällen gilt: Je höher die Temperatur, desto höher ist das Volumen und desto geringer ist die Dichte, sie sinkt. Sinkt die Temperatur, verkleinert sich auch das Volumen und die Dichte wird grösser/steigt. Die Masse der Substanz ändert sich nicht.
Die Temperatur ist wichtig, da sie beeinflusst, wie viel Raum Atome in einem Molekül einnehmen. Schwingungen werden mit steigender Temperatur stärker, wodurch sich die Atome voneinander entfernen, was wiederum zu einem geringeren Dichtewert führt. Eine Veränderung um 0,1 °C bedeutet eine Abweichung des Messwertes um 0,0001 g/cm³ bis 0,0003 g/cm³.
Flüssiges Wasser verhält sich etwas anders: Bei 4°C ist die Dichte des Wasser am größten, um dann bei weiter sinkenden Temperaturen bis 0°C wieder zu sinken.
Aufklappen und alles zur richtigen Probenvorbereitung erfahren
Gute Probenvorbereitung garantiert präzise Dichte-Messungen
Wussten Sie, dass eine Luftblase mit 1 mm Durchmesser in einer Probe einen Fehler von 0,000052 g/cm³ im Messergebnis verursachen kann? Mit dem bloßen Auge häufig kaum erkennbar sind Kleinstblasen oder Luftpolster. Diese können durch unzureichende Benetzung der Zelle entstehen. Auch in dunklen Proben sind Blasen kaum sichtbar. Wenn Sie sich über Ihre Ergebnisse sicher sein wollen, führen Sie mehrere Vergleichsmessungen durch und nehmen Sie den Mittelwert.
Außerdem empfehlen wir das System Ihres Dichtemessgerätes täglich zu überprüfen. Dies geschieht am besten durch die Messung einer Probe mit genau bekannter Dichte, z. B. destilliertes Wasser (0.998203 g/cm³ bei 20°C) oder einem Standard.
Probenvorbereitung in der Übersicht
Viskose Proben
Bei Cremes, Shampoos, Seifen oder Honig besteht die Herausforderung zu verhindern, dass die Probe beim Einführen in die Messzelle Luftblasen enthält. Wir empfehlen hierfür die Probe in einem geschlossenen Gefäß zu erwärmen und vor der Messung ein paar Minuten stehenzulassen. Dadurch nimmt die Viskosität der Probe ab, Luftblasen können sich leichter auflösen.
Flüchtige Proben
Proben mit der Tendenz zum Entgasen sind z. B. Winterkraftstoff, der gelöstes Butan enthält. Hier kommt es häufig, aufgrund der Probenentgasung, zur Luftblasenbildung. Wir empfehlen, derartige Proben in Kühlschrank zu lagern und bei niedrigeren Temperaturen (unter Raumtemperatur) zu messen, da die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit mit sinkender Temperatur steigt.
Proben mit gelösten Gasen
Beim Messen von kohlensäurehaltigen Erfrischungsgetränken mit gelösten Gasen müssen diese vor der Messung entgast werden. Andernfalls sind die erzielten Ergebnisse inkorrekt. Wir empfehlen ein Umrühren der Proben (mehrere Minuten) bis die Blasenbildung aufhört. Alternativ kann die Probe auch durch einen Papierfilter gegeben werden.
Inhomogene Proben/Suspensionen
Wenn Suspensionen wie Mörtel oder Beton (mineralische Suspensionen), Tusche, Wandfarben für eine gewisse Zeit stehengelassen werden, können sich feste Materialien absetzen oder es bildet sich ein Konzentrationsgefälle. Diese Proben sollten vor dem Messen umgerührt werden. Bitte immer sicherstellen, dass beim Rühren keine neuen Luftblasen in die Probe gelangen.
Anspruchsvolle Proben und Mittelwertmessungen
Bei Proben wie z.B. Ketschup oder Cremes ist eine vollständige Homogenisierung häufig nicht möglich. Zudem ist der Eintrag von Luftblasen während der Messung nicht immer vermeidbar.
In diese Fällen empfehlen wir für zuverlässige Messwerte die Messungen mehrmals zu wiederholen und einen Mittelwert der einzelnen Messungen zu berechnen.
Proben und Messwerte
Die Dichte ist eine wichtige Bezugsgröße
Als physikalischer Grundparameter ist die Dichte eine wichtige Bezugsgröße für viele weitere Kenngrößen und Umrechnungen im Laboralltag.
Die Dichte identifiziert Substanzen in ihrer Qualität und Reinheit. Besonders wichtig: Sie ermöglicht hochgenaue Konzentrations- und Gehaltsmessungen.
In enger Zusammenarbeit mit Industrie und Wissenschaft haben wir einfach zu bedienende robuste Dichtemessgeräte mit oszillierender Glasmesszelle entwickelt, die hohen Anforderungen an Genauigkeit, Schnelligkeit und benötigtem Probevolumen genügen. Für jede Arbeitsweise und je nach Art der Probe oder der Ansprüche an die Genauigkeit bieten wir passende Dichtemessgeräte-Sets.
Informieren Sie sich gern: In unserer Tabelle finden Sie für Ihre Orientierung eine alphabetisch sortierte Übersicht typischer Proben und Substanzen. Für die meisten Angaben sind 3 Nachkommastellen der Dichte in g/cm³ bei einer Bezugstemperatur von 20 °C erfasst.
Normen und Richtlinien
Dichtemessung nach Normen und Richtlinien
Normen in der Messtechnik beschreiben Begriffe, Messverfahren und Maßeinheiten. Normen regeln aber auch die Vernetzung durch Vereinheitlichung von Schnittstellen, Kommunikation und sicherer Datenübertragung. Sie ermöglichen eine Gütevereinbarung für Standards und Toleranzen. Wenn auch nicht rechtsverbindlich, so ist normatives Handeln doch mit großer Rechtssicherheit für den Anwender verbunden. Es erleichtert die Auswahl von Geräten und sichert damit die eigenen Prozesse und Produktgüte ab.
Auch Dichtemessgeräte werden unter der Berücksichtigung von Normen konzipiert und genutzt. Normen in der Dichtemessung regeln unter dem Aspekt „best practice“ die Umgebungsbedingungen und Probenvorbereitung wie auch Messtoleranzen, Messbedingungen und Eigenschaften eines Gerätes oder Kalibriermittels. Wer Dichtemessgeräte nach normativen Vorgaben einsetzt, kann gewährleisten, dass Messungen korrekt und nach reproduzierbar ablaufenden Verfahren arbeiten.
Anmerkung: Dies ist eine kurze Gesamtübersicht als Überblick. Welche Vorgaben die unterschiedlichen Dichtemessgeräte-Modelle von A.KRÜSS erfüllen, können wir auch in einer persönlichen Beratung besprechen. Kontaktieren Sie uns gern.
Typische Anwendungsbereiche
Dichtemessung erfolgt in vielen Industrien
Aufgrund der gemessenen Dichte kann auf unterschiedliche Parameter von Proben zurückgerechnet werden. In der Qualitätskontrolle wird mithilfe der Dichte überprüft, ob sich ein Produkt innerhalb definierter Grenzen befindet oder nicht.
Die Dichtemessung erlaubt außerdem in Verbindung mit anderen Verfahren wie der Refraktometrie (Bestimmung des Brechungsindexes) präzise Aussagen über die Qualität auf jeder Stufe des Produktionsprozesses. So lässt sich indirekt die Fließeigenschaft von Ketchup ermitteln, Gummimischungen von Autoreifen analysieren oder Asphaltmischungen bestimmen.
Informieren Sie sich gerne: In unserer Übersicht haben wir unterschiedliche Applikationsbeispiele mit typischen Messsubstanzen gelistet. Dazu sind die unterschiedlichen Anforderungen und Standards aufgeführt. Außerdem haben wir empfohlene Dichtemessgeräte vermerkt. Diese Übersicht dient als Überblick. Welche Geräte passend sind können wir gerne ebenfalls in einer persönlichen Beratung besprechen.
Tipps zur Reinigung
Falsche Reinigung ist der häufigste Grund für fehlerhafte Messergebnisse
Stellen Sie sicher, dass die Messzelle keinerlei Rückstände von früher gemessenen Proben oder Spüllösungen enthält. Ablagerungen früher gemessener Produkte sind nicht immer sichtbar. Wenn beispielsweise öl- oder fetthaltige Produkte gemessen werden, kann sich an der Messzelle ein sehr dünner Ölfilm ablagern. Deshalb ist die Reinigung und anschließende Kontrollmessung unmittelbar nach der Messung besonders wichtig. Je nach gemessener Probe muss ein geeignetes Lösungsmittel für die Reinigung gewählt werden. Es kann sinnvoll sein, die Reinigung mit zwei unterschiedlichen Lösungsmitteln durchzuführen, um bei der anschließenden Trocknung Zeit zu sparen. Dies kann vor allem beim Betrieb eines Autosamplers wichtig werden. Auch die Verdrängung vorheriger mit einer neuen Probe ist eine häufig genutzte und zeitsparende Anwendung.
Reinigung: Der Biegeschwinger wird via Spritze oder Schlauchpumpe mit dem passenden Medium durchgespült. Danach genügt ein Tastendruck, und die Trocknungseinheit beseitigt alle Flüssigkeitsreste. Außerdem lassen sich Reinigungsprozeduren mit halb- oder vollautomatischer Trocknung konfigurieren.
Tipp: Ob der Biegeschwinger sauber und trocken ist, kann mit einer Testmessung ermittelt werden. Trockene Luft sollte bei 20 °C und normalem Luftdruck einen Messwert von etwa 0,0012 g/cm³ ergeben.
Aufklappen & Reinigungsmittel mit gutem Reinigungserfolg kennenlernen:
Zur Reinigung wird der Biegeschwinger via Spritze oder Schlauchpumpe mit dem passenden Medium durchgespült. Danach genügt ein Tastendruck, und die Trocknungseinheit beseitigt alle Flüssigkeitsreste. Außerdem lassen sich Reinigungsprozeduren mit halb- oder vollautomatische Trocknung konfigurieren.
Tipp: Ob der Biegeschwinger sauber und trocken ist, kann mit einer Testmessung ermittelt werden. Trockene Luft weist bei 20 °C und mittlerem Luftdruck (1013.25 hPa) einen Messwert von 0,0012 g/cm³ auf.
| Probe | Reinigungsmittel 1 | Reinigungsmittel 2 |
|---|---|---|
| Branche: Lebensmittel, Getränke und Spirituosen | ||
| Fruchtsäfte, Orangensaft, | Wasser | Ethanol |
| Softdrinks | Wasser | Ethanol |
| Salatdressing, Mayonnaise | Waschbenzin | Ethanol |
| Bier, Bierwürze | Wasser, enzymatischer Laborreiniger (3 % Mucasol) | Ethanol |
| Spirituosen | Ethanol | – |
| Branche: Chemie, Kosmetik, Pharmaindustrie | ||
| Aromen, Duftstoffe, Parfüm | Ethanol, Isopropanol | _ |
| Shampoo | Wasser | Ethanol |
| Reinigungsmittel, Flüssigseife | Wasser | Ethanol |
| Sonnenmilch | Waschbenzin | Ethanol |
| Polyamide, Polymere | Kresol | – |
| Wachs, Parafine | Toluol | Xylol, Waschbenzin |
| Holzschutzmittel auf Terpentinbasis | Waschbenzin | Ethanol |
| Holzschutzmittel auf Wasserbasis | Wasser | Ethanol |
| Branche: Petrochemie | ||
| Motoröl, Schmieröl | Waschbenzin | Aceton |
| Bremsflüssigkeit (Ethylenglykol) | Xylol | _ |
| Diesel, Kerosin, Flugbenzin, Heizöl | Waschbenzin, Petrolether | Aceton |
Automatisierung der Dichtemessung
Mit unseren Dichtemessgeräten der DS7000-Serie kann der gesamte Messprozess von der Probenzfuhr über die Reinigung bis hin zur Trocknung halb- oder vollautomatisch und ohne manuelles Eingreifen durchgeführt werden.
Mittels der vollen Automatisierung können Messungen benutzerunabhängig und über Nacht oder am Wochenende erfolgen. Das erhöht die Produktivität und reduziert die Kosten pro Messung.
In der vollautomatischen Lösung wird das Dichtemessgerät durch eine integrierte Probenpumpe und einen Autosampler ergänzt. Über die Benutzeroberfläche des Dichtemessgerätes lassen sich individuelle Einstellungen für Messungen in Methoden zusammenfassen und Reinigungsprozeduren, sowie Samplertemplates in beliebiger Zahl anlegen. Das ermöglicht die unbeaufsichtigte Messung von bis zu 89 Proben bei sehr kleinem Platzbedarf dieser Automatisierung.
How to Use
Dichtemessung durchführen
Dichtemessgeräte, die nach dem Biegeschwinger-Prinzip messen, zeichnen sich durch hohen Bedienungskomfort aus. Schon bei wenigen Proben am Tag lohnt sich ihr Einsatz, aber auch für die schnelle Routinemessungen bei größere Probenzahlen sind die Geräte gut geeignet. Die Anwendung und Reinigung ist einfach, überzeugen Sie sich selbst in unseren Videos. Erfahren Sie alles über das Messen mit Biegeschwinger-Verfahren, mit manueller, halbautomatischer und automatischer Probenzufuhr und Details zur einfachen Reinigung.
