Campus-Dichtemessung

Wie funktioniert eigentlich die Dichtemessung von Flüssigkeiten?

Was ist digitale Dichtemessung nach dem Biegeschwingerprinzip?

Betrachtet man eine Stimmgabel, so kann man durch einen mechanischen Schlag einen charakteristischen Ton erzeugen. Dieser Ton ist eine Folge der Schwingung, in die man die Stimmgabel versetzt hat. Dabei ist die Masse der Stimmgabel ausschlaggebend für die Tonhöhe und damit für die Schwingungsfrequenz.

Diesen Zusammenhang macht man sich bei der digitalen Dichtemessung nach dem Biegeschwingerprinzip zu nutze. Die hauchfeine Kapillare wird piezoelektrisch oder magnetisch mit einer charakteristischen Frequenz zur Schwingung angeregt.

Die resultierende Eigenfrequenz des Biegeschwingers hängt von der Masse der eingefüllten Probe ab. Diese Frequenz kann sehr genau gemessen werden und in die Dichte der Probe umgerechnet werden.
Der physikalische Zusammenhang von Schwingungsfrequenz (Kehrwert der Periodendauer) und Dichte ist sehr einfach und linear. Deshalb ist die Kalibrierung auch in der Regel mit nur zwei Standards nämlich Luft und Wasser möglich.

Was ist die Dichte?

Die Dichte ρ ist eine charakteristische Stoffgröße und bezeichnet das Verhältnis von Masse m zu Volumen V. Sie wird in g/cm³ oder kg/m³ angegeben. Dabei ist die Temperatur der Probe eine der wichtigsten Einflussgrößen für eine hochgenaue Messung. Moderne Dichtemessgeräte müssen daher zwingend mit einer effizienten Temperierung des Messraums ausgestattet sein.

Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur

Temperatur [°C]Reinstwasser [kg/m³]Luft [kg/m³]
4999,9721,270
20998,2031,205
60983,1911,060
Eine Temperaturänderung von 0,1 °C hat je nach Substanz einen Dichteeinfluss von 0,1 – 0,3 kg/m³ zur Folge.

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 die tägliche Messung. Aber auch bei der Analyse von komplexen Lösungen wie z.B. Bier oder Fruchtsäften kann die digitale Dichtemessung gute Dienste leisten.

3 Messverfahren und die Vorteile der digitalen Dichtemessung

Aräometer

Das Aräometer arbeitet nach dem Prinzip des Auftriebs in Abhängigkeit von der Masse. Der gläserne Schwimmkörper sinkt in die Flüssigkeitsprobe ein, bis seine masseabhängige Gewichtskraft und die Auftriebskraft übereinstimmen. Auf der Skala im Schwimmkörper-Stängel wird die der Eintauchtiefe entsprechende Dichte angezeigt. Ein 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.

Pyknometer

Das Pyknometer – ein ursprünglich als „Dichtefläschchen“ bezeichnetes Glasgefäß mit sehr genau  und reproduzierbar bestimmbarem Innenvolumen – dient zur gravimetrischen Dichtemessung. Es wird zunächst das leere, dann das mit der Flüssigkeitsprobe gefüllte Gefäß gewogen und aus dem ermittelten Gewicht der Probe ihre Dichte errechnet. Ein Pyknometer ist in einem weiten Temperatur- und Druckbereich einsetzbar und erreicht eine höhere Messgenauigkeit als ein  Aräometer. Die Messung nimmt jedoch durch die aufwendige Wägearbeit mehrere Stunden in  Anspruch und erfordert geschultes Personal.

Biegeschwinger

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 lassen sich die Masse und damit die Dichte der Probe errechnen. Biegeschwinger-Dichtemessgeräte ermöglichen eine hochgenaue Messung bei geregelter Temperatur und mit gut reproduzierbaren Ergebnissen innerhalb von Minuten, benötigen maximal 1 ml Probenvolumen und sind leicht zu handhaben.

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