Какой прибор измеряет плотность жидкости

5

6. Измерение плотности

— ареометр (денсиметр, плотномер) — измеритель плотности жидкостей.

— бурик Качинского и бур Зайдельмана — приборы для измерения плотности почвы.

— пикнометр

Пикнометр — физикохимический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Пикнометр был изобретён Менделеевым Дмитрием Ивановичем в 1859 году.

Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии), заполняющего пикнометр до метки на горловине или до верхнего края капилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измерения объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у пикнометра имеется шкала. Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной трубкой, у которой пробкой служит тело термометра. Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью. Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы (шаровидные и др.).

Основные достоинства пикнометрического метода определения плотности:

— высокая точность измерений (до 10^-5 г/см3);

— возможность использования малых количеств вещества (0,5—100 см3);

— малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха;

— раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания.

В Российской Федерации виды и характеристики пикнометров регулируются следующими стандартами:

— ГОСТ 7465-67. Пикнометры стеклянные;

— ГОСТ 11723-66. Пикнометры для определения плотности газа.

-ареометр

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкости.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности. Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, ареометр иногда снабжают термометром для одновременного измерения температуры.

Для измерения плотности жидкости сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

Считается, что ареометр изобрела Гипатия — женщина-ученый, математик, астроном и философ, схоларх Александрийской школы неоплатонизма.

Ареометр в физике так называется прибор, который служит для определения плотности, а, следовательно, и удельного веса тел. Устройство ареометра основано на гидростатическом законе (Архимедов закон), по которому каждое тело плавает в жидкости столь глубоко погруженным в нее, что вес вытесненной им жидкости равен весу всего плавающего тела.

1) Если желательно, чтобы одно и то же тело, плавая в жидкостях различной плотности, было погружено на определенную глубину до известной точки, то приходится для этой цели искусственно изменять его вес, соразмерно изменению плотности жидкости: если плотность жидкости стала больше, вес тела нужно увеличить, положив на него соответственный груз.

2) Если оставить вес погружаемого тела постоянным и погружать его в жидкости различной плотности, то очевидно, на основании вышеуказанного гидростатического закона, оно тем глубже будет погружаться в жидкость, чем плотность ее будет меньше.

Для устройства ареометра воспользовались этими свойствами плавающих в жидкостях тел и, смотря по тому, на основании которого из этих двух высказанных положений устроен прибор, различают:

1) ареометр весовой или гравиметр (с постоянным объемом), и

2) ареометр со шкалой (с постоянным весом).

Весовые ареометры устроены на основании первого из указанных выше положений. Эти приборы приготовляются главным образом из металла или из стекла, в виде полых тел. Форма их бывает разнообразна, смотря по тому, какой они системы: Фаренгейта, Траллеса Никольсона и др. Они всегда снабжены чашечкой, на которую можно класть гири и небольшие тела, которых плотность приходится определять.

Никольсоновский весовой ареометр состоит из полого металлического, конически законченного, цилиндра, к которому подвешен массивный металлический конус или полушарие плоским основанием вверх, так что туда можно положить исследуемое тело. Вверху прибор снабжен тонким металлическим стержнем, с прикрепленной к нему тарелочкой ареометра, предназначенной для принятия груза и небольшого твердого исследуемого тела. С помощью такого весового ареометра можно определить как абсолютный вес твердого тела, так и его плотность, равно как и плотность различных жидкостей. Эти приборы крайне компактны и удобны для путешествующих минералогов, служа для определения плотности найденных ими минералов.

Весовой ареометр употребляется главным образом для определения удельного веса твердых тел; для этого небольшой кусок исследуемого тела кладут сперва на верхнюю тарелочку прибора и, прибавляя разновески, доводят его до черты (марки) на стержне ареометра, до которой прибор погружается в воде при известном грузе на тарелочке. Вычтя из веса гирь, нужного для погружения ареометра до черты без твердого тела, вес гирь, прибавленных к положенному на тарелочку телу, определяют вес исследуемого тела. Затем данное тело кладут на основание подвешенного конуса (иногда для этого там устраивают металлическую корзинку), погружают ареометр в воду и, кладя гирьки, заставляют ареометр погрузиться до черты. Небольшой расчет, основанный на Архимедовом законе, дает искомую плотность, а следовательно и удельный вес данного тела. При определении плотности жидкостей с помощью весового ареометра должен быть принять в расчет также абсолютный вес ареометра.

Для определения плотности и удельного веса жидкостей, как например, растворов солей, кислот и т.п., употребляются в химических лабораториях и в технике весы Мора и, более чувствительные и точные, весы Вестфаля, основанные на принципе весового ареометра.

Весы Вестфаля, которые являются незаменимыми в нынешней лабораторной практике, как по своей чувствительности и точности результатов, так и по простоте устройства и метода определения, представляют собой весы с коромыслом, к одному концу которого подвешен стеклянный тяжелый поплавок или, как его назвали немцы, «стеклянное тело»; на другом же конце находится противовес, уравновешивающий «стеклянное тело». При погружении стеклянного тела в исследуемую жидкость, оно будет терять часть своего веса, равную весу вытесненной им жидкости, равновесие весов нарушится. Навешивая грузики различной величины, специально калибрированные и приспособленные для этой цели и отнесенные к плотности воды = 1, на разные деления коромысла (как на обыкновенных химических весах), весы опять можно привести в состояние равновесия. Соответственная величина и место груза на коромысле, после поправки на воздух и температуру, даст искомую плотность и удельный вес жидкости. Для наблюдения температуры жидкости, имеющей влияние на плотность, на стеклянном теле устроен маленький термометр. Вестфалевcкие весы калибрированы при 15° С. и обыкновенно жидкость приводят к этой температуре.

Ареометр со шкалой (постоянного веса) состоит из стеклянного полого тела, к которому прикреплена шейка из стеклянной трубки со шкалой, внизу же ареометра помещается шарик, наполненный ртутью или дробью. Деление на градусы шейки крайне разнообразно. В этом отношении ареометры со шкалой носят разные названия: волюметра, плотностимера, процентного ареометра и ареометра с произвольной шкалой.

Между первыми одним из лучших считается прибор Гэ-Люссака, со шкалой из 100 делений. Ареометры, шкала которых допускает прямое отсчитывание плотности жидкости, называются плотностимерами или определителями плотности; изготовление их крайне затруднительно. В практической жизни чаще всего употребляются процентные ареометры, которые дают определение плотности, но процентного отношения смеси жидкостей или растворов в объемных или весовых %. Сюда относятся спиртомеры (алкоголометры), служащие для определения количества спирта в воде. Шкала этих ареометров устраивается по способу и указаниям Траллеса или Гэ-Люссака; по ней можно непосредственно отсчитывать, сколько объемных процентов спирта находится в исследуемой жидкости. В Российской Федерации, германии и Австрии содержание спирта в водке, обложенной акцизным налогом, производится по Траллесу, во Франции по Гэ-Люссаку.

К ареометрам, подобного же рода, можно причислить следующие приборы, требующие впрочем еще значительных усовершенствований: энометр (винные весы), солемер — прибор для определения содержания поваренной соли в рассоле, глеукометр или ареометр для виноградного сусла, сахаромер (сахарометр) — для определения содержания сахара в жидкости, лактометр — ареометр для молока, ареометр для растворов солей: селитры, поташа, едких щелочей и др.

Каждый из этих ареометров годен только для одной той жидкости, для которой он предназначен. Так например, солемер не годится для сахарных растворов, и спиртомер может быть применяем только для смесей воды со спиртом. Так как температура влияет на изменение плотности исследуемой жидкости, то необходима поправка, которую делают по особым, для этой цели вычисленным, таблицам.

— бурик (бур) Качинского

Техническое средство, предназначенное для измерения плотности почвы, точнее отбора из неё образцов строго заданного объёма. Особенно активно и часто используется в исследованиях Физики почв.

Метод предложен Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван.

Набор Качинского состоит из киянки, болванки особой формы (Предназначена для правки бюксов), оправки для забивания бурика, мастерка и ножа для вырезания образца и специальных бюксов.

Специальный бюкс, предложеный Никодимом Антоновичем Качинским, в честь которого и назван. Отличается от других бюксов совершенно точно пригнанными размерами. Применяется вместе с буриком Качинского. Бюксы специально разработаны таким образом, чтобы в них с минимальным зазором входил Бурик Качинского. При отборе образцов песчаных и других рыхлосвязанных почв бурик Качинского закрывается крышкой от бюкса Качинского, таким образом исключается высыпание почвы.

Как уже описано выше, бурик забивается в почву при помощи киянки через специальную оправку. Оправка устроена так, чтобы не допустить уплотнения почвы внутри бурика. При забивании бурика глубже нормы оправка упирается в почву вокруг бурика. Затем бурик вместе с почвенным образцом вырезается из почвы и обрезается, будучи накрыт крышкой от бюкса Качинского. После этого содержимое бурика переносится в бюкс Качинского.

Объём образца чётко задан конструкцией бурика и методикой, масса рассчитывается по марже веса. Таким образом мы можем рассчитать плотность (объёмный вес) почвы

— бур Зайдельмана

Бур Зайдельмана был предложен российским учёным Ф. Р. Зайдельманом специально для определения плотности (объёмного веса) торфяной почвы. Из-за специфики торфяных залежей Бурик Качинского был модифицирован — к нему была приварена ручка и заточеная нижняя кромка заменена зубчатой пилообразной.

Ареометры — принцип работы. Строение и особенности

Ареометр – необходимый инструмент не только в большинстве лабораторий, но и полезный аксессуар для домашних работ.

Конструктивно простой прибор позволяет быстро и точно измерить плотность, концентрацию вещества и количество примесей. Цена такого оборудования доступна, и купить его можно у большинства поставщиков товаров для лаборатории.

Показатели, размеры, правила проведения измерений, и другие параметры регламентируются по НД: ГОСТ 18481, ГОСТ 8.428:2009, OIML R 44:2014018, ISO 387, ISO 649-1, ISO 649-2, ISO 650, EN ISO 3675, ISO 4801, ISO 4805, ДСТУ 6062, ГОСТ 28947 (ИСО 1768), ГОСТ 28947 (ИСО 1768), ДСТУ ГОСТ 31072.

Принцип работы

Измерение основано на разнице плотности жидких веществ и гидростатическом законе Архимеда. Тело, погруженное в жидкость, выталкивается с силой, равной массе вытесненной жидкости.

Строение и особенности

Классический прибор представляет собой стеклянный цилиндр, с одной стороны широкая трубка с округлым дном, с другой стороны узкая трубка с маркировкой в соответствующих единицах. Обычно это единицы концентрации определенного вещества или фактическая плотность раствора.

Внутри широкой части находится утяжелитель, чаще всего свинцовые шарики. Благодаря грузику прибор занимает вертикальное положение.

Плотность определяется как масса ареометра, деленная на объем жидкости, который он вытеснил. А это соотношение зависит от плотности измеряемого раствора и веса грузика в плотномере.

В приборах постоянного объема на колбу нанесена стационарная метка, до которой следует погружать прибор. Подбирая гирьки различного веса, добиваются погружения на нужную глубину. Имея в результате вес поплавка и надетых гирек, можно определить плотность конкретного вещества.

Сфера применения

Концентрация, плотность веществ нужны постоянно. Крепость алкогольных напитков, качество кислоты в аккумуляторе, состояние антифриза, количество жира в молочных продуктах, концентрацию сахарного и солевого растворов, спелость плодов и содержание растворимых веществ в соке – лишь небольшая часть задач, когда ареометры незаменимы.

В быту наибольшее распространение получили ареометры для спирта (для виноделия и самогонокурения) и плотномеры для электролита (автомобилисты).

Работу лаборатории без денсистометра представить вообще невозможно.

Инструкция к применению

Правила корректного использования или как пользоваться ареометром:

• Прибор должен быть сухой и чистый.
• Целостность измерителя не должна быть нарушена.
• Сосуд, в котором проводится измерение, должен быть достаточно высоким, чтобы плотномер свободно плавал в измеряемом растворе, не прикасаясь к стенкам и дну. Обычно берут высокий цилиндр для ареометров (без меток, из белого стекла).
• Показания снимаются по нижнему мениску, в момент, когда ареометр остановится.
• Измерение плотности ареометром проводят в стандартных условиях (20°С) или при других условиях, но результат пересчитывают и выдают на 20°С.

Классификация плотномеров

Хотя внешне большинство ареометров похожи, некоторые из них можно использовать сразу для многих жидкостей, другие только для определенных. Это обусловлено различной калибровкой.

Все ареометры делятся по:

• веществу, концентрация которого измеряется (солемер, спиртомер, сахарометр, лактометр);
• по исследуемой жидкости (общего назначения или специализированные);
• по градуировке шкалы (в единицах концентрации или плотности). Измеряемая концентрация может быть в объемных или весовых единицах;
• по типу: классические и электронные (рефрактометры, плотномеры, другие приборы).

Электрические денсистометры представляют собой приборы с прозрачной призмой и шкалой, измеряющие показатель преломления (рефрактометры) или же приборы со щупом на конце. Современные модели выпускают с цифровым дисплеем, в более простых вариантах шкала нарисована и результат смотрят через окуляр. Есть модели с термокомпенсицией или терморегуляцией и без.

Высокая стоимость (в 10-100 раз дороже классических стеклянных ареометров) приводит к тому, что высокотехнологичные модели покупают только для больших производств (пищевые, химические), где нужна быстрая точность определения в потоке и регулярный контроль качества жидкостей.

Шкала плотности идет с ценой деления 0,0005-0,02 г/см³, концентрации – 0,1-2%, от этого зависит класс точности прибора.

Виды приборов

Специализированные плотномеры выпускают для нефтепродуктов, молока, урины, электролита, спирта, сахара, соли, растворов кислот, щелочей. Градуируют такие узкоспециализированные модели сразу по концентрации исследуемого вещества, что делает их использование простым, удобным.

Универсальные ареометры идут с маркировкой фактической плотности, а результатом будет число, полученное по таблице соотношения плотностей и концентраций различных веществ. Выпускают целые сборники таких таблиц для всевозможных веществ. Производят модели без и с встроенным внутри термометром.

Самым универсальным вариантом считаются наборы ареометров, которые производят в большом диапазоне плотностей и с высокой точностью измерения.

Маркируют плотномеры большими буквами: первая – А (ареометр) и вторая – исследуемая жидкость.

• М — молоко,
• Н — нефтепродукты,
• У — урина,
• СП — спирт,
• Э — электролит,
• Г — грунт,
• С — сахар,
• К — кислота.

Приборы общего назначения маркируют АОН. Цифра в конце маркировки означает диапазон концентраций.

Детальное описание подвидов

Ареометры общего назначения

Плотномеры АОН измеряют относительную плотность любой жидкости, а по этому значению находят концентрацию необходимого вещества. Особенно важны ареометры АОН для исследования показателей качества многокомпонентных растворов. Оптимальным вариантом для таких целей иметь под рукой наборы ареометров.

Сахарометры

Используются для определения сахара в соках, винопродуктах, плодах и ягодах. Есть модели с термометрами и без. Особенно важны прибор АС или АСТ для виноделия, с их помощью можно точно определить момент затухания брожения и добавления сахара в сусло.

На пищевых производства ареометры для сахара позволяют определить степень готовности соков, пюре, маринадов, и других продуктов, в состав которых входит сахароза.

Известная величина растворимых сухих веществ в соке фруктов снятых с дерева или сразу на дереве, позволяет определить степень зрелости плодов. Но для этих целей больше подойдет автоматический портативный рефрактометр.

Лактометры

Определяя плотность молока, сыворотки, можно узнать содержание жира в процентах, что в свою очередь говорит о том, есть ли в молоке вода, обезжиренное молоко или другие разбавители. В фальсифицированном молокопродукте ареометр для молока АЛ падает на бок.

Спиртометр

Приборы для определения концентрации этанола в спиртосодержащих пищевых, медицинских и технических жидкостях. Показатель вычисляется по таблицам плотности при конкретной температуре. Так как изменение градусов спирта при разной температуре очень сильное, определение проводят с точностью до 0,1°С, стараясь максимально близко придерживаться стандартной температуры +20°С.

Клеемеры

АКЛ позволяют вычислять массовую концентрацию клея. Для каждого типа клея есть свои таблицы. Это особенно важно при использовании больших объемов клея:

• на производстве, для контроля качества;
• во время ремонта, когда остается клей и его нужно проверить перед очередным использованием или после смешивания разных по концентрации и свежести остатков.

Медицинские ареометры

В эту категорию входят плотномеры для урины. Исследуя этот показатель, можно заметить мочекаменную болезнь на ранних стадиях.

Ареометры для антифриза

Применяют в холодное время года. Для каждой минусовой температуры воздуха необходима своя концентрация антифриза, иначе он не будет работать. Значит, перед приготовлением свежей порции раствора, необходимо узнать минимальную температуру на улице и развести антифриз до нужной концентрации/плотности.

Для нефтепродуктов

Плотномеры АНТ-1, АНТ-2 позволяют определить следующие показателей бензина, дизельного топлива, сырой нефти, керосина:

• соответствие фактических показателей, указанным в сертификатах качества;
• наличие запрещенных примесей;
• классность нефтепродуктов.

Ареометры для нефти выпускают с термометрами, измерения проводят строго при 20°С или делают пересчет на стандартную температуру.

Ареометры для грунта

Приборы группы АГ позволяют определять грануло-метрический состав глинистой почвы при помощи стеклянного цилиндра с пустым стержнем с наполнителем.

Ареометры-гидрометры

АЭГ используют для определения концентрации этиленгликоля в большом диапазоне температур (-20…+40°С).

Ареометры для морской воды

Используют для мониторинга состояния акватории.

Для электролитов

Долговечность и качество работы аккумуляторной батареи без электролита с соответствующей концентрацией невозможны. Проверку крепости серной кислоты или концентрированной щелочи (реже) проводят при помощи ареометра для электролита АЭ. Зная эти показатели, можно точно определить время, когда следует менять электролит, чтобы вернуть емкость аккумулятора.

Уменьшение концентрации даже на 0,01 г/см³ означает разрядку на 1/20 от полной емкости, что еще не критично, так как она восстановится во время зарядки. Но большее отклонение будет говорить о том, что рабочий раствор некондиционный и необходимо его откорректировать, добавляя концентрированную кислоту или дистиллированную воду до тех пор, пока не будет получено нормативное значение плотности (1,22-1,29 г/см³ в зависимости от температуры).

Набор для автомобилиста это:

• плотномер-поплавок;
• стеклянная трубка;
• резиновая груша.

В аккумулятор вставляют трубку, грушей подтягивая раствор электролита внутрь емкости до тех пор, пока не появится поплавок-ареометр. Поплавок во время снятия показаний должен плавать внутри сосуда, не касаясь стенок или дна, а его положение должно быть вертикальным.

Также в продаже есть наборы поплавков разной массы при одном объеме, размещенные в общем контейнере из стекла. Заполнив такую емкость электролитом нужно выбрать тот поплавок, который будет плавать корректно – метка будет находиться на границе жидкости – это и будет фактическая плотность. Остальные поплавки утонут или будут плавать боком.

Купить ареометры

В любой лаборатории, автомастерской или медучреждении без прибора для определения плотности не обойтись. Купить ареометры можно у большинства поставщиков товаров для лабораторий. Выбирая, у кого приобрести устройство, следует обращать внимание на:

• в каких единицах калиброван ареометр;
• диапазон измеряемой величины;
• шкала или точность деления;
• погрешность прибора;
• есть ли термометр.

Каждый производитель перед передачей своей измерительной продукции на реализацию, проводить контроль качества. Для ареометров контроль проводят для каждой единицы товара, с указанием номера прибора и его индивидуальной погрешности. Поэтому, одна и та же модель плотномера у различных производителей будет иметь свою погрешность.

Определение плотности жидкостей

Все, что необходимо знать об измерении плотности жидкостей

Измерение плотности

Определения, формулы, факторы влияния, приборы, разница между плотностью и относительной плотностью и многое другое

Измерение плотности используется для контроля чистоты и концентрации образца, получения информации о его составе. Измерение плотности незаменимо в различных отраслях для обеспечения качества сырья и готовых продуктов.

Например, плотность сверхчистой воды при +20,00 °C составляет 0,998203 г/см 3 : отклонение от этого значения (с учетом допусков) означает, что в воде присутствуют примеси.

На этой странице представлена базовая информация об измерении плотности.

Перейдите в один из следующих разделов, чтобы узнать больше о плотности жидкостей.

1. Подробнее о плотности
2. Как измерить плотность жидкости
   
3. Факторы, влияющие на определение плотности
   • Температура
     
   • Пузырьки воздуха и примеси
   • Давление воздуха на жидкость
   • Вязкость
   • Относительная плотность, удельный вес, истинная плотность: физический смысл этих понятий и их отличия
   • Как получить достоверные результаты с помощью цифрового плотномера: пять элементов успешного измерения
4. Часто задаваемые вопросы

1. Подробнее о плотности

Что такое плотность?

Плотность — это физический параметр, соответствующий массе определенного объема образца. Он зависит от плотности расположения молекул вещества в пространстве. Плотность обычно обозначается греческой буквой ρ («ро»). Кроме того, для обозначения часто используется латинская буква d.

What is Density? — How to measure Density? – What are the main applications of Density?

Вы когда-нибудь задумывались о том, почему нефть остается на поверхности воды при разливе?

Расслоение жидкостей происходит из-за разности плотностей. На изображении представлены типовые значения плотностей.

A — масло для ламп (0,80 г/ см 3 )
B — протирочный спирт (0,87 г/см 3 )
C — растительное масло (0,91 г/ см 3 )
D — вода (0,99 г/ см 3 )
E — средство для мытья посуды (1,33 г/см 3 )
F — мёд (1,36 г/ см 3 )

2. Как измерить плотность жидкости

В таблице ниже приведены различные методы измерения, их преимущества и недостатки.

Принцип измерения

• Погружение запаянной стеклянной трубки в образец
• Запаянная стеклянная трубка погружается в образец до определенного уровня в зависимости от массы ареометра и плавучести, которая зависит от плотности образца
• Плотность жидкости определяется по откалиброванной шкале ареометра, когда он достигает состояния равновесия

Преимущества

• Простота, низкая стоимость
• Используется для быстрой проверки приблизительного значения плотности

• Результаты зависят от оператора
• Выравнивание температур занимает много времени
• Узкий диапазон измерения (для расширения диапазона обычно требуется комплект из 20 ареометров)
• Большой объем образца (140–600 мл)
• Сложность очистки
• Отсутствие поддержки стандарта GLP
• Хрупкость
• Образец необходимо извлечь из исходной емкости и поместить в емкость ареометра

Принцип измерения

• Стеклянный сосуд определенного объема
• Взвешивание без образца (M1), взвешивание с образцом (M2)
• Измерение плотности с использованием следующей формулы:
  Плотность = (M2 − M1) / объем

Преимущества

• Низкие затраты
• Напрямую отражает физическое значение плотности (отношение массы к объему), подходит для обучения

• Результаты зависят от оператора
• Пикнометры калибруются при определенной температуре, например при +20 °C, поэтому измерения достоверны только при этой температуре! Температура образца должна быть равна температуре калибровки
• Значение плотности необходимо рассчитывать
• Стандартный объем образца составляет 25 мл
• Для точного и воспроизводимого измерения необходимо длительное обучение оператора
• Образец необходимо извлечь из исходной емкости и поместить в пикнометр

Цифровые плотномеры

Принцип измерения

• Осциллирующая U-образная трубка
• Полая стеклянная трубка совершает свободные колебания с определенной частотой. При наполнении трубки ее собственная частота колебаний изменяется: чем больше масса образца, тем ниже частота колебаний. Значение частоты соответствует определенной плотности. Температура точно регулируется встроенным термостатом Пельтье настольного прибора (без использования жидкостного термостата)

Преимущества

• Простота использования
• Малый объем образца
• Результаты автоматического измерения не зависят от оператора
• Встроенная система температурной компенсации
• Хранение до 1100 результатов и возможность обмена данными с компьютерной программой для управления данными
• Измерение можно проводить прямо в емкости с образцом

• Большая стоимость, чем у ареометра или пикнометра

Manual to Digital Density Measurement

Использование пикнометра для определения плотности

Посмотрите видеоролик и узнайте, правильно ли вы используете пикнометр для измерения плотности. Мы также сопоставим результаты, полученные с помощью пикнометра и цифрового плотномера.

3. Факторы, влияющие на определение плотности

a) Температура

Вы знаете, что при изменении температуры на 0,1 °C результат измерения плотности может изменяться на 0,0001 г/см 3 ?

Расстояние между атомами молекулы зависит от температуры. С увеличением температуры увеличивается интенсивность колебаний, атомы располагаются дальше и значение плотности уменьшается.

Молекула при определенной температуре
(малое расстояние)

Та же молекула при повышении температуры
(расстояние увеличивается)

При повышении температуры объем увеличивается, а плотность уменьшается. При уменьшении температуры объем уменьшается и плотность увеличивается. Масса вещества при этом не изменяется.

Единственное исключение — жидкая вода, которая достигает максимума плотности при +3,98 ºC. Выше этой температуры объем воды увеличивается, и плотность уменьшается. При остывании воды происходит обратный процесс.

Примечание. Связь между температурой, объемом и плотностью нелинейна: она зависит от удельной теплоемкости, теплоты испарения и других характеристик вещества.

b) Пузырьки воздуха и примеси

Если в жидкости есть хотя бы один пузырек воздуха, результат измерения плотности может сильно измениться. Такой же эффект дают и примеси.

Например, для расчета значения плотности при использовании стеклянного пикнометра измеряется масса образца. Если в образец попал пузырек воздуха или какое-то инородное включение (например, из-за недостаточной очистки), результат взвешивания будет неправильным. Это приведет к получению неправильного значения плотности.

• Это справедливо и для цифрового плотномера, в котором для определения плотности используется U-образная трубка.
• Однако современные цифровые измерители плотности имеют систему BubbleCheck™ для автоматического контроля наличия пузырьков в ходе анализа.
• Кроме того, чтобы устранить влияние перекрестного загрязнения из-за неправильной очистки, пользователь может измерить плотность воздуха. Если результат измерения соответствует допускам, измерительная ячейка очищена надлежащим образом.

c) Давление воздуха на жидкость

В городе Мехико на высоте 3930 метров над уровнем моря давление ниже, чем в Рио-де-Жанейро на уровне моря (на высоте 0 метров). Давление воздуха напрямую связано с высотой над уровнем моря.

Так как газы и жидкости подвижны, необходимо учитывать следующие факты:

• Газ (например, воздух) — сжимаемая текучая среда, объем которой меняется при изменении давления.
• Жидкость (например, вода) считается несжимаемой текучей средой, объем которой не зависит от давления. При очень высоком давлении воздуха жидкость может быть сжимаемой, но такие условия не встречаются при анализе плотности.

При измерении плотности с помощью ручных приборов (например, пикнометра) давление воздуха не учитывается.

Современные цифровые плотномеры имеют встроенный барометр (датчик давления) для определения давления в точке проведения анализа. Расчет опорного значения плотности воздуха выполняется автоматически. Это значение важно по двум причинам:

1. При настройке прибора необходимо измерить значения для воды и воздуха. Давление влияет на значение для воздуха, следовательно, и на все измерения после калибровки.
   Узнайте больше о настройке приборов — скачайте руководство МЕТТЛЕР ТОЛЕДО по измерению плотности
2. При повседневной работе важно поддерживать чистоту измерительной ячейки, чтобы исключить перекрестное загрязнение и получить качественный результат. Измеренное значение плотности сравнивается с эталонным значением для воздуха. Если результат находится в определенных пределах допусков, то ячейка прибора чиста.

d) Вязкость

Если вещество вязкое, выше ли его плотность, чем у менее вязкого вещества?

Вязкость характеризует сопротивление жидкости перемещению. Это так называемая густота жидкости, и она не связана с плотностью напрямую.

Однако вязкость может влиять на результат измерения плотности при использовании отдельных методов.

• Пикнометр: нет влияния, но отбор пробы, очистка и стабилизация температуры с помощью жидкостного термостата затруднены.
• Ареометр: нет влияния, но отбор пробы, считывание данных и очистка затруднены.
• Цифровой плотномер: есть влияние, потому что образец поглощает колебания U-образной трубки.

• Как показано на графике, при увеличении вязкости увеличивается погрешность измерения плотности.
• Однако современные цифровые плотномеры поддерживают автоматическую компенсацию вязкости для максимально точного и быстрого измерения.

1. Водные растворы, лабораторные (органические) растворители
2. Растворы серной кислоты
3. Моторные масла
4. Моющие средства для посуды
5. Сиропы

e) Относительная плотность, удельный вес, истинная плотность: физический смысл этих понятий и их отличия

Определение относительной плотности

Относительная плотность определяется как отношение абсолютной плотности анализируемого вещества к плотности эталонного вещества. Если тип эталонного вещества не указан, то им считается вода при +3,98 ºC, которая имеет плотность 0,999972 г/см 3 или 999,972 кг/м 3 . Как следует из уравнения, относительная плотность — безразмерная величина.

Определение удельного веса

Удельный вес определяется как отношение плотности анализируемого вещества к плотности воды. Если температура не указана, она принимается равной +3,98 ºC, при этом плотность воды равна 0,999972 г/см 3 или 999,972 кг/м 3 .

Истинная плотность и определение абсолютной плотности

Истинная плотность определяется как отношение массы вещества к его объему при определенных значениях давления и температуры. Масса вещества измеряется в вакууме. Это определение используется при измерении с помощью цифрового плотномера.

Определение объемной плотности

Объемная плотность используется для сыпучих веществ, например порошков или гранул. Этот параметр часто применяется в горнодобывающей, пищевой и химической промышленности. Объемная плотность определяется как отношение массы к объему, но при измерении в воздухе.

Для демонстрации разницы между истинной и объемной плотностью на весы помещен пикнометр. Наполненный жидкостью, он весит в воздухе меньше, чем в вакууме, из-за воздействия выталкивающей силы воздуха.

Многие справочные таблицы плотности до сих пор основаны на объемной плотности. Цифровой плотномер позволяет получать результаты в различных единицах измерения и концентрации, см. характеристики прибора.

f) Как получить достоверные результаты с помощью цифрового плотномера: пять элементов успешного измерения

Для получения точных результатов измерения плотности необходимо принять определенные меры, чтобы избежать ошибок в процессе работы. Ниже приведены рекомендации для успешного определения плотности.

Этап 1. Определение типа образца и его подготовка

Перед началом измерения важно определить необходимые меры предосторожности в соответствии с типом образца.

Рекомендации:

Вязкие образцы

• После переноса в измерительную ячейку в образце не должно быть пузырьков.
• Усилие сдвига может снижать точность результатов, поэтому необходима коррекция вязкости

Агрессивные/токсичные образцы

• При измерении для концентрированных кислот или оснований (например, H₂SO₄, HCl, NaOH) необходимо предотвращать взаимодействие с веществом и его испарение, поэтому потребуется автоматическая система с автосемплером

Летучие образцы

• Образцы с содержанием растворенных органических газов (например, бутана) дегазируются, поэтому их необходимо охлаждать для предотвращения образования пузырьков.

Образцы, содержащие растворенный газ

• Газированные образцы, например безалкогольные напитки, перед измерением необходимо дегазировать. Для этого их необходимо перемешивать в течение нескольких минут, пока не перестанут образовываться пузырьки.
• Для образцов с растворенным воздухом можно использовать сверхзвуковую ванну или кипячение в течение нескольких минут.
• Можно удалить CO₂ или растворенный газ с помощью подачи воздуха и перемешивания при автоматическом измерении плотности

Неоднородные образцы и суспензии

• Избегайте осаждения твердых частиц и формирования градиента плотности
• Прежде чем использовать такой образец, его необходимо перемешать. При этом следует соблюдать осторожность, чтобы в процессе перемешивания в образец не попали пузырьки воздуха
• Образец не может быть идеально однородным, поэтому необходимо повторить измерение несколько раз и рассчитать среднее значение

Этап 2. Тестирование плотномера

Необходимо регулярно проверять рабочие характеристики системы с помощью измерения для образца с точно известной плотностью (сверхчистая вода или стандарт жидкости). Эта процедура называется тестированием, калибровкой или проверкой. По завершении тестирования необходимо сравнить измеренное значение с известной номинальной плотностью образца.

Кроме того, полезно проверять чистоту и сухость измерительной ячейки перед анализом нового вещества. Рекомендуется ежедневно тестировать плотномер с использованием сверхчистой воды (0,998203 г/см 3 при +20,00 °C).

Некоторые часто задаваемые вопросы:

Какие допуски необходимо применять при тестировании с использованием деионизированной воды?

Какие допуски предусмотрены для стандартов органических веществ?

Что делать, если результат тестирования неудовлетворительный?

Этап 3. Предотвращение ошибок при отборе проб

Пузырек размером 2 мм может привести к отклонению измеренного значения плотности на 0,0008 г/см 3 .

При использовании шприца:

• Рекомендуется заполнить ячейку с избытком, добавив дополнительные 5 см образца
• Измерительную ячейку необходимо заполнять с постоянной небольшой скоростью, обеспечивая ламинарный поток для полного смачивания стенок ячейки, чтобы вдоль них не оставалось пузырьков

При автоматическом наполнении с помощью насоса или автосемплера:

• Установите скорость отбора проб в соответствии с вязкостью образца
  Предотвращение образования пузырьков
• После заполнения ячейки убедитесь, что в ней нет пузырьков
• Пузырьки легко обнаружить, если в приборе предусмотрена прямая видеотрансляция измерительной ячейки. В цифровых плотномерах для этих целей есть автоматическая функция Bubblecheck™

Этап 4. Измерение и регистрация результатов

Вы выполняете расчеты вручную?

Поиск или интерполяция по таблице сопряжены с риском ошибок и требуют много времени. Кроме того, ручные записи могут содержать ошибки регистрации данных. Невозможно гарантировать, что такая документация будет соответствовать нормативным требованиям.

Наиболее эффективное решение — автоматический расчет с помощью встроенных таблиц (например, содержание спирта, градусы Brix, температурная компенсация по API). Пользователь может задать собственные таблицы для экономии времени и защиты от ошибок регистрации и расчета. Цифровой плотномер позволяет использовать встроенные таблицы преобразования, чтобы получать результаты в необходимых единицах измерения.

Этап 5. Очистка плотномера

Самый распространенный источник ошибок — недостаточная очистка!

Убедитесь, что в измерительной ячейке отсутствуют следы предыдущих образцов или промывочных жидкостей.

Чтобы их удалить, измерительную ячейку необходимо очистить подходящим промывочным раствором и высушить. Желательно делать это после каждого измерения.

Отдельные рекомендации по использованию промывочных растворов:

Чистящий раствор 1

• Должен полностью растворять образец (например, вода или 12-процентный раствор Deconex)

Чистящий раствор 2

• Должен растворять чистящий раствор 1 и быстро испаряться (например, ацетон или этиловый спирт)

В конце процедуры необходимо полностью осушить ячейку сухим воздухом. Во многих случаях при использовании плотномеров МЕТТЛЕР ТОЛЕДО нет необходимости использовать два раствора. Благодаря производительному насосу DryPro можно сэкономить время и уменьшить расход растворителя.

Важно! Настройка плотномера

Частая настройка прибора не гарантирует точность результата. При каждой настройке изменяются значения внутренних параметров прибора. При неправильной настройке неправильными будут и результаты последующих измерений.

Поэтому специалисты МЕТТЛЕР ТОЛЕДО рекомендуют проводить настройку плотномера, только если тестирование несколько раз подряд проходит с неудовлетворительным результатом.

Часто задаваемые вопросы

1. Чем плотность отличается от массы?
2. Почему плотность можно использовать для идентификации образца?
3. Как измеряется плотность растворов?
4. Пропорциональна ли плотность давлению?
5. В каких областях применения обычно используется плотномер?
6. Какова плотность воздуха?
7. Какова плотность воды?
8. Как влияет вязкость образца на процедуру измерения?
   

Чем плотность отличается от массы?

Масса соответствует количеству вещества в целом объекте, а плотность соответствует массе в определенном объеме.

Например, 10 кг стали и 10 кг пуха имеют одинаковую массу, но разный объем, поэтому их плотность отличается.

Почему плотность можно использовать для идентификации образца?

Плотность удобно использовать для идентификации чистых образцов, поскольку каждое вещество имеет собственное значение этой величины. По измеренному значению плотности можно, пользуясь справочником, определить соответствующее вещество.

Как измеряется плотность растворов?

Возьмем, например, водный раствор этилового спирта.

Как показано ранее, при +20 °C плотность чистой воды составляет: d = 0,9982 г/см 3 . Плотность этилового спирта при +20 °C составляет: d = 0,7892 г/см 3 . Плотность водного раствора этилового спирта зависти от концентрации раствора.

Пропорциональна ли плотность давлению?

Плотность прямо пропорциональна давлению воздуха в месте измерения и обратно пропорциональна температуре. При неизменной температуре с повышением давления увеличивается плотность. Узнать больше о зависимости плотности жидкости от давления можно здесь.

В каких областях применения обычно используется плотномер?

Плотность используется, например, для определения концентрации спирта в жидкости, управления процессом брожения при производстве вина и пива, измерения содержания сахара (градусы Brix) в промежуточных и конечных продуктах при производстве пищевых продуктов и напитков. Плотность позволяет определять градусы API и концентрации компонентов тяжелой нефти, парафина и смазочных материалов в нефтехимической отрасли. Относительная плотность (удельный вес) измеряется для аккумуляторного электролита в автомобильной промышленности и для других растворителей, кислот и оснований в химической промышленности. Кроме того, плотность часто измеряется в фармацевтической промышленности и для контроля качества косметических, гигиенических и других продуктов. Перейдите по ссылкам выше, чтобы узнать больше об областях применения или найти в библиотеке МЕТТЛЕР ТОЛЕДО руководство по применению для конкретных типов образцов.

Какова плотность воздуха?

При +20 °C и атмосферном давлении 101,325 кПа (на уровне моря) плотность воздуха составляет 0,00120 г/см3. Атмосферное давление зависит от погодных условий (снижается во время дождя или снега) и высоты измерения (снижается по мере подъема над уровнем моря). Например, на высоте 440 м над уровнем моря среднегодовое атмосферное давление составляет всего 96,12 кПа, а плотность воздуха снижается до 0,00114 г/см3 при +20 °C.

Какова плотность воды?

Плотность воды при +20 °C равна 0,99820 г/см3. Плотность воды зависит от температуры. При изменении температуры от 0 до +4 °C она возрастает (до величины, близкой к единице), а при дальнейшем повышении температуры снижается.

Как влияет вязкость образца на процедуру измерения?

Вязкость образцов влияет на значения плотности, получаемые при измерении с помощью цифрового плотномера. В слое жидкости, прилегающем к стенке стеклянной трубки, возникает усилие сдвига, которое замедляет колебания, что приводит к завышению измеряемых значений. В современных моделях цифровых измерителей плотности предусмотрена коррекция по вязкости, которая устраняет погрешность, возникающую по реологическим причинам.

Как пользоваться ареометром

Ареометр — инструмент для измерения относительной плотности различных жидкостей. В данной статье расскажем, как правильно пользоваться прибором, основные принципы его работы и классификацию.

Ареометр представляет собой инструмент для измерения относительной плотности различных жидкостей. Ареометры обычно калибруются и оснащаются одной или несколькими шкалами. Главная задача ареометра – показать удельный вес какого-то растворённого вещества. Относительную плотность раствора показывает место совпадения уровня жидкости с риской на шкале прибора.

Выглядит ареометр как градуированная трубка из бесцветного прозрачного стекла в виде цилиндрического стержня и расширенной колбочки на одном конце. В колбе находится ртуть или свинцовая дробь для того, чтобы полая стеклянная трубка сохраняла в рабочей жидкости вертикальное положение, т.е. плавала, как поплавок. Этот прибор находит широкое применение и в быту, и в производстве.

Виноделы используют ареометр для проверки количества сахара в виноградном соке, а затем — для определения количества алкоголя, который образовался из сахара. Аквариумисты используют ареометр для измерения плотности солёной воды в своих морских аквариумах. Это жизненно важно для морских рыбок, им требуется строго определенная концентрация соли в воде. Автомобилисты используют ареометры для замера плотности электролита в аккумуляторных батареях. Это важно контролировать, чтобы машина всегда заводилась без проблем, особенно зимой.

На производстве в самых разных отраслях ареометры применяются для контроля рабочих жидкостей и качества произведенной продукции, если она представляет собой какие-то растворы.

Классификация ареометров

Большинство ареометров, бытовых или лабораторных, внешне похожи. Одни предназначены для тестирования различных жидкостей, другие – только определенных. Назначение прибора определяет его калибровку. Классифицируются плотномеры по:

• Веществу, содержание которого в растворе измеряется. К ним относятся спиртометры, солемеры, лактометры, сахарометры и т.д.
• По назначению: общие или специализированные.
• По градуировке, т.е. по тому, какие единицы измерения нанесены на шкалу. плотности или концентрации. Единицы измерения могут быть весовыми или объемными.
• По типу прибора: классический вариант или электронный. К последним относятся плотномеры, рефрактометры и т.д.

Электронные приборы, которые имеют шкалу и прозрачную призму, называются рефрактометрами. Их цель — измерять преломление светового луча и по нему определять плотность жидкости. Другая разновидность электронных систем отличается щупом на конце. Цифровой дисплей есть лишь в самых современных и дорогих моделях. А в изделиях попроще есть окуляр, в который рассматривают нарисованную шкалу и определяют результат измерения. Также существуют модели электронных ареометров, имеющие встроенные системы терморегуляции или термокомпенсации.

Однако, из-за высокой стоимости электронных приборов, которая доходит до 100-кратной, такие высокотехнологичные приборы используют лишь на больших химических и пищевых заводах. Т.е. в местах, где нужно быстро определять качество жидкостей на конвейере, причем контроль должен быть постоянным.

Ареометры разделяются по классу точности. Концентрации веществ определяются в диапазоне от 0,1 до 2%. А шкала плотности идёт с ценой деления от 0, 0005 до 0,02 граммов на сантиметр кубический.

Есть специализированные ареометры:

• Алкоголеметр (алкотестер) — для измерения процентного содержания алкоголя в жидкости.
• Лактометр — для определения жирности молока.
• Сахарометр — тестирует концентрацию сахара.
• Аккумуляторный ареометр — замеряет плотность электролита.
• Тестер антифриза — анализирует плотность охлаждающей жидкости.
• Ацидометр — определяет концентрацию кислоты.
• Солемер — измеряет концентрацию соли.
• Уринометр — показывает плотность мочи.
• Баркометр — используется для определения дубильных веществ в растворах для вычинки кож…

В специализированных ареометрах применяются специфические шкалы для измерения строго определенных веществ. Самые распространенные из таких шкал:

• API-гравитация повсеместно используется в нефтяной промышленности.
• Шкала Baume используется в промышленной химии и фармакологии.
• Шкала Брикса — в производстве фруктовых соков и сахара.
• Шкала Oechsle — для тестирования виноградного сусла в виноделии.
• Шкала Платона хорошо известна пивоварам.
• Шкала Twaddell применялась в промышленном производстве отбеливателей и красителей…

Принцип работы ареометра

Все типы ареометров работают на общем физическом законе. Внутри герметично запаянной стеклянной трубки прибора находится шкала. Она расположена таким образом, что уровень жидкости, в которой плавает ареометр, показывает, во сколько раз эта жидкость тяжелее или легче воды. Т.е. прибор показывает удельный вес исследуемой жидкости.

Работа любого ареометра основана на принципе Архимеда, его ещё называют принципом флотации. Согласно данному физическому закону любое твердое вещество, попавшее в жидкость, будет поддерживаться силой, равной массе вытесненной жидкости. Таким образом, в жидкие среды с низкой плотностью ареометры погружаются сильнее. А в жидкости с высокой плотностью — слабо.

Как пользоваться ареометром

Зная принцип работы ареометра, становится понятно, как пользоваться им в быту или в лаборатории. Прибор для получения нужных показаний нужно опустить в рабочую жидкость. Для этого испытуемую жидкость наливают в цилиндрический сосуд из прозрачного бесцветного стекла. Затем в него аккуратно погружают ареометр, утяжелённой колбочкой вниз, до тех пор, пока он не начнет свободно плавать. Плотность измеряемой жидкости будет равна значению на шкале прибора, которое находится на одном уровне с жидкостью в которую он погружен.

Рабочая жидкость должна быть без примесей, а стеклянный сосуд и сам ареометр должны быть чисто вымыты. Чтобы точно снять показания прибора, нужно подождать, когда он успокоится и замрёт на месте. Нужно убедиться, что прибор находится во взвешенном состоянии и не прилип к стенкам сосуда. Только после этого можно считывать показание шкалы, с которым совпадает уровень исследуемой жидкости.

Для точного анализа есть несколько советов. Наиболее точен прибор, когда температура рабочего образца составляет 20-30 градусов Цельсия. К каждому прибору прилагается таблица температурных поправок, которые нужно обязательно учитывать для получения точной концентрации искомого вещества. Все стандартные измерения сводятся (пересчитываются) к показателю при 20 градусах Цельсия.

В лабораторных условиях используются специальные стеклянные цилиндры. В домашних же условиях нужно позаботиться о том, чтобы столбика рабочей жидкости было достаточно для свободного плавания прибора. Ареометр не должен касаться ни стенок, ни дна сосуда.

Никаких трещин и сколов на трубке не допускается. На показание прибора может повлиять наличие газа в рабочей жидкости. Например, углекислый газ от брожения серьёзно искажает показания, поэтому игристые жидкости перед измерением нужно дегазировать.

Если Вы еще не знали, как такой лабораторный прибор, как ареометр, может облегчить Вашу жизнь, то на нашем сайте в разделе Ареометры вы можете выбрать и купить ареометр для различных бытовых или лабораторных нужд!