Определение плотности жидкостей

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.

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?

In this video, you will become an expert on how to measure density of liquids and the best methods to measure it.

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.
Ареометры

• 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

Пикнометры

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

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.

Масса в вакууме = истинная плотность

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.

Масса в воздухе = объемная плотность

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.

Источник https://www.mt.com/ru/ru/home/applications/Application_Browse_Laboratory_Analytics/Density/density-measurement.html