دانسیته متر ، تراکم سنج، جرم حجمی یا چگالی سنج چیست و چگونه کار می کند.

[کل: 18 میانگین: 4.6]

دانسیته، جرم حجمی، چگالی یا تراکم، غلظت، یک پارامتر فیزیکی است که نقش مهمی در تمام حالت های مواد (چه جامد، مایع یا گاز) ایفا می کند. این پارامتر در همه صنایع اندازه گیری شده تا بینش ما نسیت به مواد، به عنوان مثال خلوص، غلظت اجزاء و ترکیب آنها حفظ شود. اندازه گیری دانسیته در صنایع با دانسیته متر انجام می شود که در این مقاله به آن پرداخته شده است. تمرکز این مقاله بر روی تراکم سیالات یعنی چگالی مایعات و گازهاست.

چگالی چیست؟

چگالی عبارت است از تراکم یا چگالی نسبت جرم به حجم است. جرم مستقل از شرایط خارجی مانند نیروی بویانسی یا گرانش است. نماد تراکم حرف ρ است و فرمول محاسبه ی ان عبارت است از:

ρ=m(kg)/V(m3)

اگر چند مایع غیر محلول را در ظرفی بریزیم، مایعات دارای تراکم بالاتر مانند آب میوه ها یا شربت در آب غرق خواهند شد؛ چون آنها سنگین تر (چگال تر) هستند و دارای شناوری کمتر هستند. مایعات با تراکم کمتر از قبیل الکل یا آب دارای شناور بیشتری هستند، بنابراین آنها در بالا قرار می گیرند. تراکم (و غلظت) محصولات مایع تاثیر زیادی بر کیفیت، رفتار و استفاده آنها دارد.

چه عوامل چگالی را تحت تاثیر قرار می دهد؟

عوامل متفاوتی وجود دارند که ممکن است چگالی یک ماده را تغییر دهند. در ادامه در رابطه با هر کدام از این پارامتر ها صحبت شده است.

۱- درجه حرارت

حجم و حالت مواد با درجه حرارت تغییر می کند. بنابراین درجه حرارت تأثیر مهمی بر تراکم دارد. در نتیجه، اندازه گیری چگالی دقیق نیاز به تعیین درجه حرارت دقیق و پایداری دمای خوب دارد. یک نمونه عالی از وابستگی دما، تراکم دماسنج است. با افزایش دما، حجم الکل در داخل دماسنج گسترش و افزایش می یابد. ثابت بودن همان جرم، اما با حجم بیشتر به معنی تراکم کمتر است.

دما عامل حیاتی برای اندازه گیری دقیق تراکم است که در آن شما نیاز به کنترل دقیق دما یا الگوریتم های جبران خسارت دارید. اختلاف دما به میزان ۰٫۱ درجه سانتیگراد ممکن است منجر به خطای چگالی تا ۰٫۰۰۰۱ g / cm³ شود.

۲- فشار هوا و ارتفاع

فشار و ارتفاع هوا موضعی نیز بر تراکم مایعات تاثیر می گذارد و بنابر نوع دانسیته متر ممکن است نتایج نشان دهنده توسط دانسیته متر را تحت تاثیر قرار دهد.

۳- ویسکوزیته

بسته به چگونگی اندازه گیری تراکم، ویسکوزیته ماده ممکن است بر نتیجه تاثیر بگذارد. برای مثال، هنگام اندازه گیری با یک دانسیته متر دیجیتال، فرکانس نوسان اندازه گیری نه تنها به تراکم نمونه پر شده بستگی دارد، بلکه بر ویسکوزیته آن نیز بستگی دارد. با توجه به نوسان لوله، نیروهای برشی (نوعی اصطکاک) بین مایع و دیواره لوله رخ می دهند و منجر به میرایی می شود. میرایی با افزایش ویسکوزیته نمونه افزایش یافته و باعث بیش از حد خواندن چگالی می شود (مقدار چگالی نشان داده شده بیش از حد بالا باشد). دانسیته متر دیجیتال این اثر را جبران می کند و به طور خودکار تصحیح ویسکوزیته را با استفاده از یک تکنیک خاص انجام می دهد که در آن دو حالت مختلف نوسان استفاده می شود.

۴- ناهنجاری آب

آب مایع منحصر به فردی است و در دمای ۳٫۹۸ درجه سانتی گراد به حداکثر چگالی می رسد. با شروع از ۳٫۹۸ درجه سانتیگراد به بالا، حجم آب افزایش می یابد و از تراکم کمتری برخوردار می شود. همین امر در هنگام خنک شدن آب، درست برعکس است. این ناهنجاری باعث یخ زدگی دریاچه ها از بالا به پایین و آب سردتر از ۴ درجه سانتیگراد می شود.

واحدهای چگالی

یک ویژگی فیزیکی مانند تراکم به چندین دلیل بررسی می شود و بنابراین در چندین واحد گزارش می شود. به عنوان مثال بیشترین واحد مورد استفاده چگالی، کیلوگرم در متر مکعب است. چگالی بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب (g / cm³) نیز گزارش می شود. ضریب تبدیل در این حالت ۱۰۰۰ است (۱ گرم در سانتی متر مربع = ۱۰۰۰ کیلوگرم در متر مکعب). همچنین ممکن است چگالی بر حسب کیلوگرم در لیتر (کیلوگرم در لیتر) یا گرم در لیتر (گرم در لیتر) گزارش شود یا به مقدار غلظت تبدیل شود.

چگالی واقعی و چگالی ظاهری

چگالی واقعی ρ اغلب با چگالی ظاهری ρapp اشتباه گرفته می شود. چگالی ظاهری، نسبت وزن در هوا در حجم است:

ρapp=وزن/حجم

مقادیر چگالی ظاهری و چگالی واقعی متفاوت هستند، حتی اگر واحدهای آنها یکسان باشند. چگالی واقعی هوا در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد، اندازه گیری شده در دانسته متر، ۰٫۰۰۱۲ گرم در سانتی متر مکعب است در حالیکه چگالی هوای ظاهری در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد، ۰٫۰۰۰۰ گرم در سانتی متر مکعب است – هوای موجود تعادل خوانایی ندارد.

با در نظر گرفتن شناوری نمونه در هوا و وزن و چگالی یک وزن مرجع در فولاد یا برنج، می توان چگالی ظاهری را از چگالی واقعی محاسبه کرد. امروزه، فولاد به عنوان ماده انتخابی برای وزن ها تعریف می شود. پیش از این، از برنج استفاده می شد.

واحد حیاتی دیگر برای گزارش تراکم، وزن مخصوص (SG) است که در چندین صنعت یافت می شود. وزن مخصوص، چگالی اندازه گیری شده یک نمونه است که بر چگالی آب در دمای مشخص تقسیم می شود. به همین دلیل به آن تراکم نسبی (relative density) نیز گفته می شود زیرا مربوط به تراکم آب است.

انواع دانسیته متر

روش های متفاوتی برای اندازه گیری یک دانسیته وجود دارد. اندازه گیری اصولا با استفاده از دانسیته متر ها انجام می پذیرد و در حال حاضر دانسیته متر های دیجیتال جای روش های قدیم اندازه گیری را گرفته اند. اما روش های اندازه گیری دانسیته عبارت است از:

۱- دانسیته متر هیدومتر

هیدرومتر یک بدنه شیشه ای شناور با یک حباب پر از یک وزن فلزی و یک ساقه استوانه ای با مقیاس است. هیدرومتر در نمونه غوطه ور است و می توان چگالی نمونه را مستقیماً از مقیاس بخواند: هرچه در عمق فرو رود، نمونه چگالی کمتری دارد.

این روش بر اساس اصل ارشمیدس استوار است. بسته به نوع استفاده، هیدرومترهای مختلفی در دسترس است. عدد خوانده شده از مقیاس همیشه دانسیته نیست بلکه مقادیر مشتق شده نیز می باشد. از لاکتومتر برای اندازه گیری تراکم شیر، ساکرومتر برای اندازه گیری غلظت قند در مایع یا الکلومتر برای اندازه گیری میزان اتانول در ترکیبات الکلی استفاده می شود.

هیدرومترها ابتدایی ترین و ارزان ترین ابزار اندازه گیری چگالی هستند، اما به کنترل دمای مناسب، که می تواند کاملاً پیچیده باشد، و حجم زیاد نمونه (تا ۱۰۰ میلی لیتر) نیاز دارند. به دلیل کوچک بودن مقیاس هیدرومتر، نتایج به راحتی خوانده نمی شوند. در مقایسه با این دستگاه های دستی، هیدرومتر دیجیتال یک دانسیته متر دیجیتال کوچک و قابل حمل است که بر اساس اصل لوله U نوسانی ساخته شده است.

۲- دانسیته متر پیکنومتر

پیکنومتر از یک فلاسک شیشه ای و یک درپوش (گاهی اوقات با یک دماسنج یکپارچه) تشکیل شده است. روی ترازو قرار می گیرد و پس از تعیین وزن پیکنومتر خالی، می توان حجم آن را با پر کردن مایع کالیبراسیون با چگالی شناخته شده (به عنوان مثال آب) با استفاده از تعریف مربوط به چگالی (حجم = وزن / چگالی) محاسبه کرد. سپس با توزین پیکنومتر پر شده از نمونه، می توان چگالی نمونه را تعیین کرد (دانسیته = وزن / حجم).

در صورتی که کنترل دما و تعادل به یک اندازه دقیق باشند، استفاده از پیکنومتر می تواند نتایج دقیق و قابل اعتمادی به همراه داشته باشد. پیکنومترها مقرون به صرفه هستند، اما می توانند به راحتی بشکنند. روش نسبتا کند و زمان بر است و به یک اپراتور ماهر نیاز است. اشکال دیگر حجم نمونه زیاد است که معمولاً ۱۰ تا ۱۰۰ میلی لیتر مورد نیاز است.

۳- اندازه گیری دانسیته با تعادل هیدرواستاتیک

تعادل هیدرواستاتیک بر اساس اصل ارشمیدس است. این شامل یک تعادل بسیار دقیق و یک سینکر (به عنوان مثال، یک کره) با حجم دقیقا مشخص است که با یک تعلیق به تعادل متصل است. سینکر به طور کامل در نمونه غوطه ور می شود و کاهش وزن ظاهری سینکر با وزن کردن مشخص می شود. کاهش وزن ظاهری سینکر برابر با وزن مایعی است که جابجا می کند، بنابراین حجم و وزن دقیق آن مشخص است.

ترازهای هیدرواستاتیک قابل اعتماد و دقیق هستند. موسسات ملی اندازه گیری از ترازهای هیدرواستاتیکی به عنوان روش اولیه برای اندازه گیری چگالی استفاده می کنند. استانداردهای چگالی عالی منحصراً بر اساس این روش است. با این حال، آنها گران هستند و بسیار زمان بر هستند. یکی دیگر از معایب این است که نصب آن ها (به عنوان مثال، بر روی یک پایه بتنی) چالش برانگیز است و کنترل دقیق دما ضروری است. علاوه بر این، این روش به اپراتورهای ماهر برای تمیز کردن و رسیدگی به تجهیزات گرانبها نیاز دارد.

۴- دانسیته متر دیجیتالی

دانسیته متر دیجیتال مدرن بر اساس اصل نوسان لوله U است. لوله که معمولاً یک لوله شیشه ای U شکل است، برانگیخته شده و بسته به نمونه پر شده، با فرکانس خاصی شروع به نوسان می کند. از طریق تعیین فرکانس مربوطه می توان چگالی نمونه را محاسبه کرد.

از سال ۱۹۶۷، راه اندازی اولین دانسیته متر دیجیتال، تا سال ۲۰۱۸، همه دانسیته متر های رومیزی مطابق با “روش نوسان اجباری” اصل U-tube کار می کردند. با این حال، این فناوری اکنون به محدودیت های خود رسیده است. یک روش بهبود یافته برای استفاده از اصل لوله U – روش تحریک پالسی – از سال ۲۰۱۸ در دسترس بوده است.

دانسیته متر دیجیتال بر اساس اصل نوسان لوله U ابزار بسیار موثری هستند که امکان اندازه گیری سریع و دقیق چگالی سیال را در محدوده وسیعی از دما و فشار فراهم می کنند. آنها چگالی واقعی (چگالی در خلاء) را اندازه گیری می کنند، بنابراین هیچ تاثیری از نیروی بویانسی یا گرانش وجود ندارد.

برخلاف روش‌های استاتیکی سنتی (مانند هیدرومتر، پیکنومتر یا توزین هیدرواستاتیک) تنها به مقدار کمی نمونه، تقریباً نیاز است. ۱ میلی لیتر تا ۲ میلی لیتر. دانسیته متر دیجیتال به راحتی قابل کار است و هیچ الزامات خاصی در مورد شرایط محیطی یا کنترل دما وجود ندارد.

دانسیته مترهای مدرن با دقت بالا علاوه بر این، یک تصحیح ویسکوزیته حتی تعیین ویسکوزیته و یک نوسانگر مرجع را فراهم می کند تا نتایج دقیق را در محدوده وسیعی از چگالی، دما و ویسکوزیته فراهم کند. نوسان سل به صورت مکانیکی یا الکترونیکی القا می شود. ثابت های ابزار (که برای تنظیم چگالی سنج استفاده می شود) برای محاسبه چگالی نمونه از فرکانس نوسان یا دوره نوسان آن استفاده می شود.

اگر در حال حاضر اندازه‌گیری چگالی را با یک هیدرومتر یا پیکنومتر انجام می‌دهید، می‌توانید بررسی کنید که با استفاده از دانسیته متر دیجیتال یا هیدرومتر دیجیتال چقدر در هزینه و زمان صرفه‌جویی خواهید کرد. بازگشت سرمایه به تعداد نمونه هایی که در روز اندازه گیری می کنید بستگی دارد.