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->Inhal
Die Kompressibilität
(c) von
Flüssigkeiten drückt deren Volumenelastizität aus. Die Volumenänderung (dV)
eines gegebenen Volumens (V) wird durch eine Druckänderung (dV) bewirkt: dV = -c·dp·V.
Die Kompressibilität von Flüssigkeiten ist gering, sodass Flüssigkeiten oft als
inkompressibel angenommen werden. Bei hohen Drucken bzw. sehr genauen
Messungen wird diese Eigenschaft spürbar. Wasser hat eine Kompressibilität von 0,5GPa-1,
Quecksilber 0.04GPa-1, Diethylether 1.5GPa-1, Pentan
2.5GPa-1. Für Wasser, 100m unterhalb der Oberfläche, führt der Schwerdruck (=Dichte*Fallbeschleunigung*Höhe,
r·g·h) zu einer Volumenverringerung von rd. 0,05%. In Schwebetiefen von im Mittel
5cm eines Auftriebskörpers bei der hydrostatischen Dichtebestimmung werden 0.2ppm erreicht.
(Genaue Werte der temperaturabhängigen Konstanten für Wasser finden sich in [ref.59]).
Die Schallgeschwindigkeit vs verknüpft Dichte r
und Kompressibilität c n.d.Gl. vs =
[c·r]1/2.
(Der Kompressionsmodul K für
Festkörper entspricht dem Kehrwert der Kompressibilität und kann aus den
Elastizitätskonstanten, E-Modul und Poisson-Zahl µ berechnet werden: K =
E/(3-6µ). )
Während bei Gasen und
tropfbaren Flüssigkeiten die Dichte eine Konstante bei jeweiligem Druck ist und
sich nach Einwirkung dynamisch zurückstellt, findet man bei Festkörpern einen
bisweilen wandelbaren Wert. Nach dem Schmieden von Metallen steigt in der Regel
die bleibende Dichte des Materials an.
Seit jeher wird die Dichtemessung zur
Gehaltsbestimmung eingesetzt. Für bestimmte Stoffkombinationen,
oft wässrige Lösungen, z.B. von Zucker, Alkohol (Ethanol) und mit
entsprechend Eingemessenen Skalen für Milch, Most (Mostgewicht,
Öchsle), Batteriesäure (Schwefelsäure in
Bleiakkus) etc. werden verbreitet Spindeln eingesetzt (Aräometer,
Hydrometer vgl. nächster Abschnitt).
Oft entspricht die Dichte einer Mischung von zwei
Stoffen etwa den Masseanteilen der Komponenten in der Mischung.
(Wir sprechen
grundsätzlich von Masseprozenten, m/m, da Gewichtsangaben -
Gewichtsprozente -
nicht immer eindeutig zu reproduzieren sind.)
Das Zustandekommen einer Mischungsdichte
kann in einer einfachen Formel ausgedrückt werden. Mit m1, dem Masseanteil einer Komponente
mit der Dichte r1 und m2,
dem Massenanteil der zweiten Komponente, der Dichte
r2, ergibt sich die
Gesamtdichte, rGes, der
binären Mischung zu:
rGes = (m1+m2)/(m1/r1
+ m2/r2)
= (m1+m2)/(V1 +V2)
Diese Beziehung gilt für heterogene Gemische mehr oder weniger
uneingeschränkt, z.B. Zucker in Salz, Aktivkohle im Ionentauschergranulat, Stahl in
Beton, Luft im Schaumstoff, ggf. auch für
Wasser/Öl in µEmulsionen, Sediment in einer Aufschlämmung etc..
Für Kochsalz (NaCl), in Wasser gelöst, gilt die
Beziehung in der Qualität "p·Daumen",
d.h. die Mischungs- bzw. Lösungsdichte ist bei 10% NaCl bereits um nahezu
1.5% größer, als es sich nach der einfachen Formel ergäbe. Im
Diagramm oben sind Messdaten zur Dichte von wässrigen
Kochsalzlösungen für die Temperaturen 25°C und 50°C abgebildet
(Datenherkunft: Rogers, P. S. Z., Pitzer,
K. S., J.Phys.Chem Ref. Data, 11, 15 (1982) und
imeter
Messung ID7277).
Die Abweichung vom linearen Verhalten ist aus der
Grafik jedenfalls nicht erkennbar. Mischungen bzw. Lösungen der meisten
Flüssigkeiten verhalten sich ebenso. Wobei Mischungen
gleichartiger Fluide wegen minderer Wechselwirkungen geringere
Abweichungen vom Ideal aufweisen.
Wenn Genauigkeit gefordert wird, um über die Dichte definitive
Gehaltsbestimmungen anzustellen, muss die Beziehung kalibriert
werden. Dazu werden aus Messdaten jeweilige
Mischungskoeffizienten (f12)
ermittelt, die sich zur Kalibrierung nach
arithmetischer Umstellung aus der
Gleichung
rGes
= (m1+m2) / (m1/(r1·f12)
+ m2/r2)
für entsprechende Dichtebereiche ergeben. Die Gleichung wird
dieser Form zur Bestimmung der Konzentration eingesetzt, indem sie
nach der Hauptkomponente, m1, aufgelöst wird.
NaCl/Wasser: Die
Gleichung für die Bestimmung des Koeffizienten für Wasser mit NaCl
(25°C) wurde zu
f12
= 0,4601860+0,8550176·rGes
-0,3144906·rGes²
ermittelt. Einfacher ist es jedoch, die
Konzentration unmittelbar nach der Beziehung
c NaCl[%] = ƒ(r[g/cm³])=
-197,793+253,359·r-55,1513·r²
(±0.01%)
zu bestimmen, bzw. für eine Einstellung der Dichte die folgende
Gleichung einzusetzen:
r
[g/cm³] = ƒ(c[%])= 0,9971057+6,96858E-3·(c)+2,03622E-5·(c)²
(±0.0001g/cm³)
(Konzentrationsbereich 0,0138 bis 10,1%, Dichte von 0,997171 bis
1,069934g/cm³; imeter erzeugt diese Zusammenhänge in einer
Konzentrationsmessung automatisch (vgl.
imeter
Messung ID7277.pdf) indem das Organisationsmodul der
CMC Bestimmung bzw. der intrinsischen Viskositätsbestimmung
benutzt wird. In der Dichtemessung wird dafür nicht einmal besonderes
Zubehör benötigt)
Die Dichte, wenn sie genau bestimmt wird, ist
für nahezu alle Mischungen ein hochexaktes Konzentrationsmaß.
Soweit bekannt, erreichen andere Methoden, chromatographisch oder
spektroskopisch, bei Weitem nicht die Auflösung, die per
Dichtemessung möglich ist.
Im Diagramm links wird die Ausnahme der
Regel gezeigt. Mischungen aus Essigsäure und Wasser. Bei der
Dichte über 1.04g/cm³ können einem Dichtewert, zwei
unterschiedliche Konzentrationen zugeordnet werden (vgl.
Messung7575.pdf,
Messung7576.pdf
).
(Die Ursache für das anomale Verhalten wird
deutlich, wenn die Masse% in Mol% umgerechnet werden. Beim molaren
Verhältnis 1:1 - bei ca.70% Essigsäure - tritt das Dichtemaximum auf.
Die dichteste Packung entspricht dem 1:1 Molekülverhältnis. ---
Ein hübscher Zaubertrick: man nimmt zwei Bechergläser, in eines
gibt man Essigsäure und in das andere Gefäß, die gleiche Menge
50%igen Essig und gibt in beide SAN-Polymergranulat [oder einen
anderen Stoff der Dichte von etwa 1.05g/cm³, dem die Säure nichts
ausmacht]. Das Granulat liegt in den Gefäßen am Boden, die Dichte
des Feststoffs ist ja größer. Dann vereinigt man die Becherinhalte
effektvoll und - Wunder - das Granulat schwimmt auf einmal!)
Der Essig-Wasser-Sonderfall ist
messtechnisch zur Sensoren- und Messapparateprüfung interessant.
Denn, für ein und dieselbe Dichte, z.B. 1.05g/cm³ (25°C), gibt es
zwei Oberflächenspannungen und Viskositäten. So können
entsprechende Anzeigegeräte und deren Querempfindlichkeiten zur
Dichte geprüft werden - und umgekehrt.
(PS: Wir führen auch gerne Auftragsmessungen
durch. Und das ist nicht einmal teuer, weil der Aufwand zur
Herstellung der Konzentrationen und zur Messung - verglichen zu
früher - sehr, sehr viel geringer ist. Lassen Sie sich doch
einfach eine Dichte-Konzentrationsskala für Ihre Produkte und
Wirkstoffe herstellen!)
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->Inhalt
Zur Bestimmung der Dichte sind eine
Reihe von Verfahren gebräuchlich: Aräometer, Pyknometer, hydrostatische
Wägung und das Schwingungsmessverfahren nebst weniger gebräuchlichen
Methoden; Schwebeverfahren und Dichtegradientensäule werden insbesondere für
Festkörper verwendet.
5.1.
Aräometer (Spindel, Senkspindel, Senkwaage,
Hydrometer)
Das
Aräometer wurde 1670 von Roberval (wieder-)erfunden - es war wahrscheinlich
schon in der Antike bekannt. Es handelt sich dabei (heute meist) um einen luftgefüllten
Glashohlkörper, dessen unteres Ende durch eine gewisse Menge aus Bleischrot,
Sand oder Quecksilber beschwert ist. Oben läuft der Hohlkörper in einem
schmalen, zylindrischen Hals aus, auf dem eine eingemessene Skala angebracht ist. Je
tiefer das Aräometer in die Flüssigkeit eintaucht, desto kleiner ist die Dichte.
Im allgemeinen benutzt man in Labors einen Satz von 14 Aräometern, um Dichten
zwischen 0.630 und 2.000 g/cm3 zu messen (Messspanne je Spindel 0.1
g/cm3). Die Dichte wird mithilfe eines Standzylinders, in den die
Flüssigkeit eingefüllt wird gemessen. Das Aräometer muss beim Ablesen frei und
bewegungslos schweben und die Temperatur muss der Bezugstemperatur des
Aräometers entsprechen. Die Messunsicherheit beträgt je nach Spindel
typischerweise 1·10-3 g/cm³ bis bestenfalls 1·10-4
g/cm³ bei sehr speziellen Ausführungen.
Neben den Spezialformen, die auf die hohe, mittlere oder niedrige
Oberflächenspannung des Messgutes eingestellt sind, sowie Durchsichtigkeit oder
Undurchsichtigkeit berücksichtigen, gibt es auch Spezialaräometer, z.B.
Alkoholometer, Milcharäometer, Saccharimeter, die durch eine bestimmte Eichung
z.B. ein direktes Ablesen des Prozentgehaltes an der Skala ermöglichen. Außer
der Teilung der Skala nach Dichtewerten sind noch andere Skalen in Gebrauch. Es
gibt die Unterteilung in Grade Baumé, Cartier, Beck, Brix, Balling, Gay-Lussac
und Twaddle.
DIN 12790, ISO 387
Aräometer; allgemeine Bestimmungen
DIN 51757 Prüfung von Mineralölen und verwandten Stoffen; Bestimmung der
Dichte, Verfahren A
DIN 12791 Teil 1: Dichte-Aräometer; Grundserien, Ausfuehrung, Justierung und
Anwendung
Teil 2: Dichte-Aräometer; Normgroessen, Bezeichnungen
Teil 3: Anwendung und Pruefung
ISO 649-2 Laboratory glassware: Density hydrometers for general purpose
NF T 20-050 Chemical products for industrial use - Determination of density of
liquids - Areometric method
DIN 12793 Laborgeräte aus Glas: Sucharäometer für Vormessung und rohe
Betriebsmessung
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->Inhalt
5.2.
Pyknometer (Volumenwägung, Density Bottle)
Es ist ein zumeist birnenförmiges Wäge-Fläschchen mit Schliffstopfen, der
mit einer Kapillarbohrung versehen ist (=Pyknometer nach Gay-Lussac;
andere Formen teilweise wg. Viskosität oder Flüchtigkeit nach Sprengel,
Bingham, Reischauer, Lipkin). Der genau definierte Rauminhalt, oft um 10,
25 oder 50 cm3 - z.B. mit Wasser genau kalibriert - ist mit der
zu prüfenden Flüssigkeit bis zum Ende der Kapillare bei der bestimmten
Temperatur zu füllen und dann zu wägen. Während Aräometer vorwiegend für
Übersichtsmessungen dienen, werden mit Pyknometern höhere Genauigkeiten
erreicht. Je nach Ausführung kann die Messunsicherheit 1·10-5
g/cm³ erreichen. Die jedoch kaum
wirklich erreicht wird, da die Wärmedehnung der Flüssigkeit und damit die
Notwendigkeit zur genauen Temperatureinhaltung sich praktisch unerhört
aufwändig darstellt (man müsste dazu das Fläschchen bei 1/100K konstant
temperiert halten können - bei Kalibrierung und Messung!).
ISO 3507
Pycnometers
DIN 51757
Prüfung von Mineralölen und verwandten Stoffen; Bestimmung der Dichte,
Verfahren C
ISO 758 Liquid chemical products; determination of density at 20 C
DIN 12797 Pyknometer nach Gay-Lussac (für nicht besonders viskose, nicht
flüchtige Flüssigkeiten)
DIN 12798 Pyknometer nach Lipkin (für Flüssigkeiten mit einer
kinematischen Viskosität von weniger als 100,10 6 m2 s 1 bei 15 C)
DIN 12800 Pyknometer nach Sprengel (für Flüssigkeiten wie in DIN 12798)
DIN 12801 Pyknometer nach Reischauer (für Flüssigkeiten mit einer
kinematischen Viskosität von weniger als 100,10 6 m2 s 1 bei 20 C; kann
insbesondere auf Kohlenwasserstoffe sowie auf Flüssigkeiten mit hohem
Dampfdruck - etwa 1 bar bei 90 C - angewendet werden)
DIN 12806 Pyknometer nach Hubbard (für viskose Flüssigkeiten aller Arten,
die keinen zu hohen Dampfdruck aufweisen, insbesondere auch für
Anstrichstoffe und Bitumen)
DIN 12807 Pyknometer nach Bingham (für Flüssigkeiten wie in DIN 12801)
DIN 12808 Pyknometer nach Jaulmes (insbesondere für
Ethanol-Wasser-Gemisch)
DIN 12809 Pyknometer mit eingeschliffenem Thermometer und Seitenkapillaren
(für nicht besonders viskose Flüssigkeiten)
DIN 53217 Prüfung von Anstrichstoffen; Bestimmung der Dichte mit dem
Pyknometer
ASTM D 297 (Section 15: Rubber products - chemical analysis)
ASTM D 2111 (Method C: Halogenated organic compounds)
BS 4699 Method for determination of specific gravity and density of
petroleum products (graduated bicapillary pycnometer method)
BS 5903 Method for determination of relative density and density of
petroleum products by the capillary-stoppered pycnometer method
NF T 20-053 Chemical products for industrial use - Determination of
density of solids in powder and liquids - Pycnometric method
Mit Pyknometern kann
auch die Dichte fester Stoffe bestimmt werden. Dabei wird eine Festkörperprobe in ein Pyknometer gegeben und der Rest des Volumens mit einer Flüssigkeit genau
bekannter Dichte aufgefüllt und das ganze wird gewogen.
Ein weiteres Verfahren der pyknometrischen Messung beruht auf der
Gasverdrängung in einem definierten Raum und wird besonders für
Festkörperdichtemessungen eingesetzt. Die Reproduzierbarkeit für
kommerzielle Gaspyknometer wird immerhin zu 0,01% angegeben.
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->Inhalt
5.3.
hydrostatische Wägung
(Auftriebsverfahren, Tauchkörperverfahren, Mohr-Westphalsche Waage)
Obwohl auch Aräometer nach der Auftriebsmethode funktionieren, versteht man
unter hydrostatischer Wägung ein anderes Verfahren bzw. unter Mohrscher Waage
eine andere Vorrichtung. Im Gegensatz zu
Archimedes’ historischer Methode (vgl. weiter
Unten) wird nicht „überlaufende Flüssigkeitsmenge“
gemessen, sondern es wird die Methode als Wägung ausgeführt. Bei der
hydrostatischen Wägung wird ein Messkörper (= Körper genau bekanntem Volumen und
Masse) zuerst in Luft und
dann in der zu untersuchenden Flüssigkeit gewogen. Die Mohrsche Waage stellt
eine apparative Verfeinerung der Methode dar: An einem Waagebalken, der
einen Glaskörper an einem Pt-Draht und auf der selben Seite des Waagebalkens
einen Satz von (fünf) dekadisch verschiedenen Tariergewichten ("Reiter") trägt,
ist gegenüber ein Ausgleichsgewicht, zur Nullstellung des Glaskörpers,
angebracht. Wird der Glaskörper in die zu untersuchende Flüssigkeit getaucht,
bestimmt man deren Dichte durch verschieben der Reiter auf der graduierten
Skala, und kann dann an deren Stellung auf der Skala bei Auftriebskompensation
die Dichte direkt ablesen (Die Position der Reiter gibt die Einer-, Zehntel,
Hundertstel, ... Stelle der Dichte an). Knifflig - und eigentlich nicht mehr
verwendbar, ist dieses Mittel bei mittel- und hochviskosen Flüssigkeiten, da eine
Gleichgewichtslage durch das entsprechend verlangsamte einschwingen kaum
einstellbar ist.
hervorragend
ISO 901 ISO 758
DIN 51757 Prüfung von Mineralölen und verwandten Stoffen; Bestimmung der
Dichte, Verfahren B
ASTM D 941-55, ASTM D 1296-67 und ASTM D 1481-62
ASTM D 1298 Density, specific gravity or API gravity of crude petroleum and
liquid petroleum products by hydrometer method
BS 4714 Density, specific gravity or API gravity of crude petroleum and liquid
petroleum products by hydrometer method
DIN 53217 Prüfung von Anstrichstoffen; Bestimmung der Dichte;
Tauchkörpermethode
Die
Verdrängungsmethode ist eine Variation zum Archimedischen Prinzip;
wobei nicht der Auftrieb am Messkörper gewogen wird, sondern die
Gewichtszunahme, eines Flüssigkeitsbehälters, der auf einer
Wägevorrichtung steht, während ein Volumennormal eintaucht.
Durch die Wägung über das Flüssigkeitsbehältnis wird unmittelbar die durch das
Volumen verdrängte Flüssigkeitsmenge ermittelt.
Eine neuere Anordnung , die das
Volumenauftriebsprinzip nutzt, ist die Magnetschwebewaage (Text,
Gerät => Uni Bochum, zuvor "magnetische Flotation" oder auch
Levitation genannt), die sich
dadurch auszeichnet, dass kein Haltedraht das Dichtennormal trägt - der
Messkörper wird magnetisch gehalten. Im Prinzip ist dies die genaueste denkbare Vorrichtung. Denn die Kraft, die sehr unberechenbar an den
Aufhängungen wirkt, der Meniskus in der Flüssigkeitsoberfläche, ist die
Präzisionshauptvernichtung. -
Doch gibt es dafür inzwischen auch noch andere, einfachere Lösungen. -
Wägeverfahren sind grundsätzlich vorteilhaft, da Waagen im allgemeinen leicht,
rasch und unkompliziert justiert/kalibriert werden können - die Plausibilität
ist zudem naheliegend und die
Prüfmittelüberwachung, Eichung, Rückführbarkeit ist kein
"Gegenstand von Operetten".
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->Inhalt
Die
Methode beruht auf der Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen Systems. Ein
bestimmtes Volumen der zu untersuchenden Flüssigkeit ist Teil eines Resonators,
wobei also die Schwingfrequenz (f) durch die schwingende Masse festgelegt ist und
mit dem festgelegten Volumen eine kalibrierbare Proportionalität zur Dichte (r) besteht.
Die Beziehung gehorcht der Form r =
A
· f -2
+ B.
Veranschaulichung: ein hohle
Stimmgabel, die mit Flüssigkeit gefüllt ist, schwingt je nach Dichte der Füllung
in verschiedenen Tonlagen.
Biegeschwinger sind sehr praktische Einrichtungen, insbesondere wegen der einfachen Handhabung
und der geringen Probenvolumen.
DIN 51757 Prüfung von Mineralölen und verwandten Stoffen; Bestimmung der Dichte,
Verfahren D
Anforderungen der PTB [ref.59]
Ungünstig ist die Viskositätsabhängigkeit. Emulsionen, Suspensionen,
ausgasende oder
anders instabile Flüssigkeiten können meistens nicht gemessen werden.
Genaue und richtige Angaben bis in den Promillebereich, d.h. drei, evtl. vier
Stellen sind wohl unkritisch messbar und genügt den üblichen Anforderrungen.
Im "Großen und Ganzen" ist die Methode korrekt, doch eine Genauigkeit bis 5·10-6
g/cm³ zu spezifizieren, ist mehr als gewagt. In dieser Auflösung müsste die
Temperatur (organischer Flüssigkeiten) genauer als auf 0.01 Temperaturgrade
sicher sein. Schwingungsbedingte Komprimierung,
Strömung, Benetzung, innere Reibung in der
Flüssigkeit (Temperaturerhöhung) und auch die mit-bedingenden Umgebungsdichten (Luftdichte) bedeuten nicht-lineare Abhängigkeiten und
Verknüpfungen mit anderen Probeneigenschaften. Daher ist die Missweisung nicht einfach
durch
Viskositätskorrektur und Kalibrierung von Gerätekonstanten behebbar.
Eine
in der technischen Ausführung der Biegeschwinger-Methode manchmal etwas ähnlich
anmutende Technik beruht auf der Corioliskraft
und findet Anwendung insbesondere in der Prozessmesstechnik:
Die Coriolisbeschleunigung (nach dem frz. Physiker C.G. De Coriolis,
1792-1843) ist eine scheinbare Beschleunigung, die eine bewegte
Masse (m) aus ihrer Bahn ablenkt, wenn ihre Bewegung (v) durch Trägheitskräfte
an die Rotationsbewegung (w) eines Bezugssystems
gekoppelt ist. Die Trägheitskraft = Corioliskraft (Fc), sie wird
senkrecht zur Bewegungsrichtung der Masse und zum Rotationszentrum angegeben (Fc=2·m·v×w).
Alltägliche Beispiele zur Corioliskraft: Foucaultsches Pendel; Nordostpassat der nördlichen Hemisphäre; dem
Gegenüber auf einem Karussell einen Ball zuwerfen.
Zur
Messung von Dichte (und Durchfluss) wird technisch die Rotation durch eine
Schwingungsbewegung einer U-Rohrschleife oder auch durch ein gerades Rohrstücks
ersetzt. Bei der U-Schleifenform führt die erzwungene, zur Bogenebene senkrechte
Schwingung, zu einer Torsion des U-Stückes und zwar wegen der in beiden
Schenkeln gegensinnig strömenden Masse und damit gegensinnig wirkenden Corioliskräfte (eine Seite wird hochgebogen
die andere hinab). Verformung, Fliessgeschwindigkeit, Rohrvolumen ...
erlauben eine kalibrierbare Beziehung zur Mediumdichte aufzustellen.
Hinsichtlich der
Korrektheit sind ähnliche Einschränkungen einschlägig wie beim
Schwingungsmessgerät.
(Eine schöne
Ausarbeitung, insbesondere im Hinblick auf die Durchflussmessung, bietet Roland
Steffen in einer Projektarbeit unter
http://www.rolandsteffen.de/Corioliskraft.pdf)
<<
->Inhalt
Grobe Methoden (Such- oder Übersichtsmethoden bzw. p-Mal-Daumen):
- Ob
bei fraglich gleichen, gleichdichten, transparenten Flüssigkeiten ein
Dichteunterschied vorhanden ist, kann durch Mischen geprüft werden. Es
bilden sich durch Dichteunterschiede Schlieren (Schlierenmethode).
- Man wiegt das
Flüssigkeitsvolumen in einem Standzylinder (Fehler 1-5%), oder noch etwas genauer,
einen bis zur Eichmarke gefüllten Meßkolben (grob pyknometrisch).
Für die Festkörperdichte:
- Man stellt einen regelmäßigen Körper her, etwa einen Würfel, wiegt diesen und bestimmt das
Volumen geometrisch, z.B. mit einem Lineal. Oder
- als pyknometrisches Verfahren - man wiegt
einen mit Flüssigkeit bekannter Dichte bis zur Eichmarke gefüllten Standzylinder
indem der Festkörper untergetaucht ist. Oder,
- so ähnlich, indem der Anstieg des Meniskus an der Glaswand in einem
Standzylinder mit dem Eintauchen der Probe abgelesen wird. Oder (klassisch
Archimedes):
- Artikel von
http://de.wikipedia.org/wiki/Archimedisches_Prinzip: "...
Die Entdeckung des
Archimedischen Prinzips: Archimedes war von König Hieron II von Syrakus
beauftragt worden, herauszufinden, ob dessen Krone wie bestellt aus reinem Gold
wäre, oder ob das Material durch billigeres Metall gestreckt worden sei. Diese
Aufgabe stellte Archimedes zunächst vor Probleme, da die Krone natürlich nicht
zerstört werden durfte. Der Überlieferung nach hatte Archimedes schließlich den
rettenden Einfall, als er zum Baden in eine bis zum Rand gefüllte Wanne stieg
und dabei das Wasser überlief. Er erkannte, dass die Menge Wasser, die
übergelaufen war, genau seinem Körpervolumen entsprach. Angeblich lief er dann,
nackt wie er war, durch die Straßen und rief Heureka (Ich habe es gefunden). Um
die gestellte Aufgabe zu lösen, tauchte er einmal die Krone und dann einen
Goldbarren, der genauso viel wog wie die Krone, in einen vollen Wasserbehälter
und maß die Menge des überlaufenden Wassers. Da die Krone mehr Wasser verdrängte
als der Goldbarren, musste sie aus einem leichteren Material, also nicht aus
reinem Gold, gefertigt worden sein. Diese Geschichte wurde vom römischen
Architekten Vitruv überliefert."
Hydrostatischer Druck:
In ausreichend hohen Zylindern (auch z.B. bei Vorrats-Silos) oder mit
entsprechend feinen Drucksensoren kann die Dichte aus dem hydrostatischen Druck
bestimmt werden.
Schwebeverfahren:
Ein Körper schwebt in einer Flüssigkeit, wenn die Dichten von Körper und Fluid identisch
sind. Mit (halogenierten) organischen Flüssigkeiten oder Salzlösungen können
Schwereflüssigkeiten mit Dichten von bis über 4g/cm³ dargestellt werden. Die
Dichtebestimmung erfolgt, indem durch entsprechende Mischung oder Konzentration
das Schweben des Feststoffes nahezu erreicht ist. Das eigentliche Schweben wird
durch die Temperatur eingestellt (kann aber auch durch Druckmanipulation
erfolgen). Je nach dem, was bekannt bzw. gesucht ist, spielen die Variablen
Dichte und Wärmedehnung (und Kompressibilität) der beiden Stoffe hier zusammen.
(Schwereflüssigkeit vgl.
imeter-Beispiel-Prüfberichte: Messung an Natrium-Polywolframat-Lösung
r=2.5g/cm³)
Dichtegradientensäule: In einem Standzylinder werden
vorsichtig zwei mischbare Flüssigkeiten übereinandergeschichtet. Es bildet sich ein Dichtegradient aus.
Mittels farbiger Glaskugeln deren Dichte genau bestimmt ist und anhand
deren Farbe die Zuordnung erfolgt, wird das jeweilige Schwebeniveau
markiert und einem Dichtebereich zugeordnet. So kann die Dichte einer zu
prüfenden nichtmischbaren Flüssigkeit durch deren markierten Schwebebereich
eines Tropfens oder bei Feststoffen durch ein Granulatkorns zugeordnet werden. Auf diese Weise
werden bevorzugt Feststoffe
geprüft; z.B. Polyethylen in einem Methanol/Wasser-Gradient.
Ferner gibt es
Verfahren, die über die Schwächung von Kernstrahlen oder anderer
Strahlen, der Materialstärke und der Massenschwächungskoeffizienten Dichteangaben
liefern. Und die makroskopische Dichte kann aus kristallographischen Daten, d.h. aus den
Abständen der Atome im Kristallgitter und mit dem Formelgewicht als ideale Dichte ermittelt werden.
Um die
Dichte metrologisch korrekt und rückführbar auf die internationalen Normale für Länge und Masse
zu bestimmen, wird ein extrem
regelmäßiger Körper wie eine Kugel (oder Kubus) hergestellt. An einer solchen Kugel
kann die geometrische Rundheit (interferometrisch) geprüft und spezifiziert werden und das Volumen
ist durch den Durchmesser genau bestimmt.
Zusammen mit
der exakten Massebestimmung erhält man so ein metrologisches Artefakt als Dichtenormal. Masse und Volumen,
also die Dichte des Artefakts, sind somit ermittelt. Und damit
kann wiederum die Dichte einer Flüssigkeit durch den Volumenauftrieb mit der entsprechenden Genauigkeit ermittelt werden.
Für diese genaue
Auftriebsmessung nun die "magnetische Flotation" anzuwenden, wird als angezeigt
betrachtet und es ist auch besonders chic. Denn das Hauptproblem bei der
hydrostatischen Wägung besteht in der Aufhängung - Man könnte noch so genaue
Kugeln herstellen, es bliebe der µL hin oder her, der durch den
wandelbaren Meniskus in der Flüssigkeitsoberfläche kapriziert. Es wurden dazu
bereits verschiedene Anstrengungen unternommen, z.B. die Anwendung besonders behandelter Aufhängedrähte
(Platinschwarz, [NRLM, Japan] oder besonders oxidierte Kupferdrähte [NPL,
Indien]) einzusetzen, es wurde sogar schon Tensid dem Wasser zugefügt (NML,
Australien) um diesen Störeinfluss in Griff zu bekommen ([Lit.44],
S.62). - Bei der magnetischen Flotation, also, gibt es keine mechanische
Aufhängung, doch muss der Dichtemesskörper magnetisch sein. Sicherlich
gibt es Werkstoffe, deren Suszeptibilität derart kalkulierbar ist und zeitlich
unverändert angenommen werden kann oder halt kalkulierbar ist, dass wenn auch der
Einfluss des Erdmagnetfeldes und anderer magnetischer Felder, Permeabilitäten,
Induktivitäten und Polarisierbarkeit auch des Mediums ... beherrschbar ist, chemische Stabilität gegeben ist bzw. die
Umhüllung geometrisch maßhaltig ist, dass das Volumen konstant bleibt und ein
Spulenstrom genau einer Kraft zugeordnet werden kann ..., sodass also auf die
Aufhängung verzichten werden kann. Dies erscheint wenig trivial.
Unsere Lösung nimmt sich dagegen
technisch relativ einfach aus. Die Skizze, rechts, zeigt das Prinzip: Die Kugel
wird über einen Lastträger angehoben, in dem die (temperierbare) Messzelle
abgesenkt wird. Dies wird über die zwei Positionier-Stufen (W1, W2 im unteren
Teil) bewerkstelligt. Zu W1 wird ein Wägewert aufgezeichnet, wobei der
Aufhängungsdraht bereits ein Stück weit durch die Flüssigkeit nach oben bewegt
ist, die Kugel durch das Gestell aber noch nicht angehoben ist (Teilbild (b)). Dann wird
die Messzelle weiter abgesenkt und die Kugel wird über den Halterahmen vom
Sockel gehoben und gewogen (Teilbild (c)). Die Differenz von W2 und W1 enthält genau und ohne
systematische Fehler die Dichte (abzüglich des Volumens, das bei W2 nicht mehr
tauchenden Drahtstückes).
Der Aufbau ist auf
den ersten Blick ähnlich dem, der Messzellen am NRLM, Japan bzw. NML, Australien
- dort wird jedoch der Sockel durch einen Mechanik abgesenkt um die Kugel mit
dem Wägemechanismus zu verbinden ([Lit.44],
S.72 ff. Dabei bleibt die Meniskuskraft jedoch mehr oder weniger zufällig.
Einzelheit und Varianten zu dieser imeter-Methode
finden sich in der Patentschrift DE 103 40 555 und unter
Meniskuseliminierung in diesem
Web.
Für die Messung der imeter -Feststoffdichte
kann diese Technik ebenfalls angewendet werden. Sie
stellt offenbar die überhaupt genaueste Feststoffdichtemessung und
Volumenbestimmung an Körpern dar - zumindest an
Körpern, die von nicht-vollkommener Geometrie sind. Für Vielseitigkeit
[Temperatur, Zeit, Umgebung] und einfache Bedienung [Anleitung] sorgt das
imeter-Framework. Kombiniert mit der alternierenden Messung von Proben- und
Flüssigkeitsdichte werden Sicherheit und Genauigkeit der Messung vervollkommnet (vgl. Feststoffdichte,
alternierende Messung).
<<
->Inhalt
Temperatur: Die Präzision jeder Dichtemessung wird durch die Genauigkeit und
Richtigkeit der Temperatureinstellung- bzw. Messung überaus gravierend
bestimmt. Insbesondere organische Flüssigkeiten haben mitunter sehr große
Ausdehnungskoeffizienten, oft auch über 100 [10-5/K].
D.h. pro Grad ändert sich die Dichte um 0,001g/cm³, so dass für
Messauflösungen um oder feiner als 10-4g/cm3 die Ablesbarkeit eines Thermometers
mit Zehntelgrad Skalenteilung ungenügend ist. Eine Temperaturanzeige mit der Ablesbarkeit
ganzer Temperaturgrade bedeutet - je nach Ausdehnungskoeffizient - z.B. bei
Pentan, als besonders krassem Beispiel - einen unvermeidlichen Mindestfehler von 0.3% (Pentan:
r20°C= 0,6215 [g/cm³] k
» 160
[10-5/K]). Ein auf 1/100 Grad anzeigender und
justierter Temperaturfühler erlaubt bzgl. der Temperatur bei Pentan die
Genauigkeit von ±0.003%, bei Wasser hingegen
±0.0002%. Es ist so unmittelbar verständlich, dass ein Pyknometer hinsichtlich konstanter Temperierung
eher schwierig zu handhaben ist, ebenso aräometrische Messungen in einem
einfachen Standzylinder. Und dass damit diese Methoden bereits wegen des
Umstands der Temperaturmessung und -Sicherstellung die Dichte nur recht begrenzt
anzeigen können. Sofern Dichtemessgeräte über eingebaute Temperierung und
Temperaturmessung verfügen, muss diese auch korrekt sein. Andernfalls ergibt
sich eine Schiefe der Anzeige, wenn, wie üblich, mit Wasser kalibriert wird,
aber z.B. Kohlenwasserstoffe gemessen werden.
Gasblasen: Die praktische Hauptfehlerquelle aller Methoden besteht
insbesondere darin, dass Gasbläschen auftreten, die eingeschlossen
werden (Pyknometer, Biegeschwinger) oder am Mess- oder Prüfkörper anhaften
(hydrostatische Wägung) oder in der Flüssigkeit vorliegen bzw. ausgasen.
(Gelöste Gase verändern die Dichte von Flüssigkeiten; Luft in Wasser setzt
dessen Dichte herab. Bläschen oder ein Blasenschaum tut dies sowieso, genauso,
wie im Aufschwimmen befindliche Bestandteile; sedimentierende Anteile erhöhen
die Dichte, wobei ein abnehmender Trend in der Dichte auftritt. [Trends sollten
für sichere Ergebnisse messbar sein])
Prinzipunschärfe bzw. -fehler: Der Bezug einer
Messgröße, wie der Dichte, ist ein normaler, ungestörter Zustand. Aus diesem
Normalzustand, mit seinem Normalwert, wird über physikalische Beziehungen (Kompressibilität,
Wärmedehnung) das Verhalten unter anderen Umgebungsbedingungen berechenbar. Wenn
ein Messgerät selbst durch Strömung, Kompression, Dissipation (durch Schwingung)
einen Eingriff in die Bezugs-Ruhelage verursacht, dann kann es in
Vollständigkeit nur Aussagen über den Stoff erlauben, mit dem es kalibriert bzw.
justiert oder geeicht ist. Die Präzision ist dadurch definitiv endlich und die
Diskrepanz der Anzeige eine unbekannten Probe zum wahren Wert ist mehr oder weniger unklar.
Schwingungsmessgeräte, Corioliskraft-Dichtemesser etc. liefern, anders als die
hydrostatische Methode, mit der Verbesserung der Sensoren eben nicht bessere
Ergebnisse. Eine Viskositätskorrektur (Viskosität - bei
welcher Schergeschwindigkeit?) korrigiert die gröbsten
Störungen zwar, doch die Sicherstellung einer korrekten Dichteanzeige bei einem
Messprinzip, das weitere Stoffeigenschaften betrifft (Querempfindlichkeit),
ist lediglich begrenzt verlässlich.
Meniski - hydrostatischen Wägung: Bei der hydrostatischen Wägung, abgesehen von der Magnetschwebetechnik, ist der
Meniskus an der Messkörperaufhängung bei den üblichen Geräten, auch bei der Mohrschen Waage, ein echtes
Problem (vgl. Abschnitt oben, Absolut-Verfahren). Warum ist diese Meniskuskraft so ungeheuer bedeutend?
-- Dazu ein einfaches
Beispiel. Denkt man sich einen 10mL Körper der in eine Wasserprobe eintaucht, er
sei von einem z.B. einem 0.2mm dicken Draht gehalten. Das wäre also ein Aufbau,
wie traditionell die Dichte gemessen wird. Je nach dem, wie der Messkörper
eingesetzt wird, wie rein das Wasser ist und wie sauber der Draht, kann man
an der Stelle, an der der Draht die Flüssigkeitsoberfläche durchsticht,
sehen, dass das Wasser am Draht wulstförmig etwas hinauf gezogen wird oder
auch mehr oder
weniger rechtwinklig an dem Draht anlangt. Ist der Draht ein frisch ausgeglühter
Pt-Draht, das Wasser sehr sauber, so dass die Wasser-Oberflächenspannung korrekt
vorliegt, und der Körper so eingesetzt wird, dass am Draht ein
regulärer Kontaktwinkel anliegt, dann darf man erwarten,
dass diese Kraft, die Meniskuskraft, 4.6mg beträgt.
Rechnung: g = F· cos Q
/ U ==> vgl.
Wilhelmy-Methode, eine Bestimmungsgleichung der Oberflächenspannung: Die
Oberflächenspannung (g) entspricht der
Meniskuskraft (F) und dem Kontaktwinkel (Q),
bezogen auf den Drahtumfang (U). Umgestellt und mit cosQ
=1 [vollständige Benetzung] ergibt sich mit F=m·g, eine
Meniskuskraft bzw. -Masse von
m=F/g = g / (U·g) = (g·2·p·r)
/·g = (72[mN/m]· 2· 3.14· 0.1[mm])/ 9.81[m/s²] = 4.6 [mg]
Normalerweise wird der theoretische
Wert für die Kalkulierbarkeit des Oberflächenspannungseffektes nicht erreicht,
da Luftverunreinigungen und Tensidmengen bereits im ppb-Bereich die
Oberflächenspannung deutlich herabsetzen. Und bei irregulärem Kontaktwinkel oder bei unsauberem Draht
- etwa durch Adsorbat aus der Luft oder Fingerfett - kann die Meniskuskraft auch negative Werte annehmen.
Bei rund 5mg Unsicherheit auf
eine Auftriebskraft von etwa 0.1N (~10g) bedeutet 0.005/10=>
±0.05% bzw. ±0.0005g/cm³.
==> Welche Informationen bei Messauflösungen besser als
"0.0005g/cm³" (5.0E-04) zu Tage treten, zeigt das folgende
Diagramm. Es zeigt Messergebnisse an verschiedenen Wässern, die bei 25, 30 und
37°C, nach einer frühen Variante des
Meniskuseliminierverfahrens
gemessen wurden. Für
jeden einzelnen Wert ist die Abweichung zu Normalwasser gegen die
Messdauer angetragen. Während der gut viertelstündigen Pause wurde jeweils temperiert und
am Ende die Wägezelle automatisch justiert. Die Unterschiede sind hier
offensichtlich signifikant und mit anderen, vergleichbar einfachen Methoden, in
der Regel unsichtbar (obwohl die imeter-Technik zum
Zeitpunkt der Untersuchung noch nicht ganz ausgereift war).
[Zum Diagrtamm: Bei 37°C wird der Verlauf
etwas unruhig - die Proben wurden nicht vorbehandelt, wie etwa am
Wasserstrahlvakuum entgast und natürlich ist es viel zu schnell gemacht worden
(Temperierung, Störung durch Inkonsistenz und Konvektion!); "17.8.03" bedeutet, dass Augsburger Leitungswasser
an diesem Tag entnommen und destilliert wurde, ACS (Wasser mit dieser
Klassifikation ex Aldrich; Fluka, Aldrich: dest. Wässer für die HPLC, Mineralwasser:
"Saskia-Quelle" (Gesamtmenge gelöster Mineralien: 0.0629g/L)]
Luftdichte: Weiterhin ist die
Veränderlichkeit der Umgebungsdichte bzw. Luftdichte zu
berücksichtigen, sie wirkt sich bei der hydrostatischen Wägung unmittelbar aus. -
Anhand der weiter unten
angegebenen Gleichungen kann der Einfluss der Luftdichte
formal entnommen werden. Das nachfolgende Diagramm zeigt den Luftdichteverlauf an einem wetterwendischen Tag:
Die Luftdichte kann
direkt durch Wägungen eines offenen und dann geschlossenen, evakuierten
Holkörpers (Gasmaus) ermittelt werden. Sie kann einfacher aus Temperatur,
Luftdruck und Luftfeuchte berechnet werden oder durch die Wägung eines
Massestücks bestimmt werden (imeter
enthält als integrierte Funktionen [Assistenten]
beide Methoden für die Ermittlung der Luftdichte).
Fallbeschleunigung: Im Verlauf eines Tages ändert
sich an einem Ort die Fallbeschleunigung durch die Gravitationseinflüsse von
Mond und Sonne - die Gezeitenamplitude - und zwar in der Größenordnung von 1·106 m/s² [Lit.1,
S.191]. imeter
enthält einen integrierten Assistenten
für die Bestimmung der Fallbeschleunigung. Mit der zeitnahen Justierung der
Wägezelle - d.h. die automatische Auflage des Justiergewichts - kann auch dieser,
normalerweise unbedeutende Einfluss, eliminiert werden.
Alterung, Drift: Das schöne an Aräometern,
Pyknometern oder
der Mohrschen Waage ist, dass solche Geräte in der Regel noch nach Jahren in
der Schublade funktionieren. Die Messwertanzeige elektronisch
arbeitender Geräte, hingegen, bleibt zeitlich nicht konstant. Der Nullpunkt
driftet oft schon in kürzeren Fristen mit der Temperatur der elektronischer Bauteile und über
größere Zeiträume verliert sich die Kalibrierung durch Alterungseffekte. Die Präzision
und Richtigkeit einer Messung kann durch eine zeitnahe Justierung bzw.
Kalibrierung sichergestellt werden. Eine Technik die Sensorkalibrierung
sicherzustellen und die Nullpunktsdrift automatisch und mit Gewissheit auszuschließen,
besteht bei der hydrostatischen Wägung (mit imeter) darin, die Justierung der Wägezelle (die innerhalb einer Messung erfolgen kann) und die
Messung der Auftriebskraft als Differenzkraft (wie oben beschrieben)
einzusetzen. So kann - wenn physische Veränderungen des Messkörpers
ausgeschlossen sind - die Korrektheit in extremer Auflösung, über beliebige
Zeiträume gewährleistet werden.
<<
->Inhalt
imeter
ist ein Werkzeug das den Zugriff
auf die Stoffeigenschaft „Dichte“ durch allgemeine und universelle Anwendung
der hydrostatischen Methode für die Dilatometrie und Dichtebestimmungen an flüssigen
und festen Stoffen zur Verfügung stellt.
Es werden alle effektiven Einflussgrößen berücksichtigt.
die Einflussgrößen können mit dem MessSystem bestimmt werden
(Luftdichte, Absolute Dichte).
Dichte und
Ausdehnungskoeffizienten können zusammen in einer Messung bestimmt werden.
die Ergebnisse sind rückführbar auf
gesicherte Normale.
Die Ergebnisausgabe
erfolgt in Echtzeit und kann zur Online-Regelung verwendet werden.
Zum Erreichen des Optimums im Spannungsfeld von Aufwand und Präzision,
stehen innerhalb der frei modellierbaren Abläufe verschiedene Arbeitsmodi zur Verfügung.
So können Zubehör und Arbeitsabläufe auf die Fragestellung genau angepasst werden.
Messprogrammkonzept
- (Messablaufvarianten, Dialogelemente zur Unterstützung des Prüfers
etc.).
Meniskuskraft-Korrektur durch
experimentell vor- und/oder nach-bestimmbare Beträge.
Meniskuskraft-Eliminierung
durch ein spezielles Verfahren (genauer geht's nicht!).
Driftkompensation und
Justierung während der Messung (...auch auf Dauer genauer).
Für Anwendungen der Flüssigkeitsdichtemessung kann das
Absolut-Verfahren angewendet werden, die Viskosität
ist ohne prinzipiellen Einfluss, wie auch optische, elektrische und - unter
Einschränkungen - magnetische Eigenschaften; die Probe kann instabil sein, als Emulsion,
Suspension oder Gel vorliegen. Aus Dichtewerten kann die
Kinetik von Vorgängen erhalten werden, die die Dichte der flüssigen Phase selbst
oder die Messung der Dichte beeinflussen, wie etwa Temperaturangleichung, Sedimentation, Koagulation,
Ausfällung, Kristallisation, Aufrahmung, Auflösung oder allgemein
Konzentrationsänderung und Stoffumsatz.
imeter
ist
ein formales und freies System, welches beachtliche Teile der
Eigenschaftsmessung und Werkstoffprüfung umfasst. Anwender haben sogar die Freiheit,
selbst Zubehör
und Handhabungen (z.B.) der Dichtemessung so einzustellen, wie Zwecke es im
Wandel der Zeit und der Aufgaben erfordern.
Sprachelemente der Steuerung und technische Einrichtungen des Gerätes
erlauben beinahe jede denkbare Anwendung
in Labor oder Betrieb mit geringstem Aufwand auszurüsten. Die automatische
Nullpunktnachführung, die Justierbarkeit während längerer Messungen, die Unterdrückung
systematischer Fehler (Meniskuskraft-Eliminierung) sowie Unabhängigkeit von der Temperatur
und die automatisch Ermittlung des Messfehlers, das sind wesentliche technische
Merkmale der Technik, anhand derer gezeigt ist, dass das Thema Dichtemessung
hiermit beschlossen ist.
Die folgenden Links schalten auf Seiten mit
imeter -Anwendungsbeispielen
zur Dichtemessung weiter
® Dichtemessungen an
Feststoffen
® Flüssigkeitsdichtemessungen.
<<
->Inhalt
Die
Definitionsgleichung der Dichte, als
Verhältnis von Masse zu Volumen,
r = m / V
kann nicht unmittelbar angewendet werden. Denn bereits, wenn die Masse (m) aus Wägedaten angegeben
wird, führt
dies bereits zu einem sicheren Fehler.
Für die hydrostatische Wägung an Festkörpern wird üblicherweise Gleichung
(Ia) verwendet:
(Ia)
Die Festkörperdichte rFK
ergibt sich aus der Wägung an der Luft (W1) und untergetaucht
in einer Flüssigkeit (W2) der Dichte rFL.
Analog kann für die Flüssigkeitsdichte die Gleichung (Ib) angewendet
werden.
(Ib)
(rFK
bedeutet hier Messkörperdichte). Mit der Gleichung (Ic) kann mit
irgendeinem Messkörper die unbekannte Dichte der Flüssigkeit rFL-a
mittels einer Flüssigkeit bekannter Dichte rFL-b
ermittelt werden, ohne vom Messkörper mehr zu benötigen, als sein Gewicht
an Luft (W1) sowie untergetaucht in den beiden Flüssigkeiten (W2a,
W2b).
(Ic)
So weit, so gut. Will man jedoch die Dichte über längere Zeit hinweg
messen, so sind W1 und W2 nicht mehr miteinander vergleichbar, da sich die Luftdichte ändern kann (vgl.
Diagramm weiter oben zur Luftdichteschwankung), die den Wägewerten gemein
sein müsste. Außerdem ist es in der Praxis unnötig mühsam und fehleranfällig, den
Messkörper jedesmal vorher zu wiegen. Die Gleichungen I sind für unsere
Zwecke also nicht ausreichend präzise und zu sehr störanfällig. Zusätzlich bereiten
Korrekturen z.B. durch Befestigungsmaterialien in den einfachen
Formulierungen Schwierigkeiten. - Es ist erforderlich die Sachverhalte detaillierterer
zu
betrachten - sehen wir uns die Wägung an: Auch wenn elektronische Waagen mg/g/kg
-Masseeinheiten anzeigen - eine Wägung liefert
einen Wägewert. Der Wägewert ist eine Gewichtskraft. Im Vakuum ist die
Schwere der Masse gleich, doch wegen des Luftauftriebs entspricht der
Wägewert nur dann der Masse,
wenn das Gegengewicht der Balkenwaage (d.h. das Justiergewicht bzw.
die elektronisch repräsentierte Erinnerung daran) und das Wägegut die gleiche Dichte haben.
Dies ist, wie jedem einleuchtet, nur ausnahmsweise der Fall. Die
grundlegenden Verhältnisse bei der Wägung verdeutlicht die folgende
Skizze.
mcal·g –
rLuft·Vcal·g
= m·g -
rLuft·V·g
(IIa)
Die Gleichung stellt für den Sachverhalt die allgemeine Formulierung dar.
Die Kraft auf der linken Seite des Wägebalkens (Fw=m·g
), unter Wirkung des Luftauftriebs (Fa
= rLuft·V·g),
ist gleich der Kraft rechts.
In Gleichung IIb wird g gekürzt, das Volumen durch die Dichte ersetzt
(V=m/r)
und die Masse vor die Klammer gezogen:
mcal ( 1 –
rLuft/rcal)
= m (1 -
rLuft/r) (IIb)
"rLuft"
steht allgemein für Dichte des Mediums in dem der Vergleich stattfindet.
Für Wägungen in anderen Gasen, z.B. in einer Glovebox, oder unter Wasser
etc. sind entsprechende Mediendichten wirksam.
Im Vakuum fällt der Auftriebsterm natürlich weg und Massen sind mit deren
Gewichtskräften zahlengleich. --
Um es erwähnt zu haben: die Fallbeschleunigung ist nur
gleich, wenn der Schwerpunkt beider Körper auf gleicher Höhe ist und
insbesondere die Luftdichte (=veränderlich mit Luftdruck, -Temperatur und
-Feuchte) auf beiden Seiten gleich ist!
Um die Masse (m) angeben
zu können, sind Wägewert (W), Dichte der Probe (rProbe)
und des Justiergewichts (rCal)
sowie die Luftdichte (rLuft)
notwendig - natürlich kann umgekehrt aus einer gegebenen Masse, der Wägewert
angegeben werden:
und
(III, IV)
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