اندازه گیری دانسیته

اندازه گیری چگالی Density

چگالی به عنوان جرم در واحد حجم تعریف می شود. چگالی نسبی اندازه ای بدون واحد است و برابر با نسبت چگالی ماده به چگالی آب در دمای استاندارد است. در واقع چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم شده است. مثلا ، سرب یک ماده چگال است زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچکتر متراکم شده از طرف دیگر چگالی آزمایش ‌های مربوط به هوا بسیار کم است.
اندازه گیری و کنترل چگالی سیالات می تواند در فرایندهای صنعتی مهم و حیاتی باشد. اندازه گیری چگالی اطلاعات مفیدی در مورد ترکیبات، غلظت شیمیایی یا مواد جامد معلق در مایع می دهد.
چگالی به روشهایی مشابه با روش های اندازه گیری سطح، اندازه گیری می شود. برخی از روشهای اندازه گیری چگالی عبارتند از:

•    فشار هیدرواستاتیک  (Hydrostatic Pressure)
•    تشعشعی (Radiation)
•    ارتعاشی (Vibration)
•    فشار تفاضلی  (Differential Pressure)
دبی سنجی های جرمی نیز قادر به اندازه گیری چگالی هستند. در ادامه روش های اندازه گیری چگالی توضیح داده می شود.

فشار هیدرواستاتیک  (Hydrostatic Pressure)

اساس این نوع اندازه گیری بر پایه ارتفاع ثابت مایع و اندازه گیری فشار تفاضلی استوار است. از آنجایی که امکان تغییر سطح وجود دارد اساس عملکرد بر اختلاف فشار بین دو نقطه مشخص استوار است. به خاطر اینکه ارتفاع بین دو نقطه تغییر نمی کند هر تغییری در فشار به دلیل تغییر در چگالی است. فاصله بین نقاط برابر با اختلاف فشار مایع بین دو ارتفاع است.

تشعشعی (Radiation)

اندازه گیری چگالی با استفاده از تشعشع بر پایه جذب بیشتر پرتوهای گاما با افزایش چگالی نسبی مواد استوار است. عناصر اصلی چنین سیستمی شامل منبع ثابت گاما (عموما رادیم) و یک آشکارساز است. در اینجا آشکار ساز، تغییرات در شدت پرتوهای دریافتی از حجم ثابتی از مایع را به سیگنالی الکتریکی تبدیل می کند. این نوع از اندازه گیری اغلب در لای روبی کردن استفاده می شود. در جایی که چگالی لجن، میزان موثر بودن لای روبی مخزن را مشخص می کند.

ارتعاشی (Vibration)

تضعیف شیء لرزان در سیال با افزایش چگالی سیال، بیشتر می شود. شیء لرزان به وسیله منبع انرژی خارجی می لرزد و می تواند نی یا صفحه غوطه ور باشد.
چگالی می تواند به یکی از دو روش زیر اندازه گیری شود:
1-تغییر در فرکانس طبیعی لرزش هنگامی که شیء لرزنده به صورت ثابت، انرژی دار شود.
2-تغییر در قدرت و اندازه لرزش هنگامی که شیء لرزنده به صورت دوره ای ضربه بخورد.(مانند زنگوله)

فشار تفاضلی  (Differential Pressure)

تانکهایی با سرریزی ثابت سطح، ساده ترین راه برای اندازه گیری چگالی هستند زیرا فقط به یک فرستنده فشار تفاضلی نیاز است. این روش نیز مانند روش اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک است، با این تفاوت که چگالی اندازه گیری شده مربوط به فاصله بین پایه های خشک و مرطوب (H) می شود. در این حالت مهم نیست سطح سیال به چه میزان تغییر کند و فقط باید سطح مایع بالاتر از نقطه اتصال پایه مرطوب به مخزن باشد. اگرچه کاربردهایی با سطح یا فشار استاتیک متغیر نیاز به تخمین دارد.

تاثیرات دما بر چگالی

افزایش دما سبب انبساط در مایعات و در نتیجه تغییر در چگالی می شود. تمام مایعات با نرخ یکسان انبساط نمی یابند. برای اطمینان از صحت اندازه گیری، باید اندازه گیری چگالی نسبی بر اساس تاثیرات دما تصحیح شود، اگرچه عملا در بسیاری از مواقع این کار انجام نمی شود.
در کاربردهایی که اندازه گیری دقیق چگالی نسبی خیلی مهم و حیاتی است، ممکن است دما برای حجم ثابت کنترل شود. البته می توان تصحیح لازم برای اندک تغییرات دمای اندازه گیری را در کالیبره کردن ابزار دقیق های چگالی انجام داد.

روش اندازه گیری :

دانسیته را می توان از رابطه ی d=m/v محاسبه نمود.در این رابطه d نمایشگر دانسیته,m نمایشگر جرم و v نمایشگر حجم می باشد. واحد دانسیته برای مواد جامد و مایع gr/cm3 و برای گازها gr/lit است.

مواد لازم:

قطعه هایی از فلزات غیر قابل حل در آب,مقداری از مایع مورد آزمایش ,آب مقطر

وسایل لازم:

ترازوی دقیق ,پیکنومتر ۲۵ سی سی, بالن ژوژه ۱۰۰ سی سی,استوانه مدرج ۱۰۰ سی سی,بشر,دما سنج,بالن دهانه بلند,چوب پنبه سوراخ دار,لوله رابط به همرام شلنگ,بست فلزی

الف-دانسیته جامدات

در این آزمایش چون جسم شکل هندسی مشخصی ندارد حجم آن را به طور غیر مستقیم اندازه می گیرند برای این کار نخست جسم را در صورت غیر محلول بودن در آب در ظرف با حجم مشخص می ریزند و ازدیاد حجم آب مطابق ارشمیدس برابر حجم جسم می گیرند و به علت این که دانسیته آب ۱gr/cm3 است ازدیاد وزن آب را با ازدیاد حجم آب یکسان می گیرند.

روش انجام آزمایش:

مراحل کار به صورت زیر است:

۱-شماره نمونه داده شده را یادداشت کنید

۲-جرم نمونه را به کمک ترازو تعیین کنید

۳-جرم نمونه را یادداشت کنید(بر حسب گرم)

۴-یک استوانه مدرج ۱۰۰ سی سی را تا شماره ۵۰ از آب مقطر پر کنید(برای افزایش دقت آزمایش می توان ۵۰ سی سی آب مقطر را تسط پیپت برداشت و درون استوانه مدرج ریخت)

۵-قطعات نمونه را درون استوانه بریزید سطح آب درون استوانه تغییر می کند.

۶-افزایش سطح آب درون استوانه معادل حجم نمونه است(بر حسب cm3 )

حجم نمونه=حجم آب و نمونه درون استوانه–(cm3حجم آب اولیه (۵۰

۷-از تقسیم کردن جرم نمونه حجم آن چگالی آن را به دست آورید

چگالی نمونه=جرم نمونه/حجم نمونه

نوع نمونه فلزی را با توجه به جدول زیر تعیین کنید

نکات قابل توجه:

۱-برای تعیین چگالی اجسام جامدی که در آب حل می شوند هنگام اندازه گیری حجم آنها از مایع دیگری استفاده کنید.

۲-دقت کنید دما در طول مراحل مختلف آزمایش ثابت باشد.

ب-دانسیته مایعات

دقیق ترین وسیله برای این آزمایش پیکنومتر است.

روش انجام آزمایش:

ابتدا پیکنومتر خالی و خشک با حجم معین(۲۵ سی سی) را وزن کنید.سپس پیکنومتر را از مایع مورد نظر که د اختیار شما قرار گرفته است پر کنید به طوری که لوله مویین آن باید از مایع مورد نظر پر باشد و چند قطره از مایع هنگام پر کردن باید بیرون بریزد سپس در حالی که جدار بیرونی آن خشک باشد آن را توزین کنید از تفاوت وزن پیکنومتر خالی و پیکنومتر پر از مایع وزن مایع مورد نظر به دست می آید و سپس با تقسیم کردن آن بر حجم ظرف پیکنومتر دانسیته مایع در دمای مشخص به دست می آید.

d = m/v = (m2 – m1 )/v

نکته فابل توجه:

دقت کنید دما در طول مراحل مختلف آزمایش ثابت باشد.

ج-دانسیته گازها

روش انجام آزمایش:

یک بالن دهانه بلند با حجمنامشخص و خشک را برداشته و مقدار نامشخصی مثلا ۱۰۰ سی سی آب درون آن بریزید .درب پلاستیکی که از درون آن لوله ای عبور کرده است را روی آن قرار دهید تا هیچ منفذی غیر از مسیر لوله

وجود نداشته باشد و سپس سیستم را توسط گیره به پایه وصل کرده و حرارت دهید تا آب به جوش آید.زمانی که بخار آب از لوله متصل به سیستم خارج شد مسیر را توسط گیره یا سیم ببندید در این لحظه حرارت را قطع کرده و بگذارید خود به خود سرد شود.

توجه:هرگز بالن را توسط آب سرد خنک نکنید زیرا امکان ترکیدن بالن وجود دارد.

پس از این که دمای بالن به دمای محیط رسید خلا ایجاد می شود زیرا بخار آب موجود در بالن سرد شده و به صورت مایع در می آید و فضای بالای بالن خلا می شود.حال کل سیستم را وزن کرده و آن را m1 قرار دهید پس از عمل توزین,گیره یا سیم را باز کرده و مسیر را برای ورود هوا آزاد سازید.هوا وارد بالن می گردد سپس مجموعه را به همراه گیره یا سیم وزن کنید وزن آن را به m2 قرار دهید حال سیستم را باز کرده و آب موجود در بالن را توسط سیلندر یا استوانه مدرج اندازه گیری نمایید حجم آن را V1 قرار دهید.

برای به دست آوردن حجم بالن آن را خشک کرده و آنقدر توسط استوانه مدرج در آن آب بریزید تا کاملا پر شود حجم آب وارد شده به بالن را برابر V2قرار دهید.

وزن کل سیستم در خلا همراه آب m1

وزن کل سیستم همراه هوا و آب m2

وزن هوای موجود در بالن V2 – V1

اما این حجم در شرایط آزمایشگاه است و باید در شرایط استاندارد محاسبه گردد.برای این کار از رابطه زیر استفاده می شود:

PV=P0V0(1+αt)

P0=760 mmHg

α =۱٫۲۷۳

t:دمای آزمایشگاه بر حسب درجه سانتی گراد

P:فشار آزمایشگاه بر حسب میلی متر جیوه

V: حجم هوای آزاد موجود در بالن در شرایط آزمایشگاه بر حسب سانتی متر مکعب

V0 : حجم هوای موجود در بالن در شرایط استاندارد بر حسب سانتی متر مکعب

با محاسبه V0 و داشتن جرم هوا,دانسیته هوا به دست می آید.

دانسیته هوا را بر اساس گرم بر لیتر باید محاسبه نمود و می توان از روی مقدار واقعی دانسیته هوا درصد خطای آزمایش را به دست آورد.

درصد خطا=مقدار واقعی – مقدار تجربی/مقدار واقعی× ۱۰۰