چگالی سنج دیجیتال چیست و چگونه کار می‌کند؟

چگالی سنج دیجیتال وسیله‌ای است که چگالی یک ماده را اندازه می‌گیرد. چگالی هر ماده به صورت نسبت جرم به حجم آن تعریف می‌شود. متداول‌ترین واحدها برای بیان چگالی، واحد SI کیلوگرم بر متر مکعب و واحد cgs گرم بر سانتی‌متر مکعب است. چگالی به دما وابسته است. چگالی سنج‌ها انواع مختلفی اعم از هسته‌ای، کوریولیس، التراسونیک، مایکروویو و گراویتیک (gravitic) دارد. همچنین شناور، چنگال مرتعش و استاتیک از سایر انواع چگالی سنج‌ها به شمار می‌آیند. هر نوع به روش خود چگالی را اندازه می‌گیرد و مزایا معایب خاص خود را دارد. چگالی سنج‌ها کاربردهای متنوعی در صنایع و علوم آزمایشگاهی دارند. از این تجهیز برای اندازه‌گیری چگالی کیس‌های اسلاری و دوغابی و نیز سایر انواع سیالات در خطوط لوله صنایعی مانند معدن، آب و فاضلاب، کاغذسازی، نفت و گاز و … استفاده می‌شود. در این مطلب از مجله پریسماتک قصد داریم به بررسی چگالی سنج دیجیتال و اصول کار آن بپردازیم. در مطالب بعدی وبلاگ سایر انواع را نیز بررسی خواهیم کرد.

اصول کار چگالی سنج دیجیتال

چگالی سنج دیجیتال یکی از انواع چگالی سنج‌ها محسوب می‌شود که بر اساس تکنیک نوسان یک تیوب U شکل (oscillating U-tube) عمل می‌کند. داخل لوله U شکل از محلول مورد نظر پر می‌شود و سپس لوله به منظور نوسان تحریک می‌شود. فرکانس طبیعی نوسان لوله (eigenfrequency) به جرم و در نتیجه چگالی محلول وابسته است. به این نوع چگالی سنج دیجیتال اصطلاحا نوع کوریولیس نیز گفته می‌شود که علاوه بر فلو سیال، چگالی آن را نیز اندازه می‌گیرد. در انیمیشن زیر اساس این روش اندازه‌گیری نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر دیده می‌شود، یک توپ به میله‌ای منعطف متصل شده است که میله نیز به دیوار وصل است. توپ پس از وارد شدن فشار رو به پایین شروع به نوسان می‌کند. فرکانس این نوسان به جرم توپ وابسته است. هرچقدر جرم سنگین‌تر باشد (توپ آبی)، فرکانس نوسان آن کمتر بوده و در عوض فرکانس نوسان جسم سبک‌تر (توپ نارنجی) بالاتر است. اگر هر دو توپ هم‌اندازه باشند، پس فرکانس نوسان به چگالی توپ‌ها وابسته است. هر چقدر چگالی ماده توپ‌ها بالاتر باشد، فرکانس نوسان پایین‌تر خواهد بود.

دقیقا همین اتفاق در مورد تیوب u شکل موجود در چگالی سنج می‌افتد. هرچه چگالی محلول موجود در تیوب بیشتر باشد، فرکانس نوسان کمتر خواهد بود. این مفهوم در انیمیشن زیر نشان داده شده است. لوله آبی رنگ که با آب پر شده است، دارای چگالی بیشتری نسبت به لوله خاکستری رنگ حاوی هوا است، درنتیجه فرکانس نوسان آن کمتر است.

فرکانس نوسان یک تیوب که با سیال پر شده باشد از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:

در این رابطه ρ چگالی محلول داخل تیوب، v_c حجم درونی تیوب، m_c جرم تیوب خالی و k ثابت مخصوص تیوب است. با استفاده از فاکتور کالیبراسیون F می‌توان چگالی هر محلولی را با فرمول زیر  به دست آورد.

خطای ویسکوزیته (Viscosity error) چگالی سنج دیجیتال

در عمل، فرکانس نوسان تیوب فقط به چگالی محلول وابسته نیست، بلکه به ویسکوزیته آن نیز بستگی دارد. اگر لوله با یک محلول با ویسکوزیته بالا پر شود، نوسان لوله توسط نیروهای تنشی مایع خنثی یا دمپ می‌شود. در این شرایط فرکانس نوسان بسیار کم خواهد بود و مقداری بزرگ برای چگالی به دست می‌آید. در نمودار زیر دامنه این خطا نسبت به ویسکوزیته محلول نشان داده شده است.

بر اساس نمودار فوق، مقدار خطای ویسکوزیته در چگالی سنج همیشه کمتر از ۰.۰۰۱ g/cm³ است. بنابراین برخی نسخه‌های چگالی سنج دیجیتال که دارای دقت تا ۳ عدد اعشار هستند، نیازی به تصحیح این خطا ندارند. برای محلول‌های با ویسکوزیته زیر ۱۰ mPa.s، مانند آبمیوه‌ها، نیروهای تنشی محلول موجب هیچ خطای ویسکوزیته نمی‌شوند. بسیاری از چگالی سنج‌های دیجیتال دارای تصحیح اتوماتیک خطای ویسکوزیته هستند. برای ارزیابی داده‌های مورد نیاز برای تصحیح این خطا لازم است اندازه‌گیری‌های متعدد استاندارهای چگالی ویسکوز با هر دستگاه انجام شود. در بسیاری کاربردها مانند تعیین الکل موجود در نوشیدنی‌های الکلی، به تصحیح خطای ویسکوزیته نیازی نیست.

به منظور هماهنگ بودن نتایج حاصل از اندازه‌گیری در استانداردهای مختلف، کنترل عملکرد چگالی سنج دیجیتال باید توسط محلول‌های با چگالی استاندارد مشخص انجام شود. اگر محلول مورد استفاده نیاز به تصحیح خطای ویسکوزیته داشته باشد، باید به جای آن از مواد با چگالی ویسکوز استاندارد استفاده کرد. مواد مرجع استاندارد با ویسکوزیته‌های مختلف برای این منظور در بازار وجود دارند.

کنترل دما در چگالی سنج دیجیتال

اندازه‌گیری چگالی با دقت بالا نیازمند کنترل دقیق دمای تجهیز اندازه‌گیر است. به همین منظور، اکثر انواع چگالی سنج دیجیتال مجهز به ترموستات حالت جامد هستند که به آن پلتیر (Peltier) می‌گویند. المان پلتیر باعث ایجاد شار گرما در محل اتصال دو ماده مختلف می‌شود. در واقع، در این فرایند با مصرف انرژی الکتریکی، گرما از یک سمت به سمت دیگر و در خلاف جهت گرادیان گرما (از سرد به گرم) منتقل می‌شود. پلتیرها المان‌هایی کامپکت هستند که هیچ بخش متحرکی ندارند و برای گرم کردن یا خنک کردن محلول تست مورد استفاده قرار می‌گیرند. زمانی که پلتیرها به عنوان خنک‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند، فقط ۵ تا ۱۰٪ نسبت به ادوات فشرده‌ساز بخار مورد استفاده در یخچال‌ها کارایی دارند. به دلیل این کارایی کم می‌توان گفت دارای مصرف توان نسبتا بالایی هستند.

در چگالی سنج دیجیتال معمولا برای کاهش این مصرف توان از فن‌های قوی برای خنک کردن سمت گرم‌تر المان پلتیر استفاده می‌شود. برای جلوگیری از تجمع ذرات غبار روی سطح فن‌های خنک‌کننده (که موجب کاهش اثر خنک‌کنندگی می‌شود.) از فیلترهای غبار و ذرات ریز استفاده می‌شود که از بیرون چگالی سنج دیجیتال به سادگی قابل دسترسی هستند. همچنین چگالی سنج دیجیتال معمولا مجهز به یک سوییچ زمانی قابل برنامه‌ریزی هستند تا زمانی که از دستگاه استفاده نمی‌شود، ترموستات به صورت اتوماتیک خاموش شود.

برای اندازه‌گیری و کنترل دما در داخل تجهیز معمولا از سنسورهای دمای NTC استفاده می‌شود. سنسورهای دمای NTC نسبت به سنسورهای دمای PT100 و PT1000 دارای این مزیت هستند که تحت شرایط ایده‌آل، سنسورهای باکیفیت PT100 و PT1000 در سال دارای دریفت در حدود ۰.۰۰۵ درجه سانتی گراد هستند. در چگالی سنج‌های دیجیتال مجهز به این نوع سنسور دما، برای اطمینان از دقت اندازه‌گیری دما ۰.۰۲ درجه سانتی‌‌گراد، حداقل هر پنج سال یک بار باید تجهیز کنترل و در صورت لزوم تنظیم و کالیبراسیون مجدد شود.

اما سنسورهای دمای NTC دارای دریفت کمتر از ۰.۰۰۲ درجه سانتی‌گراد در سال هستند. برای اطمینان از داشتن دقت ۰.۰۲ درجه سانتی‌گراد در چگالی سنج دیجیتال مجهز به سنسور دمای NTC فقط لازم است هر ۱۰ تا ۱۵ سال یک بار کنترل و کالیبراسیون انجام شود. علاوه بر این، سنسورهای دمای NTC برخلاف سنسورهای PT100 و PT1000 دارای مشخصه غیرخطی بین دما و مقاومت هستند. به همین دلیل چگالی سنج‌های مجهز به سنسور NTC معمولا دارای یک جدول ترمیستور درون خود هستند که با استفاده از درونیابی لاگرانژ مقاومت اندازه‌گیری‌ شده را به صورت دقیق به دما تبدیل می‌کنند.

گاهی امکان دستیابی به یک توزیع دمای کاملا همگون در سلول اندازه‌گیری وجود ندارد، زیرا همیشه مقداری جریان حرارتی کوچک از محیط به درون وجود دارد. اگر چگالی سنج در یک محیط با نوسانات دمایی بالا مورد استفاده قرار گیرد، این جریان حرارتی ناپایدار می‌تواند موجب خطای اندازه‌گیری شود. برای جلوگیری از بروز این خطا، چگالی سنج‌های دیجیتال معمولا مجهز به سنسور دمای مرجع هستند که باعث تصحیح اتوماتیک خطاهای ناشی از نوسانات دمای محیط می‌شود.

تعریف وزن مخصوص

بنا به دلایلی، گاهی چگالی به صورت وزن مخصوص (specific gravity) یا SG و یا چگالی نسبی (relative density) یا RD بیان می‌شود که مقادیری بدون واحد هستند. چگالی سنج وزن مخصوص را مستقیما اندازه نمی‌گیرد. اما می‌توان با محاسبه چگالی توسط چگالی سنج دیجیتال، وزن مخصوص را هم محاسبه کرد. وزن مخصوص حاصل نسبت چگالی یک ماده نمونه به چگالی مرجع مطابق با فرمول زیر تعریف می‌شود.

اگر مرجع به صورت دقیق بیان نشده باشد، معمولا آن را آب در نظر می‌گیرند. به این دلیل که چگالی به دما وابسته است، وزن مخصوص نیز به دما وابسته خواهد بود. زیرا هم چگالی خود ماده و هم چگالی ماده مرجع به دما وابسته هستند. نسبت دو دما با T_s/T_r نشان داده می‌شود که T_s نشان‌دهنده دمایی است که در آن چگالی نمونه تعیین می‌شود و T_r نشان‌دهنده دمایی است که در آن چگالی نمونه تعیین می‌شود. دماهای متداول معمولا به صورت SG(20°C/20°C) و SG(20°C/4°C) هستند.

وزن مخصوص معمولا توسط تجهیزاتی به نام پیکنومتر (Pycnometer) سنجیده می‌شود. پیکنومتر در واقع یک فلاسک از جنس شیشه است. پیکنومتر در ۳ حالت‌ خالی، پر از مایع با چگالی مشخص (معمولا آب) و پر از مایع تست با وزن مخصوص مجهول، وزن می‌شود. در دو حالت آخر پیکنومتر حتما باید به صورت دقیق با دمای مرجع تنظیم دما شده باشد. حال محاسبه وزن مخصوص با داشتن این سه وزن کار ساده‌ای است و با فرمول زیر محاسبه می‌شود.

در رابطه فوق، m0 وزن پیکنومتر خالی، m1 وزن پیکنومتر پر از آب و m2 وزن پیکنومتر پر از مایع نمونه هستند. اگر تمام وزن‌ها در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد به دست آمده باشند، پس SG(20°C/20°C) خواهد بود. وزن خود پیکنومتر بر روی نتایج تاثیری ندارد. همچنین کالیبراسیون ترازو نیز بر نتیجه بی‌تاثیر است. تنها الزام این است که ترازو به صورت خطی با نیرو خوانده شود.

البته ذکر این نکته الزامی است که ترزاو نمی‌تواند وزن‌های دقیق مورد نیاز برای محاسبه فوق را تعیین کند. این امر به دلیل اثر بویانسی (buoyancy effect) هوا یا همان قانون ارشمیدس است. اگر بخواهیم وزن مخصوص هوا را با وزن‌های به دست آمده از ترازو تعیین کنیم، نتیجه صفر خواهد بود که مشخصا اشتباه  است.

هنگام محاسبه وزن مخصوص توسط فرمول فوق و با وزن‌های به دست آمده با ترازو به وزن مخصوص SG_A خواهیم رسید. برای محاسبه دقیق SG_V، وزن‌کشی باید در خلا انجام شود. اندیس v برای اشاره به vacuum مورد استفاده قرار می‌گیرد. SG_V از روی SG_A و مطابق با فرمول زیر محاسبه می‌شود.

وزن مخصوص معمولا برای تعیین غلظت مواد در محلول‌های آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ابتدا وزن مخصوص محلول به دست می‌آید و سپس از طریق یک جدول به غلظت تبدیل می‌شود. هنگام استفاده از چنین جداولی استفاده از فرم صحیح وزن مخصوص بسیار مهم است.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:

کالیبراسون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری

فلومتر کوریولیس ــ از صفر تا صد

رفرکتومتر دیجیتال ــ اصول کار و ساختار

فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی ــ راهنمای جامع نصب

کالیبراسیون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی مترها

مرجع