دستگاه چگالی سنج پودر فلزات
چگالی سنج یا (Pycnometer) ابزاری آزمایشگاهی است که برای اندازه گیری چگالی و جرم توده ای ماده استفاده می شود. پیکنومتری گازی یکی از مطمئن ترین روش ها برای به دست آوردن جرم توده ای یک محصول در نظر گرفته می شود.که با کمک فشار گاز و با بهره گیری از قانون اول ترمودینامیک و قانون اول ارشمیدس با استفاده گاز هلیم به دلیل اینکه که هلیوم قطر اتمی کمی دارد، می تواند به منافذ بسیار کوچک نفوذ کند، بنابراین اندازه گیری چگالی مواد متخلخل را ممکن می کند. ما می دانیم که این روش قابل اطمینان ترین برای به دست آوردن چگالی واقعی، مطلق و ظاهری است.
مقایسه چگالی پوششی و اسکلتال بر اساس استاندارد ASTM D3766
دو نوع چگالی برای مواد پودری تعریف میشود. چگالی پوششی(Envelope یا Bulk Density) برای مواد متخلخل زمانی اندازهگیری میشود که فضای منافذ باز داخلی در محاسبه حجم لحاظ شود. در مقابل، چگالی اسکلتال (Skeletal Density) نسبت جرم ماده جامد به مجموع حجم ماده جامد و منافذ بسته (یا کور) درون آن است که بر اساس استاندارد ASTM D3766 تعریف میشود.
عملکرد
حجم اسکلت ماده را از طریق جابه‌جایی گاز و با استفاده از رابطه حجم–فشار در قانون بویل اندازهگیری میکند. در این روش، گاز بی‌اثر، معمولاً هلیوم، به‌عنوان محیط جابه‌جایی استفاده میشود. نمونه در یک فنجان (کاپ) مهر و موم‌شده با حجم مشخص قرار داده شده و سپس درون محفظه نمونه گذاشته میشود. گاز به محفظه نمونه تزریق شده و سپس به یک محفظه خالی دوم با حجم معلوم گسترش می‌یابد. فشار اندازه‌گیری‌شده پس از پر کردن سلول نمونه و فشار در محفظه انبساط ثبت شده و از این داده‌ها حجم نمونه محاسبه میشود. چگالی نیز از تقسیم جرم نمونه بر حجم اندازه‌گیری‌شده به‌دست می‌آید.
چگالی اندازه‌گیری‌شده توسط پیکنومتری گازی با هلیوم معمولاً به‌عنوان "چگالی هلیومی" شناخته میشود، چرا که فقط فضای جامد و منافذ بسته را در محاسبات لحاظ میکند. از آنجا که گاز هلیوم نمی‌تواند به منافذ بسته نفوذ کند، این منافذ به‌عنوان بخشی از حجم کل ماده در نظر گرفته می‌شوند، در حالی‌که منافذ باز از محاسبه خارج می‌گردند.
چگونگی کار با دستگاه چگالی سنج
ابتدا نمونه پودری باید کاملا خشک و بدون هیچ گونه الودگی باشد. سپس محفظه نمونه را مهر و موم شده تا هیچ نشتی وجود نداشته باشد و دمای ثابت نگه داشته می شود. سپس هلیوم به سیستم اضافه می شود. فشارها در محفظه نمونه در پیکنومتر هلیوم متعادل می شود. از آنجایی که هلیوم یک مولکول کوچک است، می تواند به منافذ نمونه نفوذ کند. این فشار متعادل با قانون گاز استفاده می شود تا حجم نمونه محاسبه شود. سپس فشار از سیستم خارج شده و نمونه برداشته می شود.
اجزای دستگاه چگالی سنج
-
محفظه نمونه
این محفظه از جنس فولاد زنگ زن است تا مقاومت به خوردگی،ثبات ابعادی و قابلیت تحمل فشارهای ناشی از گاز هلیم است و ظرفیت پودر 55گرم است.
-
محفظه مرجع
محفظهای خالی از نمونه که برای تعیین حجم کلی دستگاه و کالیبراسیون استفاده میشود.
-
منبع گاز هلیوم
به صورت سیلندر یا مخزن گاز .
-
سیستم شیرها و لوله ها
گاز هلیوم به داخل محفظه هدایت میکند.
-
حسگر فشار و دما
فشار و دما داخل محفظه را اندازهگیری میکند.
-
سیستم ها نمایشگر
کاربردها پیکنومتر
- اندازه گیری حجم و چگالی واقعی
- تعیین درصد مواد جامد در دوغاب
- مواد شیمیایی آلی و پلیمرها - فرآیندهای پلیمریزاسیون و اصلاح آلی برای تولید ترکیبات مورد نظر از مواد خام استفاده می شود. تبدیل و خلوص را می توان با مقایسه چگالی اندازه گیری شده با چگالی نظری محصول مورد نظر کنترل کرد.
- در صنایع داروسازی تعیین چگالی دقیق پودرهای دارویی جهت کنترل دوز واثر بخشی محصولات
- اندازهگیری چگالی مواد سرامیکی و کامپوزیتی به منظور پیشبینی رفتار مکانیکی و مقاومت در برابر عوامل محیطی.
ویژیگی ها دستگاه چگالی سنج
- دقت در حد 0.01گرم بر سانتی متر مکعب
- فشار کاری 18-20Psi
- قابلیت اندازهگیری مواد متخلخل و نانو پودرها
- عدم تاثیر بافت سطحی
- قابلیت مواد مختلف سرامیکها،فلزات،پلیمرها و حتی مواد نانو
تفاوت هیدرومتر و پیکنومتر
صنعت‌گران ایرانی به هیدرومتر و پیکنومتر، هر دو "چگالی‌سنج" می‌گویند، اما این دو ابزار تفاوت‌های زیادی با یکدیگر دارند.هیدرومتر ابزاری است که برای اندازهگیری چگالی یا وزن مخصوص یک مایع نسبت به آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ابزار از یک لوله شیشه‌ای مدرج تشکیل شده است. در بخش پایینی آن، یک بخش کروی‌شکل وجود دارد که با ماده‌ای سنگین وزن‌دار شده و فضای داخلی آن با هوا پر شده است. این بخش به‌گونه‌ای طراحی شده که هنگام قرار گرفتن در مایع، ابزار را در حالت عمودی نگه می‌دارد. از این قسمت، یک لوله نازک به سمت بالا امتداد می‌یابد که روی آن مقیاس درجه‌بندی شده‌ای قرار دارد. هیدرومتر در مایع فرو می‌رود تا مقدار چگالی را روی مقیاس نشان دهد. هرچه چگالی مایعی که در آن قرار می‌گیرد کمتر باشد، بخش مدرج لوله بیشتر در مایع فرو می‌رود.
تفاوت هیدرومتر با پیکنومتر در این است که پیکنومتر چگالی ظاهری پودر را با استفاده از گاز هلیوم اندازهگیری میکند. در واقع، پیکنومتر با به‌دست آوردن چگالی ظاهری، امکان محاسبه چگالی انباشت و سنجش اصطکاک بین‌دانه‌ای را نیز فراهم می‌سازد.
نکات کلیدی که باید توجه داشت
- کالیبراسیون دستگاه: با وجود قابلیت کالیبراسیون خودکار در برخی پیکنومترهای گازی، اطمینان از صحت کالیبراسیون پیش از هر اندازهگیری ضروری است.
- تمیزکاری و خشک‌کردن: پیش از هر اندازهگیری، دستگاه را با آب مقطر و استون تمیز و خشک کنید تا دقت نتایج تضمین شود.
- ثبات دمایی: فرآیند اندازهگیری باید در دمای ثابت انجام شود، زیرا تغییرات دما می‌تواند نتایج را تحت تأثیر قرار دهد.
- حذف هوا از نمونه‌های جاذب: برای موادی که هوا را جذب می‌کنند (مانند کربن فعال)، استفاده از پمپ خلأ به تسریع فرآیند اندازهگیری کمک میکند. در غیر این صورت، فرآیند باید چندین بار تکرار شود تا هوای درون سیستم به‌طور کامل با گاز خالص جایگزین شود.