L'indice della densità è l’indice fisico della caratteristica, definibile per le sostanze di carattere omogeneo (liquido, solido, gassoso) con l'aiuto della loro massa in un’unità del loro volume. La caratteristica di densità per le sostanze eterogenee viene calcolata tramite il rapporto tra la massa e il volume, quando l'intero volume della sostanza si concentra nel punto di misurazione della densità. Con la rilevazione dei valori di densità relativa, viene preso il rapporto tra le due sostanze, rispettando le condizioni normali: per gli stati liquidi la densità relativa viene presa ad una temperatura relativa alla densità dell'acqua distillata a 4 °C, mentre, definendo la densità relativa dei gas, essa si ottiene dal rapporto alla densità di idrogeno (aria secca) sempre con il mantenimento di condizioni normali. Con l'aumento della temperatura cresce la pressione della sostanza o del corpo, sotto la cui influenza avviene un’espansione termica che comporta una riduzione del tasso di densità. Anche la data densità, con il cambiamento dello stato di aggregazione della sostanza data, diminuisce ma in modo discontinuo.
Secondo il sistema Internazionale delle unità di misura per la definizione degli indici di densità viene utilizzata l’unità espressa in kg/m3, tuttavia, la pratica ammette l’utilizzo anche di altre unità come g/cm3 g/l, t/m3.
I valori di densità per materiali diversa natura hanno delle gamme di misurazione abbastanza ampie. Le possibilità di determinare la densità di sostanze allo stato liquido e solido portano il nome di densimetria, e alcuni dei suoi metodi sono adatti anche per il gas.
Per quale motivo è necessario definire la densità? Per i liquidi, ad esempio, la definizione della densità è importante per due motivi. Il primo è quello di valutare il liquido dal punto di vista della qualità; durante il controllo della sua densità si monitora la conformità del liquido alle norme degli indicatori di qualità. Tali misurazioni sono fatte, in generale, con analisi di laboratorio con l'aiuto di densimetri di laboratorio. La seconda ragione della determinazione della densità è quella di calcolare la massa del liquido. Dato che con le variazioni di temperatura non si modifica la massa del liquido, allora viene generalmente presa in considerazione la quantità di liquido non in litri, cioè non in termini di volume ma di massa e quindi per chilogrammo, in cui essa si esprime.
La caratteristica di densità di qualsiasi sostanza dipende:
Rapporto diretto: maggiore è la massa degli atomi, significa che maggiore è la densità di una sostanza. Considerando le stesse sostanze con un altro stato di aggregazione, vediamo che la loro densità è diversa a seconda dello stato.
Nelle sostanze liquide la densità di aggregazione degli atomi e delle molecole, si conserva ancora alta e quindi la densità della sostanza liquida non è molto diversa dalla sua densità in forma solida.
Nei gas le molecole sono collegate tra di loro in modo molto debole e con grande distanza l'una dall'altra, e perciò la densità di aggregazione degli atomi è molto bassa e questo significa che la sostanza sotto forma di gas ha una bassa densità.
Numericamente la densità viene espressa con il rapporto della massa di una sostanza e il suo volume. La famosa formula di calcolo: densità = Massa / Volume.
ρ = m·V
La precisione dei parametri nella definizione della caratteristica di densità ha una grande importanza nello sviluppo e nella produzione di strumenti di misura nei diversi settori industriali, come quello della costruzione di strumentazione e quello della metrologia, i quali sono strettamente connessi all'analisi delle proprietà di alcune sostanze e materiali. Non meno rilevante è la questione della scelta di diverse possibilità di determinazione della densità delle sostanze nella ricerca in ambito cosmico, in materia di tutela dell'ambiente, nella ricerca sul plasma ed anche in nuovi settori tecnici e scientifici.
Per determinare le caratteristiche delle densità di liquidi e gas esistono praticamente gli stessi metodi. Gli strumenti di misura, presentati sotto forma di densimetri, si differenziano per la loro struttura costruttiva e il principio di azione. Esistono molti gruppi diversi di metodi possibili per determinare la densità. Un grande gruppo è costituito dai metodi a peso e a galleggiamento, basati sulla definizione della spinta di galleggiamento che agisce sul corpo o sull’elemento ausiliario, il galleggiante, e che secondo la legge di Archimede ha una dipendenza direttamente proporzionale verso la densità del materiale di lavoro. Appartengono a questo gruppo di misura l’idrometro, mediante la pesatura idrostatica, metodi di galleggiamento e di flottazione per la definizione della densità. Del gruppo successivo fanno parte i metodi idrostatici per la determinazione della caratteristica di densità, che determinano la dipendenza della pressione statica della colonna di liquido o di gas ad altezza costante dalla loro densità. Ad un gruppo separato possono essere attribuiti i metodi idrodinamici che dipendono dalla densità di altre grandezze fisiche, ad esempio, dal tempo di efflusso del liquido o del gas dal foro, dal grado di impatto del getto su una barriera, dall’energia di flusso del fluido, dalla pressione dinamica.
Per la determinazione della densità di sostanze liquide vi sono i seguenti metodi peculiari e, di conseguenza, gli strumenti di misura.
Per l'attuazione di questi metodi il corpo su cui fa pressione la forza di galleggiamento, pari al peso del liquido spostato dal corpo, si immerge parzialmente o completamente nel liquido. Questo metodo viene realizzato con l’aiuto di densimetri galleggianti:
L’aerometro è uno degli strumenti di misura più semplici, che non necessitano di manutenzione e sono relativamente economici; essi si presentano come un normale tubo sospeso che naviga nel liquido. Il tubo è immerso nel liquido in profondità, a causa della densità del liquido dato. La parte inferiore del tubo durante la calibrazione viene riempita di graniglia o di mercurio per ottenere la massa necessaria. Il peso dell’aerometro è identico al peso del liquido che sostituisce. Sul quadrante, che si trova sulla parte superiore e stretta dell’aerometro, viene letto il valore della densità a livello della superficie del liquido. Alla base del lavoro principale dell’aerometro vi è la Legge di Archimede e si ritiene che questo dispositivo sia stato inventato da Ipazia, la quale insegnava in quel momento nella scuola di Alessandria.
Tra questi strumenti si distinguono gli aerometri a volume costante e gli aerometri a massa costante. Per il controllo della densità del liquido viene utilizzato un aerometro asciutto e pulito a massa costante, che viene situato nel recipiente dove si trova il liquido. L’aerometro si deve muovere liberamente per il recipiente. Per il controllo della densità del liquido con un aerometro a volume costante è necessario cambiare la sua massa, con cui sarà immerso nel liquido fino alla tacca indicata. La densità viene rilevata per il peso del carico (piombino) e in base al volume del liquido spostato. Gli aerometri a massa costante possono essere suddivisi, in base al loro scopo di utilizzo, nei 2 gruppi seguenti:
Il metodo qui sopra riportato è ampiamente usato nella pratica, al fine di determinare la densità relativa dell’alcool etilico e degli acidi (solforico, acido nitrico e cloridrico). Le analisi con questo metodo vengono eseguite rapidamente, cosa che viene riferita ai suoi aspetti positivi. Tramite questo metodo, è possibile inoltre analizzare dei liquidi che hanno una viscosità abbastanza alta. Tuttavia, la precisione di misurazione di questo metodo lascia molto a desiderare, cosa che viene riferita ai suoi svantaggi; inoltre per le misurazioni è necessaria una quantità di liquido relativamente grande.
Nei laboratori di produzioni chimiche e nelle fabbriche farmaceutiche durante lo svolgimento di analisi tecniche di solito insieme agli aerometri vengono utilizzati i picnometri. Il picnometro è stato inventato nel 1859 da D. I. Mendeleev.
Prima di iniziare l'analisi, il picnometro viene pesato con una bilancia analitica da pulito e asciutto. La precisione di pesatura deve essere fino a 0,0002 g. Poi nel picnometro viene versata l'acqua distillata appena sopra l’indicatore, si chiude con un tappo e viene messo in un termostato. Tenendo il picnometro in un termostato a 20 °c per 20 minuti, il livello dell'acqua in esso rapidamente viene rabboccato fino al segno. L'acqua in eccesso viene rimossa con una pipetta oppure con una striscia rotolata di pura carta da filtro. Il picnometro viene di nuovo chiuso, riscaldato nel termostato per 10 minuti, si controlla se il livello del liquido è conforme al all’indicatore. In seguito, il picnometro viene asciugato con un panno morbido e pulito e viene lasciato per 10 minuti. Poi viene di nuovo pesato su una bilancia analitica. In seguito, dal dispositivo (picnometro) viene versata fuori l'acqua, viene risciacquato con l’alcool e poi con l’etere, vengono rimossi i resti d’etere, pulendo il picnometro con l’aria e viene versato in esso il liquido da analizzare. Poi l'operazione viene svolta nella stessa sequenza utilizzata con l’acqua distillata.
I densimetri di tipo volume-peso. Il principio di funzionamento dei dati misuratori consiste nel fatto che la massa di una sostanza ha un rapporto direttamente proporzionale con la densità in presenza di un volume costante di questa sostanza. Per determinare la densità sarà sufficiente pesare in modo continuo un certo volume di liquido che scorre attraverso la tubazione. I vantaggi di questi dispositivi sono che essi possono determinare la densità di polpe, sospensioni, liquidi (con alto grado di contaminazione, viscosi e volatili); i valori presi con questi dispositivi non dipendono dal tempo di scorrimento del liquido e delle sue proprietà; con essi è possibile determinare la densità in presenza di alti tassi di pressione (max. 2,5 MPa); la cavità di misurazione del dispositivo ha una sezione trasversale inalterata, cosa che impedisce la sedimentazione delle inclusioni solide provenienti dal flusso, essi hanno elevati parametri di sensibilità e di alta precisione di misura; l’intervallo delle misurazioni dei suddetti dispositivi è regolato con ampi margini (100 - 2000 kg/m3). La limitazione dell'ambito di utilizzo dei densimetri volume-peso si spiega con l'inammissibilità di inclusioni di gas nel liquido.
Metodi basati sulla determinazione della pressione. Per l'attuazione di questi metodi viene presa la differenza di pressione tra due livelli di liquido o di gas hρg, dove con h si indica l'altezza tra i livelli, ρ è la densità della sostanza allo stato liquido e g è l'accelerazione di gravità.
I dispositivi idro-gas (aero) dinamici (i densimetri). I dati densimetri vengono utilizzati nella definizione di gas di piccole dimensioni in termini dei valori di densità. Il principio di funzionamento di questi densimetri di tipo meccanico è caratterizzato dal fatto che il flusso del gas analizzato viene dotato di maggiore energia cinetica e ne vengono misurati i parametri da questo insorgenti.
Nel densimetro al flusso del gas analizzato, che scorre attraverso la cella, passata dell'energia cinetica. L'energia viene fornita per mezzo di una turbina, portata in rotazione da un meccanismo sincronico. Il flusso di gas giunge alla turbina nella quale crea tramite la propria energia cinetica un momento di rotazione sotto la cui azione la turbina gira, mentre il momento formatosi su di viene bilanciato da un momento che si ha sull'asse della molla piatta. L'angolo di rotazione dell'asse e delle lancette sul quadrante è direttamente proporzionale alla densità del gas. Il convertitore trasforma l'angolo di rotazione in un segnale.
I densimetri ad ultrasuoni. I dispositivi per la determinazione della densità di sostanze di questo tipo utilizzano gli ultrasuoni, continuando a sviluppare in questo modo una promettente categoria di densimetri. Le oscillazioni degli UT (ultrasuoni) sono quelle oscillazioni che per frequenza superano il limite massimo dei limiti dei suoni, percettibili dagli organi umani dell'udito. Le oscillazioni degli ultrasuoni in una sostanza può essere creato da qualsiasi corpo oscillante in contatto con questa sostanza. Per determinare l'indice di densità in questa sostanza sarà necessario determinare la velocità di propagazione in essa degli ultrasuoni. Il metodo a UT è un metodo ad alta sensibilità tecnica, quasi del tutto privo di inerzia ed esclude il contatto con la sostanza sotto analisi e, quindi, è in grado di lavorare con sostanze aggressive. I densimetri-UT, caratterizzati da una sensibilità alla velocità degli ultrasuoni, possono essere suddivisi in metri:
I dispositivi radioisotopi e turbolenti (densimetri). I densimetri di questo tipo si presentano come dei dispositivi senza contatto. Che cosa significa? Che l'elemento sensibile non è a contatto con la sostanza, della quale avremo bisogno di determinare la densità. È consigliabile scegliere queste apparecchiature per l'utilizzo nella definizione degli indici di densità di liquidi corrosivi o fluidi con una viscosità abbastanza alta, di polpe e dei liquidi, il cui lavoro è legato all’alta pressione o che vengono trasportati in grandi tubazioni ad alta temperatura. Si ricorre a queste apparecchiature solo quando gli altri densimetri da noi descritti sopra sono impossibili da utilizzare. Un grande vantaggio dei dispositivi ad azione radioisotopa è la possibilità del loro impiego per il controllo della densità della sostanza in luoghi difficili da raggiungere. La loro forte dipendenza, nelle rilevazioni deli indici, dalle proprietà fisiche del liquido o della sostanza in analisi è considerato però un punto negativo; questo richiede un gradino separato sul quadrante del dispositivo per ogni tipo di sostanza. La definizione della caratteristica di densità dei liquidi, che si trovano nelle tubazioni e nei serbatoi, per mezzo di raggi gamma si può eseguire in due modi. Il primo metodo è fondato sull'assorbimento delle radiazioni da parte del liquido e si basa sul seguente processo. Dopo il passaggio attraverso il liquido diretto, viene determinato il livello di attenuazione dell'intensità del fascio diretto di radiazioni gamma. La sorgente delle radiazioni e il ricevitore dei raggi vengono posizionati su entrambi i lati della condotta (serbatoio) lungo la linea del suo diametro. Il fascio diretto di raggi gamma entra nel ricevitore di radiazioni, non appena passa attraverso le pareti del condotto (serbatoio) e attraverso il materiale liquido in analisi. Il secondo modo per la determinazione della densità tramite i raggi gamma si basa sul controllo dell’attenuazione dell'intensità delle radiazioni gamma, il cui fascio di cui è esposto alla dispersione nel liquido. La sorgente delle radiazioni e il ricevitore dei raggi gamma vengono posti su un lato della condotta, e non su entrambi i lati, come nel primo caso, e vengono schermati per fare in modo che il ricevitore riceva solo raggi gamma, i cui fasci sono passati attraverso il processo di dispersione nel liquido. In seguito, il percorso del fascio diretto di radiazioni passa all’assorbitore in piombo.
Ci siamo soffermati già più volte sull'importanza della determinazione della densità durante lo svolgimento di lavori scientifici e di ricerca nella scienza e nella tecnologia, durante lo svolgimento del monitoraggio dei processi e della qualità dei prodotti. Hanno un’enorme importanza i dispositivi per la determinazione della densità delle sostanze, che lavorano in modalità di misurazione automatica, essendo con ciò una componente estremamente importante della completa automatizzazione dei processi dei settori dell’industria chimica, metallurgica, così come la produzione alimentare. Al giorno d’oggi si dà molta attenzione e si stanziano fondi per lo sviluppo di nuovi metodi per la determinazione della densità, lo sviluppo e la produzione di nuovi densimetri con una moderna costruzione esecutiva che si basano su questi metodi, la ricerca e lo sviluppo di nuove produzioni industriali, connesse con la produzione di densimetri. Con la crescita e l'espansione di nuove tecnologie e di nuove produzioni cresce il ruolo e l'importanza del processo di determinazione di densità. È molto importante il ruolo della definizione delle caratteristiche di questa unità fisica e l’organizzazione del conteggio della quantità u (+8u per la massa) delle sostanze durante la loro presa in consegna, lo stoccaggio e la spedizione. Se non è possibile determinare la massa di una sostanza semplicemente pesandola sulla bilancia, allora essa viene determinata in base ai risultati del volume e della densità.
Hanno grande popolarità i metodi di misurazione recentemente creati, associati all'utilizzo di determinati fenomeni fisici e all'uso di grandezze, univocamente dipendenti dalla densità, come ad esempio, l'indebolimento dei raggi radiativi, la velocità di propagazione del suono nella sostanza, la frequenza e l'ampiezza delle oscillazioni del corpo ausiliario vibrante, i parametri in un flusso di liquido o di gas vorticosi.
Differente attrezzatura
Diventando il vostro distributore ufficiale di strumenti e apparecchiature per la determinazione della densità di un gas (di un liquido), l’azienda “Intech GmbH” LLC (ООО «Интех ГмбХ») individuerà gli acquirenti dei vostri prodotti sul mercato russo e svolgerà con i clienti le trattative tecnico-commerciali al fine di stipulare i contratti per la fornitura dei vostri macchinari.
Nel caso dello svolgimento di gare di appalto l’azienda raccoglie elabora tutti i documenti necessari per la partecipazione, stipula i contratti per la fornitura dei vostri macchinari provvede alla registrazione del contratto di fornitura e allo sdoganamento degli strumenti e delle apparecchiature per la determinazione della densità di un gas (di un liquido), registra presso le banche russe la documentazione prevista dal controllo valutario e necessario per poter effettuare i pagamenti in valuta estera.
All'occorrenza la nostra azienda è disposta a sviluppare anche i progetti per integrare il vostro macchinario con gli impianti già esistenti o con quelli in fase di realizzazione.
Siamo sicuri che la nostra azienda “Intech GmbH” LLC (ООО «Интех ГмбХ») potrà diventare il vostro partner e il vostro distributore in Russia affidabile, valido e qualificato.
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