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Neue Entwicklungen in der Dichtemessung Dichtemessung neu definiert

Autor / Redakteur: Barbara Klug-Santner & Siegfried Hold* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Dichtemessung flüssiger, gasförmiger und pastöser Proben ist von ungeheurer Wichtigkeit für zahlreiche Industriezweige. Anton Paar dominiert die Entwicklung der Dichtemessung seit Jahrzehnten.

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Anton Paar hat Dichtemessungs-Systeme auf den Markt gebracht, die mit einer neuen Mess-Methode arbeiten (Symbolbild).
Anton Paar hat Dichtemessungs-Systeme auf den Markt gebracht, die mit einer neuen Mess-Methode arbeiten (Symbolbild).
(Bild: Anton Paar)

Vor der Einführung der digitalen Dichtemessgeräte kamen ausschließlich – abgesehen von der für die meisten Unternehmen finanziell unerschwinglichen hydrostatischen Waage – Hydrometer und Pyknometer zum Einsatz. Der Probenbedarf war hoch, die Messung langwierig, die Reinigung der Gerätschaften aufwändig und der Glasbruch allgegenwärtig.

Die Messzelle der digitalen Geräte von Anton Paar, ein U-förmiges Rohr aus Glas, wird elektronisch zu Schwingungen angeregt, deren Frequenz gemessen wird. Diese Schwingungen sind je nach der eingefüllten flüssigen, pastösen oder gasförmigen Probe unterschiedlich und stehen im direkten Zusammenhang mit der Dichte der Probe. Damit war eine rasche, wiederholbare und präzise Methode ins Leben gerufen, die mit sehr geringen Probemengen das Auslangen fand und heutzutage aus der Qualitätskontrolle für zahllose Anwendungsbereiche nicht mehr wegzudenken ist.

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Seit Einführung der digitalen Dichtemessung konnte die erreichbare Genauigkeit auf fünf Dezimalstellen erweitert werden. Funktionen wie FillingCheck, d.h. eine messtechnische Erfassung von störenden Partikeln und Gasblasen in der Probe, und zahlreiche weitere hilfreiche Entwicklungen wurden eingeführt, um die tägliche Arbeit mit den Geräten zu vereinfachen. Im Wesentlichen jedoch blieb diese Technologie seit ihren Anfängen und in den darauffolgenden Jahren unverändert. Zuletzt genügte diese Art der Dichtemessung den modernen Anforderungen nicht mehr. Sie war an die Grenzen ihrer Möglichkeiten gestoßen. Die Zeit war gekommen, die Technologie von Grund auf zu hinterfragen, zu verbessern und den heutigen Kundenbedürfnissen entsprechend zu erneuern. Die tatsächliche Revolution der digitalen Dichtemessung begann im Jahr 2015.

Gepulste Anregung bringt bessere Messwerte

Eine dynamische Gruppe junger und ambitionierter Entwickler verfolgte das Ziel, die Technologie grundlegend zu überarbeiten. Das Team erkannte Schwachstellen in der Elektronik, mit der das U-Rohr angeregt und dessen Schwingfrequenz gemessen wurde, und erfand schließlich ein gänzlich neues Messverfahren: Die patentierte „Pulsed Excitation Method“ (AT 514620 B1), (s. Abb. 1), welche mittlerweile in den neuesten Labordichtemessgeräten DMA 501, DMA 1001 und der Serie DMA M zum Einsatz (s. Abb. 2) kommt.

Dieser Meilenstein in der Entwicklung der Dichtemessgeräte stellt eine grundlegende Verbesserung des gesamten Messprinzips dar. Über Jahrzehnte hinweg wurde – dem damaligen Stand der Technik entsprechend – eine so genannte erzwungene Schwingung während einer Messung aufrechterhalten. War die gemessene Frequenz nicht gleich der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers, so wurde nachgeregelt, bis die Resonanzfrequenz erreicht war. Somit war das System aber niemals im Gleichgewicht, sondern im ständigen Zustand der Angleichung, was wiederum einen Einflussfaktor darstellte, den es zu kompensieren galt. Bei der neuen „Pulsed Excitation Method“ hingegen wird, wie in Abbildung 1 grafisch dargestellt, das U-Rohr zu Schwingungen angeregt, bis eine konstante Amplitude erreicht ist, dann die Impulsfolge gestoppt und das Abklingverhalten des U-Rohres erfasst. Während des Abklingens wird die Schwingungsperiode genau gemessen, ehe der nächste elektronische Anregungsimpuls erfolgt. Anregen und Abklingen wiederholen sich periodisch.

Das Schwingungsverhalten des U-Rohres wird direkt von der Dichte, Temperatur und Viskosität der eingefüllten Probe beeinflusst. Diese neue Methode ermöglicht es, eine Vielzahl an Rohdaten zu erhalten, wodurch das Schwingungsverhalten besser als je zuvor beschrieben werden kann. Denn das U-Rohr wird in seiner Resonanzfrequenz nicht beeinflusst und kann beim Abklingen frei schwingen. Nur so ist eine präzise und fehlerfreie Bestimmung der Dichte tatsächlich möglich.

Komplett neue Algorithmen wurden entwickelt, welche die Rohdaten in verständliche und interpretierbare Informationen umwandeln. Diese Algorithmen eröffnen im Hinblick auf die Dichtemessung neue Möglichkeiten. Sie bieten eine zweifach bessere Viskositätskorrektur bei hochviskosen Proben; denn die Probenviskosität dämpft die Schwingungen der Messzelle zusätzlich ab. Dieser Einfluss muss korrigiert werden. Durch das neue Verfahren kann sogar die Viskosität von Newtonschen Flüssigkeiten mit einer Genauigkeit von 5% gemessen werden. Die Messung der Viskosität im Bereich von 10 mPa·s bis 3000 mPa·s zeitgleich mit der Dichte erlaubt es, den Viskositätseinfluss auf die Dichtemessung wesentlich genauer zu erfassen und zu kompensieren. Deshalb liefern Dichtemessgeräte mit der „Pulsed Excitation Method“ genauere Messresultate. Die Viskositätskorrektur gilt nun auch für Dichtemessgeräte mit einem U-Rohr aus Metall, wie es beim DMA 4200 M Einsatz findet.

Richtige Ergebnisse erfordern richtiges Befüllen

Auch die FillingCheck Funktion, welche dazu dient, Gasblasen und Inhomogenitäten in der Messzelle zu erkennen, wurde deutlich verbessert und kann nun dank der „Pulsed Excitation Method“ zuverlässiger reagieren. Selbst die Funktionstüchtigkeit und der einwandfreie Zustand der Glaszelle können aufgrund der neuen Methode kontinuierlich überwacht werden. Somit punkten die Dichtemessgeräte von Anton Paar zusätzlich zu ihrer robusten und verlässlichen Bauweise mit einer einzigartigen Wiederholbarkeit besser als 1·10-6 g/cm³. Das Dichtemessgerät DMA 4200 M ist mit seiner Messzelle aus Metall optimal für die Erdölindustrie geeignet. Es wurde für Proben wie Asphalt oder Wachse entwickelt, die erst durch Erhitzen in ihren flüssigen Aggregatzustand überführt und somit messbar gemacht werden. Die „Pulsed Excitation Method“ ermöglicht erstmals, dass die FillingCheck Funktion nun auch für die metallische Messzelle wirksam wird, deren Einsatzbereich bei Messtemperaturen bis zu 200 °C und 500 bar liegt.

Das DMA 4200 M wird vor der Auslieferung weitbereichsjustiert. Diese so genannte Temperfect-Justierung ist gemeinsam mit den Temperaturkoeffizienten permanent im Gerät gespeichert, wodurch das Gerät nach Auswahl einer Messtemperatur zwischen 0 °C und 150 °C zur sofortigen Messung bei der gewünschten Temperatur bereit ist.

Auf die richtige Schwingung kommt es an

Heute sind alle neuen Benchtop-Dichtemessgeräte von Anton Paar mit einem so genannten Y-Schwinger ausgestattet, der in Abbildung 3a zu sehen ist. Durch diese Bauweise gibt es keine Viskositätseinschränkungen über den gesamten Bereich. Auch können Partikel und Gasblasen verlässlich detektiert und eine Genauigkeit von sogar bis zu 0,000007 g/cm³ erzielt werden.

In einigen am Markt erhältlichen Benchtop-Dichtemessgeräten hingegen sind U-Rohre eingebaut, die in X-Richtung oszillieren, wie es in Abbildung 3b dargestellt ist. Im Laufe der Zeit hat sich jedoch herausgestellt, dass diese so genannten X-Schwinger technischen Einschränkungen unterliegen. Diese Einschränkungen äußern sich in begrenzter Genauigkeit bei viskosen Proben, einer hohen Fehlerwahrscheinlichkeit bei inhomogenen Proben oder bei Partikeln und Gasblasen in der Probe. Dadurch ist eine Genauigkeit bei einem X-Schwinger aus Glas von nur 0,001 g/cm³ zu erwarten. Um ein auf vier Dezimalstellen genaues und trotzdem erschwingliches Messgerät herzustellen, enwickelten die Anton-Paar-Ingenieure den Y-Schwinger für das Dichtemessgerät DMA 1001. Er macht den Referenzschwinger dank seiner Option zur Einpunktjustierung überflüssig: Die gemessene Schwingungsperiode der mit Wasser gefüllten Messzelle wird hierbei mit der zuletzt durchgeführten Justierung verglichen, und aufgrund der erhaltenen Messdaten eine eventuell aufgetretene Drift automatisch kompensiert. Somit ist das Gerät doppelt so schnell justiert und braucht nur halb so lang wie andere Dichtemessgeräte, um voll einsatzfähig zu sein. Die Dichtemessgeräte DMA 1001 und DMA 501 weisen sogar das Bedienpersonal auf ungenügende Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur hin und geben Empfehlungen zur Optimierung der Lebensdauer des Gerätes.

Zuletzt sei noch das tragbare Dichtemessgerät DMA 35 erwähnt, das es auch in den für explosionsgefährdete Umgebungsbedingungen geeigneten eigensicheren Versionen DMA 35 Ex und DMA 35 Ex Petrol gibt, ein Alleinstellungsmerkmal am Markt. Eine weitere Besonderheit des DMA 35 ist neben seiner Robustheit und hohen Genauigkeit die patentierte austauschbare Messzelle (AT 516421 (B1)). Eine zerbrochene Glaszelle ist somit kein großes Problem mehr, da der Austausch vom Anwender direkt vor Ort erfolgen kann. Darüber hinaus können Messungen durch definiertes Schwenken des Gerätes gestartet und gestoppt werden, wodurch eine Hand frei bleibt, was besonders bei Messungen an unzugänglichen Stellen für erhöhte Sicherheit sorgt. Tabelle 1 zeigt, wie die einzelnen Dichtemessgeräte des Portfolios von Anton Paar durch ihre technische Ausstattung an eine Vielzahl von Kundenapplikationen angepasst sind. Dank der ISO-17025-Akkreditierung ist verbrieft, dass Anton Paar digitale Dichtemessgeräte nicht nur in hochgenauer Bauweise produzieren, sondern sie auch rückführbar mit zertifizierten Referenzmaterialien kalibrieren kann.

Hinweis: Sowohl der Name DMA für alle Dichtemessgeräte als auch die Bezeichnung der Geräteeigenschaften FillingCheck, U-View und Temperfect sind von Anton Paar als Trade Mark geschützt, jedoch wird aufgrund der besseren Lesbarkeit im Text das „TM“ nicht durchgehend angeführt.

* Dr. B. Klug-Santner, S. Hold: Anton Paar GmbH, 8054 Graz/Österreich

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