仪器校准

探究台式密度计酒精浓度校准方法

作者:calibration    来源:未知    发布时间:2020-03-17 08:55    浏览量:
一、引言
目前台式密度计依据 JJG1058-2010《实验室振动式液体密度计检定规程》仅能对密度模式校准,而不能校准酒精浓度,无法满足实际需求。基于 JJF1074-2001《 酒 精 密 度 - 浓 度 测 量 用 表》,本文提出一种配制酒精浓度标准液对仪器校准的方法。通过纯水和乙醇配制体积百分浓度 q 为0%~100% 的溶液,将溶液在经检定后的台式密度计上测定密度值,由测量用表线性插值将密度值转换为对应的酒精浓度标称值。通过对 Anton Paar、KEM 以及 METTLER TOLEDO 的台式密度计验证实验,结果表明仪器示值与标称值基本一致,为台式密度计酒精浓度的仪器校准提供了一种现实可行的方法。
 
二、台式密度计原理
台式密度计主要由 U 形振动管、电磁振荡器、温度控制器以及数据处理单元组成。其中 U 形振动管作为测量池,材质可以是硼化玻璃或哈斯特合金,结构如图 1 所示。当 U 形振动管内充满液体时,通过频率的变化来计算液体密度值。
 台式密度计结构
台式密度计的振动周期 τ 是液体的压力 p、温度 T 和密度 ρ 的函数,关系式可表示为(1)式中: A( q, T)和 B( q, T)为仪器的常数,通过密度标准液标定以及抽真空后密度示值可以确定。酒精浓度是由密度转换而来的,密度值和酒精浓度值一一对应。但是不具有酒精含量的溶液,其密度也对应有一个酒精浓度值,因此非酒精类液体并不适用于仪器校准。目前我国已有或在研的密度标准液如表 1 所示。
 密度标准液
通过标液可以对仪器的密度示值进行校准,当仪器示值超过最大允许误差值时,可以对仪器进行空气和纯水的自校。但是在香精香料和酒类行业中,通常需要对酒精浓度进行校准。在密度标准液中仅有纯水一个样品的酒精浓度为 0 %,其他标液并不适用。而无水乙醇并不是密度标准液,且即使是分析纯的乙醇,其酒精浓度也并非 100%,因此需要找到合适的方法来标定酒精浓度得到标称值,从而对被检仪器进行校准。
 
三、实验验证
1. 溶液配制及标定
本实验酒精浓度以体积百分浓度表示,即酒精体积 与溶液体积 V 的百分比:
q= V ′/ V *100%(2)
在实验室保持温度相对稳定,不能有阳光直射。准备好量筒、玻璃漏斗、移液器、烧杯及绸布等辅助设备及材料。用量筒分别量取一定体积的酒精和纯水,将纯水倒入酒精中,搅拌至充分溶解。在配置 q 为 0%~25% 的低浓度酒精水溶液时,必须静置12h,待气泡消除后方可使用。按照式(2)配置的酒精浓度只是粗略值,实际配置过程中由于量筒内液体残留、体积刻度的偏差等导致酒精浓度并不能被准确获得。因此对已配置的酒精溶液进行密度测量,以经检定合格的台式密度计 DM45(扩展不确定度 U=0.04kg/m3, k=2)为测量仪器。设定仪器温度为 20℃,恒温后,分别注入配制的溶液观察有无气泡,如果有气泡,需将气泡排除,待温度稳定后,分别记录仪器示值。每种液体独立测量 3 次,以 3次测量平均值作为最终结果。汇总得到表 2 所示的酒精浓度表。
 酒精浓度表
表 2 中溶液的密度值是配制理论浓度下 DM45实际测得的密度值,实际浓度是密度值通过查找JJF1074-2001 的测量用表,线性插值得到的结果。经检定合格的 DM45 溯源至固体密度基准装置,修正值为密度修正值,其酒精浓度示值并未修正,因此不能直接当成标称值使用。通过配制理论酒精浓度,测量密度,再由测量用表转换为实际酒精浓度作为标称值。
 
2. 酒精浓度对比验证
以 Anton Paar 的 DMA4100M, KEM 的 DA-115以及 METTLER TOLEDO 的 DE40 台式密度计作为验证仪器。实验前对仪器进行清洗、净化,选用石油醚为清洗液注入测量池内。清洗后,用干燥空气将其吹出。反复循环 3 次,直至管内没有残余物质,空气密度显示为 1.2kg/m³ 时为止。
 
将 q 为 0%~100% 的酒精水溶液分别注入并充满测量池,待仪器温度稳定到 20℃时,记录酒精浓度值。每个样品独立测量 3 次,计算平均值。选择酒精浓度为 0% 时的纯水对仪器进行 6 次实验,结果如图 2 所示,其他酒精浓度验证结果如表 3 所示。
 纯水重复性实验
由图 2 数据计算仪器的重复性,结果都约为0.01%,说明仪器的测量性能稳定。实验结果中出现了负数,是由于纯水密度偏大,超出 JJF1074-2001测量用表范围,并不具有实际意义。进一步实验表明对于部分型号的仪器,当纯水密度偏大时,还会提示超出测量范围,显示错误的警告。因此,纯水对于校准密度偏差较大的仪器并不适用。由表 3 验证结果可知,3 台实验仪器的酒精浓度大致保持一致,验证了该方法的有效性。同时可知 DMA4100M 整体偏大, DA-115 数据稳定性较差, DE40 整体偏小。标称值与仪器示值最大偏差出现在 20.23% 处,事实上在酒精度浓度为 20.23% 的 点 上, 密 度 每 变 化 0.01kg/m³, 浓度变化约 0.01%,而 99.9% 的点上,密度每变化0.06kg/m³,浓度变化约 0.01%。即使各点的密度偏差一致,酒精浓度在 20.23% 处偏差也最大。酒精浓度与密度的变化率,随着浓度的增加而减小。因此,仅仅对密度示值校准来衡量仪器酒精浓度偏差是远远不够的。
 
四、小结
通过分析和论述可以得出,直接采用密度标液校准台式密度计的方法并不可行,本文所探讨的方法简单、实用,并且达到了较高的测量准确度,对于酒类市场及原料理化测试等领域具有实验价值。通过验证实验发现,低酒精浓度点的偏差较高浓度点大。纯水校准密度偏差较大的仪器会出现测量错误,并不一定适用。实验结果具有良好的一致性,此方法也可以为糖度、酸度碱度的仪器校准提供借鉴。

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