1、September 2005DEUTSCHE NORM Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DINPreisgruppe 7DIN Deutsches Institut f r Normung e.V. Jede Art der Vervielf ltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut f r Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 17.060EG 9636512www.din.deXDIN 66137-3Best
2、immung der Dichte fester Stoffe Teil 3: GasauftriebsverfahrenDetermination of solid state density Part 3: Gas buoyancy methodDtermination de la masse volumique solide Partie 3: Mthode de buoyance gazAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 11 SeitenDIN
3、66137-3:2005-09 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 1 Anwendungsbereich 3 2 Normative Verweisungen. 3 3 Begriffe und Formelzeichen 3 4 Physikalische Grundlagen des Messprinzips 4 5 Messdurchfhrung . 6 5.1 Vorbehandlung und Prfatmosphre . 6 5.2 Probenmenge 6 5.3 Bestimmung der Probenmasse. 6 5.4 Bestimmung de
4、s Volumens. 6 5.4.1 Beschreibung der Messapparatur. 6 5.4.2 Messdurchfhrung ohne Probe (Leermessung) . 7 5.4.3 Messdurchfhrung mit Probe 8 5.4.4 Auswertung . 8 6 Adsorptionsphnomene 9 7 Kalibrierung und Qualifizierung des Messverfahrens 9 8 Analysenbericht 9 Anhang A (informativ) Schematische Darste
5、llung einer Messkurve 10 Literaturhinweise . 11 Tabellen Tabelle 1 Formelzeichen und Einheiten 4 Bilder Bild 1 Auftrieb eines Festkrpers in einem Gas 5 Bild 2 Prinzipskizze einer gravimetrischen Messapparatur . 7 Bild A.1 Schematische Darstellung einer Messkurve . 10 DIN 66137-3:2005-09 3 Vorwort Di
6、ese Norm wurde vom Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. im Arbeitsausschuss 11.42.08 Partikelmesstechnik, Oberflchenmessverfahren erarbeitet. DIN 66137 Bestimmung der Dichte fester Stoffe besteht aus: Teil 1: Grundlagen Teil 2: Gaspyknometrie Teil 3: Gasauftrie
7、bsverfahren 1 Anwendungsbereich Dieses Dokument legt ein allgemeines Messverfahren zur Bestimmung der Feststoffdichte von Pulvern und stckigen Festkrpern fest. Bei porsen Stoffen liefert das Messverfahren nur dann die Feststoffdichte Faus DIN 66137-1, wenn alle Poren fr das Messgas zugnglich sind. G
8、rundlage des Verfahrens ist die gravimetrische Messung des Auftriebes der Probe in einem Medium bekannter Dichte nach dem Prinzip von Archimedes. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in
9、 Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 53803-1, Probenahme Statistische Grundlagen der Probenahme bei einfacher Aufteilung DIN 66137-1, Bestimmung der Dichte fester Stoffe Teil 1: Grundlage
10、n DIN 66160, Messen disperser Systeme Begriffe 3 Begriffe und Formelzeichen Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 66160. DIN 66137-3:2005-09 4 Tabelle 1 Formelzeichen und Einheiten Formelzeichen Benennung Einheit a*LR Steigung der Regressionsgeraden der Leermessung mg Pa-1aL
11、R Steigung der Regressionsgeraden bei Messung mit Probe mg Pa-1FGGewichtskraft N g Erdbeschleunigung (9,81) m s-2m Masse g mFFeststoffmasse g M Molmasse des Messgases g mol-1N Anzahl der Messpunkte p Druck des Messgases Pa R Universelle Gaskonstante (8,314) J K-1 mol-1T Temperatur K V Auftrieb erzeu
12、gendes Volumen cm3VFFeststoffvolumen cm3VWVolumen des Probengefes und der Waagenbauteile cm3W(0) Anzeige der Mikrowaage bei eingebauter Probe im Vakuum g W (p) Anzeige der Mikrowaage bei eingebauter Probe und dem Druck p des Messgases g W*(0) Anzeige der Mikrowaage ohne Probe im Vakuum g W*(p*) Anze
13、ige der Mikrowaage ohne Probe beim Druck p*des Messgases g GDichte des Messgases g cm-3FFeststoffdichte der Probe g cm-34 Physikalische Grundlagen des Messprinzips Analog zu dem Gesetz von Archimedes erfhrt ein Festkrper mit der Masse m und dem Volumen V, der in ein Gas eingebracht wird, eine Auftri
14、ebskraft. Diese ist vom Betrag her gleich der Gewichtskraft, mit der das von dem Krper verdrngte Gasvolumen von der Erde angezogen wird, aber entgegengesetzt gerichtet (siehe Bild 1). Die Gewichtskraft, die das Gasvolumen erfhrt, ist proportional zu der Gasdichte. Die resultierende Gewichtskraft FG
15、, die von einer Waage gemessen werden kann, betrgt dann: gVgmF =GG (1) DIN 66137-3:2005-09 5 Legende 1 Gas (p, T) 2 Festkrper Bild 1 Auftrieb eines Festkrpers in einem Gas Wird nun die resultierende Gewichtskraft des Festkrpers gemessen, und ist die Dichte des Gases bekannt, das den Auftrieb hervorr
16、uft, so kann durch Umstellen der Gleichung (1) das Volumen des Festkrpers ermittelt werden. Bei Beschrnkung auf ideale Gase kann die Dichte G aus der Zustandsgleichung fr ideale Gase berechnet werden. TRMp=G (2) Bei anderen Gasen sollte die Dichte aus der Zustandsgleichung fr reale Gase berechnet we
17、rden. Beispielsweise knnte hierzu eine Virialentwicklung verwendet werden, wobei die verwendeten Virialkoeffizienten B(T), C(T), . im Analysenbericht anzugeben sind. () () .112+=pTCpTBTRMpG (3) Die folgende Herleitung ist unter der Annahme ausgefhrt, dass die Dichte des Gases nach Gleichung (2) best
18、immt wird: Wird in einem System wie in Bild 1 die Dichte des Gases bei konstanter Temperatur durch Erhhung des Druckes p verndert, so folgt fr die resultierende Gewichtskraft FG als Funktion des Gasdruckes p: () gVTRMpmpF =G(4) Durch Umstellen der Gleichung (4) erhlt man: ()pVTRMgpFm =G(5) DIN 66137
19、-3:2005-09 6 Zur Berechnung der zu ermittelnden Feststoffdichte Fdes untersuchten Feststoffes werden seine Masse mFund sein Volumen VFbentigt. Die Bestimmung von mFwird unter 5.3 beschrieben (siehe Gleichung (7). Das Volumen VFder Probe (siehe Gleichung 14) wird unter Verwendung von Gleichung (5) au
20、s den Messdaten der Auftriebsmessung, die unter 5.4 beschrieben wird, ermittelt. Damit ergibt sich die Feststoffdichte Fnach DIN 66137-1 zu: FFFVm= (6) 5 Messdurchfhrung 5.1 Vorbehandlung und Prfatmosphre Die Proben sollten trocken und soweit wie mglich von adsorbierten Verunreinigungen befreit sein
21、. Dieser Zustand kann durch mehrmaliges Splen der Probe in der Messapparatur mit dem Messgas (eventuell Aufheizen) und Evakuieren erfolgen. 5.2 Probenmenge Die Probenmenge ist so zu whlen, dass mit der verwendeten gravimetrischen Messapparatur gut mess- und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden
22、knnen. Dazu sollte die maximale Messlast der Messeinrichtung im Vakuum nahezu vollstndig ausgenutzt werden. Die Auswahl der Probe sollte reprsentativ nach DIN 53803-1 erfolgen. Es ist zu berprfen, ob die Messbedingungen dem Auflsungsvermgen der verwendeten Waage gengen. 5.3 Bestimmung der Probenmass
23、e Die Probenmasse mFwird nach der Vorbehandlung in der verwendeten gravimetrischen Messapparatur im Vakuum bestimmt. Die Probenmasse mFergibt sich aus der Differenz der Waagenanzeige im Vakuum ohne und mit eingebauter Probe. (0)(0)F*WWm = (7) 5.4 Bestimmung des Volumens 5.4.1 Beschreibung der Messap
24、paratur Die Messapparatur besteht aus einer Mikrowaage (1), an welche das Probengef (3) mit der zu untersuchenden Probe (4) durch eine entweder direkte oder indirekte (berhrungslose) Verbindung (2) angekoppelt ist. Die Probe befindet sich in einer thermostatisierbaren Messkammer (5), in die das Mess
25、gas ber den Gaseinlass (7) eingefllt werden kann. Die Messkammer kann ber einen Vakuumanschluss (8) evakuiert werden. Die Temperatur und der Druck in der Messkammer werden mit einem Thermometer (9) und einem Drucksensor (10) gemessen (siehe Bild 2). DIN 66137-3:2005-09 7 Bild 2 Prinzipskizze einer g
26、ravimetrischen Messapparatur Legende 1 Mikrowaage 2 direkte oder indirekte Verbindung 3 Probengef 4 Probe 5 Messkammer 6 Thermostat 7 Gaseinlass 8 Vakuum 9 Thermometer 10 Drucksensor 5.4.2 Messdurchfhrung ohne Probe (Leermessung) Wenn die gravimetrische Messapparatur nach dem Prinzip der Balkenwaage
27、 arbeitet, so kann das Gewicht und das Volumen des Probengefes und der Aufhngungsteile des Gefes durch eine identische Anordnung am zweiten Arm der Waage nahezu kompensiert werden. Unabhngig von der Bauart der gravimetrischen Messapparatur wird jedoch empfohlen, vor einer Messung das Gewicht und das
28、 Volumen des Probengefes und der Waagenbauteile durch eine Leermessung zu bestimmen. Das Volumen VWdes Probengefes und der Waagenbauteile, die zustzlich zum Probenvolumen VFeinem Auftrieb unterliegen, fhren zu einer Reduzierung der Waagenanzeige, wenn die Dichte des Messgases erhht wird. Diese Volum
29、ina mssen durch eine Leermessung ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird das leere Probengef an die Waage angebracht und danach die Messkammer mehrfach evakuiert und wieder mit dem Messgas geflutet. Nach diesen Splzyklen wird die Kammer bis zur Druckkonstanz evakuiert. Im evakuierten Zustand wird dan
30、n der Anzeigewert der Waage ohne eingebaute Probe W* (0) aufgezeichnet. Danach wird der Druck in der Messkammer bei konstanter Temperatur T durch Einfllen des Messgases schrittweise erhht. Nachdem bei dem Druck p*1in der Messkammer ein Gleichgewicht (d. h. konstante Waagenanzeige, Druck und Temperat
31、ur) erreicht ist, werden die Waagenanzeige W* (p*1), der Druck p*1und die Temperatur T bestimmt und aufgezeichnet. Anschlieend wird der Druck auf den nchsten Druckwert p*2erhht. Die Temperatur im Messgef muss whrend der Messung konstant gehalten werden. Diese Vorgehensweise wird so lange wiederholt,
32、 bis gengend Wertepaare W*(p*i) , p*i; i = 1. N ; (empfohlen werden hier N 10) in dem zu untersuchenden Druckbereich aufgenommen worden sind. DIN 66137-3:2005-09 8 5.4.3 Messdurchfhrung mit Probe Die Probe wird in dem Probengef, dessen Auftrieb bei der Leermessung ermittelt worden ist, an die Waage
33、angebracht. Nun erfolgt zunchst die Vorbehandlung der Probe durch Splen der Messapparatur und Evakuieren. Im evakuierten Zustand liefert die Waagenanzeige den Messwert W (0). Danach ist analog nach dem unter 5.4.2 beschriebenen Verfahren vorzugehen, wobei der Druck des Messgases in vergleichbaren Sc
34、hritten wie bei der Leermessung erhht wird. Nach Erreichen des jeweils neuen Gleichgewichtes werden die Waagenanzeige W(pi), der Druck piund die Temperatur T bestimmt und aufgezeichnet. 5.4.4 Auswertung Fr die schrittweise Messung der auftriebsbedingten Gewichtskraftnderung in Abhngigkeit vom Gasdru
35、ck pi (siehe Gleichung (5) mittels der unter 5.4.1 beschriebenen Messapparatur gilt: ()()iiGpWgpF= .(i = 1 .N) (8) Weiterhin ist die Masse m in Gleichung (5) mit der Anzeige der Mikrowaage bei eingebauter Probe im Vakuum identisch: ()0Wm = (9) womit sich durch Kombination der Gleichungen (5), (8) un
36、d (9) fr die Messpunkte folgender Zusammenhang ergibt: () ( )ipVTRMpWW =i0 (i = 1. N) (10) Wird nach Gleichung (10) eine lineare Regression mit den unter 5.4.3 ermittelten Wertepaaren (W(pi) , pi) ausgefhrt, so kann aus der Steigung aLRder Regressionsgeraden das Volumen V bestimmt werden, das den Au
37、ftrieb und damit die Verminderung der Waagenanzeige hervorruft. LRaMTRV = (11) Das Volumen V aus Gleichung (11) ist die Summe von Probenvolumen VFund der Volumina von Probengef und Waagenbauteilen (Aufhngungsteilen der Waage) VW, also VF + VW. Somit gilt: WLRFVaMTRV = (12) Zustzlich wird die Steigun
38、g a*LRfr die Leermessung analog zur Gleichung (10) durch eine lineare Regression an den unter 5.4.2 ermittelten Wertepaaren (W*(p*i) , p*i) berechnet. Es ergibt sich: *aMTRVLRW= (13) wobei VWdie Summe der Volumina von Probengef und Waagenbauteilen (Aufhngungsteilen der Waage) ist. Aus Gleichung (12)
39、 und Gleichung (13) folgt : ()*LRLRFaaMTRV = (14) Durch Einsetzen der Werte aus Gleichung (7) und Gleichung (14) in die Gleichung (6) wird die Feststoffdichte F ermittelt . DIN 66137-3:2005-09 9 6 Adsorptionsphnomene Erfahrungsgem zeigt sich bei Proben mit groer spezifischer Oberflche bei der ersten
40、 Druckerhhung (vom Vakuum auf den ersten Druckwert) eine Massenzunahme durch Ad- oder Absorption. Wenn ein solcher Effekt beobachtet wird (siehe Anhang A), so ist fr die Auswertung und Volumenberechnung nur der lineare Bereich der Messkurve heranzuziehen. 7 Kalibrierung und Qualifizierung des Messve
41、rfahrens Um die auftretenden Unsicherheiten bei der Messung des Druckes und der Temperatur, sowie die mglichen Ungenauigkeiten, die sich aus der Zustandsgleichung ergeben knnen, zu minimieren, muss das Messsystem kalibriert werden. Hierzu werden geeignete Probekrper bekannten Volumens unter den glei
42、chen Bedingungen wie das unbekannte Probenvolumen vermessen. Der Proportionalittsfaktor MTR kann durch diese Messung experimentell bestimmt werden. Die Waage, der Drucksensor und der Temperatursensor mssen in regelmigen Zeitabstnden berprft, und falls notwendig neu justiert bzw. kalibriert werden. 8
43、 Analysenbericht Im Analysenbericht sind unter Hinweis auf diese Norm anzugeben: a) Labor, Bearbeiter, Datum; b) Beschreibung der Probe, z. B. Herkunft, chemische Zusammensetzung, Reinheit, Form, Partikelgre bzw. Partikelgrenverteilung; c) Probenahme, Probenvorbehandlung und Vorbehandlungsbedingunge
44、n, z. B. Temperatur, Enddruck, Partialdrcke, Entgasung im Gasstrom, Dauer der Entgasung, Masseabnahme; d) Masse der entgasten Probe im Vakuum in g; e) Charakterisierung des Messgases, z. B. Gasart, Reinheit, Trocknung, Angabe der verwendeten Zustandsgleichung; f) Messbedingungen, Temperatur, Druckbe
45、reich, Genauigkeit der verwendeten Waage und Sensoren, Kalibrierung durch Probekrper; g) Ermittelte Feststoffdichte der Probe. DIN 66137-3:2005-09 10 Anhang A (informativ) Schematische Darstellung einer Messkurve Bild A.1 Schematische Darstellung einer Messkurve DIN 66137-3:2005-09 11 Literaturhinwe
46、ise 1 Kochsiek, Manfred Hrsg.: Massebestimmung, VCH-Verlag, Weinheim, 1997 2 Brachthuser, K., Kleinrahm, R., Lsch, H. W. und Wagner, W.: Entwicklung eines neuen Dichtemeverfahrens und Aufbau einer Hochtemperatur-Hochdruck-Dichtemeanlage, Fortschritt Berichte VDI-Z., Reihe 8, Nr. 371, VDI-Verlag Dsseldorf, 1993
