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Festkörperdichte

Arbeitsgruppe 1.82

Profil

Präzisionsbestimmung der Dichte und des Volumens von Festkörpern

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Forschung/Entwicklung

Mitarbeit bei dem Projekt zur Neubestimmung der Avogadro-Konstante

Volumenroboter

In der Entwicklung befindet sich eine Apparatur zur hydrostatischen Volumenbestimmung von Gewichtstücken im Massebereich 0,1 g bis 1000 g. Angestrebt werden Unsicherheiten von z. B. 0,02 mm3 für ein 0,1 g Gewichtstück und 0,5 mm3 für ein 1000 g Stück. In dieser Apparatur wird sowohl eine Wägung der Proben in einer Messflüssigkeit (hydrostatische Wägung) als auch eine Massebestimmung der Proben in Luft möglich sein. In beiden Fällen wird ein Substitutionsvergleich mit kalibrierten Gewichtstücken durchgeführt.

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Dichtevergleichsmessungen nach der Methode der Druckflotation

Das Prinzip der Druckflotation ermöglicht die Untersuchung von kleinsten relativen Dichteunterschieden durch Vergleichsmessungen zwischen zwei Silicium Proben (z.B. 1 kg Silicium-28 Kugeln). Dazu werden die beiden Proben in einem Flüssigkeitsgemisch zum Schweben gebracht, welches fast die gleiche Dichte wie Silicium hat. Durch Veränderung des Drucks in der Flüssigkeit wird erreicht, dass jeweils eine der Proben frei in der Flüssigkeit schwebt, ohne sich nach oben oder unten zu bewegen.

Derzeit wird eine Messapparatur für relative Dichtevergleichsmessungen nach der Methode der Druckflotation aufgebaut, für die zukünftig eine relative Unsicherheit der Dichtevergleichsmessung an Silicium-28 Kugeln von 0,01 ppm angestrebt wird. Um diese Unsicherheiten zu realisieren ist neben der hohen Auflösung der Druckänderung der Flüssigkeit auch eine Temperaturstabilität im Messsystem im µK-Bereich von besonderer Bedeutung.

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Magnetische Flotation

Im Rahmen des Avogadro-Projektes konnte gezeigt werden, dass die Realisierung der SI-Einheit „Kilogramm“ auf Grundlage des Zählens von Atomen in Kugeln, die aus mit dem Isotop 28Si angereichertem Silicium gefertigt sind, möglich ist. Für die Weitergabe der Einheit sind diese 28Si-Kugeln jedoch zu teuer. Deswegen wird die Realisierung und die Weitergabe der Einheit „Kilogramm“ durch Kugeln aus natürlichem Silicium erforscht. Dabei soll die genau bekannte Dichte einer 28Si-Kugel mithilfe einer hydrostatischen Wägung auf eine Kugel aus natürlichem Silicium übertragen werden. Bei einer „klassischen“ Apparatur zur hydrostatischen Wägung werden die Proben mittels eines Drahts mit der Waage verbunden; der sich am Draht ausbildende Flüssigkeitsmeniskus ist ein wesentlicher Unsicherheitsbeitrag bei diesen Aufbauten. Um die Übertragung der Dichte im Rahmen der geforderten kombinierten Messunsicherheit von maximal 3 x 10–8 zu realisieren, soll daher eine Magnetschwebekupplung zum Einsatz kommen, durch die die Gewichtskraft der Si-Kugeln berührungslos an die Waage übertragen werden kann.

Die Anlage befindet sich zur Zeit in der Konzeptionsphase.

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Dienstleistungen

  • Messung der Dichte und des Volumens von Festkörpern, insbesondere von Festkörper-Dichtenormalen, Luftdichte-Artefakten und Gewichtstücken von 1 g bis 1 kg
  • Kalibrierung von Aräometern

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Informationen

Fundamentalapparatur

Die hydrostatische Volumenbestimmung wird auf Festkörper mit einer Masse bis zu ca. 1030 g und einem Volumen bis zu 440 cm3 angewendet. Die Messungen werden bei 20 °C durchgeführt.

Die Messapparatur wurde auch in die internationalen CMC-Tabellen aufgenommen. Die folgenden minimalen erweiterten Messunsicherheiten (= 2) werden weltweit akzeptiert:
(0,15 + 0,0015 cm-3 · V) mm3 für das Volumen V im Messbereich von 50 cm3 bis 440 cm3.

 

 

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Massenvergleichsapparatur

Massenvergleiche von Festkörpern bis zu einer Masse von ca. 1000 g zur Bestimmung der Dichte von Festkörpern.
Es können Massevergleiche mit einer Messunsicherheit von 0,10 mg (für einen Erweiterungsfaktor k = 2) erfolgen.
Absolute Massebestimmungen mit noch höherer Genauigkeit    (d. h. Anschluss an die SI-Einheit kg) werden in der Arbeitsgruppe 1.81 „Darstellung Masse“ durchgeführt.

 

 

 

 

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Kalibrierung von Aräometern

Kalibrierung von Aräometern mit Hilfe der Cuckow-Methode für einen Dichtebereich von 500 kg/m3 bis 2000 kg/m3 mit Unsicherheiten bis hinab zu 0,02 kg/m3 (für einen Erweiterungsfaktor k = 2). Dies betrifft die folgenden Aräometerarten: Alkoholometer, Saccharimeter und Aräometer für Bierwürze, Sulfosprit, Mineralöl und Flüssiggas. Die Einheit der Skala darf kg/m3, % mas, % vol oder g/cm3 lauten. Die Bezugstemperatur des Aräometers muss im Bereich von 15 °C bis 25 °C liegen. Es werden sowohl Aräometer mit „Ablesung in der Flüssigkeitsoberfläche“ als auch solche für „Ablesung am oberen Rand des Meniskus“ kalibriert.

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Hydrostatische Bestimmung der Dichte von Festkörpern

Bestimmung der Dichte von Festkörpern bis zu einer Masse von ca. 1000g mit Hilfe hydrostatischer Wägungen. Die Temperatur muss im Bereich von 5 ºC bis 80 ºC liegen.

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