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Einsatz von Schwingquarzwaagen
in Flüssigkeiten
1980 zeigten Nomura und Konash unabhängig voneinander,
daß es möglich ist, mit einer Schwingquarzwaage Messungen in
Flüssigkeiten durchzuführen. Es sind dort sowohl Frequenzstabilität
als auch Wägegenauigkeit gegeben. Kommt eine Flüssigkeit in Kontakt
mit einer schwingenden Quarzoberfläche, wird sie in der Nähe
der Quarzoberfläche zu Schwingungen angeregt. Durch die Scherschwingung
des Quarzes wird eine exponentiell abklingende Scherwelle in der Flüssigkeit
erzeugt.
Da die mitschwingende Flüssigkeitsschicht einer Zunahme
der schwingenden Masse entspricht, wird die Resonanzfrequenz des Quarzes
verringert. Zusätzlich führt die Schwingungsanregung einer viskosen
Flüssigkeit zu einer Dämpfung der Resonanz. Eine vollständige
theoretische Beschreibung aller bei einer solchen Messung auftretenden
Phänomene gelang Kanazawa erst 1984. Er zeigte, daß die Resonanzfrequenz
eines in eine Lösung eintauchenden Schwingquarzes von der Dichte und
der Viskosität der Lösung abhängen:
Die Dicke der mitschwingenden Schicht ist dabei:
Die Gleichung setzt eine ideal glatte Oberfläche des
Quarzes voraus. Enthält diese Unebenheiten, so wird eine zusätzliche
Flüssigkeitsmasse an den schwingenden Quarz gekoppelt. Um eine allgemeine
Rauhigkeit der Quarzoberfläche zu berücksichtigen, wird ein weiterer
Term eingeführt. Dieser beschreibt eine durch Ankopplung von Flüssigkeit
bedingte Abnahme der Resonanzfrequenz:
Beim Eintauchen eines Schwingquarzes in eine Flüssigkeit
erfolgt eine Frequenzerniedrigung um die oben betrachteten Werte. Unabhängig
von diesem Phänomen behält die von Sauerbrey aufgestellte Gleichung
und damit der lineare Zusammenhang zwischen Frequenzänderung und Massenänderung
seine Gültigkeit. Deshalb können alle in Flüssigkeit durchge-führten
Messungen in dieser Arbeit analog zu den in der Gasphase durchgeführten
Experimenten betrachtet werden. Es ist jedoch zu beachten, daß sich
die Resonanzfrequenz eines Schwing-quarzes in einer Flüssigkeit sowohl
durch Massenanlagerung an die Quarzoberfläche als auch durch eine
Änderung der temperaturabhängigen Flüssigkeitseigenschaften
wie Dichte und Viskosität ändern kann. Diese Effekte lassen sich
bei einer Resonanzfrequenzmessung mit einem Schwingquarz schwer voneinander
trennen.
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