הידרומטר

הִידְרוֹמֵטֶר, או מַד צְפִיפוּת, הוא מכשיר המודד את המשקל הסגולי (צפיפות החומר) של נוזל. זהו היחס בין הצפיפות של נוזל לצפיפות מים.

ההידרומטר עשוי זכוכית ומורכב ממצוף וכולל צינור גלילי שבסופו משקולת בצורת טיפה המכילה כספית או כדורי עופרת. הנוזל הנבדק נשפך לתוך מיכל ארוך, לעיתים קרובות למשורה וההידרומטר מוכנס בעדינות לתוך הנוזל עד שהוא צף בחופשיות. הנקודה בה פני הנוזל נוגעים בצינור ההידרומטר מסמנת את ערך המדידה. על ההידרומטר מסומנות בדרך כלל שנתות לאורך צינור המכשיר כך שהמדידה ניתנת לקריאה באופן מידי. קיימים סוגים שונים של הידרומטרים, בהתאם לנוזל הנבדק.

הידרומטר ניתן לכיול עבור שימושים שונים כגון: לקטומטר עבור מדידת הצפיפות של חלב (קרמיות החלב), סכרמטר עבור מדידת הצפיפות של סוכר בנוזל או אלכוהולמטר עבור מדידת ריכוזים גבוהים של אלכוהול במשקאות חריפים.

עקרון פעולה
פעולת ההידרומטר מבוססת על חוק ארכימדס שלפיו על כל גוף המוקף באופן מלא או חלקי בזורם (נוזל או גז), פועל כוח ציפה ששווה למשקל הזורם שמוחלף על ידי הגוף. כלומר, ככל שהנוזל הנמדד על ידי הידרומטר בעל צפיפות נמוכה יותר (שוקל פחות יחסית לנפח שלו), כך ההידרומטר ידחוף נפח גדול יותר של הנוזל וישקע יותר עמוק.

היסטוריה
התיעוד הראשון של ההידרומטר מופיע במכתב מסינסאוס מקירנה למלומדת היווניה היפאטיה מאלכסנדריה. במכתבו ה-15 במספר, סינסאוס מבקש מהיפאטיה לבנות לו הידרומטר. ההכרה להמצאת המכשיר ניתנת להיפתאיה מתישהו בין סוף המאה ה-4 לתחילת המאה ה-5 לספירה.

"המכשיר המדובר הוא צינור גלילי בעל צורה של חליל ובערך באותו הגודל. יש בו חריצים בקו אנכי ישר באופן שמשאפשר לבדוק את משקל המים. קונוס משמש כמכסה עבור אחד הקצוות ומתאים באופן הדוק למידות הצינור. לקונוס ולצינור יש רק בסיס אחד. זה נקרא ברליום. בכל זמן שאתה שם מים בצינור הקונוס נותר עומד אנכית. אתה כעת יכול לספור את החריצים בקלות וכך להעריך את משקל המים."

לפי האנציקלופדיה להיסטוריה של המדע הערבי, הידרומטר ראשוני זה שימש את אבו אלריחאן מחמד בן אחמד אל בירוני במאה ה-11 ותואר על ידי אל-קזאני במאה ה-12.

מאוחר יותר מופיע שוב ההידרומטר בעבודתו של ז'אק אלכסנדר סזאר שארל במאה ה-18.

טווח

עבור נוזלים בעל צפיפות נמוכה כגון קרוסין, בנזין וכוהל ההידרומטר ישקע עמוק יותר ועבור נוזלים בעלי צפיפות גבוהה כגון תמלחת, חלב וחומצה ההידרומטר ישקע הרבה פחות. למען האמת, זה נפוץ להחזיק שני מכשירים שונים, אחד עבור נוזלים בעלי משקל סגולי גבוהה שבו הסימון של מים (1.000) קרוב לראש הצינור ומכשיר שני עבור נוזלים בעלי משקל סגולי נמוך שבו הסימון של המים הוא בתחתית. בהרבה תעשיות משתמשים בסדרה של הידרומטרים עבור משקלים סגוליים מסוימים כגון 1.0-0.95, 0.95-0.9 וכו' – על מנת לספק מדידה יותר מדויקת.

קנה מידה
הידרומטר מודרני לרוב מודד צפיפות מסוימת, אבל נעשות מדידות עבור קני מידה שונים בתעשיות מסוימות. דוגמאות כוללות:
כבידת ע"פ מכון הנפט האמריקאי (כבידת API) – משמש באופן אוניברסלי את תעשיות הנפט. 
קנה מידה באהום – היה בשימוש תעשיות הכימיות והפרמקולוגיות.
קנה מידה בריקס – משמש בעיקר עבור מיצי פירות, הכנת יין ותעשיות הסוכר.
קנה מידה אוכסל – משמש למדידת צפיפות של מיץ ענבים (לטובת הכנת יין).
קנה מידה פלטו – משמש בעיקר בהכנת בירה.
קנה מידה טוודל – היה בשימוש תעשיות הצבע.

הידרומטרים מיוחדים
הידרומטרים מיוחדים נקראים לעיתים קרובות לפי שימושם. לקטומטר, למשל, הוא הידרומטר שתוכנן במיוחד לשימוש עבור מוצרי חלב.

לקטרומטר
לקטומטר משמש לבדיקת איכות חלב הפרה. המשקל הסגולי של חלב לא נותן אינדיקציה חד משמעית של הרכבו משום שחלב מורכב ממגוון חומרים שהם בעלי צפיפות גבוהה או נמוכה ממים. נדרשות בדיקות נוספות עבור כמות השומן על מנת לקבוע את ההרכב הכולל. צינור המכשיר מחולק למאה שנתות. שופכים את החלב לתוך המכשיר ונותנים לו לעמוד עד שנוצר קרם על פני החלב. גובה הקרם קובע את איכות החלב. הכשיר עובד על עקרון ארכימדס שלפיו על כל גוף המוקף באופן מלא או חלקי בזורם (נוזל או גז), פועל כוח ציפה ששווה למשקל הזורם שמוחלף על ידי הגוף. אם החלב איכותי מאוד אז הלקטומטר יצוף בו, ואם החלב מהול ובעל איכויות נמוכות אז הלקטומטר ישקע בו.

אלכוהולמטר

אלכוהולמטר הוא הידרומטר המשמש לחשב את כמות האלכוהול בנוזלים. הוא גם ידוע כהידרומטר של פרוף וטרלס (על שם ג'ונתן טרלס). האלכוהולמטר מודד אך ורק את צפיפות הנוזל ויש צורך בהנחות נוספות על מנת להעריך את כמות האלכוהול בנוזל. השנתות באלכוהולמטר מסמנות אחוז נפחי של "אלכוהול פוטנציאלי" בהתבסס על חישוב של משקל סגולי. קריאה של ה"אלכוהול הפוטנציאלי" יותר גבוהה נגרמת מכמות גדולה של סוכרים מומסים בנוזל. הקריאה מתבצעת לפני ואחרי תהליך התססה וכמות האלכוהול המשוערת נקבעת על ידי חיסור בין שתי המדידות.

סכרמטר

סכרמטר הוא הידרומטר המשמש לקבוע את כמות הסוכר בתמיסה. הסכרמטר הומצא על ידי תומאס תומסון. הוא משמש בעיקר יצרני יין ובירה ויכול גם לשמש בהכנת סורבה וגלידות. הסכרמטר הראשון נבנה על ידי בנג'ימין מרטין (במטרה להשתמש בו בתהליך הזיקוק) ושימש בהתחלה בייצור משקאות חריפים על ידי ג'יימס בוורסטוק ב-1770. הנרי טרל גם אימץ את המכשיר והשימוש בו הפך לנפוץ על ידי ג'ון ריצ'רדסון ב-1784. 
הסכרמטר מורכב מצינור זכוכית עם שנתות שבסופו משקולת בצורת טיפה. כמות הסוכר בנוזל נקבעת על ידי קריאת הערך שבו פני השטח של הנוזל פוגשים את השנתות על הצינור זכוכית. הוא מבוסס על עקרון הציפה. תמיסה עם ריכוז גבוה של סוכר היא בעלת צפיפות גבוהה יותר ותגרום למשקולת לצוף גבוה יותר. תמיסה עם ריכוז נמוך יותר של סוכר היא בעל צפיפות נמוכה יותר ובה המשקולת תשקע נמוך יותר.

תרמוהידרומטר 
תרמוהידרומטר הוא הידרומטר שיש בתוך החלק הצף שלו מדחום (תרמומטר) הוא משמש למדידת הצפיפות של מוצרים מבוססי נפט כגון דלקים. הדוגמה הנמדדת בדרך כלל מחוממת בכלי מיוחד עם מדחום שמחובר לכלי וזאת משום שצפיפות תלויה גם בטמפרטורה הנמדד. שמנים קלים יבדקו בכלי מקורר, בדרך כלל 15 מעלות צלזיוס. שמנים קלים מאוד, עם הרבה רכיבים נדיפים, ימדדו בכלים עם נפחים שונים ובעזרת מכשיר דגימה בוכנה צפה וזאת על-מנת להקטין ככל הניתן איבוד חומר במדידה.
בבדיקת סוללות, נמדדת הטמפרטורה בתיקון של צפיפות מסוימת וטמפרטורת המוליך.

יורינומטר
יורינומטר הוא הידרומטר רפואי המשמש לבדיקת שתן. כאשר הצפיפות של נוזל קשורה לאחוז המומסים (חומרי פסולת) במים. היורינומטר מאפשר האינדיקציה מהירה לעד כמה החולה מיובש.

בארקומטר
בארקומטר מכויל לבדוק את החוזק של חומרים המשמשים בעיבוד עורות.

הידרומטר סוללות
מצב הטעינה של סוללות מסוג חומצה-עופרת ניתן להערכה מצפיפות בחומצה הגופרתית המשמשת כאלקטרוליט. ההידרומטר מכויל לקרוא ערכים מסוימים של צפיפות יחסית למים ב-60 מעלות פרנהייט (15.55 מעלות צלזיוס) ומשמש ככלי סטנדרטי לטיפול במצברי כלי רכב. טבלאות משמות לתיקון הקריאה עבור טמפרטורות סטנדרטית.

בודק תמיסות נוגדות-קיפאון 
שימוש נוסף מעולם הרכב להידרומטר הוא בדיקת האיכות של תמיסות נוגדות קיפאון המשמשות בקירור מנועים. כמות ההגנה מקירור קשורה לצפיפות (כמו גם הריכוז) של התמיסה נוגדת הקיפאון. לסוגים שונים של תמיסות נוגדות קיפאון יש יחסים שונים בין מדידות של צפיפות בנקודת הקיפאון.

אסידמטר
לפעמים נקרא גם אסידימטר, האסידמטר הוא הידרומטר שמודד את הצפיפות של חומצה.

שימוש באנליזת אדמה
אנליזת הידרומטר הוא תהליך בו מדרגים אדמה הטחונה דק, טין וחרסית. אנליזת הידרומטר המבוצעת עבור חלקיקים שקטנים מדי כדי לבצע עליהם אנליזת סייב. הבסיס לבדיקה זאת הוא חוק סטוקס עבור ספרות הנעות בנוזל ויסקוזי שבו המהירות הסופית של שקיעה תלוי בגודל הגרעינים וצפיפות הגרעינים שצפים ושל והנוזל. מכך גודל הגרעינים ניתן לחישוב מהתוצאות עבור זמן השקיעה. ההידרומטר בנוסף קובע את הצפיפות הציפה וזה מאפשר לחשב את אחוז החלקיקים בעלי קוטר מסוים במדגם.

קישורים חיצוניים

Hypatia of Alexandria
Hydrometer Information
Guide to Brewing Hydrometers
Jurjen Draaijer. Milk Testing. 'ספר מקורות לקבוצת יצור החלב', ארגון האוכל והחקלאות האמריקאי.
Using Your Hydrometer , דף הבית של אתר Winemaking.
How The Hydrometer Works, שיטות ביתיות להכנת יין.

הערות שוליים

מים