一種測(cè)量不規(guī)則固體體積的裝置和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固體體積的測(cè)量技術(shù)，具體是一種測(cè)量不規(guī)則固體體積的裝置和測(cè)量 方法，應(yīng)用范圍廣，比如巖土工程測(cè)量不規(guī)則土體的體積變化、農(nóng)業(yè)育種時(shí)測(cè)量種子的體 積、材料科學(xué)中測(cè)量各種材料的體積、化學(xué)化工中測(cè)量不規(guī)則化學(xué)固體的體積等。
【背景技術(shù)】
[0002] 體積測(cè)量，特別是不規(guī)則物體的體積測(cè)量，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的要求，如巖土試 驗(yàn)中測(cè)量變化土體的體積、材料科學(xué)中測(cè)量材料的體積、農(nóng)業(yè)育種時(shí)測(cè)量種子的體積等，所 以精確測(cè)量不規(guī)則物體的體積，對(duì)生產(chǎn)和科研有著舉足輕重的作用。但是，目前各種測(cè)量?jī)x 器中，沒(méi)有直接測(cè)量不規(guī)則固體體積且不污染固體的儀器。目前，直接測(cè)量固體體積的方 法都是針對(duì)規(guī)則固體的，如立方體、球等，通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)、寬、高或者直徑，再利用數(shù)學(xué)公式計(jì) 算出體積；對(duì)于比較均勻的固體，查出其密度，通過(guò)測(cè)量其質(zhì)量計(jì)算出體積；對(duì)于不規(guī)則物 體，目前利用最多的就是利用阿基米德原理，即所謂的"濕法"。以上方法都不能直接測(cè)量不 規(guī)則固體的體積且不污染固體。目前可測(cè)量不規(guī)則固體體積的高精度儀器是采用三維超聲 法，一般都用在醫(yī)學(xué)上，且測(cè)量費(fèi)用比較昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明根據(jù)氣體在低溫低壓下P-V-T間的關(guān)系服從理想氣體狀態(tài)方程，利用這個(gè) 關(guān)系來(lái)測(cè)量不規(guī)則固體的體積。
[0004] 當(dāng)環(huán)境溫度不變，氣體的壓力與體積的方程為：
[0005] P0 · V0= P ! · V1 (1)
[0006] 式中：PQ、V。分別為初始狀態(tài)的氣體壓力和體積J1分別為壓縮后的氣體壓力和 體積。
[0007] 參照?qǐng)D2所示，當(dāng)對(duì)一個(gè)密閉的裝置進(jìn)行壓縮時(shí)，已知壓力室截面積為A，壓縮前 壓力室的氣體壓力為匕，壓縮后的氣體壓力為P 1，壓縮前活塞的位置為h2，壓縮后活塞的位 置為h3, Λ V = A · (h2-h3)，Λ P = PfPQ，氣體的壓力與體積的方程為：
[0011] 式中：Ρ。、％分別為初始狀態(tài)的氣體壓力和體積；Λ Ρ、Λ V分別為壓縮后的氣體壓 力和體積的壓縮量。
[0012] 若在裝置中放置一個(gè)已知體積為％的固體時(shí)，再對(duì)氣體進(jìn)行同樣大小的壓縮，此 時(shí)壓縮前壓力室的氣體壓力為P2，壓縮后的氣體壓力為Ρ 3, Λ Pc = P3-P2氣體的壓力與體積 的方程為：
[0014] 式中：P。、V。為初始狀態(tài)的氣體壓力和體積；Λ V為式⑵中的氣體體積壓縮量； Λ Pc為放進(jìn)已知體積的固體后壓力的變化量。
[0015] 同樣若在裝置中放置一個(gè)未知體積的固體時(shí)，該固體體積設(shè)為Vx，再進(jìn)行同樣大 小的壓縮，則氣體的壓力與體積的方程為：
[0017] 式中：P。、V。分別為初始狀態(tài)的氣體壓力和體積；Λ V為式⑵中的氣體體積壓縮 量；Vx為待測(cè)固體的體積（未知）Px為放進(jìn)待測(cè)固體后壓力的變化量。
[0018] 聯(lián)立以上⑶（4) (5)三式得：
[0020] 通過(guò)計(jì)算可得出未知固體的體積。
[0021] 本發(fā)明的目的在于提供了一種快速精確測(cè)量不規(guī)則固體體積的裝置和測(cè)量方法， 測(cè)量前后不會(huì)對(duì)固體造成污染。
[0022] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：
[0023] -種測(cè)量不規(guī)則固體體積的裝置，包括裝樣室、測(cè)量室、儲(chǔ)油室、空壓機(jī)、閥門(mén)、單 通道控制器、壓力傳感器、第一計(jì)算機(jī)和第二計(jì)算機(jī)；裝樣室為一帶有蓋體的密封鋼質(zhì)容 器，用于放置待測(cè)的不規(guī)則固體；裝樣室的蓋體上設(shè)有氣體入口和壓力傳感器，氣體入口通 過(guò)對(duì)外連接的第一閥門(mén)與外部氣體相連通，壓力傳感器與第一計(jì)算機(jī)連接；測(cè)量室為一透 明的鋼化玻璃室，室壁上設(shè)有刻度，測(cè)量室上設(shè)有氣體入口，氣體入口通過(guò)對(duì)外連接的第一 閥門(mén)與外部氣體相連通；儲(chǔ)油室一為密封鋼質(zhì)容器，室內(nèi)裝有輕質(zhì)液壓油，儲(chǔ)油室和測(cè)量室 通過(guò)管道連接，管道上設(shè)有第二閥門(mén)，儲(chǔ)油室上設(shè)有氣體入口，氣體入口連接管道，管道上 設(shè)有第三閥門(mén)；空壓機(jī)為裝置提供壓力來(lái)源，空壓機(jī)和儲(chǔ)油室通過(guò)單通道控制器連接，單通 道控制器與第三閥門(mén)連接，單通道控制器可以把空壓機(jī)輸出的氣體定壓定流速地輸進(jìn)儲(chǔ)油 室，單通道控制器與第二計(jì)算機(jī)連接，其輸出氣體的壓力和流速是通過(guò)第二計(jì)算機(jī)上的軟 件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0024] 所述壓力傳感器與第一計(jì)算機(jī)連接，壓力傳感器可以精確測(cè)量裝置內(nèi)的壓力值， 并輸送顯示到第一計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器采集的壓力值；第二計(jì)算機(jī)連接單通道控 制器，在第二計(jì)算機(jī)上通過(guò)相關(guān)軟件控制單通道控制器，以控制進(jìn)入裝置氣體的壓力和流 速。
[0025] 第一閥門(mén)控制外界進(jìn)入裝樣室和測(cè)量室的氣體量，第二閥門(mén)連接測(cè)量室和儲(chǔ)油 室，第三閥門(mén)控制空壓機(jī)氣體進(jìn)入裝置的氣體量。
[0026] 應(yīng)用本發(fā)明測(cè)量不規(guī)則固體體積的裝置測(cè)量不規(guī)則固體體積的方法，包括在裝置 的裝樣室不放置固體時(shí)的壓縮實(shí)驗(yàn)，在裝樣室放入已知體積的標(biāo)準(zhǔn)樣塊時(shí)的壓縮實(shí)驗(yàn)，以 及在裝樣室放入待測(cè)固體時(shí)的壓縮實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下：
[0027] (1)在裝樣室中不放置固體進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)第一計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝樣室的壓 力變化；
[0028] (2)打開(kāi)第一閥門(mén)，使裝樣室、測(cè)量室與大氣相通；
[0029] (3)打開(kāi)空壓機(jī)，使空壓機(jī)產(chǎn)生氣壓并儲(chǔ)藏在自身的儲(chǔ)氣罐里；
[0030] (4)打開(kāi)第二計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件控制單通道控制器控制通入儲(chǔ)油室氣體的壓力為 10kPa、流量為 50sccm ;
[0031] (5)從第一計(jì)算機(jī)讀取此時(shí)裝樣室的壓力值，用P1表示，P i-般為0 ;
[0032] (6)依次打開(kāi)第三閥門(mén)、第二閥門(mén)，隨著氣體進(jìn)入儲(chǔ)油室，儲(chǔ)油室里的壓強(qiáng)越來(lái)越 大，使儲(chǔ)油室里的油進(jìn)入測(cè)量室；
[0033] (7)不斷通過(guò)第二計(jì)算機(jī)的軟件調(diào)整流入10kPa_30kPa氣體壓力和 5〇SCCm-10〇 SCCm流量，使測(cè)量室里的油面高度到達(dá)壓縮前的高度，壓縮前的油面高度用h。 表示，此時(shí)迅速依次關(guān)閉第二閥門(mén)、第三閥門(mén)，通過(guò)第二計(jì)算機(jī)的軟件關(guān)閉單通道控制器輸 出的氣流；
[0034] (8)關(guān)閉第一閥門(mén)，使裝樣室、測(cè)量室與大氣隔絕；
[0035] (9)再通過(guò)第二計(jì)算機(jī)的軟件使單通道控制器輸出10kPa-60kPa的氣壓和 200sccm-300sccm 流量；
[0036] (10)依次打開(kāi)第三閥門(mén)、第二閥門(mén)，使測(cè)量室里的油面高度上升一個(gè)確定的值 Λ h，根據(jù)固體的大小自行設(shè)置，迅速關(guān)閉第二閥門(mén)、第三閥門(mén)，已知測(cè)量室的截面積為A， 則氣體體積壓縮量Λ V = A ·Λ h，再通過(guò)第二計(jì)算機(jī)的軟件使單通道控制器輸出的氣流壓 力和流量都為〇 ;
[0037] (11)從第一計(jì)算機(jī)讀取此時(shí)裝樣室里的壓力值，用P2表示；
[0038] (12)依次打開(kāi)第三閥門(mén)、第二閥門(mén)、第一閥門(mén)，使測(cè)量室里的油流回儲(chǔ)油室，當(dāng)測(cè) 量室里的油面到達(dá)h。時(shí)，迅速關(guān)閉第二閥門(mén)、第三閥門(mén)；
[0039] (13)此時(shí) Λ V = A.Ah，AP = P2-P1;
[0040] (14)打開(kāi)裝樣室，放進(jìn)一個(gè)已知體積的標(biāo)準(zhǔn)樣塊，其體積為Vc ;
[0041] (15)打開(kāi)第一閥門(mén)，使裝樣室、測(cè)量室與大氣相通；
[0042] (16)打開(kāi)第二計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件控制單通道控制器控制通入儲(chǔ)油室氣體的壓力為 10kPa、流量為 50sccm ;
[0043] (17)從第一計(jì)算機(jī)讀取此時(shí)裝樣室的壓力值，用Pcl表示，P cl-般為0 ;
[0044] (18)依次打開(kāi)第三閥門(mén)、第二閥門(mén)，隨著氣體進(jìn)入儲(chǔ)油室，儲(chǔ)油室里的壓強(qiáng)越來(lái)越