专利名称：一种基于电磁悬浮的密度测量装置及方法
技术领域：
本发明属 于测量技术领域，具体为ー种基于电磁悬浮的密度測量装置及方法。
背景技术：
密度是代表物质特性的最基本物性參数之一，而准确的密度测量对石油、化工、冶金、建材、轻エ等领域十分关键，它关系到如半成品和产品数量与质量的控制、检测及生产过程的管理等重要环节。现有密度測量装置大多仅能单方面针对特定种类的固态或液态物质进行密度测量。其中，对于固态的常用密度測量方法有不等臂天平法、微波技术测量法、放射性原理测量法等等。CN2051738U公开的“岩(矿)石密度測定仪”比以前的密度測量方法提高了測量效率和精度，但因受到传感器的限制，对量程较大或量程较小的试样使用同一荷重传感器也存在測量精度误差较大的问题，由于受当时技术条件限制，还存在其存储数据量较小，传输数据不大方便的缺点。CN1456875A公开的“液压感应体积密度仪及其測量方法和用途”可以对人体器官及形态不规则、难以准确测量样品的体积密度进行检测，该发明从原理上采用多了測量器，针对不同体积的人体标本的体积密度进行测量，具有准确、可靠的特点。ZL200520028675. 3公开的“固体物密度测量装置”采用可置换荷重传感器的办法增加量程减小测量误差。上述方法都存在測量速度相对慢、使用条件苛刻、过程复杂、局限于固体測量的缺点。另ー方面，对于液态物质的密度測量，エ业上广泛应用密度计或实验法来測量液体密度。密度计是測定液体密度的专用仪器，它根据物体悬浮的平衡原理，对密度大于和小于水的液体要用不同的密度计进行測量，測量范围较小。而用实验法测量液体的密度，虽然精度能有一定的保证，但操作比较繁琐，效率低。显然，随着社会科学技术的发展，这些密度測量装置逐渐难以满足技术多元化发展的要求，密度測量装置必然不断向着更普及化、简便化、精准化、小型化等方向发展。因此，人们需要ー种易操作、性能稳定、快速測量、应用范围广泛，同时能保证一定精度又低成本的固液体密度测量方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于磁悬浮的密度測量装置及方法，通过测量试样在标准溶液中实现磁悬浮时的悬浮高度，建立试样密度与悬浮高度的函数关系，从而得到较准确的试样密度值。本发明的技术方案是这样实现的一种基于磁悬浮的密度測量装置，包括悬浮腔、磁场发生装置和远程观测记录设备；所述悬浮腔放置于磁场发生装置内；所述悬浮腔为圆柱体測量容器，悬浮腔外侧垂直方向设置有刻度标尺；所述磁场发生装置包括第一磁铁、第二磁铁、第一支架和第二支架，第一磁铁和第ニ磁铁同名磁极相对，悬浮腔置于两个磁铁之间，且与两磁铁处于同一竖直轴线上，第一磁铁和第二磁铁的两侧分别通过螺钉与第一支架和第二支架固定连接；所述第一磁铁和第二磁铁可选用电磁铁或永磁铁；在选用电磁铁的情况下，需通过第一电磁铁导线和第二电磁铁导线连接磁场强度调节器以满足电磁铁磁场强度调节的要求，要求磁铁表面磁感应強度Btl不低于O. 8T，实际测量时要求电磁铁表面磁感应强度调节范围在O. 2 I. 0T,电磁铁采用24V直流电源供电；在选用永磁铁的情况下，要求其表面磁感应强度Btl不低于O. 4T ;选用永磁铁时,利用固定螺钉将永磁铁固定在支架不同位置，以调节两个永磁铁表面距离，从而改变空间磁场強度；选用电磁铁吋，除通过调节磁铁间距夕卜，还可以调节磁场强度调节器，改变电磁铁的表面磁感应強度，以达到改变空间磁场強度的目的。所述磁场強度调节器包括定档滑动变阻器和直流电源，第一磁铁与第二磁铁并联后串联定档滑动变阻器和直流电源，不同定档对应电磁铁不同的表面磁感应強度，并通过调整变阻器档位直接读出表面磁感应强度数值，以实现电磁铁表面磁感应強度在0-1. OT范围内连续变化，进而扩大可测范围。所述直流电源可以替换为交流电源串联连接变压器。 所述第一支架和第二支架材质为无磁合金材料,采用无磁连接，支架与磁铁通过螺钉连接，使得两磁铁之间的距离在35 60mm范围内可以5mm的级差调节；所述远程观测记录设备包括外置摄像设备和计算机；外置摄像设备通过其连接线连接到计算机，外置摄像设备需根据测量精度要求选取，精确测量时应选用高速摄像仪。采用上述基于磁悬浮的密度測量装置进行密度测量的方法，包括如下步骤步骤I :取一定浓度的标准溶液注入悬浮腔，使溶液液面高度达到悬浮腔总体高度的4/5以上；在待测物质中取直径在O. 2 3mm之间的颗粒状试样，将试样完全浸没在标准溶液中，并保证试样表面无气泡；步骤2 :将悬浮腔放置于两磁铁之间的空间内(即磁场中)，使悬浮腔腔体中心线与两磁铁竖直方向中心线尽量重合，保证系统稳定一定时间；步骤3 :若试样在磁场中能达到稳定悬浮，则通过外置摄像设备读出其悬浮高度h ;若试样无法稳定悬浮，则根据实际情况调整磁场强度，重复步骤2，直至试样能够达到稳定悬浮，读出其悬浮高度h ；根据实际情况调整磁场强度具体是选用永磁铁时调节磁铁间距；选用电磁铁时通过调整定档滑动变阻器档位，实现磁场强度调节。室温环境下，在待测物质中取体积足够小的试样(可认为密度均匀、性质稳定、且能代表待测物质的物理性质)，将其置于梯度磁场作用下的磁性流体(标准溶液)中，当试样在标准溶液中实现稳定悬浮时，试样在四种カ的作用下平衡，即重力G、标准溶液对试样的浮力Ff、磁场对试样的作用力Fm、非均勻磁场中磁性流体对试样的作用力Fs,表不为G+Ff+Fffl+Fs=Fg+Ffflag=0(I)式中G为试样所受重力；Ff为标准溶液对试样的浮力；Fm为磁场对试样的作用力；FS为非均匀磁场中磁性流体对试样的作用力；Fg=G+Ff，为重力和浮力的合力！Fniag=FJFs为由磁场作用产生的合力。步骤4 :进行悬浮高度h、试样密度P s的数值转换，得到试样密度P s ；步骤4. I :确定当地重力加速度g ；步骤4. 2 :根据注入的标准溶液的摩尔浓度计算标准溶液的密度P m和磁化率
权利要求
1.一种基于电磁悬浮的密度測量装置，包括远程观测记录设备，其特征在于还包括悬浮腔和磁场发生装置； 所述悬浮腔(4)放置于磁场发生装置内； 所述悬浮腔(4)为圆柱体測量容器，悬浮腔(4)外侧垂直方向设置有刻度标尺；所述磁场发生装置包括第一磁铁(I)、第二磁铁(12)、第一支架(2)和第二支架(13)，第一磁铁(I)和第二磁铁(12)同名磁极相对，悬浮腔(4)置于两个磁铁之间，且与两磁铁处于同一竖直轴线上，第一磁铁(I)和第二磁铁(12)的两侧分别通过固定螺钉与第一支架(2)和第二支架(13)固定连接； 所述远程观测记录设备包括外置摄像设备和计算机(17);外置摄像设备通过其输出线连接到计算机(17)。
2.根据权利要求I所述的基于电磁悬浮的密度測量装置，其特征在于所述第一磁铁(I)和第二磁铁(12)选用电磁铁或永磁铁； 若选用电磁铁，则电磁铁导线连接磁场强度调节器；磁场强度调节器包括定档滑动变阻器和直流电源，第一磁铁(I)与第二磁铁(12)并联后串联定档滑动变阻器和直流电源。
3.根据权利要求I所述的基于电磁悬浮的密度測量装置，其特征在于所述第一磁铁(I)和第二磁铁(12)为电磁铁时，磁铁表面磁感应强度不低于O. 8T ;所述第一磁铁(I)和第二磁铁(12)为永磁铁时,磁铁表面磁感应强度不低于O. 4T。
4.采用权利要求I所述的基于电磁悬浮的密度測量装置进行密度测量的方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I :取一定浓度的标准溶液注入悬浮腔，使溶液液面高度达到悬浮腔总体高度的4/5以上；在待测物质中取直径在O. 2 3mm之间的颗粒状试样，将试样完全浸没在标准溶液中，并保证试样表面无气泡； 步骤2 :将悬浮腔放置于两磁铁之间的空间内，使悬浮腔腔体中心线与两磁铁竖直方向中心线尽量重合,保证系统稳定一定时间； 步骤3 :若试样在磁场中能达到稳定悬浮，则通过外置摄像设备读出其悬浮高度h ;若试样无法稳定悬浮，则根据实际情况调整磁场强度，重复步骤2，直至试样能够达到稳定悬浮，读出其悬浮高度h ; 根据实际情况调整磁场强度若选用永磁铁，则通过调节永磁铁的间距，实现对磁场强度调节；若选用电磁铁，则通过调整定档滑动变阻器档位，实现磁场强度调节； 步骤4 :进行悬浮高度h、试样密度P s的数值转换，得到试样密度P s ;具体步骤如下 步骤4. I :确定当地重力加速度g ； 步骤4. 2 :根据注入的标准溶液的摩尔浓度计算标准溶液的密度P m和磁化率X m ；步骤4. 3 :若已知待测物质磁化率或其计算方法，则查出或计算出待测物质磁化率准确值Xs ;若待测物质磁化率不能确定，则可近似的取xs=_5X10_6; 步骤4. 4 :确定磁铁表面磁感应強度Btl ； 若使用的是永磁铁，则查出其标定的表面磁感应强度Btl ;若使用电磁铁,则根据试样达到稳定悬浮时变阻器阻值和档位，确定磁铁表面磁感应強度Btl ； 步骤4. 5 :计算磁铁中心线上磁感应强度分布； 两个相同的磁铁同名磁极相対，间距为H，则对于长方体形状永磁铁，在O H空间范围内，其中轴线上磁感应强度Bz大小满足
全文摘要
一种基于电磁悬浮的密度测量装置及方法，装置包括远程观测记录设备、悬浮腔和磁场发生装置；悬浮腔放置于磁场发生装置内，悬浮腔为圆柱体测量容器，悬浮腔外侧垂直方向设置有刻度标尺；磁场发生装置包括第一磁铁、第二磁铁、第一支架和第二支架，第一磁铁和第二磁铁同名磁极相对，悬浮腔置于两个磁铁之间，且与两磁铁处于同一竖直轴线上，第一磁铁和第二磁铁的两侧分别通过固定螺钉与第一支架和第二支架固定连接；远程观测记录设备包括外置摄像设备和计算机。方法通过测量试样在标准溶液中实现磁悬浮时的悬浮高度，建立试样密度与悬浮高度的函数关系，从而得到较准确的试样密度值。
文档编号G01N9/00GK102680356SQ201210167489
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者房鑫, 王强, 石祎元, 赫冀成, 高秀平 申请人:东北大学