测量液体密度的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种测量液体密度的方法及装置，其在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；采集所述运动杆距离旋转轴的距离；基于该距离、所述角速度、所述运动杆的截面表面积、宽度和质量，计算所述待测液体的密度。本发明由于在一定旋转角速度下，通过采集容纳在充满液体的容器内的运动杆距离旋转轴的距离，并基于该距离、角速度、运动杆的截面表面积、宽度和质量参数计算待测液体的密度，因此可以精确定位待测液体的测量位置，从而能够提高液体密度测量的精确性。
【专利说明】测量液体密度的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量方法，尤其涉及一种测量液体密度的方法及装置。
【背景技术】
[0002]目前，测量液体密度的方法很多，但大多数液体密度在测量过程中，无法调节量程。由于无法调节量程，不同待测液体的最小测量单位固定，不能根据待测液体的密度大小调节量程和最小测量单位，这就导致最终测量结果存在一些不必要的误差。
【发明内容】
[0003]为解决上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明提供一种测量液体密度的方法及装置，该发明能够在一定的旋转角速度下精确定位测量位置，从而不够提高液体密度测量的精确性。
[0004]本发明的技术方案如下:
[0005]本发明提供一种测量液体密度的方法，其包括:
[0006]在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；
[0007]采集所述运动杆距离旋转轴的距离；
[0008]基于该距离、所述角速度、所述运动杆的截面表面积、宽度和质量，计算所述待测液体的密度。
[0009]更进一步地，所述计算所述`待测液体的密度的过程包括:
[0010]利用如下公式计算所述待测液体的密度:
[0011]p。= MR/ {S [ (R 外 2+Hw2R 外3) - (R 内 2+Hw2R 内3)}
[0012]其中，M为运动杆的质量；P。为液体的原始密度；R#= R+B/2 ；Rrt= R_B/2(其中的R为运动杆距离旋转轴的距离，B为运动杆的宽度)；S为运动杆的截面表面积；H为挤压系数;w为旋转角速度。
[0013]更进一步地，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。
[0014]更进一步地，所述旋转轴至所述容器的左右两表面的距离相等。
[0015]更进一步地所述的测量液体密度的方法，还包括:将所述液体密度呈现给用户。
[0016]本发明还提供一种测量液体密度的装置，其包括:
[0017]容纳待测液体的容器；
[0018]设置在所述容器中的运动杆；
[0019]驱动所述容器运转的驱动单元，且所述驱动单元的中心轴垂直于所述容器的中心线.[0020]采集所述运动杆距离所述中心轴的距离的采集单元；
[0021]单片机控制器，所述单片机控制器包括:分别连接于所述采集单元和驱动单元的数据接口 ；基于采集单元提供的距离以及旋转角速度、所述运动杆的截面表面积、宽度和质量参数来计算所述待测液体的密度的运算器。
[0022]更进一步地，所述单片机控制器还包括:
[0023]与所述运算器相连接，供设置待测液体的旋转角速度、运动杆的宽度和质量参数的参数设置单元。
[0024]更进一步地，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。
[0025]更进一步地，所述驱动单元的中心轴至所述容器的左右两表面的距离相等。
[0026]更进一步地所述的测量液体密度的装置，还包括:与所述单片机控制器连接的显示器。
[0027]由本发明上述方案可以看出，本发明由于在一定旋转角速度下，通过采集容纳在充满液体的容器内的运动杆距离旋转轴的距离，并基于该距离、角速度、运动杆的截面表面积、宽度和质量参数计算待测液体的密度，因此可以精确定位待测液体的测量位置，从而能够提高液体密度测量的精确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明的一种测量液体密度的方法的流程图；
[0029]图2是本发明中的一种测量液体密度的方法中所构建的压强测量模型；
[0030]图3是本发明中的一种测量液体密度的装置的结构示意图；
[0031]图4是本发明中的一种测量液体密度的装置的柱形运动杆的标记位置以及该标记的运行轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明专利作进一步地详细描述。
[0033]液体在旋转的时候会受到惯性离心力的作用。在离心力的作用下，液体内部会产生惯性离心力压强，设半径r处的惯性离心力压强为Pr，则Pr满足以下关系式:
[0034]Pr = p r (w2r) r公式 2
[0035]由于旋转轴处的液体没有受到离心力的作用，所以该处的液体密度为原始密度， 而距离旋转轴任意位置r处(即旋转半径r)的液体，在惯性离心力的作用下，液体内部会受到挤压，液体密度也会随挤压作用发生轻微变化，根据阿基米德离心力的特点，惯性离心力的大小与液体的原始密度、旋转角速度的平方和液体到旋转轴的距离(即旋转半径r)成正 t匕，那么在该惯性离心力的作用下，则r处的液体密度可以表示为:
[0036]Pr=P o+H P 0w2r公式 3
[0037]其中，H为挤压系数(挤压系数表示单位外力产生的液体密度变化的大小，挤压系数与待测溶液相关，是待测液体的固有特性，可测量得到的；挤压系数的单位为HT1 S2r_2，其中m为米，S为秒，r为转)；P ^为液体原始密度；w为旋转角速度；r为旋转半径。
[0038]结合公式2和公式3可得距旋转轴r处的液体因所受惯性离心力所产生的压强
Pr:
[0039]Pr= P。(1+Hw2r) w2r2公式 4
[0040]其中，公式4中的参数与公式3中的参数相同，这里不再详细描述。[0041]基于上述分析，本发明选取一运动杆作为研究对象来测量液体密度，为此本发明第一实施例提供了一种测量液体密度的方法，其流程如图1所示，包括以下步骤:
[0042]步骤500，选取充满待测液体的容器，并在该容器中设置运动杆，以该容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动该容器按照设定角速度旋转。
[0043]如图2所示构建了一测量模型，选取一柱形容器101并将其充满液体；选取圆形横截面半径略小于容器管壁内径的柱形运动杆102，并将柱形运动杆102设置到该充满待测液体的柱形容器101中；在柱形容器中心轴的1/2处选取垂直线，并以此作为旋转轴，使用驱动单元103驱动该柱形容器101做旋转运动。随着柱形容器101的旋转运动，容器内部的柱形运动杆102也会随柱形容器101中的液体一起旋转。因此，可以将该柱形运动杆102 作为参考对象来研究待测液体并测量出该液体的密度。
[0044]步骤600，采集运动杆中心点距离旋转轴的距离，并基于该距离、角速度、运动杆的截面表面积、宽度和质量，计算所述待测液体的密度。
[0045]柱形运动杆102随液体做匀速旋转运动的时候，设其所需要的向心力为F，质量为 M，柱形运动杆102的中心点(参见图2、图3和图4中的标记点1021，该标记点距离柱形运动杆左右两圆形表面的距离相等，该标记点的运行轨迹参见序号14标识的轨迹、序号15指向采集单元采集的计算参考点。)距旋转轴的距离为R，液体的旋转角速度为W，该柱形运动杆102所需要的向心力F满足:
[0046]F = Mw2R公式 5
[0047]向心力F由柱形运动杆102两侧的压力差提供，设液体的初始密度为P。；柱形运动杆102的圆形截面表面积为S，宽度为B ;柱形运动杆102内侧液面(柱形运动杆距离旋转轴近的表面)和外侧液面(柱形运动杆距离旋转轴远的表面)的压强为P#和P,，柱形运动杆102所需的向心力F满足:
[0048]F = F外-F内=P外S-P内S公式6
[0049]结合公式2和公式6则有:`[0050]F = P 外W2R外2S-P 内W2R内2S公式 7
[0051]将公式4代入公式7，计算得到:
[0052]F=P 0w2S [ (R外 2+Hw2R外3) - (R 内 2+Hw2R 内 3)]公式 8
[0053]又因为公式5:F = Mw2R,从而推出:
[0054]p。= MR/ {S [ (R 外 2+Hw2R 外3) - (R 内 2+Hw2R 内3)} 公式 9
[0055]其中，M为运动杆的质量；P ^为液体的原始密度；R#= R+B/2 ；Rrt= R_B/2(其中的R为运动杆所处的半径，B为运动杆的宽度)；S为柱形运动杆的圆形截面表面积；H为挤压系数;w为旋转角速度。
[0056]根据上面公式，因运动杆本身的质量、圆形截面积和宽度参数固定，所以只需要得到角速度w和运动杆所处的半径位置R，即可计算出液体密度P O0
[0057]步骤700，将得出的液体密度通过显示器呈现给用户。
[0058]本发明的第二实施例提供了一种测量液体密度的装置，该装置的结构示意如图3 所示，包括:柱形容器101 ;柱形运动杆102 ;驱动单元103 ;采集单元104 ;单片机控制器 105 ;显示器106。
[0059]其中，液体充满柱形容器101 ;柱形运动杆102设置在柱形容器101中。[0060]驱动单元103分别与柱形容器101和单片机控制器105相连，并驱动该柱形容器 101沿着其输出轴做旋转运动，将旋转速度等信息传输给上述单片机控制器105。
[0061]采集单元104设置在上述柱形容器101的图像采集区域，并与上述单片机控制器 105连接，以将采集到相应旋转角速度下柱形运动杆距离旋转轴的距离等信息，传输到上述单片机控制器105中。
[0062]单片机控制器105，根据驱动单元103输出的旋转角速度W、柱形运动杆102距驱动单元103输出轴中心的距离(即柱形运动杆的旋转半径R)、柱形运动杆的圆形截面的表面积S、质量M和宽度B，利用公式9计算距离旋转轴任意R处的液体密度。
[0063]p。= MR/ {S [ (R 外 2+Hw2R 外3) - (R 内 2+Hw2R 内3)} 公式 9
[0064]其中，M为运动杆的质量；P ^为液体的原始密度；R#= R+B/2 ；Rrt= R_B/2(其中的R为运动杆所处的半径，B为运动杆的宽度)；S为柱形运动杆的圆形截面表面积；H为挤压系数;w为旋转角速度。
[0065]上述单片机控制器105包括三个数据接口、参数设置单元、运算器；其中三个数据接口分别连接于采集单元104、驱动单元103和显示器106 ;参数设置单元包括设置有按钮的面板，这些按钮用于设置驱动单元103的旋转速度、运动杆的圆形截面积、宽度和质量等参数；运算器分别与采集单元和参数设置单元相连，其基于采集单元提供的距离以及参数设置单元中的参数计算待测液体的密度。
[0066]显示器106具有连接单片机控制器105的数据接口，并通过该数据接口接收单片机控制器105传输给的信息并呈现给用户。
[0067]使用该测量液体密度的装置时，需要事先给柱形容器内部充满待测液体。然后启动单片机控制器，在单片机控制器的控制下，驱动单元以设定角速度w开始旋转，当旋转转速稳定时，柱形运动杆的位置也固定在半径R处。由于视觉暂留效应，运动杆上的标记点会形成如图4所示的一个环状运动轨迹，形成圆环。此时，单片机控制器控制图像采集设备进行图像采集，经过图像处理得到上述圆环的半径R，也就是柱形`运动杆的旋转半径。知道w 和R的大小后，单片机控制器可通过公式9计算出待测液体的密度。最后，单片机控制器将计算结果显示到屏幕上，供用户查看。
[0068]上述实施例中，是以容纳待测液体的容器以及运动杆为柱形、驱动单元的中心轴至容器的左右两表面的距离相等为例进行说明的，但是本发明并不局限于此，例如，驱动单元的中心轴至容器的左右两表面的距离不相等时，本发明依然可以实现精确测量转动液体的密度。
[0069]由本发明上述方案可以看出，本发明由于在设定旋转角速度下，通过采集容纳在充满液体的容器内的运动杆距离旋转轴的距离，并基于该距离、角速度、运动杆的截面表面积、宽度和质量参数计算待测液体的密度，因此可以精确定位待测液体的测量位置，从而提高了液体密度测量的精确性。
[0070]另外，本发明的旋转角速度可以设定，获得的运动杆距旋转轴的距离是动态采集获得的，因此本发明具有自动调节和测量的特点。
[0071]本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将 包括进来。
[0072]对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引 用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请 之后通过之后的修改而成为新权利要求。
[0073]本发明的方式
[0074]以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。
[0075]工业应用性
[0076]如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对 本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所 附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。
【权利要求】
1.一种测量液体密度的方法，其特征在于，包括:在充满待测液体的容器中设置运动杆，以所述容器中心线的垂直线为旋转轴，驱动所述容器按照设定角速度旋转；采集所述运动杆距离旋转轴的距离；基于该距离、所述角速度、所述运动杆的截面表面积、宽度和质量，计算所述待测液体的密度。
2.根据权利要求1所述的测量液体密度的方法，其特征在于，所述计算所述待测液体的密度的过程包括:利用如下公式计算所述待测液体的密度:P0 = MR/{S[ (R 外 2+Hw2R 外3) - (R 内 2+Hw2R 内 3)}其中，M为运动杆的质量；P ^为液体的原始密度；R#=R+B/2 ;R#=R-B/2(其中的R为运动杆距离旋转轴的距离，B为运动杆的宽度)^为运动杆的截面表面积；H为挤压系数为旋转角速度。
3.根据权利要求1或2所述的测量液体密度的方法，其特征在于，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。
4.根据权利要求3所述的测量液体密度的方法，其特征在于，所述旋转轴至所述容器的左右两表面的距离相等。
5.根据权利要求4所述的测量液体密度的方法，其特征在于，还包括:将所述液体密度呈现给用户。
6.一种测量液体密度的装置，其特征在于，包括:容纳待测液体的容器；设置在所述容器中的运动杆；驱动所述容器运转的驱动单元，且所述驱动单元的中心轴垂直于所述容器的中心线；采集所述运动杆距离所述中心轴的距离的采集单元；单片机控制器，所述单片机控制器包括:分别连接于所述采集单元和驱动单元的数据接口 ；基于采集单元提供的距离以及旋转角速度、所述运动杆的截面表面积、宽度和质量参数来计算所述待测液体的密度的运算器。
7.根据权利要求6所述的测量液体密度的装置，其特征在于，所述单片机控制器还包括:与所述运算器相连接，供设置待测液体的旋转角速度、运动杆的宽度和质量参数的参数设置单元。
8.根据权利要求6或7所述的测量液体密度的装置，其特征在于，所述容器为柱形容器，所述运动杆为柱形运动杆。
9.根据权利要求8所述的测量液体密度的装置，其特征在于，所述驱动单元的中心轴至所述容器的左右两表面的距离相等。
10.根据权利要求8所述的测量液体密度的装置，其特征在于，还包括:与所述单片机控制器连接的显示器。
【文档编号】G01N9/30GK103558122SQ201310504681
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】焦再强, 王启银, 白英, 何若太, 施俊国, 杨春花, 李广, 张博然 申请人:国家电网公司, 山西省电力公司大同供电分公司