用于测量气体密度的方法及测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及计量领域，更具体地，涉及一种用于测量气体密度的方法和一种测量 系统。
【背景技术】
[0002] 精确确定气体的密度对于工业、能源、计量等领域非常重要。例如，对被测对象的 质量进行测量通常是在一定气体（例如：空气）环境中进行的，但在测量中由于受到气体浮 力的影响，使得测量值不能精确反映被测对象的实际质量。这种误差在精确测量中的影响 尤为显著。如果能够精确地确定气体的密度，即可对测量值进行修正，以得到精确的物体实 际质量。
[0003] 现有技术中主要通过国际计量委员会（简称CIPM)推荐的公式法来确定空气密 度。但公式法的测量精度依赖于温度、湿度、压力和C02等环境参数，如果相应传感器未能 及时校准，则难以保证测量精度。同时传感器的维护和更换成本也较高，而且无法应用于某 些会导致电子元器件失灵的测量场合。此外，应用公式法需要采用复杂的电路进行数据同 步采集和合成计算，实现较为复杂。
[0004] 发明人研究发现，开发一种能实现不依赖环境参数来进行气体密度测量的方法和 相应装置是非常有必要的。
【发明内容】
[0005] 本公开提出了一种不依赖环境参数来测量气体密度的方法。本公开还提出了一种 测量系统。
[0006] 根据本公开的一方面，提出了一种用于测量气体密度的方法，该方法包括：得到第 一对象和第二对象在气体环境中的质量差1?ail~m2 &，其中1? &为第一对象在所述气体环 境中的质量，m2_为第二对象在所述气体环境中的质量；得到第一对象和第二对象在真空 环境中的质量差叫vac_-m2 vac_，其中叫vac_为第一对象在真空环境中的质量，m2 vac_为第 二对象在真空环境中的质量；得到第一对象和第二对象之间的体积差，其中第一对象 的体积为Vi，第二对象的体积为V2，且第一对象的体积Vi和第二对象的体积V2不相等；基 于下式计算所述气体的密度:
[0007] 根据本公开的另一方面，提出了一种测量系统，该测量系统包括：外壳，所述外壳 围绕形成的腔体内的环境能在真空环境和气体环境间切换；质量测量设备，用于测量待测 对象的质量，所述质量测量设备位于所述腔体内；其中，所述腔体内为真空环境时，所述质 量测量设备测量待测对象在真空环境中的质量；所述腔体内为气体环境时，所述质量测量 设备测量待测对象在气体环境中的质量。
[0008] 本公开的各方面可基于不同待测对象在气体环境中的质量和在真空环境中的质 量来执行计算气体密度等操作。应用本公开不需要额外的环境参数传感器，并且本公开可 适用于多种气体密度测量场合，且实现较为简便。
【附图说明】
[0009] 通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其 它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的附图标记 通常代表相同或相似的部件。
[0010] 图1示出了根据本公开的一个实施例的用于测量气体密度的方法的流程图。
[0011] 图2示出了根据本公开的一个实施例所设计的砝码形状的示意图。
[0012] 图3示出了根据本公开的另一个实施例所设计的砝码形状的示意图。
[0013] 图4示出了根据本公开的一个实施例的测量系统的示意性结构图。
[0014] 图5示出了根据本公开的另一个实施例的测量系统的示意性结构图。
[0015] 附图标记说明
[0016] 401、外壳 402、质量测量设备
[0017] 403、404、待测对象 405、处理设备
[0018] 406、防风罩 407、可旋转托架
[0019] 408、称量工位
【具体实施方式】
[0020] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开 的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方 式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的 范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0021] 本公开公开了一种用于测量气体密度的方法，该方法包括：得到第一对象和第二 对象在气体环境中的质量差1?all~m2alp其中1?all^为第一对象在所述气体环境中的质量， %^为第二对象在所述气体环境中的质量；得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量 差叫vac_-m2胃_，其中叫胃_为第一对象在真空环境中的质量，m2胃_为第二对象在真空 环境中的质量；得到第一对象和第二对象之间的体积差1-ν2，其中第一对象的体积为I， 第二对象的体积为V2，且第一对象的体积I和第二对象的体积V2不相等；基于下式计算所 述气体的密度P
[0022] 图1示出了根据本公开的一个实施例的用于测量气体密度的方法的流程图，该方 法可包括：
[0023] 步骤101，得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差叫all-m2 _为第 一对象在气体环境中的质量，m2all^为第二对象在该气体环境中的质量。
[0024] 可以用诸如天平、质量比较仪等的质量测量设备来分别测量第一对象在气体环境 中的质量1?all^和第二对象在气体环境中的质量m2alp然后将这两个测量值相减以得到质 量差1?all-m2_。也可采用本领域技术人员所知的任何技术手段得到第一对象和第二对象 在气体环境中的质量差miaii-m2aie
[0025]步骤102，得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差叫vac_-m2vac_。 1?胃_为第一对象在真空环境中的质量，m2vae_为第二对象在真空环境中的质量。
[0026] 可以用诸如天平、质量比较仪等的质量测量设备来分别测量第一对象在气体环境 中的质量1? __和第二对象在气体环境中的质量m2，然后将这两个测量值相减以得到 质量差1? 。也可采用本领域技术人员所知的任意技术手段得到第一对象和第 二对象在气体环境中的质量差叫all-m2alp
[0027] 步骤103,得到第一对象和第二对象之间的体积差V2-V1<3 %为第一对象的体积，V2 为第二对象的体积，且第一对象的体积Vi和第二对象的体积V2不相等。
[0028] 可以通过本领域技术人员已知的任意技术手段来得到第一对象和第二对象之间 的体积差V2-V1<3
[0029] 步骤104,基于下式⑴计算气体的密度P
[0030]
[0031] 考虑气体产生的浮力对测量结果的影响，可得到：
[0032] rrijair -m1vacuum_mair-vl，
[0033] m2air -m2vacuum_mair-v2， （2)
[0034] 其中m__vl可表示第一对象在气体环境中受到的浮力，m__v2可表示第二对象在气 体环境中受到的浮力。则有：
[0035] 0-Πι1?air) ^^1vacuumvacuum^ mair-v2 vlD (3)
[0036] 从而可精确地得到该气体的密度P
[0038] 可先测量气体环境中的质量，再测量真空环境中的质量，也可以先测量真空环境 中的质量，在测量气体环境中的质量。但是，若加工的空心圆柱体砝码的空心有漏气现象， 如果先测量真空环境中的质量，再测量气体环境中的质量，则测得的质量值可能由于气体 进入空心而缓慢变大，会导致测量值不够准确。因此，在这种情况下，应该先测量气体环境 中的质量，再测量真空环境中的质量。
[0039] 进一步地，为了减少不同待测对象的表面积差异所带来的表面吸附质量差异的影 响，可选择其所暴露的表面积相同的第一对象和第二对象。本领域技术人员应当理解的是， 实际操作中，要求第一对象和第二对象的表面积完全相等是很难实现的，因此，可选择其所 暴露的表面积近似相等（包含相等）的第一对象和第二对象。本领域技术人员可根据需要 设置该近似相等的判断标准，例如差值小于一定阈值等。
[0040] 进一步地，根据计量等领域的实际需要，可以选择在真空环境中的质量mlvae_和 m2__相等的第一对象和第二对象。同样地，本领域技术人员应当理解，该质量相等可指 质量近似相等（包含相等），可根据需要设置该近似相等的判断标准。例如，可以选择质量 和πι2__均等于（例如，可理解为近似等于）单位计量量的第一对象和第二对象。 通常所采用的单位计量量为lkg(千克）。
[0041] 图2示出了根据本公开所设计的砝码形状的示意图。可采用两个砝码分别作为第 一对象和第二对象。通过设计合适的砝码形状，能提高测量的精度。例如，通过设计合适的 形状，使得在两个砝码的表面积近似相等且质量差一定（例如近似相等）的情况下其体积 差乂^^尽可能大，这有助于提高最终确定的气体密度的精度。
[0042] 图2(a)示出了一种套筒形圆柱体砝码的示意图。该套筒形圆柱体的外环半径为 r2，内环半径为A，高为h。如图2(a)所示的套筒形圆柱体砝码所暴露的表面积Si可表示 为：
[0050] 图2(b)示出了一种空心圆柱体砝码的示意图。该圆柱体的底面半径为r，高为H， 其内部的空心小圆柱体的底面半径为rin，高为hin。如图2(b)所示的空心圆柱体砝码所暴 露的表面积S2可表不为：
[0051] S2= 2πr2+2πrH, (9)该砝码的体积V2可表示为：
[0052] V2= 3ir2H, (10)
[0053] 设地面直径为D，则式（9)可被改写为：
[0057] 例如，可设计成D=H，以进一步增大体积差VfV；；。
[0058] 以下给出了一个设计砝码形状参数的示例性示例。本领域技术人员应该理解该示 例仅为了便于理解本公开，其中的数值及其他细节仅为示例性的，不用于以任何方式限制 本公开。
[0059] 在该示例性示例中，可按照表面积相等的原则来设计具有如图2(a)和（b)所示的 形状的砝码的具体形状参数。设每个砝码都是JF1不锈钢砝码，其标称值都为lkg，设计中 取π= 3.1415927。
[0060] 在制造砝码前，可先对制造材料进行密度实测以确保设计参数的准确性。例如JF1 不锈钢材料的标称密度为8000kg/m3,而经过实际测量得到的材料密度为7993kg/m3。在推 导砝码形状参数时，需代入实测得到的密度值进行计算。
[0061] 可先设计一个质量为1kg的理想的圆柱体砝码，该理想砝码的底面直径和高相 等。
，可以得到该理想砝码的体积为125. 1094708cm3,直径D和高Η应该为 54. 20842244mm。实际中，由于加工切削精度仅能达到0. 01mm，因此可从满足要求的多组值 中选择最优值。例如：以下几种值均满足要求：
[0062] (1)直径=54. 2mm，高=54. 22mm时，体积=125. 0973089cm3,计算得到的质量为 999. 90279g，与lkg的差值为 97. 21004663mg;
[0063] (2)直径=54. 22mm，高=54. 19mm时，体积=125. 1203811cm3,计算得到的质量为 1000. 087206,与lkg的差值为 87. 20578772mg;
[0064] (3)直径=54. 2