基于空气压力测量的便携式比重仪及比重测量方法与流程

本发明涉及比重仪领域，具体地来讲为一种基于空气压力测量的便携式比重仪及比重测量方法。

背景技术：

随着近几年的探索与研究，我国在密度计量上有了很大的进展，在以往密度计量的基础上也有了很大的突破，种类也十分繁多。目前根据样品的物性区分，密度测试仪可分为以下几大类：不吸水产品固体密度测试仪、吸水性固体专用密度测试仪、粉末专用密度测定仪、贵金属纯度比重测试仪等。现有的密度计已经初步显示出了密度测量仪表的数字化趋势，但其应用领域和适用范围还很有限，测量准确度不是很高。

从21世纪计量的新发展中我们可以看到，计量以国际单位制为依托，不断随着社会发展的需要而拓展新的领域。在实际计量体系愈加复杂的过程中，计量研究也越来越充满了趣味和魅力。展望未来，面对诸多新的发展思路，密度计量也需要进一步加强很多方面的工作。它必将与经济、科技、政治、人类需要等诸多方面紧密相连，互相促进，互相影响、不断走向成熟和完善。

由于现有的比重仪对待测量物品有着较高的要求，不同的比重仪能测量的物品种类比较单一。例如，液体比重仪不能对粉末类的物品进行测量。如何使得比重仪测量物品种类的增加能够让这种比重仪的应用型增强是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于第一方面提供一种基于空气压力测量的便携式比重仪，第一方面提供一种比重测量方法，利用大部分物体能在空气中稳定存在，实现无损测量，拓宽了测量种类。

本发明采用的技术方案为：

第一方面，一种基于空气压力测量的便携式比重仪，

包括第一密封空间，用于放入待测物体，在所述第一密封空间内设置一重力传感器以及放气阀；

第二密封空间，与所述第一密封空间之间连接通过电磁阀控制，在所述第二密封空间内设置有气泵给所述第二密封空间充气；

温度传感器，设置在所述第二密封空间内，用于测量温度压强变化前后后的温度；

控制器，用于控制测量时序，以及接收温度、压强以及重力数据并处理。

进一步地，所述第一密封空间为一个为圆柱体的载物罐，重力传感器置于载物罐的底部。

进一步地，所述第一密封空间的体积为2l。

进一步地，所述第二密封空间的体积为0.48l。

第二方面，一种比重测量方法，

设置第一密封空间，放入被测物体，测量被测物体的重量；

设置第二密封空间，与所述第一密封空间之间通过电磁阀隔开，

打开电磁阀，使得第一密封空间与第二密封空间气压相同，测量初始空间气压p0,和初始温度t0；

关闭电磁阀；

往第一密封空间里充气，充气结束后测量第一密封空间内的气压p1,充气后的温度t1；

打开电磁阀使得第一密封空间与第二密封空间内部温度与气压平衡；

测量平衡后的气压p2,充气后的温度t2；

根据所测量的参数计算出被测物体积以及密度。

进一步地，所述第一密封空间的体积为2l。

进一步地，所述第二密封空间的体积为0.48l。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明通过测量同一密闭容器内压强变化和相关公式计算，完成固体(特别是颗粒性物质例如土壤以及可能与水发生物理化学反应的物质)和液体物质(不能通过传统密度计进行测量)密度最大程度上的精准测定，完成节能、环保、无损耗的高效测量。

对于其他介质的比重计而言，测量的物理量有温度，压力，以及重量等，这些物理因素的要求精度高，在空气介质中可以达到精确度最大化。并且空气介质重量小，测量方便，测量精度高、操作简便、属动态测量，测量时，随时改变气体介质的选择，密度值也可以随即改变更新，直接数字显示。

比重计中所测物体一定不能与所在介质发生反应，相比液体而言，本发明比重计中空气可以测量的物体种类要多很多。测量范围也随之增大。并且该密度计的介质也可以人为的调整，可以大大的拓展测量的种类。

不会对所测物体造成损害，保护被测物体在测量过程中是一个重要因素。使用空气膨胀来进行测量，不会对被测物体造成辐射性损伤，化学性损伤，也基本不会有无法控制的热效应。

附图说明

图1为本发明比重仪的结构示意图；

图2为本发明控制电路结构框图；

图3为被测物大小、测量罐大小以及打开电磁阀后测得的气压，三者之间的函数关系式图，a为0.1l，b为0.5l，c为1l，d为1.5l，e为2.5l，f为6l；

图4为以被测物大小、测量罐大小以及打开电磁阀后测得的气压为变量所作三维图；

图5为不同测量罐体积下，打开电磁阀后的气压随被测物体积变化的斜率图；

图6为最佳测量罐体积下的斜率图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，本发明提供一种基于空气压力测量的便携式比重仪，

包括第一密封空间3，用于放入待测物体，在所述第一密封空间3内设置一重力传感器2以及放气阀1；重力传感器2放置在第一密封空间的底部，为了实现液体的测量，可以在第一密封空间的底部设置一托盘或者量杯。所述第一密封空间具有密封盖，打开后将待测物体放入后再密封。

第二密封空间5，与所述第一密封空间3之间连接通过电磁阀4控制与第一密封空间导通或者隔离，在所述第二密封空间5内设置有气泵7给所述第二密封空间充气；设置一温度传感器6在所述第二密封空间内，用于测量压强变化前后的温度；设置有压力传感器8测量气压。

设置一控制器用于控制测量时序，以及接收温度、压强以及重力数据并处理，控制电磁阀的开启与关闭。

整个装置设置在一个底座9上。

在一个实施例中，第一密封空间为一个为圆柱体的载物罐，重力传感器置于载物罐的底部。第一密封空间的体积为2l。。

在一个实施例中，第二密封空间为一个圆柱体的测量罐，体积为0.48l。

关于测量罐、载物罐以及被测物体体积的体积设定，由于市面上精度较高的气压传感器量程都在2个标准大气压左右，因此，假设每次测量时，气泵都往测量罐中充入1.5个标准大气压左右的气体。在载物罐大小为2l的情况下，可由计算得被测物大小、测量罐大小以及打开电磁阀后测得的气压p2这三者之间的函数关系式，由此式可得图3。

从图3中可以直观的看出，当测量罐很小时，p2在一个较窄的范围内变化幅度很大，而在其他范围内变化幅度很小。而当测量罐很大时，p2的变化幅度很平稳，但是在整个坐标轴上都很小。这意味着，当测量罐很小时，仪器的精度只在一个较小的范围内很高，且该范围接近载物罐的最大容积；当测量罐很大时，仪器的测量范围虽宽，但精度却无法得到保证。

考虑到比重仪的便携性，以及其应用场景大多是少数物体的测量，选取载物罐的体积为2l。以被测物大小、测量罐大小以及打开电磁阀后测得的气压p2为变量作三维图，如图4。由图4可知三者的大致关系，并据此画出斜率关系图。

图5为在不同测量罐体积下，p2随被测物体积变化的斜率图。显然，在一定范围内斜率之和最大的曲线对应的体积即为最佳测量罐体积。

由图3可得，测量罐体积为0.1l时，当被测物体体积很小时，斜率小，直到被测物体体积为1.8l左右，斜率暴涨。显然，体积为0.1l的测量罐并不适用于体积在1.8l一下的被测物，但是由于它在大于1.8l时暴涨，此时的平均值仍然很大。为了排除这种情况对最终结果的干扰，将求和范围限定在0.5l-1.8l(同时也是该比重仪的推荐测量范围)，在此范围求得最佳测量罐体积为0.48l，其斜率图如图6所示。

参见图2为本发明控制电路结构框图，控制器采用单片机，连接重力传感器、压力传感器以及温度传感器，用于接收重力、气压以及温度值，控制放气阀和电磁阀，以及控制气泵的运行。单片机用于数据的处理，内置有程序，包括对数据的计算。根据理想气体状态方程，可以利用数学计算得出被测物体积与所测物理量的关系如下:

p1×(v1-v0)＝n1rt1

p0×(v1+v2-v0)＝n3rt0

p2×(v1+v2-v0)＝n4rt2

(n1-n0)×r＝(n4-n3)×r

式中，

v0为待测物体积

v1为载物罐体积

v2为测量罐(第二密封空间)体积

p0为两容器初始气压(可以不是标准大气压)

p1为测量罐(第二密封空间)充气完成后的压强

p2为电磁阀打开后平衡压强

t0为初始时整个系统内部温度

t1为测量罐(第二密封空间)充气完成后的温度

t2为打开电磁阀平衡后系统内部温度

n1为测量罐(第二密封空间)充气完成后的摩尔量

n3为初始时整个系统内部摩尔量

n4为打开电磁阀平衡后系统内部摩尔量

r为理想气体常数

通过测量上述的物理量实现物体体积的测量，结合重力传感器的值，得到密度值。

测量过程：首先将装置放置好。确定好载物罐(第一密封空间)与测量罐(第二密封空间)的体积v1,v2。v1为载物罐体积，v2为测量罐体积，然后把被测物体放入测量罐体中，确定初始空间气体压力p0,和初始温度t0,通过充气与放气两个过程压强的改变反映到物体的体积，取重力传感器的示数，利用载物罐放置前后重力传感器的差距通过单片机启动气泵，对测量罐体进行充气。在充气完成以后测量出充气以后的气压p2,以及测量以后的温度t2。利用上述的理想气体状态公式其方程为pv＝nrt，经过内部计算，直接显示被测物体的密度。

本发明还提供了一种比重测量方法，

设置第一密封空间，放入被测物体，测量被测物体的重量；

设置第二密封空间，与所述第一密封空间之间通过电磁阀隔开，

打开电磁阀，使得第一密封空间与第二密封空间气压相同，测量初始空间气压p0,和初始温度t0；

关闭电磁阀；

往第一密封空间里充气，充气结束后测量第一密封空间内的气压p1,充气后的温度t1；

打开电磁阀使得第一密封空间与第二密封空间内部温度与气压平衡；

测量平衡后的气压p2,充气后的温度t2；

根据所测量的参数，结合重力传感器测量的重力值，计算出被测物体积以及密度计算得出被测物的密度。

本发明通过对容器内空气密度的，所测物体的质量，容器内空气温度等物理因素采集，同时辅助对周围外界因素的定性测量。通过对获取到放入所测物体前后相关物理量的有效识别及记录，判断出比重仪所处的运行状态，由单片机完成既定任务的数据处理并输出结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。