一种用于测量物体体积和体膨胀系数的装置及方法与流程

本发明涉及气体体积测量技术领域，特别是涉及一种用于用于测量物体体积和体膨胀系数的装置及方法。

背景技术：

目前，软包装产品，如袋装食品、锂电池等，已广泛用于工业和民生领域。由于生物、化学和物理环境的变化，软包装产品内部会产生气体，气体产生量经常和软包装内部的材料性质相关。例如，软包装内部的食品如果腐败，会产生甲烷、二氧化碳等气体；软包装锂电池老化或受热其内部电解质分解，可能产生有害或易燃气体。所以，测量软包装产品内部气体的产生量，不仅有助于软包装产品的质量控制，也是保证产品安全的重要手段。

现在直接测量软包装产品中内部气体含量的方法大多是破坏性测量，即需要穿透包装材料，释放其内部气体，再进行测量。这种破坏性测量的成本高，而且是一次性测量，不能观察同一软包装产品在不同时间和不同生物、化学及物理条件下内部气体量的变化。

还有，现有针对某种材料的体膨胀系数测量，均是由线膨胀系数得到。由于大部分材料的线膨胀系数在10^-6量级，现行测量线膨胀系数的方法需要高精密传感器测量材料在不同温度下长度的微小变化。测量时材料必须放在基座上，而基座本身也会膨胀，并且基座和材料都会震动，使得测量线性微小变化非常困难，致使最终得到的体膨胀系数不准确。

由此可见，上述现有的软包装产品内部气体测量方法和装置，在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的用于测量物体体积和体膨胀系数的装置及方法，使其在不损伤软包装产品的基础上，实现对其内部气体体积和体膨胀系数的测量，以及对固体材料的体膨胀系数的测量，实属当前重要研发课题之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于测量物体体积和体膨胀系数的装置，使其在不损伤软包装产品的基础上，实现对其内部气体体积和体膨胀系数的测量，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于测量物体体积和体膨胀系数的装置，包括带下吊钩的天平、吊篮、用于盛放液体的容器，以及设置于所述容器底部的加热器和设置于所述容器内部的温度传感器，

所述天平设置在所述容器上方，用于称量所述软包装产品的干重w和称量所述软包装产品在液体中的重量d；

所述吊篮通过下吊钩吊挂在所述天平的下部，用于放置所述软包装产品，且使所述软包装产品浸泡在所述容器中的液体里；所述加热器用于为所述容器中的液体加热，所述温度传感器用于测量所述容器中液体的温度值。

进一步改进，还包括微处理器，所述天平采用电子天平，所述微处理器与所述电子天平、加热器和温度传感器连接，所述微处理器用于控制加热器启停，用于接收所述电子天平和温度传感器的采集数据，以及计算并显示所述软包装产品内部气体的体积和体膨胀系数。

进一步改进，所述容器内部还设置搅拌器，所述搅拌器与所述微处理器连接并由其控制启停。

进一步改进，所述容器内部的液体为纯水、油或其它可知密度的液体。

本发明还提供一种用于测量软包装产品内部气体体积的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在温度t1时，称量所述软包装产品的干重w；

(2)将所述软包装产品浸泡在温度为t1的液体中，同时称量所述软包装产品的重量d1；

(3)将所述液体加热至温度t2，同时称量所述软包装产品的重量d2；

(4)根据下式计算所述软包装产品内部气体在温度为t1时的体积v1:

v1＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]*t1/(t2–t1)

其中，ρ1为液体在温度t1时的密度，ρ2为液体在温度t2时的密度。

进一步改进，所述液体采用纯水、油或其它可知密度的液体。

本发明还提供一种用于测量软包装产品内部气体体膨胀系数的方法，所述方法为：

根据上述测量软包装产品内部气体体积的方法得到，不同温度下所述软包装产品内部气体的不同体积值，根据下式计算所述软包装产品内部气体体膨胀系数α：

α＝(v2–v1)/(t2–t1)*1/v1

其中，v1为所述软包装产品内部气体在温度为t1时的体积，v2为所述软包装产品内部气体在温度为t2时的体积。

本发明还提供一种用于测量固体材料体膨胀系数的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在温度t1时，称量所述固体材料的干重w；

(2)将所述固体材料浸泡在温度为t1的液体中，同时称量所述固体材料的重量d1；

(3)将所述液体加热至温度t2，同时称量所述固体材料的重量d2；

(4)根据下式计算所述固体材料体膨胀系数β:

β＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]/(t2–t1)*1/[(w-d1)/ρ1]

其中，ρ1为液体在温度t1时的密度，ρ2为液体在温度t2时的密度。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

1.本发明利用物体在不同温度下，在液体中的浮力不同，又通过阿基米德定律换算，可通过测量不同温度下物体在液体中的重量，达到计算得出该物体体积的量值，尤其是对软包装产品内部气体的体积测量，能实现不破坏软包装产品的包装就可以对其内部气体进行测量的目的，实现有效的检查软包装产品的质量和产品安全性监测。该装置结构简单，操作简便，该方法科学准确，简单易行。

2.本发明还通过该测量方法实现不同温度的动态情况下，对软包装产品内部气体体积的测量，进而计算出该软包装产品内部气体体膨胀系数值。

3.本发明还通过该装置进行固体材料体膨胀系数的测量，把现有技术中高精密线性位移测量转化为重量测量，而重量测量的成本要低的多，并且该体膨胀系数测定方法不需要基座，不受震动影响，结果准确可靠，还极大的简化了测量过程。

4.本发明还通过带下吊钩的精密电子天平，能实现待测物体在液体中的重量测量，还通过微处理器的设置，能实现智能化的采集数据和自动化计算，达到直接显示结果数据的智能化程度，简单方便，结果可靠。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明用于测量物体体积和体膨胀系数的装置的结构示意图。

具体实施方式

本实施例以测量软包装产品内部气体体积和体膨胀系数的装置及方法为例，对本申请技术方案进行详细说明。具体实施例如下。

参照附图1所示，本实施例用于测量软包装产品内部气体体积和体膨胀系数的装置，包括带下吊钩2的天平1、吊篮5、用于盛放液体4的容器3，以及设置于该容器3底部的加热器7和设置于该容器3内部的温度传感器10。

该天平1固定设置在该容器3的上方，既可以用于称量该软包装产品6的干重w，即室温下该软包装产品的重量，又可以称量该软包装产品6在液体4中的重量d。

该吊篮5通过下吊钩2吊挂在天平1的下部，用于放置该软包装产品6，且使该软包装产品6浸泡在该容器3中的液体4里；该加热器7用于为容器3中的液体4加热，该温度传感器10用于测量该容器3中液体4的温度值。

本实施例中该容器3内部的液体可以采用纯水、油或其它可知密度的液体。并且，该容器3内部还设置搅拌器11，该搅拌器11能起到使液体加热更均匀的目的。

更优实施例为，该装置还包括微处理器9。该天平1采用精密电子天平。该微处理器9与该电子天平1、加热器7、温度传感器10和搅拌器11均通过电线8连接，该微处理器9能用于控制加热器7和搅拌器11的启停，还能用于接收该电子天平1和温度传感器10的采集数据，以及计算并显示出该软包装产品6内部气体的体积v和体膨胀系数α。这样该装置通过电子化控制，能实现智能读取该软包装产品内部气体体积和体膨胀系数的功能。

应用上述装置测量该软包装产品内部气体体积的测量方法包括如下方法：

(1)在温度t1时，通过天平1称量该软包装产品6的干重w，并将该干重w传送至微处理器9中。一般将该温度t1设为室温温度。

(2)将该软包装产品6通过吊篮5浸泡在室温条件下的液体4中，此时通过天平1称量该软包装产品6的重量d1，并将该重量d1传送至微处理器9中。

(3)微处理器9控制加热器7和搅拌器11开启，将该液体4加热至温度t2，此时称量该软包装产品6的重量d2，并将该重量d2传送至微处理器9中。

(4)微处理器9接收天平1、温度传感器10的采集数据后，根据下式①计算该软包装产品内部气体在温度为t1时的体积v1:

v1＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]*t1/(t2–t1)①

其中，ρ1为液体在温度t1时的密度，ρ2为液体在温度t2时的密度。

本发明公式①的推导过程为：

当软包装产品6放入液体4中，其内部气体服从理想气体定律，

pv＝nrt②

其中，p是软包装产品6当时所处环境中的大气压力和水的压力之和，v是软包装产品6内部气体体积；n是气体摩尔数；r是气体常数；t是气体温度。

测量时，液体4的温度依次设置为t1和t2，由理想气体定律，当液体温度为t1时，

pv1＝nrt1③

液体温度为t2时，

pv2＝nrt2④

由等式③④，可得式⑤

v1＝t1*v2/t2⑤

当液体温度为t1时，软包装产品在液体里的重量d1为：

d1＝w-b1⑥

式中，w是软包装产品未放入液体时的重量，b1是软包装产品在液体里当温度为t1时所受的浮力。

同样，当液体温度为t2时，软包装产品在液体里的重量d2为：

d2＝w-b2⑦

式中，b2是软包装产品在液体里当温度为t2时所受的浮力。

依据阿基米德定律，软包装产品6在液体温度为t1时的总体积v’1为：

v’1＝b1/ρ1⑧

软包装产品6在液体温度为t2时的总体积v’2为：

v’2＝b2/ρ2⑨

式中，ρ1是液体在t1时的密度，ρ2是液体在t2时的密度。

当液体温度改变时，软包装产品6里的固体和液体的体积改变极小，相对于软包装产品6里的气体体积变化，固体和液体的体积改变可以忽略不计。但是软包装产品6里的气体体积会随温度而改变。所以：

v’1–v1＝v’2–v2⑩

由等式⑩得到：

v2–v1＝v’2–v’1⑾

将式⑧⑨代入式⑾得到等式⑿：

v2–v1＝b2/ρ2–b1/ρ1⑿

再将式⑥⑦代入等式⑿得到等式⒀：

v2–v1＝(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1⒀

再将式⑤代入等式⒀，得到该软包装产品在温度为t1时，其内部气体体积v1为：

v1＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]*t1/(t2–t1)①

则根据式①可得出该软包装产品在温度为t1时其内部气体量v1。

实际测量时，将温度t1设为室温，可得到室温条件下该软包装产品内部的气体量。

本实施例还包括测量该软包装产品内部气体体膨胀系数的方法，该方法为：根据上述测量软包装产品内部气体体积的方法得到，不同温度下该软包装产品内部气体的不同体积值，然后根据下式⒁可计算出该软包装产品内部气体的体膨胀系数α：

α＝(v2–v1)/(t2–t1)*1/v1⒁

其中，v1为该软包装产品内部气体在温度为t1时的体积，v2为该软包装产品内部气体在温度为t2时的体积。

当然，上述用于测量软包装产品内部气体体积和体膨胀系数的装置同样能用于固体材料，如混凝土材质或钢铁材质等的体膨胀系数测量，具体测量方法如下：

(1)在温度t1时，通过天平1称量待测固体材料的干重w，并将该干重w传送至微处理器9中。同样，一般将该温度t1设为室温温度。

(2)将该待测固体材料通过吊篮5浸泡在室温条件下的液体4中，此时通过天平1称量该待测固体材料的重量d1，并将该重量d1传送至微处理器9中。

(3)微处理器9控制加热器7和搅拌器11开启，将该液体4加热至温度t2，此时称量该待测固体材料的重量d2，并将该重量d2传送至微处理器9中。

(4)微处理器9接收天平1、温度传感器10的采集数据后，根据下式⒂，计算该待测固体材料的体膨胀系数β:

β＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]/(t2–t1)*1/[(w-d1)/ρ1]⒂

其中，ρ1为液体在温度t1时的密度，ρ2为液体在温度t2时的密度。

上述公式⒂的推导过程为：

将待测固体材料放入液体4中，当液体温度为t1时，待测固体材料在液体里的重量d1同上式⑥：

d1＝w-b1⑥

同样，当液体温度为t2时，待测固体材料在液体里的重量d2同上式⑦：

d2＝w-b2⑦

依据阿基米德定律，待测固体材料在液体温度为t1时的体积v’1同上式⑧：

v’1＝b1/ρ1⑧

待测固体材料在液体温度为t2时的总体积v’2同上式⑨：

v’2＝b2/ρ2⑨

式中，ρ1是液体在t1时的密度，ρ2是液体在t2时的密度。

根据上述式⑥⑦⑧⑨，能得出该待测固体材料的体膨胀系数β的计算公式⒂:

β＝[(w-d2)/ρ2–(w-d1)/ρ1]/(t2–t1)*1/[(w-d1)/ρ1]⒂

从上述公式⒂可知，利用上述装置，通过测量得到该待测固体材料在温度t1时的干重w、温度t1时在液体中的重量d1，温度t2时在液体中的重量d2，以及温度t1、t2时液体的密度ρ1、ρ2，即可计算出该待测固体材料的体膨胀系数β。

本发明用于测量物体体积和体膨胀系数的装置结构简单，成本低，功能多样，能用于实现软包装产品内部气体的体积监测，达到检查软包装产品的质量和产品安全性的目的，还能用于实现软包装产品内部气体体膨胀系数和固体材料体膨胀系数测量的目的，且测量过程简便，测量结果可靠。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。