一种基于气体的容器及物体体积的测量装置与方法

本发明涉及物体体积测量的，尤其涉及一种基于气体的容器及物体体积的测量装置与方法，基于气体的容器容积、物体体积及不同环境下气体压缩因子进行测量，可以快速便捷运用于任何场所、测试任意容器及任何可由容器包裹的物体的体积。

背景技术：

1、市面上测试容器容积或物体体积的方法有排液法、气测法以及电脑模拟容积测量法。

2、排液法测试虽然直观，但测试过程中难免会有液体溅洒，且使用量筒等液体体积测量工具时，也会因为液面读数、液体残留等产生不小的误差，同时在测试不规则物体上的小空洞中易存在气泡，也会影响测量精度。甚至对于一些待测物体而言，液体可能会使待测物体损坏或与其产生化学反应，从而使得可测物体范围有限，且采用排液法后，残留液体会影响待测物体后续使用。

3、气测法多采用波义耳定律如申请号为201510996891.5的发明专利公开了一种不规则容器的容积测量系统及方法，在恒温恒压环境下，采用充压法，利用波义耳定律计算出被测容器的容积，测量精度高。上述发明的测量系统设置于恒温恒压实验室中，包括依次联通的供压装置、加压罐和待测容器，加压罐上连接压力表，供压装置和加压罐之间设有供压阀门，加压罐和待测容器之间设有加压阀门。上述芳名利用气体特性测量被测容器的容积，测量后不需要对被测容器进行后期处理，提高了测量效率。但是，上述发明采用了波义耳定律必须在恒温恒压下的实验室内进行，在一定的局限性。而波义耳定律要想测量准确，需要放置一定时间，保证内部气体达到室温，时间成本较高，且在波义耳定律公式中未考虑到理想气体与实际气体之间的差别，即需要气体压缩因子对实际气体进行补偿，以求接近理想气体。

4、电脑模拟容积测试法主要通过数学模型计算物体体积，但样品在实际环境中会受到多种不同程度的真实环境影响，很难通过理想模拟获得样品真实的数据，且对于较为复杂的样品，其建模较为繁琐，测试误差更难去把握。

技术实现思路

1、针对现有测量装置结构简单，需要花费较多的时间成本，且应用具有局限性的技术问题，本发明提出一种基于气体的容器及物体体积的测量装置与方法，测量精度更高，可测范围更广，采用理想气体状态方程可以应用在任何场所，而且不需要等待温度变化，可以时刻采集到温度信息，测量速度快。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于气体的容器及物体体积的测量装置，包括腔体，所述腔体的一端设有开口，开口上设有阀门，腔体的另一端内设有活塞，活塞与腔体的内壁密封连接，所述活塞与驱动机构相连接，驱动机构与腔体活动连接；所述腔体的下部设有电子秤，腔体内设有气压传感器和温度传感器，气压传感器和温度传感器均与计算机相连接，所述阀门通过接口与待测容器相连接。

3、优选地，所述待测容器内设有待测物体。

4、优选地，所述驱动机构包括卡位槽，卡位槽固定在腔体的另一端的外侧，卡位槽内活动设有卡位杆，卡位杆的端部与活塞固定连接，卡位杆与腔体滑动连接。

5、优选地，所述卡位槽上设有若干个卡位片，卡位片与卡位杆相配合。

6、优选地，所述卡位杆上固定有定位杆，卡位片活动设置在卡位槽上，定位杆与卡位片相卡接。

7、优选地，所述卡位槽或/和腔体的侧壁上设有刻度线；所述电子秤的精度为0.01g。

8、优选地，所述接口为包裹式接口或填充式接口，包裹式接口或填充式接口与待测容器密封连接。

9、一种基于气体的容器及物体体积的测量装置的测量方法，其步骤如下：

10、步骤一：打开阀门和接口，将活塞推至腔体近阀门的一端，用电子秤测量此时的质量m0；然后通过驱动机构推动活塞向腔体远离开口的一端移动，使腔体内充满空气后关闭阀门，用电子秤测量此时的质量m1`，计算机记录此时气压传感器测量的气压p0和温度传感器测量的温度t0；根据气体质量m1= m1`-m0结合空气的摩尔质量28.96 g/mol求得此时腔体内气体摩尔数n1；

11、步骤二：通过驱动机构向内推动活塞增加腔体内气压，待气压传感器达到合适气压p1时固定驱动机构使活塞位置固定，温度传感器测量此时的温度t1，根据活塞在腔体内的位置计算此时空腔内气体体积v1，根据气体理想状态方程p1v1=n1z1rt1求得气压p1下的压缩因子z1；

12、步骤三：通过接口连接待测容器，打开阀门，计算机记录此时气压传感器测量的气压p2和温度传感器测量的温度t2；

13、步骤四：关闭阀门，打开接口拿去待测容器后，打开驱动机构，活塞在气压差作用下向原理开口的一端移动，待达到稳定，气压传感器测量的气压为p0，温度传感器测试温度为t0时，记录腔体内质量m2，计算腔体内气体体积v1’，计算腔体内气体摩尔数n1’，并根据气体理想状态方程p0v1`=n1`z0rt0和p2v1=n1`z2rt2计算分别计算出气压p0下的压缩因子z0以及气压p2下的压缩因子z2；

14、步骤五：根据气体理想状态方程p0v2=n2z0rt0和p2(v1+v2)=(n1+n2)z2rt2两式联立计算后得到体积v2，并考虑阀门接头处的气体体积v0求得待测容器考虑误差后的真实体积v2r=v2-v0；其中，n2是待测容器内气体摩尔数。

15、优选地，计算待测物体的体积的方法为：

16、将待测物体放入体积为v2的待测容器，重复步骤三-步骤四，得到待测容器放入待测物体后的体积v3`，得到待测物体的体积v3=2-v3`。

17、优选地，测量带有孔隙的待测物体的体积的方法为：将待测有孔物体进行塑封后，计塑料材料体积为vp；重复步骤三-步骤四，得到待测容器放入待测物体后的体积v4`，根据v2-v4`-vp求得塑封后待测物体的体积v4``；再拆开塑封膜后，依据测量的待测物体体积v4，待测物体的孔隙率φ=(v4``-v4)/v4。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果：通过吸入同一环境下的大气以体现其便利性，通过现场测试压缩因子以提高试验对环境的适应性；通过理想气体状态方程及压缩因子修正以测量不规则容器容积及物体体积，测量时数据记录和处理由与气压传感器和温度传感器连接的计算机和电子秤直接读数获得。本发明实现了以pv=nzrt为原理，根据电子秤及根据采集到的气压与温度数据测量容器容积与物体体积。本发明的初始气压接近环境气压，装置结构简单，故障率低，且使用方便，不会污染或损坏待测容器及物体，且系统误差小，可应用于工程实际。本发明可应用于任何环境，直接便利得利用当时环境中的大气作为测试气体，现场测试其压缩因子以求更加贴合环境，更加准确，根据理想气体状态方程，用气体气压与温度关系，测得容器容积及物体体积。

技术特征：

1.一种基于气体的容器及物体体积的测量装置，包括腔体（1），其特征在于，所述腔体（1）的一端设有开口，开口上设有阀门（9），腔体（1）的另一端内设有活塞（2），活塞（2）与腔体（1）的内壁密封连接，所述活塞（2）与驱动机构相连接，驱动机构与腔体（1）活动连接；所述腔体（1）的下部设有电子秤（13），腔体（1）内设有气压传感器（7）和温度传感器（8），气压传感器（7）和温度传感器（8）均与计算机（6）相连接，所述阀门通过接口与待测容器（11）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述待测容器（11）内设有待测物体（12）。

3.根据权利要求1或2所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述驱动机构包括卡位槽（4），卡位槽（4）固定在腔体（1）的另一端的外侧，卡位槽（4）内活动设有卡位杆（3），卡位杆（3）的端部与活塞（2）固定连接，卡位杆（3）与腔体（1）滑动连接。

4.根据权利要求2所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述卡位槽（4）上设有若干个卡位片（5），卡位片（5）与卡位杆（3）相配合。

5.根据权利要求3所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述卡位杆（3）上固定有定位杆，卡位片（5）活动设置在卡位槽（4）上，定位杆与卡位片（5）相卡接。

6.根据权利要求3或4所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述卡位槽（4）或/和腔体（1）的侧壁上设有刻度线；所述电子秤（13）的精度为0.01 g。

7.根据权利要求6所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置，其特征在于，所述接口为包裹式接口（10-1）或填充式接口（10-2），包裹式接口（10-1）或填充式接口（10-2）与待测容器（11）密封连接。

8.根据权利要求6所述的基于气体的容器及物体体积的测量装置的测量方法，其特征在于，其步骤如下：

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，计算待测物体（12）的体积的方法为：

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，测量带有孔隙的待测物体（12）的体积的方法为：将待测有孔物体进行塑封后，计塑料材料体积为vp；重复步骤三-步骤四，得到待测容器（11）放入待测物体（12）后的体积v4`，根据v2-v4`-vp求得塑封后待测物体（12）的体积v4``；再拆开塑封膜后，依据测量的待测物体（12）体积v4，待测物体的孔隙率φ=(v4``-v4)/v4。

技术总结
本发明提出了一种基于气体的容器及物体体积的测量装置与方法，用以解决现有测量装置结构简单，需要花费较多的时间成本，且应用具有局限性的技术问题。本发明的测量装置包括腔体，所述腔体的一端设有开口，开口上设有阀门，腔体的另一端内设有活塞，活塞与腔体的内壁密封连接，所述活塞与驱动机构相连接，驱动机构与腔体活动连接；所述腔体的下部设有电子秤，腔体靠近开口内设有气压传感器和温度传感器，气压传感器和温度传感器均与计算机相连接，所述阀门通过接口与待测容器相连接。本发明的初始气压接近环境气压，装置结构简单，故障率低，且使用方便，不会污染或损坏待测容器及物体，且系统误差小，可应用于工程实际。

技术研发人员：张云升,周翱翔,钱如胜,苗改霞,薛翠真,石加顺,王将华,王习,张宇,陈文龙,谢晓扬
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16