CN101726450A - 一种快速测量不易吸水固体密度的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速测量不易吸水固体密度的方法，测量固体密度时，首先使盛有去离子水的容器中去离子水的温度与室温一致，采用热电偶测定去离子水的温度T，并通过温度采集系统传送给计算机，计算机计算获得水的密度ρ₀，在测量过程中避免去离子水的温度和体积的波动；然后采用电子天平，顺序测定待测固体的质量M、防锈金属丝悬挂网袋浸没到去离子水中后容器的质量M₁以及采用防锈金属丝悬挂网袋将待测固体浸没到去离子水中后容器的质量M₂，输入计算机后计算直接获得固体的密度ρ。本发明主要优点是：即时、准确，规范，操作过程更加合理。通过本发明提供的方法，可以快速方便地测量出各种不易吸水的固体的密度。

Description

一种快速测量不易吸水固体密度的方法

技术领域

本发明涉及密度测量领域，具体是涉及一种利用电子天平测量与计算机数据采集、处理相结合实现不易吸水固体密度快速测量的方法。

背景技术

根据密度定义ρ＝m/V(m、V分别为固体的质量和体积)，对于一个固体，只要先测出固体的质量m，再用排水法等方法测出其体积V，然后代入上式即可以计算出固体的密度。然而，在采用常用的排水法时，质量的测量是比较精确的，而体积的测量误差较大。马淑英(精确测量金银首饰的密度，数理天地，2008，(11)：31)提出一种测量方法，利用相互作用力与阿基米德原理的测量首饰的密度，可以大大减小测量误差。首先在分析天平上准确地测出首饰的质量m，然后取走首饰，在天平的左盘上放上小烧杯，内盛适量的水，调节水量，使烧杯与水的质量尽可能为整数m₁，然后用头发或细线系住首饰，将首饰完全浸没到水中，测出此时的质量m₂，则因放入首饰增加的重力为G＝(m₂-m₁)g，其大小等于首饰对水的压力。由于力的作用是相互的，首饰对水的压力与水对首饰的浮力是一对作用力与反作用力，它们具有等值反向的关系G＝F＝F_浮。根据阿基米德原理，F_浮＝ρ_水gV，即可求得首饰的排水量，也就是首饰的体积V＝(m₂-m₁)/ρ_水，再将测出的数据代入公式ρ＝m/V，即可求出首饰的密度。然而，在上述测量过程中，分析天平的测量还会有一定的误差，同时测量的数据不能直接采集，即使使用计算机也要通过人工输入数据并进一步计算才能获得最终的密度数据。同时，由于温度的变化会对水的密度产生影响，需要测量环境温度对水的密度进行换算后才能获得比较准确的结果。因此，密度的测量和计算相对比较繁琐。如何快速准确地测量固体密度已经成为一个迫切需要解决的问题。

采用电子天平称量质量，可以获得更高的精度。在电子天平中，传感器是关键部件之一，由外壳、磁钢、极靴和线圈等组成，装在秤盘的下方，它的精度很高也很灵敏，号称电子天平的心脏。传感器一般共有六到八片，细而薄，且天平的精度越高，其重力传感簧片也越薄，所以在使用中应特别注意加以保护。位置检测器将秤盘上的载荷转变成电信号输出，再经PID调节器、功率放大器、低通滤波器，然后由模数(A/D)转换器将输入信号转换成数字信号，经微计算机进行数据处理，最后由显示器将输出的数字信号显示在显示屏幕上。电子天平性能稳定，灵敏度高，寿命长，操作简便，有快捷的内校或外校功能，智能化高，可以实现快速高精度称量。同时，电子天平还有对外连接端口，可进行数据传输，电子天平与计算机间的通信，可以有效提高工作自动化。

因此，充分利用现有电子天平的技术条件，将可望实现不易吸水固体密度的快速、自动化测量。

发明内容

本发明涉及一种快速测量不易吸水固体密度的方法，具体而言为：该方法在不易吸水固体密度的快速测量系统上实现，该系统由目前常用的电子天平、温度采集系统、盛有去离子水的容器、防锈金属丝悬挂网袋以及写入电子天平内置的单板机或者与电子天平数据端口通信的微型电脑中的密度计算软件构成。测量固体密度时，首先使盛有去离子水的容器中去离子水的温度与室温一致，采用热电偶测定去离子水的温度T，并通过温度采集系统传送给计算机，再由预先编制的计算机软件计算获得水的密度ρ₀，在测量过程中避免去离子水的温度和体积的波动；然后采用电子天平，顺序测定待测固体的质量M、防锈金属丝悬挂网袋浸没到去离子水中后容器的质量M₁以及采用防锈金属丝悬挂网袋将待测固体浸没到去离子水中后容器的质量M₂，并通过顺序按动按钮传送给计算机，在计算机上由预先编制好的软件根据公式ρ＝ρ₀×M/(M₂-M₁)自动计算，直接获得固体的密度ρ。

所述的不易吸水固体，是指在浸泡于水中3分钟后质量变化不大于万分之一的固体物质，且不易在水中分散、不与水发生化学反应。

所述的温度采集系统是，将铜-康铜热电偶放置在带有去离子水的容器中并将期头部没入去离子水，测量去离子水的温度T，将温度信号转换成电信号，并与数据采集系统连接，输入计算机。

所述的密度计算软件为，软件在单片机或微电脑上实现，在计算机程序中预先输入ρ₀＝0.999972×{1-[(T-3.9846)²/510113.5][(T+289.7991)/(T+68.11615)]}(单位为g/cm³)，然后由测量获得的温度T在计算机中获得对应的去离子水密度ρ₀；在计算机程序中预先输入公式ρ＝ρ₀×M/(M₂-M₁)，当电子天平获得的质量M、M₁、M₂通过顺序按动按钮传送给计算机后，计算机即根据上述公式计算，得到待测固体的密度ρ(单位为g/cm³)。

所述的测定待测固体质量M是，将待测固体直接放置在经过调零的电子天平上，获得质量数值M后，按确定键将数据传入计算机。

所述的测定防锈金属丝悬挂网袋浸没到去离子水中后容器的质量M₁是，将带有去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将固定悬挂的金属丝网袋(测量密度小于等于去离子水密度的固体时，将固定悬挂的金属丝网袋连同其下方悬挂的重物)完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使网袋不与容器内表面接触(测量密度小于等于去离子水密度的固体时，使网袋及其下方悬挂的重物不与容器内表面接触)，获得质量数值M₁后，按确定键将数据传入计算机。

所述的防锈金属丝悬挂网袋是，测量密度大于去离子水密度的固体(表现为沉入水中)，直接采用各种直径在0.05～0.5mm的防锈金属细丝做成网袋；测量密度小于等于去离子水密度的固体(表现为浮在水面或悬浮在水中)，除采用各种防锈金属细丝做成网袋外，还应在网袋下方悬挂重物，如不锈钢块、铅块，以保证待测固体能完全没入去离子水中。网袋设计方便待测物体放入，网袋悬挂高度可调。

所述的测定采用防锈金属丝悬挂网袋将待测固体浸没到去离子水中后上述容器的质量M₂是，将上述带有去离子水(水量不变)的容器放置在经过调零的电子天平上，将待测固体放入固定悬挂的金属丝网袋，保持金属丝网袋固定悬挂的高度与未放入待测固体时一致，并将待测固体、固定悬挂的金属丝网袋(测量密度小于等于去离子水密度的固体时，连同固定悬挂的金属丝网袋下方悬挂的重物)完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使网袋不与容器内表面接触(测量密度小于等于去离子水密度的固体时，使网袋及其下方悬挂的重物不与容器内表面接触)，获得质量数值M₂后，按确定键将数据传入计算机。

本发明具有如下主要优点：

1、即时性，测量结束即给出数据，便于对固体密度的快速比较分析。

2)准确性，减少读数、计算过程中可能出现的人为误差。

3)规范性，操作过程更加合理、规范。

通过本发明提供的方法，可以快速方便地测量出各种不易吸水的固体的密度。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1：

采用铜-康铜热电偶与数据采集系统连接，将温度信号转换成电信号并输入计算机。数据采集和密度计算在电子天平内的单片机上完成；密度计算软件实现水的密度随温度变化的函数ρ₀＝0.999972×{1-[(T-3.9846)²/510113.5][(T+289.7991)/(T+68.11615)]}和固体密度的计算公式ρ＝ρ₀×M/(M²-M¹)的计算，以程序形式预先写入单片机。

测量一种锡青铜的密度。由于已知其密度大于去离子水的密度，因此直接采用直径0.2mm的不锈钢细丝做成网袋，网袋方便待测物体放入，高度可调。测量时，开机调零，并按密度测量键，即测出去离子水的温度T＝20.5℃。然后将待测锡青铜块直接放置在经过调零的电子天平上，获得质量数值M＝12.135g后，按确定键将数据传入计算机。将带有去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将固定悬挂的不锈钢丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使其不与容器内表面接触，获得容器的总质量数值M₁＝75.248g后，按确定键将数据传入计算机。将上述带有去离子水(水量不变)的容器放置在经过调零的电子天平上，将待测锡青铜块放入固定悬挂的不锈钢丝网袋，保持不锈钢丝网袋固定悬挂的高度与未放入待测固体时一致，并将待测锡青铜块、固定悬挂的不锈钢丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使网袋不与容器内表面接触，获得质量数值M₂＝76.633g后，按确定键将数据传入计算机。最后直接在单片机上计算得到待测固体的密度，该锡青铜的密度为ρ＝8.7472g/cm³。

实施例2：

采用铜-康铜热电偶与数据采集系统连接，将温度信号转换成电信号并输入计算机。数据采集和密度计算在电子天平内的单片机上完成；密度计算软件实现水的密度随温度变化的函数ρ₀＝0.999972×{1-[(T-3.9846)²/510113.5][(T+289.7991)/(T+68.11615)]}和固体密度的计算公式ρ＝ρ₀×M/(M₂-M₁)的计算，以程序形式预先写入单片机。

测量一种矿石的密度。估计该矿石的密度大于去离子水的密度，因此直接采用直径0.5mm的不锈钢细丝做成网袋，网袋方便待测物体放入，高度可调。测量时，开机调零，并按密度测量键，即测出去离子水的温度T＝25.6℃。然后将待测矿石块直接放置在经过调零的电子天平上，获得质量数值M＝10.664g后，按确定键将数据传入计算机。将带有去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将固定悬挂的不锈钢丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使其不与容器内表面接触，获得容器的总质量M₁＝84.508g后，按确定键将数据传入计算机。将上述带有去离子水(水量不变)的容器放置在经过调零的电子天平上，将待测矿石块放入固定悬挂的不锈钢丝网袋，保持不锈钢丝网袋固定悬挂的高度与未放入待测固体时一致，并将待测矿石块、固定悬挂的不锈钢丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使网袋其不与容器内表面接触，获得质量数值M₂＝88.447g后，按确定键将数据传入计算机。最后直接在单片机上计算得到待测固体的密度，该矿石的密度为ρ＝2.6988g/cm³。

实施例3：

采用铜-康铜热电偶与数据采集系统连接，将去离子水的温度信号转换成电信号并输入计算机。质量数据采集由电子天平完成并通过数据端口传送给微电脑；密度计算在内的微电脑上完成，密度计算软件实现水的密度随温度变化的函数ρ₀＝0.999972×{1-[(T-3.9846)²/510113.5][(T+289.7991)/(T+68.11615)]}和固体密度的计算公式ρ＝ρ₀×M/(M₂-M₁)的计算，以程序形式预先写入微电脑。

测量一种聚丙烯的密度。由于已知其密度大于去离子水的密度，因此采用直径0.05mm的钼丝做成网袋并在网袋下方悬挂50g小铅块，网袋方便待测物体放入，高度可调。测量时，开启微电脑打开密度测量窗口，并对密度测量装置开机调零，按密度测量键，即测出去离子水的温度T＝18.6℃。然后将待测聚丙烯块直接放置在经过调零的电子天平上，获得质量数值M＝5.375g后，按确定键将数据传入微电脑。将带有去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将固定悬挂的钼丝网袋及其下方悬挂的小铅块完全没入带有去离子水的烧杯中的去离子水中，并使钼丝网袋、小铅块不与烧杯内表面接触，获得质量数值M₁＝77.833g后，按确定键将数据传入微电脑。将上述带有去离子水(水量不变)的烧杯放置在经过调零的电子天平上，将待测聚丙烯块放入固定悬挂的钼丝网袋，保持钼丝网袋固定悬挂的高度与未放入待测固体时一致，将待测聚丙烯块、固定悬挂的不锈钢丝网袋及其下方悬挂的小铅块完全没入带有去离子水的烧杯中的去离子水中，并使钼丝网袋、小铅块不与烧杯内表面接触，获得质量数值M₂＝83.869g后，按确定键将数据传入微电脑。最后直接在微电脑上计算得到待测固体的密度并保存在指定的文件夹中，该种聚丙烯的密度为ρ＝0.8891g/cm³。

Claims (10)

1.一种快速测量不易吸水固体密度的方法，其特征在于：测量固体密度时，首先使盛有去离子水的容器中去离子水的温度与室温一致，采用热电偶测定去离子水的温度T，并通过温度采集系统传送给计算机，计算机计算获得水的密度ρ₀，在测量过程中避免去离子水的温度和体积的波动；然后采用电子天平，顺序测定待测固体的质量M、防锈金属丝悬挂网袋浸没到去离子水中后容器的质量M₁以及采用防锈金属丝悬挂网袋将待测固体浸没到去离子水中后容器的质量M₂，输入计算机后计算直接获得固体的密度ρ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用热电偶测定去离子水的温度T，并通过温度采集系统传送给计算机的具体方法为：将铜-康铜热电偶放置在带有去离子水的容器中并将热电偶的头部没入去离子水，测量去离子水的温度T，将温度信号转换成电信号，并与数据采集系统连接，输入计算机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：计算机计算获得水的密度ρ₀的计算公式为ρ₀＝0.999972×{1-[(T-3.9846)²/510113.5][(T+289.7991)/(T+68.11615)]}(单位为g/cm³)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的测定防锈金属丝悬挂网袋浸没到去离子水中后容器的质量M₁，是将盛有去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将固定悬挂的防锈金属丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使防锈金属丝网袋不与容器内表面接触，获得质量数值M₁后，按确定键将数据传入计算机。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：测量密度小于等于去离子水密度的固体时，固定悬挂的防锈金属丝网袋下悬挂有重物，并使网袋及其下方悬挂的重物不与容器内表面接触。

6.根据权利要求1、4或5所述的方法，其特征在于：所述的防锈金属丝悬挂网袋是，采用各种直径在0.05～0.5mm的防锈金属细丝制成；网袋设计方便待测物体放入，网袋悬挂高度可调。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：所述的测定采用防锈金属丝悬挂网袋将待测固体浸没到去离子水中后上述容器的质量M₂是，将上述盛有有水量不变的去离子水的容器放置在经过调零的电子天平上，将待测固体放入固定悬挂的金属丝网袋，保持金属丝网袋固定悬挂的高度与未放入待测固体时一致，并将放有待测固体、固定悬挂的金属丝网袋完全没入带有去离子水的容器中的去离子水中，并使网袋不与容器内表面接触，获得此时的质量数值M₂后，按确定键将数据传入计算机。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：测量密度小于等于去离子水密度的固体时，固定悬挂的防锈金属丝网袋下悬挂有重物，并使网袋及其下方悬挂的重物不与容器内表面接触。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的不易吸水固体，是指在浸泡于水中3分钟后质量变化不大于万分之一的固体物质，且不易在水中分散、不与水发生化学反应。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：计算直接获得固体的密度ρ的计算公式为：ρ＝ρ₀×M/(M₂-M₁)。