CN104698029A - 不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置及测量方法，它包括铁架台、玻璃杯、橡胶塞、玻璃圆直管、液体、泡沫薄板和千分表。其中，铁架台包括铁架台竖直杆、铁架台横梁和铁架台底座；玻璃杯置于铁架台底座上；橡胶塞直径与玻璃杯内径匹配；玻璃圆直管横穿通过橡胶塞正中央，且底端与橡胶塞下端面齐平；泡沫薄板为圆形，直径与玻璃圆直管内径匹配，漂浮于玻璃圆直管内的液面，可在管内随液面升降而上下自由滑动；千分表固定于铁架台的横梁上。本发明的方法利用千分表指针的偏转来衡量玻璃圆直管中液面高度的变化，检测精度远高于对玻璃圆直管中液面高度的直接读取，推算过程有效消除了温度改变对玻璃杯尺寸及液体体积的影响。

Description

不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置及测量方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，属于一种物理实验方法，适宜量测温度变化时不规则固体热胀冷缩的体积变化量。

背景技术

热胀冷缩是自然界万物本质属性之一，在宏观上表现为温度升高，体积增大，温度降低，体积减小。针对岩土工程领域，当前量测固体材料热胀冷缩体积变化量的方法是将其预制成长方体或圆柱体试样，先用游标卡尺测量试样某一端面的线应变，而后再根据几何特征计算其体积变化量。这种方法存在两大弊端；其一，对试样几何外形有特定要求，无法量测不规则体在温度改变时的体积变化量；其二，混凝土、岩石等多数岩土体均属于各向异性材料，这种由单一端面线应变推算其整体体积变化量的方法与实际情况不相吻合，存在较大误差。针对物理实验方法，通常是采用带有刻度的容器直接测量溢出液体体积，并以其替代试样体积，该法虽可先测量出不规则体在不同温度下的体积，而后再计算出体积变化量，但由于固体材料对温度变化的敏感度一般较低，当试样体积或温度变化量较小时，量测结果不明显，精度无法满足要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种量测装置及测量方法，可对任意几何外形固体材料在热胀冷缩时的体积变化量进行高精度量测。

一种不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，它包括铁架台、玻璃杯、橡胶塞、玻璃圆直管、液体、泡沫薄板和千分表。其中，铁架台包括铁架台竖直杆、铁架台横梁和铁架台底座；玻璃杯置于铁架台底座上；橡胶塞直径与玻璃杯内径匹配；玻璃圆直管横穿通过橡胶塞正中央，且底端与橡胶塞下端面齐平；泡沫薄板为圆形，直径与玻璃圆直管内径匹配，漂浮于玻璃圆直管内的液面，可在管内随液面的升降而上下自由滑动；千分表量程10mm，分度值0.001mm，固定于铁架台的横梁上。

上述的铁架台竖直杆高350-400mm，铁架台底座为正方形，其边长为250-300mm，铁架台横梁长200-220mm；玻璃杯壁厚2-3mm，内径150-260mm，高150-300mm；橡胶塞厚25-30mm；玻璃圆直管壁厚1-2mm，内径20-25mm，长55-70mm；泡沫薄板厚2-3mm。

上述的液体为水或油。

利用上述不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置进行测量的方法，将固体试样用超薄弹力橡皮密封后放入玻璃杯内，塞紧橡胶塞，插入玻璃圆直管；向玻璃杯中注入液体，注入总量应充满玻璃杯与橡皮塞组成的整个空腔，且在玻璃圆直管内保留有35-50mm高度的液柱；将泡沫薄板置于玻璃圆直管内的液面，调整铁架台横梁的高度，使千分表的测头紧贴泡沫薄板，且指针有一定的初始读数；将上述整个装置置入恒温箱中，设置恒温箱温度，使固体试样、液体、玻璃杯及玻璃圆直管等开始产生热胀冷缩变化，并引起泡沫薄板随液面升降而上下移动，且带动千分表指针发生偏转；当千分表指针达到稳定时，记录其读数；利用 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})$ 计算固体试样体积的绝对改变量，利用 $\mathrm{\α}=\frac{\left|\mathrm{\ΔV}\right|}{V_1}=\frac{\left|\frac{\mathrm{\π}}{4}\right[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})|}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2{H}_1+\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2{h}_1-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}}$ 计算固体试样体积的相对改变量。其中，记m为液体质量，α以百分数表示，温度t₁条件下，试样体积记为V₁，液体密度记为ρ₁，玻璃杯内径记为D₁，玻璃杯内液面高度记为H₁，玻璃圆直管内径记为d，玻璃圆直管内液面高度记为h₁，千分表读数记为S₁；温度t₂条件下，试样体积记为V₂，液体密度记为ρ₂，玻璃杯内径记为D₂，玻璃杯内液面高度记为H₂，玻璃圆直管内径记为d，玻璃圆直管内液面高度记为h₂，千分表读数记为S₂。玻璃杯内径D₁和D₂、玻璃杯内液面高度H₁和H₂、玻璃圆直管内径d、玻璃圆直管内液面高度h₁和h₂由游标卡尺在t₁和t₂温度时直接测量，千分表读数S₁和S₂根据千分表指针偏转情况直接读取，液体密度ρ₁和ρ₂根据品名直接查资料，液体质量m由电子台秤直接称量。当ΔV计算值为“-”时，表示固体体积收缩；当ΔV计算值为“+”时，表示固体体积增大。

本发明有如下有益效果：

1、固体材料的几何外形不受限制，可量测任意形状试样的热胀冷缩体积变化量；

2、测量方法综合考虑了温度改变对玻璃杯尺寸及液体体积的影响，检测精度高；

3、利用千分表指针的偏转来衡量玻璃圆直管中液面高度的变化，不仅可消除液体粘性对测量结果的影响，而且检测精度远高于对玻璃圆直管中液面高度的直接读取；

4、量测装置原材料来源广泛，价格低廉，测量步骤简易。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：铁架台竖直杆1，铁架台横梁2，玻璃圆直管3，泡沫薄板4，千分表5，橡胶塞6，液体7，玻璃杯8，铁架台底座9，超薄弹力橡皮10，固体试样11。

具体实施方式

参见图1，一种不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，它包括铁架台、玻璃杯8、橡胶塞6、玻璃圆直管3、液体7、泡沫薄板4和千分表5。其中，铁架台包括铁架台竖直杆1、铁架台横梁2和铁架台底座9；玻璃杯置于铁架台底座上；橡胶塞直径与玻璃杯内径匹配；玻璃圆直管横穿通过橡胶塞正中央，且底端与橡胶塞下端面齐平；泡沫薄板为圆形，直径与玻璃圆直管内径匹配，漂浮于玻璃圆直管内的液面，可在管内随液面的升降而上下自由滑动；千分表量程10mm，分度值0.001mm，固定于铁架台的横梁上。

所述的铁架台竖直杆高350-400mm，铁架台底座为正方形，其边长为250-300mm，铁架台横梁长200-220mm；玻璃杯壁厚2-3mm，内径150-260mm，高150-300mm；橡胶塞厚25-30mm；玻璃圆直管壁厚1-2mm，内径20-25mm，长55-70mm；泡沫薄板厚2-3mm。所述的液体为水或油。

当温度发生变化时，固体试样、液体、玻璃杯、玻璃圆直管等的尺寸都将产生改变，但液体的质量是恒定的，记为m。

设温度t₁条件下，试样体积记为V₁，液体密度记为ρ₁，玻璃杯内径记为D₁，玻璃杯内液面高度记为H₁，玻璃圆直管内径记为d₁，玻璃圆直管内液面高度记为h₁，千分表读数记为S₁。此时，装置及试样的尺寸存在几何关系：

$V_1+\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2{H}_1+\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_1^2{h}_1---\left(1\right)$

设温度t₂条件下，试样体积记为V₂，液体密度记为ρ₂，玻璃杯内径记为D₂，玻璃杯内液面高度记为H₂，玻璃圆直管内径记为d₂，玻璃圆直管内液面高度记为h₂，千分表读数记为S₂。此时，装置及试样的尺寸存在几何关系：

$V_2+\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_2^2{H}_2+\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_2^2{h}_2---\left(2\right)$

联立公式(1)、(2)，可得温度从t₁改变为t₂时，固体试样体积的绝对改变量：

$\mathrm{\ΔV}=V_1-V_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2{H}_1+d_1^2{h}_1)-(D_2^2{H}_2+d_2^2{h}_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})---\left(3\right)$

玻璃杯内径150-260mm，玻璃圆直管内径20-25mm，二者平方值相差约100倍，由上述公式(3)可知，玻璃圆直管内径的变化对测量结果ΔV几乎不产生影响，因此热胀冷缩过程中可将玻璃圆直管内径视为定值，即存在：

d₁＝d₂＝d    (4)

再者，温度从t₁改变为t₂时，千分表读数与玻璃圆直管内液面高度之间存在几何关系：

h₁-h₂＝S₁-S₂    (5)

联立公式(3)、(4)、(5)，又可得温度从t₁改变为t₂时，固体试样体积的绝对改变量：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})---\left(6\right)$

上述公式(6)中，玻璃杯内径D₁和D₂、玻璃杯内液面高度H₁和H₂、玻璃圆直管内径d、玻璃圆直管内液面高度h₁和h₂由游标卡尺在t₁和t₂温度时直接测量，千分表读数S₁和S₂根据千分表指针偏转情况直接读取，液体密度ρ₁和ρ₂根据品名直接查资料，液体质量m由电子台秤直接称量。当ΔV计算值为“-”时，表示固体体积收缩；当ΔV计算值为“+”时，表示固体体积增大。

联立(1)、(6)可得温度从t₁改变为t₂时，固体试样体积的相对改变量：

$\mathrm{\α}=\frac{\left|\mathrm{\ΔV}\right|}{V_1}=\frac{\left|\frac{\mathrm{\π}}{4}\right[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})|}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2{H}_1+\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2{h}_1-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}}---\left(7\right)$

上述公式(7)中α以百分数表示。

实施例1：将高350mm的竖直杆、边长250mm的正方形底座、长200mm的横梁三铁件组装成铁架台；在铁架台的底座上放置壁厚2mm、内径150mm、高150mm的圆形玻璃杯；将固体试样用超薄弹力橡皮密封后放入玻璃杯内，并用厚25mm的圆形橡胶塞塞紧上口；在圆形橡胶塞的正中央开孔并插入壁厚1mm，内径20mm，长55mm的玻璃圆直管，且使其底端与橡胶塞下端面齐平；将一定量的纯净水注入玻璃杯与橡胶塞组成的空腔内，且使其在玻璃圆直管内保留35mm高度的液柱；在纯净水液面上放置直径略小于20mm的圆形泡沫薄板；将量程10mm、分度值0.001mm的千分表固定于铁架台的横梁上；调整铁架台横梁的高度，使千分表的测头紧贴泡沫薄板，且指针有一定的初始读数；将上述整个装置置入恒温箱中，设置恒温箱温度t₁为15℃，当千分表指针达到稳定时，记录其读数S₁，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₁、玻璃杯内液面高度H₁、玻璃圆直管内径d₁(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₁；调整恒温箱温度t₂为25℃，当千分表指针再次达到稳定时，记录其读数S₂，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₂、玻璃杯内液面高度H₂、玻璃圆直管内径d₂(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₂；用电子天平称量所注入的纯净水的质量m，并查出其在温度15℃时的密度ρ₁和25℃时的密度ρ₂；采用公式计算温度由15℃变化到25℃时固体试样的体积变化量。

实施例2：将高400mm的竖直杆、边长300mm的正方形底座、长220mm的横梁三铁件组装成铁架台；在铁架台的底座上放置壁厚3mm、内径260mm、高300mm的圆形玻璃杯；将固体试样用超薄弹力橡皮密封后放入玻璃杯内，并用厚30mm的圆形橡胶塞塞紧上口；在圆形橡胶塞的正中央开孔并插入壁厚2mm，内径25mm，长70mm的玻璃圆直管，且使其底端与橡胶塞下端面齐平；将一定量的煤油注入玻璃杯与橡胶塞组成的空腔内，且使其在玻璃圆直管内保留50mm高度的液柱；在煤油液面上放置直径略小于25mm的圆形泡沫薄板；将量程10mm、分度值0.001mm的千分表固定于铁架台的横梁上；调整铁架台横梁的高度，使千分表的测头紧贴泡沫薄板，且指针有一定的初始读数；将上述整个装置置入恒温箱中，设置恒温箱温度t₁为10℃，当千分表指针达到稳定时，记录其读数S₁，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₁、玻璃杯内液面高度H₁、玻璃圆直管内径d₁(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₁；调整恒温箱温度t₂为5℃，当千分表指针再次达到稳定时，记录其读数S₂，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₂、玻璃杯内液面高度H₂、玻璃圆直管内径d₂(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₂；用电子天平称量所注入的煤油的质量m，并查出其在温度10℃时的密度ρ₁和5℃时的密度ρ₂；采用公式计算温度由10℃变化到5℃时固体试样的体积变化量。

实施例3：将高375mm的竖直杆、边长275mm的正方形底座、长210mm的横梁三铁件组装成铁架台；在铁架台的底座上放置壁厚3mm、内径210mm、高250mm的圆形玻璃杯；将固体试样用超薄弹力橡皮密封后放入玻璃杯内，并用厚28mm的圆形橡胶塞塞紧上口；在圆形橡胶塞的正中央开孔并插入壁厚2mm，内径22mm，长60mm的玻璃圆直管，且使其底端与橡胶塞下端面齐平；将一定量的纯净水注入玻璃杯与橡胶塞组成的空腔内，且使其在玻璃圆直管内保留40mm高度的液柱；在纯净水液面上放置直径略小于22mm的圆形泡沫薄板；将量程10mm、分度值0.001mm的千分表固定于铁架台的横梁上；调整铁架台横梁的高度，使千分表的测头紧贴泡沫薄板，且指针有一定的初始读数；将上述整个装置置入恒温箱中，设置恒温箱温度t₁为5℃，当千分表指针达到稳定时，记录其读数S₁，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₁、玻璃杯内液面高度H₁、玻璃圆直管内径d₁(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₁；调整恒温箱温度t₂为25℃，当千分表指针再次达到稳定时，记录其读数S₂，并用游标卡尺测量此时刻的玻璃杯内径D₂、玻璃杯内液面高度H₂、玻璃圆直管内径d₂(或d)、玻璃圆直管内液面高度h₂；用电子天平称量所注入的纯净水的质量m，并查出其在温度5℃时的密度ρ₁和25℃时的密度ρ₂；采用公式计算温度由5℃变化到25℃时固体试样的体积变化量。

Claims (6)

1.一种不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，其特征在于：它包括铁架台、玻璃杯(8)、橡胶塞(6)、玻璃圆直管(3)、液体(7)、泡沫薄板(4)和千分表(5)；其中，铁架台包括铁架台竖直杆(1)、铁架台横梁(2)和铁架台底座(9)；玻璃杯置于铁架台底座上；橡胶塞直径与玻璃杯内径匹配；玻璃圆直管横穿通过橡胶塞正中央，且底端与橡胶塞下端面齐平；泡沫薄板为圆形，直径与玻璃圆直管内径匹配，漂浮于玻璃圆直管内的液面，可在管内随液面升降而上下自由滑动；千分表固定于铁架台的横梁上；固体试样(11)通过超薄弹力橡皮(10)密封后设置在液体中。

2.根据权利要求1所述的不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，其特征在于：所述的铁架台竖直杆高350-400mm，铁架台横梁长200-220mm，铁架台正方形底座边长250-300mm；玻璃杯壁厚2-3mm，内径150-260mm，高150-300mm；橡胶塞厚25-30mm；玻璃圆直管壁厚1-2mm，内径20-25mm，长55-70mm；泡沫薄板厚2-3mm。

3.根据权利要求1所述的不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，其特征在于：所述的千分表量程10mm，分度值0.001mm。

4.根据权利要求1或2所述的不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置，其特征在于：所述的液体为水或油。

5.利用权利要求1-4任一不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置进行测量的方法，其特征在于：将固体试样用超薄弹力橡皮密封后放入玻璃杯内，塞紧橡胶塞，插入玻璃圆直管；向玻璃杯中注入液体；将泡沫薄板置于玻璃圆直管内的液面上，调整铁架台横梁的高度，使千分表的测头紧贴泡沫薄板，且指针有一定的初始读数；将上述整个装置置入恒温箱中，设置恒温箱温度，使固体试样、液体、玻璃杯及玻璃圆直管等开始产生热胀冷缩变化，并引起泡沫薄板随液面升降而上下移动，且带动千分表指针发生偏转；当千分表指针达到稳定时，记录其读数，利用 $\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})$ 计算固体试样体积的绝对改变量；利用 $\mathrm{\α}=\frac{\left|\mathrm{\ΔV}\right|}{V_1}=\frac{\left|\frac{\mathrm{\π}}{4}\right[(D_1^2{H}_1-D_2^2{H}_2)+d^2(S_1-S_2)]-(\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_2})|}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_1^2{H}_1+\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2{h}_1-\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_1}}$ 计算固体试样体积的相对改变量；其中，记m为液体质量，α以百分数表示；温度t₁条件下，试样体积记为V₁，液体密度记为ρ₁，玻璃杯内径记为D₁，玻璃杯内液面高度记为H₁，玻璃圆直管内径记为d，玻璃圆直管内液面高度记为h₁，千分表读数记为S₁；

温度t₂条件下，试样体积记为V₂，液体密度记为ρ₂，玻璃杯内径记为D₂，玻璃杯内液面高度记为H₂，玻璃圆直管内径记为d，玻璃圆直管内液面高度记为h₂，千分表读数记为S₂；

玻璃杯内径D₁和D₂、玻璃杯内液面高度H₁和H₂、玻璃圆直管内径d、玻璃圆直管内液面高度h₁和h₂由游标卡尺在t₁和t₂温度时直接测量，千分表读数S₁和S₂根据千分表指针偏转情况直接读取，液体密度ρ₁和ρ₂根据品名直接查资料，液体质量m由电子台秤直接称量；当ΔV计算值为“-”时，表示固体体积收缩，当ΔV计算值为“+”时，表示固体体积增大。

6.根据权利要求5所述的利用不规则固体热胀冷缩体积变化量的高精度量测装置进行测量的方法，其特征在于：所注入液体的总量应充满玻璃杯与橡皮塞组成的整个空腔，且在玻璃圆直管内保留有35-50mm高度的液柱。