CN107677567A - 一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，包括如下步骤：(1)构建磁漂浮实验装置，由物理建模模拟磁场对物体的磁漂浮效果；(2)由经验数据确定待测试样品材料大致密度，进而确定顺磁性介质溶液密度；(3)将盛放待测样品和顺磁溶液的透明容器置于磁漂浮装置中并充分静置，所述的磁漂浮装置带有可调控数量的同极对置的长条形磁铁；(4)通过肉眼观察和图片采集的方式获取被测样品漂浮高度信息；(5)计算样品密度，展开密度相关研究。与现有技术相比，本发明的突出特点是：本发明所需求的装置操作简便，成本低廉，测量结果易于观测，测量精度高，在条件有限情况下可以展开高精度密度相关测试应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种密度检测方法，具体涉及一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法。
背景技术
密度是物质的基本物理属性之一，不同的物质一般密度不同。物质的不同微观结构、物质构成差异也会体现在密度的不同上。因此，密度测量在生活、生产以及科学研究上具有重要价值和现实意义。
密度定义为单位体积内物质的质量，最初由阿基米德提出并进行测量，基于其提出的测量方法，比重计、密度梯度柱、比重瓶、振荡管密度计等仪器相继问世，其中密度定义均为基础公式：ρ＝m/V。
目前已知的这些密度测量方法原理简单，但是缺点在于，较难对高精度密度差异进行测量。为提高密度测量精度，通常需要使用大型用电设备，这一缺点对密度相关研究带来极大的局限性。
磁性也是物质所具有的基本物理特征之一，任何物质在磁场中均会被磁化。根据磁化产生的附加磁场方向，物质被分为顺磁性物质、铁磁性物质和抗磁性物质。其中，顺磁性物质为物质磁化强度与外加磁场相同的弱磁响应；铁磁性物质为在外加磁场条件下产生与磁场相同的强烈自发磁化的物质，而抗磁性物质为在外加磁场作用下产生相反磁矩的物质。由于抗磁性为物质普遍存在的一种物理性质，利用这一特点，我们开展了基于物质抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，密度相关研究随之展开。
发明内容
本发明针对现有测量密度的方法存在的局限性，基于物质抗磁性特点，提出了一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法。本发明方法适合于条件有限地区密度相关研究的测量应用，并且可随测量需求灵活调整测量灵敏度和测量量程。
一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，包括如下步骤：
(1)由经验数据根据样品材料确定漂浮溶液大致密度，所述漂浮溶液为顺磁介质溶液。
(2)将样品置于介质溶液中；
(3)将漂浮溶液置于磁漂浮检测装置中，所述的磁漂浮检测装置带有数量可调整的竖直放置的同极对置的长条形磁铁，通过改变磁铁数量可调控密度测量精度；
(4)充分静置待测样品，测量被测样品的漂浮高度；
(5)由公式计算样品密度；
其中，以长条磁铁底部对称中心为坐标原点，竖直中心线为z轴建立直角坐标系；ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率；χm为介质的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；L、W、H分别为长条形磁铁的长、宽、高，mm；B0为磁浮装置中竖直中心线上磁场强度最大处数值，T；d为中心线上上下两最大磁通密度流的距离长度，mm；h为测试样品漂浮高度，mm。
优选的，所述磁漂浮分离装置中，所采用的长条磁铁保持形状和表面磁场强度均一性。
优选的，长条形磁铁以竖直状态放置在直径45mm框架的周围，呈中心对称同极对置状态。
优选的，装置周围排列的长条磁铁成对配置，并且相互无间隔,所述漂浮溶液为氯化锰水溶液。
优选的，配置顺磁性介质溶液时，保证介质溶液尽可能接近待测样品的经验密度,保证样品在溶液中浮起距离为10～50mm。
优选的，所配置的介质溶液不会与待测样品产生相关物理化学反应.
优选的，配置介质溶液前，需进行介质溶液的密度与磁化率的标定。
优选的，所述样品的尺寸在0.2-50mm之间为合适样品尺寸。
优选的，所构建装置为中心对称结构。
优选的，所配置磁铁数量将受到磁铁大小和装置设计结构影响。
有益效果：
将本发明磁浮装置与已有传统磁浮装置进行比较，通过物理场模拟的方法。可发现，在相同条件下，在相同密度测量范围内，本发明对不同样品的分离度——悬浮高度差异，相较于传统磁浮装置可达到接近10倍的提升。由此，细微密度差异更容易发现，意味着密度测量精度更高，同时，密度测量范围依然的到保持。
所述物质抗磁性磁漂浮原理密度测量方法，其原理如下：
当设计磁场存在于顺磁溶液中时，介质的受力满足：
式中：是磁场产生的力，χs是被检测物体的磁化率，χm是介质溶液的磁化率，V为被测样品的体积，为梯度算子。
由于磁漂浮装置的轴对称性，磁场作用于溶液对样品产生的浮力指向磁漂浮设备中心线，因此样品的最终平衡位置一定在两磁铁中心连线上。中心线处在平行于xOy平面方向分量为0，测试物体受磁场作用仅与z轴方向上的磁场强度变化有关。
在垂直方向上，的表达式简化为：
结合磁漂浮原理，样品的最终平衡状态方程为：
上述密度的磁漂浮测量方法，应当在检测前根据经验数据评估待测样品的大致密度，由此配置相应的介质溶液。如需要精确计算样品密度，可以用古埃法测量溶液的磁化率。
本发明提供了一种精确度测量范围可调的物质密度测量方法，所需求的装置操作简单，成本低廉，测量结果易于观测，精确度较传统方法更高，基于此基础可以开展广泛的密度相关检测。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明。
图1是本发明磁漂浮装置示意图；
图2是本发明xOz平面在竖直中心线处的磁通密度流模拟图,随磁铁数量增加，密度测量灵敏度降低，测量范围提高；
图3是本发明在竖直中心线处磁通密度流与高度关系图；
图4是本发明中氯化锰浓度与密度关系图；
图5是本发明调整4至10个相同长条磁铁时，对同一系列密度不同样品的测量范围和测量灵敏度变化图。
图6是本发明与传统磁浮装置在密度测量范围和密度差异分离上的关系图。
图7是本发明磁漂浮原理图。
具体实施方式
为使本发明被更清楚地理解，下面根据发明的具体实例及附图，对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，是本发明的磁漂浮装置示意图，包括----磁铁、介质溶液、测试样品、透明介质溶液容器。被测样品在溶液中漂浮高度为z。
本实验实例中，磁铁均为长100mm×宽10mm×高10mm的长条形磁铁，厚度充磁方向中心表面磁感强度为0.3T的磁铁，设置所有磁铁同极朝向磁漂浮设备对称中心。
本发明对长100mm×宽10mm×高10mm表面磁感强度为0.3T磁铁，过竖直中心线的xOz平面分量的磁通密度流如图2所示。
本发明对长100mm×宽10mm×高10mm表面磁感强度为0.3T磁铁，竖直中心线处磁通密度流与高度h的关系图如图3所示。
其中，测量方法如下：
一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度检测方法，包括：
(1)根据经验数据，由待测样品材料估测样品密度。
配置相对应浓度的顺磁介质溶液，使得在磁场作用条件下，顺磁介质溶液中的样品能够漂浮。
在进行实验前，对介质溶液的密度和磁化率进行标定，标定时，配置固定浓度顺磁盐水溶液，进行浓度密度与磁化率的标定，见图4。
(2)将待测样品置于介质溶液中，根据测量需求调整对置磁铁数量。
(3)将盛放介质溶液的透明容器置于磁悬浮检测装置中，充分静置。
(4)测量被测样品浮起的高度。
(5)由高度数据计算样品密度。
采用本方法对直径在4～7mm的ABS(丙烯腈A、丁二烯B和苯乙烯S共聚物)小球进行密度测量，选用介质溶液为0.3mol/L的MnCl2水溶液，选用长条形磁铁为10×10×100mm尺寸，表面磁场强度为0.3T构建所设计磁浮装置。通过改变装置总磁铁数量(磁铁数：4，6，8，10)，实现不同精度和密度测量范围(实现密度范围由±0.0001～±0.002g/cm3的动态调整)。不同浓度MnCl2水溶液所对应的密度和磁化率如图4所示。
样品经过充分清洁后，置于MnCl2水溶液中，将盛放样品的透明容器置于装置并充分静置。待样品位置稳定，用纸尺或图片采集方式获取漂浮样品高度，经过计算可以得到样品的密度，结果见图5。如图中，通过观察方法，读出其中10磁铁装置中一个小球的漂浮高度为2.9mm，代入公式，计算得到其密度为1.0261g/cm3。
上述密度的悬浮检测方法，其计算公式如下：
式中，ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率；χm为介质的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；L、W、H分别为长条形磁铁的长、宽、高，mm；B0为磁浮装置中竖直中心线上磁场强度最大处数值，T；d为中心线上上下两最大磁通密度流的距离长度，mm；h为测试样品漂浮高度，mm。
实施例2
采用本方法对食用油(密度约为0.7～0.9g/cm3)油滴进行密度测量，选用介质溶液为1.2mol/L的MnCl2甲醇溶液。
样品经过充分清洁后，置于MnCl2甲醇溶液中，将盛放样品的透明容器置于装置并充分静置。待样品位置稳定，用纸尺或图片采集方式获取漂浮样品高度，经过计算，得到样品密度。通过观察，读出其中油滴的漂浮高度为7.4mm，代入公式，计算的到其密度为0.9320g/cm3。
上述密度的悬浮检测方法，其计算公式如下：
式中，ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率；χm为介质的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；L、W、H分别为长条形磁铁的长、宽、高，mm；B0为磁浮装置中竖直中心线上磁场强度最大处数值，T；d为中心线上上下两最大磁通密度流的距离长度，mm；h为测试样品漂浮高度，mm。
以上所述仅为本发明的一个应用实例，并非对适用被测样品范围的限定。可应用本发明测量的材料不一一穷举，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)由经验数据根据样品材料确定漂浮溶液大致密度，所述漂浮溶液为顺磁介质溶液；
(2)将样品置于介质溶液中；
(3)将漂浮溶液置于磁漂浮检测装置中，所述的磁漂浮检测装置带有数量可调整的竖直放置的同极对置的长条形磁铁，通过改变磁铁数量可调控密度测量精度；
(4)充分静置待测样品，测量被测样品的漂浮高度；
(5)由公式计算样品密度；
其中，以长条磁铁底部对称中心为坐标原点，竖直中心线为z轴建立直角坐标系；ρs为被测样品密度，g/cm3；ρm为介质溶液密度，g/cm3；χs为被测样品的磁化率；χm为介质的磁化率，无量纲；g为重力加速度，m/s2；μ0为真空磁导率，N/A2；L、W、H分别为长条形磁铁的长、宽、高，mm；B0为磁浮装置中竖直中心线上磁场强度最大处数值，T；d为中心线上上下两最大磁通密度流的距离长度，mm；h为测试样品漂浮高度，mm。
2.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，所述磁漂浮分离装置中，所采用的长条磁铁保持形状和表面磁场强度均一性。
3.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，长条形磁铁以竖直状态放置在直径45mm框架的周围，呈中心对称同极对置状态。
4.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，装置周围排列的长条磁铁成对配置，并且相互无间隔,所述漂浮溶液为氯化锰水溶液。
5.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，配置顺磁性介质溶液时，保证介质溶液尽可能接近待测样品的经验密度,保证样品在溶液中浮起距离为10～50mm。
6.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，所配置的介质溶液不会与待测样品产生相关物理化学反应。
7.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，配置介质溶液前，需进行介质溶液的密度与磁化率的标定。
8.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，所述样品的尺寸在0.2-50mm之间为合适样品尺寸。
9.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分离测量方法，其特征在于，所构建装置为中心对称结构。
10.根据权利要求1所述的基于物质普遍抗磁性的磁漂浮密度分 离测量方法，其特征在于，所配置磁铁数量将受到磁铁大小和装置设计结构影响。
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