CN108759733A - 以气体测量不规则物体体积的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以气体测量不规则物体体积的装置，真空泵与压力箱A之间、压力箱A与压力箱B之间、压力箱B与气罐之间，均设置管道连通，并在管道上依次设置阀门A、阀门B、阀门C，压力箱A内设有压力计A、压力箱B内设有压力计B，压力箱A上设有开口及对其闭合的盖板，气罐内为理想气体；同时公开了以该装置测量不规则物体体积的方法。本发明依据理想气体定律、理想气体方程，通过压力箱内容积变化引起的压强变化，测得压强即可计算得到待测的不规则物体的体积，具有严格的理论基础，测量结果准确，测量过程不破坏被测物，可用在对各类不规则物体体积进行测量，尤其适用于不能接触液体的物体体积测量。
Description
技术领域
本发明涉及物体体积测量，特别是测量不规则物体体积的装置及方法。
背景技术
目前测量物体体积的方法大部分局限于对规则物体的测量，比如长方体、球形物体等，通过测量长、宽、高或者直径，再来计算物体的体积。此方法只能局限于规则物体，而在工程中大部分为不规则物体。
对于不规则物体，也有通过排液法进行测量体积，但是测试过程效率低，测试一个物体后需要干燥仪器，浪费时间，如有液体的残留也会影响测量精度。排液法也不适用于测量会和液体反应或者吸附的物体，例如在液体中会短路的锂离子软包电芯、方壳电芯等，还会破坏被测物体。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种以气体测量不规则物体体积的装置，本发明的另一目的是提供以该装置测量不规则物体体积的方法。
技术方案：一种以气体测量不规则物体体积的装置，包括真空泵、压力箱A、压力箱B、气罐，所述真空泵与压力箱A之间、所述压力箱A与压力箱B之间、所述压力箱B与气罐之间，均设置管道连通，并在所述管道上依次设置阀门A、阀门B、阀门C，所述压力箱A内设有压力计A、所述压力箱B内设有压力计B，所述压力箱A上设有开口及对其闭合的盖板，所述气罐内为理想气体。
进一步的，所述理性气体为沸点低于-183℃的单一气体或混合气体。
最佳的，所述压力箱A、压力箱B的空箱容积相等。
最佳的，所述压力箱A、压力箱B为透明本体，所述压力计A、压力计B为数据可读式压力计，以方便读取压强数据，以及得到准确的压强数据。
最佳的，所述压力计A、压力计B为数据信号传导式压力计，不受压力箱本体材质的影响，都可以读取到压强数据。
最佳的，所述开口能够放入待测的不规则物体即可，尽量减少放入不规则物体时对压力箱A内环境的影响。
一种以上述的装置测量不规则物体体积的方法，在恒温T下进行测量，包括以下步骤：
S10：通过气罐内的理想气体对压力箱A、压力箱B内进行气体置换净化，在压力箱A、压力箱B内形成理想气体环境，阀门A、阀门B、阀门C、盖板关闭，使压力箱A、压力箱B各自密闭；压力箱B的空箱容积记为VB，此时，压力箱B内的温度记为TB，留存的理想气体的物质的量为nB，读取压力计B测得的压强PB，压力箱B中理想气体方程为：
PBVB＝nBRTB 式(1)；
S20：打开盖板，将体积为VM的待测的不规则物体M放入压力箱A内并关闭盖板，打开阀门A，通过真空泵对压力箱A内抽真空，当压力箱A内的压强小于压力箱B内的压强后，关闭阀门A；压力箱A的空箱容积记为VA，此时，压力箱A内的温度记为TA，留存的理想气体的物质的量为nA，读取压力计A测得的压强PA，压力箱A中理想气体方程为：
PA(VA－VM)＝nARTA 式(2)；
S30：打开阀门B，当压力箱A内的压强与压力箱B内的压强相等并稳定后，读取此时的压强PN，压力箱A和压力箱B的连通体中理想气体方程为：
PN(VA+VB－VM)＝(nA+nB)RTN 式(3)；
S40：通过式(1)、式(2)、式(3)，以及TB＝TA＝TN＝T，求得VM＝[PAVA+PBVB－PN(VA+VB)]/(PA－PN)；
以上的式(1)、式(2)、式(3)中，R为理想气体常数。
进一步的，步骤S10具体为：打开阀门A和阀门B、关闭阀门C和盖板，通过真空泵对压力箱A、压力箱B内抽真空一段时间，而后关闭阀门A、打开阀门C，通过气罐向压力箱A、压力箱B中充入理想气体，如此反复，至压力箱A、压力箱B内均为理想气体环境，从而完成对压力箱A、压力箱B内气体置换净化，并在压力箱A、压力箱B内存留有理想气体，阀门A、阀门B、阀门C、盖板关闭，使压力箱A、压力箱B各自密闭，读取压力计B测得的压强PB。
进一步的，当压力箱A、压力箱B的空箱容积相等均记为V，且当PB为1个标准大气压P，步骤S20对压力箱A内抽真空使PA为PB的1/2时，VM＝(1.5P－2PN)V/(0.5P－PN)。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：依据理想气体定律、理想气体方程，通过压力箱内容积变化引起的压强变化，测得压强即可计算得到待测的不规则物体的体积，具有严格的理论基础，可靠性高，可有效测量不规则物体的体积，测量结果准确；装置具有良好的安全性，测量过程不破坏被测物，可用在对各类不规则物体体积进行测量，尤其适用于不能接触液体的物体体积测量，对锂离子软包电芯、方壳电芯等各类电池体积的测量具有实际的应用意义，和显著的应用效果。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明原理是依据理想气体定律，利用理想气体方程PV＝nRT，在恒定温度T、理想气体常数R条件下，通过三个稳态理想气体过程，得到三个不同压强下的理想气体方程，只需测得三个压强值，求解后确定压强P和容积V之间的一元一次方程，即可计算出待测的不规则物体的体积。
一种以气体测量不规则物体体积的装置，如附图1所示，包括真空泵1、压力箱A2、压力箱B3、气罐4、阀门A61、阀门B62、阀门C63、压力计A7、压力计B8。
真空泵1与压力箱A2之间、压力箱A2与压力箱B3之间、压力箱B3与气罐4之间，均设置管道5连通，阀门A61设置在真空泵与压力箱A之间的管道上，阀门B62设置在压力箱A2与压力箱B3之间的管道上，阀门C63设置在压力箱B3与气罐4之间的管道上，压力计A7置于压力箱A2内，压力计B8置于压力箱B3内，压力箱A2上设有设有开口21，并设有对开口21闭合的盖板22，开口21用于放入体积为VM的待测的不规则物体M。
阀门A61、阀门B62、阀门C63、盖板22关闭后，压力箱A2、压力箱B3各自为密闭容器，压力箱A2的空箱容积记为VA，压力箱B3的空箱容积记为VB，VA与VB相等或不相等均可。
压力计A、压力计B可选择传感式、信号传导式等，用于测得密闭容器内的压强数据。为了方便读取压强数据，以及得到准确的压强数据，可将压力箱A、压力箱B设计为透明本体，压力计A、压力计B选择数显式等可直接读取数据的压力计。
气罐4内为理想气体。本发明测量方法需要理想气体参与，实际气体都不同程度地偏离理想气体定律，偏离大小取决于压力、温度与气体的性质，特别是取决于气体液化的难易程度。对于处在室温及1个标准大气压左右的气体，这种偏离是很小的，最多百分之几，例如氧气和氢气是沸点很低的气体(-183℃和-253℃)，在25℃、1个标准大气压时，摩尔体积与理想值的偏差在0.1％以内。而沸点较高的二氧化硫和氯气(-10℃和-35℃)，在25℃、1大气压时，摩尔体积与理想值的偏差就不是很理想。所以只要是沸点很低(沸点低于-183℃)的单一气体或者混合气体都可视为本发明中的理想气体。
以上述的装置测量不规则物体体积的方法，测量过程在恒温T下进行，通常是室温条件，具体包括以下步骤。
S10：打开阀门A和阀门B、关闭阀门C和盖板，通过真空泵对压力箱A、压力箱B内抽气一段时间，抽掉压力箱A、压力箱B中不符合理想气体要求的气体(如空气中的水蒸气等沸点高的气体)；而后关闭阀门A、打开阀门C，通过气罐向压力箱A、压力箱B中充入理想气体，如此反复2～3次，至压力箱A、压力箱B内均为理想气体环境，以保证压力箱A、压力箱B内尽可能都是理想气体，从而完成对压力箱A、压力箱B内气体置换净化；最后一次置换时在压力箱A、压力箱B内存留有一定量的理想气体，阀门A、阀门B、阀门C、盖板关闭，使压力箱A、压力箱B各自密闭，压力箱B的空箱容积记为VB，此时，压力箱B内的温度记为TB，留存的理想气体的物质的量为nB，读取压力计B测得的压强PB，压力箱B中理想气体方程为：
PBVB＝nBRTB 式(1)。
S20：打开盖板，将待测的不规则物体M从开口放入压力箱A内并关闭盖板，打开阀门A，通过真空泵对压力箱A内抽真空一段时间，当压力箱A内的压强小于压力箱B内的压强后，关闭阀门A，压力箱A的空箱容积记为VA，此时，压力箱A内的温度记为TA，留存的理想气体的物质的量为nA，读取压力计A测得的压强PA，压力箱A中理想气体方程为：
PA(VA－VM)＝nARTA 式(2)；
为了尽量减少放入不规则物体时对压力箱A内环境的影响，开口大小满足能够放入待测的不规则物体即可，测试过程在干燥环境下进行，以尽量减少压力箱外部空气中的水蒸气对测量精度的影响，可忽略这种影响。
S30：打开阀门B，压力箱A和压力箱B的连通，由于压力箱A与压力箱B存在压力差，当压力箱A内的压强与压力箱B内的压强相等并稳定后，读取此时的压强PN，压力箱A和压力箱B的连通体中理想气体方程为：
PN(VA+VB－VM)＝(nA+nB)RTN 式(3)。
S40：通过式(1)、式(2)、式(3)，以及恒温条件下测试TB＝TA＝TN＝T，求得VM＝[PAVA+PBVB－PN(VA+VB)]/(PA－PN)。
上述的方法，通过压力箱内容积变化引起的压强变化，测得压强即可计算得到待测的不规则物体的体积。为了方便计算VM，可设计压力箱A、压力箱B的空箱容积相同，均记为V，步骤S10中PB为1个标准大气压P，步骤S20对压力箱A内抽真空使PA为PB的1/2，则VM＝(1.5P－2PN)V/(0.5P－PN)。
Claims (9)
1.一种以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：包括真空泵(1)、压力箱A(2)、压力箱B(3)、气罐(4)，所述真空泵(1)与压力箱A(2)之间、所述压力箱A(2)与压力箱B(3)之间、所述压力箱B(3)与气罐(4)之间，均设置管道(5)连通，并在所述管道(5)上依次设置阀门A(61)、阀门B(62)、阀门C(63)，所述压力箱A(2)内设有压力计A(7)、所述压力箱B(3)内设有压力计B(8)，所述压力箱A(2)上设有开口(21)及对其闭合的盖板(22)，所述气罐(4)内为理想气体。
2.根据权利要求1所述的以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：所述理性气体为沸点低于-183℃的单一气体或混合气体。
3.根据权利要求1所述的以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：所述压力箱A(2)、压力箱B(3)的空箱容积相等。
4.根据权利要求1所述的以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：所述压力箱A(2)、压力箱B(3)为透明本体，所述压力计A(7)、压力计B(8)为数据可读式压力计。
5.根据权利要求1所述的以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：所述压力计A(7)、压力计B(8)为数据信号传导式压力计。
6.根据权利要求1所述的以气体测量不规则物体体积的装置，其特征在于：所述开口(21)能够放入待测的不规则物体即可。
7.一种以权利要求1所述的装置测量不规则物体体积的方法，其特征在于：在恒温T下进行测量，包括以下步骤：
S10：通过气罐内的理想气体对压力箱A、压力箱B内进行气体置换净化，在压力箱A、压力箱B内形成理想气体环境，阀门A、阀门B、阀门C、盖板关闭，使压力箱
A、压力箱B各自密闭；压力箱B的空箱容积记为VB，此时，压力箱B内的温度记为TB，留存的理想气体的物质的量为nB，读取压力计B测得的压强PB，压力箱B中理想气体方程为：
PBVB＝nBRTB 式(1)；
S20：打开盖板，将体积为VM的待测的不规则物体M放入压力箱A内并关闭盖板，打开阀门A，通过真空泵对压力箱A内抽真空，当压力箱A内的压强小于压力箱B内的压强后，关闭阀门A；压力箱A的空箱容积记为VA，此时，压力箱A内的温度记为TA，留存的理想气体的物质的量为nA，读取压力计A测得的压强PA，压力箱A中理想气体方程为：
PA(VA－VM)＝nARTA 式(2)；
S30：打开阀门B，当压力箱A内的压强与压力箱B内的压强相等并稳定后，读取此时的压强PN，压力箱A和压力箱B的连通体中理想气体方程为：
PN(VA+VB－VM)＝(nA+nB)RTN 式(3)；
S40：通过式(1)、式(2)、式(3)，以及TB＝TA＝TN＝T，求得VM＝[PAVA+PBVB－PN(VA+VB)]/(PA－PN)；
以上的式(1)、式(2)、式(3)中，R为理想气体常数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤S10具体为：打开阀门A和阀门B、关闭阀门C和盖板，通过真空泵对压力箱A、压力箱B内抽真空一段时间，而后关闭阀门A、打开阀门C，通过气罐向压力箱A、压力箱B中充入理想气体，如此反复，至压力箱A、压力箱B内均为理想气体环境，从而完成对压力箱A、压力箱B内气体置换净化，并在压力箱A、压力箱B内存留有理想气体，阀门A、阀门B、阀门C、盖板关闭，使压力箱A、压力箱B各自密闭，读取压力计B测得的压强PB。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：当压力箱A、压力箱B的空箱容积相等均记为V，且当PB为1个标准大气压P，步骤S20对压力箱A内抽真空使PA为PB的1/2时，VM＝(1.5P－2PN)V/(0.5P－PN)。
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