CN109100261B - 一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法及装置，将物体放入到密闭容器内，测出连续改变密闭容器体积时对应的电压值；计算相邻状态下气体体积之比λ_V=(V_i‑V_x)/(V_j‑V_x)和电压差值∆U=U_j‑U_i，建立λ_V和∆U之间的线性函数关系式，将若干份试样分别放入密闭容器内，通过改变密闭容器体积测出对应的电压值，将相邻状态的气体体积V_i、V_j和∆U代入V_x=V_j+∆V/(A+B∆U‑1)，∆V=V_j‑V_i，分别得到试样的多组体积V_x；再测试样质量，便得到试样的真密度。本发明解决了小麦麸皮及其结构层真密度测量的难题，其测量更加精准。

Description

一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法及装置

技术领域

本发明涉及密度测量技术领域，具体涉及一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法及装置。

背景技术

利用超微粉碎技术对小麦麸皮进行深加工具有广阔的应用前景。在超微粉碎过程中，小麦麸皮及其结构层的粉碎性能受粉碎形式、粉碎载荷、研磨介质、粉碎温度等诸多因素的影响，利用粉碎实验难以观测到小麦麸皮及其结构层的破碎过程，更无法从细胞层面揭示其破碎规律。从细胞层面来看，小麦麸皮超微粉碎具有典型的高速高度非线性特征，借助非线性有限元数值模拟软件LS-DYNA探索小麦麸皮的破碎机理具有显著优势。

利用LS-DYNA分析小麦麸皮及其结构层的粉碎性能，首先应确定小麦麸皮及其结构层的密度参数，然后建立几何模型和有限元模型，最后进行加载求解。但目前还未找到关于小麦麸皮及其结构层密度参数的相关报道。小麦麸皮及其结构层在几何形态上具有不规则性，在物理特性上具有吸湿性，理论上无法利用常规的排水法进行测量。而基于理想气体状态方程的气体法可用于可溶性、吸湿性、形状不规则物质的密度测量，但直接利用玻马定律得到的真密度准确度较低，主要原因在于基于压强传感器搭建的实验测试装置存在诸多不确定性因素，而根据压强传感器的电压-压强标定表得到的压强误差也较大。

公开号为205941259U的实用新型涉及一种大体积物体表观密度测试器具，主要应用在实验室和生产现场对笨重的、不规则的、体积大的物体物(6)理参数测定。大水箱(1)蓄积一定的水量，支架板(3)横跨搭放在大水箱(1)上沿，把标准称(2)放在支架板(3)中部，方铁棍(4)放在标准称上清零，两根线绳(5)一头分别系在方铁棍(4)两端，另一头系在大体积物体(6)上，将大体积物体(6)吊入水中称重。该测量装置不能适用于本申请所要测量的小麦麸皮。

公开号为107748117A的发明公开了一种粉料密度在线测量装置。该装置的壳体的一侧部设置有开关门，壳体内设置有第一撑板和第二撑板，第一水平向伸缩气缸及第二水平向伸缩气缸均设置在第一撑板上，第一水平向伸缩气缸的伸缩端安装在接料斗的侧部，接料斗的上下两端为敞口式设置，接料斗的下端通过堵料板密封，第一翻转气缸安装在接料斗的外侧壁上，堵料板安装在第一翻转气缸的输出端上，量具设置在接料斗的正下方，刮板安装在第二水平向伸缩气缸的伸缩端上，第二称重传感器安装在第二撑板上，第二翻转气缸安装在第二称重传感器上，量具安装在第二翻转气缸的输出端上。该发明无法测得小麦麸皮及其结构层真密度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法及装置，利用相邻状态下气体体积之比λ_V与电压差值∆U之间的线性函数关系识别小麦麸皮及其结构层试样体积，测出麸皮试样质量，代入密度公式即可得到真密度参数。

为解决上述问题，本发明提供一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，包括如下步骤：

S1、将具有规则形状的物体放入到具有体积刻度的实验测试装置的密闭容器内，利用万用表测出连续改变密闭容器体积时所对应的电压值；

S2、计算相邻状态下气体体积之比λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)和电压差值∆U=U_j-U_i，利用一元线性回归方法建立λ_V和∆U之间的线性函数关系式，即λ_V=A+B∆U；

S3、将若干份手工剥离的小麦麸皮及其结构层试样分别放入密闭容器内，通过改变密闭容器体积测出对应的电压值，将相邻状态的气体体积Vi、Vj和∆U代入V_x=V_j+∆V/(A+B∆U-1)，∆V=V_j-V_i，分别得到小麦麸皮及其结构层试样的多组体积V_x；

S4、再利用电子天平测出小麦麸皮及其结构层试样的质量m，将体积V_x代入密度公式ρ=m/V_x即得到多组小麦麸皮及其结构层试样的真密度，取平均值，得到小麦麸皮及其结构层的真密度参数。

进一步的，步骤S1中所选用的规则形状的物体为球形物体。

进一步的，利用标准体积物体进行关系式λ_V=A+B∆U的参数A、B实验识别，建立相邻状态气体体积之比λ_V和∆U之间的线性函数关系式，包括：选取形状规则的物体放入到气体密闭容器内，按照体积实验步长∆V依次改变气体密闭容器内的气体体积，利用万用表测量对应的电压值，计算λ_V和∆U、画出散点图，利用一元线性回归方法识别出A、B值以及拟合优度判定系数R²。

进一步的，气体密闭容器容积和体积实验步长∆V之间的匹配关系对λ_V=A+B∆U具有重要影响，包括：根据λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)可得λ_V=1+∆V /(V_j-V_x)；假定被测小麦麸皮试样体积已知，可得不同体积步长∆V时气体密闭容器容积V_j与λ_V之间的函数关系曲线；又根据λ_V=A+B∆U可知，λ_V与V_j之间本质上存在线性关系，选择气体密闭容器容积V_j和体积实验步长∆V时应在曲线λ_V的线性段取值。

一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的装置，包括气体密闭容器及对应所述气体密闭容器设置的辅助加载机构、高精度万用表、气体压强传感器模块、5V直流电源，所述气体密闭容器与气体压强传感器模块之间用塑料气管连接；所述5V直流电源与气体压强传感器模块导线连接，所述高精度万用表与所述气体压强传感器模块导线连接。

进一步的，所述气体密闭容器设置在下板上方，所述下板向上设置短套筒，所述短套筒上端设置中板，所述中板向上设置长套筒，所述长套筒上端设置上板，所述下板和中板通过穿过短套筒的短螺栓固定连接，所述中板和上板通过穿过长套筒的长螺栓固定连接，所述上板中心设置穿过所述上板的螺旋升降杆，所述螺旋升降杆上端设置手轮，所述螺旋升降杆下端设置推力轴承，所述推力轴承下端设置推杆，所述推杆的下端设置与所述气体密闭容器配合的活塞，所述中板中心设置通过孔。

进一步的，上述装置不仅能够测量小麦麸皮及其结构层的真密度参数，还可以测量可溶性、吸湿性、形状不规则固体物质的真密度参数，包括粮食颗粒与粉体，以及其他行业的颗粒与粉体状固体物质。

本发明的技术原理：以小麦麸皮为例，首先在测量精度为1毫克的电子天平上测量出所取小麦麸皮试样质量m。忽略由于压强改变引起的气体温度变化以及被测物体的体积变化。对于总质量不变的气体，其压强与体积之积为常量。假设麸皮总体积为V_x，将麸皮置于密闭容器中，容器内初始气体压强为P_i、初始气体与麸皮总体积为V_i；改变密闭容器体积后，后来容器内气体压强为P_j，气体与麸皮总体积为V_j。根据玻马定律可得P_j/P_i=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)。密闭容器内部的气体压强采用气体压强传感器间接测量，容器体积变化前后的内部压强与传感器输出电压差值之间存在线性关系：P_j/P_i=A+B∆U，其中A表示偏移量，B表示线性系数，∆U=U_j-U_i，则有λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)=A+B∆U，λ_V表示相邻状态气体体积之比。如果λ_V与∆U的线性关系成立且参数A、B已知，实验时只需记录i、j相邻两种状态下气体和麸皮试样的总体积V_i、V_j以及对应的电压值U_i、U_j，即可求得麸皮试样的体积V_x。将小麦麸皮试样质量m与V_x相除即可得到真密度参数。∆V=V_j-V_i是指相邻状态下气体体积改变量，如V₂-V₁,V₃-V₂,V₄-V₃…等等。实验测试时，为了方便数据处理，将这些体积改变量人为定为相等，如1ml，1.5ml都行。i、j可变，但∆V不变，称之为体积实验步长。

气体压强传感器模块电源输入端口的正极与5V直流电源的正极连接；气体压强传感器模块电源输入端口的负极、5V直流电源的负极与万用表黑表笔连接；气体压强传感器模块的信号输出端口与万用表红表笔连接；气体压强传感器模块的气体输入接口与密闭容器的输出接口通过塑料气管连通。

根据本发明所提供的实验测试装置，通过旋转辅助加载机构的手轮，螺旋升降杆将推动密闭容器推杆，实现密闭容器容积的改变并能够根据刻度值记录其容积改变前后的体积V_i与V_j，并能够以此计算出∆V。

根据本发明所提供的实验测试装置，通过与气体压强传感器模块连接的万用表，可以记录密闭容器内容积改变前后的电压值U_i与U_j，并能够以此计算出∆U。

根据本发明所述的测量方法与实验测试装置能够测量出小麦麸皮及其结构层等吸水性、可溶性或形状不规则固体物质的真密度。

本发明提供的测量方法及装置解决了小麦麸皮及其结构层真密度测量的难题，其测量更加精准，且整个装置无昂贵构件、体积较小，利于搬运和操作，实施效果很好。

附图说明

图1是本发明所提供的小麦麸皮及其结构层真密度测量方法实施的流程示意图；

图2是本发明所提供的小麦麸皮试样体积实验测量装置连接示意图；

图3是本发明所提供的适用于本实验测量装置的辅助加载机构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-3，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提供了一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，包括如下步骤：

S1、将具有规则形状的物体放入到具有体积刻度的实验测试装置的密闭容器内，利用万用表测出连续改变密闭容器体积时所对应的电压值；

S2、计算相邻状态下气体体积之比λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)和电压差值∆U=U_j-U_i，利用一元线性回归方法建立λ_V和∆U之间的线性函数关系式，即λ_V=A+B∆U；

S3、将若干份手工剥离的小麦麸皮及其结构层试样分别放入密闭容器内，通过改变密闭容器体积测出对应的电压值，将相邻状态的气体体积V_i、V_j和∆U代入V_x=V_j+∆V/(A+B∆U-1)，∆V=V_j-V_i，分别得到小麦麸皮及其结构层试样的多组体积V_x；

S4、再利用电子天平测出小麦麸皮及其结构层试样的质量m，将体积V_x代入密度公式ρ=m/V_x即得到多组小麦麸皮及其结构层试样的真密度，取平均值，得到小麦麸皮及其结构层的真密度参数。

步骤S1中所选用的规则形状的物体为球形物体。

利用标准体积物体进行关系式λ_V=A+B∆U的参数A、B实验识别，建立相邻状态气体体积之比λ_V和∆U之间的线性函数关系式，包括：选取形状规则的物体放入到密闭容器气体密闭容器内，按照体积实验步长∆V依次改变气体密闭容器内气体体积，利用万用表测量对应的电压值，计算λ_V和∆U、画出散点图，利用一元线性回归方法识别出A、B值以及拟合优度判定系数R²。

气体密闭容器容积和体积实验步长∆V之间的匹配关系对λ_V=A+B∆U具有重要影响，包括：根据λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)可得λ_V=1+∆V/(V_j-V_x)；假定被测小麦麸皮试样体积已知，可得不同体积步长∆V时气体密闭容器容积V_j与λ_V之间的函数关系曲线；又根据λ_V=A+B∆U可知，λ_V与V_j之间本质上存在线性关系，选择气体密闭容器容积V_j和体积实验步长∆V时应在曲线λ_V的线性段取值。

实施例二，

本实施例提供了一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的装置，包括气体密闭容器2及对应所述气体密闭容器2设置的辅助加载机构1、高精度万用表3、气体压强传感器模块7、5V直流电源6，所述气体密闭容器2与气体压强传感器模块7之间用塑料气管5连接；所述5V直流电源6与气体压强传感器模块7导线连接，所述高精度万用表3与所述气体压强传感器模块7导线连接。

所述气体密闭容器2设置在下板1-13上方，所述下板1-13向上设置短套筒1-11，所述短套筒1-11上端设置中板1-10，所述中板1-10向上设置长套筒1-5，所述长套筒1-5上端设置上板1-4，所述下板1-13和中板1-10通过穿过短套筒1-11的短螺栓1-14固定连接，所述中板1-10和上板1-4通过穿过长套筒1-5的长螺栓1-3固定连接，所述上板1-4中心设置穿过所述上板1-4的螺旋升降杆1-2，所述螺旋升降杆1-2上端设置手轮1-1，所述螺旋升降杆1-2下端设置推力轴承1-6，所述推力轴承1-6下端设置推杆1-8，所述推杆1-8的下端设置与所述气体密闭容器2配合的活塞，所述中板1-10中心设置通过孔1-9。

辅助加载机构为对应气体密闭容器设置的，用于调节气体密闭容器的容积，塑料气管将气体密闭容器内的气体压力导向压强传感器，压强传感器输出的电压信号输送至万能表，5V直流电源对压强传感器进行供电。气体密闭容器采用筒状结构，上板中心有与螺旋升降杆配合的螺纹孔，通过旋转来推动活塞，将密闭容器推杆的直线移动转化为螺旋转动，降低改变容器气体体积时人手的颤抖，提高电压值读数的稳定性。长套筒和短套筒与长螺栓和短螺栓配合，用于固定连接上板与中板以及中板与下板，推力轴承使得螺旋升降杆的旋转不会对推杆造成影响。

上述装置不仅能够测量小麦麸皮及其结构层的真密度参数，还可以测量可溶性、吸湿性、形状不规则固体物质的真密度参数，包括粮食颗粒与粉体，以及其他行业的颗粒与粉体状固体物质。

实施例三，

本实施例进行一次实验性测量，所选气体密闭容器1-12体积为10ml，体积实验步长为1ml。密闭容器1-12用塑料气管3连接到气体压强传感器模块2，5V直流电源4与压强传感器模块2的V_dd和GND引脚用导线进行连接，高精度万用表5红黑测量笔与气体压强传感器模块2的OUT和GND引脚进行连接，小麦麸皮试样6放入气体密闭容器1-12内。下面结合图3所示测量流程说明利用本发明所提方法及实验测试装置测量小麦麸皮试样真密度的具体过程。

步骤S1：选取Φ9氧化锆磨介球作为标准体积试样实验识别关系式λ_V= (V_i-V_x)/(V_j-V_x) =A+B∆U中的A、B值。将3颗氧化锆磨介球放到密闭容器中，利用辅助加载机构改变密闭容器内气体与磨介球总体积，测量总体积为9ml、8ml、7ml、6ml、5ml时的电压值。

步骤S2：将相邻体积所对应的电压值依次相减得到电压差值∆U；将磨介球体积V_x代入关系式的左端，依次得到理论气体体积之比λ_V；利用散点图确定λ_V与△U之间的线性关系，利用一元线性回归方法识别出A、B值以及拟合优度判定系数R²，得到λ_V与∆U之间的函数关系式。

步骤S3：将小麦麸皮试样装入密闭容器内，测出小麦麸皮试样与密闭容器内气体的总体积为9ml、8ml、7ml、6ml、5ml时的电压值，将计算得到的∆U代入λ_V与∆U之间的函数关系式，得到λ_V；又根据λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)，将λ_V、V_i、V_j代入关系式即可求得多组相邻状态下的小麦麸皮试样体积V_x。

步骤S4：利用精度为1毫克的电子天平测量小麦麸皮试样的质量m，与步骤S3得到小麦麸皮试样体积V_x相除，即可得到多组小麦麸皮及其结构层的真密度。为消除实验误差，对真密度取平均值。

将小麦麸皮外果皮和糊粉层试样分别装入密闭容器内，按照S1～S4所述步骤即可测出外果皮和糊粉层试样的真密度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将具有规则形状的物体放入到具有体积刻度的实验测试装置的气体密闭容器内，利用万用表测出连续改变气体密闭容器体积时所对应的电压值，V_x为小麦麸皮及其结构层试样的体积，V_i为i时刻的气体体积，V_j为j时刻的气体体积，U_i为i时刻的电压值，U_j为j时刻的电压值；

S2、计算相邻状态下气体体积之比λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)和电压差值∆U=U_j-U_i，利用一元线性回归方法建立λ_V和∆U之间的线性函数关系式，即λ_V=A+B∆U；

S3、将若干份手工剥离的小麦麸皮及其结构层试样分别放入气体密闭容器内，通过改变气体密闭容器体积测出对应的电压值，将相邻状态的气体体积V_i、V_j和∆U代入V_x=V_j+∆V/(A+B∆U-1)，∆V=V_j-V_i，分别得到小麦麸皮及其结构层试样的多组体积V_x；

S4、再利用电子天平测出小麦麸皮及其结构层试样的质量m，将体积V_x代入密度公式ρ=m/V_x即得到多组小麦麸皮及其结构层试样的真密度，取平均值，得到小麦麸皮及其结构层的真密度参数。

2.如权利要求1所述的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：步骤S1中所选用的规则形状的物体为球形物体。

3.如权利要求1所述的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：利用标准体积物体进行关系式λ_V=A+B∆U的参数A、B实验识别，建立相邻状态气体体积之比λ_V和∆U之间的线性函数关系式，包括：选取形状规则的物体放入到密闭容器气体密闭容器内，按照体积实验步长∆V依次改变密闭容器内气体体积，利用万用表测量对应的电压值，计算λ_V和∆U、画出散点图，利用一元线性回归方法识别出A、B值以及拟合优度判定系数R²。

4.如权利要求3所述的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：气体密闭容器容积和体积实验步长∆V之间的匹配关系对λ_V=A+B∆U具有重要影响，包括：根据λ_V=(V_i-V_x)/(V_j-V_x)可得λ_V=1+∆V/(V_j-V_x)；假定被测小麦麸皮试样体积已知，可得不同体积步长∆V时气体密闭容器容积V_j与λ_V之间的函数关系曲线；又根据λ_V=A+B∆U可知，λ_V与V_j之间本质上存在线性关系，选择气体密闭容器容积V_j和体积实验步长∆V时应在曲线λ_V的线性段取值。

5.如权利要求1-4任一项的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：采用测量小麦麸皮及其结构层真密度的装置，包括气体密闭容器及对应所述气体密闭容器设置的辅助加载机构、高精度万用表、气体压强传感器模块、5V直流电源，所述气体密闭容器与气体压强传感器模块之间用塑料气管连接；所述5V直流电源与气体压强传感器模块导线连接，所述高精度万用表与所述气体压强传感器模块导线连接。

6.如权利要求5所述的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：所述气体密闭容器设置在下板上方，所述下板向上设置短套筒，所述短套筒上端设置中板，所述中板向上设置长套筒，所述长套筒上端设置上板，所述下板和中板通过穿过短套筒的短螺栓固定连接，所述中板和上板通过穿过长套筒的长螺栓固定连接，所述上板中心设置穿过所述上板的螺旋升降杆，所述螺旋升降杆上端设置手轮，所述螺旋升降杆下端设置推力轴承，所述推力轴承下端设置推杆，所述推杆的下端设置与所述气体密闭容器配合的活塞，所述中板中心设置通过孔。

7.如权利要求5所述的测量小麦麸皮及其结构层真密度的方法，其特征在于：上述装置不仅能够测量小麦麸皮及其结构层的真密度参数，还可以测量可溶性、吸湿性、形状不规则固体物质的真密度参数，包括粮食颗粒与粉体，以及其他行业的颗粒与粉体状固体物质。

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