CN109916467A - 一种容积测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种容积测定系统及方法。该系统包括：活塞容器阵列，包括以并联方式相连且直径不等的一个或多个活塞容器；切换阀，用于选择性地切换至一选定活塞容器，以使选定活塞容器通过第一隔离阀与具有待测容积的待测物相连；参比活塞容器，通过第二隔离阀与待测物相连；真空阀；进气阀；阀门控制系统，用于控制第一隔离阀、第二隔离阀、真空阀和进气阀的启闭；第一压力传感器；第二压力传感器；数据采集装置，用于采集选定活塞容器和参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值；数据处理装置，用于根据数据采集装置采集的数据来获得待测物、第一隔离阀和/或第二隔离阀的容积。

Description

一种容积测定系统及方法

技术领域

本发明涉及分析仪器技术领域，特别是涉及一种容积测定系统及方法，适用于复杂管路或不规则形状容器的容积测定。

背景技术

天然或人造多孔材料的分析表征仪器广泛地应用于化工催化、环保、建材以及油气资源勘探开发等领域。许多多孔材料的性质，如孔隙度、吸附特性、比表面积、渗透率及扩散系数等参数的表征与分析过程，在基本原理上依赖于各类气体与材料本身相互作用。作为各类气体与多孔材料的放置空间，不规则几何形态的容器以及连接它们的管路、阀门是相关的分析仪器的重要组成部分。在分析测试过程中，通常需要预先精确测定各类容器、管路及阀门的容积，作为测量的已知常数。容器、管路与阀门等器件容积标定的准确性，直接影响分析仪器的测量精度与可靠性。

目前，不规则腔体及其连通管路容积的测量方法主要是气体膨胀法。已知初始压力为p1的待测容器、管路与容积已知、初始压力为p2的标准容器通过平衡阀隔开，打开平衡阀后两容器最终将达到压力平衡，基于平衡压力的测量值pe计算得到待测容器容积。

然而，已有测量技术存在以下不足：

1)已有气体膨胀法测量通常只采取初始与最终两个状态下的压力作为容积计算依据，压力测量的随机误差对测量结果影响较大。若需要通过多次重复测量减小随机误差，则需要反复充气与抽真空，实验操作繁琐。

2)基于简单气体膨胀原理的测量过程，平衡阀的打开过程不可避免地会引起管容积的增大，导致被测容器的容积测量值偏高，尤其是当被测容器容积较小、以至于与阀门开闭引起的容积变化量可比时，会引入严重的系统误差；

3)待测容器的容积测量依赖于另一个标准容器或标准容积块，测量系统的量程与精度受标准容器或标准容积块的容积及标定精度影响。此外，标准容器系统需要额外测量容器与平衡阀之间连接管路的容积；标准容积块系统测量系统在测量一个待测容器容积时，需要在参比容器中装填与移除标准块后实施两次气体膨胀实验过程，操作非常繁琐，且难以保证两次管路装配时系统容积不变。

4)基于传统容积膨胀原理的测量，需要配备真空泵或高压气源，驱动气体膨胀过程，系统十分复杂。

5)已有气体膨胀法测量系统，没有设置严格的恒温体系，实验室温度波动会引起严重的系统误差。

发明内容

本发明的一个目的是要提高待测物的容积测定的精准度。

本发明的另一个目的是要尽可能减小阀门开闭与温度波动对容积测定系统引起误差的情况。

本发明的再一个目的是要减小系统的复杂度以及操作过程的繁琐度。

特别地，本发明提供了一种容积测定系统，包括恒温室以及设置在所述恒温室内的容积测定装置，所述容积测定装置包括：

活塞容器阵列，包括以并联方式相连且直径不等的多个活塞容器；

切换阀，用于选择性地切换至一选定活塞容器，以使所述选定活塞容器通过第一隔离阀与具有待测容积的待测物相连，其中，所述待测物为复杂管路或不规则形状容器；

参比活塞容器，通过第二隔离阀与所述待测物相连；

真空阀，与所述第一隔离阀相连；

进气阀，与所述切换阀和所述第一隔离阀均相连；

阀门控制系统，用于控制所述第一隔离阀、所述第二隔离阀、所述真空阀和所述进气阀的启闭；

第一压力传感器，设置在所述第一隔离阀和所述真空阀之间；

第二压力传感器，设置在所述第二隔离阀远离所述待测物的一端；

数据采集装置，用于在所述阀门控制系统对各个阀启闭的控制下，采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的所述第一压力传感器和所述第二压力传感器采集的压力值；

数据处理装置，用于根据所述数据采集装置采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积。

可选地，所述数据处理装置配置成在所述第一隔离阀缓慢关闭且所述第二隔离阀开启时，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

再在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变时，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

再在所述第二隔离阀缓慢关闭时，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3；

根据公式V_x＝V_m3-V_m2+V_m1计算获得所述待测物的容积V_x。

可选地，所述数据处理装置配置成在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之后、且所述第二隔离阀缓慢关闭之前，所述第一隔离阀缓慢关闭后对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4；

根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得所述第一隔离阀的内部容积V_v1；

可选地，所述数据处理装置配置成在所述第一隔离阀缓慢关闭之后、且保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之前，所述第二隔离阀缓慢关闭后对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5；

根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得所述第二隔离阀的内部容积V_v2。

特别地，本发明还提供了一种基于上述的容积测定系统的容积测定方法，包括如下步骤：

关闭进气阀，并开启真空阀、第一隔离阀和第二隔离阀，调整切换阀档位，以从多个活塞容器中选择出一选定活塞容器与容积测定系统相连通，并对所述容积测定系统抽真空；

调整参比活塞容器和所述选定活塞容器的活塞位置，使所述参比活塞容器与待测物的总容积与所述选定活塞容器的容积大致相等；

对所述真空阀、所述第一隔离阀、所述第二隔离阀和进气阀分别进行启闭控制，并采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值；

根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积。

可选地，所述对所述真空阀、所述第一隔离阀、所述第二隔离阀和进气阀分别进行启闭控制，并采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值，包括如下步骤：

关闭所述真空阀，打开进气阀，以将所述容积测定系统增压至预设压力；

缓慢关闭所述第一隔离阀，保持所述第二隔离阀开启，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

缓慢关闭所述第二隔离阀，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3。

可选地，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_x＝V_m3-V_m2+V_m1计算获得所述待测物的容积V_x。

可选地，在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之后、缓慢关闭所述第二隔离阀之前，还包括如下步骤：

缓慢关闭所述第一隔离阀；

对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4；

可选地，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得所述第一隔离阀的内部容积V_v1；

可选地，在缓慢关闭所述第一隔离阀，保持所述第二隔离阀开启之后、保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之前，还包括如下步骤：

缓慢关闭所述第二隔离阀；

对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5；

可选地，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得所述第二隔离阀的内部容积V_v2。

可选地，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1，包括如下步骤：

对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第二隔离阀容积V_v2和所述待测物容积V_x的总和V_v2+V_x，以及所述参比活塞容器的初始容积V₀₀；

测量压缩或后退行程测定结束后所述参比活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_0f；

根据公式V_m1＝V₀₀+V_v2+V_x-ΔV_0f计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

可选地，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2，包括如下步骤：

对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第一隔离阀容积V_v1和所述第一测量单元容积V_m1的总和V_v1+V_m1，以及所述选定活塞容器的初始容积V_k0；

测量压缩或后退行程测定结束后所述选定活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_kf；

根据公式V_m2＝V_k0+V_v1+V_m1-ΔV_kf计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

可选地，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3，包括如下步骤：

对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第一隔离阀容积V_v1和所述待测物V_x的总和V_v1+V_x，以及所述选定活塞容器的初始容积V_k0；

根据公式V_m3＝V_k0+V_v1+V_x-ΔV_kf计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3；

可选地，在对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4的步骤中，按照公式V_m4＝V_k0-ΔV_kf计算获得述选定活塞容器的容积V_m4；

可选地，对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5的步骤中，按照公式V_m5＝V₀₀-ΔV_0f计算获得述选定活塞容器的容积V_m5。

可选地，对所述第一测量单元、所述第二测量单元以及所述第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，获取隔离阀容积V_v和待测物容积V_x的总和V_v+V_x，以及活塞容器的初始容积V₀包括如下步骤：

开启隔离阀，将活塞容器和待测物连通，并抽真空；

向由所述隔离阀、所述活塞容器和所述待测物构成的测量单元中充气至压力为P₀，同时记录此时所述活塞容器的初始位置X₀；

保持所述隔离阀开启，在所述活塞容器的第一行程中取的多个位置，同时记录所述活塞容器位置X_i变化时对应的压力读数P_i；

关闭所述隔离阀，在所述活塞容器的第二行程中取的多个位置，同时记录所述活塞容器位置X_i’变化时对应的压力读数P_i’，所述第二行程与所述第一行程中所述活塞容器移动的方向相反；

按照以下公式计算所述第一行程和所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i和ΔV_i’，

ΔV_i＝(X_i-X₀)*A

ΔV_i’＝(X_i’-X₀)*A

其中，A为活塞组件的腔体的截面积；

计算获得所述第一行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i对应的P_i以及所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i’对应的P_i’；

将测试时的数据点(ΔV_i,P_i)和(ΔV_i’,P_i’)整理成上行曲线和下行曲线；

分别对所述上行曲线和所述下行曲线进行拟合，从而获得所述活塞容器的初始容积V₀以及隔离阀容积V_v与待测物容积V_x的总和V_v+V_x；

可选地，对所述第一测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第二隔离阀，所述活塞容器是指所述参比活塞容器；

可选地，对所述第二测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第一隔离阀和所述第二隔离阀，所述活塞容器是指所述选定活塞容器和所述参比活塞容器；

可选地，对所述第三测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第一隔离阀，所述活塞容器是指所述选定活塞容器。

可选地，所述计算获得所述第一行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i对应的压力P_i以及所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i’对应的压力P_i’，按照如下公式计算获得压力P_i和P_i’：

其中，P_f为所述第一行程结束后压力，ΔV_f为所述第一行程结束后所述活塞容器的容积变化。

根据本发明方案，针对具有未知容积的复杂管路与不规则形状容器，实现了容积适配、一次装配、多次测量的目的，并且可以基于大量的压力-容积数据，拟合回归获得准确的待测容积。该容积测量系统易于实现全自动化测量，避免了使用标准容器、标准容积块，是基于精密的压力传感和及活塞位移测量的系统，从而可以获得可信的测量结果，不确定度容易分析。并且，该方案可以根据需要准确测量获得隔离阀的内部容积，从而可以排除由隔离阀启闭引起的容积变化量导致系统测量误差的现象。此外，由于容积测定装置是设置在恒温室的，由此避免实验室温度波动对系统误差的严重影响。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的容积测定系统的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的容积测定系统的容积测定方法的示意性流程图；

图3示出了图2所示步骤S300的示意性流程图；

图4示出了图3所示步骤S320的示意性流程图；

图5示出了图3所示步骤S330的示意性流程图；

图6示出了图3所示步骤S340的示意性流程图；

图7示出了获取隔离阀容积V_v和待测物容积V_x的总和V_v+V_x，以及活塞容器的初始容积V₀的示意性流程图；

图8(a)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在初始状态中的示意性原理图；

图8(b)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在压缩行程中的示意性原理图；

图8(c)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在后退行程中的示意性原理图；

图9示出了图7所示的容积测定方法中步骤S7中上行曲线和下行曲线的示意图；

图中：1-恒温室，2-活塞容器阵列，21-活塞容器，3-切换阀，4-第一隔离阀，5-参比活塞容器，6-第二隔离阀，7-真空阀，8-进气阀，9-阀门控制系统，10-第一压力传感器，11-第二压力传感器，12-待测物。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的容积测定系统的示意性结构图。如图1所示，该容积测定系统包括恒温室1以及设置在恒温室1内的容积测定装置。该容积测定装置包括活塞容器阵列2、切换阀3、第一隔离阀4、参比活塞容器5、第二隔离阀6、真空阀7、进气阀8、阀门控制系统9、第一压力传感器10、第二压力传感器11、数据采集装置(图中未示出)和数据处理装置(图中未示出)。

该活塞容器阵列2包括以并联方式相连且直径不等的多个活塞容器21。该活塞容器21可以为圆柱形精密活塞容器21。该活塞容器21包括驱动电机、丝杠、位置传感器以及由所述驱动电机驱动的活塞组件。活塞组件可以在驱动电机的驱动下平稳地进行往复运动，且具有优良的气体密封性能。位置传感器为高精度位置传感器，其可以为基于光学或声学等原理的位置传感器。该驱动电机为步进电机或伺服电机，但并不限于此。

该切换阀3用于选择性地切换至一选定活塞容器21，以使选定活塞容器21通过第一隔离阀4与具有待测容积的待测物12相连，其中，待测物12为复杂管路或不规则形状容器。该切换阀3例如可以选择为多通球阀。

该参比活塞容器5通过第二隔离阀6与待测物12相连。真空阀7与第一隔离阀4相连。进气阀8与切换阀3和第一隔离阀4均相连。该第一隔离阀4、第二隔离阀6、真空阀7和进气阀8例如均可以选择具有良好密封性能的球阀、截止阀等。

该阀门控制系统9用于控制第一隔离阀4、第二隔离阀6、真空阀7和进气阀8的启闭。第一压力传感器10设置在第一隔离阀4和真空阀7之间。第二压力传感器11设置在第二隔离阀6远离待测物12的一端。

该数据采集装置用于在阀门控制系统9对各个阀启闭的控制下，采集选定活塞容器21和参比活塞容器5在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器10和第二压力传感器11采集的压力值。该数据处理装置用于根据数据采集装置采集的数据来获得待测物12、第一隔离阀4和/或第二隔离阀6的容积。

该数据处理装置配置成在第一隔离阀4缓慢关闭且第二隔离阀6开启时，对由参比活塞容器5、第二隔离阀6以及待测物12构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第一测量单元的总容积V_m1；再在保持第二隔离阀6开启且参比活塞容器5的活塞位置不变时，对由选定活塞容器21、第一隔离阀4以及第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第二测量单元的总容积V_m2；再在第二隔离阀6缓慢关闭时，对由选定活塞容器21、第一隔离阀4以及待测物12构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第三测量单元的总容积V_m3；根据公式V_x＝V_m3-V_m2+V_m1计算获得待测物12的容积V_x。

该数据处理装置配置成在保持第二隔离阀6开启且参比活塞容器5的活塞位置不变之后、且第二隔离阀6缓慢关闭之前，第一隔离阀4缓慢关闭后对选定活塞容器21进行压缩或后退行程的测定，并计算获得选定活塞容器21的容积V_m4；根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得第一隔离阀4的内部容积V_v1。

该数据处理装置配置成在第一隔离阀4缓慢关闭之后、且保持第二隔离阀6开启且参比活塞容器5的活塞位置不变之前，第二隔离阀6缓慢关闭后对参比活塞容器5进行压缩或后退行程的测定，并计算获得参比活塞容器5的容积V_m5；根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得第二隔离阀6的内部容积V_v2。

该数据采集装置以及数据处理装置具体执行方法在以下容积测定方法的步骤中详细说明，此处不再赘述。

根据本发明方案，针对具有未知容积的复杂管路与不规则形状容器，实现了容积适配、一次装配、多次测量的目的，并且可以基于大量的压力-容积数据，拟合回归获得准确的待测容积。该容积测量系统易于实现全自动化测量，避免了使用标准容器、标准容积块，是基于精密的压力传感和及活塞位移测量的系统，从而可以获得可信的测量结果，不确定度容易分析。并且，该方案可以根据需要准确测量获得隔离阀的内部容积，从而可以排除由隔离阀启闭引起的容积变化量导致系统测量误差的现象。此外，由于容积测定装置是设置在恒温室1的，由此避免实验室温度波动对系统误差的严重影响。

图2示出了根据本发明一个实施例的容积测定系统的容积测定方法的示意性流程图。如图2所示，该容积测定方法包括：

步骤S100，关闭进气阀，并开启真空阀、第一隔离阀和第二隔离阀，调整切换阀档位，以从多个活塞容器中选择出一选定活塞容器与容积测定系统相连通，并对容积测定系统抽真空；

步骤S200，调整参比活塞容器和选定活塞容器的活塞位置，使参比活塞容器与待测物的总容积与选定活塞容器的容积大致相等；

步骤S300，对真空阀、第一隔离阀、第二隔离阀和进气阀分别进行启闭控制，并采集选定活塞容器和参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值；

步骤S400，根据所采集的数据来获得待测物、第一隔离阀和/或第二隔离阀的容积。

图3示出了图2所示步骤S300的示意性流程图。如图3所示，步骤S300包括：

步骤S310，关闭真空阀，打开进气阀，以将容积测定系统增压至预设压力；

步骤S320，缓慢关闭第一隔离阀，保持第二隔离阀开启，对由参比活塞容器、第二隔离阀以及待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第一测量单元的总容积V_m1；

步骤S330，保持第二隔离阀开启且参比活塞容器的活塞位置不变，对由选定活塞容器、第一隔离阀以及第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第二测量单元的总容积V_m2；

步骤S340，缓慢关闭第二隔离阀，对由选定活塞容器、第一隔离阀以及待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前第三测量单元的总容积V_m3。

上述步骤S400中，根据公式V_m3-V_m2+V_m1来计算获得待测物的容积V_x。

图4示出了图3所示步骤S320的示意性流程图。如图4所示，该步骤S320包括：

步骤S321，对由参比活塞容器、第二隔离阀以及待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得第二隔离阀容积V_v2和待测物容积V_x的总和V_v2+V_x，以及参比活塞容器的初始容积V₀₀；

步骤S322，测量压缩或后退行程测定结束后参比活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_0f；

步骤S323，根据公式V_m1＝V₀₀+V_v2+V_x-ΔV_0f计算获得当前第一测量单元的总容积V_m1。

图5示出了图3所示步骤S330的示意性流程图。如图5所示，该步骤S330包括：

步骤S331，对由选定活塞容器、第一隔离阀以及第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得第一隔离阀容积V_v1和第一测量单元容积V_m1的总和V_v1+V_m1，以及选定活塞容器的初始容积V_k0；

步骤S332，测量压缩或后退行程测定结束后选定活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_kf；

步骤S333，根据公式V_m2＝V_k0+V_v1+V_m1-ΔV_kf计算获得当前第二测量单元的总容积V_m2。

图6示出了图3所示步骤S340的示意性流程图。如图5所示，该步骤S340包括：

步骤S341，对由选定活塞容器、第一隔离阀以及待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得第一隔离阀容积V_v1和待测物V_x的总和V_v1+V_x，以及选定活塞容器的初始容积V_k0；

步骤S342，根据公式V_m3＝V_k0+V_v1+V_x-ΔV_kf计算获得当前第三测量单元的总容积V_m3。

其中，在步骤S432的公式中，ΔV_kf与步骤S332中的ΔV_kf值保持一致。

可以根据需要计算获得第一隔离阀的容积，即第一隔离阀开启后相比其关闭时系统容积的增量，也即第一隔离阀的内部容积V_v1。此时，上述步骤S330和步骤S340之间还包括：缓慢关闭第一隔离阀，对选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得选定活塞容器的容积V_m4。按照公式V_m4＝V_k0-ΔV_kf计算获得述选定活塞容器的容积V_m4。上述步骤S400中，根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得第一隔离阀的内部容积V_v1。

还可以根据需要计算获得第二隔离阀的容积，即第二隔离阀开启后相比其关闭时系统容积的增量，也即第二隔离阀的内部容积V_v2。此时，上述步骤S320和步骤S330之间还包括：缓慢关闭第二隔离阀，对参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得参比活塞容器的容积V_m5。可按照公式V_m5＝V₀₀-ΔV_0f计算获得述选定活塞容器的容积V_m5。上述步骤S400中，根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得第二隔离阀的内部容积V_v2。

可以将上述第一测量单元、第二测量单元以及第三测量单元统称为测量单元，并将第一隔离阀和第二隔离阀统称为隔离阀，如图7所示，按照以下步骤来获取步骤S321、步骤S331以及步骤S341中的隔离阀容积V_v和待测物容积V_x的总和V_v+V_x，以及活塞容器的初始容积V₀：

步骤S1，开启隔离阀，将活塞容器和待测物连通，并抽真空；

步骤S2，向由隔离阀、活塞容器和待测物构成的测量单元中充气至压力为P₀，同时记录此时活塞容器的初始位置X₀；

步骤S3，保持隔离阀开启，在活塞容器的第一行程中取的多个位置，同时记录活塞容器位置X_i变化时对应的压力读数P_i；

步骤S4，关闭隔离阀，在活塞容器的第二行程中取的多个位置，同时记录活塞容器位置X_i’变化时对应的压力读数P_i’，第二行程与第一行程中活塞容器移动的方向相反；

步骤S5，按照以下公式计算第一行程和第二行程中活塞容器容积相对变化量ΔV_i和ΔV_i’，

ΔV_i＝(X_i-X₀)*A

ΔV_i’＝(X_i’-X₀)*A

其中，A为活塞组件的腔体的截面积；

步骤S6，计算获得第一行程中活塞容器容积相对变化量ΔV_i对应的P_i以及第二行程中活塞容器容积相对变化量ΔV_i’对应的P_i’；

步骤S7，将测试时的数据点(ΔV_i,P_i)和(ΔV_i’,P_i’)整理成上行曲线和下行曲线；

步骤S8，分别对上行曲线和下行曲线进行拟合，从而获得活塞容器的初始容积V₀以及隔离阀容积V_v与待测物容积V_x的总和V_v+V_x。

上述步骤S3和S4中，至少选择四个不同的位置。

其中，步骤S6中按照如下公式计算获得压力P_i和P_i’：

其中，P_f为第一行程结束后压力，ΔV_f为第一行程结束后活塞容器的容积变化。

上述P_i公式的推导过程如下：

ΔV_i＝V₀-V_i；

P₀(V_x+V₀+V_v)＝P_i(V_x+V_i+V_v)＝P_i(V_x+V₀-ΔV_i+V_v)；

由此推导出上述P_i公式。

上述P_i’公式的推导过程如下：

P_f(V₀-ΔV_f)＝P_i’V_i’＝P_i’(V₀-ΔV_i’)

由此推导出上述P_i’公式。

上述步骤S8中，应用最小二乘法，以V_x+V₀+V_v和V₀为参数，分别对两条曲线进行拟合，使测试数据与模型预测曲线符合。

上述步骤中，第一行程可以为压缩行程，也可以为后退行程，第二行程也可以为压缩行程，也可以为后退行程。当第一行程为压缩行程时，第二行程为后退行程。当第一行程为后退行程时，第二行程为压缩行程。

图8(a)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在初始状态中的示意性原理图。图8(b)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在压缩行程中的示意性原理图。图8(c)示出了图7所示的容积测定方法中的测量单元在后退行程中的示意性原理图。图9示出了图7所示的容积测定方法中步骤S7中上行曲线和下行曲线的示意图。

其中，在对第一测量单元进行压缩或后退行程的测定时，图7中的隔离阀是指第二隔离阀，活塞容器是指参比活塞容器。在对第二测量单元进行压缩或后退行程的测定时，图7中的隔离阀是指第一隔离阀和第二隔离阀，活塞容器是指选定活塞容器和参比活塞容器。在对第三测量单元进行压缩或后退行程的测定时，图7中的隔离阀是指第一隔离阀，活塞容器是指选定活塞容器。

根据本发明的方案，该容积测定方法可以非常精确地获得待测容积，同时避免了使用标准容器、标准容积块，从而可以获得可信的测量结果。并且该容积测定方法操作简便，不需要通过多次重复测量减小随机误差，只需在第一行程中或第二行程中选定多个不同位置来进行测定即可。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种容积测定系统，其特征在于，包括恒温室以及设置在所述恒温室内的容积测定装置，所述容积测定装置包括：

活塞容器阵列，包括以并联方式相连且直径不等的一个或多个活塞容器；

切换阀，用于选择性地切换至一选定活塞容器，以使所述选定活塞容器通过第一隔离阀与具有待测容积的待测物相连，其中，所述待测物为复杂管路或不规则形状容器；

参比活塞容器，通过第二隔离阀与所述待测物相连；

真空阀，与所述第一隔离阀相连；

进气阀，与所述切换阀和所述第一隔离阀均相连；

阀门控制系统，用于控制所述第一隔离阀、所述第二隔离阀、所述真空阀和所述进气阀的启闭；

第一压力传感器，设置在所述第一隔离阀和所述真空阀之间；

第二压力传感器，设置在所述第二隔离阀远离所述待测物的一端；

数据采集装置，用于在所述阀门控制系统对各个阀启闭的控制下，采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的所述第一压力传感器和所述第二压力传感器采集的压力值；

数据处理装置，用于根据所述数据采集装置采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积。

2.根据权利要求1所述的容积测定系统，其特征在于，所述数据处理装置配置成在所述第一隔离阀缓慢关闭且所述第二隔离阀开启时，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

再在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变时，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

再在所述第二隔离阀缓慢关闭时，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3；

根据公式V_x＝V_m3-V_m2+V_m1计算获得所述待测物的容积V_x。

3.根据权利要求2所述的容积测定系统，其特征在于，所述数据处理装置配置成在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之后、且所述第二隔离阀缓慢关闭之前，所述第一隔离阀缓慢关闭后对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4；

根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得所述第一隔离阀的内部容积V_v1；

可选地，所述数据处理装置配置成在所述第一隔离阀缓慢关闭之后、且保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之前，所述第二隔离阀缓慢关闭后对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5；

根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得所述第二隔离阀的内部容积V_v2。

4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的容积测定系统的容积测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

关闭进气阀，并开启真空阀、第一隔离阀和第二隔离阀，调整切换阀档位，以从多个活塞容器中选择出一选定活塞容器与容积测定系统相连通，并对所述容积测定系统抽真空；

调整参比活塞容器和所述选定活塞容器的活塞位置，使所述参比活塞容器与待测物的总容积与所述选定活塞容器的容积大致相等；

对所述真空阀、所述第一隔离阀、所述第二隔离阀和进气阀分别进行启闭控制，并采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值；

根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积。

5.根据权利要求4所述的容积测定方法，其特征在于，所述对所述真空阀、所述第一隔离阀、所述第二隔离阀和进气阀分别进行启闭控制，并采集所述选定活塞容器和所述参比活塞容器在压缩或后退行程中多个位置处对应的第一压力传感器和第二压力传感器采集的压力值，包括如下步骤：

关闭所述真空阀，打开进气阀，以将所述容积测定系统增压至预设压力；

缓慢关闭所述第一隔离阀，保持所述第二隔离阀开启，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

缓慢关闭所述第二隔离阀，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3。

6.根据权利要求5所述的容积测定方法，其特征在于，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_x＝V_m3-V_m2+V_m1计算获得所述待测物的容积V_x。

7.根据权利要求5所述的容积测定方法，其特征在于，在保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之后、缓慢关闭所述第二隔离阀之前，还包括如下步骤：

缓慢关闭所述第一隔离阀；

对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4；

可选地，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_v1＝V_m3-V_m4-V_x计算获得所述第一隔离阀的内部容积V_v1；

可选地，在缓慢关闭所述第一隔离阀，保持所述第二隔离阀开启之后、保持所述第二隔离阀开启且所述参比活塞容器的活塞位置不变之前，还包括如下步骤：

缓慢关闭所述第二隔离阀；

对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5；

可选地，在所述根据所采集的数据来获得所述待测物、所述第一隔离阀和/或所述第二隔离阀的容积的步骤中，根据公式V_v2＝V_m1-V_m5-V_x计算获得所述第二隔离阀的内部容积V_v2。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的容积测定方法，其特征在于，对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1，包括如下步骤：

对由所述参比活塞容器、所述第二隔离阀以及所述待测物构成的第一测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第二隔离阀容积V_v2和所述待测物容积V_x的总和V_v2+V_x，以及所述参比活塞容器的初始容积V₀₀；

测量压缩或后退行程测定结束后所述参比活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_0f；

根据公式V_m1＝V₀₀+V_v2+V_x-ΔV_0f计算获得当前所述第一测量单元的总容积V_m1；

可选地，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2，包括如下步骤：

对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述第一测量单元构成的第二测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第一隔离阀容积V_v1和所述第一测量单元容积V_m1的总和V_v1+V_m1，以及所述选定活塞容器的初始容积V_k0；

测量压缩或后退行程测定结束后所述选定活塞容器的位移对应的容积相对变化量ΔV_kf；

根据公式V_m2＝V_k0+V_v1+V_m1-ΔV_kf计算获得当前所述第二测量单元的总容积V_m2；

可选地，对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，并计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3，包括如下步骤：

对由所述选定活塞容器、所述第一隔离阀以及所述待测物构成的第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，获得所述第一隔离阀容积V_v1和所述待测物V_x的总和V_v1+V_x，以及所述选定活塞容器的初始容积V_k0；

根据公式V_m3＝V_k0+V_v1+V_x-ΔV_kf计算获得当前所述第三测量单元的总容积V_m3；

可选地，在对所述选定活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述选定活塞容器的容积V_m4的步骤中，按照公式V_m4＝V_k0-ΔV_kf计算获得述选定活塞容器的容积V_m4；

可选地，对所述参比活塞容器进行压缩或后退行程的测定，并计算获得所述参比活塞容器的容积V_m5的步骤中，按照公式V_m5＝V₀₀-ΔV_0f计算获得述选定活塞容器的容积V_m5。

9.根据权利要求8所述的容积测定方法，其特征在于，对所述第一测量单元、所述第二测量单元以及所述第三测量单元进行压缩或后退行程的测定，获取隔离阀容积V_v和待测物容积V_x的总和V_v+V_x，以及活塞容器的初始容积V₀包括如下步骤：

开启隔离阀，将活塞容器和待测物连通，并抽真空；

向由所述隔离阀、所述活塞容器和所述待测物构成的测量单元中充气至压力为p₀，同时记录此时所述活塞容器的初始位置X₀；

保持所述隔离阀开启，在所述活塞容器的第一行程中取的多个位置，同时记录所述活塞容器位置X_i变化时对应的压力读数P_i；

关闭所述隔离阀，在所述活塞容器的第二行程中取的多个位置，同时记录所述活塞容器位置X_i’变化时对应的压力读数P_i’，所述第二行程与所述第一行程中所述活塞容器移动的方向相反；

按照以下公式计算所述第一行程和所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i和ΔV_i’，

ΔV_i＝(X_i-X₀)*A

ΔV_i’＝(X_i’-X₀)*A

其中，A为活塞组件的腔体的截面积；

计算获得所述第一行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i对应的P_i以及所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i’对应的P_i’；

将测试时的数据点(ΔV_i,P_i)和(ΔV_i’,P_i’)整理成上行曲线和下行曲线；

分别对所述上行曲线和所述下行曲线进行拟合，从而获得所述活塞容器的初始容积V₀以及隔离阀容积V_v与待测物容积V_x的总和V_v+V_x；

可选地，对所述第一测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第二隔离阀，所述活塞容器是指所述参比活塞容器；

可选地，对所述第二测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第一隔离阀和所述第二隔离阀，所述活塞容器是指所述选定活塞容器和所述参比活塞容器；

可选地，对所述第三测量单元进行压缩或后退行程的测定时，所述隔离阀是指所述第一隔离阀，所述活塞容器是指所述选定活塞容器。

10.根据权利要求9所述的容积测定方法，其特征在于，所述计算获得所述第一行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i对应的压力P_i以及所述第二行程中所述活塞容器容积相对变化量ΔV_i’对应的压力P_i’，按照如下公式计算获得压力P_i和P_i’：

其中，P_f为所述第一行程结束后压力，ΔV_f为所述第一行程结束后所述活塞容器的容积变化。