CN109932396A - 一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及含水量测量领域，一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，包括电场发生装置，该电场发生装置具有第一电极和第二电极，所述电场发生装置可以在第一电极和第二电极之间的间隔区域形成恒场强非匀电场；称重器具，称重器具包括计量主体和称量位，所述称量位位于间隔区域内，所述称量主体与恒场强非匀电场之间具有电场屏蔽结构；密封容器，其放置在称量器具的称量位上，该密封容器用于在测量过程中盛放并密封被测热敏物质。本发明通过测量水分子在恒场强非匀电场中受到的电场力，计算出被测热敏物质含水量，被测热敏物质温度并不升高，从而达到了在不升温、不减压条件下，自动对热敏物质进行含水量快速测量。本发明还提出一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及含水量测量领域，特别通过电场力测量热敏物质含水量的装置及方法。
背景技术
现实的社会生产实践中，物质的含水量是非常重要的技术指标，需要准确、快速、方便的对其进行测量。目前，测量物质的含水量的方法及仪器有很多，而专门针对热敏类物质进行含水量测量的装置或仪器却很少，尤其是能够针对热敏类物质，在不升温、不减压条件下，自动进行含水量准确测量的装置或仪器更少。目前，使用比较普及、应用范围比较广的测量含水量的方法或仪器主要有三大类：失重方法类，化学方法类，光学、电学方法类。各类方法都有其特定的适用范围和特点，同时又有其一定的局限性。下面简要的进行分析阐述。
1.失重方法类
此类方法就是通过对一定质量的被测热敏物质进行加温烘干，使其中所含水分在一定的标准下完全蒸发流失，通过对蒸发流失水分前、后的质量测量对比即可确定该物质的含水量。
此类方法又可细分为常压下加温烘干法及减压下加温烘干法，以及把常压下加温烘干与自动称重系统集成在一起的水分测量仪。
此类方法存在的主要问题是：
1.1测量周期长。
1.2称重过程需要先将被测热敏物质加温至所需温度一定时间后再冷却至室温，然后再称重。此过程可能要重复进行几次，费时费事(把常压下加温烘干与自动称重系统集成在一起的水分测量仪除外)。
1.3对受热温度不能大于100℃的热敏类物质无能为力。把加温烘干与自动称重系统集成在一起的水分测量仪也存在同样的问题。(减压下加温烘干除外)。
2.化学方法类需要一定的化学实验条件及相应的专业技术，普及应用受到一定程度的限制。
3.光学类、电学方法类存在的主要问题或是设备成本偏高，或是测量效率及准确度受使用环境影响比较大(如温度、湿度，空气压力，电磁干扰)。普及应用同样受到一定程度的限制。
4.在物质含水量测量领域，特别需要使用简单，测量速度快，可对允许受热温度小于100℃的热敏类物质进行含水量测量，适于普及应用的含水量测量的方法及仪器。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，该装置可以实现对热敏类物质，在不升温、不减压条件下，自动对热敏物质进行含水量快速测量。本发明还提供一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，包括
电场发生装置，该电场发生装置具有第一电极和第二电极，所述电场发生装置可以在第一电极和第二电极之间的间隔区域形成恒场强非匀电场；
称重器具，称重器具包括计量主体和称量位，所述称量位位于间隔区域内，所述称量主体与恒场强非匀电场之间具有电场屏蔽结构；
密封容器，其放置在称量器具的称量位上，该密封容器用于在测量过程中盛放并密封被测热敏物质。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述称量器具为电子天平，该电子天平包括计量主体、称重盘、以及连接计量主体和称重盘的秤盘连杆，所述电场屏蔽结构具有孔洞，所述秤盘连杆穿过所述孔洞。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述电场屏蔽结构为第一金属屏蔽盒体，所述电场发生装置和称重盘在第一金属屏蔽盒体内，计量主体设置在第一金属屏蔽盒体外。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述电场屏蔽结构为第二金属屏蔽盒体，所述计量主体设置在第二金属屏蔽盒体内。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述通过电场力测量热敏物质含水量的装置还包括升降器，该升降器的移动端连接第一电极或第二电极，以调整第一电极和第二电极的间距。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述通过电场力测量热敏物质含水量的装置还包括用于测量温度传感器和湿度传感器，以检测测量环境的温度和湿度。
在第二个技术方案中，一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法，包括：
形成恒场强非匀电场，将被测热敏物质放置在密封容器中，将密封容器置于恒场强非匀电场中，将容器放置在称量器具上，称量被测热敏物质在自然状态和恒场强非匀电场中垂向力差值X，并将垂向力差值X带入如下公式：
公式中，ak(k＝0～n)为被测热敏物质的含水量系数，X为被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，Y为被测热敏物质的含水量，X单位为牛顿、Y单位为克，n≥2、n为确定的拟合多项式次数。
提供一种通过称量重量计算被测热敏物质在恒场强非匀电场中所受电场力的方法及电场力计算公式：X＝Fz-Fy-Fk，公式中，X为被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，Fz、Fy、Fk分别为放入被测热敏物质的密封容器在恒场强非匀电场中的重量、放入被测热敏物质的密封容器在自然状态下的重量、空密封容器在恒场强非匀电场中的电场力。
提供一种通过标准含水量被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，计算所述被测热敏物质的含水量系数ak(k＝0～n)的计算方法及公式。
提供一种把被测热敏物质密封于密封容器里进行称重测量，进而计算被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力的方法。
在第二个技术方案中，作为优选的，包括如下步骤：
步骤A、制作《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》；步骤A包括：
步骤A1、在无外电场环境中，任意指定测量位置并标记为B，在位置B分别对m(m≥3)只密封容器进行称重，得到m个称重值并分别设为P0、P1、P2、…、P(m-1)；
步骤A2、在确定的恒场强非匀电场环境中，在位置B分别对m(m≥3)只密封容器进行称重，得到m个称重值并分别设为PA0、PA1、PA2、…、PA(m-1)，把这样处理过的密封容器称作A类密封容器，并分别以A0、A1、A2、…、A(m-1)代表，设Fk0＝PA0-P0、Fk1＝PA1-P1、Fk2＝PA2-P2、…、Fk(m-1)＝PA(m-1)-P(m-1)，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}，保存该数组，并命名为《A类密封容器对照表》；
步骤A3、对种类相同、含水量已知、含水量互不相同的m组被测热敏物质分别取C克(5≤C≤30)，分别放入m个A类密封容器A0、A1、A2、…、A(m-1)，合盖密封；
步骤A4、在无外电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个密封容器分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fy0、Fy1、Fy2、…、Fy(m-1)；
步骤A5、在所述确定的恒场强非匀电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个密封容器分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fz0、Fz1、Fz2、…、Fz(m-1)；
查《A类密封容器对照表》，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}；
设m个被测热敏物质在所述确定的恒场强非匀电场环境中所受电场力分别为X0、X1、X2、…、X(m-1)，则X0＝Fz0-Fy0-Fk0，X1＝Fz1-Fy1-Fk1，X2＝Fz2-Fy2-Fk2、…、X(m-1)＝Fz(m-1)-Fy(m-1)-Fk(m-1)；
步骤A6、设所述被测热敏物质种类为Pz，设已知的m组被测热敏物质含水量分别为Y0、Y1、Y2、…、Y(m-1)，保存数组{(Pz，C)}、{(X0，Y0)、(X1，Y1)、(X2，Y2)、…、(X(m-1)，Y(m-1))}，并命名为《含水量与电场力对照表》；
步骤B、通过《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》计算被测热敏物质的含水量，步骤B包括如下步骤：
步骤B1、在A类密封容器中任意选一只密封容器Aj，0≤j≤(m-1)，取重量为C克，含水量未知的Pz种类物质，放入该A类密封容器Aj中，合盖密封；
步骤B2、在无外电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入被测热敏物质并密封的A类密封容器Aj进行称重，得到称重值Fy；
步骤B3、在确定的恒场强非匀电场环境中，在所述指定位置B，对已经放入被测热敏物质并密封的A类密封容器Aj进行称重，得到称重值Fz；
步骤B4、查《A类密封容器对照表》，得到(Aj，Fkj)，进而得到Aj对应的Fkj，设密封容器Aj中被测热敏物质受到的电场力为X，则X＝Fz-Fy-Fkj；
步骤B5、确定拟合多项式的次数n，m＞n≥2；
步骤B6、由公式
计算出Sk与tr，公式中X0、Y0、X1、Y1、X2、Y2……X(m-1)、Y(m-1)为通过查《含水量与电场力对照表》确定的已知数；
步骤B7、由计算出的Sk与tr，列出正规方程组
所述正规方程组中，a0，a1，...an为被测热敏物质的含水量系数；
步骤B8、解所述正规方程组，得到确定的被测热敏物质含水系数a0，a1，...an；由此得到确定的被测热敏物质含水量计算公式
公式中X为在确定的恒场强非匀电场环境中，在所述指定位置B，被测热敏物质受到的电场力，Y为被测热敏物质含水量，X单位为牛顿、Y单位为克，把X＝Fz-Fy-Fkj代入公式，即可求得被测热敏物质含水量；
在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤A和步骤B中，设定n＝2，m＝3。
使用本发明的有益效果是：
1、本发明通过测量水分子在恒场强非匀电场中受到的电场力，计算出被测热敏物质含水量，被测热敏物质温度并不升高，从而达到了在不升温、不减压条件下，自动对热敏物质进行含水量快速测量。
2、通过本发明的测量过程可以看出，除了取放被测热敏物质、输入参数外，测试过程无人工参与，使用比较方便。
3、对于块状物质、颗粒状物质无需前期粉碎，简化了工序，避免了前期粉碎带来的水分损失，提高了测量准确度，降低了生产成本，提高了工作效率。
4、自然，本发明所述测量装置完全可以用于非热敏类物质的含水量测量。
5、由于没有温升，使得被测热敏物质的理化，生化等特性得以最大程度的保护。而这一点，对测试样品稀少的情况尤为重要。
6、由于本发明所述测量装置既可以用于热敏类物质的含水量测量又可以用于非热敏类物质的含水量测量，所以本发明可测量物质范围广泛。
7、本发明所述测量装置把所述含水量计算公式及被测热敏物质种类批次编号自动永久保存在自动控制器的永久存储器中，并自动建成数据库，测量效率随着数据库的不断增大越来越高。
附图说明
图1为本发明一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置的结构示意图。
图2为本发明一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置的自动控制器电路原理示意图。
图3为本发明一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置的自动控制器的数字处理器芯片示意图。
图4为本发明一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法的夸大的单一水分子等效电偶极子受恒场强非匀电场作用示意图。
图5为本发明一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置另一实施例的结构示意图。
附图标记包括：
1-第一金属屏蔽盒体，2-升降滑道，3-升降器，4-自动控制器，5-电场源发生器，6-上球面电极，7-温度传感器，8-湿度传感器，9-秤盘连杆，10-密封容器，11-放气阀，12-称重盘，13-下球面电极，14-绝缘块，15-计量主体，16-放电笔托架，17-静电放电笔，18-高压绝缘导线，19-第二金属屏蔽盒体。
21-平面电极，22-电场线一，23-电场线二，24-单一水分子的等效电偶极子，25-球状电极，26-正电荷团，27-负电荷团，28-过水分子等效电偶极子几何中心O点及正电荷团几何中心D点的直线，29-过水分子等效电偶极子几何中心O点的垂直线。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置实施例。
如图1-图4所示，本实施例提出一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，包括电场发生装置，该电场发生装置具有第一电极和第二电极，电场发生装置可以在第一电极和第二电极之间的间隔区域形成恒场强非匀电场；称重器具，称重器具包括计量主体、称重盘12和连接计量主体和称重盘12之间的秤盘连杆9，称重盘12位于所述间隔区域内；密封容器10，其放置在计量主体15的称重盘12上，该密封容器10用于盛放被测热敏物质。本实施例中的密封容器10为非金属电绝缘材料制成，例如石英玻璃和硼酸盐玻璃。
第一电极和/或第二电极为球面电极，以便形成非匀强电场。
通过电场力测量热敏物质含水量的装置还包括升降器3，该升降器3的移动端连接第一电极或第二电极，以调整第一电极和第二电极的间距。
称重器具为计量主体15，电场发生装置和计量主体15计量主体之间通过隔离电场的第一金属屏蔽盒体1分隔。电场发生装置设置在第一金属屏蔽盒体1内，第一金属屏蔽盒体1具有用于穿过秤盘连杆9的孔洞。第一金属屏蔽盒体1内设有温度传感器7和湿度传感器8，以检测测试环境的温度和湿度。称重盘12、秤盘连杆9和密封容器10为非金属电绝缘材料制成。
以下详细说明本装置的具体结构。
如图1-图3所示，本装置包括第一金属屏蔽盒体1，电场源发生器5，上球面电极6，下球面电极13，升降滑道2，升降器3，自动控制器4，计量主体15，密封容器10，放气阀11，温度传感器7，湿度传感器8，称重盘12，秤盘连杆9，绝缘块14。第一金属屏蔽盒体1与大地通过电缆电性连接；计量主体15置于第一金属屏蔽盒体1下方，计量主体15的称量端通过秤盘连杆9连接至称重盘12，第一金属屏蔽盒体1底部具有孔洞，秤盘连杆9通过孔洞延伸到第一金属屏蔽盒体1内；升降器3与上球面电极6固定连接；自动控制器4与升降器3通过电缆电性连接，并控制升降器3升降，从而带动上球面电极6升降；电场源发生器5位于第一金属屏蔽盒体1外，其高电势输出端与上球面电极6通过电缆电性连接，其低电势输出端与下球面电极13通过电缆电性连接。上球面电极6位于称重盘12上方并与升降滑道2滑动连接，升降滑道2与第一金属屏蔽盒体1固定连接。下球面电极13位于称重盘12下方并通过绝缘块14与第一金属屏蔽盒体1固定连接。自动控制器4位于第一金属屏蔽盒体1外，并通过电缆与电场源发生器5电性连接，控制电场源发生器5工作状态。自动控制器4通过电缆与计量主体15电性连接并交换信息。自动控制器4通过电缆分别与温度传感器7、湿度传感器8电性连接并交换信息。温度传感器7位于第一金属屏蔽盒体1内，湿度传感器8位于第一金属屏蔽盒体1内。密封容器10在合上容器盖后具有密封功能，放气阀11固定安装于密封容器10的容器盖上，以方便容器盖的打开；
测量时，自动控制器4通过升降器3带动上球面电极6下降增大电场强度，测量结束升起上球面电极6，增大操作空间，方便操作；
升降器3的驱动装置为步进电机，以实现精确定位；
上球面电极6与下球面电极13均具有半球冠形状，既保证了电场的非均匀性，又减小了尖端放电可能，同时比全球形节省空间；
上球面电极6与下球面电极13垂直对称中心重合，以使得电场对称中心水分子所受电场力方向垂直向下，与重力方向重合，加快水分子迁移速度，从而缩短测量时间。第一金属屏蔽盒体1内安装有温度传感器7、湿度传感器8，以使得自动控制器4根据温度、湿度情况调节电场源发生器5的输出电压。称重盘12、秤盘连杆9、密封容器10，放气阀11为非金属电绝缘材料制成。
如图1所示，本实施例中，在第一金属屏蔽盒体1内设置放电笔托架上16和静电放电笔17，静电放电笔17放置在放电笔托架16上，静电放电笔17通过高压绝缘导线18和第一金属屏蔽盒体1电连接，在每次拿取密封容器10前，先用静电放电笔17上导电头接触密封容器10，使密封容器10上的静电通过静电放电笔17、第一金属屏蔽盒体1接入大地，避免操作人员被静电打到。
本实施例中，第一金属屏蔽盒体1为金属材料制成的箱体，例如不锈钢材料制成的金属箱体。
本装置的电路原理图如图2所示，数字处理器芯片型号为HT32F1656。
实施例2
本实施例中的一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置与实施例1中的一种通过电场力测量热敏物质含水量的原理一致，如图5所示，区别在于在计量主体15的计量主体外部设置第二金属屏蔽盒体19，以使计量主体15不被恒场强非匀电场干扰。可以理解的，第一金属屏蔽盒体1可以选择性的去除。
实施例3
一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法实施例。
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，以例题的形式对本技术方案进行进一步说明。
应用实施例1所述一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法实施例包括如下步骤：
步骤A、制作《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》；步骤A包括：
步骤A1、关闭电场源发生器5，分别对3只密封容器10进行称重，得到3个称重值分别设为P0＝0.1962(N)、P1＝0.1962(N)、P2＝0.1962(N)；(换算成以克为单位就是P0＝20(g)、P1＝20(g)、P2＝20(g))
步骤A2、启动电场源发生器5，分别对3只密封容器10进行称重，得到3个称重值分别设为PA0＝0.206(N)、PA1＝0.206(N)、PA2＝0.206(N)；(换算成以克为单位就是PA0＝21(g)、PA1＝21(g)、PA2＝21(g))，把这样处理过的密封容器称作A类密封容器，并分别以A0、A1、A2代表，设Fk0＝PA0-P0＝9.81×10-3(N)、Fk1＝PA1-P1＝9.81×10-3(N)、Fk2＝PA2-P2＝9.81×10-3(N)(换算成以克为单位就是PA0＝1(g)、PA1＝1(g)、PA2＝1(g))，由此得到数组{(A0，9.81×10-3)、(A1，9.81×10-3)、(A2，9.81×10-3)}，保存该数组，并命名为《A类密封容器对照表》；
步骤A3、对种类相同、含水量已知、含水量互不相同的3组被测热敏物质分别取10克，分别放入3个A类密封容器A0、A1、A2，合盖密封，设已知的3组被测热敏物质含水量分别为Y0＝0(g)、Y1＝3(g)、Y2＝6(g)；
步骤A4、关闭电场源发生器5，对已经放入被测热敏物质并密封的3个密封容器10分别进行称重，得到3个称重值并分别设为Fy0＝0.2943(N)、Fy1＝0.2943(N)、Fy2＝0.2943(N)(换算成以克为单位就是Fy0＝30(g)、Fy1＝30(g)、Fy1＝30(g))；
步骤A5、启动电场源发生器5，对已经放入被测热敏物质并密封的3个密封容器10分别进行称重，得到3个称重值分别为Fz0＝0.30411(N)、Fz1＝0.32373(N)、Fz2＝0.35316(N)(换算成以克为单位就是Fz0＝31(g)、Fz1＝33(g)、Fz2＝36(g))；
查《A类密封容器对照表》，得到数组{(A0，9.81×10-3)、(A1，9.81×10-3)、(A2，9.81×10-3)}；
设m个被测热敏物质所受电场力分别为X0、X1、X2，则X0＝Fz0-Fy0-Fk0＝0(N)，X1＝Fz1-Fy1-Fk1＝0.0196(N)，X2＝Fz2-Fy2-Fk＝0.0491(N)；(换算成以克为单位就是X0＝0(g)、X1＝2(g)、X2＝5(g))；
步骤A6、设被测热敏物质种类为Pz，保存数组{(Pz，10)}、{(0，0)、(0.0196，3)、(0.0491，6)}，并命名为《含水量与电场力对照表》；
步骤B、通过《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》计算被测热敏物质的含水量，步骤B包括如下步骤：
步骤B1、在A类密封容器中任意选一只，比如密封容器10(A0)，取重量为10克，含水量未知的Pz种类物质，放入A0中，合盖密封；
步骤B2、关闭电场源发生器5，对已经放入被测热敏物质并密封的密封容器10(A0)进行称重，得到称重值Fy＝0.2943(N)(换算成以克为单位就是Fy＝30(g))；
步骤B3、启动电场源发生器5，对已经放入被测热敏物质并密封的A类密封容器10(A0)进行称重，得到称重值Fz＝0.33354(N)(换算成以克为单位就是Fz＝34(g))；
步骤B4、设A0中Pz种类物质受到的电场力为X，查《A类密封容器对照表》，得到(A0，9.81×10-3)，则电场力X＝Fz-Fy-Fk0＝0.02943(N)(换算成以克为单位就是X＝3(g))；
步骤B5、确定拟合多项式的次数n＝2；(m＝3；)
步骤B6、为方便计算，对《A类密封容器对照表》、《含水量与电场力对照表》及电场力X进行单位变换，把以牛顿为单位的数据换算为以克为单位的数据，含水量计算公式因此同步变换为
单位变换后，公式中电场力X的单位为克；
步骤B7、由公式
计算出Sk与tr，公式中X0、Y0、X1、Y1、X2、Y2通过查《含水量与电场力对照表》确定的已知数；
由计算出的Sk与tr，列出正规方程组
所述正规方程组中，a0，a1，a2为被测热敏物质的含水量系数；
步骤B8、解所述正规方程组，得到确定的被测热敏物质的含水系数a0＝3.429，a1＝-0.0003，a2＝0.1429，把a0＝3.429，a1＝-0.0003，a2＝0.1429，X＝3(g)代入单位变换后的含水量计算公式，则被测热敏物质的含水量
即被测热敏物质的含水量Y＝4.7142(克)。
一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置及方法的具体实施方式的使用说明。
本装置的使用环境要求：温度5℃～45℃，湿度0％～65％。
自动控制器4通过温度传感器7、湿度传感器8采集温度、湿度数据，并据此确定测量环境是否满足要求，如果不满足要求，给出提示信号，直到测量环境满足要求，方能进入正常使用过程。
开机进入正常使用过程后，有三个功能选项：一、正常测量，二、制作《A类密封容器对照表》，三、制作《含水量与电场力对照表》。由操作者选择后，进入相应过程，完成后返回于此，等待操作者选择。正常测量时，《A类密封容器对照表》及《含水量与电场力对照表》必须存在，如果不存在，先进行相应制作过程。
一、正常测量
步骤一，在A类密封容器中任意选一只密封容器10(Aj，0≤j≤(m-1))，取重量为C克，含水量未知的Pz种类物质，放入密封容器10中，合盖密封，关闭放气阀11。把密封容器10放到称重盘12中心位置。关闭第一金属屏蔽盒体1门。所述Pz值、C值必须与《含水量与电场力对照表》中的C值相同。
步骤二，向自动控制器4输入被测热敏物质种类、A类密封容器代码Aj、被测热敏物质重量C及定时时间，启动运行。
步骤三，计量主体15对密封容器10进行称重，并把称重值自动传送到自动控制器4，自动控制器4记录接收到的称重值，并记为原始重量，设为Fy。
步骤四，启动电场源发生器5，自动控制器4内部的电压、电流检测控制电路同时启动，实时保障恒场强非匀电场的场强恒定，定时开始，计量主体15连续进行称重，并把称重值自动传送到自动控制器4，自动控制器4记录接收到的称重值及对应时间，直至定时时间到。
步骤五，自动控制器4关闭电场源发生器5，并通过内部电路把上球面电极6、下球面电极13电性连接到大地。
步骤六，自动控制器4对采集到的数据进行数字滤波，并依据数字滤波后的数据，利用数学方法求解出恒场强非匀电场环境下称量值对时间的期望值，记录并记为最终重量，并设为Fz。
步骤七，查《A类密封容器对照表》，得到(Aj，Fkj)，设被测热敏物质所受电场力为X、则X＝Fz-Fy-Fkj。
步骤八、查《含水量与电场力对照表》，得到{(X0，Y0)、(X1，Y1)、(X2，Y2)、…、(X(m-1)，Y(m-1))}数组，进而得到与已知电场力X0、X1、X2、…、X(m-1)分别对应的已知含水量Y0、Y1、Y2、…、Y(m-1)。
步骤九、设被测热敏物质的含水重量为Y，确定拟合多项式的次数n，m＞n≥2；
由公式
计算出Sk与tr，公式中X0、Y0、X1、Y1、X2、Y2……X(m-1)、Y(m-1)为通过查《含水量与电场力对照表》确定的已知数；
步骤十、由计算出的Sk与tr，列出正规方程组
所述正规方程组中，a0，a1，...an为未知的被测热敏物质的含水量系数；
步骤十一，解所述正规方程组，得到确定的被测热敏物质含水量系数a0，a1，...an；由此得到含水量计算公式
公式中X为电场力，Y为所求含水量，X单位为牛顿、Y单位为克，把X＝Fz-Fy-Fkj代入公式即可求得含水量Y。
二、制作《A类密封容器对照表》
1、关闭电场源发生器5，分别对m(m≥3)只密封容器10进行称重，得到m个称重值并分别设为P0、P1、P2、…、P(m-1)；
2、启动电场源发生器5，分别对m(m≥3)只密封容器10进行称重，得到m个称重值并分别设为PA0、PA1、PA2、…、PA(m-1)，把这样处理过的密封容器10称作A类密封容器，并分别以A0、A1、A2、…、A(m-1)代表，设Fk0＝PA0-P0、Fk1＝PA1-P1、Fk2＝PA2-P2、…、Fk(m-1)＝PA(m-1)-P(m-1)，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}，保存该数组于永久存储器，，并命名为《A类密封容器对照表》；
三、制作《含水量与电场力对照表》
1、对种类相同、含水量已知、含水量互不相同的m(m≥3且与《A类密封容器对照表》所含m同步)组被测热敏物质分别取C克(5≤C≤30)，分别放入m个A类密封容器A0、A1、A2、…、A(m-1)，合盖密封。设已知的m组被测热敏物质含水量分别为Y0、Y1、Y2、…、Y(m-1)。
2、关闭电场源发生器5，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个A类密封容器分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fy0、Fy1、Fy2、…、Fy(m-1)。
3、启动电场源发生器5，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个密封容器10分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fz0、Fz1、Fz2、…、Fz(m-1)。4、查《A类密封容器对照表》，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}。
5、设m个被测热敏物质所受电场力分别为X0、X1、X2、…、X(m-1)，则X0＝Fz0-Fy0-Fk0，X1＝Fz1-Fy1-Fk1，X2＝Fz2-Fy2-Fk2、…、X(m-1)＝Fz(m-1)-Fy(m-1)-Fk(m-1)。设所述被测热敏物质种类为Pz，保存数组{(Pz，C)}、{(X0，Y0)、(X1，Y1)、(X2，Y2)、…、(X(m-1)，Y(m-1))}于永久存储器，并命名为《含水量与电场力对照表》。
本发明依据原理简要说明：
如图4所示，根据电磁学理论，水分子是有极分子，有极分子的特点是在电场作用下分子的等效电偶极子24取向极化，也就是等效电偶极子24偶极矩转向外电场的方向，但与外电场方向保持一定角度。取向极化的强度与外电场强度成正比。
下面结合图4对一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置及方法依据原理进行简要说明。
对平面电极21加恒定正电压，对球状电极25加恒定负电压后，在平面电极21与球状电极25间形成恒场强非匀电场，电场线从平面电极21出发，过渡指向球状电极25球心。设电偶极子24的几何中心为O，正电荷团26的几何中心为D，设过水分子等效电偶极子几何中心O点的垂直线29与过水分子等效电偶极子几何中心O点及正电荷团几何中心D点的直线28OD间夹角为θ，受恒场强非匀电场力的作用，有极分子取向极化特性决定了夹角θ大小随电场强度改变，且成正比。可以看到，正电荷团26附近的电场线密度大于负电荷团27附近的电场线密度。那么正电荷团26受到的电场力大于负电荷团27受到的电场力。设正电荷团26受到的电场力为F1、负电荷团27受到的电场力为F2，F1与F2的矢量合成为F，那么F＞0，F的方向近似等于水分子几何中心O点处的电场线一22的切线方向。还可以看到，夹角θ越大，正电荷团26附近的电场线密度越大于负电荷团27附近的电场线密度，结果是F越大。综合表现为单一水分子等效电偶极子24受到了电场力F作用，电场力F的大小与受到的电场强度成正比，方向近似等于水分子几何中心处的电场线切线方向。把处在所述恒场强非匀电场中所有水分子受到的电场力综合矢量和设为Fh，那么，Fh与水分子数量成正比，与电场强度成正比，Fh方向等于作用于全部水分子的电场力的综合矢量和方向。电场线二23作为对比电场线。
单一水分子除了受到电场力F作用外，还受到重力P作用，重力P是常量。
由此可以得出结论，在恒场强非匀电场中，在电场强度恒定的情况下，被测热敏物质所受电场力大小只与被测热敏物质含水量成正比，只要知道被测热敏物质所受电场力大小，就可以计算出被测热敏物质含水量。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：包括
电场发生装置，该电场发生装置具有第一电极和第二电极，所述电场发生装置可以在第一电极和第二电极之间的间隔区域形成恒场强非匀电场；
称重器具，称重器具包括计量主体和称量位，所述称量位位于间隔区域内，所述称量主体与恒场强非匀电场之间具有电场屏蔽结构；
密封容器，其放置在称量器具的称量位上，该密封容器用于在测量过程中盛放并密封被测热敏物质。
2.根据权利要求1所述的通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：所述称量器具为电子天平，该电子天平包括计量主体、称重盘、以及连接计量主体和称重盘的秤盘连杆，所述电场屏蔽结构具有孔洞，所述秤盘连杆穿过所述孔洞。
3.根据权利要求2所述的通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：所述电场屏蔽结构为第一金属屏蔽盒体，所述电场发生装置和称重盘在第一金属屏蔽盒体内，计量主体设置在第一金属屏蔽盒体外。
4.根据权利要求2所述的通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：所述电场屏蔽结构为第二金属屏蔽盒体，所述计量主体设置在第二金属屏蔽盒体内。
5.根据权利要求1所述的通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：所述通过电场力测量热敏物质含水量的装置还包括升降器，该升降器的移动端连接第一电极或第二电极，以调整第一电极和第二电极的间距。
6.根据权利要求1所述的通过电场力测量热敏物质含水量的装置，其特征在于：所述通过电场力测量热敏物质含水量的装置还包括用于测量温度传感器和湿度传感器，以检测测量环境的温度和湿度。
7.一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法，其特征在于：形成恒场强非匀电场，将被测热敏物质放置在密封容器中，将密封容器置于恒场强非匀电场中，将容器放置在称量器具上，称量被测热敏物质在自然状态和恒场强非匀电场中垂向力差值X，并将所述垂向力差值X带入如下公式：
计算含水量，公式中，ak(k＝0～n)为被测热敏物质的含水量系数，X为被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，Y为被测热敏物质的含水量，X单位为牛顿、Y单位为克，n≥2、n为确定的多项式次数。
8.根据权利要求7所述的一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法，其特征在于：提供一种通过称量重量计算电场力的方法及电场力的计算公式：X＝Fz-Fy-Fk，X、Fz、Fy、Fk单位均为牛顿，公式中X为被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，Fz、Fy、Fk分别为放入被测热敏物质的密封容器在恒场强非匀电场中的重量、放入被测热敏物质的密封容器在自然状态下的重量、空密封容器在恒场强非匀电场中的电场力。
9.根据权利要求7所述的一种通过电场力测量热敏物质含水量的方法，其特征在于：提供一种通过标准含水量被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，计算所述被测热敏物质的含水量系数ak(k＝0～n)的计算方法及公式。
10.根据权利要求7-9任一项所述的通过电场力测量热敏物质含水量的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤A、制作《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》；步骤A包括：
步骤A1、在无外电场环境中，任意指定测量位置并标记为B，在位置B分别对m(m≥3)只密封容器进行称重，得到m个称重值并分别设为P0、P1、P2、…、P(m-1)；
步骤A2、在确定的恒场强非匀电场环境中，在位置B分别对m(m≥3)只密封容器进行称重，得到m个称重值并分别设为PA0、PA1、PA2、…、PA(m-1)，把这样处理过的密封容器称作A类密封容器，并分别以A0、A1、A2、…、A(m-1)代表，设Fk0＝PA0-P0、Fk1＝PA1-P1、Fk2＝PA2-P2、…、Fk(m-1)＝PA(m-1)-P(m-1)，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}，保存该数组，并命名为《A类密封容器对照表》；
步骤A3、对种类相同、含水量已知、含水量互不相同的m组被测热敏物质分别取C克(5≤C≤30)，分别放入A类密封容器的m个密封容器A0、A1、A2、…、A(m-1)，合盖密封；
步骤A4、在无外电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个密封容器分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fy0、Fy1、Fy2、…、Fy(m-1)；
步骤A5、在所述确定的恒场强非匀电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入被测热敏物质并密封的m个密封容器分别进行称重，得到m个称重值并分别设为Fz0、Fz1、Fz2、…、Fz(m-1)；
查《A类密封容器对照表》，得到数组{(A0，Fk0)、(A1，Fk1)、(A2，Fk2)、…、(A(m-1)，Fk(m-1))}；
设m个被测热敏物质所受电场力分别为X0、X1、X2、…、X(m-1)，则X0＝Fz0-Fy0-Fk0，X1＝Fz1-Fy1-Fk1，X2＝Fz2-Fy2-Fk2、…、X(m-1)＝Fz(m-1)-Fy(m-1)-Fk(m-1)；
步骤A6、设所述被测热敏物质种类为Pz，设已知的m组被测热敏物质含水量分别为Y0、Y1、Y2、…、Y(m-1)，保存数组{(Pz，C)}、{(X0，Y0)、(X1，Y1)、(X2，Y2)、…、(X(m-1)，Y(m-1))}，并命名为《含水量与电场力对照表》；
步骤B、通过《A类密封容器对照表》和《含水量与电场力对照表》计算被测热敏物质的含水量，步骤B包括如下步骤：
步骤B1、在A类密封容器中任意选一只密封容器Aj，0≤j≤(m-1)，取重量为C克，含水量未知的Pz种类被测热敏物质，放入密封容器Aj中，合盖密封；
步骤B2、在无外电场环境中，在所述指定位置B，对所述已经放入Pz种类被测热敏物质并密封的密封容器Aj进行称重，得到称重值Fy；
步骤B3、在确定的恒场强非匀电场环境中，在所述指定位置B，对已经放入Pz种类被测热敏物质并密封的Aj进行称重，得到称重值Fz；
步骤B4、查《A类密封容器对照表》，得到(Aj，Fkj)，进而得到密封容器Aj对应的Fkj，设密封容器Aj中Pz种类物质受到的电场力为X，则X＝Fz-Fy-Fkj；
步骤B5、确定拟合多项式的次数n，m＞n≥2；
步骤B6、由公式
计算出Sk与tr。公式中X0、Y0、X1、Y1、X2、Y2......X(m-1)、Y(m-1)为通过查《含水量与电场力对照表》确定的已知数；
步骤B7、由计算出的Sk与tr，列出正规方程组
步骤B8、解所述正规方程组，得到确定的被测热敏物质的含水量系数a0，a1，...an；进而得到确定的被测热敏物质含水量计算公式
公式中X为被测热敏物质在恒场强非匀电场中受到的电场力，Y为被测热敏物质的含水量，X单位为牛顿、Y单位为克，把X＝Fz-Fy-Fkj代入公式即可求得被测热敏物质的含水量。
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| CN110440881A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-11-12 | 徐明远 | 一种单点计重系统、称重装置及称重方法 |
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