CN110440867A - 不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置及其使用方法 - Google Patents

不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，包括储气罐、测试罐及单片机，在储气罐上设有第一进气口和第一出气口，在第一进气口处连接有第一进气管，在第一进气管上安装有第一气泵和第一阀门，在第一出气口连接有第一出气管，在第一出气管上安装有第二气泵和第二阀门；测试罐包括第二进气口和第二出气口，第二进气口与第一出气管连接，在第二出气口连接有第二出气管，在第二出气管上设有第三阀门和气体流量传感器，在测试罐上安装有第二气压传感器，第二气压传感器、气体流量传感器、第一气泵及第二气泵分别与单片机电连接；本发明还公开了上述装置的使用方法。本发明采用气压法测试不规则固体颗粒的体积和密度，功能多，精度较高。

Description

不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及土木、交通、水利等工程不规则固体颗粒体积、密度测量的技术领域，具体涉及不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置及其使用方法。
背景技术
天然岩质颗粒材料因其具有承载力高、刚度大、施工便捷、造价较低等诸多优点，是水利、交通、土木等工程广泛应用的一种建筑材料，如土石坝、铁路宕渣、碎石基础等。不规则固体颗粒材料的体积及密度测量是研究材料工程力学性能的重要物理指标。随着基础建设及节能环保的要求，对于不规则颗粒的类型的应用领域越来越广泛，涉及内容也不断增加。为了提高效率，节约成本，提高研究材料强度变形的精度，快速准确测量出不规则固体颗粒的体积及密度是一个重要的因素。
现有的不规则颗粒体积的检测方法，主要为排水法，操作落后，干扰实验进度，体现在以下几个方面：
1、测量功能单一，只能够测量出体积；
2、精度低，量筒刻度读数、水温、封闭气泡等因素造成精度低；
3、水会干扰材料的性能，或延长性能研究时间，影响测试结果。
发明内容
本发明的目的在于，提供不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置及其使用方法，解决上述测量功能单一，采用排水法测试体积，造成误差的因素较多，精度低以及水会干扰材料的性能，影响测试结果的技术问题。
本发明采取的技术方案为：
不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，包括储气罐、测试罐及单片机，在储气罐上设有第一进气口和第一出气口，在第一进气口处连接有第一进气管，在第一进气管上安装有第一气泵和第一阀门，在第一出气口连接有第一出气管，在第一出气管上安装有第二气泵和第二阀门；测试罐包括第二进气口和第二出气口，第二进气口与第一出气管连接，在第二出气口连接有第二出气管，在第二出气管上设有第三阀门和气体流量传感器，在测试罐上安装有用于检测测试罐内部气压的第二气压传感器，第二气压传感器、气体流量传感器、第一气泵及第二气泵分别与单片机电连接。
测试罐包括罐体，在罐体的顶部安装有可拆卸的顶盖，在罐体内设有第二隔板，在第二隔板内安装有称重传感器；第二隔板的一侧与罐体铰接，在第二隔板上设有锁定装置，当测试质量时，锁定装置使第二隔板处于锁定状态，当完成质量测试后，锁定装置解除对第二隔板的锁定状态。
锁定装置包括螺杆，螺杆与罐体螺纹配合，在第二隔板的侧面设有螺纹孔，螺杆的内端与螺纹孔配合，在螺杆的外端设有把手。
锁定装置包括电动推杆，电动推杆设置在罐体内，电动推杆的固定端与罐体固定固定连接，电动推杆的自由端与第二隔板的底部固定连接，电动推杆与单片机电连接。
在储气罐上设有加热保温装置和温度传感器，温度传感器的检测端延伸至储气罐内，温度传感器与单片机电连接；在测试罐外套设有保温套。
加热保温装置包括保温罐，储气罐固定在保温罐内，储气罐的外侧壁与保温罐的内侧壁之间有间隔，在此间隔内设有用于保温的水，在保温罐上设有水进口和水出口，在保温罐外设有水箱，保温罐的水进口和水出口分别通过水管与水箱连通，保温罐的水进口与水箱的连接水管上安装有水泵，在水箱内设有电加热装置，电加热装置和水泵分别与单片机电连接。
在储气罐上安装有第一气压传感器，第一气压传感器与单片机电连接。
第一阀门、第二阀门及第三阀门均为电磁阀，第一阀门、第二阀门及第三阀门均单片机电连接；在单片机上电连接有计时器。
在测试罐的底部设有缓冲垫。
测量装置还包括壳体，在壳体的顶部设有可拆卸的盖板，测试罐的顶盖延伸至盖板外或者测试罐的顶盖与盖板平齐；在壳体内设有第一隔板，测试罐、单片机、第一气泵、第二气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门及气体流量传感器均设置在第一隔板上，储气罐、水箱及水泵设置在第一隔板的下方。
不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置的使用方法，包括如下步骤：
第一步：储气罐充气，打开第一阀门，单片机控制第一气泵工作，第一气泵将空气泵入到储气罐中，完成充气后，单片机控制第一气泵停止工作，关闭第一阀门。
第二步：测试罐标定，在测试罐中没有放入不规则固体颗粒时，打开第二阀门，单片机控制控制第二气泵将储气罐中的空气泵入到测试罐中，第二气压传感器用于检测测试罐中的气压，当测试罐的气压为p时，单片机控制第二气泵停止工作，关闭第二阀门；打开第三阀门，单片机开始计时，第一气体流量传感器用于测试进入测试罐的气体流量，当测试罐中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门，单片机停止计时，第一气体流量传感器将信号反馈给单片机，单片机根据气体流量及计时时间换算为气体体积V容。
第三步：测试罐测试不规则固体颗粒的重量，打开测试罐的顶盖，锁定装置对第二隔板的锁定，将不规则固体颗粒放在测试罐的第二隔板上，盖上顶盖，第二隔板上的称重传感器对不规则固体颗粒进行称重，得出其重量为m，并反馈为单片机，完成称重后，锁定装置解除对第二隔板的锁定，不规则固体颗粒沿第二隔板进入测试罐内。
第四步：测试罐测试不规则固体颗粒的体积，打开第二阀门，单片机控制控制第二气泵将储气罐中的空气泵入到测试罐中，当测试罐的气压为p时，单片机控制第二气泵停止工作，关闭第二阀门；打开第三阀门，单片机开始计时，当测试罐中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门，单片机停止计时，第一气体流量传感器将信号反馈给单片机，单片机根据气体流量及计时时间换算为气体体积V0，则不规则固体颗粒的体积为Vs＝(V容-V0)，不规则固体颗粒的密度为m/(V容-V0)。
第五步：重复N次第二步至第四步的操作，N≥2，每次操作时，在第二步中，测试罐内的气压值不同，即在不同的气压值下，测试不规则固体颗粒的体积和密度，得到多组体积值和密度值。
第六步：对第五步的多组体积值和密度值取均值。
本发明采用气压法测试不规则固体颗粒的体积和密度，功能多，精度较高，将不规则固体颗粒放入已经标定的测试罐内，在测试罐相同的气压值下，放入待检测不规则固体颗粒前后，通入测试罐的体积不同，通过此体积差得出待检测不规则固体颗粒的体积，通过称重传感器得到待检测不规则固体颗粒的质量，进而得到待检测不规则固体颗粒的密度，气体流量传感器用于检测测试罐排出的气体流量，在排气开始及结束时，单片机开始计时，气体流量传感器将信号反馈给单片机，单片机根据气体流量及计时时间换算为气体体积，第二气压传感器用于检测测试罐中的气压，第一气泵及第二气泵便于气体输送，在第二隔板上设有锁定装置，锁定装置用于在测试不规则固体颗粒的重量时，对第二隔板进行锁定，即当测试质量时，锁定装置使第二隔板处于锁定状态，当完成质量测试后，锁定装置解除对第二隔板的锁定状态。
锁定装置包括螺杆，通过拧动螺杆实现第二隔板的开合，结构简单；锁定装置包括电动推杆，通过电动推杆实现第二隔板的开合，自动化程度高，便于操作；在储气罐上设有加热保温装置和温度传感器，加热保温装置用于对储气罐进行加热保温，使储气罐内的气体处于相对恒温的状态，适应不同温度的场合，温度传感器用于检测储气罐内气体的温度，因为在不同的温度下，气压值不同，所以当温度相对恒温时，测试结果更准确；加热保温装置包括保温罐，储气罐固定在保温罐内，储气罐的外侧壁与保温罐的内侧壁之间有间隔，在此间隔内设有用于保温的水，采用水浴加热，使储气罐内气体受热均匀；在储气罐上安装有第一气压传感器，第一气压传感器用于检测储气罐内的气压，避免储气罐内气压过高；第一阀门、第二阀门及第三阀门均为电磁阀，第一阀门、第二阀门及第三阀门均单片机电连接，提高装置的自动化程度；在测试罐的底部设有缓冲垫，缓冲垫起缓冲作用。
附图说明
图1为本发明的框图连接示意图；
图2为测试罐的结构示意图(一)；
图3为测试罐的结构示意图(二)；
图4为储气罐的结构示意图；
图5为单片机与本发明中传感器的连接示意图；
图6为壳体的结构示意图。
具体实施方式
如图1-图6所示，不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，包括储气罐4、测试罐8及单片机11，在储气罐4上设有第一进气口和第一出气口，在第一进气口处连接有第一进气管，在第一进气管上安装有第一气泵1和第一阀门3，在第一出气口连接有第一出气管，在第一出气管上安装有第二气泵6和第二阀门5；测试罐8包括第二进气口和第二出气口，第二进气口与第一出气管连接，在第二出气口连接有第二出气管，在第二出气管上设有第三阀门9和气体流量传感器10，在测试罐8上安装有用于检测测试罐8内部气压的第二气压传感器80，第二气压传感器80、气体流量传感器10、第一气泵1及第二气泵6分别与单片机11电连接。
测试罐8包括罐体，在罐体的顶部安装有可拆卸的顶盖82，在顶盖82上设有便于拆卸的扶手83，在罐体内设有第二隔板85，在第二隔板85内安装有称重传感器84；第二隔板85的一侧与罐体铰接，在第二隔板85上设有锁定装置，当测试质量时，锁定装置使第二隔板85处于锁定状态，当完成质量测试后，锁定装置解除对第二隔板85的锁定状态。
锁定装置包括螺杆88，螺杆88与罐体螺纹配合，在第二隔板85的侧面设有螺纹孔，螺杆88的内端与螺纹孔配合，在螺杆88的外端设有把手。
锁定装置包括电动推杆86，电动推杆86设置在罐体内，电动推杆86的固定端与罐体固定连接，电动推杆86的自由端与第二隔板85的底部固定连接，电动推杆86与单片机11电连接。
在储气罐4上设有加热保温装置和温度传感器40，温度传感器40的检测端延伸至储气罐4内，温度传感器40与单片机11电连接；在测试罐8外套设有保温套81。
加热保温装置包括保温罐42，储气罐4固定在保温罐42内，储气罐4的外侧壁与保温罐42的内侧壁之间有间隔，在此间隔内设有用于保温的水，在保温罐42上设有水进口和水出口，在保温罐42外设有水箱2，保温罐42的水进口和水出口分别通过水管与水箱2连通，保温罐42的水进口与水箱2的连接水管上安装有水泵，在水箱2内设有电加热装置，电加热装置采用电热棒加热，电加热装置和水泵分别与单片机11电连接。
在储气罐4上安装有第一气压传感器41，第一气压传感器41与单片机11电连接。
第一阀门3、第二阀门5及第三阀门9均为电磁阀，第一阀门3、第二阀门5及第三阀门9均单片机11电连接；在单片机11上电连接有计时器。
在测试罐8的底部设有缓冲垫87。
测量装置还包括壳体13，在壳体13的顶部设有可拆卸的盖板，测试罐8的顶盖82延伸至盖板外或者测试罐8的顶盖82与盖板平齐；在壳体13内设有第一隔板15，测试罐8、单片机11、第一气泵1、第二气泵6、第一阀门3、第二阀门5、第三阀门9及气体流量传感器10均设置在第一隔板15上，储气罐4、水箱2及水泵设置在第一隔板15的下方。
在单片机11上电连接有显示器12，显示器12用于显示测试结果，显示器12固定在壳体13的外部。
单片机11安装在控制器14上，控制器14安装在第一隔板15上。
不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置的使用方法，包括如下步骤：
第一步：储气罐4充气，打开第一阀门3，单片机11控制第一气泵1工作，第一气泵1将空气泵入到储气罐4中，完成充气后，单片机11控制第一气泵1停止工作，关闭第一阀门3。
第二步：测试罐8标定，在测试罐8中没有放入不规则固体颗粒时，打开第二阀门5，单片机11控制控制第二气泵6将储气罐4中的空气泵入到测试罐8中，第二气压传感器80用于检测测试罐8中的气压，当测试罐8的气压为p时，单片机11控制第二气泵6停止工作，关闭第二阀门5；打开第三阀门9，单片机11开始计时，第一气体流量传感器10用于测试进入测试罐8的气体流量，当测试罐8中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门9，单片机11停止计时，第一气体流量传感器10将信号反馈给单片机11，单片机11根据气体流量及计时时间换算为气体体积V容。
第三步：测试罐8测试不规则固体颗粒的重量，打开测试罐8的顶盖82，锁定装置对第二隔板85的锁定，将不规则固体颗粒放在测试罐8的第二隔板85上，盖上顶盖82，第二隔板85上的称重传感器84对不规则固体颗粒进行称重，得出其重量为m，并反馈为单片机11，完成称重后，锁定装置解除对第二隔板85的锁定，不规则固体颗粒沿第二隔板85进入测试罐8内。
第四步：测试罐8测试不规则固体颗粒的体积，打开第二阀门5，单片机11控制控制第二气泵6将储气罐4中的空气泵入到测试罐8中，当测试罐8的气压为p时，单片机11控制第二气泵6停止工作，关闭第二阀门5；打开第三阀门9，单片机11开始计时，当测试罐8中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门9，单片机11停止计时，第一气体流量传感器10将信号反馈给单片机11，单片机11根据气体流量及计时时间换算为气体体积V0，则不规则固体颗粒的体积为Vs＝(V容-V0)，不规则固体颗粒的密度为m/(V容-V0)。
第五步：重复N次第二步至第四步的操作，N≥2，每次操作时，在第二步中，测试罐8内的气压值不同，即在不同的气压值下，测试不规则固体颗粒的体积和密度，得到多组体积值和密度值。
第六步：对第五步的多组体积值和密度值取均值。
在本实施例中，单片机11采用自带A/D转化功能的STC12C5A60S2，具有高速、低功耗、强干扰的功能，能够将气体流量传感器10、第二气压传感器80、第一气压传感器41、温度传感器40等零件的信号转化为单片机11能够识别的数字信号，此为现有技术，在此不再赘述，单片机11STC12C5A60S2不具有计时功能，在使用时，在单片机11上连接计时器，用于计时，在使用时，如果选用的单片机11自带计时功能，则不需要再额外连接计时器。
第一气压传感器41和第二气压传感器80选用杭州美控MIK-P300气压传感器，气体流量传感器10采用江苏丰辉仪表有限公司的气体体积流量计，温度传感器40采用奥松电子的AHT15集成式温湿度传感器。
本发明采用气压法测试不规则固体颗粒的体积和密度，功能多，精度较高，将不规则固体颗粒放入已经标定的测试罐8内，在测试罐8相同的气压值下，放入待检测不规则固体颗粒前后，通入测试罐8的体积不同，通过此体积差得出待检测不规则固体颗粒的体积，通过称重传感器84得到待检测不规则固体颗粒的质量，进而得到待检测不规则固体颗粒的密度，气体流量传感器10用于检测测试罐8排出的气体流量，在排气开始及结束时，单片机11开始计时，气体流量传感器10将信号反馈给单片机11，单片机11根据气体流量及计时时间换算为气体体积，第二气压传感器80用于检测测试罐8中的气压，第一气泵1及第二气泵6便于气体输送，在第二隔板85上设有锁定装置，锁定装置用于在测试不规则固体颗粒的重量时，对第二隔板85进行锁定，即当测试质量时，锁定装置使第二隔板85处于锁定状态，当完成质量测试后，锁定装置解除对第二隔板85的锁定状态。
具体操作按不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置的使用方法进行操作。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，包括储气罐、测试罐及单片机，其特征在于：在储气罐上设有第一进气口和第一出气口，在第一进气口处连接有第一进气管，在第一进气管上安装有第一气泵和第一阀门，在第一出气口连接有第一出气管，在第一出气管上安装有第二气泵和第二阀门；测试罐包括第二进气口和第二出气口，第二进气口与第一出气管连接，在第二出气口连接有第二出气管，在第二出气管上设有第三阀门和气体流量传感器，在测试罐上安装有用于检测测试罐内部气压的第二气压传感器，第二气压传感器、气体流量传感器、第一气泵及第二气泵分别与单片机电连接；
测试罐包括罐体，在罐体的顶部安装有可拆卸的顶盖，在罐体内设有第二隔板，在第二隔板内安装有称重传感器；第二隔板的一侧与罐体铰接，在第二隔板上设有锁定装置，当测试质量时，锁定装置使第二隔板处于锁定状态，当完成质量测试后，锁定装置解除对第二隔板的锁定状态。
2.如权利要求1所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：锁定装置包括螺杆，螺杆与罐体螺纹配合，在第二隔板的侧面设有螺纹孔，螺杆的内端与螺纹孔配合，在螺杆的外端设有把手。
3.如权利要求1所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：锁定装置包括电动推杆，电动推杆设置在罐体内，电动推杆的固定端与罐体固定连接，电动推杆的自由端与第二隔板的底部固定连接，电动推杆与单片机电连接。
4.如权利要求1所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：在储气罐上设有加热保温装置和温度传感器，温度传感器的检测端延伸至储气罐内，温度传感器与单片机电连接；在测试罐外套设有保温套。
5.如权利要求4所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：加热保温装置包括保温罐，储气罐固定在保温罐内，储气罐的外侧壁与保温罐的内侧壁之间有间隔，在此间隔内设有用于保温的水，在保温罐上设有水进口和水出口，在保温罐外设有水箱，保温罐的水进口和水出口分别通过水管与水箱连通，保温罐的水进口与水箱的连接水管上安装有水泵，在水箱内设有电加热装置，电加热装置和水泵分别与单片机电连接。
6.如权利要求5所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：在储气罐上安装有第一气压传感器，第一气压传感器与单片机电连接。
7.如权利要求1所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：第一阀门、第二阀门及第三阀门均为电磁阀，第一阀门、第二阀门及第三阀门均单片机电连接；在单片机上电连接有计时器。
8.如权利要求1所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：在测试罐的底部设有缓冲垫。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置，其特征在于：测量装置还包括壳体，在壳体的顶部设有可拆卸的盖板，测试罐的顶盖延伸至盖板外或者测试罐的顶盖与盖板平齐；在壳体内设有第一隔板，测试罐、单片机、第一气泵、第二气泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门及气体流量传感器均设置在第一隔板上，储气罐、水箱及水泵设置在第一隔板的下方。
10.如权利要求1-8中任意一项所述的不规则固体颗粒气压式体积及密度测量装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：储气罐充气，打开第一阀门，单片机控制第一气泵工作，第一气泵将空气泵入到储气罐中，完成充气后，单片机控制第一气泵停止工作，关闭第一阀门；
第二步：测试罐标定，在测试罐中没有放入不规则固体颗粒时，打开第二阀门，单片机控制控制第二气泵将储气罐中的空气泵入到测试罐中，第二气压传感器用于检测测试罐中的气压，当测试罐的气压为p时，单片机控制第二气泵停止工作，关闭第二阀门；打开第三阀门，单片机开始计时，第一气体流量传感器用于测试进入测试罐的气体流量，当测试罐中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门，单片机停止计时，第一气体流量传感器将信号反馈给单片机，单片机根据气体流量及计时时间换算为气体体积V容；
第三步：测试罐测试不规则固体颗粒的重量，打开测试罐的顶盖，锁定装置对第二隔板的锁定，将不规则固体颗粒放在测试罐的第二隔板上，盖上顶盖，第二隔板上的称重传感器对不规则固体颗粒进行称重，得出其重量为m，并反馈为单片机，完成称重后，锁定装置解除对第二隔板的锁定，不规则固体颗粒沿第二隔板进入测试罐内；
第四步：测试罐测试不规则固体颗粒的体积，打开第二阀门，单片机控制控制第二气泵将储气罐中的空气泵入到测试罐中，当测试罐的气压为p时，单片机控制第二气泵停止工作，关闭第二阀门；打开第三阀门，单片机开始计时，当测试罐中的气压恢复至初始值时，关闭第三阀门，单片机停止计时，第一气体流量传感器将信号反馈给单片机，单片机根据气体流量及计时时间换算为气体体积V0，则不规则固体颗粒的体积为Vs＝(V容-V0)，不规则固体颗粒的密度为m/(V容-V0)；
第五步：重复N次第二步至第四步的操作，N≥2，每次操作时，在第二步中，测试罐内的气压值不同，即在不同的气压值下，测试不规则固体颗粒的体积和密度，得到多组体积值和密度值；
第六步：对第五步的多组体积值和密度值取均值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113532577A (zh) * 2021-07-09 2021-10-22 中国科学院广州能源研究所 一种用于检测气体采样袋体积的装置及方法
CN113776986A (zh) * 2021-08-27 2021-12-10 中国人民解放军63653部队 一种测定堆料表观密度的装置及其测定方法
CN114029152A (zh) * 2021-10-27 2022-02-11 铜陵有色金属集团股份有限公司 一种建筑垃圾精细化分类回收设备
WO2022219253A1 (fr) * 2021-04-14 2022-10-20 Laboratoire National De Métrologie Et D'essais Méthode de mesure du volume d'un solide et pycnomètre associé

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