一種測量不規則固體體積的裝置和測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及固體體積的測量技術，具體是一種測量不規則固體體積的裝置和測量 方法，應用范圍廣，比如巖土工程測量不規則土體的體積變化、農業育種時測量種子的體 積、材料科學中測量各種材料的體積、化學化工中測量不規則化學固體的體積等。
【背景技術】
[0002] 體積測量，特別是不規則物體的體積測量，在諸多領域有著廣泛的要求，如巖土試 驗中測量變化土體的體積、材料科學中測量材料的體積、農業育種時測量種子的體積等，所 以精確測量不規則物體的體積，對生產和科研有著舉足輕重的作用。但是，目前各種測量儀 器中，沒有直接測量不規則固體體積且不污染固體的儀器。目前，直接測量固體體積的方 法都是針對規則固體的，如立方體、球等，通過測量長、寬、高或者直徑，再利用數學公式計 算出體積；對于比較均勻的固體，查出其密度，通過測量其質量計算出體積；對于不規則物 體，目前利用最多的就是利用阿基米德原理，即所謂的"濕法"。以上方法都不能直接測量不 規則固體的體積且不污染固體。目前可測量不規則固體體積的高精度儀器是采用三維超聲 法，一般都用在醫學上，且測量費用比較昂貴。

【發明內容】

[0003] 本發明根據氣體在低溫低壓下P-V-T間的關系服從理想氣體狀態方程，利用這個 關系來測量不規則固體的體積。
[0004] 當環境溫度不變，氣體的壓力與體積的方程為：
[0005] P0 · V0= P ! · V1 (1)
[0006] 式中：PQ、V。分別為初始狀態的氣體壓力和體積J1分別為壓縮后的氣體壓力和 體積。
[0007] 參照圖2所示，當對一個密閉的裝置進行壓縮時，已知壓力室截面積為A，壓縮前 壓力室的氣體壓力為匕，壓縮后的氣體壓力為P 1，壓縮前活塞的位置為h2，壓縮后活塞的位 置為h3, Λ V = A · (h2-h3)，Λ P = PfPQ，氣體的壓力與體積的方程為：
[0011] 式中：Ρ。、％分別為初始狀態的氣體壓力和體積；Λ Ρ、Λ V分別為壓縮后的氣體壓 力和體積的壓縮量。
[0012] 若在裝置中放置一個已知體積為％的固體時，再對氣體進行同樣大小的壓縮，此 時壓縮前壓力室的氣體壓力為P2，壓縮后的氣體壓力為Ρ 3, Λ Pc = P3-P2氣體的壓力與體積 的方程為：
[0014] 式中：P。、V。為初始狀態的氣體壓力和體積；Λ V為式⑵中的氣體體積壓縮量； Λ Pc為放進已知體積的固體后壓力的變化量。
[0015] 同樣若在裝置中放置一個未知體積的固體時，該固體體積設為Vx，再進行同樣大 小的壓縮，則氣體的壓力與體積的方程為：
[0017] 式中：P。、V。分別為初始狀態的氣體壓力和體積；Λ V為式⑵中的氣體體積壓縮 量；Vx為待測固體的體積（未知）Px為放進待測固體后壓力的變化量。
[0018] 聯立以上⑶（4) (5)三式得：
[0020] 通過計算可得出未知固體的體積。
[0021] 本發明的目的在于提供了一種快速精確測量不規則固體體積的裝置和測量方法， 測量前后不會對固體造成污染。
[0022] 實現本發明目的的技術方案是：
[0023] -種測量不規則固體體積的裝置，包括裝樣室、測量室、儲油室、空壓機、閥門、單 通道控制器、壓力傳感器、第一計算機和第二計算機；裝樣室為一帶有蓋體的密封鋼質容 器，用于放置待測的不規則固體；裝樣室的蓋體上設有氣體入口和壓力傳感器，氣體入口通 過對外連接的第一閥門與外部氣體相連通，壓力傳感器與第一計算機連接；測量室為一透 明的鋼化玻璃室，室壁上設有刻度，測量室上設有氣體入口，氣體入口通過對外連接的第一 閥門與外部氣體相連通；儲油室一為密封鋼質容器，室內裝有輕質液壓油，儲油室和測量室 通過管道連接，管道上設有第二閥門，儲油室上設有氣體入口，氣體入口連接管道，管道上 設有第三閥門；空壓機為裝置提供壓力來源，空壓機和儲油室通過單通道控制器連接，單通 道控制器與第三閥門連接，單通道控制器可以把空壓機輸出的氣體定壓定流速地輸進儲油 室，單通道控制器與第二計算機連接，其輸出氣體的壓力和流速是通過第二計算機上的軟 件來實現。
[0024] 所述壓力傳感器與第一計算機連接，壓力傳感器可以精確測量裝置內的壓力值， 并輸送顯示到第一計算機上實時讀取壓力傳感器采集的壓力值；第二計算機連接單通道控 制器，在第二計算機上通過相關軟件控制單通道控制器，以控制進入裝置氣體的壓力和流 速。
[0025] 第一閥門控制外界進入裝樣室和測量室的氣體量，第二閥門連接測量室和儲油 室，第三閥門控制空壓機氣體進入裝置的氣體量。
[0026] 應用本發明測量不規則固體體積的裝置測量不規則固體體積的方法，包括在裝置 的裝樣室不放置固體時的壓縮實驗，在裝樣室放入已知體積的標準樣塊時的壓縮實驗，以 及在裝樣室放入待測固體時的壓縮實驗，具體步驟如下：
[0027] (1)在裝樣室中不放置固體進行壓縮實驗，打開第一計算機實時監測裝樣室的壓 力變化；
[0028] (2)打開第一閥門，使裝樣室、測量室與大氣相通；
[0029] (3)打開空壓機，使空壓機產生氣壓并儲藏在自身的儲氣罐里；
[0030] (4)打開第二計算機，通過軟件控制單通道控制器控制通入儲油室氣體的壓力為 10kPa、流量為 50sccm ;
[0031] (5)從第一計算機讀取此時裝樣室的壓力值，用P1表示，P i-般為0 ;
[0032] (6)依次打開第三閥門、第二閥門，隨著氣體進入儲油室，儲油室里的壓強越來越 大，使儲油室里的油進入測量室；
[0033] (7)不斷通過第二計算機的軟件調整流入10kPa_30kPa氣體壓力和 5〇SCCm-10〇 SCCm流量，使測量室里的油面高度到達壓縮前的高度，壓縮前的油面高度用h。 表示，此時迅速依次關閉第二閥門、第三閥門，通過第二計算機的軟件關閉單通道控制器輸 出的氣流；
[0034] (8)關閉第一閥門，使裝樣室、測量室與大氣隔絕；
[0035] (9)再通過第二計算機的軟件使單通道控制器輸出10kPa-60kPa的氣壓和 200sccm-300sccm 流量；
[0036] (10)依次打開第三閥門、第二閥門，使測量室里的油面高度上升一個確定的值 Λ h，根據固體的大小自行設置，迅速關閉第二閥門、第三閥門，已知測量室的截面積為A， 則氣體體積壓縮量Λ V = A ·Λ h，再通過第二計算機的軟件使單通道控制器輸出的氣流壓 力和流量都為〇 ;
[0037] (11)從第一計算機讀取此時裝樣室里的壓力值，用P2表示；
[0038] (12)依次打開第三閥門、第二閥門、第一閥門，使測量室里的油流回儲油室，當測 量室里的油面到達h。時，迅速關閉第二閥門、第三閥門；
[0039] (13)此時 Λ V = A.Ah，AP = P2-P1;
[0040] (14)打開裝樣室，放進一個已知體積的標準樣塊，其體積為Vc ;
[0041] (15)打開第一閥門，使裝樣室、測量室與大氣相通；
[0042] (16)打開第二計算機，通過軟件控制單通道控制器控制通入儲油室氣體的壓力為 10kPa、流量為 50sccm ;
[0043] (17)從第一計算機讀取此時裝樣室的壓力值，用Pcl表示，P cl-般為0 ;
[0044] (18)依次打開第三閥門、第二閥門，隨著氣體進入儲油室，儲油室里的壓強越來越