一种测量不规则固体体积的装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固体体积的测量技术，具体是一种测量不规则固体体积的装置和测量 方法，应用范围广，比如岩土工程测量不规则土体的体积变化、农业育种时测量种子的体 积、材料科学中测量各种材料的体积、化学化工中测量不规则化学固体的体积等。
【背景技术】
[0002] 体积测量，特别是不规则物体的体积测量，在诸多领域有着广泛的要求，如岩土试 验中测量变化土体的体积、材料科学中测量材料的体积、农业育种时测量种子的体积等，所 以精确测量不规则物体的体积，对生产和科研有着举足轻重的作用。但是，目前各种测量仪 器中，没有直接测量不规则固体体积且不污染固体的仪器。目前，直接测量固体体积的方 法都是针对规则固体的，如立方体、球等，通过测量长、宽、高或者直径，再利用数学公式计 算出体积；对于比较均匀的固体，查出其密度，通过测量其质量计算出体积；对于不规则物 体，目前利用最多的就是利用阿基米德原理，即所谓的"湿法"。以上方法都不能直接测量不 规则固体的体积且不污染固体。目前可测量不规则固体体积的高精度仪器是采用三维超声 法，一般都用在医学上，且测量费用比较昂贵。
【发明内容】
[0003] 本发明根据气体在低温低压下P-V-T间的关系服从理想气体状态方程，利用这个 关系来测量不规则固体的体积。
[0004] 当环境温度不变，气体的压力与体积的方程为：
[0005] P0 · V0= P ! · V1 (1)
[0006] 式中：PQ、V。分别为初始状态的气体压力和体积J1分别为压缩后的气体压力和 体积。
[0007] 参照图2所示，当对一个密闭的装置进行压缩时，已知压力室截面积为A，压缩前 压力室的气体压力为匕，压缩后的气体压力为P 1，压缩前活塞的位置为h2，压缩后活塞的位 置为h3, Λ V = A · (h2-h3)，Λ P = PfPQ，气体的压力与体积的方程为：
[0011] 式中：Ρ。、％分别为初始状态的气体压力和体积；Λ Ρ、Λ V分别为压缩后的气体压 力和体积的压缩量。
[0012] 若在装置中放置一个已知体积为％的固体时，再对气体进行同样大小的压缩，此 时压缩前压力室的气体压力为P2，压缩后的气体压力为Ρ 3, Λ Pc = P3-P2气体的压力与体积 的方程为：
[0014] 式中：P。、V。为初始状态的气体压力和体积；Λ V为式⑵中的气体体积压缩量； Λ Pc为放进已知体积的固体后压力的变化量。
[0015] 同样若在装置中放置一个未知体积的固体时，该固体体积设为Vx，再进行同样大 小的压缩，则气体的压力与体积的方程为：
[0017] 式中：P。、V。分别为初始状态的气体压力和体积；Λ V为式⑵中的气体体积压缩 量；Vx为待测固体的体积（未知）Px为放进待测固体后压力的变化量。
[0018] 联立以上⑶（4) (5)三式得：
[0020] 通过计算可得出未知固体的体积。
[0021] 本发明的目的在于提供了一种快速精确测量不规则固体体积的装置和测量方法， 测量前后不会对固体造成污染。
[0022] 实现本发明目的的技术方案是：
[0023] -种测量不规则固体体积的装置，包括装样室、测量室、储油室、空压机、阀门、单 通道控制器、压力传感器、第一计算机和第二计算机；装样室为一带有盖体的密封钢质容 器，用于放置待测的不规则固体；装样室的盖体上设有气体入口和压力传感器，气体入口通 过对外连接的第一阀门与外部气体相连通，压力传感器与第一计算机连接；测量室为一透 明的钢化玻璃室，室壁上设有刻度，测量室上设有气体入口，气体入口通过对外连接的第一 阀门与外部气体相连通；储油室一为密封钢质容器，室内装有轻质液压油，储油室和测量室 通过管道连接，管道上设有第二阀门，储油室上设有气体入口，气体入口连接管道，管道上 设有第三阀门；空压机为装置提供压力来源，空压机和储油室通过单通道控制器连接，单通 道控制器与第三阀门连接，单通道控制器可以把空压机输出的气体定压定流速地输进储油 室，单通道控制器与第二计算机连接，其输出气体的压力和流速是通过第二计算机上的软 件来实现。
[0024] 所述压力传感器与第一计算机连接，压力传感器可以精确测量装置内的压力值， 并输送显示到第一计算机上实时读取压力传感器采集的压力值；第二计算机连接单通道控 制器，在第二计算机上通过相关软件控制单通道控制器，以控制进入装置气体的压力和流 速。
[0025] 第一阀门控制外界进入装样室和测量室的气体量，第二阀门连接测量室和储油 室，第三阀门控制空压机气体进入装置的气体量。
[0026] 应用本发明测量不规则固体体积的装置测量不规则固体体积的方法，包括在装置 的装样室不放置固体时的压缩实验，在装样室放入已知体积的标准样块时的压缩实验，以 及在装样室放入待测固体时的压缩实验，具体步骤如下：
[0027] (1)在装样室中不放置固体进行压缩实验，打开第一计算机实时监测装样室的压 力变化；
[0028] (2)打开第一阀门，使装样室、测量室与大气相通；
[0029] (3)打开空压机，使空压机产生气压并储藏在自身的储气罐里；
[0030] (4)打开第二计算机，通过软件控制单通道控制器控制通入储油室气体的压力为 10kPa、流量为 50sccm ;
[0031] (5)从第一计算机读取此时装样室的压力值，用P1表示，P i-般为0 ;
[0032] (6)依次打开第三阀门、第二阀门，随着气体进入储油室，储油室里的压强越来越 大，使储油室里的油进入测量室；
[0033] (7)不断通过第二计算机的软件调整流入10kPa_30kPa气体压力和 5〇SCCm-10〇 SCCm流量，使测量室里的油面高度到达压缩前的高度，压缩前的油面高度用h。 表示，此时迅速依次关闭第二阀门、第三阀门，通过第二计算机的软件关闭单通道控制器输 出的气流；
[0034] (8)关闭第一阀门，使装样室、测量室与大气隔绝；
[0035] (9)再通过第二计算机的软件使单通道控制器输出10kPa-60kPa的气压和 200sccm-300sccm 流量；
[0036] (10)依次打开第三阀门、第二阀门，使测量室里的油面高度上升一个确定的值 Λ h，根据固体的大小自行设置，迅速关闭第二阀门、第三阀门，已知测量室的截面积为A， 则气体体积压缩量Λ V = A ·Λ h，再通过第二计算机的软件使单通道控制器输出的气流压 力和流量都为〇 ;
[0037] (11)从第一计算机读取此时装样室里的压力值，用P2表示；
[0038] (12)依次打开第三阀门、第二阀门、第一阀门，使测量室里的油流回储油室，当测 量室里的油面到达h。时，迅速关闭第二阀门、第三阀门；
[0039] (13)此时 Λ V = A.Ah，AP = P2-P1;
[0040] (14)打开装样室，放进一个已知体积的标准样块，其体积为Vc ;
[0041] (15)打开第一阀门，使装样室、测量室与大气相通；
[0042] (16)打开第二计算机，通过软件控制单通道控制器控制通入储油室气体的压力为 10kPa、流量为 50sccm ;
[0043] (17)从第一计算机读取此时装样室的压力值，用Pcl表示，P cl-般为0 ;
[0044] (18)依次打开第三阀门、第二阀门，随着气体进入储油室，储油室里的压强越来越