毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比同时测试方法与流程

本发明涉及海洋装备制造领域，具体的说是一种毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比同时测试方法。

背景技术：

毫米级小球是一种低密度的球形填料，用于制造微球/毫米级小球/树脂三相固体浮力材料，毫米级小球一般是从国外进口，国内鲜有报道。低密度毫米级小球的研究与表征如真密度、堆密度测试等，已经成为限制我国在深海探测领域用固体浮力材料的关键技术。

目前，表征毫米级小球的真密度、堆密度及在三相固体浮力材料中的最大填充比的测试方法所用测试装置，一般都配备抽真空、干燥、称量等装置，结构复杂、成本较高，测试时需要进行干燥，反复抽真空，多次称量、手动记录或计算数据等多步操作，不能同时测试出毫米级小球的真密度、堆密度及在三相固体浮力材料中的最大填充比，且装样品的容器偏小时而毫米级小球的直径较大时，测试出的堆密度和毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比偏差较大，并且真密度、堆密度、及在三相固体浮力材料中的最大填充比等测试数据不能及时发送至物联网材料设计数据库备用。

最大填充比是设计生产三相固体浮力材料的关键参数，测试出该参数后，才能得到微球/树脂的准确用量，进而根据设备产能定量配料，节约树脂，降低成本；且该参数配合毫米级小球的真密度，才能设计生产出密度可控、满足净浮力要求的三相固体浮力材料。现有技术和设备一般单独用于测量真密度或堆密度，没有测量最大填充比的功能，且根据现有技术测量出的真密度和堆密度，推导不出最大填充比，欲获取该参数还需要复杂的手动操作，但是手动操作不仅误差较大，而且测试数据孤立存在，不能及时发送到数据库。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比同时测试方法，该测试方法借助于测试装置测试一次，便能够快速便捷地获取真密度、堆密度和毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比这三个数据，并通过发射终端传输至物联网材料设计数据库中，方便研发和生产人员选用真密度、堆密度及最大填充比合适的毫米级小球开展三相固体浮力材料设计，降低制品成本，保证毫米级小球性能数据的可追溯。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比同时测试方法，所述测试方法在测试装置上完成，所述测试装置包括电子天平、容纳毫米级小球和/或水的容器以及能够向容器内注水的注水管，所述注水管与储水箱相连；所述测试装置还包括数据采集与处理模块，所述电子天平能够将称量的质量数据传输至数据采集与处理模块，所述容器上部设有液位指示器和用于限定容器内毫米级小球容纳量的隔网，所述液位指示器用于指示容器内液面变化并将测量结果传输至数据采集与处理模块；所述注水管上设有注水控制阀，数据采集与处理模块通过发送信号控制注水控制阀的开合；所述数据采集与处理模块包括数据采集处理器及5g无线信号发射终端，所述数据采集处理器用于采集处理各种信号，所述5g无线信号发射终端用于将数据采集处理器处理后的数据传输至物联网材料设计数据库；

所述测试方法包括如下步骤：

(1)、称量容器的质量m0

将空的容器置于电子天平上进行称量，得到容器的质量m0，电子天平将数据m0传至数据采集与处理模块；

(2)、称量容器中装满毫米级小球后的总质量m1

将毫米级小球装入容器内，直至毫米级小球与隔网的下表面接触，将装有毫米级小球的容器置于电子天平上进行称量，得到容器中装满毫米级小球后的总质量m1，电子天平将数据m1传至数据采集与处理模块；

(3)、称量容器中装满毫米级小球并注水至临界水位线后的总质量m2

打开注水控制阀，通过注水管向装有毫米级小球的容器中注水至临界水位线，称量，得到容器中装有毫米级小球并注水至临界水位线后的总质量m2，电子天平将数据m2传至数据采集与处理模块；

(4)、称量容器中装满水后的总质量m3

将步骤(3)中容器内的毫米级小球和水倒出，将容器放回至电子天平上，打开注水控制阀向容器中注水至临界水位线，然后进行称量，得到容器中装满水后的总质量m3，电子天平将数据m3传至数据采集与处理模块；

(5)、计算毫米级小球的真密度、堆密度及在三相固体浮力材料中的最大填充比

毫米级小球的真密度ρb满足：其中，ρw表示水的密度；

毫米级小球的真密度ρp满足：

毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比f满足：

数据采集与处理模块能够利用上述公式和步骤(1)～(4)的称量数据自动计算出毫米级小球的真密度、堆密度以及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比；

(6)、计算结果传送

将步骤(5)得到的真密度、堆密度以及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比数据经5g无线信号发射终端传输至物联网材料设计数据库中。

进一步地，所述容器采用透明材料，所述液位指示器位于容器的顶部。

进一步地，所述隔网的目数是由毫米级小球的直径决定的。

有益效果：

(1)通过一次测试，即能够获得毫米级小球的真密度、堆密度、毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比这三个关键数据

操作人员只需要需要测量容器的质量m0，容器中装满毫米级小球后的质量m1、容器中装满毫米级小球并注水至临界水位线后的质量m2、以及容器中注水至临界水位线后的质量m3这四个质量值，数据采集与处理模块能够自动计算出毫米级小球的真密度、堆密度、毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比这三个关键数据。

(2)测试装置结构简单、容易操作，对操作人员要求低

操作人员只需完成填装满毫米级小球、水，再倒出毫米级小球和水等极为有限的手动操作，不必进行抽真空、干燥容器等步骤。控制注水、密度计算、数据传输到以计算机为载体的物联网材料设计数据库中等任务均可自动完成，从开始测试到获得数据，仅需3～5分钟，大大地提高了测试效率。

(3)能够便捷高效的完成毫米级小球的基础数据积累与重用通过5g无线信号发射终端，测试装置能够无延迟地把毫米级小球的测试数据自动传输至物联网材料设计数据库中，方便了毫米级小球的准确选用。

(4)测试数据准确可靠，为单位降本增效

采用本发明的测试方法对多批次毫米级小球进行了测试，测试结果与第三方测试结果数据的最大误差约2％。根据本发明测试出的“毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比”数据来设计隔水管浮力模块配料表，能够获得准确的树脂浆料用量，降低了使用经验数据造成的浪费，有效的节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的测试方法所使用的测试装置的示意图。

图2是测试装置中的容器内装满毫米级小球后的示意图。

图3是测试装置中的容器内装满毫米级小球并注水至临界水位线时的示意图。

图4是测试装置中的容器内装水至临界水位线时的示意图。

图5是本发明中测试装置的工作原理框图。

附图标记：1、电子天平，2、容器，3、隔网，4、液位指示器，5、注水控制阀，6、注水管，7、数据采集与处理模块，701、数据采集处理器，702、5g无线信号发射终端，8、注水控制信号线，9、质量数据传输线。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比同时测试方法，所述测试方法是在测试装置上完成的，如图1-图5所示，所述测试装置包括电子天平1(精度为0.1g)、容纳待测物体的透明的容器2、与储水箱相连的能够向容器2内注水至容器临界水位线的注水管6以及数据采集与处理模块7，所述电子天平1能够通过质量数据传输线9将称量的质量数据传输至数据采集与处理模块7，所述容器2上部设有液位指示器4和隔网3，所述位于容器2顶部的液位指示器4用于指示容器2内液面变化并将测量结果传输至数据采集与处理模块7，所述设于容器2内部的隔网3用于控制容器2内毫米级小球的容纳量，隔网3的下表面与容器2的临界水位线持平；所述注水管6上设有注水控制阀5，数据采集与处理模块7通过发送信号控制注水控制阀5的开合；所述数据采集与处理模块7包括数据采集处理器701及5g无线信号发射终端702，所述数据采集处理器701用于采集处理各种信号(包括采集注水指示信号、质量数据信号，发出注水停止控制信号，处理质量数据，自动计算并存储测试物体的真密度、堆密度以及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比的数据)，所述5g无线信号发射终端702用于将数据采集处理器701处理后的数据传输至物联网材料设计数据库。

需要说明的是，采用本发明的测试装置进行毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比测试时，应忽略空气的质量。优选地，容器2上刻有临界水位线。

该测试方法包括真密度、堆密度及最大填充比同时测试，所述测试方法包括如下步骤：

(1)、称量容器2的质量m0

如图1所示，将空的容器2置于电子天平1上，电子天平1称取容器2的质量m0，电子天平1通过质量数据传输线9将数据传至数据采集与处理模块7；

(2)、称量容器2中装满毫米级小球后的总质量m1

如图2所示，将毫米级小球装入容器2内，直至毫米级小球与隔网3的下表面接触，将装有毫米级小球的容器2置于电子天平1上进行称量，得到容器2中装满毫米级小球后的总质量m1，并将数据传至数据采集与处理模块7；

m1＝m0+ρbvb，其中，ρb表示毫米级小球的真密度，vb表示容器2中毫米级小球的体积；

(3)、称量容器2中装满毫米级小球并注水至临界水位线后的总质量m2

如图3所示，打开注水控制阀5，通过注水管6向装有毫米级小球的容器2中注水至临界水位线，称量，得到容器2中装有毫米级小球并注水至临界水位线后的总质量m2，并将数据传至数据采集与处理模块7；

m2＝m0+ρbvb+ρwvw，其中，ρw表示水的密度，vw表示容器2中装满毫米级小球时空隙中注入的水的体积；

(4)、称量容器2中装满水后的总质量m3

将步骤(3)中的毫米级小球和水倒出，如图4所示，打开注水控制阀5向容器2中注水至临界水位线，然后进行称量，得到容器2中装满水后的总质量m3；

m3＝m0+ρwv＝m0+ρw(vb+vw)，其中，v表示容器2中单纯注水至临界水位线时的体积；

(5)、计算毫米级小球的真密度、堆密度

毫米级小球的真密度ρb满足：

毫米级小球的真密度ρp满足：

毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比f满足：

数据采集与处理模块7利用上述公式和步骤(1)～(4)的称量数据自动计算毫米级小球的真密度、堆密度及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比；

(6)计算结果传送

将步骤(5)得到的计算结果经5g无线信号发射终端702传输至物联网材料设计数据库中。

需要说明的是，所述隔网的目数是由毫米级小球的直径决定的，要确保毫米级小球不会从隔网的一侧漏至另一侧。

实施例1

(1)称量容器2的质量m0

如图1所示，连接并检查各部件状态完好后，把空的容器2置于电子天平1上进行称量，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的容器2的质量为m0＝200.0g；

(2)称量容器2中装满毫米级小球后的质量m1

如图2所示，首先把足量的待测毫米级小球装入容器2中，直至毫米级小球与隔网3下表面接触，然后把装有毫米级小球的容器2放在电子天平1上称量，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的容器2内装满毫米级小球后的质量和为m1＝308.3g；

(3)称量容器2中装满毫米级小球并注水至临界水位线的质量m2

如图3所示，通过数据采集与处理模块7控制注水控制阀5打开，注水管6中的水开始注入装有毫米级小球的容器2。当注水至临界水位线时，液位指示器4由注水控制信号线8向数据采集与处理模块7发出信号，数据采集与处理模块7立即通过注水控制信号线8关闭注水控制阀5，然后，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的容器2中装满毫米级小球并注水至临界水位线时的质量和为m2＝537.6g；

(4)称量容器2中单纯注水至临界水位线的质量m3

如图4所示，接着步骤(3)，首先把容器2中的毫米级小球和水倒出，然后通过数据采集与处理模块7控制注水控制阀5打开，注水管6中的水开始注入空的容器2，当注水至临界水位线时，液位指示器4向数据采集与处理模块7发出信号，数据采集与处理模块7立即通过注水控制信号线8关闭注水控制阀5，之后数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的单纯注水至临界水位线时水和容器2的质量和为m3＝700.2g；

(5)计算毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比

数据采集与处理模块7自动计算并给出毫米级小球的真密度ρb＝0.398、堆密度ρp＝0.215、以及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比f＝0.540等关键测试数据；

(6)计算结果传送

步骤(5)获得的测试数据，经由5g无线信号发射终端702传输到物联网材料设计数据库中。

本实施例中，测试结果的真密度(ρb＝0.398)与第三方测试结果(ρb′＝0.40)相比，误差为0.5％；堆密度(ρp＝0.215)与第三方测试结果(ρp′＝0.21)相比，误差为2.3％；毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比(f＝0.540)与第三方测试结果f′＝0.54完全相同。

实施例二

(1)称量容器2的质量m0

如图1所示，连接好并检查各模块状态完好后，把容器2放在在电子天平1上称量，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的容器的质量m0＝200.0g；

(2)称量容器2中装满毫米级小球的质量m1

如图2所示，首先把足量的待测毫米级小球装入容器2中，直至毫米级小球与隔网3下表面接触，然后把装有毫米级小球的容器2放在电子天平1上称量，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输容器2中装有毫米级小球后的质量m1＝336.5g。

(3)称量容器2中装满毫米级小球并注水至临界水位线的质量m2

如图3所示，接着步骤(2)，首先通过数据采集与处理模块7控制注水控制阀5打开，注水管6中的水开始注入装有毫米级小球的容器2中，当注水至临界水位线时，液位指示器4由注水控制信号线8向数据采集与处理模块7发出信号，数据采集与处理模块7立即通过注水控制信号线8关闭注水控制阀5，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的容器2中装满毫米级小球并注水至临界水位线时的质量和为m2＝564.4g；

(4)称量容器2中单纯注水至临界水位线的质量m3

如图4所示，接着步骤(3)，首先将容器2中的毫米级小球和水倒出，然后通过数据采集与处理模块7控制注水控制阀5打开，注水管6中的水开始注入空的容器2，当注水至临界水位线时，液位指示器4通过注水控制信号线8向数据采集与处理模块7发出信号，数据采集与处理模块7立即通过注水控制信号线8关闭注水控制阀5，数据采集与处理模块7接收电子天平1传输的单纯注水至临界水位线时水和容器2的质量和m3＝700.0g；

(5)计算毫米级小球的真密度、堆密度及最大填充比

数据采集与处理模块7自动计算并给出毫米级小球的真密度ρb＝0.502、堆密度ρp＝0.273以及毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比f＝0.540等关键测试数据。

(6)计算结果传送

步骤(5)获得的测试数据，经由5g无线信号发射终端702传输到物联网材料设计数据库中。

本实施例中，测试结果的真密度(ρb＝0.502)与第三方测试结果(ρb′＝0.50)相比，误差为0.4％；堆密度(ρp＝0.273)与第三方测试结果ρp′＝0.27相比，误差为1.1％；毫米级小球在三相固体浮力材料中的最大填充比f＝0.544与第三方测试结果f′＝0.54相比，误差为0.7％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。