全機(jī)械密度儀

鄭經(jīng)學(xué),李思雨,劉 琦,徐志鵬,聶 晶

(遼寧科技大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

學(xué)生園地

全機(jī)械密度儀

鄭經(jīng)學(xué),李思雨,劉 琦,徐志鵬,聶 晶

(遼寧科技大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

基于玻意耳定律和阿基米德原理，設(shè)計(jì)了全機(jī)械密度儀，對鋁鐵銅樣品進(jìn)行了測量，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相近. 本密度儀成本低，可用于固體或液體的無污染測量.

密度；玻意耳定律；阿基米德原理

目前市場上已有的密度儀一般是利用阿基米德原理(排液法)對物體的密度進(jìn)行測量[1-6]，但在實(shí)際的科研、工業(yè)生產(chǎn)和生活中，有很多待測樣品的性質(zhì)比較活潑，排液測量中被污染或出現(xiàn)性狀的改變，因此這一類排液法的密度儀在適用范圍上受到了一定的限制. 同樣，若采用排沙法測體積也會出現(xiàn)污染待測樣品的情況. 常用的電子密度儀，由于需要荷重傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、顯示部分及USB接口等大量的電子產(chǎn)品進(jìn)行測量、計(jì)算及顯示，因而設(shè)備成本比較高[7-10]. 針對以上問題筆者設(shè)計(jì)了全機(jī)械密度儀，利用玻意耳定律和阿基米德原理實(shí)現(xiàn)密度的測量，避免排液法、排沙法對待測樣品造成污染，也不需要用昂貴的電子設(shè)備進(jìn)行計(jì)算和顯示，只需簡單操作便可得出被測物的密度.

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 密度儀的制作

實(shí)驗(yàn)儀器：2個(gè)密閉容器(體積為2 L),2個(gè)容器(體積分別為4 L和2 L),氣壓表(量程為10個(gè)大氣壓，上海天川Y-60，上海天川儀表廠)、充氣閥門，3個(gè)導(dǎo)氣閥門，3條導(dǎo)氣管、帶刻度透明管狀容器(直徑15 cm、長100 cm)，活塞(直徑略小于15 cm)及其他輔助用品.

1.2 儀器制作及測量方法

1.2.1 儀器制作原理

體積置換儀如圖1所示，由密閉容器和盛水密閉容器構(gòu)成，其中密閉容器內(nèi)放置被測物體，密閉容器的端蓋上固定有氣壓表、充氣閥、導(dǎo)氣閥門和導(dǎo)氣孔，密閉容器的端蓋旋緊密封；盛水密閉容器內(nèi)盛水，其容器端蓋上有導(dǎo)氣孔，盛水密閉容器底部側(cè)壁有放水閥門，密閉容器和盛水密閉容器容積大小相等,其容積均為2 L. 2個(gè)密閉容器端蓋上的導(dǎo)氣孔通過導(dǎo)氣管相互連通， 且導(dǎo)氣管上有氣體閥門.

(b)實(shí)物圖圖1 體積置換儀

質(zhì)量置換儀包括2個(gè)大小不同的容器，較大容器(容器體積約為4 L)內(nèi)盛水，側(cè)壁設(shè)有放水閥門；較小容器(容器體積約為2 L)放在較大容器內(nèi)，較小容器內(nèi)放置待測物體，如圖2所示.

圖2 質(zhì)量置換儀

密度測量儀如圖3所示，為透明的管狀容器，由容積固定的左腔室(體積為1 767.09 cm3)和容積可調(diào)的右腔室(體積最大為15 903.84 cm3)組成，左腔室和右腔室的管狀截面積相同，且上部均有開口，通過開口向左腔室和右腔室內(nèi)注水，右側(cè)腔室內(nèi)有一帶推拉桿的活塞，通過推拉桿帶動活塞在右側(cè)腔室左右移動來調(diào)節(jié)右腔室的容積. 左腔室和右腔室下面還有帶刻度的水平底座(底座刻度線為100 cm,精度為0.1 cm)，密度測量儀測量時(shí)放置在操作臺上.

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)示意圖圖3 密度測量儀

1.2.2 密度測量操作過程

如圖1所示，體積置換操作步驟如下：

a.關(guān)閉閥門，將盛水密閉容器注滿水.

b.打開密閉容器，將待測物體放入密閉容器中后密封.

c.通過導(dǎo)氣孔用打氣裝置打入一定氣體，觀察氣壓表，使得密閉容器中的壓強(qiáng)為2個(gè)大氣壓，停止打氣.

d.打開導(dǎo)氣閥門和放水閥門,在氣壓的作用下氣體由密閉容器進(jìn)入盛水密閉容器，盛水密閉容器會向外排出一定體積的水，根據(jù)玻意耳定律pV=c(c為常數(shù))或理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT,可得2p0(V0-V1)=p0[2(V0-V1)]=nRT，即等溫時(shí)理想氣體氣壓減半體積加倍，其中V0為容器的容積，V1為待測樣本的體積. 當(dāng)氣壓表的讀數(shù)變?yōu)?個(gè)大氣壓時(shí)，盛水密閉容器中的水將停止外流，容器中余下的水的體積與待測樣本的體積相同.

e.打開密閉容器，將盛水密閉容器中剩余的水在放水閥門處通過塑料管導(dǎo)入至密度測量儀中容積固定的左腔室中.

若測量液體密度可省略上述過程.

采用體積置換儀可以得到與待測物體等體積的水.

如圖2所示，質(zhì)量置換操作步驟如下：

a.關(guān)閉閥門，在放有較小容器的較大容器中注入與閥門底端相平的水(關(guān)閉閥門是為了降低人工操作對測量數(shù)據(jù)的影響).

b.將待測物體放入較小容器中，打開閥門，通過塑料管將流出的水(體積為V2)導(dǎo)入密度測量儀中容積可變的右腔室中.

采用質(zhì)量置換儀得到與待測物體相等質(zhì)量的水.

如圖3所示，密度測量操作步驟如下：

a.將帶刻度的可調(diào)水平的底座放平，左腔室中來自體積置換儀中盛水密閉容器中剩余的水或待測液體(體積為V1)，右側(cè)的腔室中來自質(zhì)量置換儀中從閥門中流出的水(體積為V2).

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理及操作過程，對鋁、鐵、銅樣品進(jìn)行了密度測量，其測量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，計(jì)算求得ρAl=2.71 g/cm3,ρFe=7.87 g/cm3，ρCu=8.94 g/cm3.

實(shí)驗(yàn)室通過排水法標(biāo)定的鋁、鐵、銅的密度[11]分別為2.70,7.90,8.90 g/cm3. 對測量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的結(jié)果分析的得出鋁、鐵、銅3種材料密度測量的相對偏差分別為0.44%，0.35%，0.45%. 樣品的測量密度與真實(shí)密度的誤差較小.

3 設(shè)備誤差來源及改進(jìn)空間

3.1 誤差來源分析

通過對實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)操作的分析，該實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致誤差的因素主要有以下3方面：

1)由于水的浸潤性，在容器內(nèi)壁可能存在掛壁現(xiàn)象，這是造成誤差的一個(gè)因素.

2)在對容器進(jìn)行加壓和放氣過程中，容器內(nèi)部的溫度可能會有微小改變，測量精確度可能會有所降低.

3)由于容器內(nèi)部的壓強(qiáng)是外界大氣壓的2倍，可能會導(dǎo)致非剛性樣品的體積會有微小變化，測量精確度也可能會降低.

3.2 設(shè)備的改進(jìn)空間

1)在密度測量儀內(nèi)可以安裝壓力傳感器，由于容器的截面積相等，所以當(dāng)兩側(cè)容器內(nèi)的水壓相等時(shí)容器兩側(cè)的液面高度相同.

2)將密度測量儀右側(cè)的活塞改為螺旋式活塞，能降低人工操作引起的誤差.

3)在密度測量儀的右側(cè)容器內(nèi)裝上距離傳感器，能更加精確地讀出所需要讀取的數(shù)據(jù)[12].

4)在容器內(nèi)壁進(jìn)行疏水性納米涂層處理.

5)實(shí)驗(yàn)過程可以在恒溫的空調(diào)室內(nèi)進(jìn)行，這樣可以盡量減少溫度對于測量精度的影響.

4 結(jié)束語

基于玻意耳定律和阿基米德原理，設(shè)計(jì)并制作了全機(jī)械密度儀. 通過測量了常見的鋁、鐵、銅等樣品的密度測量，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相近，在誤差允許的范圍內(nèi). 本文所制作的密度儀制作成本較低，所以其可以應(yīng)用學(xué)生實(shí)驗(yàn).

本儀器已獲得國家實(shí)用新型發(fā)明專利(No.ZL201520826621.5).

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Full-mechanicaldensimeter

ZHENG Jing-xue， LI Si-yu， LIU Qi， XU Zhi-peng， NIE Jing

(College of Science， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China)

A full-mechanical densimeter was designed based on Boyle law and Archimedes principle. The densities of Al, Fe and Cu samples were measured by this full-mechanical densimeter, and the results were similar to the standard value. The densimeter was low-cost and could be used to non-pollution measurement of the density of solids and liquids.

density; Boyle law; Archimedes principle

O4-34

A

1005-4642(2017)11-0044-04

2017-04-26；修改日期2017-06-22

國家級大創(chuàng)項(xiàng)目(No.201510146017)

鄭經(jīng)學(xué)(1995-)，男，湖北公安人，遼寧科技大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)2014級本科生.

聶 晶(1981-)，男，遼寧阜新人，遼寧科技大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)榱孔蛹m纏.

[責(zé)任編輯：郭 偉]