全机械密度仪

郑经学,李思雨,刘 琦,徐志鹏,聂 晶

(辽宁科技大学 理学院，辽宁 鞍山 114051)

学生园地

全机械密度仪

郑经学,李思雨,刘 琦,徐志鹏,聂 晶

(辽宁科技大学 理学院，辽宁 鞍山 114051)

基于玻意耳定律和阿基米德原理，设计了全机械密度仪，对铝铁铜样品进行了测量，测量结果与标准值相近. 本密度仪成本低，可用于固体或液体的无污染测量.

密度；玻意耳定律；阿基米德原理

目前市场上已有的密度仪一般是利用阿基米德原理(排液法)对物体的密度进行测量[1-6]，但在实际的科研、工业生产和生活中，有很多待测样品的性质比较活泼，排液测量中被污染或出现性状的改变，因此这一类排液法的密度仪在适用范围上受到了一定的限制. 同样，若采用排沙法测体积也会出现污染待测样品的情况. 常用的电子密度仪，由于需要荷重传感器、放大器、模数转换器、单片机、显示部分及USB接口等大量的电子产品进行测量、计算及显示，因而设备成本比较高[7-10]. 针对以上问题笔者设计了全机械密度仪，利用玻意耳定律和阿基米德原理实现密度的测量，避免排液法、排沙法对待测样品造成污染，也不需要用昂贵的电子设备进行计算和显示，只需简单操作便可得出被测物的密度.

1 实验研究

1.1 密度仪的制作

实验仪器：2个密闭容器(体积为2 L),2个容器(体积分别为4 L和2 L),气压表(量程为10个大气压，上海天川Y-60，上海天川仪表厂)、充气阀门，3个导气阀门，3条导气管、带刻度透明管状容器(直径15 cm、长100 cm)，活塞(直径略小于15 cm)及其他辅助用品.

1.2 仪器制作及测量方法

1.2.1 仪器制作原理

体积置换仪如图1所示，由密闭容器和盛水密闭容器构成，其中密闭容器内放置被测物体，密闭容器的端盖上固定有气压表、充气阀、导气阀门和导气孔，密闭容器的端盖旋紧密封；盛水密闭容器内盛水，其容器端盖上有导气孔，盛水密闭容器底部侧壁有放水阀门，密闭容器和盛水密闭容器容积大小相等,其容积均为2 L. 2个密闭容器端盖上的导气孔通过导气管相互连通， 且导气管上有气体阀门.

(b)实物图图1 体积置换仪

质量置换仪包括2个大小不同的容器，较大容器(容器体积约为4 L)内盛水，侧壁设有放水阀门；较小容器(容器体积约为2 L)放在较大容器内，较小容器内放置待测物体，如图2所示.

图2 质量置换仪

密度测量仪如图3所示，为透明的管状容器，由容积固定的左腔室(体积为1 767.09 cm3)和容积可调的右腔室(体积最大为15 903.84 cm3)组成，左腔室和右腔室的管状截面积相同，且上部均有开口，通过开口向左腔室和右腔室内注水，右侧腔室内有一带推拉杆的活塞，通过推拉杆带动活塞在右侧腔室左右移动来调节右腔室的容积. 左腔室和右腔室下面还有带刻度的水平底座(底座刻度线为100 cm,精度为0.1 cm)，密度测量仪测量时放置在操作台上.

(a)结构图

(b)示意图图3 密度测量仪

1.2.2 密度测量操作过程

如图1所示，体积置换操作步骤如下：

a.关闭阀门，将盛水密闭容器注满水.

b.打开密闭容器，将待测物体放入密闭容器中后密封.

c.通过导气孔用打气装置打入一定气体，观察气压表，使得密闭容器中的压强为2个大气压，停止打气.

d.打开导气阀门和放水阀门,在气压的作用下气体由密闭容器进入盛水密闭容器，盛水密闭容器会向外排出一定体积的水，根据玻意耳定律pV=c(c为常数)或理想气体状态方程pV=nRT,可得2p0(V0-V1)=p0[2(V0-V1)]=nRT，即等温时理想气体气压减半体积加倍，其中V0为容器的容积，V1为待测样本的体积. 当气压表的读数变为1个大气压时，盛水密闭容器中的水将停止外流，容器中余下的水的体积与待测样本的体积相同.

e.打开密闭容器，将盛水密闭容器中剩余的水在放水阀门处通过塑料管导入至密度测量仪中容积固定的左腔室中.

若测量液体密度可省略上述过程.

采用体积置换仪可以得到与待测物体等体积的水.

如图2所示，质量置换操作步骤如下：

a.关闭阀门，在放有较小容器的较大容器中注入与阀门底端相平的水(关闭阀门是为了降低人工操作对测量数据的影响).

b.将待测物体放入较小容器中，打开阀门，通过塑料管将流出的水(体积为V2)导入密度测量仪中容积可变的右腔室中.

采用质量置换仪得到与待测物体相等质量的水.

如图3所示，密度测量操作步骤如下：

a.将带刻度的可调水平的底座放平，左腔室中来自体积置换仪中盛水密闭容器中剩余的水或待测液体(体积为V1)，右侧的腔室中来自质量置换仪中从阀门中流出的水(体积为V2).

2 实验数据分析

根据上述实验原理及操作过程，对铝、铁、铜样品进行了密度测量，其测量数据如表1所示.

表1 实验数据记录表

根据表1中数据，计算求得ρAl=2.71 g/cm3,ρFe=7.87 g/cm3，ρCu=8.94 g/cm3.

实验室通过排水法标定的铝、铁、铜的密度[11]分别为2.70,7.90,8.90 g/cm3. 对测量结果与实验室标定的结果分析的得出铝、铁、铜3种材料密度测量的相对偏差分别为0.44%，0.35%，0.45%. 样品的测量密度与真实密度的误差较小.

3 设备误差来源及改进空间

3.1 误差来源分析

通过对实验仪器和实验操作的分析，该实验导致误差的因素主要有以下3方面：

1)由于水的浸润性，在容器内壁可能存在挂壁现象，这是造成误差的一个因素.

2)在对容器进行加压和放气过程中，容器内部的温度可能会有微小改变，测量精确度可能会有所降低.

3)由于容器内部的压强是外界大气压的2倍，可能会导致非刚性样品的体积会有微小变化，测量精确度也可能会降低.

3.2 设备的改进空间

1)在密度测量仪内可以安装压力传感器，由于容器的截面积相等，所以当两侧容器内的水压相等时容器两侧的液面高度相同.

2)将密度测量仪右侧的活塞改为螺旋式活塞，能降低人工操作引起的误差.

3)在密度测量仪的右侧容器内装上距离传感器，能更加精确地读出所需要读取的数据[12].

4)在容器内壁进行疏水性纳米涂层处理.

5)实验过程可以在恒温的空调室内进行，这样可以尽量减少温度对于测量精度的影响.

4 结束语

基于玻意耳定律和阿基米德原理，设计并制作了全机械密度仪. 通过测量了常见的铝、铁、铜等样品的密度测量，测量结果与标准值相近，在误差允许的范围内. 本文所制作的密度仪制作成本较低，所以其可以应用学生实验.

本仪器已获得国家实用新型发明专利(No.ZL201520826621.5).

[1] 俞晓明，陈辉. 固体密度的测量[J]. 物理实验，2012,32(9)：33-35.

[2] 杨宏伟，朱红梅. 新型固体密度仪的设计[J]. 科技创新导报，2008，15(54):73-74.

[3] 黄智伟，李富英，汪时云. 超声波密度仪的研制[J]. 工业仪表与自动化装置，2000(6):46-48.

[4] 王锐，吴燕冈，王君. 岩矿石密度仪的设计[J]. 吉林大学学报，2006,24(6)：672-676.

[5] 张永,夏峰,董丽波. 一种测量物体密度的方法：中国，CN201410503100.6[P]. 2014-12-24.

[6] 聂晶，张燕，杨亚威. 一种便捷式密度测量装置：中国，CN201520826621.5[P]. 2012-06-27.

[7] 林楚涛，朱小蔓，陈伟成. 基于霍尔效应的液体压强与密度的测量[J]. 实验技术与管理，2014,31(8)：69-71.

[8] 王玉清，刘艳峰. 利用气体比热容比测定仪测量物质密度[J]. 实验技术与管理，2009,26(9)：40-41,73.

[9] 李小锐. 超声骨密度仪的机械结构设计[D]. 合肥：合肥工业大学，2015：4,12.

[10] 袁淑华. 非接触式自动遥控恒温密度仪：中国，CN94223234.8[P]. 1995-11-22.

[11] 马柏祥. 纯铝密度的数值计算研究[J]. 轻金属，2005(1)：31-34.

[12] 薛瑜峰，白雪岗，许杰. 一种密闭流质容器容积测量仪：中国，CN201110428306.3[P]. 2012-06-27.

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

国家级大创项目(No.201510146017)

郑经学(1995-)，男，湖北公安人，辽宁科技大学理学院应用物理专业2014级本科生.

聂 晶(1981-)，男，辽宁阜新人，辽宁科技大学理学院副教授，博士，研究方向为量子纠缠.

[责任编辑：郭 伟]