專利名稱：一種基于電磁懸浮的密度測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬 于測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為ー種基于電磁懸浮的密度測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
密度是代表物質(zhì)特性的最基本物性參數(shù)之一，而準(zhǔn)確的密度測量對石油、化工、冶金、建材、輕エ等領(lǐng)域十分關(guān)鍵，它關(guān)系到如半成品和產(chǎn)品數(shù)量與質(zhì)量的控制、檢測及生產(chǎn)過程的管理等重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有密度測量裝置大多僅能單方面針對特定種類的固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行密度測量。其中，對于固態(tài)的常用密度測量方法有不等臂天平法、微波技術(shù)測量法、放射性原理測量法等等。CN2051738U公開的“巖(礦)石密度測定儀”比以前的密度測量方法提高了測量效率和精度，但因受到傳感器的限制，對量程較大或量程較小的試樣使用同一荷重傳感器也存在測量精度誤差較大的問題，由于受當(dāng)時技術(shù)條件限制，還存在其存儲數(shù)據(jù)量較小，傳輸數(shù)據(jù)不大方便的缺點。CN1456875A公開的“液壓感應(yīng)體積密度儀及其測量方法和用途”可以對人體器官及形態(tài)不規(guī)則、難以準(zhǔn)確測量樣品的體積密度進(jìn)行檢測，該發(fā)明從原理上采用多了測量器，針對不同體積的人體標(biāo)本的體積密度進(jìn)行測量，具有準(zhǔn)確、可靠的特點。ZL200520028675. 3公開的“固體物密度測量裝置”采用可置換荷重傳感器的辦法增加量程減小測量誤差。上述方法都存在測量速度相對慢、使用條件苛刻、過程復(fù)雜、局限于固體測量的缺點。另ー方面，對于液態(tài)物質(zhì)的密度測量，エ業(yè)上廣泛應(yīng)用密度計或?qū)嶒灧▉頊y量液體密度。密度計是測定液體密度的專用儀器，它根據(jù)物體懸浮的平衡原理，對密度大于和小于水的液體要用不同的密度計進(jìn)行測量，測量范圍較小。而用實驗法測量液體的密度，雖然精度能有一定的保證，但操作比較繁瑣，效率低。顯然，隨著社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些密度測量裝置逐漸難以滿足技術(shù)多元化發(fā)展的要求，密度測量裝置必然不斷向著更普及化、簡便化、精準(zhǔn)化、小型化等方向發(fā)展。因此，人們需要ー種易操作、性能穩(wěn)定、快速測量、應(yīng)用范圍廣泛，同時能保證一定精度又低成本的固液體密度測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于磁懸浮的密度測量裝置及方法，通過測量試樣在標(biāo)準(zhǔn)溶液中實現(xiàn)磁懸浮時的懸浮高度，建立試樣密度與懸浮高度的函數(shù)關(guān)系，從而得到較準(zhǔn)確的試樣密度值。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種基于磁懸浮的密度測量裝置，包括懸浮腔、磁場發(fā)生裝置和遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備；所述懸浮腔放置于磁場發(fā)生裝置內(nèi)；所述懸浮腔為圓柱體測量容器，懸浮腔外側(cè)垂直方向設(shè)置有刻度標(biāo)尺；所述磁場發(fā)生裝置包括第一磁鐵、第二磁鐵、第一支架和第二支架，第一磁鐵和第ニ磁鐵同名磁極相對，懸浮腔置于兩個磁鐵之間，且與兩磁鐵處于同一豎直軸線上，第一磁鐵和第二磁鐵的兩側(cè)分別通過螺釘與第一支架和第二支架固定連接；所述第一磁鐵和第二磁鐵可選用電磁鐵或永磁鐵；在選用電磁鐵的情況下，需通過第一電磁鐵導(dǎo)線和第二電磁鐵導(dǎo)線連接磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)器以滿足電磁鐵磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)的要求，要求磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl不低于O. 8T，實際測量時要求電磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍在O. 2 I. 0T,電磁鐵采用24V直流電源供電；在選用永磁鐵的情況下，要求其表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl不低于O. 4T ;選用永磁鐵時,利用固定螺釘將永磁鐵固定在支架不同位置，以調(diào)節(jié)兩個永磁鐵表面距離，從而改變空間磁場強(qiáng)度；選用電磁鐵吋，除通過調(diào)節(jié)磁鐵間距夕卜，還可以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)器，改變電磁鐵的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，以達(dá)到改變空間磁場強(qiáng)度的目的。所述磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)器包括定檔滑動變阻器和直流電源，第一磁鐵與第二磁鐵并聯(lián)后串聯(lián)定檔滑動變阻器和直流電源，不同定檔對應(yīng)電磁鐵不同的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度，并通過調(diào)整變阻器檔位直接讀出表面磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值，以實現(xiàn)電磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度在0-1. OT范圍內(nèi)連續(xù)變化，進(jìn)而擴(kuò)大可測范圍。所述直流電源可以替換為交流電源串聯(lián)連接變壓器。 所述第一支架和第二支架材質(zhì)為無磁合金材料,采用無磁連接，支架與磁鐵通過螺釘連接，使得兩磁鐵之間的距離在35 60mm范圍內(nèi)可以5mm的級差調(diào)節(jié)；所述遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備包括外置攝像設(shè)備和計算機(jī)；外置攝像設(shè)備通過其連接線連接到計算機(jī)，外置攝像設(shè)備需根據(jù)測量精度要求選取，精確測量時應(yīng)選用高速攝像儀。采用上述基于磁懸浮的密度測量裝置進(jìn)行密度測量的方法，包括如下步驟步驟I :取一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液注入懸浮腔，使溶液液面高度達(dá)到懸浮腔總體高度的4/5以上；在待測物質(zhì)中取直徑在O. 2 3mm之間的顆粒狀試樣，將試樣完全浸沒在標(biāo)準(zhǔn)溶液中，并保證試樣表面無氣泡；步驟2 :將懸浮腔放置于兩磁鐵之間的空間內(nèi)(即磁場中)，使懸浮腔腔體中心線與兩磁鐵豎直方向中心線盡量重合，保證系統(tǒng)穩(wěn)定一定時間；步驟3 :若試樣在磁場中能達(dá)到穩(wěn)定懸浮，則通過外置攝像設(shè)備讀出其懸浮高度h ;若試樣無法穩(wěn)定懸浮，則根據(jù)實際情況調(diào)整磁場強(qiáng)度，重復(fù)步驟2，直至試樣能夠達(dá)到穩(wěn)定懸浮，讀出其懸浮高度h ；根據(jù)實際情況調(diào)整磁場強(qiáng)度具體是選用永磁鐵時調(diào)節(jié)磁鐵間距；選用電磁鐵時通過調(diào)整定檔滑動變阻器檔位，實現(xiàn)磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)。室溫環(huán)境下，在待測物質(zhì)中取體積足夠小的試樣(可認(rèn)為密度均勻、性質(zhì)穩(wěn)定、且能代表待測物質(zhì)的物理性質(zhì))，將其置于梯度磁場作用下的磁性流體(標(biāo)準(zhǔn)溶液)中，當(dāng)試樣在標(biāo)準(zhǔn)溶液中實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮時，試樣在四種カ的作用下平衡，即重力G、標(biāo)準(zhǔn)溶液對試樣的浮力Ff、磁場對試樣的作用力Fm、非均勻磁場中磁性流體對試樣的作用力Fs,表不為G+Ff+Fffl+Fs=Fg+Ffflag=0(I)式中G為試樣所受重力；Ff為標(biāo)準(zhǔn)溶液對試樣的浮力；Fm為磁場對試樣的作用力；FS為非均勻磁場中磁性流體對試樣的作用力；Fg=G+Ff，為重力和浮力的合力！Fniag=FJFs為由磁場作用產(chǎn)生的合力。步驟4 :進(jìn)行懸浮高度h、試樣密度P s的數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到試樣密度P s ；步驟4. I :確定當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭 ；步驟4. 2 :根據(jù)注入的標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度計算標(biāo)準(zhǔn)溶液的密度P m和磁化率
權(quán)利要求
1.一種基于電磁懸浮的密度測量裝置，包括遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備，其特征在于還包括懸浮腔和磁場發(fā)生裝置； 所述懸浮腔(4)放置于磁場發(fā)生裝置內(nèi)； 所述懸浮腔(4)為圓柱體測量容器，懸浮腔(4)外側(cè)垂直方向設(shè)置有刻度標(biāo)尺；所述磁場發(fā)生裝置包括第一磁鐵(I)、第二磁鐵(12)、第一支架(2)和第二支架(13)，第一磁鐵(I)和第二磁鐵(12)同名磁極相對，懸浮腔(4)置于兩個磁鐵之間，且與兩磁鐵處于同一豎直軸線上，第一磁鐵(I)和第二磁鐵(12)的兩側(cè)分別通過固定螺釘與第一支架(2)和第二支架(13)固定連接； 所述遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備包括外置攝像設(shè)備和計算機(jī)(17);外置攝像設(shè)備通過其輸出線連接到計算機(jī)(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁懸浮的密度測量裝置，其特征在于所述第一磁鐵(I)和第二磁鐵(12)選用電磁鐵或永磁鐵； 若選用電磁鐵，則電磁鐵導(dǎo)線連接磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)器；磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)器包括定檔滑動變阻器和直流電源，第一磁鐵(I)與第二磁鐵(12)并聯(lián)后串聯(lián)定檔滑動變阻器和直流電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁懸浮的密度測量裝置，其特征在于所述第一磁鐵(I)和第二磁鐵(12)為電磁鐵時，磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度不低于O. 8T ;所述第一磁鐵(I)和第二磁鐵(12)為永磁鐵時,磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度不低于O. 4T。
4.采用權(quán)利要求I所述的基于電磁懸浮的密度測量裝置進(jìn)行密度測量的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I :取一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液注入懸浮腔，使溶液液面高度達(dá)到懸浮腔總體高度的4/5以上；在待測物質(zhì)中取直徑在O. 2 3mm之間的顆粒狀試樣，將試樣完全浸沒在標(biāo)準(zhǔn)溶液中，并保證試樣表面無氣泡； 步驟2 :將懸浮腔放置于兩磁鐵之間的空間內(nèi)，使懸浮腔腔體中心線與兩磁鐵豎直方向中心線盡量重合,保證系統(tǒng)穩(wěn)定一定時間； 步驟3 :若試樣在磁場中能達(dá)到穩(wěn)定懸浮，則通過外置攝像設(shè)備讀出其懸浮高度h ;若試樣無法穩(wěn)定懸浮，則根據(jù)實際情況調(diào)整磁場強(qiáng)度，重復(fù)步驟2，直至試樣能夠達(dá)到穩(wěn)定懸浮，讀出其懸浮高度h ; 根據(jù)實際情況調(diào)整磁場強(qiáng)度若選用永磁鐵，則通過調(diào)節(jié)永磁鐵的間距，實現(xiàn)對磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)；若選用電磁鐵，則通過調(diào)整定檔滑動變阻器檔位，實現(xiàn)磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)； 步驟4 :進(jìn)行懸浮高度h、試樣密度P s的數(shù)值轉(zhuǎn)換，得到試樣密度P s ;具體步驟如下 步驟4. I :確定當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭 ； 步驟4. 2 :根據(jù)注入的標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度計算標(biāo)準(zhǔn)溶液的密度P m和磁化率X m ；步驟4. 3 :若已知待測物質(zhì)磁化率或其計算方法，則查出或計算出待測物質(zhì)磁化率準(zhǔn)確值Xs ;若待測物質(zhì)磁化率不能確定，則可近似的取xs=_5X10_6; 步驟4. 4 :確定磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl ； 若使用的是永磁鐵，則查出其標(biāo)定的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl ;若使用電磁鐵,則根據(jù)試樣達(dá)到穩(wěn)定懸浮時變阻器阻值和檔位，確定磁鐵表面磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl ； 步驟4. 5 :計算磁鐵中心線上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布； 兩個相同的磁鐵同名磁極相対，間距為H，則對于長方體形狀永磁鐵，在O H空間范圍內(nèi)，其中軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz大小滿足
全文摘要
一種基于電磁懸浮的密度測量裝置及方法，裝置包括遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備、懸浮腔和磁場發(fā)生裝置；懸浮腔放置于磁場發(fā)生裝置內(nèi)，懸浮腔為圓柱體測量容器，懸浮腔外側(cè)垂直方向設(shè)置有刻度標(biāo)尺；磁場發(fā)生裝置包括第一磁鐵、第二磁鐵、第一支架和第二支架，第一磁鐵和第二磁鐵同名磁極相對，懸浮腔置于兩個磁鐵之間，且與兩磁鐵處于同一豎直軸線上，第一磁鐵和第二磁鐵的兩側(cè)分別通過固定螺釘與第一支架和第二支架固定連接；遠(yuǎn)程觀測記錄設(shè)備包括外置攝像設(shè)備和計算機(jī)。方法通過測量試樣在標(biāo)準(zhǔn)溶液中實現(xiàn)磁懸浮時的懸浮高度，建立試樣密度與懸浮高度的函數(shù)關(guān)系，從而得到較準(zhǔn)確的試樣密度值。
文檔編號G01N9/00GK102680356SQ201210167489
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者房鑫, 王強(qiáng), 石祎元, 赫冀成, 高秀平 申請人:東北大學(xué)