本發(fā)明涉及一種實驗方法，尤其涉及一種自動測定焦炭真相對密度的方法。

背景技術：

焦炭真相對密度是粒度小于0.2mm的干焦炭試樣與同體積的水的質量之比。中國標準GB4511.4-2008規(guī)定了焦炭真相對密度測定方法。其原理為：試樣置于密度瓶內，加入無空氣的蒸餾水，加熱使水沸騰，排除吸附的氣體，根據(jù)阿基米德原理測出同體積水的質量，計算試樣的真相對密度。其試驗步驟是，用重鉻酸鉀和硫酸混合液洗凈密度瓶，用蒸餾水充分沖洗，裝滿無空氣的蒸餾水，旋緊塞子把瓶浸入(至瓶頸)溫度比環(huán)境溫度約高5℃的水浴內1h，在1h后用濾紙片吸去塞子頂?shù)乃?，從水浴中拿出密度瓶，在自來水下迅速冷卻、晾干，放在天平旁30min，然后稱重(準確至±0.1mg)。把密度瓶倒空，并把瓶干燥。取一份焦樣在105～110℃溫度下干燥1h，冷至室溫后稱約5g干焦，準確至(準確至±0.1mg),把它全部裝入密度瓶內。用無空氣的蒸餾水沖洗粘附在瓶頸和瓶壁上的焦樣，使總體積達到25mL。將空冷管和瓶頸用橡皮管連好，把密度瓶放到甘油浴內，加熱甘油浴，使瓶中水開始激烈沸騰。用幾毫升無空氣的熱蒸餾水沖洗瓶壁上的焦炭浮渣，沸騰30min后從甘油浴中取出密度瓶，拆掉空冷管，讓瓶自然冷卻，然后注入t℃(t℃試驗溫度，一般比環(huán)境溫度約高5℃)無空氣蒸餾水，用直徑1mm的金屬絲在瓶頸旋轉攪拌，使焦樣浮渣下降，旋緊塞子，浸入t℃水浴至瓶頸1h，滴加無空氣蒸餾水，以補償液相收縮量。保證塞子下面或毛細管內不積存空氣泡。1h后擦去塞頂?shù)乃?，由水槽取出密度瓶，冷卻％晾干，放在天平旁30min后稱其質量。

以上操作方法全部采用人工操作方式，其步驟繁雜。在這個過程中，需要人工準備所有的器具，如：蒸餾水、無空氣蒸餾水，水浴鍋、油浴鍋、密度瓶及附屬的工具，升溫控溫也要分別進行，相互交錯。實驗過程中需要人工稱量試樣、裝樣、清洗密度瓶，還需要無空氣蒸餾水的制取，t℃蒸餾水的準備，在實驗過程中還需要大量的間歇等待時間，使實驗全部完成至少需要3個多小時。

由于人工操作在上述很多環(huán)節(jié)都存在對測定結果偏差的影響，而且由于測定工作量大，這種反復的頻繁操作需要配置一定數(shù)量且要求達到熟練操作技能的人力，這使該工業(yè)生產輔助環(huán)節(jié)不僅存在浪費人力的現(xiàn)象，同時實驗結果的偏差也直接使所生產的焦炭產品質量受到影響；為了解決目前這種落后的測定方式，急需一種能夠高效、準確、降低人力配置、減輕勞動強度的新方法來實現(xiàn)目標要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種自動測定焦炭真相對密度的方法，模擬人工實驗步驟，采用智能機械臂配合具備不同功能的工位，實現(xiàn)了實驗過程的自動化，能夠快速、精密地完成焦炭真相對密度的測定過程，大大減少了人力浪費及勞動力強度，提高了測定結果的準確性。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案實現(xiàn)：

一種自動測定焦炭真相對密度的方法，采用多工位模塊化實驗裝置自動完成焦炭真相對密度的連續(xù)測定過程；具體包括如下步驟：

1)多工位模塊化實驗裝置由實驗主機、控制器和人機交互系統(tǒng)組成，實驗主機包括機械臂，機械臂具有夾持裝有焦炭試樣的玻璃瓶，并能夠在控制器控制下實現(xiàn)任意角度翻轉、繞自身軸線旋轉、平面移動及由以上動作組成的復合運動的功能；

2)由機械臂夾持的玻璃瓶可到達多個實驗工位，包括：待機工位、試樣裝載工位、分析天平稱量工位、t℃蒸餾水加入工位、常溫蒸餾水加入工位、無空氣蒸餾水加入工位、輔助工位一、清洗工位、t℃水浴工位、輔助工位二和沖渣攪拌工位；其中輔助工位一用于實現(xiàn)玻璃瓶的擦拭、冷卻及風干的功能；輔助工位二用于實現(xiàn)拆裝玻璃瓶的瓶塞、加裝或取下空冷管、將玻璃瓶置入油浴器或從油浴器中取出的功能；

3)各實驗工位對應設置的裝置及所具備的功能如下：

試樣裝載工位，設有試樣稱量及加入裝置，具備將經準確稱量后的焦炭試樣自動加裝入玻璃瓶中的功能；

分析天平稱量工位：設有分析天平，具備對實驗過程中玻璃瓶的重量進行自動稱量的功能；

t℃蒸餾水加入工位：設有t℃蒸餾水制備裝置及t℃蒸餾水加水裝置，t℃蒸餾水制備裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動制備、存儲t℃蒸餾水，并向玻璃瓶中自動加入定量的t℃蒸餾水的功能；t℃蒸餾水為比實驗時環(huán)境溫度高5℃的蒸餾水；

常溫蒸餾水加入工位：設有常溫蒸餾水存貯裝置及常溫蒸餾水加水裝置，常溫蒸餾水存貯裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動存貯常溫蒸餾水，并向玻璃瓶中自動加入定量的常溫蒸餾水的功能；

無空氣蒸餾水加入工位：設有無空氣蒸餾水制備裝置及無空氣蒸餾水加水裝置，無空氣蒸餾水制備裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動制備、存儲無空氣蒸餾水，并向玻璃瓶中自動加入定量的無空氣蒸餾水的功能；無空氣蒸餾水由蒸餾水加熱至沸騰后得到；

輔助工位一：設有玻璃瓶自動擦拭裝置、冷卻裝置及吹風裝置，具備對玻璃瓶瓶體外部進行擦拭、快速冷卻及強制風干的功能；

清洗工位：設有玻璃瓶清洗裝置，玻璃瓶清洗裝置通過泵二連接清洗液存儲器；具備自動清洗玻璃瓶內部的功能；

t℃水浴工位：設有水浴器和用于加熱水浴用水的加熱器，具備對玻璃瓶進行t℃水浴的功能，t℃水浴指水浴用水的溫度比實驗時環(huán)境溫度高5℃；

輔助工位二：設有瓶塞拆裝裝置、空冷管和油浴器，具備自動安裝、取下玻璃瓶瓶塞、將空冷管與玻璃瓶自動對接后進行空冷、將玻璃瓶的內容物通過油浴加熱到沸騰的功能；

沖渣攪拌工位：設有沖洗裝置及攪拌裝置，具備對玻璃瓶瓶壁粘附的焦炭渣進行自動沖洗及通過攪拌促使焦炭試樣與蒸餾水充分混合的功能；

4)焦炭真相對密度的自動測定過程如下：

步驟一，清洗玻璃瓶；機械臂夾持玻璃瓶由待機工位轉至清洗工位，通過泵二裝入定量的清潔液至玻璃瓶內；然后機械臂執(zhí)行搖晃、旋轉玻璃瓶的復合動作對玻璃瓶進行清洗，清洗完成后將廢液倒入廢液存儲器中；轉到常溫蒸餾水加入工位，裝入常溫蒸餾水后再次對玻璃瓶進行沖洗，廢液再次倒入廢液存儲器中后清洗結束；

步驟二，獲得盛滿水時玻璃瓶的質量m₂；

清洗結束后，機械臂夾持玻璃瓶轉至無空氣蒸餾水加入工位，向玻璃瓶內裝滿無空氣蒸餾水，然后將玻璃瓶轉到輔助工位二塞好瓶塞；再轉至t℃水浴器工位，將玻璃瓶放入水浴器內1h以上；1h后機械臂從水浴器內取出玻璃瓶并轉至輔助工位一，擦拭玻璃瓶外部的水滴，并對玻璃瓶外部進行冷卻和風干；

機械臂夾持玻璃瓶運動至分析天平工位處，并靜置30min以上，然后將玻璃瓶送入分析天平內進行稱重，此時獲得質量m₂；稱重結束后機械臂夾持玻璃瓶運動至清洗工位，倒空玻璃瓶內的水，然后至輔助工位一通過風干對玻璃瓶進行干燥處理；

步驟三，獲得盛滿焦炭試樣及水時的玻璃瓶的質量m₃；

機械臂夾持空玻璃瓶至試樣裝載工位，將質量為m₁的干焦炭試樣裝入玻璃瓶內；然后轉至沖渣攪拌工位，用無空氣蒸餾水沖洗粘附在瓶頸和瓶壁上的焦炭試樣，無空氣蒸餾水的體積達到25ml后,停止沖洗；轉至輔助工位二，將空冷管與玻璃瓶自動對接好；

空冷管與玻璃瓶對接完成后，機械臂垂直移動將玻璃瓶放入到油浴器內加熱至玻璃瓶內的水沸騰；在此過程中，用少量無空氣熱蒸餾水沖洗瓶壁上粘附的焦炭，沸騰30min后，機械臂從油浴器內取出玻璃瓶，拆掉空冷管，讓瓶體自然冷卻；

冷卻后，機械臂夾持玻璃瓶轉至t℃蒸餾水加入工位，向玻璃瓶內注入t℃的無空氣蒸餾水，然后再轉至沖渣攪拌工位，通過攪拌裝置對玻璃瓶內的焦炭試樣和水進行攪拌，目的是使焦炭試樣的浮渣下沉，然后轉至輔助工位二安裝瓶塞，再轉至t℃水浴器工位將玻璃瓶自瓶頸以下全部浸入到t℃水溫的水中水浴1h以上；

由水浴器中取出玻璃瓶，轉至輔助工位一經擦拭、冷卻、風干處理后，轉至分析天平工位靜置30min以上，然后將玻璃瓶送入分析天平內進行稱量，獲得質量m₃；

步驟四，實驗結果計算；

焦炭試樣的真相對密度d計算公式為：

所述機械臂由依次連接的夾持器、自旋關節(jié)、伸縮關節(jié)、主臂和升降臂組成；其中夾持器由2個半環(huán)形的夾持頭組成，夾持頭一端鉸接在一起，且繞鉸接點轉動后實現(xiàn)另一端的開合；半環(huán)形夾持頭對合后組成的通孔用于夾持玻璃瓶；自旋關節(jié)一端與夾持器固定連接，另一端套裝在伸縮關節(jié)內，自旋關節(jié)可帶動夾持器繞軸線正、反2個方向轉動；伸縮關節(jié)的一端與主臂的近端固定連接，另一端可沿軸線伸縮；主臂的遠端與升降臂垂直連接，主臂可繞升降臂軸線正、反2個方向旋轉；升降臂可在豎直方向升降。

所述人機交互系統(tǒng)為機算機，或嵌入主機中的HMI。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)模擬人工實驗步驟，實驗過程完全符合GB4511.4-2008的規(guī)定；

2)自動化程度高，采用智能機械臂配合具備不同功能的工位，實現(xiàn)了實驗過程的自動化，能夠快速、精密地完成焦炭真相對密度的測定過程；

3)避免了人工操作的不確定因素影響，提高了測定結果的準確性、可靠性和可重復性；

4)大大減少了人力浪費現(xiàn)象，降低了實驗人員的勞動力強度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述一種自動測定焦炭真相對密度的方法的原理圖。

圖2是本發(fā)明所述機械臂的主視圖。

圖3是本發(fā)明所述機械臂的俯視圖。

圖中：1.機械臂 11.夾持器 12.自旋關節(jié) 13.伸縮關節(jié) 14.主臂 15.升降臂 2.玻璃瓶 P1.泵一 P2.泵二

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

本發(fā)明所述一種自動測定焦炭真相對密度的方法，采用多工位模塊化實驗裝置自動完成焦炭真相對密度的連續(xù)測定過程；具體包括如下步驟：

1)如圖1所示，多工位模塊化實驗裝置由實驗主機、控制器和人機交互系統(tǒng)組成，實驗主機包括機械臂1，機械臂1具有夾持裝有焦炭試樣的玻璃瓶2，并能夠在控制器控制下實現(xiàn)任意角度翻轉、繞自身軸線旋轉、平面移動及由以上動作組成的復合運動的功能；

2)由機械臂1夾持的玻璃瓶2可到達多個實驗工位，包括：待機工位、試樣裝載工位、分析天平稱量工位、t℃蒸餾水加入工位、常溫蒸餾水加入工位、無空氣蒸餾水加入工位、輔助工位一、清洗工位、t℃水浴工位、輔助工位二和沖渣攪拌工位；其中輔助工位一用于實現(xiàn)玻璃瓶2的擦拭、冷卻及風干的功能；輔助工位二用于實現(xiàn)拆裝玻璃瓶2的瓶塞、加裝或取下空冷管、將玻璃瓶2置入油浴器或從油浴器中取出的功能；

3)各實驗工位對應設置的裝置及所具備的功能如下：

試樣裝載工位，設有試樣稱量及加入裝置，具備將經準確稱量后的焦炭試樣自動加裝入玻璃瓶2中的功能；

分析天平稱量工位：設有分析天平，具備對實驗過程中玻璃瓶2的重量進行自動稱量的功能；

t℃蒸餾水加入工位：設有t℃蒸餾水制備裝置及t℃蒸餾水加水裝置，t℃蒸餾水制備裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動制備、存儲t℃蒸餾水，并向玻璃瓶中自動加入定量的t℃蒸餾水的功能；t℃蒸餾水為比實驗時環(huán)境溫度高5℃的蒸餾水；

常溫蒸餾水加入工位：設有常溫蒸餾水存貯裝置及常溫蒸餾水加水裝置，常溫蒸餾水存貯裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動存貯常溫蒸餾水，并向玻璃瓶2中自動加入定量的常溫蒸餾水的功能；

無空氣蒸餾水加入工位：設有無空氣蒸餾水制備裝置及無空氣蒸餾水加水裝置，無空氣蒸餾水制備裝置通過泵一連接蒸餾水存儲器；具備自動制備、存儲無空氣蒸餾水，并向玻璃瓶2中自動加入定量的無空氣蒸餾水的功能；無空氣蒸餾水由蒸餾水加熱至沸騰后得到；

輔助工位一：設有玻璃瓶自動擦拭裝置、冷卻裝置及吹風裝置，具備對玻璃瓶2瓶體外部進行擦拭、快速冷卻及強制風干的功能；

清洗工位：設有玻璃瓶清洗裝置，玻璃瓶清洗裝置通過泵二連接清洗液存儲器；具備自動清洗玻璃瓶2內部的功能；

t℃水浴工位：設有水浴器和用于加熱水浴用水的加熱器，具備對玻璃瓶2進行t℃水浴的功能，t℃水浴指水浴用水的溫度比實驗時環(huán)境溫度高5℃；

輔助工位二：設有瓶塞拆裝裝置、空冷管和油浴器，具備自動安裝、取下玻璃瓶2瓶塞、將空冷管與玻璃瓶2自動對接后進行空冷、將玻璃瓶2的內容物通過油浴加熱到沸騰的功能；

沖渣攪拌工位：設有沖洗裝置及攪拌裝置，具備對玻璃瓶2瓶壁粘附的焦炭渣進行自動沖洗及通過攪拌促使焦炭試樣與蒸餾水充分混合的功能；

4)焦炭真相對密度的自動測定過程如下：

步驟一，清洗玻璃瓶2；機械臂1夾持玻璃瓶2由待機工位轉至清洗工位，通過泵二P2裝入定量的清潔液至玻璃瓶2內；然后機械臂1執(zhí)行搖晃、旋轉玻璃瓶2的復合動作對玻璃瓶2進行清洗，清洗完成后將廢液倒入廢液存儲器中；轉到常溫蒸餾水加入工位，裝入常溫蒸餾水后再次對玻璃瓶2進行沖洗，廢液再次倒入廢液存儲器中后清洗結束；

步驟二，獲得盛滿水時玻璃瓶的質量m₂；

清洗結束后，機械臂1夾持玻璃瓶2轉至無空氣蒸餾水加入工位，向玻璃瓶2內裝滿無空氣蒸餾水，然后將玻璃瓶2轉到輔助工位二塞好瓶塞；再轉至t℃水浴器工位，將玻璃瓶2放入水浴器內1h以上；1h后機械臂1從水浴器內取出玻璃瓶2并轉至輔助工位一，擦拭玻璃瓶2外部的水滴，并對玻璃瓶2外部進行冷卻和風干；

機械臂1夾持玻璃瓶2運動至分析天平工位處，并靜置30min以上，然后將玻璃瓶2送入分析天平內進行稱重，此時獲得質量m₂；稱重結束后機械臂1夾持玻璃瓶2運動至清洗工位，倒空玻璃瓶2內的水，然后至輔助工位一通過風干對玻璃瓶2進行干燥處理；

步驟三，獲得盛滿焦炭試樣及水時的玻璃瓶的質量m₃；

機械臂1夾持空玻璃瓶2至試樣裝載工位，將質量為m₁的干焦炭試樣裝入玻璃瓶2內；然后轉至沖渣攪拌工位，用無空氣蒸餾水沖洗粘附在瓶頸和瓶壁上的焦炭試樣，無空氣蒸餾水的體積達到25ml后,停止沖洗；轉至輔助工位二，將空冷管與玻璃瓶2自動對接好；

空冷管與玻璃瓶2對接完成后，機械臂1垂直移動將玻璃瓶2放入到油浴器內加熱至玻璃瓶2內的水沸騰；在此過程中，用少量無空氣熱蒸餾水沖洗瓶壁上粘附的焦炭，沸騰30min后，機械臂1從油浴器內取出玻璃瓶2，拆掉空冷管，讓瓶體自然冷卻；

冷卻后，機械臂1夾持玻璃瓶2轉至t℃蒸餾水加入工位，向玻璃瓶2內注入t℃的無空氣蒸餾水，然后再轉至沖渣攪拌工位，通過攪拌裝置對玻璃瓶2內的焦炭試樣和水進行攪拌，目的是使焦炭試樣的浮渣下沉，然后轉至輔助工位二安裝瓶塞，再轉至t℃水浴器工位將玻璃瓶2自瓶頸以下全部浸入到t℃水溫的水中水浴1h以上；

由水浴器中取出玻璃瓶2，轉至輔助工位一經擦拭、冷卻、風干處理后，轉至分析天平工位靜置30min以上，然后將玻璃瓶2送入分析天平內進行稱量，獲得質量m₃；

步驟四，實驗結果計算；

焦炭試樣的真相對密度d計算公式為：

實驗結束后，將裝有焦炭試樣的玻璃瓶2重新經取下瓶塞、沖洗、擦拭、冷卻、風干等一系列過程后，機械臂1夾持著干燥潔凈的空玻璃瓶2返回待機工位，等待下一次實驗開始的指令。

本發(fā)明中，各工位所設置的裝置均為常規(guī)技術，其功能均可實現(xiàn)，在此對其具體實現(xiàn)的方式不做進一步的限定。

如圖2、圖3所示，所述機械臂1由依次連接的夾持器11、自旋關節(jié)12、伸縮關節(jié)13、主臂14和升降臂15組成；其中夾持器11由2個半環(huán)形的夾持頭組成，夾持頭一端鉸接在一起，且繞鉸接點轉動后實現(xiàn)另一端的開合；半環(huán)形夾持頭對合后組成的通孔用于夾持玻璃瓶2；自旋關節(jié)12一端與夾持器11固定連接，另一端套裝在伸縮關節(jié)13內，自旋關節(jié)12可帶動夾持器11繞軸線正、反2個方向轉動；伸縮關節(jié)13的一端與主臂14的近端固定連接，另一端可沿軸線伸縮；主臂14的遠端與升降臂15垂直連接，主臂可繞升降臂軸線正、反2個方向旋轉；升降臂15可在豎直方向升降。

所述人機交互系統(tǒng)為機算機，或嵌入主機中的HMI。

人機交互系統(tǒng)設有人機交互界面，本發(fā)明所述人機交互系統(tǒng)包括計算機或HMI，人機交互系統(tǒng)連接控制器，用于將指令輸入到控制器中；控制器連接實驗主機，用于驅動實驗主機按程序指令完成各步驟動作，實驗主機用于執(zhí)行動作。通過將HMI及控制器嵌入到主機中，實驗主機可成為一個具有獨立控制體系的實驗設備，更利于其產品化和使用的推廣。

本發(fā)明中，全部實驗過程為連續(xù)過程，操作人員只需啟動系統(tǒng)即可由多工位模塊化實驗裝置自動完成，在實驗過程中不需要實驗人員的任何干預和介入。具體應用時，根據(jù)本發(fā)明的工作原理，還可改進為多玻璃瓶間隔運行方式，利用本發(fā)明所述裝置依次間隔一定時間進行連續(xù)實驗，這對于需要大量實驗的現(xiàn)場生產而言無疑大大提高了效率。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。