CN105241787A - 用于测量气体密度的方法及测量*** - Google Patents

Abstract

本公开涉及计量领域，公开了一种用于测量气体密度的方法及测量***。该方法包括：得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air，其中m_1-air为第一对象在所述气体环境中的质量，m_2-air为第二对象在所述气体环境中的质量；得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum，其中m_1-vacuum为第一对象在真空环境中的质量，m_2-vacuum为第二对象在真空环境中的质量；得到第一对象和第二对象之间的体积差V₁-V₂，其中第一对象的体积为V₁，第二对象的体积为V₂，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等；基于下式计算所述气体的密度ρ_air：<maths num="0001"></maths>应用本公开所公开的技术方案，可在不依赖环境参数的情况下来测量气体的密度。

Description

用于测量气体密度的方法及测量***

技术领域

本公开涉及计量领域，更具体地，涉及一种用于测量气体密度的方法和一种测量***。

背景技术

精确确定气体的密度对于工业、能源、计量等领域非常重要。例如，对被测对象的质量进行测量通常是在一定气体(例如：空气)环境中进行的，但在测量中由于受到气体浮力的影响，使得测量值不能精确反映被测对象的实际质量。这种误差在精确测量中的影响尤为显著。如果能够精确地确定气体的密度，即可对测量值进行修正，以得到精确的物体实际质量。

现有技术中主要通过国际计量委员会(简称CIPM)推荐的公式法来确定空气密度。但公式法的测量精度依赖于温度、湿度、压力和CO₂等环境参数，如果相应传感器未能及时校准，则难以保证测量精度。同时传感器的维护和更换成本也较高，而且无法应用于某些会导致电子元器件失灵的测量场合。此外，应用公式法需要采用复杂的电路进行数据同步采集和合成计算，实现较为复杂。

发明人研究发现，开发一种能实现不依赖环境参数来进行气体密度测量的方法和相应装置是非常有必要的。

发明内容

本公开提出了一种不依赖环境参数来测量气体密度的方法。本公开还提出了一种测量***。

根据本公开的一方面，提出了一种用于测量气体密度的方法，该方法包括：得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air，其中m_1-air为第一对象在所述气体环境中的质量，m_2-air为第二对象在所述气体环境中的质量；得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum，其中m_1-vacuum为第一对象在真空环境中的质量，m_2-vacuum为第二对象在真空环境中的质量；得到第一对象和第二对象之间的体积差V₁-V₂，其中第一对象的体积为V₁，第二对象的体积为V₂，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等；基于下式计算所述气体的密度 ${\mathrm{\&rho;}}_{air}:{\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}.$

根据本公开的另一方面，提出了一种测量***，该测量***包括：外壳，所述外壳围绕形成的腔体内的环境能在真空环境和气体环境间切换；质量测量设备，用于测量待测对象的质量，所述质量测量设备位于所述腔体内；其中，所述腔体内为真空环境时，所述质量测量设备测量待测对象在真空环境中的质量；所述腔体内为气体环境时，所述质量测量设备测量待测对象在气体环境中的质量。

本公开的各方面可基于不同待测对象在气体环境中的质量和在真空环境中的质量来执行计算气体密度等操作。应用本公开不需要额外的环境参数传感器，并且本公开可适用于多种气体密度测量场合，且实现较为简便。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的附图标记通常代表相同或相似的部件。

图1示出了根据本公开的一个实施例的用于测量气体密度的方法的流程图。

图2示出了根据本公开的一个实施例所设计的砝码形状的示意图。

图3示出了根据本公开的另一个实施例所设计的砝码形状的示意图。

图4示出了根据本公开的一个实施例的测量***的示意性结构图。

图5示出了根据本公开的另一个实施例的测量***的示意性结构图。

附图标记说明

401、外壳402、质量测量设备

403、404、待测对象405、处理设备

406、防风罩407、可旋转托架

408、称量工位

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开公开了一种用于测量气体密度的方法，该方法包括：得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air，其中m_1-air为第一对象在所述气体环境中的质量，m_2-air为第二对象在所述气体环境中的质量；得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum，其中m_1-vacuum为第一对象在真空环境中的质量，m_2-vacuum为第二对象在真空环境中的质量；得到第一对象和第二对象之间的体积差V₁-V₂，其中第一对象的体积为V₁，第二对象的体积为V₂，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等；基于下式计算所述气体的密度ρ_air： ${\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}.$

图1示出了根据本公开的一个实施例的用于测量气体密度的方法的流程图，该方法可包括：

步骤101，得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air。m_1-air为第一对象在气体环境中的质量，m_2-air为第二对象在该气体环境中的质量。

可以用诸如天平、质量比较仪等的质量测量设备来分别测量第一对象在气体环境中的质量m_1-air和第二对象在气体环境中的质量m_2-air，然后将这两个测量值相减以得到质量差m_1-air-m_2-air。也可采用本领域技术人员所知的任何技术手段得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air。

步骤102，得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum。m_1-vacuum为第一对象在真空环境中的质量，m_2-vacuum为第二对象在真空环境中的质量。

可以用诸如天平、质量比较仪等的质量测量设备来分别测量第一对象在气体环境中的质量m_1-vacuum和第二对象在气体环境中的质量m_2-vacuum，然后将这两个测量值相减以得到质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum。也可采用本领域技术人员所知的任意技术手段得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air。

步骤103，得到第一对象和第二对象之间的体积差V₂-V₁。V₁为第一对象的体积，V₂为第二对象的体积，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等。

可以通过本领域技术人员已知的任意技术手段来得到第一对象和第二对象之间的体积差V₂-V₁。

步骤104，基于下式(1)计算气体的密度ρ_air：

${\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}---\left(1\right).$

考虑气体产生的浮力对测量结果的影响，可得到：

m_1-air＝m_1-vacuum-m_{air_v1}，

m_2-air＝m_2-vacuum-m_{air_v2}，(2)

其中m_{air_v1}可表示第一对象在气体环境中受到的浮力，m_{air_v2}可表示第二对象在气体环境中受到的浮力。则有：

(m_1-air-m_2-air)-(m_1-vacuum-m_2-vacuum)＝m_{air_v2}-m_{air_v1}。(3)

从而可精确地得到该气体的密度ρ_air：

${\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{m_{air\_v2}-m_{air\_v1}}{V_2-V_1}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}.---\left(4\right)$

可先测量气体环境中的质量，再测量真空环境中的质量，也可以先测量真空环境中的质量，在测量气体环境中的质量。但是，若加工的空心圆柱体砝码的空心有漏气现象，如果先测量真空环境中的质量，再测量气体环境中的质量，则测得的质量值可能由于气体进入空心而缓慢变大，会导致测量值不够准确。因此，在这种情况下，应该先测量气体环境中的质量，再测量真空环境中的质量。

进一步地，为了减少不同待测对象的表面积差异所带来的表面吸附质量差异的影响，可选择其所暴露的表面积相同的第一对象和第二对象。本领域技术人员应当理解的是，实际操作中，要求第一对象和第二对象的表面积完全相等是很难实现的，因此，可选择其所暴露的表面积近似相等(包含相等)的第一对象和第二对象。本领域技术人员可根据需要设置该近似相等的判断标准，例如差值小于一定阈值等。

进一步地，根据计量等领域的实际需要，可以选择在真空环境中的质量m_1-vacuum和m_2-vacuum相等的第一对象和第二对象。同样地，本领域技术人员应当理解，该质量相等可指质量近似相等(包含相等)，可根据需要设置该近似相等的判断标准。例如，可以选择质量m_1-vacuum和m_2-vacuum均等于(例如，可理解为近似等于)单位计量量的第一对象和第二对象。通常所采用的单位计量量为1kg(千克)。

图2示出了根据本公开所设计的砝码形状的示意图。可采用两个砝码分别作为第一对象和第二对象。通过设计合适的砝码形状，能提高测量的精度。例如，通过设计合适的形状，使得在两个砝码的表面积近似相等且质量差一定(例如近似相等)的情况下其体积差V₁-V₂尽可能大，这有助于提高最终确定的气体密度的精度。

图2(a)示出了一种套筒形圆柱体砝码的示意图。该套筒形圆柱体的外环半径为r₂，内环半径为r₁，高为h。如图2(a)所示的套筒形圆柱体砝码所暴露的表面积S₁可表示为：

$S_1=2({\mathrm{\&pi;r}}_2^2-{\mathrm{\&pi;r}}_1^2)+2{\mathrm{\&pi;r}}_{1}h+2{\mathrm{\&pi;r}}_{2}h=2\mathrm{\&pi;}(r_2^2-r_1^2+r_{1}h+r_{2}h),---\left(5\right)$

该砝码的体积V₁可表示为：

$V_1={\mathrm{\&pi;r}}_2^{2}h-{\mathrm{\&pi;r}}_1^{2}h=\mathrm{\&pi;}h(r_2^2-r_1^2),---\left(6\right)$

式(5)可被改写为：

$S_1=2(\frac{V_1}{h}+{\mathrm{\&pi;r}}_{1}h+{\mathrm{\&pi;r}}_{2}h),---\left(7\right)$

则有：

$V_1=\frac{S_1}{2}h-{\mathrm{\&pi;h}}^2(r_1+r_2).---\left(8\right)$

图2(b)示出了一种空心圆柱体砝码的示意图。该圆柱体的底面半径为r，高为H，其内部的空心小圆柱体的底面半径为r_in，高为h_in。如图2(b)所示的空心圆柱体砝码所暴露的表面积S₂可表示为：

S₂＝2πr²+2πrH，(9)该砝码的体积V₂可表示为：

V₂＝πr²H,(10)

设地面直径为D，则式(9)可被改写为：

$S_2=2{\mathrm{\&pi;r}}^2+2\mathrm{\&pi;}rH=2\mathrm{\&pi;}{\left(\frac{D}{2}\right)}^2+2\mathrm{\&pi;}\left(\frac{D}{2}\right)H,---\left(11\right)$

式(10)可被改写为：

$V_2=\mathrm{\&pi;}{\left(\frac{D}{2}\right)}^{2}H.---\left(12\right)$

例如，可设计成D＝H，以进一步增大体积差V₁-V₂。

以下给出了一个设计砝码形状参数的示例性示例。本领域技术人员应该理解该示例仅为了便于理解本公开，其中的数值及其他细节仅为示例性的，不用于以任何方式限制本公开。

在该示例性示例中，可按照表面积相等的原则来设计具有如图2(a)和(b)所示的形状的砝码的具体形状参数。设每个砝码都是JF1不锈钢砝码，其标称值都为1kg，设计中取π＝3.1415927。

在制造砝码前，可先对制造材料进行密度实测以确保设计参数的准确性。例如JF1不锈钢材料的标称密度为8000kg/m³，而经过实际测量得到的材料密度为7993kg/m³。在推导砝码形状参数时，需代入实测得到的密度值进行计算。

可先设计一个质量为1kg的理想的圆柱体砝码，该理想砝码的底面直径和高相等。根据公式可以得到该理想砝码的体积为125.1094708cm³，直径D和高H应该为54.20842244mm。实际中，由于加工切削精度仅能达到0.01mm，因此可从满足要求的多组值中选择最优值。例如：以下几种值均满足要求：

(1)直径＝54.2mm，高＝54.22mm时，体积＝125.0973089cm³，计算得到的质量为999.90279g，与1kg的差值为97.21004663mg；

(2)直径＝54.22mm，高＝54.19mm时，体积＝125.1203811cm³，计算得到的质量为1000.087206，与1kg的差值为87.20578772mg；

(3)直径＝54.21mm，高＝54.21mm时，体积＝125.1203938cm³，计算得到的质量为1000.087308g，与1kg的差值为87.3078943mg，

因此，可选择(3)，其与1kg间的差值较小，且直径和高相等，可则所确定的理想砝码的直径D可为54.21mm，高H可为54.21mm。

为了保证形状如图2(a)的套筒形圆柱体砝码和如图2(b)的空心圆柱体砝码的质量值均为1kg，其体积值均应等于125.1203938cm³。

为得到形状如图2(a)的砝码，可确定公式(6)中的参数r₁、r₂、h。例如，可设r₁＝12mm，r₂＝28mm，可解得h＝62.22977868mm，再考虑加工精度影响，可选择参数h＝62.23mm。基于所选择的参数可得该套筒形圆柱体砝码的体积V₁为125.1007326cm³，表面积S₁为19658.83017mm²，质量为999.9301556g。

在设计如图2(b)的砝码时，需考虑满足其表面积S₂＝S₁。可设r＝31mm，基于S₂＝S₁可得到高H＝69.93mm时，则V₂＝211.1236026cm³，S₂＝19659.01866mm²，两个砝码的表面积差为0.188495559mm²。由于空心圆柱体砝码的质量为1kg，其中实心部分的体积应为125.1007326cm³，则空心部分的体积V_in应该为：V_in＝V₂-125.1007326＝86.02287003cm³。可设空心部分半径r_in＝22.5mm，则可求得高度h_in应该为54.08776296mm。考虑到加工精度的影响，可取h_in＝54.08mm。则可得实心部分的体积为125.1130791cm³，质量为1000.028841g。

根据上述设计过程，可得：

S₁＝19658.83017mm²，

V₁＝125.1007326cm³

m_1-vacuum＝999.9301556g，

S₂＝19659.01866mm²，

V₂＝211.1236026cm³，

m_2-vacuum＝1000.028841g。

可计算得到套筒形圆柱体砝码与空心圆柱体砝码的质量差m_1-air-m_2-air的绝对值为为0.098685248g，该质量差在诸如天平的质量测量设备允许的工作范围内，因此经上述设计得到的砝码满足要求。

图3(a)示出了一种一个端部有凹陷的圆柱体砝码。从图中可以看出，其一个端部的中心位置有一个凹陷进去的部分。该圆柱体砝码的底面半径为R₂，高为H₂，凹陷部分的底面半径为r₁，高为h₁。如图3(a)所示的一个端部有凹陷的圆柱体砝码所暴露的表面积S₁可表示为：

$S_1=2{\mathrm{\&pi;R}}_2^2+2{\mathrm{\&pi;R}}_2{H}_2+2{\mathrm{\&pi;r}}_1{h}_1,---\left(5\right)$

该砝码的体积V₁可表示为：

$V_1={\mathrm{\&pi;R}}_2^2{H}_2-{\mathrm{\&pi;r}}_1^2{h}_1.---\left(6\right)$

图3(b)示出了一种与图2(b)所示类似的空心圆柱体砝码的示意图。同样地，也可采用图3(a)和图3(b)所示的砝码作为第一对象和第二对象，以在两个砝码的表面积近似相等且质量差一定(例如近似相等)的情况下使得其体积差V₁-V₂尽可能大，这有助于提高最终得到的气体密度的精度

本领域技术人员应当理解的是，图2和图3仅是具体的示例，可对其进行简单变形以得到所需的砝码，例如，可改变图3(b)中所示的砝码的凹陷位置，使该凹陷不位于地面的中心位置；可将一端有凹陷改为两端均有凹陷等。诸如此类的无法穷举的变形都属于本公开的保护范围。

例如，用户可从专业计量机构得到如上所述的可作为第一对象和第二对象的异型砝码以及记载了这两个异型砝码在真空环境中的质量(m_1-air和m_2-air)或质量差(m_1-vacuum-m_2-vacuum)的证书，然后可自行测量这两个异型砝码在某气体环境中的质量(m_1-vacuum和m_2-vacuum)或质量差(m_1-vacuum-m_2-vacuum)，并可自行测量或者从专业计量机构得到其体积(V₁和V₂)或体积差(V₁-V₂)，即可根据上述方法来确定气体的密度。

图4示出了根据本公开的一个实施例的测量***的示意性结构图。该测量***可包括外壳401和位于外壳401围绕成的腔体内的质量测量设备402。该腔体内的环境可在真空环境和气体环境间切换。例如，可在外壳401上设置与抽气设备连接的接口。

质量测量设备402可测量待测对象403的质量。腔体内为真空环境时，质量测量设备402可测量待测对象403在真空环境中的质量；腔体内为气体环境时，质量测量设备402可测量待测对象403在气体环境中的质量。

图5示出了根据本公开的另一个实施例的测量***的示意性结构图。图5中所示的测量***可包括外壳401和位于外壳401围绕成的腔体内的质量测量设备402。该腔体的环境可在真空环境和气体环境间切换。腔体内为真空环境时，质量测量设备402测量待测对象403在真空环境中的质量；腔体内为气体环境时，质量测量设备402测量待测对象403在气体环境中的质量。

如图5所示，该测量***还可包括处理设备405。处理设备405可基于质量测量设备402所测量的质量，并根据计算气体的密度ρ_air，其中m_1-air、m_2-air分别是待测对象403和待测对象404在气体环境中的质量，m_1-vacuum、m_2-vacuum是待测对象403和待测对象404在真空环境中的质量，V₁是待测对象403的体积，V₂是待测对象404的体积，且V₁和V₂不相等。可参照如上所述的方法来设计待测对象403和404。例如，待测对象403和404的表面积可近似相等以消除表面吸附质量差异带来的误差。例如，待测对象403和404在真空环境中的质量可近似相等(例如近似等于单位计量量(例如1kg))。图5中所示的待测对象403可以是空心圆柱体砝码，待测对象404可以是套筒形圆柱体砝码，本领域技术人员应当理解的是，待测对象403和404也可以是适合用于此处的其他形状的砝码。

该测量***还可包括位于腔体内的可旋转托架407。可旋转托架407可绕支撑点旋转。可通过可旋转托架407的旋转来将待测对象旋转至质量测量设备402中用于承载当前待测对象的称量工位408上。如图5所示，在开始测量前，可将待测对象403和404都置于可旋转托架407。当要测量其中某一个待测对象时，例如，待测对象404，则通过可旋转托架407的旋转来将待测对象404旋转至称量工位408上。测量得到待测对象404的质量值后，可再次旋转可旋转托架407，以将待测对象403旋转至称量工位408上(如图5中所示的状态)。

该测量***还可包括防风罩406。防风罩406可设置在腔体内，用于防止质量测量设备402得到的测量值受到气体进或出所述腔体的过程中产生的气流的影响。本示例性实施例中，防风罩406可位于可旋转托架407上方。在根据本公开的其他一些实施例中，未在腔体内设置可旋转托架，则防风罩406可直接位于所述质量测量设备中用于承载当前待测对象的称量工位上方。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于测量气体密度的方法，该方法包括：

得到第一对象和第二对象在气体环境中的质量差m_1-air-m_2-air，其中m_1-air为第一对象在所述气体环境中的质量，m_2-air为第二对象在所述气体环境中的质量；

得到第一对象和第二对象在真空环境中的质量差m_1-vacuum-m_2-vacuum，其中m_1-vacuum为第一对象在真空环境中的质量，m_2-vacuum为第二对象在真空环境中的质量；

得到第一对象和第二对象之间的体积差V₂-V₁，其中第一对象的体积为V₁，第二对象的体积为V₂，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等；

基于下式计算所述气体的密度ρ_air：

${\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}.$

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一对象和所述第二对象暴露的表面积近似相等。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一对象和第二对象在真空环境中的质量m_1-vacuum和m_2-vacuum近似相等。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，第一对象和第二对象在真空环境中的质量m_1-vacuum和m_2-vacuum均近似等于1kg(千克)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一对象是空心圆柱体砝码，第二对象是套筒形圆柱体砝码。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一对象是空心圆柱体砝码，第二对象是端部凹陷型砝码。

7.一种测量***，该***包括：

外壳，所述外壳围绕形成的腔体内的环境能在真空环境和气体环境间切换；

质量测量设备，位于所述腔体内，用于测量待测对象的质量；

其中，所述腔体内为真空环境时，所述质量测量设备测量待测对象在真空环境中的质量；所述腔体内为气体环境时，所述质量测量设备测量待测对象在气体环境中的质量。

8.根据权利要求7所述的测量***，还包括：

处理设备，所述处理部件基于所述质量测量设备所测量的质量，并根据 ${\mathrm{\&rho;}}_{air}=\frac{(m_{1-air}-m_{2-air})-(m_{1-vacuum}-m_{2-vacuum})}{V_2-V_1}$ 计算所述气体的密度ρ_air，

其中m_1-air、m_2-air是第一对象和第二对象在所述气体环境中的质量，m_1-vacuum、m_2-vacuum是第一对象和第二对象在真空环境中的质量，V₁是第一对象的体积，V₂是第二对象的体积，且第一对象的体积V₁和第二对象的体积V₂不相等。

9.根据权利要求7或8所述的***，该***还包括：

防风罩，所述防风罩设置在所述腔体内，用于防止所述质量测量设备受在气体进或出所述腔体的过程中产生的气流的影响。

10.根据权利要求7或8所述的***，该***还包括：

可旋转托架，位于所述腔体内，通过所述可旋转托架的旋转来将待测对象旋转至所述质量测量设备中用于承载当前待测对象的称量工位上。