基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及物体密度测量领域，具体涉及一种基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置及方法。

背景技术

随着时代的发展，日常生活中各种新物质层出不穷，各种新物质涌入我们的生活，对于不同物质的特性研究与应用是非常重要的。特别是有时候对于材料物质需要深入认识，而密度作为物体的重要属性之一是不可缺少的。想轻易测量一个物体的密度是比较困难的，尤其是对于一些不规则的物体密度的测量。

测量密度的传统方法主要有排水法、液体压强法等，但是对于一些易溶于液体，易破坏的不规则物体，传统方法就比较具有局限性，且传统方法操作过程比较繁琐。例如：使用排水法测量体积时，测量物体前后需要干燥仪器，耗费时间过长，稍有液体残留就会影响测量的精确度。也不适用于测量会和液体反应或者吸附的物体，还会破坏被测物体等等。目前市面上还没有出现价格实惠，操作简单，快速便携式，在不破坏物体的情况下能直接显示出物体密度的一体化的不规则物体密度测量的装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置及方法，相比于市场上的成本高昂的密度测量设备，本发明密度装置性价比高，测量方法满足理论要求，经过不断改进，最终实现密度测量方法的标准化和密度装置的便携化、经济化；而且可推广性高，可解决市场一定的应用需求。

本发明采取的技术方案为：

基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置，该装置包括：密闭空间结构，密闭空间结构设有推进机构，推进机构用于调节控制密闭空间结构内部的气体压强；

所述密闭空间结构内设有第一单片机模块、信号发射模块、环境数据采集模块，环境数据采集模块用于采集密闭空间结构内部的压强数据和温度数据；第一单片机模块分别连接信号发射模块和环境数据采集模块；

该装置还包括设置在密闭空间结构外部的第二单片机模块，第二单片机模块分别连接信号接收模块、压力检测模块、按键模块和显示模块；

信号接收模块，与信号发射模块通过射频信号通讯连接；

压力检测模块，用于测试待测物体的重力；

第二单片机模块，用于计算出待测物体的密度并通过显示模块输出。

所述密闭空间结构采用带有刻度的针筒。

基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量方法，首先，进行初始化，射频信号配置为发送模式状态，第一单片机模块控制环境数据采集模块、信号发射模块实现密闭空间结构中的环境数据采集与发射；

信号发射模块将温度与压强的数据包通过射频信号发送给外部的第二单片机模块，第二单片机模块结合连接的压力检测模块所得数据，计算出待测物体的密度并通过显示模块输出。具体包括以下步骤：

Step1：重力加速度g校准：正式测试待测物体的密度之前，进行重力加速度校准，使用100克标准砝码计算重力加速度g；

Step2：再测量待测物体重力，得出待测物体质量后，寄存数据作为；

Step3：密闭空间结构所占体积,记录压缩100ml体积前后的压强和温度，得出数据；Step4：多次测量求取体积平均值，并寄存固定体积数据；

Step5：将待测物体置于密闭空间结构内部，待温度和压强稳定后，记录压缩100ml体积前后的压强和温度，得出数据；

Step6：多次测量求取体积平均值，第二单片机模块执行程序将获取的体积数据减去得到物体体积数据，并寄存；

Step7：待压强温度数据稳定后，第二单片机模块执行密度计算，得出待测物体密度，并最终在显示模块显示待测物体体积数据和密度数据。

通过以上步骤，将不规则物体的体积及质量数据处理计算后，在显示模块输出待测物体密度。

本发明一种基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置及方法，技术效果如下：1)本发明测量装置，在不破坏待测物体的情况下测量物体密度，相比较于排水法测量，保证特殊物体的完整性。

2)本发明采用重力加速度自校准，能够更正由于地势和海拔的原因导致重力加速度不均衡的问题，减少测量误差。

3)本发明射频模块的应用，通过无线技术进行数据发送和接收，实用性强。

4)本发明装置经济便携，满足物体密度测量需求，操作简便，得出的实验数据不需要人工处理，数据显示直观，响应快。

5)本发明密度测量方法和密度测量装置相较于市场密度测量设备，整体性价比高；可推广性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明密度测量装置结构示意图一；

图2为本发明密度测量装置结构示意图二。

图3为本发明密度测量方法流程示意图。

其中：1-第一单片机模块，2-信号发射模块2，3-环境数据采集模块，4-待测物体，5-螺旋推进器，6-密闭空间结构，7-第二单片机模块，8-信号接收模块，9-压力检测模块；10-按键模块，10-1：按键单元一，10-2：按键单元二，10-3：按键单元三；10-4：按键单元四。

11-显示模块。

具体实施方式

如图1、图2所示，基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置，该装置包括：密闭空间结构6，密闭空间结构6设有推进机构5，推进机构5用于调节控制密闭空间结构11内部的气体压强；

所述密闭空间结构11内设有第一单片机模块1、信号发射模块2、环境数据采集模块3，环境数据采集模块3用于采集密闭空间结构11内部的压强数据和温度数据；第一单片机模块1分别连接信号发射模块2和环境数据采集模块3；

该装置还包括设置在密闭空间结构6外部的第二单片机模块7，第二单片机模块7分别连接信号接收模块8、压力检测模块9、按键模块10和显示模块11；

信号接收模块8，与信号发射模块2通过射频信号通讯连接；

压力检测模块9，用于测试待测物体4的重力；

第二单片机模块7，用于计算出待测物体4的密度通过显示模块11输出。

本发明密度测量装置采用单片机使用内置纽扣电池来作为装置电源，电源的选择方案是选用CR2032锂锰电池(南孚)，电池体积适中，续航能力强劲，能够保证密闭空间无线模块稳定的运行。

本发明密度测量装置使用500ml有刻度针筒作为密闭空间结构6，既符合制造密闭空间条件，也方便调节气体体积。

所述第一、第二单片机模块的采用体积小且功能完备的STM32最小系统板控制。

所述信号发射模块2、信号接收模块8采用NRF射频模块，信号接收模块8和信号发射模块2距离近耗电量少，且数据传输效率好。

所述环境数据采集模块3采用BMP280大气压强模块，在采集压强数据的过程中也采集温度数据，正好符合原理公式中两个参数的获取。

所述推进机构5用来控制气体的压缩，相对于直接手工推进压缩气体具有更准确、稳定易操作的效果。推进机构5即为注射器的与针筒配套的活塞推进部分，推进时为尽量控制压缩过程中误差最小，采用旋转推荐活塞杆方式：旋钮旋转一周，活塞杆就会稳定缓慢向前推进一段距离，实现对密闭气体的压缩。

所述显示模块11采用OLED显示屏，体积小，响应快，显示每一次获取的数据和结果。所述压力检测模块9采用HX711重力检测模块，HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，符合测量时对于精确度的要求。

如图3所示，基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量方法，首先，进行初始化，射频信号配置为发送模式状态，第一单片机模块1控制环境数据采集模块3、信号发射模块2实现密闭空间结构6中的环境数据采集与发射。信号发射模块2将温度与压强的数据包通过射频信号发送给外部的第二单片机模块7，第二单片机模块7结合连接的压力检测模块9所得数据，计算出待测物体4的密度并通过显示模块1输出。

具体包括以下步骤：

步骤一、测量待测物体4重力：

重力加速度g校准，正式测试待测物体4密度之前，进行重力加速度校准，使用100克标准砝码计算重力加速度g。再测量待测物体4重力，得出待测物体4质量后寄存数据作为Mx。公式如下：

其中M

F

步骤二、测量本发明密度测量装置硬件部分的体积：

测试本发明密度测量装置硬件部分在密闭空间结构11所占体积Vo,将本发明密度测量装置硬件部分放入密闭空间结构11内，记录压缩100ml体积前后的压强和温度，得出数据。多次测量求取体积平均值，并寄存固定体积数据。

本发明采用理想气体状态方程为基本原理，对于一定体积的密闭理想气体，压缩体积前后满足理想气体状态方程：其中P

步骤三：测量待测物体4与本发明密度测量装置硬件部分共同的体积：

将待测物体4与密度测量装置硬件部分一起置于密闭空间结构11内部，待温度和压强稳定后记录压缩100ml体积前后的压强和温度，得出数据。假设待测物体4的体积为Vx，质量为Mx，密度测量装置硬件部分体积为Vo，密闭环境体积从500ml变化到400ml。多次测量求取体积平均值，第一单片机模块1执行程序将获取的体积数据减去Vo得到物体体积V

则有：

步骤四：计算待测物体4的体积与密度：

待压强温度数据稳定后，即第二单片机模块7执行密度计算，得出待测物体4密度，并最终在显示模块11显示待测物体4体积数据和密度数据。

通过以上步骤，将不规则物体的体积及质量数据处理计算后在显示模块11输出。其中：ρ表示被测物体密度，待测物体4的体积为Vx，质量为Mx。

通过以上步骤，可以实现对不规则物体密度的测量并显示输出。

实施例1：

本实施例1使用实验室200克砝码作为待测不规则物体，使用本发明基于理想气体状态方程的不规则物体密度测量装置，来对其进行密度测量。

事先通过排水法测得200克标准砝码密度为7.82克/cm

第一步：按下按键单元一10-1，正式测试待测物体4密度之前，进行重力加速度校准，使用100克标准砝码进行重力加速度g校准，使用实验室砝码作为不规则实物质量测量，得出物体质量后寄存数据作为Mx；

第二步：按下按键单元二10-2，进行第一次环境系数获取，即压缩前的密闭气体的压强P

第三步：按下按键单元三10-3，进行第二次环境系数获取，即压缩后密闭气体的压强P

第四步：按下按键单元四10-4，待第三次环境系数稳定后，即可得出待测物体4密度7.94克/cm