利用气体测量不规则物体体积的系统的设计

沈校强

江苏省宜兴中等专业学校 江苏宜兴 214206

密度测量是一项非常重要的工作。它广泛影响着科研、生产和生活。在物理上，测量物体密度的基本原理是ρ=m/V，即只要测定待测物体的质量和体积，两者相除就可以得出密度了。其中物体质量的测量相对来说比较简单，它可以通过采用一些比较简便的途径，比如天平、电子秤等进行测量来完成。但是，物体体积的测量，尤其是一些不规则物体的体积测量就显得麻烦了许多。

针对这一难题，目前最主要采用的是利用水等液体排开的体积进行测量的方法。但是，在实际操作过程中，该法还是弊端重重，它更适用于不溶于水或者与水不会发生化学反应的物质，而对于不能直接放置于水的物体来说则只能另寻其道，比如用细沙或面粉来替代水，或者给待测物体包上薄膜或涂上油层之后再置于水中完成测量…….类似的种种，不仅过程麻烦，而且误差极大，甚至有可能会破坏被测物质的本来特性，对于一些比较珍贵的、不可恢复的物体来说是万万不可取的。

基于上述问题和种种弊端，我们可以尝试另辟蹊径，通过利用气体测量不规则物体体积来获得密度的方法，从而解决现实中的一些困惑。在此，设计一个比较简单而又安全的气体测量不规则物体体积的自动系统就显得尤为重要。

一、系统设计原理

1.设计原理分析

该系统设计原理可如图1所示：

图1 系统原理图

据上图可见，在一个密闭的气缸中，活塞环可以由A点运动到B点。假设活塞环在A点时，气缸内的容积是V0（不包括待测物体）；活塞环在B点时，气缸内的容积是V（不包括待测物体）。由于V0和V可以进行严格的测定，所以在本系统中就可作为常数。当气缸中放入待测物体以后，由于待测物体要占据空腔中的一定体积Vx，所以活塞环在A点和B点的时候，实际空腔的体积就分别是 V0-Vx和 V-Vx。

2.实验操作过程

该系统的操作过程是方便而简单的。

第一步，将待测物体放入气缸中，关闭并密封气缸。此时，活塞环处于位置A，用气体压力传感器可以读出此刻缸内气体的压力P0，用温度传感器则可读出初始温度t0，作好记录。

第二步，将活塞环运动到B点停下，通过气体压力传感器和温度传感器可分别读出此时缸内气体压力P和温度t。根据理想气体状态方程可得：。其中，Vx为待测物体的体积。然后求解，得出待测物体的体积。由于气腔的体积V0和V可以提前严格测定，所以，只要测定A点和B点的气体压力和温度，就可以得到待测物体的体积Vx了。

二、主体设计分析

1.系统设计

考虑到系统一旦投入实际使用时在自动化控制、运算方面的需求，本系统设计了如下构成：气密性良好的气缸和配套的活塞环（带有可开关的门，以便在测试的时候放入待测物体）、压力传感器、温度传感器、单片机（AT89C51即可）、LED显示电路等。

2.电路设计

从实验操作过称可知，系统需要先测出气缸中的活塞环分别在A点和B点时的气体压力和温度，然后据此数据再根据公式进行运算，并由LED显示电路直接显示出待测物体的体积。故此，电路的结构设计如图2所示。

图2 系统框图

（1）压力传感器：该结构的主要作用是将气体压力信号转变成电信号对外输出，本系统可以采用电容压力传感器。其工作原理体现为：气体压力作用在测量的微小电容上，通过微小电容就可以将压力转换成与其成正比的电容值，然后再利用振荡电路将这个电容值转变成可测量的振荡频率，由此，便可利用振荡频率计算出所测的压力。所以，在设计时需根据实际情况选择工作压力范围恰当、测量精度较高、温度补偿范围比较合适的电容压力传感器为佳。在工作压力范围内操作时，传感器输出的振荡频率与压力之间呈一定的线性度关系，所以在公式中，就可以直接用传感器输出的振荡频率来代替压强的大小，这样就能省去很多中间过程，系统就可以得到极大的优化。此时压力传感器所测得的信号是数字信号，便可以直接送给单片机进行处理。

（2）温度传感器：在设计中，该结构则可直接选用由美国DALLAS公司生产的、集成了测量系统和存储器于一体的芯片DS1624，该芯片集中了诸多优点：数字接口电路简单，并且能和I2C总线兼容；输出的数字温度可达13位；测量范围为-55℃-+125℃，精度达到0.03125℃，测量温度的典型转换时间为1秒；在系统气缸中，还可按照一定的排放方式同时在单片机上挂载几片DS1624，以便在测量的时候取其平均值，提高了测量的准确度。

（3）单片机：建议在设计时可采用AT89C51。在这个系统中，单片机最主要的作用是将两次所测量的频率信号和温度信号进行存储、分析，并结合预先测定的参数（），利用公式运算得出待测物体的体积。这样，LED显示电路才可以在单片机的控制下把最后得出的结果直接显示输出。

三、对减小系统误差的几点思考

1.理想气体的选取和使用。系统工作的原理是建立在理想气体的条件上的，但是，实际情况是不可能存在完全理想状态的气体。一般情况下，我们可以考虑直接使用干燥的空气进行测量，因为在温度不太低、压强不太大的条件下，气体的性质比较接近理想状态，而且使用干燥的空气还可以简化系统的设计和减小成本。但是，这也意味着本系统在投入使用时，必须采取一定的措施干燥气缸里的空气。当然，如果能采用纯净的氮气或者惰性气体就更理想了，非但能提高测量的准确度，还可以起到保护待测物体的作用。

2.气缸必须确保良好的气密性。为此，我们必须考虑到待测物体的体积、活塞环运动后改变的体积和缸体的体积相互之间大小不能悬殊过大，建议将气缸设计成体积可调的形式。

3.确保测量精度的提高。在系统设计时，可以将活塞环设成A点、B点和C点3个状态，这样，便可确保气缸中的压力传感器和温度传感器的选取范围不止一个，无论活塞环是在A点、B点还是C点，传感器测量出来的值都可取其平均值；然后，由于活塞环有3个位置，就可以有2个的计算值，最后的结果也可以取其平均值。经过这样处理后的测量精度便可得到很大的提高。

4.工作过程的科学合理。在系统程序设计的时候，应该考虑到压力传感器和温度传感器在自身处理时也需要一定的时间，同一组数据的测量和读取要在尽可能短的时间里完成，以防由于温度的变化而导致系统的准确度下降，所以系统的工作过程要科学合理地进行安排。

5.系统调零工作的测试。在测量之前，可以采用一些标准体积去进行类似于系统调零工作的测试，以减小系统的测量误差。

总之，本系统采用通过气体测量不规则物体体积的方式来完成待测物体的密度应该是具有可推行性的，它的测量过程可以全自动进行，可以对范围更广的待测物体进行测量，而且具有测量简单、测量数据可以直接显示、对待测物体没有损害等优点。如果能够合理设计和使用，可以达到较高的测量准确度和精度。故本系统是具有一定的实用价值的。

[1]《大学物理学》，张三慧主编，清华大学出版社，2007年第一版.

[2]《传感器与传感器技术》，何道清张禾谌海云主编，科学出版社，2014年第三版.

[3]《单片机原理及应用》，冯文旭主编，机械工业出版社，2008年第一版.