利用氣體測量不規則物體體積的系統的設計

沈校強

江蘇省宜興中等專業學校 江蘇宜興 214206

密度測量是一項非常重要的工作。它廣泛影響著科研、生產和生活。在物理上，測量物體密度的基本原理是ρ=m/V，即只要測定待測物體的質量和體積，兩者相除就可以得出密度了。其中物體質量的測量相對來說比較簡單，它可以通過采用一些比較簡便的途徑，比如天平、電子秤等進行測量來完成。但是，物體體積的測量，尤其是一些不規則物體的體積測量就顯得麻煩了許多。

針對這一難題，目前最主要采用的是利用水等液體排開的體積進行測量的方法。但是，在實際操作過程中，該法還是弊端重重，它更適用于不溶于水或者與水不會發生化學反應的物質，而對于不能直接放置于水的物體來說則只能另尋其道，比如用細沙或面粉來替代水，或者給待測物體包上薄膜或涂上油層之后再置于水中完成測量…….類似的種種，不僅過程麻煩，而且誤差極大，甚至有可能會破壞被測物質的本來特性，對于一些比較珍貴的、不可恢復的物體來說是萬萬不可取的。

基于上述問題和種種弊端，我們可以嘗試另辟蹊徑，通過利用氣體測量不規則物體體積來獲得密度的方法，從而解決現實中的一些困惑。在此，設計一個比較簡單而又安全的氣體測量不規則物體體積的自動系統就顯得尤為重要。

一、系統設計原理

1.設計原理分析

該系統設計原理可如圖1所示：

圖1 系統原理圖

據上圖可見，在一個密閉的氣缸中，活塞環可以由A點運動到B點。假設活塞環在A點時，氣缸內的容積是V0（不包括待測物體）；活塞環在B點時，氣缸內的容積是V（不包括待測物體）。由于V0和V可以進行嚴格的測定，所以在本系統中就可作為常數。當氣缸中放入待測物體以后，由于待測物體要占據空腔中的一定體積Vx，所以活塞環在A點和B點的時候，實際空腔的體積就分別是 V0-Vx和 V-Vx。

2.實驗操作過程

該系統的操作過程是方便而簡單的。

第一步，將待測物體放入氣缸中，關閉并密封氣缸。此時，活塞環處于位置A，用氣體壓力傳感器可以讀出此刻缸內氣體的壓力P0，用溫度傳感器則可讀出初始溫度t0，作好記錄。

第二步，將活塞環運動到B點停下，通過氣體壓力傳感器和溫度傳感器可分別讀出此時缸內氣體壓力P和溫度t。根據理想氣體狀態方程可得：。其中，Vx為待測物體的體積。然后求解，得出待測物體的體積。由于氣腔的體積V0和V可以提前嚴格測定，所以，只要測定A點和B點的氣體壓力和溫度，就可以得到待測物體的體積Vx了。

二、主體設計分析

1.系統設計

考慮到系統一旦投入實際使用時在自動化控制、運算方面的需求，本系統設計了如下構成：氣密性良好的氣缸和配套的活塞環（帶有可開關的門，以便在測試的時候放入待測物體）、壓力傳感器、溫度傳感器、單片機（AT89C51即可）、LED顯示電路等。

2.電路設計

從實驗操作過稱可知，系統需要先測出氣缸中的活塞環分別在A點和B點時的氣體壓力和溫度，然后據此數據再根據公式進行運算，并由LED顯示電路直接顯示出待測物體的體積。故此，電路的結構設計如圖2所示。

圖2 系統框圖

（1）壓力傳感器：該結構的主要作用是將氣體壓力信號轉變成電信號對外輸出，本系統可以采用電容壓力傳感器。其工作原理體現為：氣體壓力作用在測量的微小電容上，通過微小電容就可以將壓力轉換成與其成正比的電容值，然后再利用振蕩電路將這個電容值轉變成可測量的振蕩頻率，由此，便可利用振蕩頻率計算出所測的壓力。所以，在設計時需根據實際情況選擇工作壓力范圍恰當、測量精度較高、溫度補償范圍比較合適的電容壓力傳感器為佳。在工作壓力范圍內操作時，傳感器輸出的振蕩頻率與壓力之間呈一定的線性度關系，所以在公式中，就可以直接用傳感器輸出的振蕩頻率來代替壓強的大小，這樣就能省去很多中間過程，系統就可以得到極大的優化。此時壓力傳感器所測得的信號是數字信號，便可以直接送給單片機進行處理。

（2）溫度傳感器：在設計中，該結構則可直接選用由美國DALLAS公司生產的、集成了測量系統和存儲器于一體的芯片DS1624，該芯片集中了諸多優點：數字接口電路簡單，并且能和I2C總線兼容；輸出的數字溫度可達13位；測量范圍為-55℃-+125℃，精度達到0.03125℃，測量溫度的典型轉換時間為1秒；在系統氣缸中，還可按照一定的排放方式同時在單片機上掛載幾片DS1624，以便在測量的時候取其平均值，提高了測量的準確度。

（3）單片機：建議在設計時可采用AT89C51。在這個系統中，單片機最主要的作用是將兩次所測量的頻率信號和溫度信號進行存儲、分析，并結合預先測定的參數（），利用公式運算得出待測物體的體積。這樣，LED顯示電路才可以在單片機的控制下把最后得出的結果直接顯示輸出。

三、對減小系統誤差的幾點思考

1.理想氣體的選取和使用。系統工作的原理是建立在理想氣體的條件上的，但是，實際情況是不可能存在完全理想狀態的氣體。一般情況下，我們可以考慮直接使用干燥的空氣進行測量，因為在溫度不太低、壓強不太大的條件下，氣體的性質比較接近理想狀態，而且使用干燥的空氣還可以簡化系統的設計和減小成本。但是，這也意味著本系統在投入使用時，必須采取一定的措施干燥氣缸里的空氣。當然，如果能采用純凈的氮氣或者惰性氣體就更理想了，非但能提高測量的準確度，還可以起到保護待測物體的作用。

2.氣缸必須確保良好的氣密性。為此，我們必須考慮到待測物體的體積、活塞環運動后改變的體積和缸體的體積相互之間大小不能懸殊過大，建議將氣缸設計成體積可調的形式。

3.確保測量精度的提高。在系統設計時，可以將活塞環設成A點、B點和C點3個狀態，這樣，便可確保氣缸中的壓力傳感器和溫度傳感器的選取范圍不止一個，無論活塞環是在A點、B點還是C點，傳感器測量出來的值都可取其平均值；然后，由于活塞環有3個位置，就可以有2個的計算值，最后的結果也可以取其平均值。經過這樣處理后的測量精度便可得到很大的提高。

4.工作過程的科學合理。在系統程序設計的時候，應該考慮到壓力傳感器和溫度傳感器在自身處理時也需要一定的時間，同一組數據的測量和讀取要在盡可能短的時間里完成，以防由于溫度的變化而導致系統的準確度下降，所以系統的工作過程要科學合理地進行安排。

5.系統調零工作的測試。在測量之前，可以采用一些標準體積去進行類似于系統調零工作的測試，以減小系統的測量誤差。

總之，本系統采用通過氣體測量不規則物體體積的方式來完成待測物體的密度應該是具有可推行性的，它的測量過程可以全自動進行，可以對范圍更廣的待測物體進行測量，而且具有測量簡單、測量數據可以直接顯示、對待測物體沒有損害等優點。如果能夠合理設計和使用，可以達到較高的測量準確度和精度。故本系統是具有一定的實用價值的。

[1]《大學物理學》，張三慧主編，清華大學出版社，2007年第一版.

[2]《傳感器與傳感器技術》，何道清張禾諶海云主編，科學出版社，2014年第三版.

[3]《單片機原理及應用》，馮文旭主編，機械工業出版社，2008年第一版.