[发明专利]一种基于电磁悬浮的密度测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于电磁悬浮的密度测量装置，包括远程观测记录设备，其特征在于：还包括悬浮腔和磁场发生装置；

所述悬浮腔（4）放置于磁场发生装置内；

所述悬浮腔（4）为圆柱体测量容器，悬浮腔（4）外侧垂直方向设置有刻度标尺；

所述磁场发生装置包括第一磁铁（1）、第二磁铁（12）、第一支架（2）和第二支架（13），第一磁铁（1）和第二磁铁（12）同名磁极相对，悬浮腔（4）置于两个磁铁之间，且与两磁铁处于同一竖直轴线上，第一磁铁（1）和第二磁铁（12）的两侧分别通过固定螺钉与第一支架（2）和第二支架（13）固定连接；

所述远程观测记录设备包括外置摄像设备和计算机（17）；外置摄像设备通过其输出线连接到计算机（17）。

2.根据权利要求1所述的基于电磁悬浮的密度测量装置，其特征在于：所述第一磁铁（1）和第二磁铁（12）选用电磁铁或永磁铁；

若选用电磁铁，则电磁铁导线连接磁场强度调节器；磁场强度调节器包括定档滑动变阻器和直流电源，第一磁铁（1）与第二磁铁（12）并联后串联定档滑动变阻器和直流电源。

3.根据权利要求1所述的基于电磁悬浮的密度测量装置，其特征在于：所述第一磁铁（1）和第二磁铁（12）为电磁铁时，磁铁表面磁感应强度不低于0.8T；所述第一磁铁（1）和第二磁铁（12）为永磁铁时，磁铁表面磁感应强度不低于0.4T。

4.采用权利要求1所述的基于电磁悬浮的密度测量装置进行密度测量的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：取一定浓度的标准溶液注入悬浮腔，使溶液液面高度达到悬浮腔总体高度的4/5以上；在待测物质中取直径在0.2~3mm之间的颗粒状试样，将试样完全浸没在标准溶液中，并保证试样表面无气泡；

步骤2：将悬浮腔放置于两磁铁之间的空间内，使悬浮腔腔体中心线与两磁铁竖直方向中心线尽量重合，保证系统稳定一定时间；

步骤3：若试样在磁场中能达到稳定悬浮，则通过外置摄像设备读出其悬浮高度h；若试样无法稳定悬浮，则根据实际情况调整磁场强度，重复步骤2，直至试样能够达到稳定悬浮，读出其悬浮高度h；

根据实际情况调整磁场强度：若选用永磁铁，则通过调节永磁铁的间距，实现对磁场强度调节；若选用电磁铁，则通过调整定档滑动变阻器档位，实现磁场强度调节；

步骤4：进行悬浮高度h、试样密度ρ_s的数值转换，得到试样密度ρ_s；具体步骤如下：

步骤4.1：确定当地重力加速度g；

步骤4.2：根据注入的标准溶液的摩尔浓度计算标准溶液的密度ρ_m和磁化率χ_m；

步骤4.3：若已知待测物质磁化率或其计算方法，则查出或计算出待测物质磁化率准确值χ_s；若待测物质磁化率不能确定，则可近似的取χ_s=-5×10^-6；

步骤4.4：确定磁铁表面磁感应强度B₀；

若使用的是永磁铁，则查出其标定的表面磁感应强度B₀；若使用电磁铁，则根据试样达到稳定悬浮时变阻器阻值和档位，确定磁铁表面磁感应强度B₀；

步骤4.5：计算磁铁中心线上磁感应强度分布；

两个相同的磁铁同名磁极相对，间距为H，则对于长方体形状永磁铁，在0～H空间范围内，其中轴线上磁感应强度B_z大小满足：

Bz=Brπ[arcsinab[a2+(H-z)2][b2+(H-z)2]-arcsinab[a2+(H-z+Lm)2][b2+(H-z+Lm)2]---(2)]]>

-arcsinab(a2+z2)(b2+z2)+arcsinab[a2+(z+Lm)2][b2+(z+Lm)2]]]]>

式中：B_r为磁铁的磁荷面密度；a、b为永磁铁水平面长度、宽度；L_m为磁铁厚度；H为两磁铁表面间距；z为轴线上任意一点到下方磁铁表面的距离；

若使用电磁铁，其空间内磁感应强度分布与永磁铁类似，同样可得出其空间磁感应强度与悬浮高度h的关系B_z：

Bz=Br2(H-z+Lm(H-z+Lm)2+R2-H-z(H-z)2+R2-z+Lm(z+Lm)2+R2+zz2+R2)---(3)]]>

式中：R为电磁铁直径；

步骤4.6：计算试样在重力、浮力、磁场作用力共同作用下受力平衡时，试样悬浮高度h和试样密度ρ_s的函数关系；

试样达到平衡的悬浮高度h与其密度的关系可表示为：

(ρs-ρm)gμ0(χs-χm)=BzdBzdh---(5)]]>

式中，χ_s为试样的磁化率，μ₀为真空磁导率；

步骤4.7：生成密度-高度曲线；

步骤4.8：根据试样悬浮高度，求得所测试样的精确密度值；

步骤5：记录所得试样密度ρ_s，测量结束。