[发明专利]一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置与方法

权利要求书

1.一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置，包括恒温水槽，其特征在于，所述恒温水槽的内部固定有玻璃容器，且玻璃容器的外侧与恒温水槽的内侧之间留有空隙，所述玻璃容器的底壁与恒温水槽的内底壁密封，且玻璃容器的底壁上安装有延伸至恒温水槽下侧的玻璃立管，所述玻璃立管内设有永磁铁，所述永磁铁的顶端固定有第一连杆，且第一连杆中部固定有连接板，所述连接板的中部横向开设有通孔，所述第一连杆的顶端固定有悬浮平台，所述悬浮平台的上侧通过第二连杆固定有空心金属管，所述玻璃容器的内部插设有铂电阻温度计，所述玻璃容器的顶端开拆卸安装有盖子，所述玻璃立管的外侧对称设有红光对射光电传感器发射端和红光对射光电传感器接收端，且红光对射光电传感器发射端和红光对射光电传感器接收端相互配合，所述玻璃立管的外侧套设有电磁感应螺旋线圈，所述电磁感应螺旋线圈与电源电连接，所述电源电连接有PLC控制器和电流表，所述电源与红光对射光电传感器发射端和红光对射光电传感器接收端电连接，所述电流表电连接有标准电阻，所述标准电阻放置在恒温油槽内，所述标准电阻与电磁感应螺旋线圈电连接。

2.根据权利要求1所述的一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置，其特征在于，所述第一连杆、连接板和第二连杆均由聚四氟乙烯材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置，其特征在于，所述玻璃容器和玻璃立管均由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置，其特征在于，还包括放样杆，所述放样杆由一个立杆和三个横杆共同组成。

5.根据权利要求1所述的一种磁力悬浮法标定密度标准液的装置，其特征在于，所述悬浮平台由四个支杆共同组成，且其中三个支杆平行设置且位于同侧的一端均与另一个支杆固定。

6.一种用于权利要求1-5中任意一项所述磁力悬浮法标定密度标准液的装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：前期准备；将恒温水槽内的水温控制在20±0.01℃，向玻璃容器内注入待测密度标准液，通过放样杆将金属片放置在悬浮平台上，通过铂电阻温度计测量待测密度标准液的温度，将待测密度标准液的温度控制在20±0.01℃；

步骤二：放置已知质量和密度的单晶硅环，测量并得出稳定后的电流值I_c；通过放样杆将单晶硅环放置在悬浮平台上的金属片上，通过铂电阻温度计观察玻璃容器内待测密度标准液的温度，当其温度为20±0.01℃时，通过盖子将玻璃容器密封，通过PLC控制器调节电源的输出电流，从而调节对电磁感应螺旋线圈对永磁铁的作用力大小，控制永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮；

当红光对射光电传感器发射端发出的光线通过连接板上的通孔被红光对射光电传感器接收端接收时，向PLC控制器发送信号，PLC控制器停止调节电源的输出电流，此时永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮在待测密度标准液内稳定的悬浮，观察300s后，记录当前电流表的读数，得到电流值I_c；

步骤三：放置已知质量和密度的玻璃砝码，测量并得出稳定后的电流值I_s；打开盖子并通过放样杆将单晶硅环取出，然后通过放样杆将玻璃砝码放置在悬浮平台上的金属片上，通过铂电阻温度计观察玻璃容器内待测密度标准液的温度，当其温度为20±0.01℃时，通过盖子将玻璃容器密封，通过PLC控制器调节电源的输出电流，从而调节对电磁感应螺旋线圈对永磁铁的作用力大小，控制永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮，当红光对射光电传感器发射端发出的光线通过连接板上的通孔被红光对射光电传感器接收端接收时，向PLC控制器发送信号，PLC控制器停止调节电源的输出电流，此时永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮在待测密度标准液内稳定的悬浮，观察300s后，记录当前电流表的读数，得到电流值I_s；

步骤四：测量并记录当悬浮平台在空载状态时的电流值I₀；打开盖子并通过放样杆将玻璃砝码取出，通过铂电阻温度计观察玻璃容器内待测密度标准液的温度，当其温度为20±0.01℃时，通过盖子将玻璃容器密封，通过PLC控制器调节电源的输出电流，从而调节对电磁感应螺旋线圈对永磁铁的作用力大小，控制永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮，当红光对射光电传感器发射端发出的光线通过连接板上的通孔被红光对射光电传感器接收端接收时，向PLC控制器发送信号，PLC控制器停止调节电源的输出电流，此时永磁铁、第一连杆、连接板、悬浮平台、第二连杆和空心金属管上浮在待测密度标准液内稳定的悬浮，观察300s后，记录当前电流表的读数，得到电流值I₀；

步骤五：根据公式计算得出待测密度标准液的密度值ρ；由于电流和浮力满足线性关系，因此可得到公式1：

公式1为：

其中，为单晶硅环的浮力，为玻璃砝码的浮力；

根据阿基米德浮力定律当单晶硅环、玻璃砝码稳定悬浮时满足公式2和公式3；

公式2为：

其中，V_s为玻璃砝码体积，m_s为玻璃砝码的质量，ρ_s为玻璃砝码密度；

公式3为：

其中，V_c为单晶硅环体积，m_c为单晶硅环的质量，ρ_c为单晶硅环密度；

计算时，在公式2中，可假设ρ的数值为k，由于ρ/ρ_s为高次小量，其量值偏差对最终计算结果的偏差可以忽略，因此由公式2可以计算出

最后，由公式1、公式3可以得到待测密度标准液密度为公式4；

公式4为：

通过公式4即可计算得待测密度标准液密度ρ。