粉末真密度仪

　　粉末真密度仪

　　技术背景知识

　　密度及相关概念

　　在物理学中，密度是指某种物质的质量与该物质体积的比值，其公式为：

　　ρ = m / V

　　ρ—物质的密度，kg/m3；

　　m—物质的质量，kg；

　　V—物质的体积，m3。

　　密度是物质的物理特性之一，不同物质的密度一般不同，反映了不同物质的不同性质，因此，可以根据密度来鉴别物质。密度不随物质形状和空间地理位置的变化而变化，但因物质的状态、温度、压强的改变而改变。例如，水的三种状态冰、水、水蒸汽密度不同；蒸汽锅炉中，同样是水蒸汽，因压强不同，蒸汽密度也不同。

　　密度在使用过程中，由于应用领域不同，物质形态差异，对其体积的定义有较大的区别，例如，对于块状金属，其体积为排开水的容积；对于玉米、小米等粮食，更关心其堆体积；而对于多孔材料，需要了解其骨架体积。为此，需要对体积进行严格的定义。根据应用需求，体积可分为密实体积、自然体积和堆体积三类。

　　(1) 密实体积

　　密实体积是指密实状态下的体积，即指构成材料的固体物质本身的体积。例如：翡翠、钢板、玛瑙、橡胶等。

　　(2) 自然体积

　　自然体积是指自然状态下的体积，即指固体物质的体积与全部孔隙体积之和。例如：面包，表面有象蜂窝一样的开孔，内部则是如同气泡一样的封闭孔。类似材料很多，木头、透气砖、分子筛、活性炭、泡沫等。

　　(3) 堆积体积

　　堆积体积是指自然状态下的体积与颗粒之间的空隙之和。日常生活中最常见，例如：粮食、水泥、土壤等。

　　密度的相关概念，如体积密度、表观密度、真密度等均与上述三个体积密切相关。以多孔材料为例，其体积包括开口孔隙、闭口孔隙和固体三部分，如下图所示。深入材料内部，构成封闭状，不与外界相通的孔为闭孔，所有的闭孔体积之和为闭口孔隙。一端在材料表面开口，另一端深入材料内部，称为盲孔；一端在材料表面开口，穿过材料到另一端表面也存在开孔，称为贯通孔；一端在材料表面开孔，深入材料内部后，又产生若干相通的分支，这些分支均通过主孔与材料表面相通，称为交联孔。盲孔、贯通孔和交联孔都具有一个共性，即有一端与外界相通，所以这类孔统称为开孔，由这些孔构成的开孔体积之和即为开口孔隙。

　　1—固体 2—闭口孔隙 3—开口孔隙（盲孔） 4—开口孔隙（交联孔） 5—开口孔隙（贯通孔）

　　图1 1多孔材料自然状态下体积示意图

　　有了上述的定义和基本知识，对一些概念的诠释便容易理解。设多孔材料中的固体骨架部分的质量为m，由于开孔孔隙与闭口孔隙内填充的为气体，其质量可忽略不计，即多孔材料总质量与固体骨架质量相等，也为m，固体物质构成的体积为V固，闭口孔隙体积为V闭，开口孔隙体积为V开。

　　真实密度

　　真实密度简称真密度（true density），是指物质在密实状态下单位体积的质量，其表达公式为：

　　ρt = m / V固

　　ρt—多孔材料的真实密度，kg/m3；

　　m—多孔材料固体的质量，kg；

　　V固—多孔材料中固体骨架部分所占的体积，m3。

　　孔隙率的表达公式为：

　　εp = (V开+V闭) / (V固+V开+V闭)

　　εp—多孔材料的孔隙率，%；

　　V开—多孔颗粒开口孔隙所占的体积，m3，

　　V闭—多孔颗粒闭口孔隙所占的体积，m3。

　　V固—实心颗粒所占的体积或多孔颗粒固体骨架部分所占的体积，m3。

　　孔隙率又分为开口孔隙率和闭口孔隙率。

　　开口孔隙率是指多孔材料中开口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率，有时又指材料中能被水饱和（即被水所充满）的孔隙体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率；闭口孔隙率是指多孔材料中闭口孔隙的体积与材料在自然状态下的体积之比的百分率。两者的表达式为：

　　开口孔隙率= V开/ (V固+V开+V闭)

　　闭口孔隙率= V闭/ (V固+V开+V闭)

　　空隙率

　　空隙率（void fraction）是指散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒材料在自然状态下的体积之比的百分率。依据图1 2，多孔颗粒空隙率的表达公式为：

　　εB = (V空+V开)/ (V空+V固+V开+V闭)

　　实心颗粒空隙率的表达公式为：

　　εB =V空/ (V空+V固+V开+V闭)

　　εB—颗粒材料的空隙率，%；

　　V开—多孔颗粒开口孔隙所占的体积，m3，

　　V闭—多孔颗粒闭口孔隙所占的体积，m3。

　　V固—实心颗粒所占的体积或多孔颗粒固体骨架部分所占的体积，m3。

　　V空— 实心颗粒或多孔颗粒之间空隙所占的体积，m3。

　　实心颗粒空隙率与多孔颗粒空隙率的区别在于是否考虑了多孔颗粒内部的开口孔隙体积，由于实心颗粒为密实状态，没有内部孔隙，因此，其空隙率为颗粒之间的空隙与堆积体积之比的百分率，而多孔颗粒由于具有内部开口孔隙和闭口孔隙，其空隙率表现为颗粒之间的空隙体积与多孔颗粒内部的开口孔隙体积之和相对于堆积体积之比。

　　密度测量方法

　　表2 1各种密度测量原理及测量方法统计表

　　密度种类 真实密度 表观密度 体积密度 堆积密度

　　松装密度 振实密度

　　测量方法 气体置换法（排气法） 气体置换法（排气法） 汞置换法（排液法） 漏斗法 振动法

　　比重瓶法（排液法） 比重瓶法（排液法） 蜡封法（排液法） 振动漏斗法

　　浸渍法（排液法） 浸渍法（排液法） 斯柯特容量计法

　　悬吊法（排液法） 悬吊法（排液法）

　　测量原理 阿基米德原理 阿基米德原理 阿基米德原理

　　表2 2关于密度测量的相关标准对比表

　　序号 执行标准代号 标准中文名称 标准性质 测试原理

　　1 EJ/T 898-1994 二氧化铀粉末振实密度的测定 核工业标准 排水法

　　2 GB 5060-1985 金属粉末松装密度的测定第二部分斯柯特容量计法 国家标准 斯柯特容量计法

　　3 GB 6522-1986 氧化末松装密度的测定 国家标准 排水法

　　4 GB/T 1033.1-2008 塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分浸渍法、液体比重瓶法和滴定法 国家标准 排水法

　　5 GB/T 10799-2008 硬质泡沫塑料开孔和闭孔体积百分率的测定 国家标准 排气法

　　6 GB/T 13566.1-2008 肥料堆密度的测定第1部分：疏松堆密度 国家标准 排水法

　　7 GB/T 1479.1-2011 金属粉末松装密度的测定第1部分漏斗法 国家标准 排水法

　　8 GB/T 1479.2-2011 金属粉末松装密度的测定第2部分：斯柯特容量计法 国家标准 排水法

　　9 GB/T 粉尘物性试验方法 国家标准 排水法

　　10 GB/T 1713-2008 颜料密度的测定比重瓶法 国家标准 排水法

　　11 GB/T 18856 GB/T 18856《水煤浆试验方法》分为7个部分，本部分为GB/T 18856的第6部分。代替GB/T 18856.9-2002《水煤浆质量试验方法 第9部分：水煤浆密度测定方法》 国家标准 排水法

　　12 GB/T 208-94 水泥密度测定方法 国家标准 排水法

　　13 GB/T 21354-2008 粉末产品振实密度测定通用方法 国家标准 排水法

　　14 GB/T 217-2008 煤的真相对密度测定方法 国家标准 排水法

　　15 GB/T 23561.2-2009 煤和岩石物理力学性质测定方法第2部分：煤和岩石真密度测定方法 国家标准 排水法

　　16 GB/T 23652-2009 塑料均聚和共聚树脂振实表观密度的测定 国家标准 排水法

　　17 GB/T 24203-2009 炭素材料真密度、真气孔率测定方法煮沸法 国家标准 排水法

　　18 GB/T 24528-2009 炭素材料体积密度测定方法 国家标准 排水法

　　全自动真密度仪原理

　　应用阿基米德原理—气体膨胀置换法，利用小分子直径的惰性气体（He）在一定条件下的玻义尔-马略特定律（PV=nRT），通过测定由于样品测试腔放入样品所引起的样品测试腔气体容量的减少来测定样品的真实体积，从而得到其真密度，真密度=质量/真实体积。

　　图3 1真密度仪工艺原理流程图

　　气体膨胀置换法是以气体取代液体测定样品所排出的体积。此法排除了浸液法对样品溶解的可能性，具有不损坏样品的优点。因为气体能深入样品中极小的孔隙和表面的不规则空陷，因此测出的样品体积更接近样品的真实体积，从而可以用来计算样品的密度，测试值也更接近样品的真实密度。

　　仪器的测试系统由样品测试腔和基准腔构成。测定样品真密度时，仪器自动采集基准腔的压力P1及体积V1并记录；将一定未知体积的样品V样品放入已知体积V2的样品测试腔，向样品测试腔注入一定量的气体并记录稳定后的压力P2；将样品测试腔与基准腔连通并记录稳定后的压力P3，根据平衡稳定后的压力值和相关已知的体积V1、V2即可计算出待测的样品体积V样品，再由样品的质量和体积计算出样品的真密度。

　　图3 2 ZKZMD-10全自动真密度分析仪

　　图3 3 UAE/PH-TD-TNS010全自动真密度分析仪运行界面图

　　仪器参数

　　表4 1UAE/PH-TD-TNS010全自动真密度分析仪参数表

　　序号 参数项目 技术参数/指标 备注

　　1 测试原理 阿基米德原理（气体置换法）

　　2 测试精度 优于5‰

　　3 重复性 相对标准误差0.1～0.3% 多次测量样本

　　4 测试分辨率 0.01mL

　　5 减压阀 154N-050A-C 美国进口品牌

　　6 电磁阀 CFVB25-Z-O-B2C-3 日本进口品牌

　　7 样品池体积 10mL 可盛放10mL±0.2mL的样品

　　8 测试时间 ～4min/次 可根据用户需要更改脚本中的次数选项

　　9 输入电压 交流220V/50Hz

　　10 额定功率 28W

　　11 外观尺寸 410mm×320mm×155mm

　　12 重量 4.6 kg

　　13 工作压力 1.3 bar 压力

　　14 压力 2.0 bar 压力

　　15 分析气体 He/N2 推荐氦气，若用氮气请告知

　　16 输入方式 触摸屏手写输入

　　17 数据输出 过程记录+U盘数据储存

　　阻力控制 调压阀 调压阀 技术

　　粉尘过滤 烧结金属 烧结金属 技术

　　数据通讯与控制 串口+控制卡，200ms 串口，200ms 并口，1~2ms

　　传感器信号 多次放大 多次放大 直接将模拟信号转为数字信号

　　数据处理软件算法 均值法 均值法 中值法、均值法

　　阀门连接方式 预处理仍为螺纹式 螺纹式 座装式，减少了漏气点

　　生产方式 批量 批量 定制