煤炭真密度仪

煤炭真密度仪

技术背景知识

煤炭真密度仪-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。

(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。

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。

由公式可以看出，对于多孔材料单个颗粒而言，真密度是扣除开口孔隙和闭口孔隙体积后由物质骨架部分所占体积的质量，即材料在无孔状态下的密度。对催化剂又称骨架密度，它是单位体积催化剂骨架或固体部分(不包括颗粒之间间隙及颗粒内微孔体积)的质量。

表观密度

表观密度（apparent density）又称视密度，是指多孔材料固体的质量与表观体积之比，表观体积是材料固体骨架部分所占体积加闭口孔隙所占体积，此体积即材料排开水的体积，其表达公式为：

ρa = m / (V固+V闭)

ρa—多孔材料的真密度，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，

V闭—多孔材料中闭口孔隙所占的体积，m3。

ρp—多孔材料的体积密度，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，

V开—多孔材料中开口孔隙所占的体积，m3，

V闭—多孔材料中闭口孔隙所占的体积，m3。

堆积密度

堆积密度又称填充密度（bulk density），是散粒材料在规定装填条件下单位体积的质量，因装填条件不同又分为松装密度和振实密度。图1 2为实心颗粒和多孔颗粒在装填状态下的体积示意图，其表达公式为：

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空— 实心颗粒或多孔颗粒之间空隙所占的体积，m3。

1—固体  2—闭口孔隙  3—开口孔隙  4—粒间空隙

图1 2实心颗粒与多孔颗粒填充状态下体积示意图

对于同种物质，颗粒大小相同情况下，实心颗粒的堆积密度大于多孔颗粒的堆积密度，因为两者占用的空间体积相同，但是质量不同，如同一个体积相同的铁球和空心铁球一样。多孔颗粒内部由于具有开口孔隙和闭口孔隙，导致其不“密实"。

图1 3各种密度对应体积对比图

孔隙率

孔隙率（porosity）是指多孔材料中孔隙体积与自然状态下的体积之比的百分率。此处的孔隙体积是指多孔材料内部的开口孔隙和闭口孔隙，即针对材料内部孔、洞而言，不涉及颗粒或粉末材料之间的空隙，区别在于内部“孔"和粒间“空"。孔隙率的表达公式为：

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。

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。

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精确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绝对压力

14最大压力2.0 bar绝对压力

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

功能简介

表5 1全自动真密度分析仪可以测定的物理参数列表

序号参数项目处理工艺备注

1材料体积块状

2真密度粉末磨成小于63um的粉末

3表观密度块状

4体积密度蜡封

5显气孔隙率蜡封、块状、粉末

6闭口孔隙率块状、粉末

7真气孔率蜡封、块状、粉末

8体积变化在线测定体积变化水泥水化过程体积变化

与国外产品技术对比分析

表2与国际技术对比表

项目美国Micrometics美国Quantachrome本产品

气体通道模块一体化，200×200×100mm管路连接式600×600×300mm一体化模块

150×120×80mm

参比腔与测量腔分离式分离式一体式

气体温度控制无无有（高精版）

压强控制反复进出式反复进出式前馈补偿式

定点控制精度200Pa以上@2bar300Pa以上@2bar±10Pa @2bar

测温精度外挂，±1℃;反应慢，20s以上外挂，±1℃；反应慢，20s以上内嵌，±0.1℃；反应快，2~3s以上

体积标定球，误差较小空管，误差大圆柱，误差小

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

全自动真密度仪产品优点

(1) 集成式模块：电磁阀、传感器、样品池采用一体化设计，减少死体积，结构紧凑，密封性好；

(2) 温场均匀技术：采用无管路模块化设计，环境温度与模块温度保持平衡，气体温场均匀；

(3) 智能算法：压力智能探测，流量控制稳定，最大限度减小外界气瓶压力波动的影响；

(4) 脚本设计：高级用户可根据测试需求更改脚本，自行设计操作流程；

(5) 打印功能：（TMS版）设计了测试结果输出功能，方便用户结果存档与数据备份，包括电子数据与文档数据；

(6) 流程指示：采用C语言开发的嵌入式软件，操作流程清晰，数据实时详尽；

(7) 24位采集精度：底层数据采集采用24位AD模块；

(8) 标样分析：可提供PVC、铝、铜材质进行密度标定；

(9) 科技外观：外观结构简洁流畅，造型新颖时尚，极富科技感。

应用领域

研究和质量控制：陶瓷、催化剂、滤材、核燃料、石油化工、土壤、肥料、炭黑、焦炭、纤维、矿物、制药、化妆品、水泥、粉末食品、干燥剂、粉末金属、离子交换树酯