螺旋型體積測微器

廖 磊 肖玉 劉陽明

昆明十二中學

指導教師：楊 昆 劉 謙 段金才

一、課題的產生

上初二物理課的時候，我們學到了液體和固體的體積測量、密度測量，測量工具是量杯和量筒，給我們留下深刻印象的是測量精確度不高。50毫升（ml）量筒的最小刻度值是1ml，精確度只能達到1ml；10ml量筒的最小刻度值是0.2ml，精確度只能達到0.2ml（如圖1所示）。另外，筒內液面呈現彎月形狀（如圖2所示），造成讀數困難，并產生較大誤差。特別是無色和淺色液體讀數時，測出的數值相對誤差達到2%～6%。應用“二次讀數法”測量固體體積時相對誤差可達到5%～15%。

圖1

圖2

圖3

二、目前的技術狀況

我們又從化學老師那里了解到“滴定管”測量液體體積精確度較高，滴定管是化學測定滴定分析時能準確測量溶液體積的量器。常量分析用的滴定管，總容量一般是25ml或50ml，最小刻度0.1ml。微量分析用的滴定管（不太常見），總容量一般是2ml或5ml，最小刻度0.02ml或0.05ml毫升，最高精確度能達到0.02ml。但滴定管（內徑很?。┲荒軠y量液體的體積，而不能測量固體的體積。

有沒有一種高精確度的液體、固體體積測量工具呢？隨后我們在互聯網上作了調查，又通過專利檢索作了查詢。我們了解到，在化學測定滴定分析，進行物質分析、鑒別，以及在醫學上比較離體組織的生物學活性、手術（如鼻甲、息肉、腺樣體切除術等）與臨床癥狀間的關系時，都需要一種可精確測量少量液體和小塊物體體積的方法，以及相應的體積測量儀器?？梢?，精確的液體、固體體積測量是十分必要的。

從專利文獻“實用新型”發明中檢索到一種微體積測量儀，說明書中介紹到：“它包括顯微鏡、刻度盤、玻璃測管、標記物、照明燈及電源開關?？潭缺P安裝在微調旋鈕上，玻璃測管裝在載物臺上，照明燈裝在玻璃測管下方，標記物置于玻璃測管之液面上?！睆闹锌煽吹?，這一測量儀結構比較復雜，不利于推廣應用。

三、發明設計的目標

液體、固體體積的測量本就不太方便，精確測量更加困難。工農業生產、科研部門和大專院校經常需要對液體、固體進行體積測量，特別是高精確度的測量。本發明的目的是提供一種操作比較簡單，便于推廣應用的高精確度液體、固體體積測量工具及液體量取工具。設計目標是精確度能達到0.01ml～0.001ml（不同規格）。具體目標：1.能方便準確地量取一定體積的液體；2.能方便準確地對液體、固體物質進行體積測量（如對金、銀、珠寶、玉石等進行分析、鑒別等）。具有性能穩定、精確度高、實用性強等特點。

四、思路和方案

醫用注射器可以作為一種液體體積測量工具，也能作為液體量取工具，它由活塞在儲液筒（圓柱體）里移動的距離（位置）確定體積，刻度數值標注在儲液筒上，測量精確度由儲液筒的內直徑及最小刻度所決定，較小規格的注射器，如2ml的測量精確度只能達到0.1ml（如圖3所示）。

圖4

圖5

圖6

在長度的測量中，我們知道除常用的刻度尺外，還有游標卡尺和螺旋測微器，而螺旋測微器（如圖4所示）的測量精確度要高得多。

測量長度的螺旋測微器的測量精確度能達到0.01mm，它巧妙的測量原理深深地吸引著我們。體積V與長度L有聯系嗎？寫成數學公式為：V=SL。如果確定了圓柱體的橫截面積S，通過測量圓柱體的長度，就可間接測出圓柱體的體積。所以，通過測量注射器儲液筒內的液柱長度L，或者儲液筒內活塞移動的距離L，就能間接測出體積V。

于是，我們決定用類似注射器的圓柱形容器儲液，用螺旋測微器的螺旋讀數原理（如圖5、圖6所示）來測量液體、固體物質的體積。把原來螺旋測微器標注長度的刻度改為標注體積，數值的讀取方法不變。定名為螺旋型體積測微器。

設計方案（見下表）：

螺旋型體積測微器設計為5種規格。儲液筒為圓柱體，設計參數有規格（總容量）、儲液筒內直徑D、儲液筒內橫截面積S、儲液筒有效長度L、刻度最小分度值、固體投放口直徑d、螺套螺桿的螺距、最小固定刻度等。模型如圖5、圖7、圖9所示。

以規格2ml的螺旋型體積測微器為例，設計儲液筒內橫截面積S=1.000cm2，S=πR2，則儲液筒內直徑D=2R=1.128cm；當螺桿一端的活塞向左或右在儲液筒里移動0.1cm時，儲液筒內體積改變V=SL=1×0.1=0.1ml，螺旋型體積測微器可動刻度上讀取的數值可精確到0.001ml，估計值為0.0001ml。

Machinery System Design Conforming to Safe Return to Port Rules for Passenger Ships……………LIU Yunpeng， HE Huibin， SHAO Jianlian(2·38)

螺旋型體積測微器參數設計表

圖7

圖8

圖9

五、結構與技術原理

注射器吸取液體是由活塞的推拉動作完成。注射器測量液體體積精確度不高，主要原因是：1.與普通刻度尺一樣，最小刻度標注受到限制；2.活塞在手動推拉下不可能做到微量控制。

若把注射器與測量長度的螺旋測微器合二為一，具體方案是把類似注射器的儲液筒固定在螺旋測微器的固定端（左）上，螺旋型體積測微器的儲液筒一端安裝有針頭，螺旋測微器的螺桿的一端安裝有一個活塞，活塞旋到零刻度處儲液筒內體積為零。要抽取被測液體時，旋轉螺桿，活塞后退，液體從儲液筒的針頭進入儲液筒，使針頭上揚，排出可能存在的氣泡，就可讀取被測液體體積了。

數值的讀取方法與原螺旋測微器相同，由固定刻度數值加可動刻度數值組成。測量示例：以規格2ml為例，如圖8所示，測得體積為0.2780ml。

為了能夠測量固體的體積，在儲液筒的末端開有一個圓形的固體投放口，被測固體由此放入儲液筒內?；钊c螺桿的連接有兩種方式，一種是活塞固定在螺桿的末端，另一種是活塞通過軸承或軸套與螺桿連接，后一種連接方式的特點是螺桿轉動而活塞不轉動，活塞在儲液筒里只做前進和后退的移動，如圖9、圖10所示。儲液筒、活塞的材料可選用玻璃，也可選用透明的工程塑料。

為了讀數和制造的方便，設計如下：1.規格2ml～10ml的螺桿螺距設計為0.5mm，固定刻度最小分度為1mm，可動刻度為50分度，活塞移動1mm，儲液筒內體積改變0.1ml，可動刻度顯示數值可估計到0.0001ml。2.規格20ml～50ml的螺桿螺距設計為1.0mm，固定刻度最小分度為2mm，可動刻度為50分度，活塞移動2mm，儲液筒內體積改變1.0ml，可動刻度顯示數值可估計到0.001ml。

六、使用方法

（一）液體體積的測量（以水為例）

把針頭插入水中（非被測水），后移（旋退）螺桿活塞吸入少量水。前移（旋進）螺桿使活塞移到固定刻度的0刻度處，排出儲液筒內的水，這時儲液筒前端與活塞之間的微小空間被水填滿（這樣做是為了減小系統誤差），再把針頭插入被測水中，后移（旋退）螺桿活塞完全吸入被測水。使針頭上揚，針頭部位抬高，前移（旋進）螺桿排出儲液筒內可能出現的氣泡，當針頭頂端剛好出現小液珠時，讀取該液體體積數值V（如圖10、圖11所示）。

（二）固體體積的測量（采用二次讀數法，媒介液體以水為例）

把針頭插入水中，后移（旋退）活塞吸入適量水。使針頭上揚，前移（旋進）活塞排出儲液筒內可能出現的氣泡，當看到針頭頂端剛好出現小液珠時，讀取該液體體積數值V1。再后移（旋退）活塞至儲液筒的固體投放口露出，把被測固體放入儲液筒里，前移（旋進）活塞至固體投放口封閉，然后使針頭上揚，仔細排出儲液筒內的氣體，當看到針頭處剛好出現小液珠時，讀取固、液總體積V2，V2-V1就是被測固體的體積，即V固=V2-V1。

（三）一定體積液體的量取

把針頭插入待量液體中，后移（旋退）活塞吸入液體。使吸入液體的體積略大于需要體積，使針頭上揚，前移（旋進）活塞移到需要體積處，排出儲液筒內可能出現的氣泡和多余的液體。完成一定體積液體的量取后。排出儲液筒內的液體到所需容器里，再后移（旋退）活塞少許，吸入少量空氣，使針頭向下，由吸入的空氣排出儲液筒與活塞之間的微小空間內的液體到同一容器里。

圖10

圖11

圖12

七、發明特點

螺旋型體積測微器的創新點是：

1.采用類似注射器的容器（儲液筒）作為測量液體、固體體積的容器，利用螺旋測微器原理讀數，完成讀數的轉移。

2.儲液筒的一側開有一個圓形固體投放口，被測固體由固體投放口放入和取出。

3.體積數值地讀取采用螺旋測微讀數完成，不再由液面位置讀數，避免了彎月面讀數帶來的誤差。

4.液體的抽取和排出使用儲液筒上的針頭?；钊囊苿硬捎寐輻U轉動帶動進退，能做到細微控制，實現高精確測量。

5.容器壁不會殘留液滴，為高精確度測量提供了保證。

螺旋型體積測微器是一種操作比較簡單、結構合理、性能可靠、測量精確度高的液體、固體體積測量儀器及液體量具。該量具可廣泛應用于中學、中等專業學校、高校、科研和生產部門等地，是理想的體積測量儀器和液體精確量具。