螺旋型体积测微器

廖 磊 肖玉 刘阳明

昆明十二中学

指导教师：杨 昆 刘 谦 段金才

一、课题的产生

上初二物理课的时候，我们学到了液体和固体的体积测量、密度测量，测量工具是量杯和量筒，给我们留下深刻印象的是测量精确度不高。50毫升（ml）量筒的最小刻度值是1ml，精确度只能达到1ml；10ml量筒的最小刻度值是0.2ml，精确度只能达到0.2ml（如图1所示）。另外，筒内液面呈现弯月形状（如图2所示），造成读数困难，并产生较大误差。特别是无色和浅色液体读数时，测出的数值相对误差达到2%～6%。应用“二次读数法”测量固体体积时相对误差可达到5%～15%。

图1

图2

图3

二、目前的技术状况

我们又从化学老师那里了解到“滴定管”测量液体体积精确度较高，滴定管是化学测定滴定分析时能准确测量溶液体积的量器。常量分析用的滴定管，总容量一般是25ml或50ml，最小刻度0.1ml。微量分析用的滴定管（不太常见），总容量一般是2ml或5ml，最小刻度0.02ml或0.05ml毫升，最高精确度能达到0.02ml。但滴定管（内径很小）只能测量液体的体积，而不能测量固体的体积。

有没有一种高精确度的液体、固体体积测量工具呢？随后我们在互联网上作了调查，又通过专利检索作了查询。我们了解到，在化学测定滴定分析，进行物质分析、鉴别，以及在医学上比较离体组织的生物学活性、手术（如鼻甲、息肉、腺样体切除术等）与临床症状间的关系时，都需要一种可精确测量少量液体和小块物体体积的方法，以及相应的体积测量仪器。可见，精确的液体、固体体积测量是十分必要的。

从专利文献“实用新型”发明中检索到一种微体积测量仪，说明书中介绍到：“它包括显微镜、刻度盘、玻璃测管、标记物、照明灯及电源开关。刻度盘安装在微调旋钮上，玻璃测管装在载物台上，照明灯装在玻璃测管下方，标记物置于玻璃测管之液面上。”从中可看到，这一测量仪结构比较复杂，不利于推广应用。

三、发明设计的目标

液体、固体体积的测量本就不太方便，精确测量更加困难。工农业生产、科研部门和大专院校经常需要对液体、固体进行体积测量，特别是高精确度的测量。本发明的目的是提供一种操作比较简单，便于推广应用的高精确度液体、固体体积测量工具及液体量取工具。设计目标是精确度能达到0.01ml～0.001ml（不同规格）。具体目标：1.能方便准确地量取一定体积的液体；2.能方便准确地对液体、固体物质进行体积测量（如对金、银、珠宝、玉石等进行分析、鉴别等）。具有性能稳定、精确度高、实用性强等特点。

四、思路和方案

医用注射器可以作为一种液体体积测量工具，也能作为液体量取工具，它由活塞在储液筒（圆柱体）里移动的距离（位置）确定体积，刻度数值标注在储液筒上，测量精确度由储液筒的内直径及最小刻度所决定，较小规格的注射器，如2ml的测量精确度只能达到0.1ml（如图3所示）。

图4

图5

图6

在长度的测量中，我们知道除常用的刻度尺外，还有游标卡尺和螺旋测微器，而螺旋测微器（如图4所示）的测量精确度要高得多。

测量长度的螺旋测微器的测量精确度能达到0.01mm，它巧妙的测量原理深深地吸引着我们。体积V与长度L有联系吗？写成数学公式为：V=SL。如果确定了圆柱体的横截面积S，通过测量圆柱体的长度，就可间接测出圆柱体的体积。所以，通过测量注射器储液筒内的液柱长度L，或者储液筒内活塞移动的距离L，就能间接测出体积V。

于是，我们决定用类似注射器的圆柱形容器储液，用螺旋测微器的螺旋读数原理（如图5、图6所示）来测量液体、固体物质的体积。把原来螺旋测微器标注长度的刻度改为标注体积，数值的读取方法不变。定名为螺旋型体积测微器。

设计方案（见下表）：

螺旋型体积测微器设计为5种规格。储液筒为圆柱体，设计参数有规格（总容量）、储液筒内直径D、储液筒内横截面积S、储液筒有效长度L、刻度最小分度值、固体投放口直径d、螺套螺杆的螺距、最小固定刻度等。模型如图5、图7、图9所示。

以规格2ml的螺旋型体积测微器为例，设计储液筒内横截面积S=1.000cm2，S=πR2，则储液筒内直径D=2R=1.128cm；当螺杆一端的活塞向左或右在储液筒里移动0.1cm时，储液筒内体积改变V=SL=1×0.1=0.1ml，螺旋型体积测微器可动刻度上读取的数值可精确到0.001ml，估计值为0.0001ml。

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

螺旋型体积测微器参数设计表

图7

图8

图9

五、结构与技术原理

注射器吸取液体是由活塞的推拉动作完成。注射器测量液体体积精确度不高，主要原因是：1.与普通刻度尺一样，最小刻度标注受到限制；2.活塞在手动推拉下不可能做到微量控制。

若把注射器与测量长度的螺旋测微器合二为一，具体方案是把类似注射器的储液筒固定在螺旋测微器的固定端（左）上，螺旋型体积测微器的储液筒一端安装有针头，螺旋测微器的螺杆的一端安装有一个活塞，活塞旋到零刻度处储液筒内体积为零。要抽取被测液体时，旋转螺杆，活塞后退，液体从储液筒的针头进入储液筒，使针头上扬，排出可能存在的气泡，就可读取被测液体体积了。

数值的读取方法与原螺旋测微器相同，由固定刻度数值加可动刻度数值组成。测量示例：以规格2ml为例，如图8所示，测得体积为0.2780ml。

为了能够测量固体的体积，在储液筒的末端开有一个圆形的固体投放口，被测固体由此放入储液筒内。活塞与螺杆的连接有两种方式，一种是活塞固定在螺杆的末端，另一种是活塞通过轴承或轴套与螺杆连接，后一种连接方式的特点是螺杆转动而活塞不转动，活塞在储液筒里只做前进和后退的移动，如图9、图10所示。储液筒、活塞的材料可选用玻璃，也可选用透明的工程塑料。

为了读数和制造的方便，设计如下：1.规格2ml～10ml的螺杆螺距设计为0.5mm，固定刻度最小分度为1mm，可动刻度为50分度，活塞移动1mm，储液筒内体积改变0.1ml，可动刻度显示数值可估计到0.0001ml。2.规格20ml～50ml的螺杆螺距设计为1.0mm，固定刻度最小分度为2mm，可动刻度为50分度，活塞移动2mm，储液筒内体积改变1.0ml，可动刻度显示数值可估计到0.001ml。

六、使用方法

（一）液体体积的测量（以水为例）

把针头插入水中（非被测水），后移（旋退）螺杆活塞吸入少量水。前移（旋进）螺杆使活塞移到固定刻度的0刻度处，排出储液筒内的水，这时储液筒前端与活塞之间的微小空间被水填满（这样做是为了减小系统误差），再把针头插入被测水中，后移（旋退）螺杆活塞完全吸入被测水。使针头上扬，针头部位抬高，前移（旋进）螺杆排出储液筒内可能出现的气泡，当针头顶端刚好出现小液珠时，读取该液体体积数值V（如图10、图11所示）。

（二）固体体积的测量（采用二次读数法，媒介液体以水为例）

把针头插入水中，后移（旋退）活塞吸入适量水。使针头上扬，前移（旋进）活塞排出储液筒内可能出现的气泡，当看到针头顶端刚好出现小液珠时，读取该液体体积数值V1。再后移（旋退）活塞至储液筒的固体投放口露出，把被测固体放入储液筒里，前移（旋进）活塞至固体投放口封闭，然后使针头上扬，仔细排出储液筒内的气体，当看到针头处刚好出现小液珠时，读取固、液总体积V2，V2-V1就是被测固体的体积，即V固=V2-V1。

（三）一定体积液体的量取

把针头插入待量液体中，后移（旋退）活塞吸入液体。使吸入液体的体积略大于需要体积，使针头上扬，前移（旋进）活塞移到需要体积处，排出储液筒内可能出现的气泡和多余的液体。完成一定体积液体的量取后。排出储液筒内的液体到所需容器里，再后移（旋退）活塞少许，吸入少量空气，使针头向下，由吸入的空气排出储液筒与活塞之间的微小空间内的液体到同一容器里。

图10

图11

图12

七、发明特点

螺旋型体积测微器的创新点是：

1.采用类似注射器的容器（储液筒）作为测量液体、固体体积的容器，利用螺旋测微器原理读数，完成读数的转移。

2.储液筒的一侧开有一个圆形固体投放口，被测固体由固体投放口放入和取出。

3.体积数值地读取采用螺旋测微读数完成，不再由液面位置读数，避免了弯月面读数带来的误差。

4.液体的抽取和排出使用储液筒上的针头。活塞的移动采用螺杆转动带动进退，能做到细微控制，实现高精确测量。

5.容器壁不会残留液滴，为高精确度测量提供了保证。

螺旋型体积测微器是一种操作比较简单、结构合理、性能可靠、测量精确度高的液体、固体体积测量仪器及液体量具。该量具可广泛应用于中学、中等专业学校、高校、科研和生产部门等地，是理想的体积测量仪器和液体精确量具。