[0001] 技术领域
[0002] 本实用新型涉及一种线性刻度比重秤(或
密度)，具体地说是一种能直接称量出任意类型、任意体积及任意形状的非
水溶性固体的比重秤。
[0003] 背景技术
[0004] 一般情况下，在测取固体的比重时都是先利用称重设备，如
电子秤等，称出被测固体的重量，再利用量杯测量出固体的体积，而后利用公式“物体的比重＝物体的重量÷物体的体积”来计算出固体的比重。此种方法由于涉及到测量固体的重量、体积及计算公式，测量过程比较繁琐、复杂，除实验人员及学校做实验时在测取固体的比重时要使用这些方法外，寻常百姓家很少使用。
[0005] 当前市面上的比重秤，一般由电子式称重部件、测量固体体积的量杯、读取量杯数值的光电部件及与以上部件有电气联系的运算单元组成。其测量原理是在同一个设备上分别或者同时测量出被测固体的重量和体积，而后利用与设备一体的运算部件按事先编制好的程序根据固体的比重公式算出固体的比重，所以严格地讲应该是比重计算秤。这种比重计算秤不是直接称量出固体的比重，并且结构复杂、价格昂贵。
[0007] 本实用新型针对上述
现有技术的不足，提供一种结构简单、可直接称量出任何
块状非
水溶性固体比重的线性刻度比重秤。
[0008] 按照本实用新型提供的技术方案，一种线性刻度比重秤，包括
支点及秤杆，其特征是所述秤杆
支撑在支点上；所述支点固定在支撑座上；所述支点左侧的秤杆上设置有
配重及物体悬索装置，所述秤杆上刻有刻度尺；所述配重可在秤杆上其所在
位置附近左右微调；所述支点右侧的秤杆上悬挂有小水杯，称量前小水杯放置在大水杯的
槽口的正下方。
[0009] 所述秤杆可以做成空心的，秤杆内靠支点的右侧镶嵌一只滑线变阻器；所述滑线变阻器的两个固定端分别设置于支点右侧最大比重刻度值处及所述支点处；所述滑线变阻器的滑动触头与所述物体悬索装置的悬索相连，滑线变阻器的滑动触头与所述支点处的固定端之间与直流电源及数字直流
电流表组成
电路回路。
[0010] 所述秤杆采用不锈
钢金属材料或木材制作；所述秤杆上支点所在位置到支点左侧被称量固体的悬挂点之间的距离为L，L为固定值，L距离为1cm～4cm；所述秤杆右侧与秤杆上支点所在位置之间的距离为L1处的秤杆上的比重刻度值γ＝L1÷L，其中L1为非固定值，L1的距离为1cm～60cm，相应的比重刻度值γ为1g/cm3～20g/cm3。
[0011] 所述支点采用耐磨的硬质
合金制作，由固定在秤杆上、形状为三棱柱形的刀口与固定在支撑座上的“一字型”凹槽组成。
[0012] 所述小水杯为圆柱形或多棱柱形；所述小水杯采用塑料制作；所述小水杯的悬挂绳索用塑料细绳制作。
[0013] 所述大水杯采用透明材料工程塑料制作；所述大水杯为圆柱形或多棱柱形，杯口顶部开有一个低于杯沿的槽口；所述槽口最高点及杯口四周刻一圈水平线。
[0014] 所述支点的两侧设置有限位环；所述秤杆穿过所述限位环；所述限位环固定在所述支撑座的顶部。所述支撑座用金属材料制作。
[0015] 所述秤杆上设置有与秤杆垂直并且一端固定在秤杆上支点位置处的秤杆水平度
指针，所述秤杆水平度指针的带刻度的指示牌固定在所述支撑座上。
[0016] 所述物体悬索装置采用悬索网袋；所述悬索网袋采用细绳制作。
[0017] 本实用新型与已有技术相比具有以下优点：
[0018] 本实用新型结构简单、紧凑，功能集中，不需要知道被测固体的重量及体积的具体值、不需要通过计算即可直接称出这种固体的比重。测量原理简单、装置实用性强，是杠杆原理与阿基米德原理的直接体现；可广泛用于中小学学校实验室及寻常百姓家庭。
[0020] 图1是本实用新型的第一种
实施例的结构示意图。
[0021] 图2是本实用新型的第二种实施例的结构示意图。
[0022] 图3是本实用新型中的支撑座及限位环的侧视图。
[0023] 图4是本实用新型中的大水杯的主视图。
[0024] 图5是本实用新型中的大水杯的侧视图。
[0025] 图6是本实用新型的第一种实施例的比重显示电路原理图。
[0026] 具体实施方式
[0027] 下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0028] 如图1～图6所示，包括秤杆1，滑线变阻器2，数字直流电流表3，支点4，支撑座5，限位环6，配重7，小水杯8，物体悬索装置9，秤杆水平度指针10，大水杯11等。
[0029] 如图2所示的是线性刻度比重秤，包括支点4及秤杆1，秤杆1支撑在支点4上。支点4固定在支撑座5上，支点4左侧的秤杆1上设置有配重7及物体悬索装置9，支点4右侧的秤杆1上悬挂有小水杯8，称量前小水杯8放置在大水杯11的槽口的正下方以接住当固体放入大水杯中时大水杯内溢出的水。所述秤杆1上刻有刻度尺12。
[0030] 为确保比重秤的长期称量
精度及使用寿命，支点4选用具有
耐磨性的硬质合金制作，由固定在秤杆1上、形状为三棱柱形的刀口与固定在支撑座5上的“一字型”凹槽组成。
[0031] 所述秤杆1采用
不锈钢等金属材料或优质木材制作。其目的是为了确保秤杆1的笔直、耐
腐蚀性及尽量减少因环境
温度的变化而造成的热胀冷缩，延长使用寿命。
[0032] 所述支撑座5用
铝材等金属材料制作，其底部较宽。这样的支撑座具有足够的支撑强度，底部较宽使其有一个较重的底盘以保证整体在称量过程中的
稳定性。
[0033] 所述配重7可在秤杆1上其所在位置附近左右微调，以便于在称量固体的比重前可沿秤杆1进行向左或向右的微调以使支点4两侧的重物对支点4产生的
力矩达到平衡。
[0034] 所述小水杯8为圆柱形或多棱柱形，采用质地坚硬的超轻超薄的塑料制作，为保证比重秤的称量精度，其悬挂绳索用强度较高、没有吸水性的超轻塑料细绳制作，以免从杯中溢出的水
吸附在悬挂绳索上，从而确保比重秤的称量精度。为了适应不同大小的固体比重的称量，可配几个大小不同的小水杯8以便在称量体积小的固体时使用小尺寸的塑料小水杯8而称量较大体积的固体时用较大尺寸的小水杯8；相应的配重7也应配套提供。
[0035] 本实用新型还配有大水杯11，大水杯11采用透明工程塑料制作，可以从杯外观察杯内的水是否在放入被称量固体之前及放入过程中保持水平。大水杯11为圆柱形或多棱柱形，杯口顶部开有一个低于杯沿的槽口，使得被称量的固体放入大水杯11中时杯中的水不至于从杯口四周溢出，而是全部流入放置在其下方的小水杯8中，以确保称量精度。大水杯11的槽口最高点及杯口四周刻一圈水平线，以标示盛在杯内的水的水平度。
[0036] 所述秤杆1上的比重刻度尺的刻度用下述方法刻出：秤杆1上支点4所在位置到支点4左侧被称量固体的悬挂点之间的距离为L，L为固定值，为不至于使秤杆1过长，L可以在1cm～4cm范围内取值，如L＝3cm；秤杆1右侧与秤杆1上支点4所在位置之间的距离为L1处的秤杆1上的比重刻度值γ＝L1÷L，其中L1为非固定值，其范围由L的值与要称量的固体的最大比重确定，当L＝3cm、要称量的固体的最大比重γ＝20g/cm3时，L1的范围是0cm～60cm，相应的比重刻度值γ的范围是1g/cm3～20g/cm3。
[0037] 所述支点4的两侧设置有限位环6，秤杆1穿过所述限位环6。限位环6固定在支撑座5的顶部。限位环6的作用是限制秤杆1在称量过程中产生较大的摆动及位移，稳定称量操作。
[0038] 所述秤杆1上设置有与秤杆1垂直并且一端固定在秤杆1上支点4位置处的秤杆水平度指针10，所述秤杆水平度指针10的带刻度的指示牌(-5度～5度)固定在所述支撑座5上。
[0039] 所述物体悬索装置9采用有一定强度、耐水性强、重量很轻的细绳制作的悬索网袋，以确保固体比重称量装置的称量精度。
[0040] 如图1所示的是数显式线性刻度比重秤。其秤杆1是空心的，空心秤杆1内靠支点的右侧镶嵌一个滑线变阻器2，滑线变阻器2的两个固定端分别设置于支点右侧最大比重刻度值处及支点4处，滑线变阻器2的滑动触头与物体悬索装置9的悬索相连，滑线变阻器2的滑动触头与支点4处的固定端之间与直流电源及数字直流电流表3组成电路回路。数字直流电流表3固定在支撑座5上。数字直流电流表3选用电流值可调节的数字式直流电流表，其体积尽可能的小。滑线变阻器2采用较精密的锰
铜绕线变阻器，滑线变阻器2的
电阻圈的长度恰好等于从支点4到最大比重刻度值之间的长度，滑线变阻器2的滑动触头要尽可能的轻。除此之外，数显式线性刻度比重秤的其他装置部分的结构及功能与普通比重秤的完全相同。
[0041] 数显式线性刻度比重秤的比重显示电路电气原理图如图6所示。
[0042] 本实用新型线性刻度比重秤称量固体比重的原理是：
[0043] 在称量某一固体的比重前先把物体悬索装置9的网袋挂在秤杆1上支点4左侧的固
定位置，支点4右侧不悬挂任何物品，而后调整支点4左侧的配重7，使秤杆1的支点4两侧达到平衡；再把大水杯11倒满水并保持水平并把小水杯8放置在大水杯11的槽口的正下方，而后把被测固体放入物体悬索网袋内(假定被测固体的比重为γ、体积为V，则被测固体的重量为V×γ)并缓慢放入大水杯11直至被测固体全部浸没于水中，这时大水杯11中的水就会从其槽口处流入放在其正下方的小水杯8杯中，直至大水杯11内不再有水流入到小水杯8中；这样由于被测固体全部浸入盛满水的大水杯11中致使从大水杯11中流入到小水杯8中的水的体积与被测固体的体积完全相等，即流入到小水杯8中的水的体积为V(由于物体悬索袋是用极细的材质制作，其浸入水中后的体积可忽略不计)，假定水的比重为1g/cm3，则小水杯8中水的重量为1×V。而后把内有物体的悬索网袋从大水杯11中缓慢提出至杯外(注意提起物体时不要把水从杯中带出)并悬挂在比重秤秤杆1上的支点4左侧的固定位置上，假定这一位置与支点4间的距离为L；另外把内盛有水的小水杯8悬挂在秤杆1支点4的右侧(对数显式线性刻度比重秤而言则悬挂在比重秤的秤杆上的滑线变阻器2的滑动触头上)并调节其在秤杆1上的位置(对数显式线性刻度比重秤而言，则在调节小水杯8在秤杆1上的位置的同时滑线变阻器2的滑动触头的位置也发生变化)直至支点4左侧被称量固体对支点4的力矩与支点4右侧的小水杯8及杯中的水对支点4的力矩达到平衡(对数显式线性刻度比重秤而言，当支点4左右两侧对支点4的力矩达到平衡的同时滑线变阻器2的滑动触头的位置不再发生变化)从而秤杆1达到水平；假定被称量固体的重量为G，又假定小水杯8中水的重量与小水杯8的自重之和为G1，小水杯8悬挂在秤杆1上时其悬索(对数显式线性刻度比重秤而言也即滑动触头所在位置)与支点4间的距离为L1(对数显式线性刻度比重秤而言，滑线变阻器2从支点4到滑动触头之间的电阻阻值为R，相应的数字直流电流表3的显示值为I＝U÷R)，则根据杠杆平衡原理有：
[0044] G×L＝G1×L1
[0045] 假定小水杯8及其悬索均使用超轻材料制作，其重量与水杯中的水的重量相比较可忽略不计(具体称量时，为提高称量精度，也可在塑料小水杯8的悬索上挂一个充有一定氢气或氦气的小气球，其在空气中上浮的力可恰好抵消小水杯8及其悬索的微小重量)，则小水杯8中水的重量与小水杯8的重量的和约等于小水杯8中水的重量，从而有
[0046] V×γ×L≈V×1×L1
[0047] 即γ≈L1÷L
[0048] 对数显式线性刻度比重秤而言γ＝k×U÷R
[0049] ＝k×I
[0050] 其中I是数显式直流电流表的电流。上式中L是一个固定值，则固体的比重γ＝L1÷L＝k×I。这样，只要把L1的从长度的L到20L值代入γ＝L1÷L就可得到相应的数值是1g/cm3到20g/cm3比重值；表1即是γ与L1之间的对应关系(其中L＝3cm)。这样只要把秤杆1支点4的右侧与支点4之间相距L到20L的长度值用相应的比重值代替即可把比重值在秤杆1上直接标出，而称量固体的比重时当秤杆1支点4两侧达到平衡时塑料小水杯8的悬索被调节在什么位置，相应的位置上的比重刻度值即为该被测固体的比重(对数显式线性刻度比重秤的情况，则可以通过把数字直流电流表3上的显示值整定成相应的比重值的方法，使得数字直流电流表3上的显示值就与秤杆1上的刻度值完全一致)，在此，γ与L1之间的关系是线性关系，秤杆1上γ的刻度也是线性刻度。可见利用这种固体比重称量装置可以直接称出(而不是算出)固体的比重，而不需要知道这种固体的重量及体积的具体数值。
[0051] 表1 比重γ与长度L1的对应关系其中L＝3cm
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 据此表即可在线性刻度比重秤的秤杆1的相应长度上标注对应的比重值，表中特别标注了几种常见固体的比重与长度L1的对应值。
[0056] 制作线性刻度比重秤的秤杆1时，秤杆1支点4左侧的配重7到支点4的大致距离应尽可能短且应保留足够的左右微调的余量，配重7的选取原则是：线性刻度比重秤的支点4左右两侧不挂重物时可以通过微调配重7到支点4之间的距离使线性刻度比重秤的支点4两侧达到平衡。支点4左侧的被测固体的悬挂点到支点4的长度L约为固定值3cm，支点4右侧小水杯8的悬挂点到支点4之间的距离L1由被称量固体的比重决定；当线性刻度比重秤支点4左侧支点4到被测固体的悬挂点之间的距离L在秤杆1上确定下来后，就可以以L为长度单位，在秤杆1右侧与支点4的距离分别是1L、2L、3L、……、20L的位置处用激光分别刻上相应的比重值1、2、3、……、20(或按表1中比重γ与长度L1的对应关系进行刻度)，必要时可用称量的方法对一些已知其比重的特殊金属(如金、
银等)的比重进行实际称量，称量时当秤杆1支点两侧平衡后支点4右侧的塑料小水杯8的悬索所在的位置即是这种特殊金属的比重，这样就可完善线性刻度比重秤的秤杆1的制作。
