空氣浮力對砝碼測量的影響 超市的計價秤、金銀首飾店的天平、收費站的汽車衡、行李秤、嬰兒秤、郵政秤……我們的日常生活幾乎每天都和天平、秤有所交集。衡量天平和秤是否準(zhǔn)確公平,都離不開砝碼。根據(jù)不同準(zhǔn)確度衡器計量需求的不同,砝碼的準(zhǔn)確度也有不同的等級。不同等級的砝碼在量值傳遞過程中,除了砝碼自身精確測量,還會受空氣浮力的等外在因素的影響,中國計量院力聲所質(zhì)量實驗室正致力于空氣浮力修正的研究,確保量值傳遞準(zhǔn)確可靠。 “在現(xiàn)代科學(xué)研究和精準(zhǔn)測量中,質(zhì)量測量的精度要求很高,有些已達到微克數(shù)量級",質(zhì)量實驗室主任王健用了個形象的比喻來說明“微克"到底有多重,“一根在空氣中漂浮著的細小絨毛的質(zhì)量大約為15微克,我們測量1千克物體的精度,相當(dāng)于測量一架空客A320質(zhì)量時精確到4只蚊子的體重。" 王健介紹說,砝碼在空氣中進行質(zhì)量測量和進行質(zhì)量量值傳遞時,其實測量儀器上的測量示值并不能正確反映被測砝碼的真實質(zhì)量?!耙驗闃?biāo)準(zhǔn)砝碼與被測砝碼質(zhì)量之間都會受到空氣浮力的影響",因此,在質(zhì)量量值傳遞過程中需要對被測砝碼的空氣浮力進行修正??諝饷芏群臀矬w體積是空氣浮力修正的主要參量,對質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)確度起到了至關(guān)重要的作用。為此,一些先進國家已建立了相應(yīng)的空氣密度測量系統(tǒng)和砝碼體積測量系統(tǒng)。 而我國計量技術(shù)機構(gòu)在進行質(zhì)量量值傳遞時,確定空氣密度通常采用查表法。查表法所使用的空氣密度表完成于上世紀(jì)70年代,當(dāng)時全國質(zhì)量專業(yè)的研究人員攜帶著儀器設(shè)備到全國的很多地區(qū)進行實地測量,通過大量數(shù)據(jù)的積累、計算,合力編寫出了這一被廣泛使用的全國部分地區(qū)的月平均空氣密度表,為需要進行空氣浮力修正的測量提供了有利的技術(shù)依據(jù)。但是40多年來,大氣環(huán)境發(fā)生了巨大改變,空氣密度計算公式也因為技術(shù)法規(guī)的重新修訂而改變。為了滿足相關(guān)計量和科研工作對實驗準(zhǔn)確度的要求,急需對全國各主要地區(qū)的空氣密度進行實時測量。 在砝碼體積測量方面,我國計量技術(shù)機構(gòu)通常采用的液體靜力法。這個方法以液體密度為基準(zhǔn),將被測砝碼放置于液體中進行測量,并計算其體積,操作程序繁瑣,而且液體會對被測砝碼體本身造成污染,影響其質(zhì)量量值傳遞的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。此外,由于液體靜力法本身的缺陷,目前還無法對帶有調(diào)整腔的砝碼測量體積。 為確保空氣浮力修正的準(zhǔn)確性,提升我國質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)確度,必須準(zhǔn)確測量空氣密度、被測質(zhì)量體積和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體積。王健課題組經(jīng)過4年的努力,研制了具有比國外同類裝置具有更高準(zhǔn)確度和量程范圍的空氣密度測量系統(tǒng)和砝碼體積測量系統(tǒng),并通過了質(zhì)檢總局組織的專家鑒定。系統(tǒng)可準(zhǔn)確測量空氣密度、被測質(zhì)量體積和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體積,確??諝飧×π拚臏?zhǔn)確可靠,大幅提升質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)確度。 圖1:空氣密度測量系統(tǒng) 尺寸與筆記本電腦差不多、厚度相當(dāng)于3臺筆記本電腦摞起的高度,再和一臺計算機相連,如果不是王健在一旁介紹,真的難以將這個外觀簡單得出人意料的設(shè)備和空氣密度測量系統(tǒng)相聯(lián)系。這一系統(tǒng)采用集成化設(shè)計,在國際上通過對被測質(zhì)量周圍環(huán)境參量,如溫度、濕度、大氣壓力、二氧化碳含量等的同步實時測量,實現(xiàn)對空氣密度的實時測量和修正,不確定度Urel=7.2?10-4(k=2)。與國內(nèi)同類裝置相比,該測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度大幅提升;和國際計量局等國外同類設(shè)備相比,體積小巧,檢測校準(zhǔn)更為快捷方便,此外還具有長期數(shù)據(jù)存儲、圖形化分析、傳感器實時校準(zhǔn)等功能,技術(shù)功能達到水平。 圖2:聲學(xué)法體積測量系統(tǒng) 4個大小不一的圓柱狀的聲學(xué)耦合腔,加上信號發(fā)生器、傳聲器、功率放大器、信號采集系統(tǒng)就是課題組研制的聲學(xué)法體積測量系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不再需要將砝碼浸入液體中進行體積測量,測量過程快速、無污染,測量一個砝碼體積的時間由原來的半小時縮減到6分鐘,測量結(jié)果準(zhǔn)確,同時可測量帶有調(diào)整腔的砝碼體積,應(yīng)用范圍廣泛。值得一提的是,這一系統(tǒng)國際上20kg砝碼聲學(xué)法體積測量的空白,擴展了砝碼體積測量的手段和量程范圍,測量范圍及準(zhǔn)確度等指標(biāo)達到水平。" 目前,空氣密度測量系統(tǒng)和聲學(xué)法體積測量系統(tǒng)已在全國多家省級計量部門及衡器企業(yè)中得到廣泛的使用。隨著這套質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)空氣浮力修正系統(tǒng)的進一步推廣應(yīng)用,將為高準(zhǔn)確度的質(zhì)量測量提供準(zhǔn)確的空氣浮力修正參數(shù),為我國質(zhì)量及相關(guān)量的高準(zhǔn)確度量值傳遞提供了技術(shù)保障。
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