有關(guān)于測準(zhǔn)砝碼的空氣浮力

  超市的計(jì)價(jià)秤、金銀首飾店的天平、收費(fèi)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(jì)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(huì)受空氣浮力的等外在因素的影響，中國計(jì)量院力聲所質(zhì)量實(shí)驗(yàn)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(dá)到微克數(shù)量級"，質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室主任王健用了個(gè)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(xì)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(shí)精確到4只蚊子的體重。"

    王健介紹說，砝碼在空氣中進(jìn)行質(zhì)量測量和進(jìn)行質(zhì)量量值傳遞時(shí)，其實(shí)測量儀器上的測量示值并不能正確反映被測砝碼的真實(shí)質(zhì)量。“因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)砝碼與被測砝碼質(zhì)量之間都會(huì)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(jìn)行修正。空氣密度和物體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(jìn)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(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行質(zhì)量量值傳遞時(shí)，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(shí)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(jìn)行實(shí)地測量，通過大量數(shù)據(jù)的積累、計(jì)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(jìn)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(jì)算公式也因?yàn)榧夹g(shù)法規(guī)的重新修訂而改變。為了滿足相關(guān)計(jì)量和科研工作對實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的要求，急需對全國各主要地區(qū)的空氣密度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

    在砝碼體積測量方面，我國計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)通常采用的液體靜力法。這個(gè)方法以液體密度為基準(zhǔn)，將被測砝碼放置于液體中進(jìn)行測量，并計(jì)算其體積，操作程序繁瑣，而且液體會(huì)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，確保空氣浮力修正的準(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(jì)算機(jī)相連，如果不是王健在一旁介紹，真的難以將這個(gè)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(jì)，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(shí)時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)對空氣密度的實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)時(shí)校準(zhǔn)等功能，技術(shù)功能達(dá)到水平。

圖2：聲學(xué)法體積測量系統(tǒng)

    4個(gè)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(gè)系統(tǒng)不再需要將砝碼浸入液體中進(jìn)行體積測量，測量過程快速、無污染，測量一個(gè)砝碼體積的時(shí)間由原來的半小時(shí)縮減到6分鐘，測量結(jié)果準(zhǔn)確，同時(shí)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)“上20kg砝碼聲學(xué)法體積測量的空白，擴(kuò)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(dá)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(jì)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(jìn)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。