砝碼體積測(cè)量研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的探討 摘 要:體積是砝碼測(cè)量的重要因素之，現(xiàn)階段內(nèi)外的研究主要為液體靜力法和聲學(xué)法體積測(cè)量裝置。本文對(duì)砝碼體積測(cè)量研究現(xiàn)狀行總結(jié)分析，并探討了其發(fā)展趨勢(shì)。 1.概述
由于承載質(zhì)量量值的載體———砝碼的質(zhì)量測(cè)量是在空氣中行的，需要行空氣浮力的修正。根據(jù)阿基米德定理，需要知道被測(cè)砝碼的體積。建議 Ｒ111(2004 版)和我檢定規(guī)程 JJG99 －2006《砝碼》中規(guī)定，E 2 等級(jí) 20g 及以上砝碼必須行體積測(cè)量;F 1 等級(jí)的50g以上砝碼，在海拔 800 米以上的地區(qū)使用也需行體積測(cè)量，其余砝碼的體積值通過(guò)已測(cè)砝碼的體積值計(jì)算得到。長(zhǎng)期以來(lái)，質(zhì)量計(jì)量界對(duì)砝碼體積測(cè)量的研究主要集中在液體靜力法和聲學(xué)法體積測(cè)量裝置的研究上。 2.內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于質(zhì)量量值傳遞過(guò)程中砝碼體積參數(shù)的重要性，各個(gè)家的計(jì)量機(jī)構(gòu)，特別是發(fā)達(dá)家的計(jì)量機(jī)構(gòu)都極為重視體積測(cè)量的研究工作。對(duì)于在壓力條件下的體積測(cè)量系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，目前都于我。日本計(jì)量院(NMIJ)在 2000 年就已開(kāi)始研究在密封環(huán)境下行質(zhì)量量值傳遞。他們將自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)質(zhì)量測(cè)量裝置安裝在密封腔內(nèi)，使用干泵等裝置抽取腔體內(nèi)的氣體，使之達(dá)到定的氣壓值，在該氣壓值下行質(zhì)量量值的傳遞。腔體內(nèi)還裝有溫度傳感器和濕度傳感器，以對(duì)測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度行監(jiān)測(cè)。此外在65 kpa ～ 105kpa 的氣體壓力條件下行了質(zhì)量量值傳遞研究，并
步將這原理應(yīng)用到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積測(cè)量中。在溫度、濕度基本恒定的條件下，由于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間的差值隨氣的壓力變化而變化，利用這變化，可以測(cè)量出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積。日本 NMIJ 將這體積測(cè)量方式直推廣到 2 kg ～ 20 kg 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積測(cè)量中，建立了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體積測(cè)量系統(tǒng)。利用這套裝置(圖 1)，可以在行質(zhì)量量值測(cè)量傳遞的同時(shí)，完成質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積測(cè)量 學(xué)與賽多利斯公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)制造的 VD1005 體積質(zhì)量比較儀。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)砝碼的全自動(dòng)加卸載及體積測(cè)量，如圖 3 所示。而圖 4 中所示為 BIPM 使用的基于液體靜力法的體積測(cè)量裝置。
實(shí)現(xiàn)方式有兩種:*種是以液體密度為基準(zhǔn)的測(cè)量方法，被測(cè)砝碼在液體中所受到的浮力通過(guò)天平示
值顯示為質(zhì)量值，再除以測(cè)量使用液體的密度，計(jì)算出砝碼的體積值;二種是以固體密度為基準(zhǔn)的測(cè)量方法(見(jiàn)圖 6，METAS)，通過(guò)固體密度基準(zhǔn)測(cè)量液體的密度，在該液體中通過(guò)天平比較被測(cè)砝碼與固體密度基準(zhǔn)，計(jì)算得到體積差值。此方法與質(zhì)量的傳遞類(lèi)似。其中，基于固體密度基準(zhǔn)的體積測(cè)量，儀器設(shè)備及測(cè)量系統(tǒng)均為口，成本高，資金投入相當(dāng)可觀。因此，我絕部份的計(jì)量機(jī)構(gòu)目前采用的還是以水密度為基準(zhǔn)的砝碼體積測(cè)量方法。根據(jù)建議 OIML Ｒ111 和JJG90 －2006《砝碼》家計(jì)量檢定規(guī)程，對(duì)于 E 1 等級(jí)砝碼，體積測(cè)量范圍應(yīng)為 1 g ～50 kg，而我目前的砝碼體積測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍上限只能到達(dá) 20 kg。因此，我在砝碼體積測(cè)量范圍上存在不足。OIML Ｒ111 中推薦使用的另種砝碼體積測(cè)量方法是聲學(xué)原理實(shí)現(xiàn)砝碼體積的測(cè)量。聲學(xué)法砝碼體積測(cè)量是根據(jù)傳聲器傳聲、耦合腔聲壓耦合、揚(yáng)聲器振膜前后聲波相位相反等原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)質(zhì)量體積和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體
積的準(zhǔn)確測(cè)量的。
根據(jù)試驗(yàn)原理，聲學(xué)法體積測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳聲器、揚(yáng)聲器、參考體積金屬容器、被測(cè)體積金屬容器等組成。將揚(yáng)聲器安放在上下兩個(gè)密閉金屬容器的中間，兩個(gè)密閉腔體通過(guò)旁路管相連通，通過(guò)兩個(gè)傳聲器分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)密閉容器的聲壓。測(cè)量時(shí)，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器用正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲波，在兩個(gè)容器內(nèi)產(chǎn)生聲壓，由于揚(yáng)聲器的振膜前后的聲波是相位相反的，所以上下兩個(gè)金屬容器的聲波信號(hào)相位是相反的。聲波信號(hào)在旁路管內(nèi)某個(gè)位置達(dá)到平衡，即聲能相互抵消。傳聲器采集上下容器的聲壓信號(hào)，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓阶兓蟮帽粶y(cè)砝碼的體積。基本的原理圖如圖 7 所示。 發(fā)展趨勢(shì)
液體靜力法以水密度為基準(zhǔn)行砝碼體積的測(cè)量，這方法受到了水密度準(zhǔn)確度的極地限制，因?yàn)榧?jí)水在空氣中存放、使用，水的密度會(huì)隨著時(shí)間的改變而發(fā)生變化。而在測(cè)量過(guò)程中始終采用同水密度值，這勢(shì)必對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。此外，該測(cè)量方法對(duì)于砝碼的形狀和測(cè)量技術(shù)要求非常高，異型砝碼尤其是帶有調(diào)整腔的砝碼均不適用，此外測(cè)量過(guò)程的砝碼表面附著的空
過(guò)控制調(diào)節(jié)閥 1 與控制開(kāi)關(guān) 2，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力表 3(顯示整個(gè)管路的壓力值)。經(jīng)過(guò)低壓閥 12，達(dá)到校驗(yàn)減壓器的低壓表 9。減壓器自身的調(diào)節(jié)閥 8，氣體經(jīng)過(guò)被檢高壓表 7，個(gè)支路到達(dá)緩沖缸 6 行儲(chǔ)壓，另個(gè)支路通過(guò)控制開(kāi)關(guān) 10，達(dá)到微調(diào)閥 13。通過(guò)調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)閥 1 來(lái)改變整體管道的壓力變化范圍。當(dāng)管道壓力臨近校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)閥 1，應(yīng)調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來(lái)微調(diào)管道壓力值。壓力值輸給了減壓器的低壓表 9 行指示，低壓表 9 的指示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力表 3 的指示值行比較，從而獲得減壓器的低壓表 9 準(zhǔn)確度的判斷。低壓表 9 校驗(yàn)應(yīng)該從低壓點(diǎn)逐步到高壓點(diǎn)次行，全量程校驗(yàn)完畢后，應(yīng)先關(guān)閉控制調(diào)節(jié)閥 1，切斷壓力源在打開(kāi)放氣口 11，排除管路內(nèi)的壓力。
(4)減壓器的整體校驗(yàn)方法
①減壓器高壓端壓力表檢定
升壓檢定: 確保(減壓器自身的調(diào)節(jié)閥 8 與低壓閥
12)關(guān)閉，打開(kāi)氣瓶端氣閥向校驗(yàn)臺(tái)輸入壓力。輕輕打開(kāi)(壓力源)，觀察高壓標(biāo)準(zhǔn)表和被檢減壓器高壓表，當(dāng)臨近各檢定點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉(壓力源)，通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13來(lái)微調(diào)壓力值。將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行比對(duì)，記錄數(shù)據(jù)，直達(dá)zui高壓力點(diǎn)。降壓檢定:關(guān)閉(壓力源)，打開(kāi)(放氣口 11)，當(dāng)壓力接近校驗(yàn)點(diǎn)值時(shí)關(guān)閉(放氣口 11)，通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)閥
13 來(lái)微調(diào)壓力值。觀察高壓標(biāo)準(zhǔn)表和被檢減壓器高壓表，將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行比對(duì)，記錄數(shù)據(jù)。
②減壓器低壓端壓力表與調(diào)節(jié)閥的檢定升壓檢定: 確?？刂崎_(kāi)關(guān) 5 關(guān)閉。打開(kāi)(壓力源)、控制調(diào)節(jié)閥 1、控制開(kāi)關(guān) 2、低壓閥 12、控制開(kāi)關(guān) 10，將被檢減壓器的自身調(diào)節(jié)閥 8 順時(shí)針緩慢打開(kāi)，接近校驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來(lái)微調(diào)壓力值。觀察低壓標(biāo)準(zhǔn)表和被檢減壓器低壓表，將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行對(duì)比，記錄數(shù)據(jù)。 降壓檢定: 關(guān)閉(壓力源)，緩慢打開(kāi)(放氣口 11)，當(dāng)壓力接近檢定點(diǎn)時(shí)關(guān)閉(放氣口 11)。通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來(lái)微調(diào)壓力值，將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行比對(duì)，記錄數(shù)據(jù)。點(diǎn)時(shí)直接打開(kāi)(放氣口 11)。
(5)減壓器校準(zhǔn)裝置的維護(hù)
①使用前，請(qǐng)將高、低壓標(biāo)準(zhǔn)儀表，被檢壓力器及連接件擦拭干凈(禁油)，避免管路入雜質(zhì)。
②檢查轉(zhuǎn)換接頭連接處，注意密封性。檢定結(jié)束后，將各壓力輸賭擰緊，避免管路入雜質(zhì)。
(6)結(jié)論
減壓器校準(zhǔn)裝置的研制成功，每年能夠節(jié)約生產(chǎn)成
本幾十萬(wàn)元，并且該減壓器校準(zhǔn)裝置還能夠校驗(yàn)壓力變送器和壓力儀表，也能校驗(yàn)飛機(jī)各種部件氣性，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該項(xiàng)目的研制成功，解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。
氣泡對(duì)于體積測(cè)量的干擾也很，更嚴(yán)重的問(wèn)題是，浸入液體中的砝碼表面會(huì)受到污染，對(duì)于砝碼的質(zhì)量值和長(zhǎng)期穩(wěn)定性均是個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。
基于聲學(xué)法的砝碼體積測(cè)量方法是種基于交叉學(xué)科的砝碼體積測(cè)量方法。文獻(xiàn)［7］的研究表明，聲學(xué)法砝碼體積測(cè)量，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積測(cè)量，括 E 1 等級(jí)的砝碼，都具有很好的性能。同液體靜力法測(cè)量的結(jié)果相比，沒(méi)有明顯差別。由于此方法無(wú)需將砝碼浸入液體中測(cè)量，簡(jiǎn)化了砝碼體積測(cè)量程序，測(cè)量效率高;還可測(cè)量帶有調(diào)整腔的砝碼體積，具有良好的科研和應(yīng)用前景 
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