砝碼體積測量研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的探討 摘 要:體積是砝碼測量的重要因素之,現(xiàn)階段內(nèi)外的研究主要為液體靜力法和聲學(xué)法體積測量裝置。本文對砝碼體積測量研究現(xiàn)狀行總結(jié)分析,并探討了其發(fā)展趨勢。 1.概述 由于承載質(zhì)量量值的載體———砝碼的質(zhì)量測量是在空氣中行的,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 20g 及以上砝碼必須行體積測量;F 1 等級的50g以上砝碼,在海拔 800 米以上的地區(qū)使用也需行體積測量,其余砝碼的體積值通過已測砝碼的體積值計算得到。長期以來,質(zhì)量計量界對砝碼體積測量的研究主要集中在液體靜力法和聲學(xué)法體積測量裝置的研究上。 2.內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于質(zhì)量量值傳遞過程中砝碼體積參數(shù)的重要性,各個家的計量機構(gòu),特別是發(fā)達家的計量機構(gòu)都極為重視體積測量的研究工作。對于在壓力條件下的體積測量系統(tǒng)的研制和應(yīng)用,目前都于我。日本計量院(NMIJ)在 2000 年就已開始研究在密封環(huán)境下行質(zhì)量量值傳遞。他們將自動無擾動質(zhì)量測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,以對測量環(huán)境的溫度和濕度行監(jiān)測。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,可以測量出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積。日本 NMIJ 將這體積測量方式直推廣到 2 kg ~ 20 kg 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積測量中,建立了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體積測量系統(tǒng)。利用這套裝置(圖 1),可以在行質(zhì)量量值測量傳遞的同時,完成質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的體積測量 學(xué)與賽多利斯公司聯(lián)合開發(fā)制造的 VD1005 體積質(zhì)量比較儀。該設(shè)備可以實現(xiàn)被測砝碼的全自動加卸載及體積測量,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量裝置。
實現(xiàn)方式有兩種:*種是以液體密度為基準(zhǔn)的測量方法,被測砝碼在液體中所受到的浮力通過天平示 值顯示為質(zhì)量值,再除以測量使用液體的密度,計算出砝碼的體積值;二種是以固體密度為基準(zhǔn)的測量方法(見圖 6,METAS),通過固體密度基準(zhǔn)測量液體的密度,在該液體中通過天平比較被測砝碼與固體密度基準(zhǔn),計算得到體積差值。此方法與質(zhì)量的傳遞類似。其中,基于固體密度基準(zhǔn)的體積測量,儀器設(shè)備及測量系統(tǒng)均為口,成本高,資金投入相當(dāng)可觀。因此,我絕部份的計量機構(gòu)目前采用的還是以水密度為基準(zhǔn)的砝碼體積測量方法。根據(jù)建議 OIML R111 和JJG90 -2006《砝碼》家計量檢定規(guī)程,對于 E 1 等級砝碼,體積測量范圍應(yīng)為 1 g ~50 kg,而我目前的砝碼體積測量系統(tǒng)的測量范圍上限只能到達 20 kg。因此,我在砝碼體積測量范圍上存在不足。OIML R111 中推薦使用的另種砝碼體積測量方法是聲學(xué)原理實現(xiàn)砝碼體積的測量。聲學(xué)法砝碼體積測量是根據(jù)傳聲器傳聲、耦合腔聲壓耦合、揚聲器振膜前后聲波相位相反等原理,來實現(xiàn)被測質(zhì)量體積和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體 積的準(zhǔn)確測量的。
根據(jù)試驗原理,聲學(xué)法體積測量系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳聲器、揚聲器、參考體積金屬容器、被測體積金屬容器等組成。將揚聲器安放在上下兩個密閉金屬容器的中間,兩個密閉腔體通過旁路管相連通,通過兩個傳聲器分別測量兩個密閉容器的聲壓。測量時,通過信號發(fā)生器用正弦信號驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生聲波,在兩個容器內(nèi)產(chǎn)生聲壓,由于揚聲器的振膜前后的聲波是相位相反的,所以上下兩個金屬容器的聲波信號相位是相反的。聲波信號在旁路管內(nèi)某個位置達到平衡,即聲能相互抵消。傳聲器采集上下容器的聲壓信號,通過適當(dāng)?shù)墓阶兓蟮帽粶y砝碼的體積?;镜脑韴D如圖 7 所示。 發(fā)展趨勢 液體靜力法以水密度為基準(zhǔn)行砝碼體積的測量,這方法受到了水密度準(zhǔn)確度的極地限制,因為級水在空氣中存放、使用,水的密度會隨著時間的改變而發(fā)生變化。而在測量過程中始終采用同水密度值,這勢必對測量結(jié)果造成誤差。此外,該測量方法對于砝碼的形狀和測量技術(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,此外測量過程的砝碼表面附著的空
過控制調(diào)節(jié)閥 1 與控制開關(guān) 2,達到標(biāo)準(zhǔn)壓力表 3(顯示整個管路的壓力值)。經(jīng)過低壓閥 12,達到校驗減壓器的低壓表 9。減壓器自身的調(diào)節(jié)閥 8,氣體經(jīng)過被檢高壓表 7,個支路到達緩沖缸 6 行儲壓,另個支路通過控制開關(guān) 10,達到微調(diào)閥 13。通過調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)閥 1 來改變整體管道的壓力變化范圍。當(dāng)管道壓力臨近校準(zhǔn)點時,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 校驗應(yīng)該從低壓點逐步到高壓點次行,全量程校驗完畢后,應(yīng)先關(guān)閉控制調(diào)節(jié)閥 1,切斷壓力源在打開放氣口 11,排除管路內(nèi)的壓力。 (4)減壓器的整體校驗方法 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,打開氣瓶端氣閥向校驗臺輸入壓力。輕輕打開(壓力源),觀察高壓標(biāo)準(zhǔn)表和被檢減壓器高壓表,當(dāng)臨近各檢定點時,關(guān)閉(壓力源),通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13來微調(diào)壓力值。將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行比對,記錄數(shù)據(jù),直達zui高壓力點。降壓檢定:關(guān)閉(壓力源),打開(放氣口 11),當(dāng)壓力接近校驗點值時關(guān)閉(放氣口 11),通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來微調(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,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: 確保控制開關(guān) 5 關(guān)閉。打開(壓力源)、控制調(diào)節(jié)閥 1、控制開關(guān) 2、低壓閥 12、控制開關(guān) 10,將被檢減壓器的自身調(diào)節(jié)閥 8 順時針緩慢打開,接近校驗點時,通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來微調(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)表行對比,記錄數(shù)據(jù)。 降壓檢定: 關(guān)閉(壓力源),緩慢打開(放氣口 11),當(dāng)壓力接近檢定點時關(guān)閉(放氣口 11)。通過調(diào)節(jié)微調(diào)閥 13 來微調(diào)壓力值,將被檢表與標(biāo)準(zhǔn)表行比對,記錄數(shù)據(jù)。點時直接打開(放氣口 11)。 (5)減壓器校準(zhǔn)裝置的維護 ①使用前,請將高、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 本幾十萬元,并且該減壓器校準(zhǔn)裝置還能夠校驗壓力變送器和壓力儀表,也能校驗飛機各種部件氣性,具有廣泛的經(jīng)濟效益和社會效益。該項目的研制成功,解決了生產(chǎn)中的實際問題。 氣泡對于體積測量的干擾也很,更嚴重的問題是,浸入液體中的砝碼表面會受到污染,對于砝碼的質(zhì)量值和長期穩(wěn)定性均是個嚴峻的問題。
基于聲學(xué)法的砝碼體積測量方法是種基于交叉學(xué)科的砝碼體積測量方法。文獻[7]的研究表明,聲學(xué)法砝碼體積測量,對標(biāo)準(zhǔn)砝碼的體積測量,括 E 1 等級的砝碼,都具有很好的性能。同液體靜力法測量的結(jié)果相比,沒有明顯差別。由于此方法無需將砝碼浸入液體中測量,簡化了砝碼體積測量程序,測量效率高;還可測量帶有調(diào)整腔的砝碼體積,具有良好的科研和應(yīng)用前景 |