砝碼體積測量研究現狀及發展趨勢的探討

摘 要:體積是砝碼測量的重要因素之，現階段內外的研究主要為液體靜力法和聲學法體積測量裝置。本文對砝碼體積測量研究現狀行總結分析，并探討了其發展趨勢。

1.概述
由于承載質量量值的載體———砝碼的質量測量是在空氣中行的，需要行空氣浮力的修正。根據阿基米德定理，需要知道被測砝碼的體積。建議 Ｒ111(2004 版)和我檢定規程 JJG99 －2006《砝碼》中規定，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法體積測量裝置的研究上。

2.內外研究現狀由于質量量值傳遞過程中砝碼體積參數的重要性，各個家的計量機構，特別是發達家的計量機構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的研制和應用，目前都于我。日本計量院(NMIJ)在 2000 年就已開始研究在密封環境下行質量量值傳遞。他們將自動無擾動質量測量裝置安裝在密封腔內，使用干泵等裝置抽取腔體內的氣體，使之達到定的氣壓值，在該氣壓值下行質量量值的傳遞。腔體內還裝有溫度傳感器和濕度傳感器，以對測量環境的溫度和濕度行監測。此外在65 kpa ～ 105kpa 的氣體壓力條件下行了質量量值傳遞研究，并
步將這原理應用到質量標準的體積測量中。在溫度、濕度基本恒定的條件下，由于質量標準之間的差值隨氣的壓力變化而變化，利用這變化，可以測量出質量標準的體積。日本 NMIJ 將這體積測量方式直推廣到 2 kg ～ 20 kg 質量標準的體積測量中，建立了質量標準體積測量系統。利用這套裝置(圖 1)，可以在行質量量值測量傳遞的同時，完成質量標準的體積測量

學與賽多利斯公司聯合開發制造的 VD1005 體積質量比較儀。該設備可以實現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。

實現方式有兩種:*種是以液體密度為基準的測量方法，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的測量方法(見圖 6，METAS)，通過固體密度基準測量液體的密度，在該液體中通過天平比較被測砝碼與固體密度基準，計算得到體積差值。此方法與質量的傳遞類似。其中，基于固體密度基準的體積測量，儀器設備及測量系統均為口，成本高，資金投入相當可觀。因此，我絕部份的計量機構目前采用的還是以水密度為基準的砝碼體積測量方法。根據建議 OIML Ｒ111 和JJG90 －2006《砝碼》家計量檢定規程，對于 E 1 等級砝碼，體積測量范圍應為 1 g ～50 kg，而我目前的砝碼體積測量系統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原理實現砝碼體積的測量。聲學法砝碼體積測量是根據傳聲器傳聲、耦合腔聲壓耦合、揚聲器振膜前后聲波相位相反等原理，來實現被測質量體積和標準質量體
積的準確測量的。

根據試驗原理，聲學法體積測量系統由計算機、數據采集系統、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，通過信號發生器用正弦信號驅動揚聲器產生聲波，在兩個容器內產生聲壓，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，通過適當的公式變化求得被測砝碼的體積。基本的原理圖如圖 7 所示。

發展趨勢
液體靜力法以水密度為基準行砝碼體積的測量，這方法受到了水密度準確度的極地限制，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，這勢必對測量結果造成誤差。此外，該測量方法對于砝碼的形狀和測量技術要求非常高，異型砝碼尤其是帶有調整腔的砝碼均不適用，此外測量過程的砝碼表面附著的空


過控制調節閥 1 與控制開關 2，達到標準壓力表 3(顯示整個管路的壓力值)。經過低壓閥 12，達到校驗減壓器的低壓表 9。減壓器自身的調節閥 8，氣體經過被檢高壓表 7，個支路到達緩沖缸 6 行儲壓，另個支路通過控制開關 10，達到微調閥 13。通過調節控制調節閥 1 來改變整體管道的壓力變化范圍。當管道壓力臨近校準點時，關閉調節控制調節閥 1，應調節微調閥 13 來微調管道壓力值。壓力值輸給了減壓器的低壓表 9 行指示，低壓表 9 的指示值與標準壓力表 3 的指示值行比較，從而獲得減壓器的低壓表 9 準確度的判斷。低壓表 9 校驗應該從低壓點逐步到高壓點次行，全量程校驗完畢后，應先關閉控制調節閥 1，切斷壓力源在打開放氣口

11，排除管路內的壓力。
(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(減壓器自身的調節閥 8 與低壓閥
12)關閉，打開氣瓶端氣閥向校驗臺輸入壓力。輕輕打開(壓力源)，觀察高壓標準表和被檢減壓器高壓表，當臨近各檢定點時，關閉(壓力源)，通過調節微調閥 13來微調壓力值。將被檢表與標準表行比對，記錄數據，直達zui高壓力點。降壓檢定:關閉(壓力源)，打開(放氣口 11)，當壓力接近校驗點值時關閉(放氣口 11)，通過調節微調閥
13 來微調壓力值。觀察高壓標準表和被檢減壓器高壓表，將被檢表與標準表行比對，記錄數據。
②減壓器低壓端壓力表與調節閥的檢定升壓檢定: 確保控制開關 5 關閉。打開(壓力源)、控制調節閥 1、控制開關 2、低壓閥 12、控制開關 10，將被檢減壓器的自身調節閥 8 順時針緩慢打開，接近校驗點時，通過調節微調閥 13 來微調壓力值。觀察低壓標準表和被檢減壓器低壓表，將被檢表與標準表行對比，記錄數據。

降壓檢定: 關閉(壓力源)，緩慢打開(放氣口 11)，當壓力接近檢定點時關閉(放氣口 11)。通過調節微調閥 13 來微調壓力值，將被檢表與標準表行比對，記錄數據。點時直接打開(放氣口 11)。
(5)減壓器校準裝置的維護
①使用前，請將高、低壓標準儀表，被檢壓力器及連接件擦拭干凈(禁油)，避免管路入雜質。
②檢查轉換接頭連接處，注意密封性。檢定結束后，將各壓力輸賭擰緊，避免管路入雜質。
(6)結論
減壓器校準裝置的研制成功，每年能夠節約生產成
本幾十萬元，并且該減壓器校準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，具有廣泛的經濟效益和社會效益。該項目的研制成功，解決了生產中的實際問題。

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，對于砝碼的質量值和長期穩定性均是個嚴峻的問題。

基于聲學法的砝碼體積測量方法是種基于交叉學科的砝碼體積測量方法。文獻［7］的研究表明，聲學法砝碼體積測量，對標準砝碼的體積測量，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;還可測量帶有調整腔的砝碼體積，具有良好的科研和應用前景