砝码体积测量研究现状及发展趋势的探讨

摘 要:体积是砝码测量的重要因素之，现阶段内外的研究主要为液体静力法和声学法体积测量装置。本文对砝码体积测量研究现状行总结分析，并探讨了其发展趋势。

1.概述
由于承载质量量值的载体———砝码的质量测量是在空气中行的，需要行空气浮力的修正。根据阿基米德定理，需要知道被测砝码的体积。建议 Ｒ111(2004 版)和我检定规程 JJG99 －2006《砝码》中规定，E 2 等级 20g 及以上砝码必须行体积测量;F 1 等级的50g以上砝码，在海拔 800 米以上的地区使用也需行体积测量，其余砝码的体积值通过已测砝码的体积值计算得到。长期以来，质量计量界对砝码体积测量的研究主要集中在液体静力法和声学法体积测量装置的研究上。

2.内外研究现状由于质量量值传递过程中砝码体积参数的重要性，各个家的计量机构，特别是发达家的计量机构都极为重视体积测量的研究工作。对于在压力条件下的体积测量系统的研制和应用，目前都于我。日本计量院(NMIJ)在 2000 年就已开始研究在密封环境下行质量量值传递。他们将自动无扰动质量测量装置安装在密封腔内，使用干泵等装置抽取腔体内的气体，使之达到定的气压值，在该气压值下行质量量值的传递。腔体内还装有温度传感器和湿度传感器，以对测量环境的温度和湿度行监测。此外在65 kpa ～ 105kpa 的气体压力条件下行了质量量值传递研究，并
步将这原理应用到质量标准的体积测量中。在温度、湿度基本恒定的条件下，由于质量标准之间的差值随气的压力变化而变化，利用这变化，可以测量出质量标准的体积。日本 NMIJ 将这体积测量方式直推广到 2 kg ～ 20 kg 质量标准的体积测量中，建立了质量标准体积测量系统。利用这套装置(图 1)，可以在行质量量值测量传递的同时，完成质量标准的体积测量

学与赛多利斯公司联合开发制造的 VD1005 体积质量比较仪。该设备可以实现被测砝码的全自动加卸载及体积测量，如图 3 所示。而图 4 中所示为 BIPM 使用的基于液体静力法的体积测量装置。

实现方式有两种:*种是以液体密度为基准的测量方法，被测砝码在液体中所受到的浮力通过天平示
值显示为质量值，再除以测量使用液体的密度，计算出砝码的体积值;二种是以固体密度为基准的测量方法(见图 6，METAS)，通过固体密度基准测量液体的密度，在该液体中通过天平比较被测砝码与固体密度基准，计算得到体积差值。此方法与质量的传递类似。其中，基于固体密度基准的体积测量，仪器设备及测量系统均为口，成本高，资金投入相当可观。因此，我绝部份的计量机构目前采用的还是以水密度为基准的砝码体积测量方法。根据建议 OIML Ｒ111 和JJG90 －2006《砝码》家计量检定规程，对于 E 1 等级砝码，体积测量范围应为 1 g ～50 kg，而我目前的砝码体积测量系统的测量范围上限只能到达 20 kg。因此，我在砝码体积测量范围上存在不足。OIML Ｒ111 中推荐使用的另种砝码体积测量方法是声学原理实现砝码体积的测量。声学法砝码体积测量是根据传声器传声、耦合腔声压耦合、扬声器振膜前后声波相位相反等原理，来实现被测质量体积和标准质量体
积的准确测量的。

根据试验原理，声学法体积测量系统由计算机、数据采集系统、传声器、扬声器、参考体积金属容器、被测体积金属容器等组成。将扬声器安放在上下两个密闭金属容器的中间，两个密闭腔体通过旁路管相连通，通过两个传声器分别测量两个密闭容器的声压。测量时，通过信号发生器用正弦信号驱动扬声器产生声波，在两个容器内产生声压，由于扬声器的振膜前后的声波是相位相反的，所以上下两个金属容器的声波信号相位是相反的。声波信号在旁路管内某个位置达到平衡，即声能相互抵消。传声器采集上下容器的声压信号，通过适当的公式变化求得被测砝码的体积。基本的原理图如图 7 所示。

发展趋势
液体静力法以水密度为基准行砝码体积的测量，这方法受到了水密度准确度的极地限制，因为级水在空气中存放、使用，水的密度会随着时间的改变而发生变化。而在测量过程中始终采用同水密度值，这势必对测量结果造成误差。此外，该测量方法对于砝码的形状和测量技术要求非常高，异型砝码尤其是带有调整腔的砝码均不适用，此外测量过程的砝码表面附着的空


过控制调节阀 1 与控制开关 2，达到标准压力表 3(显示整个管路的压力值)。经过低压阀 12，达到校验减压器的低压表 9。减压器自身的调节阀 8，气体经过被检高压表 7，个支路到达缓冲缸 6 行储压，另个支路通过控制开关 10，达到微调阀 13。通过调节控制调节阀 1 来改变整体管道的压力变化范围。当管道压力临近校准点时，关闭调节控制调节阀 1，应调节微调阀 13 来微调管道压力值。压力值输给了减压器的低压表 9 行指示，低压表 9 的指示值与标准压力表 3 的指示值行比较，从而获得减压器的低压表 9 准确度的判断。低压表 9 校验应该从低压点逐步到高压点次行，全量程校验完毕后，应先关闭控制调节阀 1，切断压力源在打开放气口

11，排除管路内的压力。
(4)减压器的整体校验方法
①减压器高压端压力表检定
升压检定: 确保(减压器自身的调节阀 8 与低压阀
12)关闭，打开气瓶端气阀向校验台输入压力。轻轻打开(压力源)，观察高压标准表和被检减压器高压表，当临近各检定点时，关闭(压力源)，通过调节微调阀 13来微调压力值。将被检表与标准表行比对，记录数据，直达zui高压力点。降压检定:关闭(压力源)，打开(放气口 11)，当压力接近校验点值时关闭(放气口 11)，通过调节微调阀
13 来微调压力值。观察高压标准表和被检减压器高压表，将被检表与标准表行比对，记录数据。
②减压器低压端压力表与调节阀的检定升压检定: 确保控制开关 5 关闭。打开(压力源)、控制调节阀 1、控制开关 2、低压阀 12、控制开关 10，将被检减压器的自身调节阀 8 顺时针缓慢打开，接近校验点时，通过调节微调阀 13 来微调压力值。观察低压标准表和被检减压器低压表，将被检表与标准表行对比，记录数据。

降压检定: 关闭(压力源)，缓慢打开(放气口 11)，当压力接近检定点时关闭(放气口 11)。通过调节微调阀 13 来微调压力值，将被检表与标准表行比对，记录数据。点时直接打开(放气口 11)。
(5)减压器校准装置的维护
①使用前，请将高、低压标准仪表，被检压力器及连接件擦拭干净(禁油)，避免管路入杂质。
②检查转换接头连接处，注意密封性。检定结束后，将各压力输赌拧紧，避免管路入杂质。
(6)结论
减压器校准装置的研制成功，每年能够节约生产成
本几十万元，并且该减压器校准装置还能够校验压力变送器和压力仪表，也能校验飞机各种部件气性，具有广泛的经济效益和社会效益。该项目的研制成功，解决了生产中的实际问题。

气泡对于体积测量的干扰也很，更严重的问题是，浸入液体中的砝码表面会受到污染，对于砝码的质量值和长期稳定性均是个严峻的问题。

基于声学法的砝码体积测量方法是种基于交叉学科的砝码体积测量方法。文献［7］的研究表明，声学法砝码体积测量，对标准砝码的体积测量，括 E 1 等级的砝码，都具有很好的性能。同液体静力法测量的结果相比，没有明显差别。由于此方法无需将砝码浸入液体中测量，简化了砝码体积测量程序，测量效率高;还可测量带有调整腔的砝码体积，具有良好的科研和应用前景