有关于测准砝码的空气浮力

  超市的计价秤、金银首饰店的天平、收费站的汽车衡、行李秤、婴儿秤、邮政秤……我们的日常生活几乎每天都和天平、秤有所交集。衡量天平和秤是否准确公平，都离不开砝码。根据不同准确度衡器计量需求的不同，砝码的准确度也有不同的等级。不同等级的砝码在量值传递过程中，除了砝码自身精确测量，还会受空气浮力的等外在因素的影响，中国计量院力声所质量实验室正致力于空气浮力修正的研究，确保量值传递准确可靠。

    “在现代科学研究和精准测量中，质量测量的精度要求很高，有些已达到微克数量级"，质量实验室主任王健用了个形象的比喻来说明“微克"到底有多重，“一根在空气中漂浮着的细小绒毛的质量大约为15微克，我们测量1千克物体的精度，相当于测量一架空客A320质量时精确到4只蚊子的体重。"

    王健介绍说，砝码在空气中进行质量测量和进行质量量值传递时，其实测量仪器上的测量示值并不能正确反映被测砝码的真实质量。“因为标准砝码与被测砝码质量之间都会受到空气浮力的影响"，因此，在质量量值传递过程中需要对被测砝码的空气浮力进行修正。空气密度和物体体积是空气浮力修正的主要参量，对质量量值传递的准确度起到了至关重要的作用。为此，一些先进国家已建立了相应的空气密度测量系统和砝码体积测量系统。

  而我国计量技术机构在进行质量量值传递时，确定空气密度通常采用查表法。查表法所使用的空气密度表完成于上世纪70年代，当时全国质量专业的研究人员携带着仪器设备到全国的很多地区进行实地测量，通过大量数据的积累、计算，合力编写出了这一被广泛使用的全国部分地区的月平均空气密度表，为需要进行空气浮力修正的测量提供了有利的技术依据。但是40多年来，大气环境发生了巨大改变，空气密度计算公式也因为技术法规的重新修订而改变。为了满足相关计量和科研工作对实验准确度的要求，急需对全国各主要地区的空气密度进行实时测量。

    在砝码体积测量方面，我国计量技术机构通常采用的液体静力法。这个方法以液体密度为基准，将被测砝码放置于液体中进行测量，并计算其体积，操作程序繁琐，而且液体会对被测砝码体本身造成污染，影响其质量量值传递的稳定性和准确度。此外，由于液体静力法本身的缺陷，目前还无法对带有调整腔的砝码测量体积。

    为确保空气浮力修正的准确性，提升我国质量量值传递的准确度，必须准确测量空气密度、被测质量体积和标准质量体积。王健课题组经过4年的努力，研制了具有比国外同类装置具有更高准确度和量程范围的空气密度测量系统和砝码体积测量系统，并通过了质检总局组织的专家鉴定。系统可准确测量空气密度、被测质量体积和标准质量体积，确保空气浮力修正的准确可靠，大幅提升质量量值传递的准确度。

图1：空气密度测量系统

    尺寸与笔记本电脑差不多、厚度相当于3台笔记本电脑摞起的高度，再和一台计算机相连，如果不是王健在一旁介绍，真的难以将这个外观简单得出人意料的设备和空气密度测量系统相联系。这一系统采用集成化设计，在国际上通过对被测质量周围环境参量，如温度、湿度、大气压力、二氧化碳含量等的同步实时测量，实现对空气密度的实时测量和修正，不确定度Urel=7.2?10-4（k=2）。与国内同类装置相比，该测量系统的测量准确度大幅提升；和国际计量局等国外同类设备相比，体积小巧，检测校准更为快捷方便，此外还具有长期数据存储、图形化分析、传感器实时校准等功能，技术功能达到水平。

图2：声学法体积测量系统

    4个大小不一的圆柱状的声学耦合腔，加上信号发生器、传声器、功率放大器、信号采集系统就是课题组研制的声学法体积测量系统。这个系统不再需要将砝码浸入液体中进行体积测量，测量过程快速、无污染，测量一个砝码体积的时间由原来的半小时缩减到6分钟，测量结果准确，同时可测量带有调整腔的砝码体积，应用范围广泛。值得一提的是，这一系统“上20kg砝码声学法体积测量的空白，扩展了砝码体积测量的手段和量程范围，测量范围及准确度等指标达到水平。"

    目前，空气密度测量系统和声学法体积测量系统已在全国多家省级计量部门及衡器企业中得到广泛的使用。随着这套质量标准空气浮力修正系统的进一步推广应用，将为高准确度的质量测量提供准确的空气浮力修正参数，为我国质量及相关量的高准确度量值传递提供了技术保障。