高海拔環境下質量傳遞分析實驗研究

劉 穎,曾 波

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

高海拔環境下質量傳遞分析實驗研究

劉 穎,曾 波

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

為分析高海拔環境對砝碼測量結果的影響，填補該領域的試驗空白，設計并完成在不同海拔地區（包括成都、理塘、林芝、日喀則、拉薩）對砝碼的測量實驗。基于砝碼規程的理論基礎，采用配套設備現場校準，實驗數據現場采集，并設計兩組試驗用于消除測量過程中設備和人員對測量結果的影響，通過實驗結果分析環境變化對測量工作的影響，以及如何在工作中盡量消除這些影響，從而有效提高測量準確性。

高海拔；試驗空白；設計；測量實驗；分析

0 引 言

質量需通過砝碼體現，但砝碼是實物量具，準確性極易受到環境的影響。為了提高測量準確性，需完善實驗室環境，盡量接近規程中理想狀態的要求。在實際使用砝碼的過程中，大量實驗室或者實驗環境不能完全達標，特別是在高海拔地區，高原獨特的氣候（空氣稀薄,氣壓低,氧氣少，溫差大）[1-3]會給測量數據造成影響，影響會有多大，尚需研究。本文所完成的實驗及結果不僅可以填補在不同環境條件下對質量量值傳遞結果分析的試驗空白，還可以指導日常的檢定校準工作，盡量消除環境對測量結果的影響，提高檢定水平。

1 實驗技術路線

1.1 理論依據

不同實驗地區，海拔和氣候不同，需要測量當地的環境參數，包括大氣壓力、溫度和相對濕度，并依據下式計算出當地的空氣密度[4]：

式中：P——大氣壓力，hPa；

RH——相對濕度，%；

t——溫度，℃。

如果空氣密度相對于ρ0=1.2 kg/m3的偏移量超過了10%，并且被檢砝碼的密度ρt偏離折算值8000kg/m3,則折算質量可以通過下式[4-5]進行修正：

式中：mcr——標準砝碼的折算質量；

ρa——潮濕空氣的密度；

Vt——被檢砝碼的體積；

Vr——標準砝碼的體積；

ΔI——天平的指示差；

ΔIs——由靈敏度砝碼引起的天平指示的改變。

1.2 設備選擇

用于本次實驗的電子天平和砝碼的技術指標如表1和表2所示。

表1 電子天平技術指標

表2 砝碼技術指標

為確保本次實驗能準確測得不同地區的環境條件，還需攜帶一臺校準后的空氣密度測量裝置[6]，其技術指標如表3所示。

表3 空氣密度測量裝置技術指標

為確保實驗數據能較為準確地反映環境對砝碼測量的影響，實驗中所使用的電子天平和砝碼均已在中國測試技術研究院衡器室校準，并完成了長期的穩定性實驗[7-8]，以確保實驗數據的可靠性。

1.3 路線設定

本次實驗主要為研究高海拔地區的不同環境條件對砝碼測量的影響，所以在實驗進行前先設定好線路，選擇有代表性的地區進行實驗，其實驗地點線路圖如圖1所示。

2 實驗過程

圖1 實驗線路圖

在不同海拔地區檢測標稱值分別為50g和20g的兩個砝碼（標準砝碼采用材料密度為8.0g/cm3，編號為1 635的砝碼，被檢砝碼采用材料密度為7.9 g/cm3，編號為84367的砝碼）。在5個不同地區測量之前首先選擇當地環境較為穩定、周圍無明顯氣流及振動的地點進行實驗，然后將實驗所需標準器及配套設備放置于該環境中穩定，電子天平提前預熱并在每個地區都由專人進行了電子天平的性能測試[9]，以保證在測量過程當中數據的準確性。測試結果均為滿意，根據所攜帶設備的技術指標，設計并完成了兩組實驗：1）使用同一臺電子天平對砝碼連續測量10次，最終取平均值作為測量結果；2）使用島津公司提供的兩個天平對同一個砝碼分別進行測量。

2.1 砝碼測量

第1組實驗使用島津公司提供的型號為AUW220D的電子天平測量標稱值為50g砝碼，在5個地區測量該砝碼時實驗人員均采用連續重復測量10次數據，最終取平均值作為測量結果。整理原始數據后得到各地未修正前的數據如表4所示。

表4 50g砝碼修正前數據

第2組實驗使用島津公司提供的型號為AUW220D和AUW120D的電子天平分別測量同一個20 g砝碼，整理原始數據后得到在不同地區測量的未修正前的數據如表5所示。

表5 20g砝碼修正前數據

2.2 環境測量

使用空氣密度測量裝置測量各地的實驗環境數據，得到結果如表6所示。

表6 各地測量環境數據

3 數據分析

在各地完成實驗后，將所有測量數據帶回成都進行數據處理，按照式（1）進行計算，得到各地空氣密度的數據如表7和圖2所示。

表7 各地空氣密度

為了比較各地測量的結果，采用砝碼規程中的方法，將各地的測量數據均修正到約定溫度（tref）為20℃；約定的空氣密度（ρ0）為1.2 kg/m3；砝碼折算質量的約定密度（ρref）為8000kg/m3。由于被檢砝碼的密度ρt偏離折算值8 000 kg/m3，并且在理塘、林芝、日喀則和拉薩幾個地區的空氣密度相對于ρ0=1.2kg/m3的偏移量都超過了10%，所以按照式（2）對數據進行處理，結果如表8所示。

表8 修正后各地檢測數據

將整理修正后的數據制成折線圖進行分析。由圖3可以看出，在5個地區用同一臺電子天平和同一標準器多次測量同一標稱值為50g的被檢砝碼，測量結果經過修正之后不完全相等。

由圖4可以看出，在5個地區用不同的兩臺電子天平和同一標準器測量同一標稱值為20g的被檢砝碼，測量結果經過修正之后不完全相等。在林芝和拉薩兩個地區，不同的電子天平測量的兩個結果不相等。

圖2 各地實測空氣密度值

圖3 各地50g砝碼折算質量修正值

圖4 各地20g砝碼折算質量修正值

在整個實驗過程中，每到一個地區開始實驗之前均先將天平預熱并校準，砝碼測量之前均先用干凈綢布擦拭干凈。砝碼的測量采用砝碼規程中的要求，按照ABBA的循環方式，以消除天平的線性漂移[4]。本次實驗的設計和操作盡量消除了標準裝置和人員操作對實驗結果的影響，從而真實地反映環境條件對測量結果的影響。理論上講，將不同環境條件下測得的實驗數據修正到砝碼規程約定的情況下，對測量同一砝碼來講修正后的值應該是相等的，而從兩組實驗數據可以看出，對同一砝碼的測量結果進行修正后，其值卻并不相等，這說明環境的變化對測量結果造成了影響。

從實驗數據可以看出，若假設在成都所測結果為標準值mref，在其他地區測量結果為mlab，那么數據經過修正以后，由于環境的變化而在數據未進行修正以前，由于環境的變化因此，經過修正以后可以減小環境對測量結果的影響。

由本次實驗可以看出，環境的變化對測量工作會帶來影響，如果在高海拔地區（環境變化較大）進行量值測量工作時，測量當地的實際環境參數是必不可少的，如果要盡量減小環境對測量結果的影響，必須對所測數據進行空氣浮力修正。如果是對于F1等級及以下等級的砝碼，修正以后環境部分影響量對測量結果的影響就不會很大，通常情況下可以忽略；但是對于高等級的砝碼，這部分的影響對測量結果的影響較大，不能忽略。

4 結束語

本次在高海拔地區對砝碼進行測量，分析由于環境的變化對量值傳遞的影響，由所得的測量結果可以得出環境的變化對砝碼的測量結果會造成一定影響。在實際的檢定校準工作中，為了保證各地區質量量值傳遞的準確性和可靠性，要求檢測人員在測量過程中應嚴格按照規程的要求完成測量，且應該盡量減小海拔高度，減小實際環境條件與約定環境條件的差異。如果在特殊環境進行測量，則要求在測量過程中應測出實際環境參數，并且要保證測量環境參數的儀器設備（如空氣密度測量儀、壓力測試儀等）的準確性，以便能盡量消除環境對測量結果的影響。

[1]張順利.西藏30年溫度變化的氣候特征[J].氣象，1997（2）：21-24.

[2]劉義軍，李林.西藏高原降水、氣溫氣候特征分析[J].成都氣象學院學報，1999（1）：100-104.

[3]張云紅，許長軍，亓青，等.青藏高原氣候變化及其生態效應分析[J].青海大學學報：自然科學版，2011（4）：18-22.

[4]JJG 99—2006砝碼檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2006.

[5]王肖磊.高準確度質量標準測量中空氣浮力修正的研究[D].北京：中國計量科學研究院，2011.

[6]黃錦才.關于空氣密度的快速測定[J].中國測試技術，2003（2）：3-5.

[7]林文章.F1等級砝碼標準裝置穩定性分析與應用[J].中國計量，2012（2）：86-87.

[8]王春榮，孟景華.建立砝碼質量計量標準如何選擇主標準器及配套設備[J].中國計量，2013（7）：116-118.

[9]JJG 1036—2008電子天平檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2008.

Experimental analysis of mass transmission in a high altitude environment

LIU Ying，ZENG Bo
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

For analysis of the effect on weight measurement results at high altitude of the environmental conditions，to fill the gaps of the test in the field，designed and completed the weights of measurement experiments at altitudes（including Chengdu，Litang，Nyingchi，Shigatse，Lhasa）.The test is based on the theoretical basis of weights regulation，the use of equipment calibration at the scene，the experimental data collected in the field，and designed two sets of test forthe measurementprocessto eliminate the impactofequipmentand personnelon the measurement results.The final analysis the impact of environmental change to the measurement works through experimental results，and how to try to eliminate these effects at work，so can effectively improve the accuracy of measurement.

high altitude；test blank；design；measurement experiment；analysis

A

：1674-5124（2015）05-0039-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.010

2014-09-22；

：2014-11-22

劉 穎（1985-），女，四川綿陽市人，碩士，主要從事砝碼檢測技術、標準化研究工作。