關(guān)于大量塊使用中存在的溫度問題分析

武騰騰

（東華計量測試研究院，江西南昌 330000）

大量塊在測量機(jī)、測高儀等高精密長度測量儀器中的應(yīng)用較為普遍，屬于無刻度量具。根據(jù)新量塊檢定規(guī)程JJG 146-2011《量塊》內(nèi)容，量塊等級標(biāo)準(zhǔn)提高，并且在檢測方法與原理上進(jìn)行改善，突出了溫度對量塊測量結(jié)果的影響。

1 大量塊使用中對溫度條件要求

根據(jù)JJG 146-2011《量塊》規(guī)程，使用大量塊進(jìn)行長度測量時，當(dāng)溫度偏高時，應(yīng)引入修正量C2：

其中，a 為測量塊溫度線膨脹系數(shù)；t 為測量過程中，測量塊的具體溫度；at為標(biāo)準(zhǔn)測量塊溫度線膨脹系數(shù)；tt為測量長度時，標(biāo)準(zhǔn)量塊的溫度；L為大量塊的名義尺寸。分析公式可知，修正量C2 的變化值與量塊溫度線膨脹系數(shù)和大量塊的尺寸存在緊密關(guān)系。

相關(guān)人員使用大量塊測量時，應(yīng)注重控制標(biāo)準(zhǔn)量塊精確度，同時，關(guān)注溫度條件變化對測量結(jié)果的影響，使得測量結(jié)果可靠性提高。在量塊的溫度控制研究中，選取長度為10 cm 的量塊，以該量塊作為測塊，測量溫度t 為18.2℃，取標(biāo)準(zhǔn)量塊溫度tt為17.5℃，測量塊溫度膨脹系數(shù)a 和at分別取2.15 和1.48，通過公式C2=[a(20-t)-at(20-tt)]L，求得修正量為1.7，實(shí)際測量中，需要以此為依據(jù)對溫度進(jìn)行調(diào)整[1]。

2 關(guān)于大量塊使用中存在的溫度問題

2.1 量塊溫度的穩(wěn)定性問題

實(shí)踐中為獲取精確測量值，應(yīng)對大量塊使用中存在的溫度問題進(jìn)行識別，并且嚴(yán)格控制測量過程穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是確保測量工作有序開展的關(guān)鍵，是量塊在正常使用條件下的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)量塊溫度出現(xiàn)不穩(wěn)定后，其自身長度和形狀均會發(fā)生變化，因此難以獲得相對合理與可靠的測量結(jié)果。因此在大量塊的使用過程中，需要注意以下問題：

一是，在量塊溫度相對穩(wěn)定或變化較慢的情況下開展具體測量作業(yè)。二是，在大量塊使用中，應(yīng)通過控制測量條件和量塊數(shù)量的方式，降低溫度形成影響。例如，大量塊測量時，將實(shí)際測量條件設(shè)計為1 零位－2 量塊－3 量塊－4 零位順序步驟，然后進(jìn)行計算分析，對量塊的長度進(jìn)行測量。實(shí)踐表明，當(dāng)使用大量塊測量時，可將量塊長度設(shè)計為100 mm，并且對溫度條件進(jìn)行有效控制，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的測量差值，確保結(jié)果真實(shí)有效。三是，根據(jù)量塊的穩(wěn)定情況，選擇合適高度，當(dāng)測量要求較高時，應(yīng)強(qiáng)化溫度差控制能力[2]。

2.2 量塊溫度值穩(wěn)定

當(dāng)量塊溫度條件合格后，需要對溫度值的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，防止出現(xiàn)溫度值不均勻影響測量進(jìn)程。例如，在使用大量塊測量時，技術(shù)人員將工作溫度值控制在20.72℃，并且對測量溫差進(jìn)行規(guī)范，將溫差控制在±1×10-6℃之間，通過測量條件的優(yōu)化達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。大量塊使用過程中，由于溫度值不均勻會出現(xiàn)形狀改變的問題，為落實(shí)精細(xì)化操作理念，對測量對象進(jìn)行準(zhǔn)確把握，相關(guān)人員對大量塊使用環(huán)節(jié)進(jìn)行管理，提出有效的使用規(guī)范。

為確保大量塊溫度值穩(wěn)定，需要明確注意事項(xiàng)：（1）不得使用手指接觸或觸摸量塊，必須用手接觸時，操作人員應(yīng)佩戴手套，并且短暫接觸，防止長時間接觸量塊影響測量精度。（2）大量塊過熱時，應(yīng)等待其自然冷卻，或使用人工吹風(fēng)降溫的方式，使得測量條件更加規(guī)范。值得注意的是，當(dāng)使用大量塊進(jìn)行垂直測量時，溫度會隨著高度變化出現(xiàn)明顯差異，此時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注溫度不均勻?qū)y量結(jié)果帶來的不良影響。（3）環(huán)境溫度不均勻也會影響到實(shí)際測量結(jié)果，因此，在具體測量環(huán)節(jié)相關(guān)人員應(yīng)確保溫度均勻。實(shí)際工作中，當(dāng)測量模塊一端解除較大熱源或發(fā)熱設(shè)備后，需要不斷調(diào)整測量塊的方向，防止出現(xiàn)一端受熱溫度過高，影響實(shí)際測量效果。例如，在對某車間機(jī)床構(gòu)件進(jìn)行測量時，操作人員將大量塊旋轉(zhuǎn)180°，并且在測量中對量塊局部受熱情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，防止因局部過熱導(dǎo)致測量結(jié)果失真，影響后期判斷和決策。

2.3 大量塊溫度修正問題

當(dāng)量塊溫度穩(wěn)定、均勻后可開展相關(guān)測量工作。但是設(shè)計工作中，不能總是保證溫度值在20℃，因此需要對溫度值做出合理矯正。相關(guān)人員提出開展多點(diǎn)測試，在量塊的長邊安裝溫度傳感裝置，實(shí)現(xiàn)對溫度值的有效獲取。同時，在測量過程中，需要對量塊溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并且取測量結(jié)果的平均值，使得測量結(jié)果更加穩(wěn)定。實(shí)踐測量中，需要對溫度值進(jìn)行補(bǔ)償，確保溫度均勻穩(wěn)定。相關(guān)溫度修正公式如下：

公式中，溫度修正結(jié)果與量塊的長度L和線性膨脹系數(shù)a和溫度t 有關(guān)。由于實(shí)際測量中，大量塊的長度為標(biāo)稱長度，因此，長度變化對測量結(jié)果的影響可忽略。具體測量中，相關(guān)人員應(yīng)對線性膨脹系數(shù)a 和溫度t 進(jìn)行控制。實(shí)踐表明，對線性膨脹系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，觀測其變化值是改善溫度不利影響的關(guān)鍵路徑，應(yīng)對此提高研究力度。

然而，相關(guān)人員在使用大量塊進(jìn)行測量時，通常未能及時控制測量塊的具體溫度，使得測量結(jié)果的準(zhǔn)確度受到一定影響。為改善相關(guān)問題，降低不利影響，相關(guān)人員應(yīng)在大量塊使用前做好評估，并對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，使得測量過程更加可靠。鑒于溫度變化對實(shí)際測量結(jié)果的影響，需要對△=La(t-20)中，修正溫度的變化量進(jìn)行控制。

大量塊線性膨脹系數(shù)a 的誤差應(yīng)控制在±1×10-6℃。測量中，當(dāng)存在較高精度要求時，需要對量塊的膨脹系數(shù)進(jìn)行計算，并且引入了不確定度概念，不確定度記為U，U=2×10-8℃，k=2。以往測量實(shí)際中，未能引入不確定度概念，相關(guān)人員在開展測量時，通常是控制工作溫度。標(biāo)準(zhǔn)量塊與被測量塊之間的允許誤差大小隨著標(biāo)準(zhǔn)量塊在20℃中的偏離程度而發(fā)生變化，并且隨著量塊精度等級和長度的變化而發(fā)生變化。為提升策略結(jié)果準(zhǔn)確度，需要關(guān)注溫度均勻性問題，確保測量量塊與周圍溫度值均勻一致，并且將誤差控制在較小范圍內(nèi)。

在非封閉環(huán)境下使用大量塊進(jìn)行測量時，應(yīng)對設(shè)備的高精度進(jìn)行嚴(yán)格要求，需要使用溫度量塊時，應(yīng)考慮不確定度U，將U的值控制在合理范圍內(nèi)。通常情況下，需要滿足U=0.1℃，系數(shù)k=2，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。而在較為封閉的環(huán)境下，需要使用高精度測量儀，此時U的限定條件應(yīng)控制在0.01℃，參數(shù)k的值為2。對量塊溫度進(jìn)行控制時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)換器，確保轉(zhuǎn)換器與量塊之間具有良好的接觸面，同時，減少接觸面溫度差值，確保最佳接觸面與量塊表面進(jìn)行有效貼合[2]。通過以上技術(shù)條件，可降低環(huán)境因素對測量結(jié)果產(chǎn)生的不利影響。

2.4 使用溫度問題

在大量塊的使用過程中，會出現(xiàn)量塊溫度與儀器溫度混合的問題，使得測量結(jié)果誤差較大。為改善這一問題，在測量和使用前需要將量塊和儀器設(shè)備在同一環(huán)境下放置較長時間，并且使用量塊校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行誤差糾正。使用測長機(jī)對量塊進(jìn)行測量，相關(guān)人員需要將尾座進(jìn)行固定，取下量塊時，設(shè)備頭座與尾座的測量帽應(yīng)對準(zhǔn)，并確保量塊與測桿系統(tǒng)在封閉的環(huán)形內(nèi)。測量結(jié)果表明，量塊與導(dǎo)軌是同時變化的，當(dāng)溫度膨脹系數(shù)一致時，此時長度值相同，溫度高低的影響便可相互抵消。

3 結(jié)論

綜上所述，文章對大量塊使用條件進(jìn)行明確，提出在溫度過高時引入修正量，對量塊溫度、膨脹系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行控制，使得量塊應(yīng)用效果達(dá)到最佳。此外，在大量塊使用中對存在的問題進(jìn)行重點(diǎn)描述，相關(guān)問題主要來自量塊本身和工作溫度，通過改善工作環(huán)境，降低溫度變化對測量結(jié)果造成的不利影響。