砝码体积测量的现状及发展

收稿日期：2016－01－06

砝码体积测量研究现状及发展趋势的探讨

董

雷许超

（陕西省计量科学研究院，陕西西安710065）

摘

要：体积是砝码测量的重要因素之一，现阶段国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进行总结分析，

并探讨了其发展趋势。

关键词：砝码；体积测量；液体静力法；声学法中图分类号：TH123+.2

文献标识码：A

国家标准学科分类代码：460.4030

DOI ：10．15988/j．cnki．1004－6941．2016．06．027

Ｒesearch Status and Development Trend of Weight Volume Measurement

Dong Lei

Xu Chao

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进行的，需要进行空气浮力的修正。根据阿基米德定理，需要知道被测砝码的体积。国际建议Ｒ111（2004版）和我国检定规程JJG99－2006《砝码》中规定，E 2等级20g 及以上砝码必须进行体积测量；F 1等级的50g 以上砝码，在海拔800米以上的地区使用也需进行体积测量，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，国际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

国内外研究现状

由于质量量值传递过程中砝码体积参数的重要性，各个国家的计量机构，特别是发达国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，目前都领先于我国。日本计量院（NMIJ ）在2000年就已开始研究在密封环境下进行质量量值传递。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，使之达到一定的气压值，在该气压值下进行质量量值的传递。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进行监测。此外在65kpa 105kpa 的气体压力条件下进行了质量量值传递研究，并进一步将这一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大气的压力变化而变化，利用这一变化，可以测量出质量标准的体积。日本NMIJ 将这一体积测量方式一直推广到2kg 20kg 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），可以在进行质

量量值测量传递的同时，完成质量标准的体积测量

。

图1日本NMIJ

研制的真空腔体及自动质量比较仪

图2BEV 的VD1005

体积质量比较仪

图3被测砝码的自动装载装置

图2为奥地利联邦计量测量部（BEV ）、维也纳技术

计量校准：ｗｗｗ．ｃｑｓｔｙｑ．ｃｏｍ

大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

。

图4BIPM

使用的液体静力法体积测量装置

图5

NIM

自行研制的自动体积测量系统

图6基于固体密度基准的体积测量装置（METAS ）

目前在国内，

砝码体积测量主要采用液体静力法（图5），实现方式有两种：第一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；第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进口，成本高，资金投入相当可观。因此，我国绝大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。根据国际建议OIML Ｒ111和JJG90－2006《砝码》国家计量检定规程，对于E 1等级砝码，体积测量范围应为1g 50kg ，而我国目前的砝码体积测量系统的测量范围上限只能到达20kg 。因此，我国在砝码体积测量范围上存在不足。

OIML Ｒ111中推荐使用的另一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

。

1

2

图7声学法体积测量原理图

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。3发展趋势

液体静力法以水密度为基准进行砝码体积的测量，这一方法受到了水密度准确度的极大地限制，因为一级水在空气中存放、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一水密度值，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

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