高海拔环境下质量传递分析实验研究

刘 颖,曾 波

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

高海拔环境下质量传递分析实验研究

刘 颖,曾 波

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

为分析高海拔环境对砝码测量结果的影响，填补该领域的试验空白，设计并完成在不同海拔地区（包括成都、理塘、林芝、日喀则、拉萨）对砝码的测量实验。基于砝码规程的理论基础，采用配套设备现场校准，实验数据现场采集，并设计两组试验用于消除测量过程中设备和人员对测量结果的影响，通过实验结果分析环境变化对测量工作的影响，以及如何在工作中尽量消除这些影响，从而有效提高测量准确性。

高海拔；试验空白；设计；测量实验；分析

0 引 言

质量需通过砝码体现，但砝码是实物量具，准确性极易受到环境的影响。为了提高测量准确性，需完善实验室环境，尽量接近规程中理想状态的要求。在实际使用砝码的过程中，大量实验室或者实验环境不能完全达标，特别是在高海拔地区，高原独特的气候（空气稀薄,气压低,氧气少，温差大）[1-3]会给测量数据造成影响，影响会有多大，尚需研究。本文所完成的实验及结果不仅可以填补在不同环境条件下对质量量值传递结果分析的试验空白，还可以指导日常的检定校准工作，尽量消除环境对测量结果的影响，提高检定水平。

1 实验技术路线

1.1 理论依据

不同实验地区，海拔和气候不同，需要测量当地的环境参数，包括大气压力、温度和相对湿度，并依据下式计算出当地的空气密度[4]：

式中：P——大气压力，hPa；

RH——相对湿度，%；

t——温度，℃。

如果空气密度相对于ρ0=1.2 kg/m3的偏移量超过了10%，并且被检砝码的密度ρt偏离折算值8000kg/m3,则折算质量可以通过下式[4-5]进行修正：

式中：mcr——标准砝码的折算质量；

ρa——潮湿空气的密度；

Vt——被检砝码的体积；

Vr——标准砝码的体积；

ΔI——天平的指示差；

ΔIs——由灵敏度砝码引起的天平指示的改变。

1.2 设备选择

用于本次实验的电子天平和砝码的技术指标如表1和表2所示。

表1 电子天平技术指标

表2 砝码技术指标

为确保本次实验能准确测得不同地区的环境条件，还需携带一台校准后的空气密度测量装置[6]，其技术指标如表3所示。

表3 空气密度测量装置技术指标

为确保实验数据能较为准确地反映环境对砝码测量的影响，实验中所使用的电子天平和砝码均已在中国测试技术研究院衡器室校准，并完成了长期的稳定性实验[7-8]，以确保实验数据的可靠性。

1.3 路线设定

本次实验主要为研究高海拔地区的不同环境条件对砝码测量的影响，所以在实验进行前先设定好线路，选择有代表性的地区进行实验，其实验地点线路图如图1所示。

2 实验过程

图1 实验线路图

在不同海拔地区检测标称值分别为50g和20g的两个砝码（标准砝码采用材料密度为8.0g/cm3，编号为1 635的砝码，被检砝码采用材料密度为7.9 g/cm3，编号为84367的砝码）。在5个不同地区测量之前首先选择当地环境较为稳定、周围无明显气流及振动的地点进行实验，然后将实验所需标准器及配套设备放置于该环境中稳定，电子天平提前预热并在每个地区都由专人进行了电子天平的性能测试[9]，以保证在测量过程当中数据的准确性。测试结果均为满意，根据所携带设备的技术指标，设计并完成了两组实验：1）使用同一台电子天平对砝码连续测量10次，最终取平均值作为测量结果；2）使用岛津公司提供的两个天平对同一个砝码分别进行测量。

2.1 砝码测量

第1组实验使用岛津公司提供的型号为AUW220D的电子天平测量标称值为50g砝码，在5个地区测量该砝码时实验人员均采用连续重复测量10次数据，最终取平均值作为测量结果。整理原始数据后得到各地未修正前的数据如表4所示。

表4 50g砝码修正前数据

第2组实验使用岛津公司提供的型号为AUW220D和AUW120D的电子天平分别测量同一个20 g砝码，整理原始数据后得到在不同地区测量的未修正前的数据如表5所示。

表5 20g砝码修正前数据

2.2 环境测量

使用空气密度测量装置测量各地的实验环境数据，得到结果如表6所示。

表6 各地测量环境数据

3 数据分析

在各地完成实验后，将所有测量数据带回成都进行数据处理，按照式（1）进行计算，得到各地空气密度的数据如表7和图2所示。

表7 各地空气密度

为了比较各地测量的结果，采用砝码规程中的方法，将各地的测量数据均修正到约定温度（tref）为20℃；约定的空气密度（ρ0）为1.2 kg/m3；砝码折算质量的约定密度（ρref）为8000kg/m3。由于被检砝码的密度ρt偏离折算值8 000 kg/m3，并且在理塘、林芝、日喀则和拉萨几个地区的空气密度相对于ρ0=1.2kg/m3的偏移量都超过了10%，所以按照式（2）对数据进行处理，结果如表8所示。

表8 修正后各地检测数据

将整理修正后的数据制成折线图进行分析。由图3可以看出，在5个地区用同一台电子天平和同一标准器多次测量同一标称值为50g的被检砝码，测量结果经过修正之后不完全相等。

由图4可以看出，在5个地区用不同的两台电子天平和同一标准器测量同一标称值为20g的被检砝码，测量结果经过修正之后不完全相等。在林芝和拉萨两个地区，不同的电子天平测量的两个结果不相等。

图2 各地实测空气密度值

图3 各地50g砝码折算质量修正值

图4 各地20g砝码折算质量修正值

在整个实验过程中，每到一个地区开始实验之前均先将天平预热并校准，砝码测量之前均先用干净绸布擦拭干净。砝码的测量采用砝码规程中的要求，按照ABBA的循环方式，以消除天平的线性漂移[4]。本次实验的设计和操作尽量消除了标准装置和人员操作对实验结果的影响，从而真实地反映环境条件对测量结果的影响。理论上讲，将不同环境条件下测得的实验数据修正到砝码规程约定的情况下，对测量同一砝码来讲修正后的值应该是相等的，而从两组实验数据可以看出，对同一砝码的测量结果进行修正后，其值却并不相等，这说明环境的变化对测量结果造成了影响。

从实验数据可以看出，若假设在成都所测结果为标准值mref，在其他地区测量结果为mlab，那么数据经过修正以后，由于环境的变化而在数据未进行修正以前，由于环境的变化因此，经过修正以后可以减小环境对测量结果的影响。

由本次实验可以看出，环境的变化对测量工作会带来影响，如果在高海拔地区（环境变化较大）进行量值测量工作时，测量当地的实际环境参数是必不可少的，如果要尽量减小环境对测量结果的影响，必须对所测数据进行空气浮力修正。如果是对于F1等级及以下等级的砝码，修正以后环境部分影响量对测量结果的影响就不会很大，通常情况下可以忽略；但是对于高等级的砝码，这部分的影响对测量结果的影响较大，不能忽略。

4 结束语

本次在高海拔地区对砝码进行测量，分析由于环境的变化对量值传递的影响，由所得的测量结果可以得出环境的变化对砝码的测量结果会造成一定影响。在实际的检定校准工作中，为了保证各地区质量量值传递的准确性和可靠性，要求检测人员在测量过程中应严格按照规程的要求完成测量，且应该尽量减小海拔高度，减小实际环境条件与约定环境条件的差异。如果在特殊环境进行测量，则要求在测量过程中应测出实际环境参数，并且要保证测量环境参数的仪器设备（如空气密度测量仪、压力测试仪等）的准确性，以便能尽量消除环境对测量结果的影响。

[1]张顺利.西藏30年温度变化的气候特征[J].气象，1997（2）：21-24.

[2]刘义军，李林.西藏高原降水、气温气候特征分析[J].成都气象学院学报，1999（1）：100-104.

[3]张云红，许长军，亓青，等.青藏高原气候变化及其生态效应分析[J].青海大学学报：自然科学版，2011（4）：18-22.

[4]JJG 99—2006砝码检定规程[S].北京：中国计量出版社，2006.

[5]王肖磊.高准确度质量标准测量中空气浮力修正的研究[D].北京：中国计量科学研究院，2011.

[6]黄锦才.关于空气密度的快速测定[J].中国测试技术，2003（2）：3-5.

[7]林文章.F1等级砝码标准装置稳定性分析与应用[J].中国计量，2012（2）：86-87.

[8]王春荣，孟景华.建立砝码质量计量标准如何选择主标准器及配套设备[J].中国计量，2013（7）：116-118.

[9]JJG 1036—2008电子天平检定规程[S].北京：中国计量出版社，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

刘 颖（1985-），女，四川绵阳市人，硕士，主要从事砝码检测技术、标准化研究工作。