低于0.65 g/cm3工作密度计测量方法

文慧卿 汪濂/上海市计量测试技术研究院

低于0.65 g/cm3工作密度计测量方法

以浮力称量法对低于0.65 g/cm3工作密度计进行溯源性测量。使用带有垂挂称量功能的分析天平，通过称量吊挂密度计浸没在液体中的平衡质量得到密度计所受浮力，求得该测量点处的密度计修正值。实际操作中，需要考虑天平漂移、液体表面张力、垂挂倾斜等主要因素所带来的测量不确定度影响。

密度计；低于0.65 g/cm3；密度计修正值；浮力称量法

0 引言

目前可溯源的密度量值测量范围为0.65～3.00 g/cm3，无法对低于0.65 g/cm3密度计进行直接比较法测量[1]。要开展0.65 g/cm3以下密度量值的测量，只能采取浮力称量法。这种方法的测量步骤：1）测量点0.65 g/cm3处同时使用直接比较法与浮力称量法；2）使用一等标准与国家基准同时对0.50～0.55 g/cm3密度计进行浮力称量法测量。测量数据表明，浮力称量法的测量结果是可靠的。

1 测量原理及方法

浮力称量法以阿基米德原理为基础。在稳定状态下的校准液中，通过称量吊挂的密度计于静态平衡时的质量，得到密度计所受浮力，换算为密度计标尺与液面相切的选定测量点分度以下的密度计实际体积，即其所排开的液体体积，求得选定测量点处的密度计修正值。测量原理如图1所示。

室温20 ℃时，考虑到密度计、吊具与垂挂物在空气中的质量，密度计及垂挂物在液体中所受浮力，以及液体表面张力与空气浮力的影响，根据平衡方程式m=Vρ，通过密度计测量点分度浸没于液体中所受到的浮力，可得到密度计测量点分度以下的体积Vi如式（1）：

从而得到密度计在选定测量点的修正值Δρ，

图1 浮力称量法原理

如式（2）：

式中：m0—密度计在空气中质量；

m1—密度计浸没于液体中质量；

m吊—吊具在空气中质量；

m垂—垂挂物在空气中质量；

ρ液—校准液密度（20 ℃）；

ρ垂—垂挂物密度（20 ℃）；

ρ空—空气密度；

α'—实际使用液体毛细常数；

α—校准使用液体毛细常数；

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D—密度计测量点处的平均直径；

g—重力加速度；

ρ分—密度计测量点处的分度值

2 测量操作

2.1 校准液的配置选择

理想的校准液应当密度值、液温及化学性质稳定，表面张力较小，易于保存，不易挥发或变质，安全环保且毒性低，价格低廉，能够大量使用并且经常更换。

2.2 垂挂物的重要作用

低于0.65 g/cm3的密度计本身质量极轻，其自身所受浮力太小，不足以使得密度计测量点稳定浸没于校准液体中，因此，在进行密度计浮力称量时，需要在密度计上设计合理的垂挂环，以保证浮力称量时无漂移，无晃动，无倾斜。为了使浮力称量足够稳定、准确，同时减少液体表面张力影响，所以，垂挂环使用实心金属合金制作，表面光滑，体积尽量小，厚度尽量薄，结构呈圆环形且中心对称。垂挂环内径要求贴合浮计干管外壁。订制不同重量及不同尺寸的成套垂挂环，使浮计干管标尺的测量点分度与校准液面相切。

2.3 密度计测量

通过表1数据表明，在测量点0.65 g/cm3处，同时使用浮力称量法与直接比较法这两种方法进行测量，两者的修正值之差很小，均不大于其扩展不确定度0.000 20 g/cm3。

表1 两种方法的测量结果 单位：g/cm3

2）选用两支测量范围0.50～0.55 g/cm3的密度计，同时使用一等标准密度计与基准密度计，对测量点0.50 g/cm3、0.53 g/cm3及0.55 g/cm3进行浮力称量法的测量，比较两种测量结果的一致性。以基准作为仲裁标准，以基准测量数据作为其测量结果准确性与否的判定依据。浮力称量法的测量扩展不确定度为0.000 20 g/cm3（下文有具体的评定），两者修正值之差应不大于其扩展不确定度0.000 20 g/cm3。

表2数据表明，在测量点0.50 g/cm3、0.53 g/cm3及0.55 g/cm3处，分别使用一等和基准密度计，对其进行浮力称量法的测量。上述两者修正值之差很小，均不大于其扩展不确定度0.000 20 g/cm3。

表2 使用一等和基准两种密度计的测量结果 单位：g/cm3

3 浮力称量法测量结果的不确定度评定

测量结果的不确定度主要来源于一等标准密度计、天平称量、测量重复性、液体表面张力、垂挂倾斜、液温变化、空气密度，各分量评定如下：

一等标准密度计的扩展不确定度U为

8×10-2kg/m3（k = 2）[2]。

2）天平称量所引入的不确定度分量

电子天平的不确定度U为0.4 mg（k = 2）。

3）重复测量性所引入的不确定度分量

当测量3次时：

4）表面张力、垂挂倾斜、温度变化、空气密度所引入的不确定度分量

此四个分量所引入的不确定度分量均不超过±0.2分度值，分度值为0.000 5 g/cm3，服从均匀分布。

浮力称量法测量结果的不确定度评定结果见表3。浮力称量法测量结果的扩展不确定度为

U = 0.000 20 g/cm3（k = 2）

表3 不确定度评定结果

4 结语

我国传统的密度计量方法为直接比较法，由于低于0.65 g/cm3密度范围段内无法找到合适、理想的直接比较法测量用液体，因此，采用浮力称量法对低于0.65 g/cm3密度范围段进行测量。实验表明，天平漂移、液体表面张力、垂挂倾斜等是浮力称量法测量不确定度的主要影响因素，因此，全封闭式密闭操作、安装设计合理的垂挂环与吊具、尽可能减少液体表面张力，能够进一步提升该方法的测量准确度。浮力称量法弥补了直接比较法的不足和空白。上述测量数据表明，浮力称量法准确可靠，可以作为低于0.65 g/cm3密度计的主要测量方法。

[1]全国质量、密度计量技术委员会.JJG42-2011 [S].北京：中国质检出版社，2012.

[2]全国质量、密度计量技术委员会.JJG86-2011 [S].北京：中国质检出版社，2012.

A measurement method for measuring hydrometer below 0.65 g/cm3

Wen Huiqing, Wang Lianjiong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

According to the buoyancy weighing method, measuring hydrometers below 0.65 g/cm3were traced to the source of quality. Using the analytical balance equipped with dangling weighing system, by weighing the balance quality of the hydrometer which was immersed in liquid, the buoyancy of hydrometer was measured and the corrected density value of the measuring point was obtained. In practical operation, the main influencing factors for measurement uncertainty including balance drift, liquid surface tension and vertical tilt should be considered.

hydrometer; below 0.65 g/cm3; density value; buoyancy weighing method