空氣浮力對砝碼測量的影響

    超市的計價秤、金銀首飾店的天平、收費站的汽車衡、行李秤、嬰兒秤、郵政秤……我們的日常生活幾乎每天都和天平、秤有所交集。衡量天平和秤是否準確公平，都離不開砝碼。根據不同準確度衡器計量需求的不同，砝碼的準確度也有不同的等級。不同等級的砝碼在量值傳遞過程中，除了砝碼自身精確測量，還會受空氣浮力的等外在因素的影響，中國計量院力聲所質量實驗室正致力于空氣浮力修正的研究，確保量值傳遞準確可靠。

    “在現代科學研究和精準測量中，質量測量的精度要求很高，有些已達到微克數量級"，質量實驗室主任王健用了個形象的比喻來說明“微克"到底有多重，“一根在空氣中漂浮著的細小絨毛的質量大約為15微克，我們測量1千克物體的精度，相當于測量一架空客A320質量時精確到4只蚊子的體重。"

    王健介紹說，砝碼在空氣中進行質量測量和進行質量量值傳遞時，其實測量儀器上的測量示值并不能正確反映被測砝碼的真實質量。“因為標準砝碼與被測砝碼質量之間都會受到空氣浮力的影響"，因此，在質量量值傳遞過程中需要對被測砝碼的空氣浮力進行修正。空氣密度和物體體積是空氣浮力修正的主要參量，對質量量值傳遞的準確度起到了至關重要的作用。為此，一些先進國家已建立了相應的空氣密度測量系統和砝碼體積測量系統。

    而我國計量技術機構在進行質量量值傳遞時，確定空氣密度通常采用查表法。查表法所使用的空氣密度表完成于上世紀70年代，當時全國質量專業的研究人員攜帶著儀器設備到全國的很多地區進行實地測量，通過大量數據的積累、計算，合力編寫出了這一被廣泛使用的全國部分地區的月平均空氣密度表，為需要進行空氣浮力修正的測量提供了有利的技術依據。但是40多年來，大氣環境發生了巨大改變，空氣密度計算公式也因為技術法規的重新修訂而改變。為了滿足相關計量和科研工作對實驗準確度的要求，急需對全國各主要地區的空氣密度進行實時測量。

    在砝碼體積測量方面，我國計量技術機構通常采用的液體靜力法。這個方法以液體密度為基準，將被測砝碼放置于液體中進行測量，并計算其體積，操作程序繁瑣，而且液體會對被測砝碼體本身造成污染，影響其質量量值傳遞的穩定性和準確度。此外，由于液體靜力法本身的缺陷，目前還無法對帶有調整腔的砝碼測量體積。

    為確保空氣浮力修正的準確性，提升我國質量量值傳遞的準確度，必須準確測量空氣密度、被測質量體積和標準質量體積。王健課題組經過4年的努力，研制了具有比國外同類裝置具有更高準確度和量程范圍的空氣密度測量系統和砝碼體積測量系統，并通過了質檢總局組織的專家鑒定。系統可準確測量空氣密度、被測質量體積和標準質量體積，確保空氣浮力修正的準確可靠，大幅提升質量量值傳遞的準確度。

圖1：空氣密度測量系統

    尺寸與筆記本電腦差不多、厚度相當于3臺筆記本電腦摞起的高度，再和一臺計算機相連，如果不是王健在一旁介紹，真的難以將這個外觀簡單得出人意料的設備和空氣密度測量系統相聯系。這一系統采用集成化設計，在國際上通過對被測質量周圍環境參量，如溫度、濕度、大氣壓力、二氧化碳含量等的同步實時測量，實現對空氣密度的實時測量和修正，不確定度Urel=7.2?10-4（k=2）。與國內同類裝置相比，該測量系統的測量準確度大幅提升；和國際計量局等國外同類設備相比，體積小巧，檢測校準更為快捷方便，此外還具有長期數據存儲、圖形化分析、傳感器實時校準等功能，技術功能達到水平。

圖2：聲學法體積測量系統

    4個大小不一的圓柱狀的聲學耦合腔，加上信號發生器、傳聲器、功率放大器、信號采集系統就是課題組研制的聲學法體積測量系統。這個系統不再需要將砝碼浸入液體中進行體積測量，測量過程快速、無污染，測量一個砝碼體積的時間由原來的半小時縮減到6分鐘，測量結果準確，同時可測量帶有調整腔的砝碼體積，應用范圍廣泛。值得一提的是，這一系統國際上20kg砝碼聲學法體積測量的空白，擴展了砝碼體積測量的手段和量程范圍，測量范圍及準確度等指標達到水平。"

    目前，空氣密度測量系統和聲學法體積測量系統已在全國多家省級計量部門及衡器企業中得到廣泛的使用。隨著這套質量標準空氣浮力修正系統的進一步推廣應用，將為高準確度的質量測量提供準確的空氣浮力修正參數，為我國質量及相關量的高準確度量值傳遞提供了技術保障。

空氣浮力對砝碼測量的影響