提高密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確度的方法

梁秀麗，王建國，王旭華，王學(xué)琴，張坤，梁旭

(1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所 (余姚分所)，余姚，315400;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，山東濟(jì)南，250031)

0 引言

密度計(jì)是測(cè)量液體密度最常用的儀器，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生及國防等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著石油化工、食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等各項(xiàng)事業(yè)的迅速發(fā)展，在控制生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量、商貿(mào)等方面對(duì)密度量值的準(zhǔn)確度均有明確的要求，密度計(jì)的量值是否準(zhǔn)確可靠，直接影響到液體密度測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受多種因素的影響，它不僅與主標(biāo)準(zhǔn)器、密度檢定液和技術(shù)人員的技術(shù)水平有關(guān)，還與操作方法有關(guān)。作者憑借多年從事密度計(jì)量工作積累的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)密度計(jì)校準(zhǔn)中的問題，提出了一些見解，通過分析影響密度計(jì)校準(zhǔn)的各種因素，指出了密度計(jì)校準(zhǔn)的正確的操作方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑［1－2］

一等標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)組:共39支，測(cè)量范圍650～2000 kg/m3，分度值為0.2 kg/m3和0.5 kg/m3;

電子天平:型號(hào)JD1000-2，測(cè)量范圍10 mg～1000 g;

千分尺:分度值0.01 mm，測(cè)量范圍0～25 mm;

溫度計(jì):內(nèi)標(biāo)式0.1℃，測(cè)量范圍0～50℃;

檢定筒:內(nèi)徑110 mm，高500 mm;

密度液:石油產(chǎn)品混合液650～810 kg/m3，酒精溶液810～920 kg/m3，硫酸氫乙酯930～1830 kg/m3，碘化鉀－碘化汞水溶液1840～2000 kg/m3。

1.2 工作原理

采用直接比較法，按照檢定規(guī)程的要求開展密度計(jì)校準(zhǔn)。將被檢密度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)同時(shí)浸入同一檢定液中，直接比較其分度表上的示值，校準(zhǔn)時(shí)如果校準(zhǔn)液與被校密度計(jì)實(shí)際使用的液體不同，則進(jìn)行毛細(xì)常數(shù)修正，最后經(jīng)過一系列計(jì)算得出被校密度計(jì)的修正值［1－2］。

式中:Δρ為被校密度計(jì)的修正值，kg/m3;ρ標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)修正后的密度值，kg/m3;ρ被為被校密度計(jì)修正后的密度值，kg/m3。

2 影響因素及正確操作方法

校準(zhǔn)工作中，密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性主要受主標(biāo)準(zhǔn)器、配套設(shè)備、校準(zhǔn)環(huán)境、校準(zhǔn)方法及人員的熟練程度等多方面的影響。

2.1 主標(biāo)準(zhǔn)器的量值

主標(biāo)準(zhǔn)器是指標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)，其量值是否準(zhǔn)確直接影響密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此必須對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。在密度計(jì)校準(zhǔn)工作中，由于主標(biāo)準(zhǔn)器頻繁使用，或因其玻璃材質(zhì)的體積收縮，密度計(jì)干管內(nèi)的標(biāo)尺會(huì)發(fā)生位移，使密度計(jì)量值發(fā)生變化;另外，密度計(jì)壓載室內(nèi)通常用鉛粒封住，使用時(shí)間長(zhǎng)了，可能因鉛粒松動(dòng)，使得密度計(jì)重心偏移，影響測(cè)量結(jié)果。因此對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)，要正確使用和維護(hù)，并進(jìn)行周期檢定，同時(shí)還要在兩個(gè)檢定周期內(nèi)至少進(jìn)行一次期間核查。核查方法有多種，可以用標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)測(cè)量有準(zhǔn)確密度量值的液體，也可用標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)對(duì)密度量值穩(wěn)定的密度計(jì)進(jìn)行檢定，比較其量值的變化。

2.2 密度液

液體毛細(xì)常數(shù)決定于液體本身的特性，它與液體的表面張力有關(guān)。液體自身的清潔程度會(huì)影響表面張力，且張力隨時(shí)間變化而變化，這種變化對(duì)表面張力大 (即毛細(xì)常數(shù)大)的液體更為顯著，實(shí)驗(yàn)表明這項(xiàng)誤差對(duì)浮計(jì)示值的影響估計(jì)為0.1個(gè)分度值［3］。在條件允許時(shí)，盡量用一定純度的試劑配制，以減少表面張力，并且避免因雜質(zhì)存在，影響人的視覺分辨力，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.1 配制公式［3－5］

配制密度液首先要計(jì)算欲配制液體的各組分分量。如果將密度為ρ1和ρ2的兩種液體配制成密度為ρ、體積為V的密度液，可按公式 (2)和 (3)［3－4］計(jì)算所需兩種溶液的體積V1和V2，這樣可以提高欲配制密度液量值的準(zhǔn)確性，減少微調(diào)時(shí)的工作量。

式中:ρ1，ρ2，ρ為溶液的密度，kg/m3;V1，V2，V 為溶液的體積，m3。

2.2.2 配制注意事項(xiàng)

配制密度液，首先選用試劑級(jí)的材料，以減小毛細(xì)常數(shù)及雜質(zhì)的影響;其次要掌握正確的配制方法。對(duì)于石油產(chǎn)品混合液、酒精水溶液、硫酸水溶液、碘化鉀－碘化汞水溶液由于配制方法較為簡(jiǎn)單，按規(guī)程要求進(jìn)行即可［4］，不再贅述。

由于硫酸氫乙酯配制過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并放出大量的熱，溫度過高時(shí)，會(huì)加速乙醇碳化，使溶液顏色變深，影響密度計(jì)讀數(shù)，并且縮短保質(zhì)期，因此配制這種密度液，一定要控制液溫不超過40℃。實(shí)踐證明，在配制硫酸氫乙酯時(shí)，酒精液的濃度是影響硫酸氫乙酯穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，因此必須用85%的酒精液進(jìn)行配制，否則會(huì)因?yàn)槊芏纫褐懈鹘M分分量分配不當(dāng)，給毛細(xì)常數(shù)修正帶來誤差，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 環(huán)境影響

2.3.1 實(shí)驗(yàn)室溫度

按照檢定規(guī)程的要求，檢定標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)時(shí)，控制室溫與液溫之差不超過2℃，檢定工作密度計(jì)時(shí)，室溫與液溫之差不超過5℃。由于密度計(jì)的玻璃膨脹系數(shù)β= ( 2 5±2 ) ×10－6℃－1，則會(huì)由于密度計(jì)的玻璃膨脹，使密度計(jì)干管標(biāo)尺密度值發(fā)生變化，變化量為Δρ=ΔtΔβρ，因此校準(zhǔn)時(shí)，要控制室溫與液溫相對(duì)穩(wěn)定，一般控制室溫在 (20±5)℃為宜。

2.3.2 光線

光線直射在密度計(jì)上，會(huì)使形成的彎月面與干管切線變細(xì)，影響視覺判斷，產(chǎn)生較大的讀數(shù)誤差。因此校準(zhǔn)開始時(shí)，室內(nèi)要盡量避免陽光直射。

2.3.2 氣流

室內(nèi)如有氣流，則會(huì)使密度計(jì)漂浮不定，影響視覺判斷，同時(shí)由于密度計(jì)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，液溫容易不均勻，造成測(cè)量誤差，因此校準(zhǔn)時(shí)要避免有氣流。

2.4 校準(zhǔn)過程

2.4.1 器具的清潔

校準(zhǔn)前先將標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)、被校準(zhǔn)密度計(jì)、檢定筒、攪拌器等洗凈干燥后，置于檢定室內(nèi)，清洗好的玻璃儀器內(nèi)壁應(yīng)不掛水珠，清洗干凈的密度計(jì)不要用手觸摸標(biāo)尺的干管部位。

如果器具不清潔，不僅會(huì)污染密度液，還會(huì)使密度計(jì)干管沾附過多液體，給測(cè)量結(jié)果引入誤差。

2.4.2 密度液的調(diào)配

將密度液小心地倒入檢定筒內(nèi)中，并攪拌均勻，調(diào)整密度液到標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)校準(zhǔn)點(diǎn)上下2個(gè)分度值之內(nèi)，否則對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

2.4.3 外觀檢查

目前，市面上密度計(jì)質(zhì)量參差不齊，一些生產(chǎn)密度計(jì)的廠家受利益的驅(qū)使，忽略產(chǎn)品質(zhì)量，有的企業(yè)甚至沒取得“生產(chǎn)計(jì)量器具許可證”而私自生產(chǎn)密度計(jì)。因此校準(zhǔn)前必須進(jìn)行外觀檢查。密度計(jì)內(nèi)不得有霧氣、柳紋、裂紋，壓載室不得有松動(dòng)，如有一項(xiàng)不符合要求，則判為不合格，不再進(jìn)行示值校準(zhǔn)。

2.4.4 示值校準(zhǔn)

用手輕提標(biāo)準(zhǔn)和被檢密度計(jì)干管頂端，即左右兩手要捏住密度計(jì)干管上端，不要捏到干管標(biāo)尺處，將其緩緩浸入密度液中，待接近平衡位置時(shí)再慢慢放手，否則，密度計(jì)因上下波動(dòng)，干管上沾有液體，增加了密度計(jì)的質(zhì)量，使測(cè)量結(jié)果偏低。因此校準(zhǔn)時(shí)，一定要熟練操作，使其在校準(zhǔn)點(diǎn)上下三個(gè)分度值內(nèi)波動(dòng)，并穩(wěn)定1～3 min，這一點(diǎn)對(duì)于硫酸水溶液、硫酸氫乙酯這類粘性液體或碘化鉀－碘化汞尤為重要，尤其是碘化鉀和碘化汞液。另外，密度計(jì)不要相互碰撞或吸附在一起，更不能附著在檢定筒的內(nèi)壁上，否則，由于存在支撐力，相應(yīng)增加了浮力，給校準(zhǔn)結(jié)果帶來誤差。

對(duì)于液體要充分?jǐn)嚢瑁允雇矁?nèi)液溫均勻穩(wěn)定，同時(shí)要注意不得產(chǎn)生氣泡，因?yàn)闅馀莸拇嬖?，液體內(nèi)部不均勻，同時(shí)氣泡還可附著在密度計(jì)上，使密度計(jì)體積增加，產(chǎn)生示值誤差。

2.4.5 讀數(shù)

用密度計(jì)讀數(shù)的方法按規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行，除標(biāo)明按彎月面上緣讀數(shù)外，其它均按下緣讀數(shù)。無論按上緣還是下緣讀數(shù)均應(yīng)先用眼睛對(duì)準(zhǔn)彎月面上緣或下緣，與干管相切于兩條相鄰標(biāo)記即分度值間的位置，并判斷出占分度值的十分之幾，估讀到分度值的十分之一。如果密度計(jì)刻線較細(xì)時(shí)，可以配以讀數(shù)放大鏡。

使用硫酸檢定液時(shí)，為消除或盡量減少液體表面張力變化的影響，必須采用溢出法，使密度液表面一層液體溢出，形成好的彎月面，可減少讀數(shù)誤差，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.4.6 空氣浮力

密度計(jì)在液體中平衡時(shí)，液面以上那部分體積受到空氣浮力的影響，由于這部分體積小，在通常狀態(tài)下，空氣變化很小，因此空氣浮力引入的誤差可忽略不計(jì)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 溫度修正

將兩支具有同一標(biāo)準(zhǔn)溫度和同樣材料的密度計(jì)，浸入同一非標(biāo)準(zhǔn)溫度的密度液中校準(zhǔn)時(shí)，由于兩支密度計(jì)體積改變所導(dǎo)致的誤差相同，在比較其示值時(shí)被抵消，故只要液體溫度均勻一致，無需做溫度修正，若標(biāo)準(zhǔn)和被檢密度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫度不同，而又在同一標(biāo)準(zhǔn)溫度密度液中校準(zhǔn)，則須作溫度修正。

2.5.2 毛細(xì)常數(shù)修正

由于各種液體的毛細(xì)常數(shù)不同，如密度計(jì)實(shí)際工作中測(cè)量液體密度和檢定時(shí)的液體不一樣，則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，為了消除此誤差，必須進(jìn)行毛細(xì)常數(shù)修正，因此在檢定用液與實(shí)際使用液體不一致時(shí)，毛細(xì)常數(shù)修正很重要，如果不進(jìn)行修正，將對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

3 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

2011年，我們參加了由中國合格評(píng)審委員會(huì)(CNAS)組織、中國計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)施的“工作密度計(jì)校準(zhǔn)”能力驗(yàn)證項(xiàng)目，取得了很好的結(jié)果，校準(zhǔn)結(jié)果比較見表1。

表1 工作密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果比較 kg/m3

由表1可知，我們的校準(zhǔn)結(jié)果與中國計(jì)量科學(xué)研究院的校準(zhǔn)結(jié)果一致性很好，說明本標(biāo)準(zhǔn)器組的計(jì)量性能符合要求，同時(shí)也說明，只有各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，才能保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

影響密度計(jì)校準(zhǔn)的因素很多，在工作中要首先了解各種影響因素，并針對(duì)每一影響因素，采用正確的操作方法，盡可能消除其影響，減小測(cè)量誤差。必須保證主標(biāo)準(zhǔn)器的量值準(zhǔn)確和穩(wěn)定，注意密液的配制方法，正確控制校準(zhǔn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能提高密度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保密度量值準(zhǔn)確和可靠。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG86-2011標(biāo)準(zhǔn)玻璃浮計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2011.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG42-2011工作玻璃浮計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2011.

［3］李興華.密度·濃度測(cè)量 ［M］.北京:中國計(jì)量出版社，1990.

［4］李興華.密度計(jì)量 ［M］.1版.北京:中國計(jì)量出版社，2002.

［5］徐秀華.密度計(jì)量［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2010.