低于0.65 g/cm3工作密度計測量方法

文慧卿 汪濂/上海市計量測試技術(shù)研究院

低于0.65 g/cm3工作密度計測量方法

以浮力稱量法對低于0.65 g/cm3工作密度計進(jìn)行溯源性測量。使用帶有垂掛稱量功能的分析天平，通過稱量吊掛密度計浸沒在液體中的平衡質(zhì)量得到密度計所受浮力，求得該測量點處的密度計修正值。實際操作中，需要考慮天平漂移、液體表面張力、垂掛傾斜等主要因素所帶來的測量不確定度影響。

密度計；低于0.65 g/cm3；密度計修正值；浮力稱量法

0 引言

目前可溯源的密度量值測量范圍為0.65～3.00 g/cm3，無法對低于0.65 g/cm3密度計進(jìn)行直接比較法測量[1]。要開展0.65 g/cm3以下密度量值的測量，只能采取浮力稱量法。這種方法的測量步驟：1）測量點0.65 g/cm3處同時使用直接比較法與浮力稱量法；2）使用一等標(biāo)準(zhǔn)與國家基準(zhǔn)同時對0.50～0.55 g/cm3密度計進(jìn)行浮力稱量法測量。測量數(shù)據(jù)表明，浮力稱量法的測量結(jié)果是可靠的。

1 測量原理及方法

浮力稱量法以阿基米德原理為基礎(chǔ)。在穩(wěn)定狀態(tài)下的校準(zhǔn)液中，通過稱量吊掛的密度計于靜態(tài)平衡時的質(zhì)量，得到密度計所受浮力，換算為密度計標(biāo)尺與液面相切的選定測量點分度以下的密度計實際體積，即其所排開的液體體積，求得選定測量點處的密度計修正值。測量原理如圖1所示。

室溫20 ℃時，考慮到密度計、吊具與垂掛物在空氣中的質(zhì)量，密度計及垂掛物在液體中所受浮力，以及液體表面張力與空氣浮力的影響，根據(jù)平衡方程式m=Vρ，通過密度計測量點分度浸沒于液體中所受到的浮力，可得到密度計測量點分度以下的體積Vi如式（1）：

從而得到密度計在選定測量點的修正值Δρ，

圖1 浮力稱量法原理

如式（2）：

式中：m0—密度計在空氣中質(zhì)量；

m1—密度計浸沒于液體中質(zhì)量；

m吊—吊具在空氣中質(zhì)量；

m垂—垂掛物在空氣中質(zhì)量；

ρ液—校準(zhǔn)液密度（20 ℃）；

ρ垂—垂掛物密度（20 ℃）；

ρ空—空氣密度；

α'—實際使用液體毛細(xì)常數(shù)；

α—校準(zhǔn)使用液體毛細(xì)常數(shù)；

這一點，在大醫(yī)二院已提前實現(xiàn)。醫(yī)院管理者手機(jī)上，多平臺、圖形化，直觀反映經(jīng)營狀況和質(zhì)量管控已然實現(xiàn)，相關(guān)體系也在不斷完善和更新。

D—密度計測量點處的平均直徑；

g—重力加速度；

ρ分—密度計測量點處的分度值

2 測量操作

2.1 校準(zhǔn)液的配置選擇

理想的校準(zhǔn)液應(yīng)當(dāng)密度值、液溫及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，表面張力較小，易于保存，不易揮發(fā)或變質(zhì)，安全環(huán)保且毒性低，價格低廉，能夠大量使用并且經(jīng)常更換。

2.2 垂掛物的重要作用

低于0.65 g/cm3的密度計本身質(zhì)量極輕，其自身所受浮力太小，不足以使得密度計測量點穩(wěn)定浸沒于校準(zhǔn)液體中，因此，在進(jìn)行密度計浮力稱量時，需要在密度計上設(shè)計合理的垂掛環(huán)，以保證浮力稱量時無漂移，無晃動，無傾斜。為了使浮力稱量足夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確，同時減少液體表面張力影響，所以，垂掛環(huán)使用實心金屬合金制作，表面光滑，體積盡量小，厚度盡量薄，結(jié)構(gòu)呈圓環(huán)形且中心對稱。垂掛環(huán)內(nèi)徑要求貼合浮計干管外壁。訂制不同重量及不同尺寸的成套垂掛環(huán)，使浮計干管標(biāo)尺的測量點分度與校準(zhǔn)液面相切。

2.3 密度計測量

通過表1數(shù)據(jù)表明，在測量點0.65 g/cm3處，同時使用浮力稱量法與直接比較法這兩種方法進(jìn)行測量，兩者的修正值之差很小，均不大于其擴(kuò)展不確定度0.000 20 g/cm3。

表1 兩種方法的測量結(jié)果 單位：g/cm3

2）選用兩支測量范圍0.50～0.55 g/cm3的密度計，同時使用一等標(biāo)準(zhǔn)密度計與基準(zhǔn)密度計，對測量點0.50 g/cm3、0.53 g/cm3及0.55 g/cm3進(jìn)行浮力稱量法的測量，比較兩種測量結(jié)果的一致性。以基準(zhǔn)作為仲裁標(biāo)準(zhǔn)，以基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)作為其測量結(jié)果準(zhǔn)確性與否的判定依據(jù)。浮力稱量法的測量擴(kuò)展不確定度為0.000 20 g/cm3（下文有具體的評定），兩者修正值之差應(yīng)不大于其擴(kuò)展不確定度0.000 20 g/cm3。

表2數(shù)據(jù)表明，在測量點0.50 g/cm3、0.53 g/cm3及0.55 g/cm3處，分別使用一等和基準(zhǔn)密度計，對其進(jìn)行浮力稱量法的測量。上述兩者修正值之差很小，均不大于其擴(kuò)展不確定度0.000 20 g/cm3。

表2 使用一等和基準(zhǔn)兩種密度計的測量結(jié)果 單位：g/cm3

3 浮力稱量法測量結(jié)果的不確定度評定

測量結(jié)果的不確定度主要來源于一等標(biāo)準(zhǔn)密度計、天平稱量、測量重復(fù)性、液體表面張力、垂掛傾斜、液溫變化、空氣密度，各分量評定如下：

一等標(biāo)準(zhǔn)密度計的擴(kuò)展不確定度U為

8×10-2kg/m3（k = 2）[2]。

2）天平稱量所引入的不確定度分量

電子天平的不確定度U為0.4 mg（k = 2）。

3）重復(fù)測量性所引入的不確定度分量

當(dāng)測量3次時：

4）表面張力、垂掛傾斜、溫度變化、空氣密度所引入的不確定度分量

此四個分量所引入的不確定度分量均不超過±0.2分度值，分度值為0.000 5 g/cm3，服從均勻分布。

浮力稱量法測量結(jié)果的不確定度評定結(jié)果見表3。浮力稱量法測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

U = 0.000 20 g/cm3（k = 2）

表3 不確定度評定結(jié)果

4 結(jié)語

我國傳統(tǒng)的密度計量方法為直接比較法，由于低于0.65 g/cm3密度范圍段內(nèi)無法找到合適、理想的直接比較法測量用液體，因此，采用浮力稱量法對低于0.65 g/cm3密度范圍段進(jìn)行測量。實驗表明，天平漂移、液體表面張力、垂掛傾斜等是浮力稱量法測量不確定度的主要影響因素，因此，全封閉式密閉操作、安裝設(shè)計合理的垂掛環(huán)與吊具、盡可能減少液體表面張力，能夠進(jìn)一步提升該方法的測量準(zhǔn)確度。浮力稱量法彌補(bǔ)了直接比較法的不足和空白。上述測量數(shù)據(jù)表明，浮力稱量法準(zhǔn)確可靠，可以作為低于0.65 g/cm3密度計的主要測量方法。

[1]全國質(zhì)量、密度計量技術(shù)委員會.JJG42-2011 [S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[2]全國質(zhì)量、密度計量技術(shù)委員會.JJG86-2011 [S].北京：中國質(zhì)檢出版社，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