長度計量器具使用中的溫度控制問題研究

李金朝 于敬水 王林虎 劉超 張廣征

【摘要】在長度測量過程中，待測物品會受到溫度的影響呈現(xiàn)出熱脹冷縮的現(xiàn)象，這不僅會導(dǎo)致測量失準(zhǔn)，還會影響測量對象的形狀?；诖耍疚姆治鰷囟扰c長度計量器具之間的關(guān)系與影響，并且在此基礎(chǔ)上制定溫度控制策略，保證長度測量的精準(zhǔn)度。

【關(guān)鍵詞】長度計量器具；溫度變化；熱脹冷縮；控制技術(shù)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.03.060

Reflection on Temperature Control in the Use of Length Measuring Instruments

LI Jinchao1， YU Jingshui1， WANG Linhu1， LIU Chao1， ZHANG Guangzheng2

（1.Qingdao Institute of Measurement Technology， Qingdao 262101， China； 2.Qingdao Standard Metrology Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 262101，China）

Abstract：During the length measurement process， the item to be measured will be affected by temperature and exhibit thermal expansion and contraction. This not only leads to measurement inaccuracy， but also affects the shape of the measurement object. Based on this， this article analyzes the relationship and impact between temperature and length measuring instruments， and develops temperature control strategies based on this to ensure the accuracy of length measurement.

Keywords：length measuring instruments； temperature changes； heat expansion and cold contraction； control technology

長度計量器具作為針對物品長度進(jìn)行檢測的設(shè)備，在社會發(fā)展中有著較為廣泛的應(yīng)用。但是在進(jìn)行長度測量時，待測物體受外界溫度的影響，體積會出現(xiàn)膨脹或者收縮，這在很大程度上影響了長度測量的精準(zhǔn)度。因此，在實際測量中，相關(guān)人員需要結(jié)合被測物的性質(zhì)及特點，分析溫度變動對計量的影響，在此基礎(chǔ)上對其變化區(qū)間進(jìn)行分析，從而計算出被測物真實的長度。然而溫度變化狀況較為復(fù)雜，再加上部分人員對溫度變動影響重視程度不足，嚴(yán)重影響長度檢測的質(zhì)量。本文就從長度計量器具入手，淺談溫度變化對其產(chǎn)生的影響，并且制定溫度控制策略，以保證長度測量的精準(zhǔn)度。

1長度計量器具概述

長度計量器具是用來測量物體線性尺寸（長度、距離、高度等）的工具或設(shè)備，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、建筑工程、科研等領(lǐng)域?，F(xiàn)階段常見的長度計量器具主要有尺子、卷尺、游標(biāo)卡尺、鋼尺、高度計以及測距儀等。長度計量器具的選擇取決于測量所需的精度、測量范圍以及應(yīng)用環(huán)境等因素。無論何種類型的計量器具，正確地使用和校準(zhǔn)是確保測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

長度計量器具中的溫度與長度之間存在著一定的關(guān)系，主要表現(xiàn)為熱膨脹效應(yīng)。根據(jù)熱膨脹原理，一般情況下，當(dāng)物體的溫度升高時，其長度也會相應(yīng)增加；反之，當(dāng)物體的溫度降低時，其長度會減小。這是因為溫度升高會導(dǎo)致物體內(nèi)分子的熱運(yùn)動加劇，分子間的距離增大，從而使整個物體的體積擴(kuò)大，即發(fā)生熱膨脹。熱膨脹的大小與物體的材料特性有關(guān)。不同材料的線膨脹系數(shù)不同，可以通過線膨脹系數(shù)來評估熱膨脹的程度。常見的長度計量器具，如鐵尺、塑料尺等都會受到溫度變化的影響，因此在精確測量時，需要考慮溫度補(bǔ)償或進(jìn)行溫度校正。

2溫度變化對長度測量結(jié)果的影響

1）熱膨脹。材料在受熱后會發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致長度計量器具的尺寸發(fā)生變化。例如，金屬制的測量工具在高溫下會膨脹。這可能導(dǎo)致測量結(jié)果偏離實際值。2）冷卻收縮。當(dāng)長度計量器具從高溫環(huán)境轉(zhuǎn)移到低溫環(huán)境時，由于熱能的流失，材料會發(fā)生收縮，導(dǎo)致長度計量器具的尺寸縮小，這也可能導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。3）溫度梯度。長度計量器具的不同部分可能受到不同溫度的影響。例如，長尺子的兩端暴露在不同溫度的環(huán)境中，可能導(dǎo)致尺子中出現(xiàn)溫度梯度，從而引起測量誤差。4）材料性質(zhì)變化。某些長度計量器具采用特定材料制造，不同材料在不同溫度下的物理性質(zhì)可能發(fā)生變化[1]。這些變化會影響長度計量器具的剛性、彈性等特性，從而影響測量的準(zhǔn)確性。

為了減小溫度對長度計量器具測量結(jié)果的影響，可以采取溫度補(bǔ)償、控制環(huán)境溫度以及校正和校驗等措施，盡可能規(guī)避溫度變化對長度測量精準(zhǔn)度的影響?？傊?，在使用長度計量器具時應(yīng)注意溫度變化對測量結(jié)果的影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀ＷC測量的準(zhǔn)確性。

3長度計量器具使用中溫度控制的必要性

3.1提高測量準(zhǔn)確性

長度計量器具的測量準(zhǔn)確性受環(huán)境溫度的影響。溫度變化會導(dǎo)致長度計量器具的材料膨脹或收縮，從而引起尺寸的變化，進(jìn)而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過控制環(huán)境溫度，可以盡量降低這種影響，提高測量的準(zhǔn)確性。

3.2保證可追溯性

在某些領(lǐng)域，如制造業(yè)、科研等，測量結(jié)果的可追溯性是非常重要的。為了確保測量結(jié)果的可追溯性，需要在測量過程中控制環(huán)境溫度，以降低溫度變化對測量結(jié)果的影響。

3.4符合標(biāo)準(zhǔn)要求

一些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可能對長度計量器具使用環(huán)節(jié)的溫度有具體要求。通過控制使用環(huán)節(jié)的溫度，可以使其符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保測量過程的合規(guī)性。

3.5維持穩(wěn)定性

某些長度計量器具，特別是高精度的設(shè)備，對環(huán)境溫度的變化比較敏感。通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如控制環(huán)境溫度、校準(zhǔn)和校驗等，可以最大限度地降低溫度對長度計量器具的影響，確保長度計量器具的穩(wěn)定性。

4長度計量器具使用中溫度控制的難點

4.1環(huán)境變化

測量時的溫度難以完全控制，因為環(huán)境溫度可能會受到外部因素的影響，如季節(jié)變化、氣候變化或工作場所的溫度波動等。

4.2平衡需求

不同類型的長度計量器具可能對溫度的要求不同。有些設(shè)備需要在特定溫度下使用，而另一些設(shè)備則需要在寬范圍的溫度下運(yùn)行。因此，需要在滿足測量準(zhǔn)確性和設(shè)備穩(wěn)定性的前提下平衡溫度控制的要求。

4.3人員以及設(shè)備

如果測量人員在進(jìn)行長度測量時對溫度的影響重視程度不足，忽視對溫度的控制，那么將會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。另外，為了確保溫度測量的準(zhǔn)確性，還需要選擇合適的溫度傳感器來監(jiān)測和控制溫度。但選擇和校準(zhǔn)合適的傳感器對于有些測量人員來說也是一個挑戰(zhàn)。

4.4時間延遲

溫度變化和長度計量器具的響應(yīng)之間可能存在時間延遲。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，長度計量器具可能需要一定時間來適應(yīng)新的溫度條件，這可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

4.5成本以及技術(shù)問題

進(jìn)行溫度控制需要投入一定的成本和資源。例如，需要安裝溫度控制設(shè)備，進(jìn)行定期校準(zhǔn)和調(diào)整等。此外，增加溫度控制可能會增加使用過程的復(fù)雜性。針對這些難點，需要綜合考慮使用環(huán)境的特點和長度計量器具的特性，采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺崿F(xiàn)有效的溫度控制。

5長度計量器具使用中的溫度控制策略

5.1目標(biāo)的設(shè)定以及校準(zhǔn)

測量時專業(yè)人員需要根據(jù)測量的要求和規(guī)范，設(shè)定適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)溫度。目標(biāo)溫度應(yīng)在長度計量器具可接受的溫度范圍內(nèi)，并確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在校準(zhǔn)方面，專業(yè)人員則需要對溫度傳感器進(jìn)行定期的溫度標(biāo)定和校準(zhǔn)，通過與已知溫度源進(jìn)行比較，可以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可追溯性，同時及時發(fā)現(xiàn)并修正溫度偏差，確保溫度控制的穩(wěn)定性。

5.2設(shè)備的選擇與運(yùn)用

一是預(yù)熱和穩(wěn)定時間。在長度計量器具使用前，給予足夠的預(yù)熱時間。同時，在進(jìn)行測量之前，保持一段穩(wěn)定的時間，以確保長度計量器具的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡。二是使用恒溫設(shè)備。要借助恒溫箱、恒溫房等恒溫設(shè)備來提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度。這些設(shè)備能夠自動調(diào)節(jié)溫度并保持恒定，有效控制長度計量器具使用環(huán)節(jié)的溫度。三是安裝溫度傳感器。通過安裝合適的溫度傳感器，在關(guān)鍵位置實時監(jiān)測環(huán)境溫度，并將數(shù)據(jù)反饋給溫度控制設(shè)備。常用的溫度傳感器包括熱敏電阻、熱電偶和紅外線傳感器等[2]。選擇合適的溫度傳感器并進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)是保證溫度控制的關(guān)鍵。

5.3保持溫度穩(wěn)定

優(yōu)化使用環(huán)節(jié)的空氣流動也可以對溫度控制起到一定的作用。例如，采用良好的通風(fēng)設(shè)施、隔熱材料和屏蔽措施，以降低外部溫度變化對使用環(huán)節(jié)的影響。在具體測量時，相關(guān)人員需要重點關(guān)注周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。測量空間周期的溫度狀況會對測量器具產(chǎn)生影響，但是這種影響一般是穩(wěn)定的緩慢變化。尤其是對于精準(zhǔn)度較高的測量來說，溫度的變化不能夠超過半度，這就需要通過專業(yè)的恒溫裝置對環(huán)境溫度進(jìn)行控制。除此之外，考慮到空氣流動因素和陽光照射也會影響環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，因此用于測量的場所應(yīng)選擇不通風(fēng)、不透光的地方。假若測量的環(huán)境不具備上述條件，在測量前必須全部關(guān)閉門和窗戶，并拉上窗簾[3]。測量人員在現(xiàn)場測量環(huán)境溫度時，還應(yīng)該盡可能減少測量人員對溫度的影響，如此才能減少溫度誤差，提升測量精度。

5.4實時監(jiān)測和反饋

利用自動化系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測使用環(huán)節(jié)的溫度變化，并及時反饋給溫度控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，這樣可以保持溫度的穩(wěn)定性，并在溫度出現(xiàn)偏差時及時采取措施進(jìn)行修正。相關(guān)人員需要借助專業(yè)設(shè)備對整個測量作業(yè)場所的溫度進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)突發(fā)性溫度變化的狀況。此外，測量人員盡量在檢定規(guī)程規(guī)定的環(huán)境下進(jìn)行測量，并遵守檢定規(guī)程的操作要求[4]。如果環(huán)境溫度的變化較快而且難以控制，在測量環(huán)節(jié)需要將被測試物放置在標(biāo)準(zhǔn)的溫度環(huán)境中一段時間后再迅速進(jìn)行測量，以規(guī)避可能出現(xiàn)的溫度偏差。

5.5合理配置空調(diào)，加強(qiáng)人員培訓(xùn)

通過合理配置空調(diào)來實現(xiàn)溫度平衡或者達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度。因為要確保測量過程保持恒溫，所以一般的常規(guī)空調(diào)是不合適的，應(yīng)選擇控溫能力更強(qiáng)的變頻空調(diào)。重點在于規(guī)劃好空調(diào)的安裝位置，不但要讓室內(nèi)形成一個較好的循環(huán)環(huán)境，而且還要使環(huán)境溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求并保持這一溫度。同時要注意的是，在進(jìn)行長度測量期間空調(diào)的使用?？照{(diào)在調(diào)節(jié)溫度方面并不是瞬間完成的，而是需要有一個時間過程，同時被測物體和量具要達(dá)到環(huán)境溫度并保持恒溫，也需要一段比較長的時間，研究發(fā)現(xiàn)這個時間一般在4小時左右。因此，在計量前要提前準(zhǔn)備，合理調(diào)配空調(diào)的開關(guān)時間。另外，操作人員應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)操作程序，定期檢查和維護(hù)設(shè)備，并記錄溫度數(shù)據(jù)，以便日后參考和分析，還需要為其提供必要的培訓(xùn)，確保操作人員了解溫度控制的重要性和正確操作的方法[5]。

6結(jié)束語

在長度計量器具使用過程中，溫度是對長度計量器具測量的準(zhǔn)確度造成影響的一大重要因素。因此，為了確保長度測量結(jié)果的準(zhǔn)確，就需要根據(jù)具體的長度計量器具和工作環(huán)境來選擇合適的策略，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，對長度測量的環(huán)境溫度誤差進(jìn)行有效控制，將溫度誤差造成的影響降到最低，從而提高長度計量檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王學(xué)文.誤差與測量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)評定在長度計量檢定與校準(zhǔn)中的應(yīng)用研究[J].大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2020（14）：63-64.

[4]李婷，李建雙，繆東晶，等.溫度條件對大尺寸測量裝置精度影響的研究[J].計量學(xué)報，2019，40（6）：975-979.

[5]張艷云.誤差與測量不確定度分析在長度計量檢定與校準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2018（5）：36-37，41.

【作者簡介】

李金朝，女，1986年出生，工程師，學(xué)士，研究方向為長度計量。

（編輯：李加鵬）