CN102384882B - 一种实现砝码质量测量中测量空气密度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砝码质量测量中测量空气密度的方法及修正质量测量结果的方法，属于计量领域。本发明首先测量砝码周围的空气参数，然后利用这些空气参数获得空气密度，所述空气参数包括温度、湿度、压力，也还可以包括CO₂含量。由于本发明采用了在防风罩内设置多个温度采集点以及至少两个湿度采集点的方式，获得了防风罩内天平上方的温度、湿度梯度参数，可以计算出精确的空气温度、湿度值，进而获得精确的空气密度值；在所述方法中还进一步增加了CO₂含量的测量，这样在试验结果中就考虑了CO₂的影响因素，使结果更加准确。

Description

一种实现砝码质量测量中测量空气密度的测量装置

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种砝码质量测量中测量空气密度的方法及测量装置。 

背景技术

在高准确度的砝码质量测量试验中，除了要求准确的获得砝码质量结果，还需要用试验环境下的空气参数对质量结果进行修正，主要是考虑空气浮力的因素。空气浮力的修正系数主要是通过测量试验环境下的空气温度、湿度、压力，计算出空气密度，进而得出空气浮力的质量修正系数。 

现有的砝码质量测量试验中，通常采用温度表、湿度表、空盒压力计来测量相应的温度、湿度、压力参数。高准确度的砝码质量测量试验需要在质量比较仪外设有防风罩，试验在防风罩中进行。而空气参数测量仪表通常摆放在防风罩外部，甚至摆放在距离质量比较仪较远的地方，这样，测量的结果不是质量比较仪上方的空气参数值。而且，现有的试验也没有考虑到试验环境下，质量比较仪上方随高度变化，温度、湿度梯度变化对测量结果的影响。因此，测量出来的空气参数结果不够精确，导致质量修正系数的误差较大。 

另外，现有的试验不包括CO₂的含量测量部分，而CO₂在空气中的组分比重较大，影响权重较大，需要测量并体现在空气密度的计算中。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种砝码质量测量中测量空气密度的方法及测量装置，能够考虑到试验环境下空气温度、湿度梯度的影响因素，以及CO₂的影响因素，在质量比较仪防风罩内测量相应的空气 参数，获得精确的测量结果。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种砝码质量测量中测量空气密度的方法，所述方法首先测量待测砝码周围的空气参数，然后利用这些空气参数获得空气密度；所述空气参数包括温度、湿度和压力。 

所述方法包括以下步骤： 

(1)采用质量比较仪对待测砝码进行测量，在质量比较仪外设置防风罩； 

(2)在防风罩内采集一组不同位置的温度值，对所有温度值取加权平均，获得的平均值作为测量空间的温度值；同时在防风罩内采集一组不同位置的湿度值，对所有湿度值取平均，获得的平均值作为测量空间的湿度值；并采集待测砝码上方的压力值； 

(3)利用步骤(2)得到的测量空间的温度值、测量空间的湿度值和压力值计算获得测量空间内的空气密度； 

所述步骤(3)中采用以下公式计算获得测量空间内的空气密度： 

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{0.34848p-0.009\left(\mathrm{rh}\right)\×\exp \left(0.062t\right)}{273.15+t},$

其中p为所述压力值，M_a为所述干燥空气的摩尔质量，t为所述测量空间的温度值。 

优化的，所述空气参数进一步包括CO2含量。 

优化的，所述方法包括以下步骤： 

(1)采用质量比较仪对砝码进行测量，在质量比较仪外设置防风罩； 

(2)在防风罩内采集一组不同位置的温度值，对所有温度值取加权平均，获得的平均值作为测量空间的温度值；同时在防风罩内采集一组不同位置的湿度值，对所有湿度值取平均，获得的平均值作为测量空间的湿度值；并采集待测砝码上方的压力值、测量防风罩内的CO₂含量； 

(3)利用步骤(2)得到的测量空间的温度值、测量空间的湿度值、压力值和CO₂的含量计算获得测量空间内的空气密度； 

所述步骤(2)中，所述测量防风罩内的CO₂含量的步骤具体如下： 

采集防风罩内CO₂的含量，利用干燥空气的摩尔质量M_a计算公式： 

M_a＝[28.9635+12.011(x_co2-0.0004)]×10^-3kg/mol 

确定干燥空气的摩尔质量，其中x_co2为二氧化碳摩尔小数，即前述的CO₂的含量，CO₂传感器获得的就是此摩尔小数。 

所述步骤(3)中采用以下公式计算获得测量空间内的空气密度： 

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{p\×M_a}{\mathrm{ZRT}}[1-x_v(1-\frac{M_v}{M_a})]$

其中p为所述压力值，M_a为所述干燥空气的摩尔质量，Z为压缩系数，R为摩尔气体常数，T为采用ITS-90的热力学温度，x_v为水蒸气的摩尔小数，M_v为水的摩尔质量。 

所述方法采用CO₂传感器采集防风罩内CO₂的含量。 

在两种实施方式中的所述步骤(2)中，至少采集6个不同位置的温度值，在每个位置上设置有采集点，这些采集点分别布置在待测砝码周围的垂直方向上和水平方向上，在垂直方向上的采集点采用分层分布的方式；所述步骤(2)中，至少采集2个不同位置的湿度值。 

在两种实施方式中，所述方法采用的质量比较仪为天平，所述方法采用温度传感器采集温度值，采用湿度传感器采集湿度，采用压力传感器采集压力值。 

一种砝码质量测量装置，包括质量比较仪和防风罩6，所述质量比较仪为天平1，所述天平1包括中间的固定部分和外围的活动部分，所述活动部分为可绕天平圆心旋转的圆环； 

所述圆环上设计有一组放置待测砝码的工作位，所述工作位在圆周上对称分布；待测砝码放置在所述工作位上； 

取水平面上的一个固定位置作为测量工位，当圆环旋转时，圆环上的各个工作位依次旋转到所述的测量工位处，在此处完成对待测砝码的测量； 

所述防风罩6将天平1罩住； 

在防风罩6内天平1上固定有三个支架，分别为第一支架7、第二支架8和 第三支架9，三个支架均由空心管构成； 

所述支架7包括一根竖直杆和一组横杆，其竖直杆的底端固定在天平1的固定部分上，所述横杆分布在竖直杆的左右两侧，左侧设计有三个横杆，每个横杆的端头均设有一个左侧测量点，右侧设计有一个横杆，该横杆的端头设有右侧测量点，左侧测量点均位于测量工位处的待测砝码的上方，且在同一条竖直直线上等间距布置；在高度上，右侧测量点高于最下面的左侧测量点，但低于中间的左侧测量点； 

所述第二支架8和第三支架9均为倒L型，其竖直杆的底端均固定在天平1的固定部分上，在第二支架8的横杆端头和第三支架9的横杆端头均设有测量点，该两个测量点在同一条水平线上，分别位于测量工位处的待测砝码的两侧，并且在高度上，该两个测量点均低于支架7最下面的左侧测量点，但高于测量工位处的待测砝码的上端面； 

所述每个测量点上均安装有温度传感器探头，以上测量点中的至少两个上安装有湿度传感器探头，以上测量点中的至少一个上安装有压力传感器探头； 

所述传感器探头均通过支架的内腔中的连接线连接防风罩外部的数据显示设备。 

优化的，所述装置进一步包括CO₂传感器16，所述CO₂传感器16安装在测量工位的下方，其探头插入防风罩内。 

具体实施时，在所述第二支架8和第三支架9的横杆端头均安装有湿度传感器探头；所述第一支架7左侧中间横杆的端头安装有压力传感器探头。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于本发明采用了在防风罩内设置多个温度采集点以及至少2个湿度采集点的方式，获得了防风罩内天平上方的温度、湿度梯度参数，可以计算出精确的空气温度、湿度值，进而获得精确的空气密度值；在所述方法中增加了CO₂含量的测量，这样在试验结果中就考虑了CO₂的影响因素，使结果更加准确。 

附图说明

图1是本发明测量装置上的测量点分布的立体图。 

图2是本发明测量装置上的测量点分布的侧视图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述： 

本发明的一个实施例如图1、2所示，天平1包括中间的固定部分和外围可绕天平圆心旋转的圆环17，圆环17上圆周均布有四个工作位2、3、4、5工作位，工作位就是指能放置砝码的位置，其中初始状态是2位于测量工位处；天平上方有防风罩6。防风罩内天平中间固定部分上固定设有空心支架7、8、9，其中支架7一侧有三个分支，每个分支端头各有一个测量点，三个测量点10、11、12在竖直方向的相同位置，即在测量工作位2上方。但高度依次升高，且等间距布置，测量点10、测量点11之间的高度距离为5cm，测量点11、测量点12之间的高度距离为5cm。支架7另一侧有一个分支，该分支端头有测量点13。测量点13高于测量点10和且低于测量点11。支架8、9均为倒L形，支架8、9端头分别为测量点14、15。测量点14、15分别在工作位2上的待测砝码两侧，测量点14、15高度均低于测量点10，且略高于工作位2上的待测砝码。在天平1的测量工作位2的下方有CO₂传感器16，其探头插入防风罩内。天平1的外圈是包含工作位2、3、4、5的圆环，其可绕圆心旋转。 

进行测量工作时，先在支架7上的测量点10、11、12、13、14、15上各设置一个温度传感器探头，这样共有6个温度传感器探头。在测量点10、12上各设置一个湿度传感器探头，这样共有2个湿度传感器探头。在测量点11上设置一个压力传感器探头。所有传感器探头均通过空心支架7、8、9中的连接线连接数据显示设备(图1中未给出)。然后在工作位2、3、4、5上各设置一个待测砝码。将防风罩罩在天平1上方。 

完成工作位2上的砝码测量之后，旋转圆环可以使工作位3、4、5依次处 于测量工位处，通过称量获得工作位3、4、5上的砝码测量。 

空气密度的计算方法如下，将读取的6个温度传感器探头的温度值取加权平均值(6只传感器测量的加权平均值，每只的权重可随时调整，可以各为1/6)作为测量空间(即防风罩内的空间)的温度值，将读取的湿度传感器探头的湿度值取平均值作为测量空间的湿度值。读取压力传感器探头的压力值。 

根据空气密度计算公式 ${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{0.34848p-0.009\left(\mathrm{rh}\right)\×\exp \left(0.062t\right)}{273.15+t}$ 计算出空气密度， 

其中p为压力，rh为平均相对湿度，t为平均温度。 

若考虑CO₂含量的影响，利用CO₂传感器读取测量工作位附近的CO₂在空气中的含量百分比，利用干燥空气的摩尔质量M_a计算公式M_a＝[28.9635+12.011(x_co2-0.0004)]×10^-3kg/mol 

确定干燥空气的摩尔质量，其中x_co2为二氧化碳摩尔小数。此时，利用空气密度公式 

计算空气密度，其中p为压力，M_a＝干燥空气的摩尔质量，Z为压缩系数，R为摩尔气体常数，T为采用ITS-90的热力学温度，x_v为水蒸气的摩尔小数，M_v为水的摩尔质量。 

根据本发明的方法获得空气密度ρ_a后，再根据质量修正系数公式ΔM＝ρ_a(v_r-v_t)+I_t-I_r来计算质量修正系数值，其中Δm为砝码质量修正系数，I_t为被测砝码质量的显示值，I_r为参考砝码质量的显示值，v_t为被测砝码的体积值，v_r为参考砝码的体积值；然后利用砝码质量修正系数来修正砝码质量测量结果，即m_t＝m_r+Δm，其中，m_t为被测砝码质量，m_r为参考砝码质量。 

经过对比试验，能够看出来利用本发明的方法进行空气密度测量与以往的试验结果差别很大，具体对比试验如下： 

1，同一时间在试验房间内5个不同位置的温度测量值及计算出的空气密度值如表1所示： 

表1 

从表1中可以看出同一时间在房间内不同位置的温度测量值差最大达到2℃，即使在湿度、压力没有变化的情况下，计算出的空气密度值最大相对误差也达到了0.7463％。 

2，同一时间在防风罩内6个不同位置的温度测量值及计算出的空气密度值如表2所示： 

表2 

从表2可以看出，采用本发明的方法，在同一时间防风罩内的不同测量点的温度值差仅为0.04℃，在湿度、压力没有变化的情况下，计算出的空气密度值最大相对误差仅为0.015％。 

比较表1和表2可以看出，采用本发明的方法测量出的温度差值小，测量结果准确，计算出的空气密度值比较理想。 

3，在相同条件下，考虑CO₂测量结果的空气密度值与不考虑CO₂测量结果的空气密度值计算结果不相同。 

表3给出了考虑CO₂测量结果的空气密度值与不考虑CO₂测量结果的空气密度值对比，从表3中可以看出，采用公式1 

计算出的空气密度值与采用公式2 

计算出的空气密度值，在环境中CO₂逐渐增高的情况下，差值逐渐增大，因此本发明在试验结果中考虑了CO₂的影响因素，使结果更加准确。 

表3 

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。 

Claims (2)

1.一种实现砝码质量测量中测量空气密度的测量装置，其特征在于：所述装置包括质量比较仪和防风罩(6)，所述质量比较仪为天平(1)，所述天平(1)包括中间的固定部分和外围的活动部分，所述活动部分为可绕天平圆心旋转的圆环；

所述圆环上设计有一组放置待测砝码的工作位，所述工作位在圆周上对称分布；待测砝码放置在所述工作位上；

取水平面上的一个固定位置作为测量工位，当圆环旋转时，圆环上的各个工作位依次旋转到所述的测量工位处，在此处完成对待测砝码的测量；

所述防风罩(6)将天平(1)罩住；

在防风罩(6)内天平(1)上固定有三个支架，分别为第一支架(7)、第二支架(8)和第三支架(9)，三个支架均由空心管构成；

所述第一支架(7)包括一根竖直杆和一组横杆，其竖直杆底端固定在天平(1)的固定部分上，所述横杆分布在竖直杆的左右两侧，左侧设计有三个横杆，每个横杆的端头均设有一个左侧测量点，右侧设计有一个横杆，该横杆的端头设有右侧测量点，左侧测量点均位于测量工位处的待测砝码的上方，且在同一条竖直直线上等间距布置；在高度上，右侧测量点高于最下面的左侧测量点，但低于中间的左侧测量点；

所述第二支架(8)和第三支架(9)均为倒L型，其竖直杆的底端均固定在天平(1)的固定部分上，在第二支架(8)的横杆端头和第三支架(9)的横杆端头均设有测量点，该两个测量点在同一条水平线上，分别位于测量工位处的待测砝码的两侧，并且在高度上，该两个测量点均低于第一支架(7)最下面的左侧测量点，但高于测量工位处的待测砝码的上端面；

所述每个测量点上均安装有温度传感器探头，以上测量点中的至少两个上安装有湿度传感器探头，以上测量点中的至少一个上安装有压力传感器探头；

所述传感器探头均通过支架的内腔中的连接线连接防风罩外部的数据显示设备；

所述测量装置进一步包括CO₂传感器(16)，所述CO₂传感器(16)安装在所述测量工位的下方，其探头插入防风罩内。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：在所述第二支架(8)和第三支架(9)的横杆端头均安装有湿度传感器探头；所述第一支架(7)左侧中间横杆的端头安装有压力传感器探头。

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