CN103697977A - 一种砝码表面吸附质量的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砝码表面吸附质量的测量装置及方法，属于计量领域。本装置包括实心圆柱体砝码、纺锤形砝码及质量测量装置；所述质量测量装置包括真空腔体和设置在真空腔体内的质量比较仪和砝码旋转托盘；所述纺锤形砝码与实心圆柱体砝码的体积相同、质量值相同，但表面积不同；所述纺锤形砝码为多层结构，包括至少2个圆盘，相邻两个圆盘之间通过小圆柱体连接，所有圆盘和小圆柱体均同轴线设置。本发明考虑了试验过程中体积参数对测量结果的影响，消除了体积参数所带来的空气浮力修正的不同，获得了精确的表面吸附质量测量结果。

Description

一种砝码表面吸附质量的测量装置及方法

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种砝码表面吸附质量的测量装置及方法。砝码质量测量过程中用于测量砝码表面所吸附的物质质量，特别是用于E₁等级砝码质量测量中的表面吸附修正值，测量得到的吸附值用于修正砝码质量测量结果。

背景技术

质量的量值传递大多都是在空气中进行，在质量测量过程中最重要的影响因素包括：“空气浮力”和“表面吸附质量”。而产生的原因就是“物体所受空气浮力的影响”以及“空气中的灰尘、水分等污染物吸附砝码表面造成砝码的质量增加”。综合来看，对“物体体积”、“空气密度”和“表面吸附率”的高准确度测量，是提高质量量值传递准确度的几个重要途径。

现有的高准确度砝码质量测量试验中，通常只对测量结果进行了空气浮力修正。然而在复杂环境下，砝码表面均会受到环境的干扰，砝码表面不可避免的会吸附有机物、水气、CO₂等外界物质，而导致砝码质量发生改变。砝码使用人员即便每次使用时都对砝码表面进行酒精清洗或者使用专业无尘纱布进行擦拭，砝码表面的二次吸附问题也不可避免。

另外，现有的质量测量试验中，不包括砝码表面所吸附的质量测量，也没有对该吸附质量值进行修正，而这部分质量值影响着砝码质量值的长期稳定性，需要测量并体现在相应的质量测量结果修正计算中。

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，提供一种砝码表面吸附质量的测量装置及方法，获得精确的表面吸附质量测量结果，实现对不同材质的砝码表面吸附率进行测量，而利用每种材质制造的砝码所对应的吸附率可以构建出吸附率预测模型，实现为已知材料密度的砝码质量修正提供合理的吸附率参考值。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种砝码表面吸附质量的测量装置，包括实心圆柱体砝码、纺锤形砝码及质量测量装置；

所述质量测量装置包括真空腔体和设置在真空腔体内的质量比较仪和砝码旋转托盘；

所述纺锤形砝码与实心圆柱体砝码的体积相同、质量值相同，但表面积不同；

所述纺锤形砝码为多层结构，包括至少2个圆盘，相邻两个圆盘之间通过小圆柱体连接，所有圆盘和小圆柱体均同轴线设置。

所述真空腔体能够被抽真空，使得质量测量能够在真空条件下进行。

在所述质量比较仪上设置有防风罩；测量质量时，所述实心圆柱体砝码和纺锤形砝码是放置在防风罩内的。

所述质量比较仪采用具有自动交换秤盘功能的全自动质量比较仪，在其上设有称量工位；所述防风罩罩在所述称量工位上方。

所述实心圆柱体砝码的直径和高相等。

一种砝码表面吸附质量的测量方法，所述方法首先将实心圆柱体砝码和纺锤形砝码从空气环境中向真空环境中转移，测量转移程中发生的质量变化量，求得表面吸附变化率；然后将实心圆柱体砝码和纺锤形砝码从真空环境中向空气环境中转移，测量转移程中发生的质量变化量，求得表面吸附变化率，最后将两个表面吸附变化率结合求得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码密度对应的砝码表面吸附率。

所述方法包括以下步骤：

(1)在空气环境下，利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在空气环境下的质量值m_圆柱-air、m_纺锤-air；

(2)将所述真空腔体抽成真空状态，利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在真空环境下的质量值m_{圆柱-vacuum}、m_{纺锤-vacuum}；

(3)向真空腔体内充入空气，使其内部恢复到空气环境，然后利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在空气环境下的质量值m_圆柱-air′、m_纺锤-air′；

(4)利用步骤(1)和步骤(2)的测量结果，计算出空气环境到真空环境的表面吸附层变化率η₁：

其中，S_纺锤和S_圆柱分别表示纺锤形砝码和实心圆柱体砝码的表面积；

(5)利用步骤(2)和步骤(3)的测量结果，计算出真空环境到空气环境的表面吸附层变化率η₂：

(6)求得砝码表面吸附率η=η₁+η₂；

(7)计算出任意实心圆柱体砝码在环境改变后的吸附质量为：m_吸附质量=η·S_圆柱。

在步骤(1)、(2)和(3)的质量测量过程中，均进行环境参数的实时监控和测量，所述环境参数包括：温度、湿度、CO₂和大气压力。

所述方法进一步包括：

(8)采用下式对砝码质量测量进行吸附修正：

I_物体=m_真空-ρ_aV_物-m_吸附质量

其中I_物体为物体的表观质量，m_真空为物体的真空质量，ρ_a为空气密度，V_物为物体的体积。

所述方法中，计算表面积时所用的密度是通过实际测量得到的所述实心圆柱体砝码和纺锤形砝码的密度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明考虑了试验过程中体积参数对测量结果的影响，消除了体积参数所带来的空气浮力修正的不同，获得精确的表面吸附质量测量结果。该测量方法及测量装置可以实现对不同材质的砝码表面吸附率进行测量，而利用每种材质制造的砝码所对应的吸附率可以构建出吸附率预测模型，实现为已知材料密度的砝码质量修正提供合理的吸附率参考值。

附图说明

图1是本发明砝码表面吸附质量测量装置中的实心圆柱体砝码；

图2是本发明砝码表面吸附质量测量装置中的纺锤形砝码(四层圆盘)；

图3是本发明砝码表面吸附质量测量装置中的纺锤形砝码(三层圆盘)；

图4是本发明中质量测量装置及砝码位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种砝码表面吸附质量测量方法，所述方法对砝码从“空气”向“真空”传递过程中发生的质量的减少进行准确测量，并结合砝码的表面积s之间的差值，求得表面吸附变化率η，同样可以求得砝码从“真空”向“空气”传递过程中的表面吸附变化率η。

所述方法包括以下步骤：

(1)采用质量比较仪对砝码进行质量测量，比较仪外配有相应的防风罩设备(为了防止测量过程中有气流的影响，在放上砝码后，就关上了防风罩)和真空腔体，使该设备具备抽真空的能力(即在真空条件下进行质量测量)；

(2)测量实心圆柱体砝码1和纺锤形砝码2在空气环境下的质量值m_圆柱-air、m_纺锤-air；

(3)将质量比较仪所处的腔体抽成真空状态，利用质量比较仪测量圆柱体砝码1和纺锤形砝码2在真空环境下的质量值m_{圆柱-vacuum}、_{纺锤-vacuum}；(质量比较仪具有自动称量功能，工位可以在电机的带动下旋转，来回选择待测量砝码和标准砝码。)

(4)将实心圆柱体砝码1和纺锤形砝码2再次转移至空气环境当中(、真空环境中测完以后，真空泵会停止工作，真空腔体此时会放入空气，恢复到正常压力状态下，腔体不用完全打开，在真空泵的作用下就会将空气放进去。)，此时又一次发生吸附现象，会在短时间内造成砝码质量的增加，同时测量值分别为m_纺锤-air′、m_圆柱-air′；

(5)在步骤(2)、(3)和(4)的质量测量过程中，均进行环境参数的实时监控和测量，具体参数包括：温度、湿度、CO₂、大气压力，以进行必要的空气浮力修正(空气浮力修正是该领域中的常用技术，只要在上面的环境参数采集到之后，便可以进行，因此在本步骤中没有将空气浮力修正的公式列出。)和状态监测；具体实施时，是在真空腔体内设置了传感器，有四个传感器探头在腔体内部，数据是通过线缆连接到腔体外的电脑上进行实时采集的，采集到数据之后便可以进行空气密度的计算，最后实现空气浮力修正。

(6)利用步骤(2)和步骤(3)的测量结果，计算出“空气->真空”表面吸附层变化率η₁：

(7)利用步骤(3)和步骤(4)的测量结果，计算出“真空->空气”表面吸附层变化率η₂：

(8)将整个测量过程的质量变化记录如表1所示：

表1

(9)综合考虑η₁和η₂，求得砝码表面吸附率：

η=η₁+η₂  (3)

进而可以计算出任意圆柱体砝码从“真空”向“空气”环境传递时的吸附质量为：

m_吸附质量=η·S_圆柱  (4)

在测量得到砝码表面吸附质量后，对砝码质量测量进行相应的吸附修正，修正公式如下：

I_物体=m_真空-ρ_aV_物-m_吸附质量  (5)

其中I_物体为物体的表观质量，m_真空为物体的真空质量，ρ_a为空气密度(从步骤(5)得到的，在采集到环境参数之后，便可以计算出空气密度)，V_物为物体的体积，m_吸附质量为物体的表面吸附质量。

一种砝码表面吸附质量测量装置，如图4所示，包括：实心圆柱体砝码1(即待测量的砝码)、纺锤形砝码2及进行质量测量的质量测量装置。质量测量装置，包括质量比较仪3、真空腔体4，防风罩5，砝码旋转托盘6(砝码放在砝码旋转托盘6上，托盘落下后，砝码交接到称量工位上，然后托盘从下面撤出，砝码就单独在称量工位上进行测量。)，称量工位7(称量工位通俗的讲法就是秤盘，就是压在传感器上的一个圆形的或者其他形状的盘，该盘子有多种形状，方便放置砝码。所称量工位就是在天平内部的)。所述质量比较仪3为天平，是具有自动交换秤盘的全自动质量比较仪。所述真空腔体4是一种密闭的容器，例如可以是一个封闭的不锈钢罐(腔体)，具有抽真空的能力，使得质量测量可以在真空条件下进行。实际测量时，先将该容器抽成真空，然后再进行质量的测量。在真空状态下进行质量测量，由于是自动测量的，完全不需要人的干预。即自动放到测量工位上，计算机读取数据，然后再换另一个待测物体进行测量。

所述实心圆柱体砝码1如图1所示，其表面积计算公式如下：

S=2πr²+2πrH  (6)

而该砝码的体积为：

V=πr²H  (7)

令直径D和H相等，且有：

$r=\frac{D}{2}---\left(8\right)$

(6)可改写为：

$S=2\mathrm{\π}{r}^2+2\mathrm{\πrH}=2\mathrm{\π}{\left(\frac{D}{1}\right)}^2+2\mathrm{\π}\left(\frac{D}{1}\right)H---\left(9\right)$

(7)可改写为：

$V=\mathrm{\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^{2}H---\left(10\right)$

所述纺锤形砝码2设计如图2所示，大圆柱体半径R₂高H₂；小圆柱体半径R₁高H₁。小圆柱体侧面面积为2πR₁H₁，三个共计6πR₁H₁；小圆柱体表面积为

共需去掉6个，即：

大圆柱体侧面积为2πR₂H₂，四个共计8πR₂H₂；大圆柱体表面积为

8个共计

则整个纺锤形砝码表面积为：

$S=6\mathrm{\π}{R}_1{H}_1+8\mathrm{\π}{R}_2{H}_2+8\mathrm{\π}{R}_2^2-6\mathrm{\π}{R}_1^2---\left(11\right)$

整个纺锤形砝码体积：

$V=3\mathrm{\π}{R}_1^2{H}_1+4\mathrm{\π}{R}_2^2{H}_2---\left(12\right)$

对于其它层数的纺锤形砝码，采用上面相同的推理方式即可得到其表面积计算公式和体积计算公式。

在设计砝码时，要求体积相同而表面积不同。即公式(7)和公式(12)相等的情况下，由公式(6)和(11)计算得到两个砝码的表面积，进而可计算出表面积差。如图2所示，大的圆盘和中间支撑的小圆柱体在垂直方向上要保持同一个圆心，这样砝码在进行重力梯度修正时，就不会有修正误差。

在实施方式中，制造圆柱体砝码和纺锤形砝码时，砝码材料的密度需进行实际测量，而不能采用理论值。

以常用的JF1不锈钢砝码为例，在制造砝码前，对试制材料进行密度实测，以修正砝码形状的计算误差。

例如JF1不锈钢材料密度为8000kg／m³，而实际测量的材料密度为7993kg／m³。则在推导砝码形状参数时，需代入实际的密度值进行计算。取π=3.1415927，砝码标称值为1kg，则根据公式

可以得到砝码的体积为125.1094708cm³。

根据公式(10)，可以计算出实心圆柱体砝码的直径D和高H均为54.20842244cm。进一步根据公式(9)，可以计算出砝码的表面积为13847.6050576423cm²。

上述数值仅是理论计算的值，在实际加工过程中，受到加工精度的限制，例如加工砝码的直径，难以保证54.20842244cm的加工精度。因此需要对该值进行进一步修正。

分别取直径D为54.21，高H为54.21cm。对应的砝码体积为125.1203938cm³，表面积为13848.4110494068cm²，质量值为1000.087308g。

如图3加工三层圆盘式的纺锤形砝码，要求其体积与圆柱体砝码相同，而表面积不同。已知该条件，需要分别求得合适的R₁、H₁、R₂、H₂的值，此处需要用到数学上的求值方法(例如可采用极限逼近法(试凑法)，具体实施是用excel计算工具实现的。)。要保证试算出来的体积值尽可能的接近实心圆柱体砝码的体积值，而质量值需要尽可能的接近1kg，以保证天平可以在正常范围内进行质量测量。此外，还要注意半径和高度不能超过测量时使用天平的称量工位的尺寸，以防止不能放入天平进行称量。

本实例中取砝码R₁、R₂、H₁、H₂分别为13.76mm，28mm，12mm，15mm。砝码总高为69mm，没有超过限定尺寸。体积为125.1111074cm³，与理论值相差仅9.286438703mm³；表面积为22390.53797cm²，与圆柱体砝码表面积差为8542.1269175506mm²；质量值为1000.013081g，与圆柱体砝码质量差为10.52642642mg，在天平允许的称量范围内。

纺锤形砝码可以根据实际需要设计成多层的样式(不仅限于图2中的4个圆盘的样式或图3中的3个圆盘的样式)，而根据层数的多少，相应的体积计算公式和表面积计算公式会有所差别(不仅限于公式11和12的形式)。

本发明提供了在砝码质量测量过程中，一种测量砝码表面吸附物质的质量的方法，并提供了相应的修正质量测量结果的方法，属于计量领域。本发明提供了一种异型砝码装置，进一步可以精确测量到砝码实物表面所吸附物质的质量，进一步提出了质量测量修正方法，可以使最终砝码的质量测量结果更加准确。通过分析质量标准从“真空”转移到“空气”环境后对砝码质量值造成的影响，准确测定环境变化前后砝码质量的改变量，结合砝码的表面积差，建立砝码质量观测模型以及吸附修正模型，进而计算出砝码表面的吸附变化率，并为已知密度的砝码质量修正提供合理的吸附率参考值。

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 (10)

1.一种砝码表面吸附质量的测量装置，其特征在于：所述测量装置包括实心圆柱体砝码、纺锤形砝码及质量测量装置；

所述质量测量装置包括真空腔体和设置在真空腔体内的质量比较仪和砝码旋转托盘；

所述纺锤形砝码与实心圆柱体砝码的体积相同、质量值相同，但表面积不同；

所述纺锤形砝码为多层结构，包括至少2个圆盘，相邻两个圆盘之间通过小圆柱体连接，所有圆盘和小圆柱体均同轴线设置。

2.根据权利要求1所述的砝码表面吸附质量的测量装置，其特征在于：所述真空腔体能够被抽真空，使得质量测量能够在真空条件下进行。

3.根据权利要求2所述的砝码表面吸附质量的测量装置，其特征在于：在所述质量比较仪上设置有防风罩；测量质量时，所述实心圆柱体砝码和纺锤形砝码是放置在防风罩内的。

4.根据权利要求3所述的砝码表面吸附质量的测量装置，其特征在于：所述质量比较仪采用具有自动交换秤盘功能的全自动质量比较仪，在其上设有称量工位；所述防风罩罩在所述称量工位上方。

5.根据权利要求1至4任一所述的砝码表面吸附质量的测量装置，其特征在于：所述实心圆柱体砝码的直径和高相等。

6.一种砝码表面吸附质量的测量方法，其特征在于：所述方法首先将实心圆柱体砝码和纺锤形砝码从空气环境中向真空环境中转移，测量转移程中发生的质量变化量，求得表面吸附变化率；然后将实心圆柱体砝码和纺锤形砝码从真空环境中向空气环境中转移，测量转移程中发生的质量变化量，求得表面吸附变化率，最后将两个表面吸附变化率结合求得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码密度对应的砝码表面吸附率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)在空气环境下，利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在空气环境下的质量值m_圆柱-air、m_纺锤-air；

(2)将所述真空腔体抽成真空状态，利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在真空环境下的质量值m_{圆柱-vacuum}、m_{纺锤-vacuum}；

(3)向真空腔体内充入空气，使其内部恢复到空气环境，然后利用质量比较仪测得实心圆柱体砝码和纺锤形砝码在空气环境下的质量值m_圆柱-air′、m_纺锤-air′；

(4)利用步骤(1)和步骤(2)的测量结果，计算出空气环境到真空环境的表面吸附层变化率η₁：

其中，S_纺锤和S_圆柱分别表示纺锤形砝码和实心圆柱体砝码的表面积；

(5)利用步骤(2)和步骤(3)的测量结果，计算出真空环境到空气环境的表面吸附层变化率η₂：

(6)求得砝码表面吸附率η=η₁+η₂；

(7)计算出任意实心圆柱体砝码在环境改变后的吸附质量为：m_吸附质量=η·S_圆柱。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在步骤(1)、(2)和(3)的质量测量过程中，均进行环境参数的实时监控和测量，所述环境参数包括：温度、湿度、CO₂和大气压力。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括：

(8)采用下式对砝码质量测量进行吸附修正：

I_物体=m_真空-ρ_aV_物-m_吸附质量

其中I_物体为物体的表观质量，m_真空为物体的真空质量，ρ_a为空气密度，V_物为物体的体积。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法中，计算表面积时所用的密度是通过实际测量得到的所述实心圆柱体砝码和纺锤形砝码的密度。

Images