植宇輝 李 松 廖文軍 李海根 蒙俊偉

(廣西計量檢測研究院，南寧 530007)

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濕度與溫度對高準(zhǔn)確度疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定的影響

植宇輝 李 松 廖文軍 李海根 蒙俊偉

(廣西計量檢測研究院，南寧 530007)

依據(jù)同一個溫度的力值量傳鏈最接近基準(zhǔn)真實值的原理和BM的賦值檢定特點(diǎn)，詳細(xì)分析了溫濕度對不同溫度修正系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測力儀和使用0.01%～0.02%高精度參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的BM的影響，闡述了嚴(yán)格控制溫濕度范圍和同溫量傳的方法和意義，細(xì)化對溫濕度計的要求，揭示了溫濕度控制指標(biāo)、不同精度的傳感器和BM的相互關(guān)系，提出了實驗室節(jié)能環(huán)保改造措施。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；輸出溫度影響；溫度修正系數(shù)；參考標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)測力儀；節(jié)能環(huán)保

0 引言

最接近基準(zhǔn)真實值的力值量傳鏈?zhǔn)峭粶囟鹊牧χ盗總麈湥?jīng)過溫度修正的力值量傳鏈必然增大溫度影響的不確定度分量，帶來一些偏差，影響高精度力值量傳和比對，所以同溫量傳鏈?zhǔn)亲詈玫牧總麈?。力?biāo)準(zhǔn)機(jī)許多技術(shù)指標(biāo)依據(jù)準(zhǔn)確度等級來分級設(shè)定，可溫濕度要求卻一直不變(表1)。

表1 目前不同準(zhǔn)確度等級測力儀和力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)規(guī)程的溫濕度比較

溫度修正系數(shù)的使用，可以增加不同室溫條件下檢定力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的靈活性，但若要繼續(xù)提高力值量傳鏈精度，溫度修正系數(shù)的利弊就不得不考慮。

濕度對溫度的影響怎樣？應(yīng)變式測力傳感器的輸出溫度影響和溫度修正系數(shù)的關(guān)系怎樣？溫度對高精度BM檢定過程影響怎樣？如何控制(標(biāo)準(zhǔn)測力儀和參考傳感器溫度修正系數(shù)不同或方向相反時，是否還要3℃以上溫差才修正？是否應(yīng)該同溫量傳？溫濕度計有何具體要求)？如何節(jié)能環(huán)保？不同修正系數(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)與不同準(zhǔn)確度BM的匹配有哪些規(guī)律？本文擬討論上述問題。

1 濕度對溫度的影響

1)在高精度標(biāo)準(zhǔn)測力儀和BM(疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī))量傳鏈中，人們往往重視溫度而忽視濕度。我國地域大，氣溫和濕度波動因季節(jié)不同而差異大，DWM(靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī))和LM(杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī))體積大，定溫時間長，嚴(yán)冬和盛夏時控制室溫到標(biāo)準(zhǔn)20℃較難； BM體積小，定溫快，易穩(wěn)定。

潮濕空氣使物體導(dǎo)熱系數(shù)激增?？諝鈱?dǎo)熱系數(shù)為0.0233W/mK，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5815W/mK，相差25倍。北方相對濕度在40% RH左右的季節(jié)較多，南方則在80% RH左右的較多。在同一氣流前提下，濕度影響溫度波動的快慢，其值越小，溫度波動越慢，有利于修正系數(shù)大的標(biāo)準(zhǔn)測力儀和BM的檢定，但過長的定溫時間會降低工作效率。梅雨季節(jié)(回南天)，規(guī)程的相對濕度80%RH的規(guī)定容易誤導(dǎo)人，不進(jìn)行除濕防銹保養(yǎng)。砝碼若凝結(jié)霧水，會使基(標(biāo))準(zhǔn)力值變大，而濕度太低，易產(chǎn)生靜電，干擾數(shù)字儀表，也會帶來一些不穩(wěn)定。

假設(shè)室溫、氣流和其他因素影響一致，濕度差異會使溫度波動程度不一，可能導(dǎo)致溫度修正系數(shù)大的標(biāo)準(zhǔn)測力儀在南方和北方的基準(zhǔn)機(jī)上呈現(xiàn)出不一致。

2)為濕度制定一個標(biāo)準(zhǔn)舒適值也是必要的。分析相關(guān)文獻(xiàn)，溫度在(20±2)℃，濕度為40%RH～60%RH時，人體感覺舒適，思維最敏捷，工作效率最高。

2 應(yīng)變式測力傳感器的輸出溫度影響和溫度修正系數(shù)的關(guān)系

1)額定輸出溫度影響，由環(huán)境溫度變化引起的額定輸出的變化。通常用環(huán)境溫度每變化10K時引起的額定輸出的變化與額定輸出的百分比表示。簡稱為輸出溫度影響。

2)溫度修正系數(shù)，在變形示值(或輸出)隨溫度做單調(diào)線性變化的測力儀(或稱重傳感器)中，測力儀(或稱重傳感器)在相同力值作用下，彈性體溫度增加(或減少)1K時，測力儀(或稱重傳感器)的變形示值(或輸出)增加(或減少)的相對數(shù)。

3)輸出溫度影響是批量生產(chǎn)某一型號和準(zhǔn)確度的傳感器時，生產(chǎn)者對其技術(shù)和成本進(jìn)行穩(wěn)定控制的工藝范圍值，無正負(fù)符號，不宜用于不確定度計算，往往出現(xiàn)在產(chǎn)品說明書上。溫度修正系數(shù)是通過具體試驗測出來的確定值，或正或負(fù)，可用于不確定度計算。

金屬有熱脹冷縮特性，一般合金含量不超過7%的測力環(huán)，其溫度修正系數(shù)取0.00027/K，為正值，適用低精度檢定。

為提高應(yīng)變式傳感器的精度，減小溫度的影響，工藝上普遍采用溫度補(bǔ)償方法，因制作工藝的差異，存在補(bǔ)償不足和過度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，前者修正系數(shù)為正值，后者為負(fù)值。目前批量的傳感器的輸出溫度影響在0.00005/10K左右，再經(jīng)過檢測挑選，還能挑出更好的。每只傳感器溫度修正系數(shù)必須靠逐個做試驗確定。

3 溫度對高精度BM檢定過程的影響和控制方法

1)檢定BM的一大特點(diǎn)是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測力儀進(jìn)行賦值(室溫應(yīng)與力值溯源基準(zhǔn)時的一致)，溫度對BM影響很大(表2)，當(dāng)室溫偏離基準(zhǔn)機(jī)檢定標(biāo)準(zhǔn)測力儀的溫度時，力值的賦值會發(fā)生變化，若不進(jìn)行溫度修正，BM示值誤差和長期穩(wěn)定度會變大。

表2 室溫對不同溫度修正系數(shù)BM影響的舉例計算結(jié)果

BM規(guī)程將室溫波動從±1℃收窄為±0.5℃(接近國際比對的±0.3℃)的方向正確，但忽略了BM受室溫影響大的特點(diǎn)，仍然沿襲對砝碼溫度影響很小的DWM、LM和HM(液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī))的寬松室溫(20±5)℃，即等效室溫基本沒變，濕度也沒變，沒有分級控制溫濕度，有些舍本逐末(表1)。等效室溫指檢定時室溫與溫度波動同向達(dá)到極端的疊加效應(yīng)值。

2)文獻(xiàn)表明，有時溫度修正系數(shù)差異達(dá)到3倍左右 (表3)?！皽囟刃拚禂?shù)會隨著負(fù)荷的增加作稍許的線性減少，在溫度修正范圍較大時，通過考慮負(fù)荷對修正系數(shù)的影響，可以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度”[1]。即從低精度量傳角度看，修正系數(shù)是定值，從高精度量傳角度看，修正系數(shù)卻是變量，過大的溫差修正會使溫度影響不確定度變大，少則十萬分之幾，多則萬分之幾，因此在高精度量傳鏈中，不能過度依賴溫度修正，即使修正，溫差也是越小越好，應(yīng)提倡同溫力值量傳，即在高精度力值量傳鏈中，始終按照標(biāo)準(zhǔn)室溫(20±0.5)℃和濕度(60±5)%RH進(jìn)行檢定，檢定過程的溫度波動為±0.5℃，這是最高追求(或用于基準(zhǔn)實驗室)，檢定BM的室溫，應(yīng)參考表4進(jìn)行分級控制。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)測力儀溫度修正系數(shù)的差異[1]

表4 不同的準(zhǔn)確度等級、溫度修正系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)(或參考標(biāo)準(zhǔn))測力儀與溫濕度關(guān)系

3)廣西計量院歷年500kN液壓BM驗證機(jī)檢定時溫度(節(jié)點(diǎn)固定前)走勢為從24℃、22℃到25℃，BM示值誤差連續(xù)兩年優(yōu)于0.0086%的檢定溫度為后兩者(若考慮溫度波動±1℃的極端情況，其等效溫差為5℃)。若檢定BM用的標(biāo)準(zhǔn)測力儀溫度修正系數(shù)為負(fù)值，BM所用的參考傳感器溫度修正系數(shù)為正值，則較大的溫差會使BM力值誤差變大。

4)用不同溫度修正系數(shù)(表3)的測力儀在某一室溫標(biāo)定后，分別推算其在不同溫度使用時的力輸出值和相對誤差，可發(fā)現(xiàn)3℃以上溫差才需做修正的規(guī)定存在一些問題。小力值范圍，選擇修正系數(shù)在0.000005～0.00001/℃范圍的傳感器不難，室溫(20±1)℃容易控制，力值變化優(yōu)于0.001%，極端情況下，加上負(fù)荷對修正系數(shù)的影響，仍小于0.002%，較合理。52003#修正系數(shù)最小，溫差2℃可不修正。24975#修正系數(shù)最大，溫差1℃也應(yīng)修正。

修正系數(shù)實驗費(fèi)時又費(fèi)錢，控制溫濕度比篩選修正系數(shù)小的傳感器更容易，且成本低，是更簡便的好方法。若標(biāo)準(zhǔn)測力儀未知修正系數(shù)，向下量傳力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時只要與基準(zhǔn)的量傳溫度一致即可；若參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的修正系數(shù)未知或比0.00001/℃稍大，室溫嚴(yán)格控制(20±1)℃也行，此時，即使修正系數(shù)為3.26 10-5/℃，其力值變化也優(yōu)于0.0033%。室溫控制在(20±0.5)℃和±0.5℃的溫度波動則更好，可用于力基準(zhǔn)實驗室的控制，這要求不算苛刻，可借鑒的例子很多，例如量塊檢定室溫要求(20±0.2)℃，砝碼和天平檢定(特點(diǎn)是有砝碼實物比較)的溫度波動較高的要求為±0.5℃(濕度為40% RH～60% RH)。

5)有時，帶來的溫度計與現(xiàn)場的溫度計指示值相差2.5℃；有時基準(zhǔn)檢定標(biāo)準(zhǔn)測力儀與該測力儀檢定BM的溫差達(dá)8℃；有時不同標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定同一BM的溫差達(dá)3.5℃，這些都會影響對BM力值準(zhǔn)確度的正確評估。

嚴(yán)控溫度的方法也要求溫濕度計的精度要高。指針式濕度計一般誤差為5%RH，數(shù)字濕度計精度可達(dá)2%RH。溫度計分為精密級和普通級，精密級的分度值不大于0.1℃，示值誤差優(yōu)于±0.2℃，有數(shù)字式和水銀玻璃式的；普通級的分度值不大于0.3℃，示值誤差優(yōu)于±1℃，有數(shù)字式、玻璃式和指針式的。

4 結(jié)論

1)BM的準(zhǔn)確度主要由參考標(biāo)準(zhǔn)測力儀決定。要提高BM精度，應(yīng)該依據(jù)同一個溫度的力值量傳鏈最接近基準(zhǔn)真實值的原理和考慮BM的賦值特點(diǎn)，否則量傳精度會折損較大。

2)濕度影響溫度波動的快慢。較大的濕度在溫度變化較快時容易在砝碼上凝結(jié)霧水，使力值變大，可能對南方的力基(標(biāo))準(zhǔn)機(jī)影響較大，若檢定過程霧水揮發(fā)，力值又會變小，因此初次開機(jī)定溫要緩慢控溫，時間相對要長些，這樣可避免砝碼結(jié)霧。

3)太寬的室溫范圍對檢定溫度修正系數(shù)大的標(biāo)準(zhǔn)測力儀和BM的示值誤差和長期穩(wěn)定性有較大影響。使用0.01級參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的BM的溫度修正系數(shù)影響分量(含修正系數(shù)隨負(fù)荷變化的不確定度)應(yīng)優(yōu)于0.002%。做修正的溫差取決于參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器準(zhǔn)確度等級和修正系數(shù)的大小，修正系數(shù)小，溫差2℃可不修正。修正系數(shù)大，溫差1℃也要修正。

高精度量傳中，為避免溫度修正系數(shù)隨負(fù)荷變化的因素和修正溫差帶來的影響，不能過度依賴溫度修正，即使修正，溫差也是越小越好。

最好實施同溫量傳，即不管溫度修正系數(shù)已知還是未知，是大還是小，是正還是負(fù)，高精度 BM檢定和使用的溫濕度值必須嚴(yán)格與基準(zhǔn)機(jī)檢定標(biāo)準(zhǔn)測力儀時一致(參考表4)，否則應(yīng)該考慮降級。最好將力值標(biāo)準(zhǔn)量傳室溫定為20℃，這能避免過大的系統(tǒng)誤差和人為誤差。

4)為保障準(zhǔn)確度和工作效率，溫度計需配精密級的，濕度計需配(2～3)% RH誤差的數(shù)字濕度計。在力基(標(biāo))準(zhǔn)實驗室內(nèi)，至少要放置兩套溫濕度計，分別放置BM和墻上，方便核驗和控溫，避免錯誤的溫度指示帶來不良后果。檢定過程的氣流要控制適當(dāng)，不要過高或過低。

5)若溫度在夏季降不下來和冬季溫度升不上去，實驗室需要增加空調(diào)的功率和控溫能力，加強(qiáng)實驗室節(jié)能保溫改造；大幅減小采光玻璃窗的面積(南方陽光輻射強(qiáng)，被照射的傳感器易形成陰陽兩面溫差，帶來示值波動；窗縫隙透風(fēng)較多時裝窗簾作用有限)，加裝較厚的環(huán)保防火保溫層板，使溫控、節(jié)能和安全都能做得更好，并在此前提下，盡量將標(biāo)準(zhǔn)測力儀和BM的檢定時間安排在溫度比較溫和的春季(要注意濕度大的水霧影響)或秋季。本項目實驗室改造前的盛夏季節(jié)，兩臺空調(diào)不停，室溫要到半夜才能降到20℃，改造后的白天，僅用一臺空調(diào)都很容易將室溫降到20℃。

6)綜上所述，我們可將溫濕度指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器、參考傳感器和BM的準(zhǔn)確度等級做出合理配置(表4)，這樣，在用DWM、LM和HM檢定標(biāo)準(zhǔn)測力儀時會更準(zhǔn)確和效率更高。

[1] 李慶忠、臧鍵.應(yīng)變式測力儀溫度修正系數(shù)[J].計量技術(shù)，1992(12)

[2] JJG 734—2001力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程[S].北京.中國計量出版社.2002

[3] JJF 1011—2006力值與硬度計量術(shù)語及定義技術(shù)規(guī)范[S].北京.中國計量出版社.2007

[4] 植宇輝.疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)部分計量特性和檢測方法淺析[J].大眾科技，2013(5)

[5] 植宇輝，莫先怡，鐘澤光.液壓疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)力值重復(fù)性、示值誤差和長期穩(wěn)定性觀測與思考[J].大眾科技，2014(1)

[6] 張克，張哲，楊莉.采用高精度數(shù)字溫度計替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計的探討[J].計量學(xué)報，2007(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.18