提高密度計校準結(jié)果準確度的方法

梁秀麗，王建國，王旭華，王學琴，張坤，梁旭

(1.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所 (余姚分所)，余姚，315400;2.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，山東濟南，250031)

0 引言

密度計是測量液體密度最常用的儀器，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究、醫(yī)療衛(wèi)生及國防等領域中得到了廣泛的應用。隨著石油化工、食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等各項事業(yè)的迅速發(fā)展，在控制生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量、商貿(mào)等方面對密度量值的準確度均有明確的要求，密度計的量值是否準確可靠，直接影響到液體密度測量的準確性，因此必須對其進行校準。

密度計校準結(jié)果的準確性受多種因素的影響，它不僅與主標準器、密度檢定液和技術人員的技術水平有關，還與操作方法有關。作者憑借多年從事密度計量工作積累的經(jīng)驗，針對密度計校準中的問題，提出了一些見解，通過分析影響密度計校準的各種因素，指出了密度計校準的正確的操作方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑［1－2］

一等標準密度計組:共39支，測量范圍650～2000 kg/m3，分度值為0.2 kg/m3和0.5 kg/m3;

電子天平:型號JD1000-2，測量范圍10 mg～1000 g;

千分尺:分度值0.01 mm，測量范圍0～25 mm;

溫度計:內(nèi)標式0.1℃，測量范圍0～50℃;

檢定筒:內(nèi)徑110 mm，高500 mm;

密度液:石油產(chǎn)品混合液650～810 kg/m3，酒精溶液810～920 kg/m3，硫酸氫乙酯930～1830 kg/m3，碘化鉀－碘化汞水溶液1840～2000 kg/m3。

1.2 工作原理

采用直接比較法，按照檢定規(guī)程的要求開展密度計校準。將被檢密度計與標準密度計同時浸入同一檢定液中，直接比較其分度表上的示值，校準時如果校準液與被校密度計實際使用的液體不同，則進行毛細常數(shù)修正，最后經(jīng)過一系列計算得出被校密度計的修正值［1－2］。

式中:Δρ為被校密度計的修正值，kg/m3;ρ標為標準密度計修正后的密度值，kg/m3;ρ被為被校密度計修正后的密度值，kg/m3。

2 影響因素及正確操作方法

校準工作中，密度計校準結(jié)果準確性主要受主標準器、配套設備、校準環(huán)境、校準方法及人員的熟練程度等多方面的影響。

2.1 主標準器的量值

主標準器是指標準密度計，其量值是否準確直接影響密度計校準結(jié)果的準確性，因此必須對其進行質(zhì)量控制。在密度計校準工作中，由于主標準器頻繁使用，或因其玻璃材質(zhì)的體積收縮，密度計干管內(nèi)的標尺會發(fā)生位移，使密度計量值發(fā)生變化;另外，密度計壓載室內(nèi)通常用鉛粒封住，使用時間長了，可能因鉛粒松動，使得密度計重心偏移，影響測量結(jié)果。因此對于標準密度計，要正確使用和維護，并進行周期檢定，同時還要在兩個檢定周期內(nèi)至少進行一次期間核查。核查方法有多種，可以用標準密度計測量有準確密度量值的液體，也可用標準密度計對密度量值穩(wěn)定的密度計進行檢定，比較其量值的變化。

2.2 密度液

液體毛細常數(shù)決定于液體本身的特性，它與液體的表面張力有關。液體自身的清潔程度會影響表面張力，且張力隨時間變化而變化，這種變化對表面張力大 (即毛細常數(shù)大)的液體更為顯著，實驗表明這項誤差對浮計示值的影響估計為0.1個分度值［3］。在條件允許時，盡量用一定純度的試劑配制，以減少表面張力，并且避免因雜質(zhì)存在，影響人的視覺分辨力，從而影響測量結(jié)果的準確性。

2.2.1 配制公式［3－5］

配制密度液首先要計算欲配制液體的各組分分量。如果將密度為ρ1和ρ2的兩種液體配制成密度為ρ、體積為V的密度液，可按公式 (2)和 (3)［3－4］計算所需兩種溶液的體積V1和V2，這樣可以提高欲配制密度液量值的準確性，減少微調(diào)時的工作量。

式中:ρ1，ρ2，ρ為溶液的密度，kg/m3;V1，V2，V 為溶液的體積，m3。

2.2.2 配制注意事項

配制密度液，首先選用試劑級的材料，以減小毛細常數(shù)及雜質(zhì)的影響;其次要掌握正確的配制方法。對于石油產(chǎn)品混合液、酒精水溶液、硫酸水溶液、碘化鉀－碘化汞水溶液由于配制方法較為簡單，按規(guī)程要求進行即可［4］，不再贅述。

由于硫酸氫乙酯配制過程中發(fā)生化學反應，并放出大量的熱，溫度過高時，會加速乙醇碳化，使溶液顏色變深，影響密度計讀數(shù)，并且縮短保質(zhì)期，因此配制這種密度液，一定要控制液溫不超過40℃。實踐證明，在配制硫酸氫乙酯時，酒精液的濃度是影響硫酸氫乙酯穩(wěn)定性和準確性的關鍵，因此必須用85%的酒精液進行配制，否則會因為密度液中各組分分量分配不當，給毛細常數(shù)修正帶來誤差，從而影響測量結(jié)果的準確性。

2.3 環(huán)境影響

2.3.1 實驗室溫度

按照檢定規(guī)程的要求，檢定標準密度計時，控制室溫與液溫之差不超過2℃，檢定工作密度計時，室溫與液溫之差不超過5℃。由于密度計的玻璃膨脹系數(shù)β= ( 2 5±2 ) ×10－6℃－1，則會由于密度計的玻璃膨脹，使密度計干管標尺密度值發(fā)生變化，變化量為Δρ=ΔtΔβρ，因此校準時，要控制室溫與液溫相對穩(wěn)定，一般控制室溫在 (20±5)℃為宜。

2.3.2 光線

光線直射在密度計上，會使形成的彎月面與干管切線變細，影響視覺判斷，產(chǎn)生較大的讀數(shù)誤差。因此校準開始時，室內(nèi)要盡量避免陽光直射。

2.3.2 氣流

室內(nèi)如有氣流，則會使密度計漂浮不定，影響視覺判斷，同時由于密度計穩(wěn)定時間較長，液溫容易不均勻，造成測量誤差，因此校準時要避免有氣流。

2.4 校準過程

2.4.1 器具的清潔

校準前先將標準密度計、被校準密度計、檢定筒、攪拌器等洗凈干燥后，置于檢定室內(nèi)，清洗好的玻璃儀器內(nèi)壁應不掛水珠，清洗干凈的密度計不要用手觸摸標尺的干管部位。

如果器具不清潔，不僅會污染密度液，還會使密度計干管沾附過多液體，給測量結(jié)果引入誤差。

2.4.2 密度液的調(diào)配

將密度液小心地倒入檢定筒內(nèi)中，并攪拌均勻，調(diào)整密度液到標準密度計校準點上下2個分度值之內(nèi)，否則對測量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

2.4.3 外觀檢查

目前，市面上密度計質(zhì)量參差不齊，一些生產(chǎn)密度計的廠家受利益的驅(qū)使，忽略產(chǎn)品質(zhì)量，有的企業(yè)甚至沒取得“生產(chǎn)計量器具許可證”而私自生產(chǎn)密度計。因此校準前必須進行外觀檢查。密度計內(nèi)不得有霧氣、柳紋、裂紋，壓載室不得有松動，如有一項不符合要求，則判為不合格，不再進行示值校準。

2.4.4 示值校準

用手輕提標準和被檢密度計干管頂端，即左右兩手要捏住密度計干管上端，不要捏到干管標尺處，將其緩緩浸入密度液中，待接近平衡位置時再慢慢放手，否則，密度計因上下波動，干管上沾有液體，增加了密度計的質(zhì)量，使測量結(jié)果偏低。因此校準時，一定要熟練操作，使其在校準點上下三個分度值內(nèi)波動，并穩(wěn)定1～3 min，這一點對于硫酸水溶液、硫酸氫乙酯這類粘性液體或碘化鉀－碘化汞尤為重要，尤其是碘化鉀和碘化汞液。另外，密度計不要相互碰撞或吸附在一起，更不能附著在檢定筒的內(nèi)壁上，否則，由于存在支撐力，相應增加了浮力，給校準結(jié)果帶來誤差。

對于液體要充分攪拌，以使筒內(nèi)液溫均勻穩(wěn)定，同時要注意不得產(chǎn)生氣泡，因為氣泡的存在，液體內(nèi)部不均勻，同時氣泡還可附著在密度計上，使密度計體積增加，產(chǎn)生示值誤差。

2.4.5 讀數(shù)

用密度計讀數(shù)的方法按規(guī)程的規(guī)定進行，除標明按彎月面上緣讀數(shù)外，其它均按下緣讀數(shù)。無論按上緣還是下緣讀數(shù)均應先用眼睛對準彎月面上緣或下緣，與干管相切于兩條相鄰標記即分度值間的位置，并判斷出占分度值的十分之幾，估讀到分度值的十分之一。如果密度計刻線較細時，可以配以讀數(shù)放大鏡。

使用硫酸檢定液時，為消除或盡量減少液體表面張力變化的影響，必須采用溢出法，使密度液表面一層液體溢出，形成好的彎月面，可減少讀數(shù)誤差，提高測量結(jié)果的準確度。

2.4.6 空氣浮力

密度計在液體中平衡時，液面以上那部分體積受到空氣浮力的影響，由于這部分體積小，在通常狀態(tài)下，空氣變化很小，因此空氣浮力引入的誤差可忽略不計。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 溫度修正

將兩支具有同一標準溫度和同樣材料的密度計，浸入同一非標準溫度的密度液中校準時，由于兩支密度計體積改變所導致的誤差相同，在比較其示值時被抵消，故只要液體溫度均勻一致，無需做溫度修正，若標準和被檢密度計的標準溫度不同，而又在同一標準溫度密度液中校準，則須作溫度修正。

2.5.2 毛細常數(shù)修正

由于各種液體的毛細常數(shù)不同，如密度計實際工作中測量液體密度和檢定時的液體不一樣，則會產(chǎn)生較大的誤差，為了消除此誤差，必須進行毛細常數(shù)修正，因此在檢定用液與實際使用液體不一致時，毛細常數(shù)修正很重要，如果不進行修正，將對校準結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

3 校準結(jié)果驗證

2011年，我們參加了由中國合格評審委員會(CNAS)組織、中國計量科學研究院實施的“工作密度計校準”能力驗證項目，取得了很好的結(jié)果，校準結(jié)果比較見表1。

表1 工作密度計校準結(jié)果比較 kg/m3

由表1可知，我們的校準結(jié)果與中國計量科學研究院的校準結(jié)果一致性很好，說明本標準器組的計量性能符合要求，同時也說明，只有各個環(huán)節(jié)嚴格把關，才能保證測量結(jié)果準確可靠。

4 結(jié)語

影響密度計校準的因素很多，在工作中要首先了解各種影響因素，并針對每一影響因素，采用正確的操作方法，盡可能消除其影響，減小測量誤差。必須保證主標準器的量值準確和穩(wěn)定，注意密液的配制方法，正確控制校準過程中的各個環(huán)節(jié)，才能提高密度計校準結(jié)果的準確性，確保密度量值準確和可靠。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG86-2011標準玻璃浮計檢定規(guī)程［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2011.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG42-2011工作玻璃浮計檢定規(guī)程［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2011.

［3］李興華.密度·濃度測量 ［M］.北京:中國計量出版社，1990.

［4］李興華.密度計量 ［M］.1版.北京:中國計量出版社，2002.

［5］徐秀華.密度計量［M］.北京:中國計量出版社，2010.