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关于温度对长度计量检定的影响分析

原创: 陈谊丽 计量测控

热胀冷缩在自然界中是物体具有的基本特性之一,在长度计量检定当中,温度对计量精确度的影响很大,但并不是唯 一的影响因素。因此,本文通过简单分析当前的长度计量检定状况,通过研究温度与长度之间的关系模型,来确定温度对 长度计量的影响。

在计量领域,发展最成熟的学科在于长度计量,是计量项目中比较基本的项目。它研究表征物体位置、形状、大小、 长短的几何量。在进行长度计量检定过程中,对温度的要求很高,因而研究温度对长度计量检定的影响,具有显著的现实 意义。

1关于长度的计量检定 长度计量检定拥有悠久的历史,在计量领域当中是最基本的计量项目,实际也是最常见的,在工业领域应用尤其广泛,在 各个级别的计量机构当中都占有重要地位。目前长度计量正在向着高分辨率、自动化、动态化、多功能、大量程等方向发 展,并为科研、制造等提供更适用、更好的计量检定仪器。

1.1 长度计量工具 现阶段,在长度计量所使用的工具方面,有很多种类别,如计量检定直线度的量块、平尺等;检定平面度的平面平晶、平 板等;检定表面粗糙度的干涉显微镜、光切显微镜、标准多刻线样板等。还有游标类量具如游标卡尺、数显卡尺等;微分类 量具如外径千分尺、数显千分尺等;指示表类量具如大量程百分表、数显百分表等;角度量具如刀口形直角尺、矩形直角尺 等。此外还有量规类量具、长度常规测量仪器、坐标测量仪器以及测微仪等。

1.2 长度计量基准 在物理量中,长度是最基本的一个,在长度计量中一般以米(SI基本单位之一)为基本单位,在很多导出单位中均包含着长 度单位的因子。早在1983年,米被定义为真空环境下光在1/299792458秒时间内行程的长度。这一点体现长度计量的基本 性,长度单位是否准确在很大程度上决定导出计量基准的准确性。就目前来看,就米的定义来说,虽然明确,但依然具有 很高的开放性,限制条件多,测量技术对测量精确度的影响很大,在《长度计量基准研究》一文中对此进行了比较详细的研 究。

量块很十分实用且精度高的实物标准,在传递中,基准一般是He-Ne激光波长。结合米的定义,可以将一把尺子的基本 刻线间距看作是激光波长,目前一般常用633nm波长的激光。但值得注意的是,实际上激光波长并不能直接运用,需要和 激光干涉仪结合使用,才能保证其发挥效用。

1.3 长度计量误差 在长度计量当中,常见阿贝误差以及温度误差。前者是违背了阿贝原则产生的误差,所谓阿贝原则指的是被测尺寸线要与 标准尺寸线重合或平行(包括延长线),否则就会带来误差。

后者主要是由于温度引起的误差。在相关的长度计量规范或标准中都有明确要求注意环境温度。例如JJG21(外径千分 尺)要求室内温度以20摄氏度为基准,最大允许的偏差不过5摄氏度,100mm范围内外径、板厚、壁厚测量对千分尺适用温 度要求,校对用量杆则要求不得偏差超过3摄氏度。

2关于温度对长度的影响 热胀冷缩是自然界物质具有的基本特性之一,在温度变化大的情况下,这种现象尤为突出。之所以相关规范或标准中明确 要求注意环境温度,就是因为在长度计量检定中,温度的影响巨大。比如在光学计上检定一个量块,对好零位,用手触摸 量块,此时可以发现刻度尺读数迅速发生变化,一到两分钟内可能就会变化几微米。也就是说,当进行长度计量时,温度 与相关规范或标准所规定温度有较大偏差时,被测量对象的的尺寸就会发生变化,测量出的结果如果没有相应措施,就会 导致结果误差大。

2.1 温度与长度的关系 为研究温度与长度之间的关系,笔者结合实际工作经验与相关研究资料对《长度计量概述》一文中提到的公式进行了实际 验证,实验证明该公式是正确的,能比较准确的反应温度与长度之间的关系。公式为ΔL=L·k( t-20)(1),该公式中 ΔL,L,a,t分别表示尺寸变化、尺寸、线胀系数以及温度。20表示20摄氏度为相关标准中规定的标准环境温度,对于不 同的长度计量项目有一个明确的允许偏差,如上文对JJG21的阐述。这个公式不仅可以代表被测物体温度与长度变化的关 系,也在量具温度同时发生变化时具有一定代表性。因此可以将上述公式进行如下变换 :ΔL=L[k1(t1-20)-k2(t2- 20)](2),式中k1,k2分别代表物体与量具材料的线胀系数,t1,t2分别代表物体与量具的温度 ,要注意该公式只适合 高精度测量,且量具与被测物体形状较为简单的长度计量中。公式成立,那么在用外径千分尺测铜 轴(规格200mm)的长度 计量过程中,铜轴温度40摄氏度,与标准温度相差20摄氏度,显然不符合标准,外径千分尺温度为 15摄氏度,温度差距勉 强达到标准要求的温度偏差要求。铜轴材料线胀系数17.5×10-6,所用外径千分尺为钢质,据公式 计算,在这种情况下, 会有81.5μm的温度误差。如果千分尺的温度上升至40摄氏度,铜轴温度不变,此时虽然还有温度误差,但已经减小到24μm。

2.2 温度对长度计量的影响 以上述公式来分析,当物体或量具的温度均为20摄氏度时,尺寸变化为零,也就是没有温度误差,当物体与量具温度一样 但不为20摄氏度时,被测物体尺寸变化不仅受到温度的影响,还会受到物体与量具不同材料的影响(因为,材料不同,各 自的线胀系数可能有差别)。此时如果二者温度一致,且线胀系数一致,那么物体尺寸将不会出现变化,即没有误差。当 然这样一来就可以推断,如果线胀系数一致,被测物体尺寸是否存在误差就会以温度为基准来定。从此处的分析可以推断 ,温度是否对长度计量产生影响,有一个十分重要的要素——线胀系数。所谓线胀系数,当物体温度变化1摄氏度,单位长 度的尺寸发生变化的大小,仅与材料相关,不同材料对应各自的线胀系数,如钢为11.5×10-6,铝为23×10-6。基于上述分 析,假如有一钢质零件,规格100mm,此时温度每发生1 摄氏度的变化,零件尺寸就会发生约1μm 的变化,随着温度的增加 变化量会急速增加。

由此得出结论,当被测物体与量具在实验室条件下(即温度20摄氏度,并符合相关标准的温度偏差要求),考虑被测物 体与量具材料的不同线胀系数,可保证不产生温度误差。在某个室内温度下(即与标准温度偏差较大时),此时若被测物体 与量具温度一致,那么温度误差的产生不仅在于温度,还在于被测物体尺寸以及二者的线胀系数。物体尺寸越大,且与量 具材料线胀系数的差值越大,温度误差越大。如果达到温度平衡状态,且被测物体与量具为相同材质(即线胀系数一致), 此时就可以尽可能的避免出现温度误差。

综上,在长度计量检定当中出现温度误差,因素有很多,不仅仅在于温度,还在于被测物体尺寸、材料线胀系数。要 尽可能降低温度误差,关键还是要达到温度平衡,尽可能使被测物体与量具材质一致。从当前长度计量检定技术发展现状 来看,显然还需要持续进行研究,目前比较好实现的是改进测量技术控制温度达到温度平衡,可使温度误差尽可能小。

2.3 如何减小温度对长度计量的影响 就上文所言,要实现温度平衡,目前可以采用很多方法,笔者结合自身实践经验以及一些研究成果,总结出如下方法,作 为参考。

首先,在相关标准中要求环境温度要以20摄氏度为基准,并保证温度变动范围在允许的偏差范围之内。所有在进行长 度计量检定时,必须控制环境温度达到标准的要求。一般情况下,这种方法适用实验室,因为只有实验室环境下才有条件 实现完善的保温以及恒温措施。当实验室具备上述措施,那么就可以考虑如何尽可能的降低被测物体与量具材料线胀系数 的差值,尽可能将该差值向零靠拢,也就是尽可能保证二者的材质一致。当然这是对于适用上述公式(2)的长度计量检定 项目而言的。除此之外,可以通过研发、应用先进的测量仪器,尽可能降低线胀系数的影响,甚至达到线胀系数完全不影 响的状态,此时就只需要控制温度,保证温度平衡即可。

其次,目前要实现温度平衡,或者实现标准环境温度,可以利用空调来实现。对于实验室环境应对空调的安装位置进 行科学的规划,利用空调来调节温度。但实质上,即使利用空调也不一定能够获得符合要求的环境温度,因为要确保在计 量过程中保持恒温,所以一般的常规空调是不合适的,应选择控温能力更强的变频空调。但要注意,空调在调节室内温度 时,其吹出的冷风并不是所要求的温度,而是比这一温度要更低,因此,要避免冷风直吹被测物体以及量具。因此重点还 是规划好安装位置,使室内形成一个比较好的风循环环境,使环境温度达到标准要求并保持这一温度。同时要注意,在进 行长度计量检定期间,空调的使用。空调在调节温度方面并不是瞬间完成的,而是要有一个时间,同时被测物体和量具要 达到环境温度,并保持恒温,还需要一段比较长的时间,据研究发现这个时间一般能够达到4小时。所以在计量前要提前 准备,合理调配空调的开关时间。

第三,如果环境温度达不到要求,一般这种情况是在实验室环境外进行的测量项目。这种情况下,排除被测物体与量 具材质的差距问题,此处不作分析,要减少温度误差,关键点同样在于实现温度平衡——被测物体与量具温度平衡。一般可 以通过提前将被测物体与量具放置在同一环境下一段时间,使温度均衡。当然无论是不是实验室环境下的计量,都需要注 意一个细节,即尽可能避免人手的温度产生的影响,而且在计量过程中这种情况是不容易察觉的所以要采取措施,比如用 夹子、手套、绝热垫等工具隔绝人手的热量,避免人手直接触及物体或量具,从而控制温度误差。
结语

以目前长度计量检定技术的发展状况来看,长度计量中常见的温度误差很难完全杜绝,这有多方面的原因。温度对长 度计量精度的影响只是其中一个比较重要的因素,但也是不容忽视的一个影响因素。以现有的相关标准、规范以及测量技 术来看,可以通过一些措施,使误差尽可能小,并符合标准的允许误差要求,这些措施的核心就是温度平衡。

——作者:陈谊丽

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