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基于液体静力称量法的密度测量研究

顾英姿  
【摘要】: 固体密度基准(单晶硅球)的密度准确度很高,这就要求高准确度的密度量值传递系统——静力称量系统来进行密度量值传递。为了提高测量的准确度,量传系统的组成结构、性能指标均需进行以减小测量误差为目标的特别设计:本文研制了一套特殊的吊挂系统,可以同时置放三个固态物体,利用一套机械结构来控制标准和待测样品的上下运动,以实现在一次测量中得到标准和待测样品所受到的浮力值,减小由于液体温度、液面高度、液体密度等因素的变化导致的测量结果不确定度的增加;由于电机工作时会释放一定的热量,而温度对密度测量的准确度有较大影响,为了减少热源,尽可能保持稳定的环境温度,本文通过巧妙的机械设计,仅使用两个步进电机就完成了四部分八个升降动作的控制,这也是本实验装置设计的一个难点;称量系统是本系统的关键部分,为了消除人为参与对测量结果的影响,本文通过对高精度比较器AX1005的技术改造实现了砝码的自动加载和卸载,从而建成了一套高准确度、全自动的称量系统。 固体标准和待测样品轮换测量以及砝码的自动转换加载均是通过控制步进电机的转动来实现的。在实验过程中,采用人工控制非常复杂,而且容易出错,为了减小人员操作带给系统测量结果的不确定度,我们采用Visual Basic语言编写步进电机的控制程序,实现了测量的自动化控制。空气密度的实时测量在精密测量中也十分重要,为了准确测量天平称量室内的空气密度,将温度传感器、湿度传感器和大气压力传感器分别放入到天平防风罩中接近称量室的位置,传感器输出的电压信号接入数据采集卡中,编写了数据采集和空气密度计算的应用程序,实现了空气密度的自动化测量。 实验研究是本论文的另一个重要组成部分。通过分析影响测量结果不确定度的各个分量可以发现,温度、压力、空气密度和弯月面力都会影响测量结果的准确度,而其中由液体表面张力作用产生的弯月面力是最大的一项。由于不同液体的表面张力系数不同,实验选用了纯水和纯酒精两种工作液体进行固体密度的测定实验,通过分析实验结果发现表面张力系数小的液体(纯酒精)测量结果的分散性要小于表面张力大的液体(纯水)。因此,作为工作液体,为了提高测量结果的准确度应该尽可能选用表面张力系数小的液体。除了弯月面力以外,固体质量、固体体积、温度、空气密度都会影响测量结果的不确定度,在保证实验设备的性能和实验环境稳定的基础上,减小弯月面力提高测量结果准确度的关键。论文的最后提出了减小弯月面力影响的几种方法,然而如何通过分析接触面的形状来精确计算出弯月面力的大小以减小其对测量结果的影响仍是今后应该重点研究的方向。


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