[02-26] 密玉量塊檢定中的溫度問題

　　密玉量塊自70年代問世以來，在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用，各省、地市計(jì)量部門也普遍開展了密玉量塊的檢定工作。有些部門反映在檢定中密玉量塊的穩(wěn)定性不好，年變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值，有時(shí)甚至超過偏差值而無法確定其尺寸。由于密玉用來制造量塊的歷史不長，所以對其尺寸穩(wěn)定性應(yīng)予十分重視。經(jīng)過實(shí)踐的總結(jié)，我們認(rèn)識(shí)到檢定中的不穩(wěn)定性主要來自于其材質(zhì)與金屬量塊材質(zhì)溫度特性的差別，檢定時(shí)確保溫度平衡尤為重要。

　　檢定密玉量塊時(shí)是以鋼質(zhì)量塊為標(biāo)準(zhǔn)，通過比較測量確定其長度的。在(10～30)℃的范圍內(nèi)，鋼質(zhì)量塊的熱膨脹系數(shù)為(11?5±1)×10－6/K，密玉量塊的熱膨脹系數(shù)為(11?5±1?2)×10－6/K。由于兩者的熱膨脹系數(shù)相近，容易使檢定人員忽視兩者熱傳導(dǎo)系數(shù)等特性參數(shù)的差異，即不注意真正的熱平衡而僅根據(jù)量塊表面溫度相近就進(jìn)行測量，這就極易帶來測量誤差。下面就此問題進(jìn)行分析、計(jì)算。

　　關(guān)于溫度平衡問題，涉及到材質(zhì)的三個(gè)特性參數(shù)：比熱容系數(shù)C、熱傳導(dǎo)系數(shù)λ和密度g。

　　比熱容系數(shù)C=Q/(M·△t)的含義是：質(zhì)量為M的某種材料，溫度上升(或下降)△t時(shí)，要吸收(或放出)的熱量為Q。密玉量塊的比熱容系數(shù)C1=0?73焦耳/(克·開)，鋼的比熱容系數(shù)C2=0?46焦耳/(克·開)。熱傳導(dǎo)系數(shù)λ是熱量沿材質(zhì)垂直熱源方向的線性傳播速度，單位是卡/(厘米·秒·開)。密玉的熱傳導(dǎo)系數(shù)λ1=0?0192卡(厘米·秒·開)。鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)λ2=0?104卡(厘米·秒·開)。密度是物質(zhì)單位體積的質(zhì)量。密玉的密度g1=2?7g/cm3，鋼為g2=7?88g/cm3。

　　當(dāng)然，對于某一具體物體來說，它的熱飽和時(shí)間還與其形狀和受熱表面積有關(guān)。在我們討論情況下，密玉量塊的大小和形狀是相同的，所處的環(huán)境條件也相同。因此，影響等溫性能的因素是比熱容系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)和密度。為了能對兩種材料的溫度性能有更確切地了解，我們來考察兩個(gè)同樣尺寸的量塊溫度升高1℃時(shí)所需要的時(shí)間之比。

　　設(shè)密玉量塊所需要的時(shí)間為T1，金屬量塊所需要的時(shí)間為T2，并設(shè)量塊的體積為V，則密玉量塊的質(zhì)量M1=V·g1,金屬量塊的質(zhì)量M2=V·g2，則：

　　C1=Q1/M1　　C2=Q2/M2

　　兩量塊溫度升高1℃時(shí)所需要的熱量為：

　　Q1=C1M1=C1Vg2

　　Q2=C2M2=C2V2g2

　　兩量塊溫度上升1℃時(shí)所需要的時(shí)間為：

　　T1=Q1/λ2　　T2=Q2/λ2

　　則：兩量塊所須時(shí)間之比

　　T1/T2=Q1λ2/Q2λ1=C1g1λ2/C2g2λ1

　　=0?73×2?7×0?104/0?46×7?88×0?0192=3

　　由此可以看出，在同樣條件下，密玉量塊達(dá)到溫度平衡所需時(shí)間比金屬量塊長三倍。另外，密玉量塊對溫度波動(dòng)的敏感性低于金屬量塊，造成在實(shí)際測量中溫度較難掌握。

　　在實(shí)踐中我們采用的辦法是強(qiáng)制溫度平衡，即長期在檢定室中放置一塊金屬平板，檢定時(shí)把密玉量塊和金屬標(biāo)準(zhǔn)一同放在該平板上等溫，500mm以下的量塊通常需要一小時(shí)，便可達(dá)到溫度平衡狀態(tài)；對于須用臥式光學(xué)計(jì)檢定的較大尺寸量塊，裝夾完后再放十分鐘，以平衡裝夾過程對溫度的影響。裝夾前要事先做好儀器調(diào)整等準(zhǔn)備工作，動(dòng)作要迅速，并把金屬量塊放置在中間，以減少溫度波動(dòng)的影響。只要在檢定過程中能保證金屬量塊檢定規(guī)程所規(guī)定的條件，其溫度穩(wěn)定性就完全符合要求。

學(xué)習(xí)了，實(shí)際工作中，溫度確實(shí)是一個(gè)較大的影響因素。