小体积测量的精确方法

　　1前言

　　体积测量的方法很多,有称重法、排液法、精密量具法等。这些方法都有一定的局限性,如称重法,只适合于测量密度恒定的均质刚性对象,排液法则不能测量松散结构物体的体积,而精密量具法虽然简单实用,但是对不规则形状的物体则无能为力。这就使得各种方法难以统一,也限制了其在智能化仪器仪表及标准计量中的推广应用。本文介绍一种新的体积测量方法,即气体法,可很好地解决上述各种方法所存在的缺陷,有望成为一种标准的精确测量小体积的有效方法在各个领域中推广使用。

　　2基本原理与公式推导

　　2.1墓本原理

　　根据气体波义耳定律,对任意一个平衡状态下的压力P、体积v与温度T存在如下的关系:

　　确定P、V、T关系的示意图如图1所示。

　　如果构造一个测量系统,其结构如图2。

　　在图2中,室1是基准室(或称参比室),室2是放置被测物体的测量室,阀1、阀2和阀3均为快速关断阀。首先打开阀1,向室l中充气至初始压力P0,关闭阀1,当室1中的压力稳定后,打开阀2,则气体由室1向室2膨胀,直至达到新的平衡状态。若此时的平衡压力为Px,待求体积为Vx,则有:

式中,P₀—基准室的初始压力稳定示值(MPa);

　　Px—测量室平衡压力稳定值(MPa);

　　V₀—基准室的标定体积(cm³);

　　Vx—待求的未知体积中间结果(cm³);

　　T₀,Tx—两种状态下的温度值(℃)。

　　在实际测量中,由于阀门2的启闭、温度与气压的微小变化、测量介质的吸附性能等因素的影响,会给系统的测量带来误差,故引入微变体积修正的经验公式vK:

式中,V_K—微变体积量修正值(cm³);

　　G—系统膨胀系数(cm,/MPa);

　　Pa—大气压力(MPa)。

　　由公式(3)和(4)可得修正后的未知体积测量公式为:

　　在实验室条件下,可认为T0一Tx,且系统按设计要求组装完成后,其基准室体积V。就确定并可视为常量,由(2)式可以推出:

　　2.2确定V₀、G的方法

　　虽然V0、G的值对确定的测量系统而言是两个常量,但要获得其准确值需按照一定的要求进行测定。精密加工一组圆柱形状且直径相同而高度各异的标准圆盘(以下简称标准块),材料可用ICrl8NigTi等优质不锈钢材质,依次标号为1、2、3、4号,经国家计量部门标定其体积值分别为V。,、V02、V03和V04作为真值。标准块的作用主要有三,一是用来配比测量室,使测量时的空白体积尽量小,以保证测量的线性度始终处在最优状态;二是通过标准块的测量来检验测量的精度;三是对系统误差进行校正。