便携式空气浮力智能修正系统的理论研究

　　0　前言

　　衡量是力学计量的一种基本方法,在质量计量、容量计量及测力计量等方面有着广泛的应用。由于衡量通常在空气中进行,空气浮力将直接影响计量的准确性,因而必须对衡量结果进行空气浮力修正。例如,当采取在空气中称量来比较质量m1和m2时,由于空气浮力的作用,必须测量m1-ρV1和m2-ρV2的差异Δ′m,其中V1和V2表示标称质量m1和m2的体积,ρ代表称量条件下空气的密度,质量m1和m2之间的真正偏差Δm由下式给出:Δm=m2-m1=Δ′m+ρ(V2-V1),式中ρ(V2-V1)项叫作空气的浮力修正项。

　　理论分析表明:浮力修正的主要因素取决于对空气密度的确定。对于低精度衡量的浮力修正,一般采用“质量折算”的方法,即空气密度取1.2 kg/m3,或从给出的随时间、地点变化的空气密度表中获取。此外对实验室衡量还可根据空气密度与压力、温度及湿度的关系,通过实测各参量求得,称为气压法;也可根据杠杆原理和阿基米德定律采用浮力法求得。通过对空气密度的实测表明:空气密度随时间、地点、环境条件的改变,其变化范围是很大的,认定空气密度为1.2 kg/m3及从空气密度表中获取的数据均难以反映空气的真实密度,将引起较大的浮力误差,尤其不适合高精度计量(如E1级砝码、力标准机砝码等检定)的浮力修正。而实测的方法,需要将高精度的温、湿、压基准或标准设备集中在同一地点测试,这是难以实现的。如果采用一般温、湿、压测量设备,不仅精度有限,而且实验设备分散,仅适合于实验室操作,对于外出检定,难以实现实时浮力修正;另一方面,在获得空气温度、压力、湿度等参数值以后,为了实现浮力修正,还必须进行大量的人工数据处理,这一过程也十分繁琐。

　　目前国内尚未开发出空气浮力智能修正设备,也未发现国外关于此类设备报道,空气浮力难以做到高精度实时修正,对数据处理通常也只是借助于计算工具人工进行。便携式空气浮力智能修正系统正是为了解决这一难题而开发的新型设备。

　　1　系统设计及性能特点

　　空气密度的测量可采用“温、湿、压”法和浮力法。为了实现空气浮力智能、实时修正,在保证修正精度的前提下,本系统采用“温、湿、压”法测量空气的密度。系统的核心是采用高精度传感器,集中测试温、湿、压各参数,然后利用微处理器实现数据的智能处理。因此,从该系统内部功能方面主要可以分为两大部分:空气密度测量部分和数据采集部分。

　　空气浮力智能修正系统的性能,取决于该系统对空气密度的测量精度,而空气密度的测定是通过对空气温度、湿度、压力的实测来实现的。取得温度、压力、湿度等原始数据以后,经模-数转换器接口电路送入微处理器,通过编程完成自动数据处理,经输入输出设备进行人机对话,并将数据处理结果送入显示屏幕。图1为系统结构图。