砝码表面状态预测及质量吸附修正研究动向

董 雷，任孝平，郝国栋

(1.陕西省计量科学研究院称重中心，陕西西安 710065;2.西安交通大学机械学院，陕西西安

710049;3.中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所，北京 100029;4.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410083)

砝码表面状态预测及质量吸附修正研究动向

董 雷1，2，任孝平3，郝国栋4

(1.陕西省计量科学研究院称重中心，陕西西安 710065;2.西安交通大学机械学院，陕西西安

710049;3.中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所，北京 100029;4.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410083)

质量实物基准是所有基本量中唯一的实物基准，其缺点是容易受到环境的影响而造成质量的改变。总结了国内外计量院所对砝码表面状态预测方面的研究动向，指出了各国计量院所开展砝码表面状态预测研究的方向，包括:分析质量标准在“空气”和“真空”条件下传递时对质量标准造成的影响，建立砝码质量观测模型及吸附修正模型等。对砝码表面状态的研究和吸附修正技术的研究，最终可以提高质量测量的准确度，为即将到来的质量单位的重新定义研究打下技术基础。

计量学;结合能状态预测模型;表面吸附;测量不确定度;质量修正方法;体积测量

董 雷，任孝平，郝国栋.砝码表面状态预测及质量吸附修正研究动向［J］.河北科技大学学报，2015，36(3):247-250.

DONG Lei，REN Xiaoping，HAO Guodong.Research direction on surface status prediction ofweights and surfacemass absorption correction［J］.

Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36(3):247-250.

质量基准——千克原器是现有7个基本量中唯一的实物基准，而实物基准最大的缺点是易受到环境的影响，如污染物、环境湿度、保管和清洗，都会造成质量的变化［1］。目前通过功率天平和阿伏加德罗常数2个途径对质量做新的定义。即使研究成功了，仍然存在着较多需要解决的问题。例如，新定义的质量单位都是在真空条件下进行的，而实际的质量的量值传递还必须由真空中转移到空气当中。在转移过程中，砝码实物又会接触空气，空气中各种水气、有机物、灰尘等，又会不可避免地吸附在砝码表面，造成质量变化。

目前对质量标准的测量都是沿用1889年引入铂铱合金千克原器后开始的，虽然多数国家级的计量机构有一个或多个铂铱合金千克原器，然而目前对于这些原器表面吸附的研究内容较少［2］，而且即使是在可重复的环境下进行的，实验结果也各不相同。因此如何保持砝码的稳定性，始终是国际上研究的难点和热点。本文首先介绍了国际质量计量界对质量标准表面稳定性的研究，进一步介绍了目前各个国家千克原器长期稳定性预测研究的现状，最后给出了未来可能的研究方向。

1 质量标准表面稳定性研究

质量标准实物的不稳定性早在1889年就已经被人们关注，并开展了对铂铱合金和不锈钢材料的研究。铂铱合金千克原器具有较好的稳定性，其量值复现的相对标准不确定度可达10-9数量级。

在第2次检定周期内，对保存在法国国际计量局(BIPM)的国际千克原器(international prototype kilogram，IPK)研究时发现，IPK有3～4μg/year的漂移。在1889年至1948年间，产生了10μg至30μg的质量改变。英国国家物理实验室(NPL)在对英国国家千克原器(national prototype kilogram，NPK)进行研究时发现，1924年由于对其进行清洗时使用了乙醇、乙醚和氨水的混合物，造成了NPK约33μg的质量损失，而考虑到1889年时并没有对其进行清洁，所以表示每年约有1μg的质量变化。1940年英国NPL和法国BIPM都对质量发生改变的情况做了相应的报告，但是当时并不知道为何发生这种情况。英国在1971年至1991年的研究数据为2.5μg/year，而且当时还不能确定质量的变化是否与存储条件、以及表面抛光程度和砝码自身条件有关。

在1993年，日本的IKEDA等［3］意识到质量变化的原因除了空气中水气的附着，另一原因便是对质量基准的清洁方法，进而带来了质量标准每6个月便有6μg的质量增益。清洁过后的表面更加容易被污染，但是不论采取何种清洁方法，污染物的水平在置于空气6个月后总能趋于稳定。可见，对于千克原器质量吸附机制的研究，对于如何保护千克原器，维护量值的统一和稳定有着重要的意义。

德国联邦物理技术研究院(PTB)的学者SCHWARTZ于1994年在著名期刊《Metrologia》上连续发表2篇文章［4-5］，研究了E1和E2等级不锈钢质量标准表面的吸附层，指出在相对湿度在0.03≤h≤0.07范围内变化时，表面吸附层和相对湿度有一定的函数关系。此外还指出，在测量中其他有可能的相关影响因素还包括:表面清洁度、粗糙度、砝码材料以及环境温度等。从他的研究成果可以看出，由于当前质量传递仍然是在空气中进行的，因此作为与相对湿度呈现一定函数关系的表面吸附作用对质量标准的影响，与其他环境因素(空气浮力、热交换)一样不能被忽视［4］，研究质量标准稳定性与环境的关系是很有必要的。

英国的NPL实验室CUMPSON等［6］也于1994年、1995年、1996年对砝码受污染的细节进行了深入的研究，分析了环境对其的影响，并提出了对不锈钢等相关材料制造的砝码表面的清洁方法［7］，以及水银对铂铱合金的持续性的污染情况［8］和清洁方法［9］，取得了一系列的研究成果。DAVIDSON对于表面污染和质量标准的稳定性做了完整研究和总结［3，10］，主要集中于各种影响因素的作用，如长期稳定性、水蒸气的吸附以及清洁技术的性能和可重复性。

2 国家千克原器质量变化研究预测

图1为各原器随时间的质量变动，其中K21—K40为各国的国家千克原器NPK。所有的质量变化都是相对于IPK的差值。由于千克原器初期保管的原因以及数据存留的问题，1889年的原值偏移量都被相对于IPK作“零化”处理。以上的偏移量都是相对的，并不能判定以上哪个原器是相对于大自然是最稳定的。从图1可以看出，很有可能地在100年期间所有原器的质量都增加了，而K21，K35，K40只是比其他的增加得较少而已。

质量及相关量咨询委员会(CCM)的TG2工作组提出收集千克原器的历史校准数据，建立随机变化模型，通过历史数据来调整模型中的参数，进而可以预测千克原器未来的变化趋势［11］。研究人员［12］在 2010-03-26 向国际度量衡委员会(International Committee forWeights and Measures，CIPM)提交的报告中，再一次提到了研究IPK历史数据的必要性及测量值与千克原器间关系的研究方法，建议进行额外的测量以提高不确定度的评估水平。在2011-05-12进行的CCM第13次工作会议上，丹麦DFM的NIELSEN博士再一次汇报了相关研究进度［13］。其所建立的模型采用了1889年至2009年间共412组各国国家千克原器数据，并对这些数据进行了参数估计。清洁的原器的质量漂移变化率小于1μg/year。原器在经过清洁后的一年中，污染率约为该模型虽然很好地描述了IPK在第3次检定周期中的质量变化问题，并且用该模型预测2011年BWK的标准不确定度分别为8μg和5μg。但是预测的值和法国BIPM的值不能很好的吻合，尤其是经过了很长的时间，质量漂移量较大。

图1 各国国家千克原器变化示意图Fig.1 Sketch map of national primarymass standard of different countries

2013-02-18，加拿大国家研究委员会(NRC)的Claude Jacques在CCM第14次工作会议上做了题为“Correlations between BIPM prototypes preliminary results”的研究报告，回顾了2008-04-21的TG2工作会议上首次探讨的进行该项研究的工作计划，指出最小二乘法是可以对校准值进行曲线拟合，但是不能很好地反映每次进行校准后砝码质量相关性的变化趋势。

国际计量局BIPM也在开展这方面的研究，BIPM质量部的Estefania de Mirandes做了题为“A generalmethod to reproduce the mass values assigned to BIPM working standards from 1889 to 2009”的相关研究报告［14］。范围包括从所有原器的绝对质量值来拟合出一个数学模型，起始点为18个法国BIPM 1 kg原器自1889年至2009年的值，一共136组，每组测量数据包括2～11个原器的数据，测量间隔在一个月或者几年的范围。他们所使用的数据及年份如表 1 所示［15］。

表1 千克原器质量预测模型数据集Tab.1 Data set of predictmodel of kilogram prototypemass value

3结语

在通过对国际质量计量前沿的调研中发现，随着2018年质量单位重新定义脚步的临近，越来越多的关于质量单位重新定义之后的千克原器存储、质量标准表面吸附和长期稳定性监测等相关内容都已经摆上了研究人员的日程。

质量标准表面状态的研究，对于研究质量标准以及千克原器质量稳定性与环境参数之间的关系有着至关重要的作用，而该研究成果可以应用到质量修正中去，进而大大提高质量测量的准确度。

从国际上对原器长期稳定性预测研究方向可以看出，未来值得进行的研究工作包括:分析第3次检定之后千克原器的变化数据，看其是否与预测模型相吻合，并采用相应的算法进行数据处理［16］。对每个原器进行清洗的确切时间是已知的，这点对于构造拟合曲线有着相当大的帮助［17-18］。在质量的相关定义中，IPK的质量不确定度为0。通常在评估其不确定度时，是否要考虑实物的稳定性以及清洁砝码表面所采用方法不一致的问题。因此，在研究过程中，还需要研究千克原器测量值之间的相关性问题［6，19-21］。

目前，中国的国家计量科学研究院NIM已经开展了这方面的相关研究，即通过分析质量标准在"空气―真空"环境中交替放置对高准确度砝码质量值造成的影响，设计具有特殊形状的砝码测试装置，用于对质量的变化量进行监测。同时建立相应的砝码质量观测模型以及吸附修正模型，准确测定环境变化前后砝码质量的改变量，进而计算出砝码表面的吸附变化率，并为质量准确测量的修正提供合理的吸附率参考值。

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LU Zhicai，MIDong，XU Zhangsui.Research in application ofmulti-scale and multi-elementmorphological filtering in geomagnetic orientation［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology ，2011，32(3):228-232.

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HUANG Lijing，YU Naiwen，WANG Jingtao.Particle filter algorithm based onmean-shift［J］.Journal of HebeiUniversity of Science and Technology ，2014，35(2):184-188.

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Research direction on surface status prediction of weights and surfacemass absorption correction

DONG Lei1，2，REN Xiaoping3，HAO Guodong4(1.Weighing Center，Shaanxi Institute of Metrology Science，Xi’an，Shaanxi710065，China;2.School ofMechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，Shaanxi710049，China;3.Division ofMechanics and Acoustics，National Institute of Metrology，Beijing 100029，China;4.School of Information Science＆ Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410083，China)

Themass benchmark is the only real benchmark among all fundamental physical SIunits，and the drawback is that it＇s easy to be affected by the environment，resulting in the change of themass value.In this paper，recent research progresses at home and abroad on the surface status predication are summarized and the prediction researchmethod on the surface status prediction ofweights in institutes home and abroad is presented，including the influence analysis on themass standards during transferring from vacuum to air and establishment the mass observation model and absorption correction model，etc.Through the research on the surface status of weights and absorption correction technology，themassmeasurementaccuracy can be ultimately enhanced，which lays a technical foundation for the upcoming redefinition ofmass units＇research.

metrology;binding energy status prediction model;surface adsorption;measurement uncertainty;mass correction method;volumemeasurement

TB932

A

1008-1542(2015)03-0247-04

10.7535/hbkd.2015yx03004

2014-11-10;

2014-12-26;责任编辑:李 穆

国家自然科学基金(51405459);国家科技支撑计划项目(2011BAK15B06);国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ090208);中国计量科学研究院科研项目(AKY1314，JB1402)

董 雷(1984—)，女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事质量计量及称重技术方面的研究。

任孝平博士。E-mail:renxp@nim.ac.cn