湿度与温度对高准确度叠加式力标准机检定的影响

植宇辉 李 松 廖文军 李海根 蒙俊伟

(广西计量检测研究院，南宁 530007)



湿度与温度对高准确度叠加式力标准机检定的影响

植宇辉 李 松 廖文军 李海根 蒙俊伟

(广西计量检测研究院，南宁 530007)

依据同一个温度的力值量传链最接近基准真实值的原理和BM的赋值检定特点，详细分析了温湿度对不同温度修正系数的标准测力仪和使用0.01%～0.02%高精度参考标准传感器的BM的影响，阐述了严格控制温湿度范围和同温量传的方法和意义，细化对温湿度计的要求，揭示了温湿度控制指标、不同精度的传感器和BM的相互关系，提出了实验室节能环保改造措施。

叠加式力标准机；输出温度影响；温度修正系数；参考标准；标准测力仪；节能环保

0 引言

最接近基准真实值的力值量传链是同一温度的力值量传链，经过温度修正的力值量传链必然增大温度影响的不确定度分量，带来一些偏差，影响高精度力值量传和比对，所以同温量传链是最好的量传链。力标准机许多技术指标依据准确度等级来分级设定，可温湿度要求却一直不变(表1)。

表1 目前不同准确度等级测力仪和力标准机规程的温湿度比较

温度修正系数的使用，可以增加不同室温条件下检定力标准机的灵活性，但若要继续提高力值量传链精度，温度修正系数的利弊就不得不考虑。

湿度对温度的影响怎样？应变式测力传感器的输出温度影响和温度修正系数的关系怎样？温度对高精度BM检定过程影响怎样？如何控制(标准测力仪和参考传感器温度修正系数不同或方向相反时，是否还要3℃以上温差才修正？是否应该同温量传？温湿度计有何具体要求)？如何节能环保？不同修正系数的参考标准与不同准确度BM的匹配有哪些规律？本文拟讨论上述问题。

1 湿度对温度的影响

1)在高精度标准测力仪和BM(叠加式力标准机)量传链中，人们往往重视温度而忽视湿度。我国地域大，气温和湿度波动因季节不同而差异大，DWM(静重式力标准机)和LM(杠杆式力标准机)体积大，定温时间长，严冬和盛夏时控制室温到标准20℃较难； BM体积小，定温快，易稳定。

潮湿空气使物体导热系数激增。空气导热系数为0.0233W/mK，水的导热系数为0.5815W/mK，相差25倍。北方相对湿度在40% RH左右的季节较多，南方则在80% RH左右的较多。在同一气流前提下，湿度影响温度波动的快慢，其值越小，温度波动越慢，有利于修正系数大的标准测力仪和BM的检定，但过长的定温时间会降低工作效率。梅雨季节(回南天)，规程的相对湿度80%RH的规定容易误导人，不进行除湿防锈保养。砝码若凝结雾水，会使基(标)准力值变大，而湿度太低，易产生静电，干扰数字仪表，也会带来一些不稳定。

假设室温、气流和其他因素影响一致，湿度差异会使温度波动程度不一，可能导致温度修正系数大的标准测力仪在南方和北方的基准机上呈现出不一致。

2)为湿度制定一个标准舒适值也是必要的。分析相关文献，温度在(20±2)℃，湿度为40%RH～60%RH时，人体感觉舒适，思维最敏捷，工作效率最高。

2 应变式测力传感器的输出温度影响和温度修正系数的关系

1)额定输出温度影响，由环境温度变化引起的额定输出的变化。通常用环境温度每变化10K时引起的额定输出的变化与额定输出的百分比表示。简称为输出温度影响。

2)温度修正系数，在变形示值(或输出)随温度做单调线性变化的测力仪(或称重传感器)中，测力仪(或称重传感器)在相同力值作用下，弹性体温度增加(或减少)1K时，测力仪(或称重传感器)的变形示值(或输出)增加(或减少)的相对数。

3)输出温度影响是批量生产某一型号和准确度的传感器时，生产者对其技术和成本进行稳定控制的工艺范围值，无正负符号，不宜用于不确定度计算，往往出现在产品说明书上。温度修正系数是通过具体试验测出来的确定值，或正或负，可用于不确定度计算。

金属有热胀冷缩特性，一般合金含量不超过7%的测力环，其温度修正系数取0.00027/K，为正值，适用低精度检定。

为提高应变式传感器的精度，减小温度的影响，工艺上普遍采用温度补偿方法，因制作工艺的差异，存在补偿不足和过度补偿的现象，前者修正系数为正值，后者为负值。目前批量的传感器的输出温度影响在0.00005/10K左右，再经过检测挑选，还能挑出更好的。每只传感器温度修正系数必须靠逐个做试验确定。

3 温度对高精度BM检定过程的影响和控制方法

1)检定BM的一大特点是依据标准测力仪进行赋值(室温应与力值溯源基准时的一致)，温度对BM影响很大(表2)，当室温偏离基准机检定标准测力仪的温度时，力值的赋值会发生变化，若不进行温度修正，BM示值误差和长期稳定度会变大。

表2 室温对不同温度修正系数BM影响的举例计算结果

BM规程将室温波动从±1℃收窄为±0.5℃(接近国际比对的±0.3℃)的方向正确，但忽略了BM受室温影响大的特点，仍然沿袭对砝码温度影响很小的DWM、LM和HM(液压式力标准机)的宽松室温(20±5)℃，即等效室温基本没变，湿度也没变，没有分级控制温湿度，有些舍本逐末(表1)。等效室温指检定时室温与温度波动同向达到极端的叠加效应值。

2)文献表明，有时温度修正系数差异达到3倍左右 (表3)。“温度修正系数会随着负荷的增加作稍许的线性减少，在温度修正范围较大时，通过考虑负荷对修正系数的影响，可以进一步提高准确度”[1]。即从低精度量传角度看，修正系数是定值，从高精度量传角度看，修正系数却是变量，过大的温差修正会使温度影响不确定度变大，少则十万分之几，多则万分之几，因此在高精度量传链中，不能过度依赖温度修正，即使修正，温差也是越小越好，应提倡同温力值量传，即在高精度力值量传链中，始终按照标准室温(20±0.5)℃和湿度(60±5)%RH进行检定，检定过程的温度波动为±0.5℃，这是最高追求(或用于基准实验室)，检定BM的室温，应参考表4进行分级控制。

表3 不同标准测力仪温度修正系数的差异[1]

表4 不同的准确度等级、温度修正系数的标准(或参考标准)测力仪与温湿度关系

3)广西计量院历年500kN液压BM验证机检定时温度(节点固定前)走势为从24℃、22℃到25℃，BM示值误差连续两年优于0.0086%的检定温度为后两者(若考虑温度波动±1℃的极端情况，其等效温差为5℃)。若检定BM用的标准测力仪温度修正系数为负值，BM所用的参考传感器温度修正系数为正值，则较大的温差会使BM力值误差变大。

4)用不同温度修正系数(表3)的测力仪在某一室温标定后，分别推算其在不同温度使用时的力输出值和相对误差，可发现3℃以上温差才需做修正的规定存在一些问题。小力值范围，选择修正系数在0.000005～0.00001/℃范围的传感器不难，室温(20±1)℃容易控制，力值变化优于0.001%，极端情况下，加上负荷对修正系数的影响，仍小于0.002%，较合理。52003#修正系数最小，温差2℃可不修正。24975#修正系数最大，温差1℃也应修正。

修正系数实验费时又费钱，控制温湿度比筛选修正系数小的传感器更容易，且成本低，是更简便的好方法。若标准测力仪未知修正系数，向下量传力标准机时只要与基准的量传温度一致即可；若参考标准传感器的修正系数未知或比0.00001/℃稍大，室温严格控制(20±1)℃也行，此时，即使修正系数为3.26 10-5/℃，其力值变化也优于0.0033%。室温控制在(20±0.5)℃和±0.5℃的温度波动则更好，可用于力基准实验室的控制，这要求不算苛刻，可借鉴的例子很多，例如量块检定室温要求(20±0.2)℃，砝码和天平检定(特点是有砝码实物比较)的温度波动较高的要求为±0.5℃(湿度为40% RH～60% RH)。

5)有时，带来的温度计与现场的温度计指示值相差2.5℃；有时基准检定标准测力仪与该测力仪检定BM的温差达8℃；有时不同标准测力仪检定同一BM的温差达3.5℃，这些都会影响对BM力值准确度的正确评估。

严控温度的方法也要求温湿度计的精度要高。指针式湿度计一般误差为5%RH，数字湿度计精度可达2%RH。温度计分为精密级和普通级，精密级的分度值不大于0.1℃，示值误差优于±0.2℃，有数字式和水银玻璃式的；普通级的分度值不大于0.3℃，示值误差优于±1℃，有数字式、玻璃式和指针式的。

4 结论

1)BM的准确度主要由参考标准测力仪决定。要提高BM精度，应该依据同一个温度的力值量传链最接近基准真实值的原理和考虑BM的赋值特点，否则量传精度会折损较大。

2)湿度影响温度波动的快慢。较大的湿度在温度变化较快时容易在砝码上凝结雾水，使力值变大，可能对南方的力基(标)准机影响较大，若检定过程雾水挥发，力值又会变小，因此初次开机定温要缓慢控温，时间相对要长些，这样可避免砝码结雾。

3)太宽的室温范围对检定温度修正系数大的标准测力仪和BM的示值误差和长期稳定性有较大影响。使用0.01级参考标准传感器的BM的温度修正系数影响分量(含修正系数随负荷变化的不确定度)应优于0.002%。做修正的温差取决于参考标准传感器准确度等级和修正系数的大小，修正系数小，温差2℃可不修正。修正系数大，温差1℃也要修正。

高精度量传中，为避免温度修正系数随负荷变化的因素和修正温差带来的影响，不能过度依赖温度修正，即使修正，温差也是越小越好。

最好实施同温量传，即不管温度修正系数已知还是未知，是大还是小，是正还是负，高精度 BM检定和使用的温湿度值必须严格与基准机检定标准测力仪时一致(参考表4)，否则应该考虑降级。最好将力值标准量传室温定为20℃，这能避免过大的系统误差和人为误差。

4)为保障准确度和工作效率，温度计需配精密级的，湿度计需配(2～3)% RH误差的数字湿度计。在力基(标)准实验室内，至少要放置两套温湿度计，分别放置BM和墙上，方便核验和控温，避免错误的温度指示带来不良后果。检定过程的气流要控制适当，不要过高或过低。

5)若温度在夏季降不下来和冬季温度升不上去，实验室需要增加空调的功率和控温能力，加强实验室节能保温改造；大幅减小采光玻璃窗的面积(南方阳光辐射强，被照射的传感器易形成阴阳两面温差，带来示值波动；窗缝隙透风较多时装窗帘作用有限)，加装较厚的环保防火保温层板，使温控、节能和安全都能做得更好，并在此前提下，尽量将标准测力仪和BM的检定时间安排在温度比较温和的春季(要注意湿度大的水雾影响)或秋季。本项目实验室改造前的盛夏季节，两台空调不停，室温要到半夜才能降到20℃，改造后的白天，仅用一台空调都很容易将室温降到20℃。

6)综上所述，我们可将温湿度指标、标准传感器、参考传感器和BM的准确度等级做出合理配置(表4)，这样，在用DWM、LM和HM检定标准测力仪时会更准确和效率更高。

[1] 李庆忠、臧键.应变式测力仪温度修正系数[J].计量技术，1992(12)

[2] JJG 734—2001力标准机检定规程[S].北京.中国计量出版社.2002

[3] JJF 1011—2006力值与硬度计量术语及定义技术规范[S].北京.中国计量出版社.2007

[4] 植宇辉.叠加式力标准机部分计量特性和检测方法浅析[J].大众科技，2013(5)

[5] 植宇辉，莫先怡，钟泽光.液压叠加式力标准机力值重复性、示值误差和长期稳定性观测与思考[J].大众科技，2014(1)

[6] 张克，张哲，杨莉.采用高精度数字温度计替代标准水银温度计的探讨[J].计量学报，2007(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.18