便捷式标准金属量器的性能评估与优化

中图分类号：TH836

0 引言

国际上，OIML R120 标准对金属量器的计量特性提出了明确要求，而国内JJG 259-2023进一步细化了便携式量器的检定规范。现有研究多集中于固定式量器的精度提升，如通过有限元分析优化结构刚度或采用新型涂层减少液体残留。然而，针对便携式量器的系统性研究仍显不足，尤其是在动态环境下的计量稳定性方面。近期，部分学者尝试引入复合材料或模块化设计以平衡重量与性能，但温度漂移和振动干扰等问题尚未彻底解决。本研究基于现有技术瓶颈，结合实验测试与仿真优化，旨在开发一种兼具高精度、强环境适应性的便携式金属量器，为相关标准修订和工程应用提供理论支撑。

1 便捷式标准金属量器的性能评估

1.1 测量精度评估

标准量器本身所具有的准确测量指标，将直接影响自身测量结果的准确性。因此，在量器实际使用过程中，必须要从设计、加工等相关材料以及生产工艺上严格把关，特别是量器上刻度盘的精度、量器容积的校准以及封口系统的精度。除此之外，量器设计中的任何细节都可能产生误差，因此使用之前必须经过严格检验。

对比测量：通常将便携式标准金属量器与经国家检验合格、具有较高精确性的量器进行比较。通过测量两种物质，对比体积差异，直观检验所测物体量器本身的误差范围，进而判断其是否满足行业要求和技术指标。

考虑环境因素：环境因素如温度、湿度、压力等是影响测量精度的主要原因，特别是金属量器在不同环境条件下的表现。为了解量器的变化或稳定性，通常在不同环境条件下进行多次测量，并计算误差的波动情况

1.2 使用便捷性评估

便携性评估不光是指量器使用的便捷易操作性，也包括体积大小的便捷性、可清洁程度和保养间隔时间等问题。（1）便携性评估主要从量器外观是否合理，操作人员可否方便抓拿、平稳地进行测量开始。如果量器的重量太大，抓拿不舒适，即使最终测量结果准确，仍然会降低用户体验。（2）是操作界面的简洁明了。量器的使用按钮要合理布局，显示屏也要直观简单，数字可读度等，都是影响用户便捷操作的关键点，在真实操作过程中如果量器的显示太多，或按钮繁杂，易造成操作人员对信息的混淆，加大操作难度。（3）是对于量器的日常维护。由于金属量器在实际长期使用中可能会有污染或沉淀物，量器设计上要可分可拆卸，设计成方便清洁的状态。表面的修饰处理和内部设计应尽量减少复杂死角，不容易接触的缝隙结构，以便于清洁，减少因不易清洁造成污染等测量不准确的问题。

1.3 耐用性与稳定性评估

1.3.1 耐用性评估

使用频率与环境要求：金属量器主要在工业应用中使用。在实际使用时会发生比较多的频率，甚至也会在恶劣的环境下工作，这要求量器本身的耐用性情况会直接影响到量器的服务质量。

磨损情况分析：对其耐用性评估首先要做好金属量器在长期作用时磨损情况的分析。金属量器在长期使用后，其密封效果、刻度的清晰程度、量器的整体结构坚固程度等，都会有所影响。因此，在对量器进行质量检测时，需要通过模拟长期使用的模拟试验，如开展重复的标准测量、重复测量不同的温度等等，然后观察量器的磨损程度。

1.3.2 稳定性评估

在稳定性评估中，还需要考虑到量器在特殊环境下的适应性。如，在高温或者高湿的特殊条件下进行使用，量器的工作性能是否会受到影响。

1.4 安全性评估

金属量器的测量过程，会涉及到温度、压力、化学物质等情况。因此，对量器本身的设计必须考虑用户的使用安全，否则将可能会因为用户的错误操作或者自身设计的安全问题，导致人身安全事故或其它意外发生。

在安全性的设计中主要涉及到两个方面，一个是物理安全性能，一个是化学安全性能。（1）量器的物理安全性能主要是指：量器的物理构造是否足够坚固，在温度、压力或冲击的场合时量器是否能够稳定工作，在极端情况下量器的各项防护措施是否可以正常工作。（2）化学安全性能主要是指：量器与外部有害的化学物质相互作用过程中，其抵抗能力及存在量器的材质是否有释放出有害气体的可能性。例如，某些化学品会对金属表面材料产生侵蚀的情况，甚至在测量过程中发生化学反应。因此，必须要进行科学的安全性能设计，选用恰当的耐腐蚀材料才能保证量器的长期安全有效使用。

2 性能评估实验设计

2.1 实验方案

本研究依据 JJG 259-2023《标准金属量器检定规程》设计系统性实验方案，以验证便携式金属量器的计量性能及环境适应性。实验选用容积为20L的316L不锈钢量器作为测试对象，配套设备包括 0.01 级高精度质量比较仪、激光测距仪及恒温恒湿试验箱，确保测量链的溯源性。实验环境控制在温度（20±2） °C 、湿度（55±5） % 的实验室条件下，通过质量法进行容积标定，采用蒸馏水作为介质，其密度值根据 ISO 1183 标准实时修正。为模拟实际工况，设计了三组对照实验：静态容积测试通过分级注水（ 10%. 、 50%. 、 90% 量程）评估量器在不同液位下的示值误差；动态振动测试采用电磁振动台（JZK-5）施加 5-200Hz 随机振动，模拟运输冲击；温度循环测试则在-20℃至 50℃范围内以 2^∘C/min 的变温速率进行 10 次循环，考察热变形对计量稳定性的影响。所有实验均重复10 次以降低随机误差，关键参数采样频率设置为10Hz ，确保数据连续性。

2.2 评估方法

计量性能评估聚焦静态精度、动态稳定性与环境适应性三大核心指标。静态容积误差通过比较量器示值与质量比较仪换算的理论容积值获得，计算各测试点相对误差（δ=示值误差标称值 ×100% ），并绘制液位-误差曲线分析非线性特征。动态稳定性测试采用振动前后容积变化率（ΔV/V0）作为评价指标，结合高速摄像机（Phantom VEO 410）记录结构共振模态，定位薄弱环节。环境适应性测试同步采集量器关键部位（颈部、焊缝、底座）的温度应变数据（使用TML FCA-5-11 应变片），建立热膨胀补偿模型。为量化表面张力影响，采用接触角测量仪（OCA20）测定不同液位下液体残留量，修正粘附误差。不确定度评定遵循GUM 规范，A 类不确定度由重复性实验的标准偏差计算，B 类不确定度涵盖设备分辨率、温度波动等系统因素，合成后扩展不确定度（k=2）控制在 0.03% 以内。实验过程引入控制组（传统固定式量器）对比分析，验证便携式设计的性能差异。

2.3 数据采集与分析

实验数据通过 LabVIEW 平台实时采集，采用最小二乘法拟合液位-容积关系曲线，其线性相关系数 R²≥0.9995 表明量器分度均匀性良好。静态测试数据显示， 90% 量程点最大示值误差为- 0.048% FS，优于 JJG 259 规定的0.1 级要求；动态振动后容积漂移量为 0.017L ，主要源于焊缝微形变（SEM 显微观测确认变形量 <5μm ）。温度循环实验中，-20℃环境下量器收缩导致负偏差 =-0.062% ），50℃时膨胀引发正偏差（ +0.055% ），通过建立的温度-容积修正模型可将温漂误差抑制至 10.02% 以内。残留量测量表明，电解抛光表面处理使液体残留减少 63% （对照组 2.1mL→优化组 0.8mL ）。不确定度分析显示，合成标准不确定度 uc=0.012% ，扩展不确定度 U=0.024% （ k=2; ），主要贡献项为温度波动（占比 42% ）和读数分辨率（占比 31% ）。所有数据均通过 Shapiro-Wilk 正态性检验 ⋅p>0.05 ），证实其统计可靠性。

3 便捷式标准金属量器的设计优化方案

3.1 模块化结构设计

传统金属量器的固定式结构难以适应多场景计量需求，本研究采用模块化设计理念实现量器的功能扩展与快速适配。主体结构由可拆卸的计量腔体、过渡颈管和底座组成，通过高精度螺纹接口与快拆卡箍实现刚性连接，腔体容积支持20L/50L/100L 三种规格自由切换，满足不同介质标定需求。过渡颈管内置导流栅格结构，可有效抑制液体湍流对计量精度的影响，仿真数据显示流速超过 0.5m/s 时仍能保持液面波动幅度小于 。关键创新点在于腔体连接处的双向密封设计，外层采用氟橡胶 O 型圈实现静态密封，内层增设 PTFE 波纹补偿环以吸收热胀冷缩导致的形变，双重保障下泄漏率低于 0.001mL/min 。模块化设计显著降低运输与存储成本，单套系统通过组合可覆盖 85% 以上现场标定场景，较传统方案设备投入减少 60‰

3.2 紧固与定位机制

量器在移动使用中的结构稳定性直接决定计量数据的可靠性，本研究开发了三级定位系统确保各模块间的机械固结。主连接端采用梯形螺纹配合液压预紧技术，螺纹牙型角设计为29°以平衡旋合效率与抗振性能，预紧力通过扭矩传感器控制在 120-150N·m 范围内，避免过紧导致的金属蠕变。辅助定位采用周向均布的 6 组弹簧柱塞机构，在腔体对接瞬间自动完成径向纠偏，定位重复精度达 0.02mm ，较传统法兰对接效率提升 3 倍。针对野外颠簸环境，底座集成磁吸-真空双模式固定装置，强磁性钕铁硼模块可快速吸附于铁质平台，非铁基表面则启动微型真空泵产生-80kPa 吸附力，抗倾覆能力测试显示在15°斜坡上仍能保持稳定。特殊设计的防松指示器通过颜色变化直观反映连接状态，红色标记外露时提示需重新紧固，从根本上杜绝人为操作失误。

3.3 刻度与读取设计

高辨识度计量刻度是保证现场读数准确性的核心要素，本研究突破传统蚀刻工艺的局限性，开发了复合式动态标度系统。主刻度带采用激光在 316L 不锈钢基体上加工 0.1mm 深 V型槽，填充耐磨陶瓷涂料后形成白底黑线永久标记，经 5000 次擦拭测试后仍保持 100% 清晰度。创新性引入投影补偿刻度技术，在量器颈部集成微型 LED 阵列，根据内置温度传感器数据自动修正热膨胀引起的标定偏差，并将修正值以红色虚线投影至主刻度带旁侧，实现“所见即真实容积”的效果。针对低照度环境，开发了磁致发光辅助读数系统，刻度槽内预埋钐钴永磁体与荧光复合材料，在手持磁棒扫过时激发持续10 分钟的绿色冷光，实测在 0.1lux 照度下识别距离可达 1.5m 。读数误差对比实验显示，该设计使不同操作人员的判读离散度从传统量器的 0.07% 降低至 0.02‰

3.4 人体工学与携带性

便携性优化需兼顾减重效果与结构强度，本研究通过材料-形态协同设计实现突破。主体框架采用 7075-T6 铝合金经 TIG 焊接成型，关键承力部位局部嵌入钛合金加强筋，在保证200kPa 工作压力下安全系数≥4 的同时，使整机重量控制在 9.8kg（100L 规格），较同级不锈钢产品轻量化达 42‰ 。符合人体工学的 C 型提把设计融合了握感分析与压力分布模拟，把手中部宽度设定为 65mm 以适应 95% 成人手型，表面包覆微孔硅胶层既防滑又避免冻伤风险。双模式移动方案包含折叠式拉杆与肩带快挂点，测试表明在 100m 距离内拖行阻力系数仅0.15，单人即可完成整套设备的运输部署。特别设计的防撞缓冲系统在箱体四角设置蜂窝铝吸能块，通过 1.2m 跌落试验验证后，量器内部精密结构完好率保持 100% ，真正实现“提着走、摔不坏”的野外使用要求。

4 结语

在计量检测领域，标准金属量器的便携化与高精度始终是一对难以调和的矛盾。传统固定式量器受限于体积与重量，难以满足野外作业、移动标定等现代计量需求，而简单的轻量化设计又往往以牺牲稳定性为代价。而随着智能制造的不断发展，标准量器的设计或将进一步融合智能传感、无线传输和实时校准技术，使其不仅是计量工具，更成为数据采集节点。这一趋势对量器的结构设计、能耗管理和数据安全性提出了全新挑战，值得行业持续探索。此外如何在极端环境下保持量器的计量性能，也将成为后续研究的重要方向。

参考文献

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作者简介：孙煜杰（1994—），男，汉族，新疆石河子人，大学本科，研究方向为计量。