密度计量概况及发展趋势综述

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摘要：本文简要介绍了我国现有密度计量体系的概况，并且在此基础上综述了目前我国密度计量水平与世界先进国家的差距，并且对其未来发展趋势进行了概括。

关键词：密度；计量；基准；标准；量值传递

一、前言

密度是表征物质内在特性的一个物理量。为描述各种物质的密度特性，以单位体积的物质质量来度量，其大小说明了物质分子排列的疏密程度。【1】密度计量测试涉及到石油、化工、建材、轻工、商检、医疗、贸易、国防以及科学研究等诸多领域，应用十分广泛。它不仅关系到半成品和成品数量与质量的控制、检测及生产过程管理，而且关系到科学技术、国际贸易的促进及发展。因此不论从经济或技术观点上看，准确的计量测试都是必不可少的。

二、我国密度计量体系现状

2.1、密度计量基准、标准

在密度计量中，研究建立密度基准关系到密度量值的溯源性和量值传递的可靠性，是十分重要的。下面就我国的液体密度计量的基准与标准加以介绍。

我国的液体密度基准是用前述的密度测量基本方法的液体静力称量法与密度瓶法建立的。国家液体密度基准包括基准装置、基准密度计组和副基准酒精计组。它是作为统一国家液体密度量值的最高依据。

国家液体密度基准用于复现和保存密度量值，以保证国家液体密度单位的溯源性，使其量值在规定的误差范围内准确统一。它建立并保存在中国计量科学研究院。

我国液体密度计量标准主要由浮计式玻璃浮计组成，分为一等与二等标准浮计。一等标准浮计由一等标准密度计组、一等标准酒精计组、一等标准糖量计组和一等标准海水密度计组等四种构成；二等标准浮计由二等标准密度计组、二等标准酒精计组、二等标准糖量计组、二等标准石油密度计组和二等标准乳汁密度计组等五种构成。【2】

2.2、密度量值溯源及传递

所谓溯源性是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，即溯源链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准――通常是与国家测量标准或国际测量标准联系起来的特性。为此，对给定的计量器具国家规定必需制定相应的国家计量检定系统表，即国家溯源等级图。所谓溯源等级图是一种代表等级顺序的框图，用以表明计量器具的计量特性与给定量的基准之间的关系，它是对给定量或给定型号计量器具所用的比较链的一种说明，以此作为其溯源性的证据。【3】液体密度量值溯源体系示意图如下：

除了上述介绍的液体密度基准外，国际间的先进国家，如美国（NIST）、德国（PTB）、意大利（IMGC）、日本（NRLM）和澳大利亚（NML）等是固体密度基准进行密度量值的传递。固体密度基准与上述的液体密度基准有本质的区别，它溯源于计量基本量质量与长度是用绝对法建立的，具有更好的溯源性及更高的准确度，可达到3 10-7的水平。我国目前尚未建立这种基准。

三、密度计量的发展趋势

目前，我国密度计量水平同世界先进国家还存在着一定的差距。我国密度基准装置量限及测量准确度已不能满足量值传递特别是参与国际比对、实现国际接轨的需要。因此，为了满足社会发展对密度计量工作的要求，提高我国密度计量的水平，实现与国际计量接轨，必须提高密度计量仪器的各项指标，其根本就是要改造、新建和完善密度标准溯源体系，跟踪和把握密度计量的发展趋势。

3.1密度测量的数字化发展

我国现阶段用于密度计量的大部分密度计都是采用传统的玻璃密度计。由于玻璃密度计携带不方便，易碎而且在很多环境下读数困难，并且人为的操作对其结果影响较大，在标定和使用中都存在很多的不足之处。此外，这种传统的测量方法在测量多个不同密度点时效率极低，不符合现代测量的自动化趋势，因此密度计量仪器的发展显得极为重要。我国现在测量密度除了有传统的玻璃密度计外，还有振动管密度计，手持式折射密度计，称重式数字密度计，台式密度计等。现有的数字式密度计已经初步显示出了密度测量仪表的数字化趋势，但其应用领域和适用范围还很有限，测量准确度不是很高。在今后的几年中密度测量的数字化必将会成为密度计量的主导。

3.2建立固体密度基准

七十年代末期，美国国家标准局（NBS）用绝对测量法建立了“固体、液体密度的统一基准”，使密度基准扩展不确定度达到了1×10-6（k=2）。继美国（NBS）之后，德国（PTB）、意大利（IMGC）、英国（NPL）、日本（NRLM）等国家，都采用绝对测量法建立了固体密度基准。【7】随着固体密度测量水平的不断提高，密度标准溯源体系――密度量值传递系统也得到不断的改进和完善。1997年在PTB、IMGC、NRLM进行的固体密度基准国际比对中，标准不确定度达到了2×10-7。

我国现有用于液体密度测量和量值传递的“基准密度计组”是借助于液体静力称量法，以水密度作为基准值建立起来的，而水的密度则是通过实验条件下的温度测定，查表或计算得到。其密度的扩展不确定度局限于5×10-6g/cm3内。因此，我国密度基准装置量限及测量准确度已不能满足量值传递特别是参与国际比对、实现国际接轨的需要。为了满足社会发展对密度计量工作的要求，提高我国密度计量的水平，实现与国际计量接轨，必需完善密度标准溯源体系。

固体密度基准的建立是以对某一单元固态物质（如单晶硅）的密度的准确测定为基础的。固体密度基准的建立能够填补我国高准确度测量物质密度的空白，缩短我国与先进国家之间在密度计量方面的差距，为参加密度国际比对打下基础。建立我国固态物质密度的国家基准，还能够改变我国目前测定固态密度物质的方法，解决我国固态物质密度的高准确度测量问题，扩大我国目前“液体基准密度计组”的测量范围（它基本上可以测定所有液态物质密度），并且还大大提高了测量的准确度。

中国计量科学院容量密度室正在研究建立固体密度基准装置。固体密度基准体系建成后，其密度量值复现的不确定度将达到2×10-7。在固体密度基准的基础上，还要进一步完善密度量传溯源体系，这样固体密度基准的密度量值才能更好得进行向下传递，才能从根本上提高密度基准的计量准确度。 固体密度量值溯源体系示意图如下：

结束语

从21世纪计量的新发展中我们可以看到，计量以国际单位制为依托，不断随着社会发展的需要而拓展新的领域。在实际计量体系愈加复杂的过程中，计量研究也越来越充满了趣味和魅力。展望未来，面对诸多新的发展思路，密度计量也需要进一步加强很多方面的工作。它必将与经济、科技、政治、人类需要等诸多方面紧密相连，互相促进，互相影响、不断走向成熟和完善。

参考文献：

[1]南京工学院等七所工科院校编，马文蔚等改编. 物理学中册[M]. 北京： 高等教育出版社，1982.

[2]JJG42-2001 工作玻璃浮计检定规程[S]. 北京：中国计量出版社，2001

[3]李兴华编著. 密度计量[M]. 北京： 中国计量出社，2002.