羅志東

（貴州省計(jì)量測(cè)試院，貴陽(yáng)550003）

關(guān)于玻璃量器液面調(diào)定方法及相關(guān)問(wèn)題的探討

羅志東

（貴州省計(jì)量測(cè)試院，貴陽(yáng)550003）

介紹玻璃量器液面的不同觀察、調(diào)定方法及應(yīng)注意的問(wèn)題，分析調(diào)定讀數(shù)視差高度與玻璃量器直徑之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為合理估計(jì)調(diào)定讀數(shù)視差高度提供依據(jù)，據(jù)此得到由于液面調(diào)定誤差引入的不確定度分量。

玻璃量器；液面；直徑；調(diào)定讀數(shù)視差；不確定度分量

0 引言

玻璃量器是用玻璃材料制成的，用于測(cè)量液體體積的一種儀器。在實(shí)驗(yàn)工作中經(jīng)常使用的玻璃量器稱之為常用玻璃量器，包括滴定管、分度吸量管、單標(biāo)線吸量管、單標(biāo)線容量瓶、量筒、量杯六種容量計(jì)量器具。在檢定和使用玻璃量器的過(guò)程中，玻璃量器液面的調(diào)定及正確的讀數(shù)直接影響檢定結(jié)果的判斷。通過(guò)對(duì)常用玻璃量器測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定分析可知，由于液面調(diào)定（讀數(shù)）誤差所引入的不確定度分量是合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度中較大的一個(gè)分量。本文主要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行探討：1）正確調(diào)定液面的方法；2）液面讀數(shù)誤差與玻璃量器管徑關(guān)系的依據(jù)。

1 正確調(diào)定液面方法

液面是指待測(cè)容量的液體與空氣之間的界面。常用玻璃量器可采用對(duì)照基準(zhǔn)線或分度線來(lái)調(diào)定和讀取液面。液面調(diào)定方法如下：1）液面是凹面時(shí)，讓液面最低點(diǎn)與分度線上邊緣的水平面相切，視線應(yīng)與分度線上邊緣在同一水平面上；2）當(dāng)液面是凸面時(shí)（例如：水銀），讓液面最高點(diǎn)與分度線下邊緣的水平面相切，同樣視線應(yīng)與分度線下邊緣在同一水平面上。

然后適當(dāng)安排光線，可以使得液面暗淡，且輪廓清晰。為此，應(yīng)襯以白色背景，并遮去不需要的雜光。例如：可以在玻璃量器定位液面以下不大于1mm處，放置一條黑色紙帶或用一段切開(kāi)的黑色厚膠管，箍在玻璃量器管壁上。

當(dāng)分度線的長(zhǎng)度足以同時(shí)從玻璃量器前后觀察時(shí)，視線應(yīng)處于上邊緣前后部分重合的位置上，可以減少視差；若玻璃量器只在前面具有分度線時(shí)，使用黑色遮光帶來(lái)調(diào)定分度線上邊緣，視差可以大大減少，但也應(yīng)注意，眼睛應(yīng)與分度線上邊緣在同一個(gè)水平面內(nèi)讀數(shù)。

在常用玻璃量器中，滴定管、分度吸量管和量筒均有采用藍(lán)線乳白背景的雙色玻璃管制造。對(duì)于這樣的常用玻璃量器，其液面的調(diào)定方法是：視線與分度線上邊緣在同一水平面上，并使藍(lán)線的最尖端與分度線上邊緣重合，由于盛液玻璃管的放大作用使液體里的藍(lán)線變寬，而未浸入液體中的藍(lán)線寬度不變，于是在上下兩部分的藍(lán)線交接處形成對(duì)頂?shù)腻F形。應(yīng)該注意到藍(lán)線錐形的最尖端并不是液面的最低點(diǎn)，它對(duì)于液面最低點(diǎn)是偏高的，它僅是觀察和調(diào)定液面的一個(gè)標(biāo)志。液面與刻度線觀察圖如圖1所示。

圖1 液面與刻度線觀察圖

2 確定液面讀數(shù)誤差的依據(jù)

1）在玻璃量器測(cè)量不確定度評(píng)定過(guò)程中，對(duì)于液面讀數(shù)誤差引入的不確定度分量大小進(jìn)行計(jì)算。通常方法是測(cè)量玻璃量器的直徑D，同時(shí)憑工作經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)視線的讀數(shù)高度h值，經(jīng)過(guò)分析引入讀數(shù)誤差的不確定度分量。

例如：對(duì)標(biāo)稱容量為100mL單標(biāo)線容量瓶的不確定度評(píng)定中，由液面讀數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量u（Vh），根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，檢定人員在調(diào)定液面與玻璃量器分度刻線相切時(shí)所產(chǎn)生的讀數(shù)視差h最大為：0.1mm，測(cè)量玻璃量器直徑為D＝14mm，對(duì)應(yīng)的容量值計(jì)算可得Vh＝15.4μL，按均勻分布計(jì)算u（Vh），取則

在不確定度分析過(guò)程中對(duì)于h＝0.1mm只是憑借工作經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)估值，應(yīng)該通過(guò)相關(guān)的理論進(jìn)行分析，確定液面讀數(shù)高度與玻璃量器管徑參數(shù)的關(guān)系。便于檢定人員對(duì)于玻璃量器不同管徑的液面調(diào)定觀察，采用正確的讀數(shù)方法，減小由于讀數(shù)誤差對(duì)玻璃量器的影響。

2）實(shí)際上調(diào)定液面引入的讀數(shù)視差h與玻璃量器直徑D有密切的聯(lián)系。

根據(jù)圖2，可以看出讀數(shù)的高度差與玻璃量器管徑的關(guān)系。

圖2 讀數(shù)的高度差與管徑的關(guān)系

讀數(shù)視差h的值由以下公式導(dǎo)出：

式中：θ為操作者看液面的視線和正切于液面的水平面之間夾角；h為讀數(shù)視差，mm；d為操作者眼睛到分度線的距離，mm；H為操作者眼睛偏高或偏低于與液面相切的水平面的距離，mm；D為帶有分度的管子、頸或液柱的直徑，mm。

假設(shè)H＝5mm，d＝200mm，則：

當(dāng)D1＝1mm，則：

當(dāng)D2＝100mm，則：

所以能用0.01D表示不同直徑的玻璃量器因讀數(shù)引起的視差h，很明顯在1mm≤D≤100mm范圍內(nèi)，可認(rèn)為：

即讀數(shù)視差與玻璃量器的直徑是線性關(guān)系。

若假設(shè)H＝10mm，d＝200mm，則對(duì)于不同的玻璃量器直徑D可得到：

此時(shí)可近似認(rèn)為在1mm≤D≤100mm范圍內(nèi)：

上述范例中單標(biāo)線容量瓶的直徑D＝14mm。

由式（1）得h＝0.14mm，與范例估計(jì)h＝0.1mm比較接近；

由式（2）得h＝0.28mm，與范例估計(jì)h＝0.1mm差距較大。

實(shí)際工作中可自己確定h與D的比例關(guān)系，并由此得到與h、D及（按均勻分布，取有關(guān)的對(duì)應(yīng)表格。以h＝0.01D情況為例可得到部分不同玻璃量器直徑時(shí)對(duì)應(yīng)的表格如表1所示。

3 結(jié)論

1）在檢定玻璃量器的過(guò)程中正確的讀數(shù)方法是：液面是凹面，應(yīng)讓視線、液面最低點(diǎn)、分度線上緣在同一平面上進(jìn)行讀數(shù)；若液面是凸面時(shí)（例如水銀）應(yīng)讓視線、液面最高點(diǎn)、分度線下緣在同一平面上進(jìn)行讀數(shù)。

2）在1mm≤D≤100mm范圍內(nèi)，可自行估計(jì)圖2中H、d的大小，以前面提到的思路為參考，求得h與D的具體比例關(guān)系，對(duì)讀數(shù)視差h進(jìn)行合理估計(jì)。個(gè)人認(rèn)為h＝0.01D適用于可將玻璃量器放置于水平臺(tái)面或處于固定支架上進(jìn)行讀數(shù)時(shí)使用，如單標(biāo)線容量瓶、滴定管、量筒、量杯這幾類玻璃量器；而對(duì)于單標(biāo)線吸量管、分度吸量管這兩類玻璃量器，由于調(diào)定液面進(jìn)行讀數(shù)時(shí)是采取手持玻璃量器的方式進(jìn)行，應(yīng)采用h＝0.02D進(jìn)行估計(jì)比較合理。

表1 部分不同玻璃量器直徑時(shí)對(duì)應(yīng)的表格

［1］劉子勇.容量計(jì)量.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009

［2］廉育英.容量計(jì)量技術(shù).北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006

［3］GB／T 12809—91實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器玻璃量器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)原則

［4］倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定，北京，中國(guó)計(jì)量出版社，2007

［5］JJG 196—2006常用玻璃量器

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.11