温度与精度测量

如何消除长度测量中的温度误差

检测中心：徐福辉

主题词：温度误差　线膨胀系数　误差分析　误差消除

一、概述

自然界大部分物体具有热胀冷缩的特点，人们通常把长度测量中受温度影响造成误差称为温度误差。温度误差是长度测量中的一个主要因素。举个例子：一个1000mm的圆棒，温度变化10℃时，圆棒的尺寸变化为0.11mm，这在长度精密测量中是绝对不允许的。在工厂长度测量中如何 消除温度误差，把它控制在一定范围内一直是我厂计量室测量和现场精密测量中的一个难点。现在我们从温度形成的原因入手对温度误差进行分析。

二、温度误差的形成原因分析

工件的长度尺寸随温度的变化称为线膨胀，其变化量与物体原来的长度、温度的变化量和工件组成的材料性质有关。为了保证量值的统一，国际上统一规定＋20℃为标准温度。所谓温度误差就是工件或者量具的温度偏离20℃的尺寸误差。人们经过多年的研究，发现温度和长度之间的关系可用以下函数式表示　：

△ L=La(t-20)

式中：△L-尺寸变化

L-物体尺寸

a-物体线胀系数（1/℃）

t-物体温度（℃）

注：工件的线胀系数的定义是：当温度变化1℃时，单位长度（1米）的尺寸变化大小，它仅与物体材料有关。如钢的线胀系数为11.5×10-6/℃，铜的为17.5×10-6/℃，铝的为23×10-6/℃。

当工件和量具的温度对标准温度均有偏差时，温度所引起的测量误差为二者尺寸变化之差。其计算式为：

△ L=L[a1(t1-20)-a2(t2-20)]

式中△L-由于温度变化引起的测量误差

L-工件尺寸

a1 ,a2-工件和量具材料的线胀系数（1/℃）

t1，t2-工件和量具的温度（℃）

特殊情况下，上式可以简化为：

1）当t1=t2=20℃时 △L=0

2）当t1=t2=t ≠20℃时 △L=L（t-20）（a1 -a2）

3）当t1=t2, a1=a2 时 △L=0

4）当a1=a2=a时 △L =La（t1-t2）

5）当t1=20℃时，t2≠20℃时 △L =-La2（t2-20）

6）当t2=20℃时，t1≠20℃时 △L =La1（t1-20）

由此得出如下结论：

1） 当工件和量具温度相同，并等于20℃时（即在实验室条件下）温度误差为零。

2） 当工件与量具温度相同，但不等于20℃时（即在某种车间条件下），温度误差与工件尺寸成正比、与工件和量具的温度与标准温度之差及他们的线胀系数之差成正比。

3)当工件与量具温度相同并等于20℃时，二者的线胀系数也相同时，（相当于工件与量具经过了温度的平衡，二者材料也相同的情况下），温度误差为零。

4）当工件与量具线胀系数相同时，温度误差与工件尺寸成正比、工件或量具的线膨胀系数以及他们的温差成正比。

5）当工件温度为20℃时，量

具温度不为20℃时，温度误差仅与工件尺寸成正比、量具温度与标准温度之差成正比、与量具线胀系数成正比。

6）当量具温度为20℃时，工件温度不为20℃时（相当于工件未经等温就使用恒温室内的量具进行测量的情况），温度误差仅与工件尺寸成正比、工件温度与标准温度之差及工件Z?线胀系数成正比。

三、在工厂长度测量中如何对温度误差进行消除

从上述分析可以看出，温度误差是一个系统误差，只要我们认真分析它的形成原因，就能找出解决问题的方法。要消除温度误差首先要为测量选择一个合理的温度环境。

测量应具有什么样的温度条件，决定于工件测量的精度要求和工件的尺寸大小、材质的差异及两者的比较形式。在我厂长度测量中温度条件的选择包括以下内容：

1、 确定对标准温度的允许偏差：

1） 工厂测量中，对计量室测量，一般选择在高精度测量中选择20±0.5℃，如量块检定时。中精度测量中选择20±2℃，如校对杆检定时。低精度测量中选择20±5℃，如对达到精度要求为0.02mm的测量。

2） 在工厂现场测量中一般由于条件所限不对温度的偏差进行要求。

以上只是对工厂测量时的一般选择，在具体温度选择时的要注意一些具体问题：

1） 在大尺寸测量时对温度的允许偏差应相应减小。因为温度误差与被测件尺寸大小成正比，在大尺寸测量中温度误差所占的比重很大，如不严格控制温度条件，势必会对其它测量条件提出苛刻的要求。

2） 当被测量件与标准器的线膨胀系数相差较大时对温度的允许偏差应相应减小。当然为了减小温度误差，应选择与工件的线膨胀系数尽量相同的标准器。

3） 应重点考虑测量的经济性，也不要为了要把环境温度控制在一定范围内而付出较高的经济代价。

2、 环境温度的稳定性

1） 温度的稳定性是指每小时内温度的变化范围。对环境温度稳定性的基本要求是只允许有缓慢的变化，而不应有突变。

2） 在工厂计量室较高精度或大尺寸测量中，要求温度变化不超过0.5℃。要保证测量温度的稳定，通常在计量室内靠恒温装置来实现。

3） 在工厂现场测量中由于条件所限，只要求测量人员尽量避免把人手接触的温度影响到的测量结果即可。

3、 工件与标准器温度的一致性

在工厂的长度测量中一般取消在测量中对工件和标准件的温度测量，只要保证两者能按规定条件进行等温即可。

等温的过程就是被测工件和标准器置于同一温度条件下经过一定的时间，使两者与周围的温度一致的过程。等温可以在空气中进行，也可在大铸件平板上进行。等温时间和两者的温度差、

热容量和周围的介质的热导性能有关。

四、工厂实际长度测量中消除温度误差的几点建议

在工厂长度测量中要把温度误差控制在一定范围内除了按以上所说对温度条件的选择外，还要注意以下几点：

1、 在现场测量中不要把标准器（如卡尺）从工具室拿出后就进行测量，而是把标准器与工件重叠放置在一起，并放在大平板上进行等温后再进行测量。一般精度测量中，平板恒温时间可参考下列数据：长度在一米以下时进行1.5小时　，长度在三米以上时进行三小时。对于体积比较大的工件或标准器的等温一般要求24小时恒温，这是因为工件内部的温度总要滞后于表面和室内的温度，这是应特别注意的。

2、 在工厂的生产安排中要充分考虑温度的影响因素，尤其在工件的测量结果需仲裁时更要给计量室留出足够的时间进行恒温，否则将直接影响到测量结果的准确度。

3、 加强工厂的测量人员的技术素质和责任心，提高对温度误差的认识程度。避免人手的温度对工件和量具的影响，不用手直接接触被测件和量具。这种影响所产生的误差是无法测知的，只有通过正确的使用量具和在工作中加以注意来避免和减小。例如使用和检定千分尺时，必须握住绝热垫；当发现人手热量已经传到千分尺时，则应将其放置一定时间再使用和检定。

4、 检测中心这几年在工厂的现场测量中解决了工厂的很多测量问题，但在工厂有条件时应尽量把工件放到有条件的计量室进行测量。

五、结论

随着科学技术的进步和工厂经济实力的提高和工厂300公里高速动车组的生产，对长度测量提出了更高的要求，如何消除温度误差是长度测量中必不可少的。如何把温度误差控制在合理的范围内，是需要大家努力才能实现的事情。以上是我结合工厂的实际提出的看法，仅供参考。

参考资料

1、《长度计量》 浙江省标准计量管理局编1986年　浙江省计量测试研究所

2、《万能量具修理》 郑州市计量管理所编著　1974年　郑州市计量管理所

3、《工厂精密测量指南》作者：徐孝恩　　　　　1985年　　中国计量出版社