计量及其特点 计量，过去在我国称为“度量衡”，其原始含义是关于长度、容积和质量的测量，主要器具是尺、斗和秤。尽管随着时代的前进,“度量衡”的概念和内容在不断地变化和充实，但仍难以摆脱历史**的局限性，不能适应科技、经济和社会发展的需要。于是，我国从50年代开始，便逐渐以“计量”取代了“度量衡”。可以说，“计量”是度量衡的发展；也有人称计量为“现代度量衡”。 为了认识计量，先了解一下“量”。量是现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。这是当前国际公认的说法。换句话说，自然界的一切事物都是由一定的“量”组成的，而且是通过“量”来体现的。因此，要认识自然、利用自然、改造自然为人类造福，就必须对各种量进行分析和确认，既要分清量的性质，又要确定其具体量值；而计量正是达到这种目的的重要手段。所以，可以说，计量是对“量”的定性分析和定量确定的过程。 计量的特点，可包括如下： 1、 准确性（**性） 准确性是计量的基本特点。它表征的是计量结果与被测量的真值的接近程度。严格地说，只有量值，而无准确程度的结果，不是计量结果。也就是说，计量不仅应明确给出被测量的量值，而且还应给出该量值的不确定度(或误差范围)，即准确性。更严格地说，还应注明计量结果的影响量的值或范围。否则，计量结果便不具备充分的社会实用价值。所谓量值的统一，也是指在一定准确程度内的统一。 2、一致性 计量单位的统一是量值一致的重要前提。无论在任何时间、任何地点，采用任何方法、使用任何器具以及任何人进行计量，只要符合有关计量的要求，计量结果就应在给定的不确定度（或误差范围）内一致。否则，计量将失去其社会意义。计量的一致性，不**于国内，而且也适用于国际。 3、溯源性 在实际工作中，由于目的和条件的不同，对计算结果的要求亦各不相同。但是，为使计量结果准确一致，所有的同种量值都必须由同一个计量基准(或原始标准)传递而来。换句话说，任何一个计量结果，都能通过连续的比较链溯源到计量基准。这就是溯源性。可以说，“溯源性”是“准确性”和“一致性”的技术归宗。因为，任何准确、一致，都是相对的，是与当代的科技水平和人们的认识能力密切相关的。也就是说，“溯源”可以使计量科技与人们的认识相对统一，从而使计量的“准确”和“一致”得到技术保证。就一国而论，所有的量值都应溯源于国家计量基准；就国际而论，则应溯源于国际计量基准或约定的计量标准。否则，量值出于多源，不仅无准确一致可言，而且势必造成技术上和应用上的混乱，以致酿成严重的后果。 4、法制性 计量本身的社会性就要求有一定的法制保障。也就是说，量值的准确一致，不仅要有一定的技术手段，而且还要有相应的法律、法规的行政管理，特别是那些对国计民生有明显影响的计量，诸如社会**、医疗保健、环境保护以及贸易结算中的计量，更必须有法制保障。否则，量值的准确一致便不能实现，计量的作用也就无法发挥。 可见，计量于一般的测量不同。测量是为确定量值而进行的全部操作，通常不具备、也无需具备上述的计量特点。所以，计量属于测量，而又严于一般测量；也可以说，计量是量值确切统一的测量。当然，在实际工作或文献资料中，一般没有必要去严格区分“计量”与“测量”。国内如此，国际亦如此。顺便提一下，在翻译外文资料时，例如英文measurement，可译为“测量”，也可译为“计量”，视具体情况和惯例而定。 至于“测试”，测试具有一定试验性（探索性）的测量。近年来，往往将不是严格按照约定规程或成熟方案进行的测量统称为测试，甚至有时也可以将测试理解为测量和试验的综合。 从学科发展来看，计量原本是物理学的一部分，或者说是物理学的一个分支。随着科技、经济和社会的发展，计量的概念和内容也在不断地扩展和充实，以致逐渐形成了一门研究测量理论与实践的综合性学科——计量学。或者说，计量学是关于测量理论与实践的知识领域。 就学科而论，计量学又可分为： （1）通用计量学——涉及计量的一切共性问题而不针对具体的被测量的计量学部分。例如，关于计量单位的一般知识（单位制的结构、计量单位的换算等）、测量误差与数据处理、计量器具的基本特性等。 （2）应用计量学——涉及特定计量的计量学部分。通用计量学是泛指的，不针对具体的被测量；而应用计量学则是关于特定的具体量的计量，如长度计量、频率计量等。 （3）技术计量学——涉及计量技术，包括工艺上的计量问题的计量学部分。例如，自动测量、在线测量等。 （4）理论计量学——涉及计量理论的计量学部分。例如，关于量和计量单位的理论、测量误差理论等。 （5）品质计量学——涉及品质管理的计量学部分。例如，关于原料、材料、设备以及生产中用来检查和保证有关品质要求的计量器具、计量方法、计量结果等。 （6）法制计量学——涉及法制管理的计量学部分。例如，为了保证公众**、国民经济和社会的发展，根据法律、技术和行政管理的需要而对计量单位、计量器具、计量方法和计量准确度（或不确定度）以及专业人员的技能等所进行的强制管理。 （7）经济计量学——涉及计量的经济效益的计量学部分。这是近年来人们相当关注的一门边缘学科，涉及面甚广。例如，计量在社会生产体系中的经济作用和地位，计量对科技发展、生产率的增长、产品品质的提高、物质资源的节约、国民经济的管理、医疗保健以及环境保护方面的作用等。 当然，计量学的上述划分不是**的，而是突出了某一方面的计量问题。 计量的范围与领域 计量的范围，在相当长的历史时期内，主要是各种物理量的计量测试。随着科技的进步、经济和社会的发展，计量已突破了传统的物理量的范畴，扩展到化学量以及工程量的计量测试。近年来，计量的发展更加迅速，以至囊括了生理量和心理量等的计量测试。因此，可以说，一切可测量的计量测试，皆属于计量的范围。计量所涉及的科学领域，已从自然科学扩展到社会科学。 当前，比较成熟和普遍开展的计量科技领域有几何量(亦称长度)、热工、力学、电磁、无线电、时间频率、声学、光学、化学和电离辐射，即所谓“十大计量”。 另外，随着现代科技的发展，一些新的计量领域，如生物工程、环保工程、字航工程等的计量测试，也正在逐渐形成。 上述计量科技领域的划分是相对的，并无严格规定。如有的国家将电磁（主要是关于直流和低频电磁量的计量测试）和无线电合在一起称为“电学”，也有的国家将电磁、无线电和时间频率合在一起统称为“电学计量”。再者，各个计量领域也不是孤立的，而是彼此联系、相互影响的。许多实际的计量测试问题，往往可能涉及两个甚至更多的计量领域。 计量的基本内容 计量的基本内容可概括为： 1．计量单位与单位制； 2．计量器具，包括复现计量单位的计量基准、标准器具以及普通(工作)计量器具； 3．量值传递、溯源与检定测试； 4．物理常数以及材料与物质特性的测定； 5．误差理论与数据处理以及计量人员的专业技能； 6．计量管理。 计量的分类 1．科学计量 科学计量主要指的是基础性、探索性、先行性的计量科学研究，例如关于计量单位与单位制、计量基准、标准、物理常数以及误差理论与数据处理等。科学计量通常是国家计量科学研究单位的主要任务。 2．工程计量 工程计量亦称工业计量，系指各种工程、工业企业中的实用计量。例如，关于能源、原材料的消耗，工艺流程的监控以及产品品质与性能的测试等。工程计量涉及面甚广，是各行各业普遍开展的一种计量。 3．法制计量 法制计量，是为了保证公众**、国民经济和社会发展，根据法制、技术和行政管理的需要，由政府或官方授权进行强制管理的计量，包括对计量单位、计量器具(特别是计量基准、标准)、计量方法和计量准确度(或不确定度)以及计量人员的专业技能等都有明确规定和具体要求。 从实际检测来看，法制计量主要是涉及**防护、医疗卫生、环境监测和贸易结算等有利害冲突或需要特殊信任领域的强制计量。例如，关于衡器、压力表、电表、水表、煤气表、血压计以及血液中酒精含量(司机和高空作业者上岗前不得饮酒)等的计量。 计量的上述分类，是相对的。有人把科学计量称为基础计量，而将工程计量和法制计量统称为应用计量。这看来似乎更加概括，但实际上却造成了混淆。因为法制计量的特殊性是工程计量不能比拟的；两者必须分别对待，不能相提并论。 计量的精密度、正确度、**度 计量的精密度、正确度、**度，是计量的几个基本概念(参见图1) 1．精密度 计量的精密度(precision of measurement)，系指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度(见下)高。也就是说，测得值的随机误差小，不一定其系统误差亦小。 2．正确度 计量的正确度(correctness of measurement)，系指被测量的测得值与其“真值”的接近程度。从测量误差的角度来说，正确度所反映的是测得值的系统误差。正确度高，不一定精密度高。也就是说，测得值的系统误差小，不一定其随机误差亦小。 3．**度 计量的**度亦称准确度(accuracy of measurement)，系指被测量的测得值之间的一致程度以及与其“真值”的接近程度，即是精密度和正确度的综合概念。从测量误差的角度来说，**度(准确度)是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。 图1是关于计量的精密度1正确度和**度的示意图。 设图中的圆心O为被测量的“真值”，黑点为其测得值，则 图(a)：正确度较高、精密度较差； 图(b)：精密度较高、正确度较差； 图(c)：**度(准确度)较高，即精密度和正确度都较高。 通常所说的测量精度或计量器具的精度，一般即指**度(准确度)．，而并非精密度。也就是说，实际上“精度”已成为“**度”(准确度)的习惯上的简称。至于精度是精密度的简称的主张，若仅针对精密度而言，是可以的；但若**考虑，即针对精密度、正确度和**度三者而言，则不如是**度的简称或者本意即指**度更为合适。因为，在实际工作中，对计量结果的评价，多系综合性的，只有在某些特定的场合才对精密度和正确度单独考虑。那么，为何不去简化（如果说是“简化”的话）一个常用术语，而偏要去简化一个不常用的术语呢！再说，就大多数计量领域和计量工作者来说，已经习惯于“精度”来表示“**度”或准确度了，何不顺其自然呢？ 顺便说一下，本书中所用的“精度”，系指“**度”（准确度），即精密度和正确度的综合概念。 计量的发展，大体上可分为三个阶段。 1．古典阶段 古典阶段是以权力和经验为主的初级阶段，没有或者没有充分的科学依据。作为*高依据的计量基准，多用人体的某一部分、动物的丝毛或某种能力、植物果实、乐器以及物品等。 例如，我国古代的“布手知尺”、“掬手为升”、“十发为程”、“十程为分”；英国的“码”，是英王亨利一世将其手臂向前平伸，从其鼻尖到指尖的距离；英尺是查理曼大帝的脚长；英亩是二牛同扼一日翻耕土地之面积，等等。 2．经典阶段 从世界范围看，1875年“米制公约”的签定，可认为是经典阶段的开始。随着科学技术的进步和社会生产力的发展，计量基准已开始摆脱利用人体、自然物体等的原始状态，进入了以科学为基础的发展阶段。由于科技水平的限制，这个时期的计量基准都是在经典理论指导下的宏观器具或现象。例如，根据地球子午线长度的1/4的1/10 000 000，用铂铱合金制造的长度基准米原器；根据1立方分米的水在其密度*大时的温度下的质量，用铂铱合金制造的质量单位基准千克原器；根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位安培；根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位秒；等等。 这类宏观实物基准，随着时间的推移，由于物理的、化学的以及使用中的磨损等原因，难免发生微小的变化。另外，由于原理和技术的限制，该类基准的准确度亦难以大幅度提高，以致不能满足日益发展的社会需要。于是便提出了建立更稳定、更**的新型计量基准的课题。 3．现代阶段 现代阶段的基本标志是由经典理论为基础转为量子理论为基础，由宏观实物基准转为微观量子基准。 建立在量子理论基础上的微观自然基准，或称量子基准，比宏观实物基准优越的多，更**、更稳定可靠。因为，根据量子理论，微观世界的量，只能是跃进式的改变，而不可能发生任意的微小变化；同时，同一类物质的原子和分子都是严格一致的，不随时间和地点而改变。这就是微观世界的所谓稳定性和齐一性。量子基准就是利用了微观世界所固有的这种稳定性和齐一性而建立的。 迄今为止，国际上已正式确立的量子基准有长度单位米基准、时间单位秒基准、电压单位伏特基准和电阻单位欧姆基准。 计量的作用和意义--.计量与科学技术 随着科技和经济的发展、社会的进步，计量的作用和意义已日益明显。下面略举几例： 1．计量与科学技术 众所周知，科学技术是人类生存和发展的一个重要基础。没有科学技术，便不可能有人类的今天。其实，计量本身就是科学技术的一个重要的组成部分。任何科学技术，都是为了探讨、分析、研究、掌握和利用事物的客观规律；而所有的事物都是由一定的“量”组成，并通过“量”来体现的。为了认识量并确切地获得其量值，只有通过计量。比如，哥白尼关于天体运行的学说，是在反复观察的基础上提出的，并在伽利略用天文望远镜进行了进一步观测之后而确立的；有名的万有引力定律，被牛顿的敏锐观察所揭示，并在百余年后经卡文迪许的精密测试而得到了确认；爱因斯坦的相对论，也是在频率精密测量的基础上才得到了一定的验证；李政道、杨振宇关于弱相互作用下宇称不守恒的理论，也是吴健雄等人在美国标准局（金标准技术研究院）进行了专门的测试才验证的。总之，从经典的牛顿力学到现代的量子力学，各种定律、定理，都是经过观察、分析、研究、推理和实际验证才被揭示、承认和确立。计量正是上述过程的重要技术基础。 历史上三次大的技术**，都充分地依靠了计量，同时也促进了计量的发展。 以蒸汽机的广泛应用为主军标志的次技术**，导致以机器为主的工厂取代了以手工为基础的作坊，使生产力得以迅速提高，进而确立了资本主义的生产方式。当时，经典力学和热力学是社会科技发展的重要理论基础。在蒸汽机的研制和应用的过程中，都需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试。力学计量和热工计量，就是在这种情况下发展起来的。另外，机械工业的兴起，使几何量的计量得到了进一步的发展。 以电的产生和应用为基本标志的**次技术**，更加推动了社会的发展。欧姆定律、法拉第电磁感应定律，以及麦克斯韦电磁波理论等，为电磁现象的深入研究和广泛应用、电磁计量和无线电计量的开展，提供了重要的理论基础。例如，1821年西贝克发现的热电效应，为热电偶的诞生奠定了理论基础；而各种热电偶的研制成功，则对温度计量、电工计量、以及无线电计量等提供了一种重要手段，促进了相应科技的发展。为了实际测量地球运动的相对速率，迈克尔逊等人利用物理学的成就，研制出了迈克尔逊干涉仪，从而为长度计量提供了一个重要方法。1892年，迈克尔逊用镐光（单色红光）作为干涉仪的光源，测量了保存于巴黎的铂铱合金基准米尺的长度，获得了相当准确的结果（等于1 553 163.5个红光波长）。直至百余年后的今天，利用各种干涉仪精密测量长度，仍然是几何量计量的一种重要方法。普朗克关于能量状态的量子化假说，指出物体在辐射和吸收能量时，其带电的线性谐振子可以和周围的电磁场交换能量,以致能从一个能级跃迁到另一个能级状态，并且能量子的能量为?E＝hυ（式中h——普朗克常数，υ——频率）。爱因斯坦在普朗克假说的基础上，提出了光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，即光是以速度c运动的粒子（光子）流，其单元（光子）的能量为?E＝hυ，从而说明不同频率的光子具有不同的能量。上述理论成功地解释了光电效应，成了热辐射计量的理论基础，同时也使计量开始从宏观进入微观领域。随着量子力学、核物理学的创立与发展，电离辐射计量逐渐形成。 核能及化工等的开发与应用，导致了第三次技术**。在这个时期，科学技术和社会经济的发展更加迅速。原子能、化工、半导体、电子计算机、超导、激光、遥感、宇航等新技术的广泛应用，使计量日趋现代化，计量的宏观实物基准逐步向量子（自然）基准过渡。原子频标的建立和米的新定义的形成,有着相当重要的意义。频率和长度的精密测量，促进了现代科技的发展。比如，光速的测定、原子光谱的超精细结构的探测以及航海、航天、遥感、激光、微电子学等许多科技领域，都是以频率和长度的精密测量为重要基础的。 至于人们广泛谈论和关注的所谓第四次技术**，将引起科技、经济和社会的重大变革，人类将进入“超工业社会”或“信息社会”。那时，****的石化燃料能源将替换成可再生的太阳能、海潮发电等新能源，钢铁、机械、橡胶等传统产业将被电子工业、宇航工程、海洋工程、遗传工程等新兴产业所征服，等等。这场技术**的先导是微电子学和计算机，而集成电路又可以说是先导的核心。集成电路的研制，没有相应的计量保证是不可想象的。比如，硅单晶的几何参数、物理特性，超纯水、超纯气的纯度，化学试剂、光刻胶的性能，膜层厚度、层错位错，离子注入深度、浓度、均匀度以及工艺监控测试图形等的测定与控制，都是精密测量。当前，我国集成电路研制尚比较落后，计量工作跟不上是其中的原因之一。 总之，科学技术的发展，特别是物理学的成就，为计量的发展创造了重要的前提，同时也对计量提出了更高的要求，推动了计量的发展；而计量的成就，又促进了科技的发展。正如门捷列夫所说：“没有计量，便没有科学”。聂荣臻同志也曾明确指出：“科技要发展，计量须先行”；“没有计量，寸步难行”。 流量计量的基本概念 基本概念 流量就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用流体的体积来表示称为瞬时体积流量（qv），简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量（qm），简称质量流量。它的表达式是： 式中：qm、qv——在时间间隔?t内通过的流体质量或体积； ρ——流体密度。 从t1到t2这一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值称为累积流量，它们的表达式是： 对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。 流量计量中常用的物性参数 流量计量中常用的物性参数 在流量测量和计算中，要使用到一些流体的物理性质（流体物性），它们对流量测量的准确度及流量计的选用都有很大影响。限于本书篇幅，我们对这些物性参数只作基本概念及一些简单计算式的介绍，详细数据资料需到有关手册去查询。 1．流体的密度 流体的密度由下式定义 式中：ρ——流体密度，kg/m3； m——流体的质量，kg； V——流体的体积，m3。 （1） 液体的密度 压力不变时，液体密度计算式为： ρ=ρ20[1-μ（t-20）] （4.10-6） 式中：ρ——温度t时液体的密度，kg/m3； ρ20——20℃时液体的密度，kg/m3； μ——液体的体积膨胀系数，1/℃； t——液体的温度，℃。 温度不变时，液体密度计算式为： ρ1=ρ0[1-β（ρ0-ρ1）] （4.10-7） 式中：ρ1——压力p1时液体的密度，kg/m3； ρ0——压力p0时液体的密度，；kg/m3； β——液体的体积压缩系数1/Mpa； p0、p1——液体的压力，Mpa。 通常压力的变化对液体密度的影响很小，在5Mpa以下可以忽略不计，但是对于碳氢化合物，即使在较低压力下，亦应进行压力修正。 （2） 气体的密度 工作状态下干气体的密度计算式为： 式中：ρ——工作状态下干气体的密度，kg/m3； ρn——标准状态下（293.15k，101.325kPa）干气体的密度，kg/m3； p——工作状态下气体的**压力，kPa； pn——标准状态下**压力，kPa； T——工作状态下气体的**温度，K； Tn——标准状态下**温度，293.15K； Zn——标准状态下气体的压缩系数； Z——工作状态下气体的压缩系数。 2．流体的粘度 流体本身阻滞其质点相对滑动的性质称为流体的粘性。流体粘性的大小用粘度来度量。同**体的粘度随流体的温度和压力而变化。通常温度上升，液体的粘度下降，而气体粘度上升。液体粘度只在很高压力下才需进行压力修正，而气体的粘度与压力、温度的关系十分密切。表征流体粘度常用有如下二种： （1）动力粘度 式中：η——流体动力粘度，Pa•s； τ——单位面积上的内摩擦力，Pa； ——速度梯度，1/s； u ——流体流速，m/s； h ——两流体层间距离，m。 （3） 运动粘度 流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度。 式中：v ——运动粘度。 3．热膨胀率 热膨胀率是指流体温度变化1℃时其体积的相对变化率，即： 式中：β——流体的热膨胀率，1/℃； V ——流体原有体积，m3； ?V——流体因温度变化膨胀的体积，m3； ?T——流体温度变化值，℃。 4．压缩系数 压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时，其体积的变化率，即： 式中：K——流体的压缩系数，1/Pa； V——压力为p时的流体体积m3； ?V——压力增加?p时流体体积的变化量，m3。 5．雷诺数 雷诺数是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲量，其定义为： 式中：v——流体的平均速度，m/s； ι——流速的特征长度，如在圆管中取管内径值，m； υ——流体的运动粘度，m2/s。 如雷诺数小，粘性力占主要地位，粘性对整个流场的影响都是重要的。如雷诺数很大，则惯性力是主要的，粘性对流动的影响只有在附面层内或速度梯度较大的区域才是重要的。 关于气体流量测量单位标准立方米的意义 气体流量测量单位采用标准立方米，我们常称为仿质量单位，因为它看似体积单位，其实为质量单位，它与使用地点的压力，温度没有任何关系，如果气体为天然气，1标准立方米的质量还与天然气的组分有关，在天然气贸易结算计量时采用能量单位比较合理就因为同样的天然气质量，如其组分不同，则其发热量亦不同。 例：空气 1标准立方米=1.2041千克 （标准状态为101.325 kPa, 20°C） 流量 100 m3/h （标准状态）=120.41 kg/h 天然气 设天然气相对密度 d=0.6, 则 1标准立方米=1.2041×0.6=0.7225 kg 流量 100 m3/h （标准状态）=72.25 kg/h 标准状态中压力无论国内外都是标准大气压，即101.325 kPa， 但是温度就不尽相同，我过有二种温度标准，20°C，0°C。 天然气用20°C，煤气用0°C或20°C，这是历史原因造成的。在贸易结算中合同双方可协商用任何一个温度，称为合同温度。 国际上则采用15.6°C（60°F）或15°C（59°F）。 流量计测量出工况体积流量，需经压力，温度换算（用流量演算器）而得。 其换算公式为 式中 qvn， qv——分别为标准状态下和工作状态的体积流量，m3/h； pn，p——分别为标准状态下和工作状态的**压力，Pa； Tn， T——分别为标准状态下和工作状态的热力学温度， K； Zn，Z——分别为标准状态下和工作状态的气体压缩系数。