كيفية حساب تصحيح طفو الهواء مع الأمثلة

 
 

مقدمة

هل تعلم أن الطفو الهوائي يساهم بشكل كبير في عدم اليقين في نتائج القياس؟

يؤثر على نتائج العديد من الاختبارات والمعايرة إذا لم تقم بتطبيق تصحيح الطفو الهوائي. على وجه الخصوص ، القياسات التي يتعلق الأمر بالوزن ، مثل الكتلة والقوة والضغط وعزم الدوران.

العديد من المختبرات لا تأخذ ذلك في الاعتبار عند إجراء القياسات. بالإضافة إلى ذلك ، هناك الكثير من إجراءات المعايرة وطرق الاختبار التي لا تشمل تصحيح الطفو الهوائي.

في النهاية ، قد يؤدي ذلك إلى قيام الكثير من المختبرات بالإبلاغ عن نتائج قياس سيئة بالإضافة إلى عدم اليقين في القياس البسيط.

في الوقت نفسه ، أحصل على الكثير من الأسئلة المتعلقة بطفو الهواء وكيفية النظر فيه في تحليل عدم اليقين. لذلك ، قمت بتجميع هذا الدليل معا لمساعدة أي شخص يحتاج إلى:

1. تقييم تأثيرات الطفو الهوائي ، و / أو
2. تطبيق تصحيح الطفو الهوائي.

في هذا الدليل سوف تتعلم:

1. ما هو الطفو الهوائي ،
2. كيفية حساب تصحيح طفو الهواء ،
3. أمثلة على تصحيح الطفو الهوائي ،
4. متى تفكر في تصحيح طفو الهواء ،
5. عدم اليقين بسبب الطفو الهوائي ،

هناك الكثير من المعلومات الرائعة المدرجة في هذا الدليل. لذا ، آمل أن تجده مفيدا.

  
   

ما هو الطفو الهوائي

وفقا لموسوعة بريتانيكا ، فإن الطفو هو القوة الصاعدة أو الطفوية المؤثرة على جسم مغمور كليا أو جزئيا في سائل (مثل الغاز أو السائل) أثناء السكون. الحجم يساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم.

لذلك ، فإن الطفو الهوائي هو القوة الصاعدة التي يمارسها الهواء على جسم ما الذي يزيحه الجسم.

بشكل أساسي ، يقوم جسمك (أي الأوزان) بإزاحة الهواء مما يجعل وزنه أقل لأن الهواء يمارس قوة تصاعدية على أوزانك تساوي كمية الهواء التي أزاحها.

لذلك ، يجب عليك إجراء تصحيح لإضافة هذا القدر من الوزن مرة أخرى لتجنب أخطاء القياس. خلاف ذلك ، إذا لم تقم بتصحيح هذا الخطأ ، فأنت بحاجة إلى أخذه في الاعتبار في ميزانيات عدم اليقين الخاصة بك. ومع ذلك ، سيؤدي ذلك إلى الحصول على تقدير أكبر لعدم اليقين في القياس.

في الصورة أدناه ، ترى وزنا موضوعا على ميزان. الميزان على اليسار في الظروف العادية. التوازن على اليمين في فراغ.

يتأثر الوزن في الظروف العادية (أي اليسار) بالجاذبية (F_g) وقوة التفاعل (Fc) وقوة الطفو (F_w).

يتأثر الوزن في الفراغ (أي الحق) بالجاذبية (F_g) وقوة التفاعل (F_c). نظرا لأنه لا يزيح الهواء ، فلا داعي لتصحيحه من أجل طفو الهواء.

  
   

كيفية حساب تصحيح طفو الهواء

حساب تصحيح طفو الهواء بسيط للغاية. قد يكون تطبيقه أكثر صعوبة اعتمادا على التطبيق. لذا، دعونا نتعلم كيفية حساب تصحيح طفو الهواء أولا، ثم يمكننا إلقاء نظرة على بعض الأمثلة التي توضح كيفية تطبيقه على قياساتك.

انظر إلى المعادلة أدناه. إنها المعادلة الأساسية لتصحيح الطفو الهوائي.

أين
ج = عامل التصحيح
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة

 
لحساب الطفو الهوائي ، ستحتاج إلى اتباع الخطوات الثلاث المدرجة أدناه:

1. أوجد كثافة الهواء
2. أوجد كثافة الكتلة
3. حساب تصحيح الطفو الهوائي

 

1. أوجد كثافة الهواء

أول شيء تحتاجه لحساب تصحيح طفو الهواء هو إيجاد كثافة الهواء. يفترض معظم الناس أن كثافة الهواء تبلغ 1.2 كجم / م³. ومع ذلك ، هذا ليس هو الحال دائما. يعتمد الأمر حقا على موقعك وظروفك البيئية.

على سبيل المثال ، سيواجه المختبر على ارتفاعات أعلى صعوبة في كثافة الهواء 1.2 كجم / م³.

تأكد من حساب كثافة الهواء الخاصة بك بدلا من استخدام الافتراضي 1.2 كجم / م³.

تتأثر كثافة الهواء بالعوامل التالية:

1. درجة حرارة الهواء,
2. الضغط الجوي ، و
3. الرطوبة النسبية.

باستخدام هذه المعلومات ، يمكنك بسهولة حساب كثافة الهواء الخاصة بك.

أسهل طريقة للعثور على هذه المعلومات هي باستخدام حاسبة كثافة الهواء هذه. إنه لأمر رائع للعثور على ما تحتاجه بسرعة.

أوصي باستخدام حاسبة كثافة الهواء Omni. إنها الآلة الحاسبة التي أستخدمها معظم الوقت.

بالإضافة إلى ذلك ، فهي الآلة الحاسبة الوحيدة عبر الإنترنت التي وجدتها لحساب كثافة الهواء الرطب.

يمكنك أن ترى كيف يبدو في الصورة أدناه.

 

إذا كنت لا تثق في الآلات الحاسبة عبر الإنترنت ، فيمكنك استخدام صيغة CIPM المبسطة لحساب كثافة الهواء. لمعرفة المزيد حول صيغة CIPM ، راجع مقالة المجلة هذه من Metrologia أو EURAMET CG-18.

 

علم القياس

صيغة منقحة لكثافة الهواء الرطب (CIPM-2007)

 

أوراميت CG-18

إرشادات بشأن معايرة أدوات الوزن غير الأوتوماتيكية

 
لتوفير الوقت ، انظر إلى الصورة أدناه لرؤية صيغة CIPM المبسطة.

 

2. أوجد كثافة الكتلة

بعد تحديد كثافة الهواء ، فإن الخطوة التالية التي تريد إكمالها هي العثور على كثافة كتلتك. يجب أن يكون العثور على كثافة الكتلة للأوزان القياسية أمرا سهلا. عادة ، يمكنك العثور على هذه المعلومات من:

1. مواصفات الشركة المصنعة، أو
2. تقارير المعايرة الخاصة بك.

 

مواصفات الشركة المصنعة

في الصورة أدناه ، سترى جدولا من OIML R111 يوفر متطلبات كثافة الكتلة بناء على قيمة الكتلة والفئة.

 

بعد ذلك ، انظر إلى الصور أدناه. تم الحصول على هذه الصور من كتيب وكتالوج الشركة المصنعة للأثقال.

سترى أنه من السهل العثور على كثافة الكتلة لنوع وزنك.

في الصورة أدناه ، ستجد كثافة الكتلة المعطاة لكل من أوزان فئة OIML و ASTM. تم العثور على هذا بسهولة في كتالوج الشركة المصنعة للوزن.

 

في الصورة التالية ، سترى المزيد من قيم كثافة الكتلة المعطاة للأوزان الصناعية. مرة أخرى ، تم العثور عليها بسهولة في كتالوج الشركة المصنعة للوزن.

 

تقارير المعايرة

ومع ذلك ، إذا كنت تريد أفضل تقريب لكثافة كتلة وزنك ، فراجع تقارير المعايرة الخاصة بك. خاصة ، إذا كانوا من OEM. عادة ما يوفر مصنعو الوزن قيمة أكثر دقة لكثافة الكتلة.

انظر إلى الصورة أدناه لترى كثافة الكتلة المتوفرة في تقرير المعايرة هذا.

 

3. حساب عامل تصحيح الطفو الهوائي

الآن بعد أن أصبح لديك قيم كثافة الهواء والكتلة ، يمكنك استخدام الصيغة أدناه لحساب تصحيح طفو الهواء. ما عليك سوى اتباع الخطوات المذكورة أدناه:

 

1. استبدل ρ_a بقيمة كثافة الهواء ،

 

2. استبدل ρ_m بقيمة كثافة الكتلة ،

 

3. قسم كثافة الهواء على كثافة الكتلة ،

 

4. اطرح نتيجة الخطوة 3 من واحد (أي 1) ،

 

ستكون النتيجة عامل تصحيح الطفو الهوائي. ستستخدمه لتصحيح نتائج قياس الكتلة والقوة وعزم الدوران.

في القسم التالي ، سترى أمثلة تحتوي على صيغ لإجراء تصحيحات بسبب الطفو الهوائي.

  
   

أمثلة على تصحيح الطفو الهوائي

في هذا القسم ، سترى أمثلة على وظائف القياس الشائعة التي تتطلب تصحيح طفو الهواء.

 

قياسات الكتلة

وفقا ل NIST SOP-2 (وهو جزء من NISTIR 6969 ) ، يعد الطفو الهوائي أحد أكبر مصادر عدم اليقين عند معايرة الكتلة والأوزان القياسية.

انظر إلى المعادلة أدناه لترى الصيغة المستخدمة لحساب تصحيح الطفو الهوائي لقياسات الكتلة.

من NIST SOP-2

أين
MABC = حجم تصحيح الطفو الهوائي
م_o = الكتلة الاسمية
ρ_a = كثافة الهواء وقت القياس
ρ_n = كثافة الهواء "العادي"
ρ_x = كثافة الوزن المجهول
ρ_s = كثافة المعيار المرجعي

 
التالي ، هي صيغة حساب كتلة وزن غير معروف لكل NIST SOP-2. لاحظ أن المعادلة تأخذ في الاعتبار تصحيح الطفو الهوائي.

أين
M_x = كتلة الوزن غير المعروف
M_s = كتلة المعيار المرجعي
د = الفرق بين الوزن غير المعروف والمعيار المرجعي
ρ_a = كثافة الهواء وقت القياس
ρ_n = كثافة الهواء "العادي"
ρ_x = كثافة الوزن المجهول
ρ_s = كثافة المعيار المرجعي

 

معايرة الميزان والميزان

تتطلب معايرة المقاييس إجراء تصحيحات للجاذبية المحلية والطفو الهوائي.

انظر إلى المعادلة أدناه لترى الصيغة الموصى بها من قبل EURAMET CG18 لمعايرة المقاييس والموازين.

أنا = دلالة
م = كتلة
G = تسارع الجاذبية المحلية
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة
KS = عامل الضبط

 

قياسات القوة باستخدام الوزن الميت

تتطلب معايرة أدوات القوة ذات الوزن الساكن تصحيحا لطفو الهواء.

انظر إلى المعادلة أدناه لمعرفة كيفية تصحيح قياسات القوة الخاصة بك لطفو الهواء.

F = القوة
م = كتلة
g = تسارع الجاذبية المحلية
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة

 

قياسات الضغط باستخدام أجهزة اختبار الوزن الساكن

يتطلب إجراء معايرة الضغط باستخدام جهاز اختبار الوزن الساكن الحاجة إلى إجراء تصحيحات لطفو الهواء (إلا عند توليد ضغط مطلق باستخدام مرجع فراغ).

انظر إلى المعادلة أدناه لترى صيغة اختبار الوزن الساكن. انتبه إلى صيغة تصحيح الطفو الهوائي.

 

الضغط الهوائي

P = الضغط
م = كتلة
g = تسارع الجاذبية المحلية
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة
D = قطر المكبس
τ = التوتر السطحي للسائل
أ_ه = المنطقة الفعالة للمكبس
α_ج = معامل التمدد الحراري لأسطوانة المكبس
α_ص = معامل التمدد الحراري للمكبس
T_i = درجة الحرارة (في وقت الاختبار)
T_المرجع = درجة الحرارة المرجعية
P_i = الضغط الاسمي أو المستهدف
ρ_f = كثافة السوائل (أي N2)
h = الارتفاع من المرجع

 

الضغط الهيدروليكي

P = الضغط
م = كتلة
g = تسارع الجاذبية المحلية
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة
D = قطر المكبس
τ = التوتر السطحي للسائل
أ_ه = المنطقة الفعالة للمكبس
α_ج = معامل التمدد الحراري لأسطوانة المكبس
α_ص = معامل التمدد الحراري للمكبس
T_i = درجة الحرارة (في وقت الاختبار)
T_المرجع = درجة الحرارة المرجعية
P_i = الضغط الاسمي أو المستهدف
ρ_f = كثافة السوائل
h = الارتفاع من المرجع

 

قياسات عزم الدوران باستخدام الوزن الميت

يتطلب إجراء معايرة عزم الدوران الثابت استخدام عجلة عزم دوران أو ذراع وكابل ومقلاة وأوزان لتوليد الكمية المطلوبة من عزم الدوران.

نظرا لاستخدام الوزن الميت ، فأنت بحاجة إلى إجراء تصحيحات لطفو الهواء.

انظر إلى المعادلة أدناه لترى الصيغة المستخدمة لمعايرة محولات عزم الدوران.

M = لحظة القوة (أي عزم الدوران)
م = كتلة
g = تسارع الجاذبية المحلية
ρ_أ = كثافة الهواء
ρ_م = كثافة الكتلة
θ = زاوية القوة المطبقة
r = نصف قطر العجلة أو طول الذراع / الرافعة

كما ترون ، هناك الكثير من الأمثلة لتصحيح قياسات الطفو الهوائي.

  
   

متى تفكر في تصحيح طفو الهواء

يمكن أن تؤثر تأثيرات الطفو الهوائي بشكل كبير على نتائج القياس الخاصة بك. إليك الوقت الذي يجب أن تفكر فيه في تحليل عدم اليقين الخاص بك:

 

1. عندما يؤثر ذلك على نتائج القياس الخاصة بك

قبل تضمين الطفو الهوائي في تحليل عدم اليقين ، تأكد من أنه يؤثر على عملية القياس والنتائج. عادة ، ستجد أن هذا العامل يؤثر على النوع التالي من القياسات:

• قياس الكتلة،
• معايرة الميزان والميزان ،
• قياس القوة (مع الوزن الميت) ،
• قياس الضغط (مع أجهزة اختبار الوزن الساكن) ، و
• قياس عزم الدوران (مع الوزن الساطع)

المفتاح هنا هو أن كل من هذه القياسات له كتلة أو أوزان تحل محل الهواء.

لذا ، اسأل نفسك هذا السؤال البسيط. "هل يزيح الهواء؟"

1. إذا كانت الإجابة نعم ، ففكر في ذلك في تحليل عدم اليقين الخاص بك.
2. إذا كانت الإجابة لا ، فلا تفكر في ذلك في تحليل عدم اليقين.

 

2. عندما يكون لديك اختلافات في كثافة الهواء

يمكن أن يتسبب الطفو الهوائي في عدم اليقين في نتائج القياس الخاصة بك عندما يكون هناك تغيير في كثافة الهواء. نظرا لأنك تتعامل على الأرجح مع الهواء الرطب ، يمكن أن تتأثر كثافة الهواء بالعوامل التالية:

1. درجة الحرارة
2. الضغط ، و
3. رطوبة

فيما يلي رابط لإحدى الآلات الحاسبة المفضلة لدي على الإنترنت لتحديد كثافة الهواء الرطب:

حاسبة كثافة الهواء عبر الإنترنت

أيضا ، يمكنك استخدام صيغة CIPM المبسطة لحساب كثافة الهواء. لتوفير الوقت (مطلوب للبحث عنه) ، انظر إلى الصورة أدناه لرؤية الصيغة.

 

3. عندما يكون لديك اختلافات في كثافة الكتلة

غالبا ما يتم التغاضي عن عدم اليقين في كثافة الكتلة. لا تأخذها العديد من المختبرات في الاعتبار في ميزانيات عدم اليقين الخاصة بها ، ولا تدرجها العديد من الشركات المصنعة في مواصفاتها أو تقارير المعايرة.

هل تعتقد أن كل وزن من الفولاذ المقاوم للصدأ له كثافة دقيقة تبلغ 8000 كجم / م³؟

الجواب هو: على الأرجح لا.

لحسن الحظ ، فإن EURAMET CG-18 متاح للمساعدة. في الملحق E من الدليل ، ستجد الجدول الموضح أدناه. يوفر عدم اليقين القياسي في كثافة الكتلة للمواد ذات الوزن القياسي الشائع.

هذه معلومات مفيدة حقا لأنه من الصعب العثور عليها.

انظر إلى الجدول أدناه للعثور على عدم اليقين في كثافة الكتلة بناء على مادة الوزن القياسي.

  
   

عدم اليقين بسبب الطفو الجوي

يمكن أن يؤثر الطفو الهوائي على نتائج القياس بسبب:

1. التغيرات في كثافة الهواء و / أو
2. الاختلافات في الكثافة بين المعايرة والاستخدام.

 

التغيرات في كثافة الهواء

تتأثر كثافة الهواء بالعوامل البيئية التالية:

1. ضغط جوي
2. درجة الحرارة ، و
3. رطوبة.

عندما يتغير أي من هذه المتغيرات ، فإنه يتسبب في تغيير في كثافة الهواء. يمكن أن يؤثر هذا التغيير على نتائج القياس الخاصة بك ويزيد من عدم اليقين.

 

الفرق بين الشروط: المعايرة مقابل الاستخدام

يمكن أن تتسبب الاختلافات في كثافة الهواء بين وقت معايرة أجهزتك ووقت استخدام أجهزتك في عدم اليقين في نتائج القياس.

على سبيل المثال ، يوصي Euramet CG-18 بعامل ضبط لتصحيح القيمة الكتلية التقليدية للأوزان القياسية عندما لا تتطابق كثافة الهواء في وقت الاستخدام مع كثافة الهواء المرجعية (حوالي 1.2 كجم / م³).

  
   

خاتمة

يمكن أن يكون الطفو الهوائي مساهما كبيرا في عدم اليقين في نتائج القياس. خاصة عندما تتعامل مع وظائف القياس التي تنطوي على الوزن (مثل الكتلة والضغط والقوة وعزم الدوران).

في هذا الدليل، يجب أن تكون قد تعلمت:

• ما هو الطفو الهوائي؟
• كيفية حساب الطفو الهوائي ،
• متى تفكر في تصحيح الطفو الهوائي ، و
• كيف يؤثر الطفو الهوائي على عدم اليقين في القياس.

بالإضافة إلى ذلك ، قدم هذا الدليل الكثير من أمثلة القياس الشائعة حتى تتمكن من تصحيح نتائج القياس الخاصة بك بثقة من أجل الطفو الهوائي.

تأكد من مراعاة الطفو الهوائي عند الإبلاغ عن نتائج القياس أو تأكد من تضمينه في تحليل عدم اليقين. يجب أن يؤدي تصحيح نتائج القياس لطفو الهواء إلى عدم اليقين الأصغر. إذا لم تقم بتصحيح نتائج القياس الخاصة بك ، فستحتاج إلى تضمينها في تحليل عدم اليقين الخاص بك والذي سيؤدي لك عدم يقين أكبر.

الاختيار متروك لك.