休止角仪如何进行仪器校准

休止角仪如何进行仪器校准？休止角仪又称天然坡度仪、天然坡角仪。那么休止角仪如何校准？带着这个问题笔者咨询了东莞市世通仪器检测服务有限公司总经理高军先生，以下为正文。休止角是无粘性土在松散状态堆积时，其坡面与水平面所形成的最大倾角。休止角α按下式计算:式中α为无粘性土的休止角，°;H为试样堆积圆锥高度，cm;D为圆锥底面直径，cm。影响休止角测量结果的设备因素，主要有竖直标尺的刻度与标称值的误差，竖直标尺的倾角。由于SI,237一1999土工试验规程列有圆盘直径，所以，应视作一项要求。实际上，只要圆盘直径不是显著地小于标称直径，就不会对试验结果构成实质性影响。但是，如果竖直标尺标注的是休止角的值，那么，圆盘直径与其标称直径的差值就应有所限制。此外，由于竖直标尺的存在，计算休止角时，应考虑竖直标尺直径的影响。仪器校准标准-休止角仪如图1所示。由于休止角仪的竖直标尺影响了无粘性土的堆积高度，所以，应考虑竖直标尺直径对休止角测量结果的影响，于是式中h为试样堆积高度，cm;d1为圆盘上底直径，cm;d2为竖直标尺直径，cm。就休止角仪而言，影响休止角测量结果的因素就是其校验的内容。因此，休止角仪的校验内容包括圆盘直径、竖直标尺直径、竖直标尺各刻度(高度或休止角的值)、竖直标尺的倾角等。仪器合格标准影响休止角测量结果的因素可分为设备因素(因休止角仪有关指标与其标称值存在误差)和进行休止角测量时，竖直标尺读数存在误差。SI,237一1999土工试验规程规定，无粘性土休止角测量结果，是采用2次测量结果的平均值，以整数(“)表示。换言之，休止角的测量结果不确定度应不大于0.50°，单次测量结果的不确定度应不大于0.71°。休止角仪的竖直标尺最小分度一般为0.5～1mm(或0.5°～1°)。休止角仪的仪器校准圆盘及竖直标尺的直径校验采用百分卡尺:量程为0～300mm，分度值为0.1mm;竖直标尺刻度校验采用深度卡尺:量程为0～200mm，分度值为0.1mm;竖直标尺倾角校验采用分度为1°的量角器。为安全起见，以下凡用到圆盘直径，如无特别说明，均以小圆盘(直径为10cm)为准。如用到无粘性土休止角值，均以28°为例。1.圆盘直径休止角仪有两个圆盘，其直径的标称值分别为10cm和20cm。对圆盘8等分，分别测量圆盘直径(共测量4次)，其均值作为圆盘直径的估值(实测值)。直径测量所用的卡尺最小分度为0.1mm，单次测量的不确定度不大于0.02mm，4次测量结果的均值的不确定度小于0.01mm。经计算，圆盘直径测量不确定度致休止角测量不确定度小于001°。但是，由于圆盘的圆度可能并不太好，使得这4个不同位置所测得的直径不相等，假设其最大值与最小值相差0.2mm，经计算，在最不利情况下，引入休止角不确定度为0.08°。2.竖直标尺刻度及倾角(1)竖直标尺刻度采用分度为0.1mm深度卡尺对竖直标尺各刻度进行校验，用同一把深度卡尺分别测量尺顶至圆盘的长度，以及尺顶至各刻度的长度，再计算各刻度所处的高度。每个刻度高度都是尺顶至圆盘的长度与尺顶至该刻度的长度之差，由于用于测量的深度卡尺相同，因此，这两个测量结果是完全负相关，各刻度高度测量结果不确定度为零。竖直标尺各刻度高度与其标称值可能不一致，主要是因圆盘没有准确安装在竖直标尺的零点上，造成系统误差。假设测得的刻度高度最大误差为0.1mm(如这个误差过大，应修正之)，经计算，刻度高度误差给休止角引入的不确定度不大于0.10°。(2)竖直标尺倾角竖直标尺垂直于圆盘是理想状态，或者说，其倾角的标称值为90°。竖直标尺最小倾角校验:通过测量竖直标尺的最大仰角，计算其补角，这是竖直标尺最小倾角，它应不小于850°3.竖直标尺直径参照“圆盘直径”校验方法进行校验。参考圆盘测量的情况，因竖直标尺直径测量不准确给休止角引入的不确定度小于0.01°。4.仪器引入的不确定度从上述的校验过程发现，圆盘直径及竖直标尺直径测量引入的休止角不确定度都是微小不确定度，可以忽略。于是，对休止角进行单次测量，设备因素引入的不确定度为0.13°由此可见，ua远小于仪器的最大允差0.68°，说明以上校准方法能够满足SI239一1999土工试验规程对休止角测量的要求。上述校验是以休止角仪的竖直标尺的刻度标注高度，高度分度值为1mm的情况，如果竖直标尺的刻度标注休止角的值(如最小分度为1°)，则读数引入的不确定度为0.20°，仪器的合格标准为单次测量休止角不确定度应不大于0.68°。如果直接测量竖直标尺刻度高度(圆盘上底至刻度的距离)，一般要先拆除圆盘，才能用卡尺测量，这时应将刻度高度测量不确定度与标称高度的误差相加，来计算竖直标尺刻度高度对休止角测量结果的影响。笔者不建议采用这个办法，因为圆盘重新安装会引入不确定度，这个不确定度难以精确计算;还有，这个办法测得的刻度高度的不确定度，会增加休止角测量不确定度。上述校验中，要求圆盘上测得的4个直径最大差值不大于0.2mm，竖直标尺最小倾角不小于85°，如果不符合这些要求，应对仪器进行维修、更换。竖直标尺直径测量结果通常不会存在明显差别。5.休止角的测量报告设备因素引入的不确定度不足竖直标尺读数引入的不确定度的三分之一，它是微小不确定度，可以忽略。换言之，休止角单次测量结果的不确定度，就是在休止角测量时竖直标尺读数引入的不确定度0.40(竖直标尺最小分度为1mm)或0.50(竖直标尺最小分度为1°)。由于无粘性土休止角试验是采用2次平行测定，取均值作为被测量的估值，所以，休止角测量结果的不确定度不大于0.28°(竖直标尺最小分度为1mm)或0.35°(竖直标尺最小分度为1°)测量报告中的休止角值可为0.5°的整数倍，SL237一1999要求提交整数度偏于安全。对休止角仪校验，关键是对长度、角度测量的精度，这有赖于采用适当精度的长度和角度测量设备。一般情况下，因仪器校验不准确引入的不确定度，远小于休止角测量时读数引入的不确定度，因此，在购买休止角仪时，应选择竖直标尺最小分度不大于1mm或1°的休止角仪。为方便休止角测量，可预先计算休止角仪竖直标尺上个各刻度所对应的休止角值，列表备用。如果竖直标尺各刻度、圆盘直径与其标称值存在误差，计算时都可以先修正之，以降低休止角测量不确定度。