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      聲波清洗砝碼技術(shù)及實驗分析
      點擊次數(shù):1060 更新時間:2020-11-06

      聲波清洗砝碼技術(shù)及實驗分析

      【摘要】:為了推廣聲波清洗機在砝碼清潔和檢定中的應用,先,簡述傳統(tǒng)的利用無水乙醇的手工清洗方法及其;其次,分析聲波清洗技術(shù)的原理及性能;后,設計相關(guān)實驗,并對結(jié)果行比較分析。結(jié)果表明,聲波清洗技術(shù)具有高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點,在現(xiàn)代計量的砝碼清潔中具有廣闊的應用前景。

       

      引言

      聲波清洗是功率聲的主要應用之,它可以清洗深孔、狹縫中的污物,具有安全、高效、省時省力等優(yōu)點。因此,聲波清洗被廣泛應用于各個領(lǐng)域,如機械、光學、電子等等。隨著聲波領(lǐng)域的技術(shù)革新,清除清洗的安全系數(shù)提高,我們是否可以利用聲波原理來清洗砝碼呢?

      1 聲波清洗的原理
      1.1 聲波簡介
      聲波是種頻率出人類聽覺范圍 20 kHz以上的聲波。聲波很像電磁波,能折射、聚焦和反射,
      然而它和電磁波又不同,電磁波可以在真空中傳播,聲波則需要彈性介質(zhì)來傳播。在傳播時,聲波使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩,并通過彈性介質(zhì)按聲波的傳播方向傳遞能量,這種波分為縱向波和橫向波兩種。在固體內(nèi),縱向波和橫向波都可以傳遞能量,而在氣體和液體內(nèi),只有縱向波可以傳遞能量。

      1.2 聲波清洗原理
      聲波能引起質(zhì)點振動,質(zhì)點振動的加速度和聲頻率的平方成正比。因此,幾十千赫的聲會產(chǎn)生的作用力,聲波在液體中傳播時,液體中的微小氣泡在聲波的作用下,會產(chǎn)生聲空化。
      在空化氣泡突然閉合時發(fā)出的沖擊波,可在其周圍產(chǎn)生上千個氣壓力,它會對污層直接反復沖擊,同時也會引起污物層的破壞,從而使污物脫離清洗件表面并分散到清洗液中??栈瘹馀莸恼駝右材軐腆w表面行擦洗??栈瘹馀葸€能“鉆”裂縫中做振動,使污物脫落。對于有油脂性的污物,由于聲空化作用,當固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時,油會與水乳化,固體粒子就脫落了??栈瘹馀菰谡駝舆^程中會使液體本身產(chǎn)生環(huán)流,即所謂聲流,它可以使振動氣泡表面產(chǎn)生很高的速度梯度和黏滯應力,促使清洗件表面污物的破壞和脫落。聲空化在固體和液體邊界面上所產(chǎn)生的高速微射流,能夠除去或削弱邊界污層,加速可溶性污物的溶解,化化學清洗劑的清洗作用。此外聲波在清洗液中引起質(zhì)點很的振動速度和加速度,亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊,從而達到清洗的效果。由上訴聲波清洗原理可知,凡是被液體浸到聲空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用,不受清洗件表面復雜形狀的限制,如部件表面的空穴、凹槽、狹縫和深孔、微孔,而這些部件用般刷洗方法是不能清洗干凈的。

      2 聲波清洗砝碼可行性分析
      2.1 聲波清洗砝碼,是否會對砝碼表面造成可見性的損傷,從而減輕砝碼的質(zhì)量當聲波清洗技術(shù)開始應用的時候,人們發(fā)現(xiàn),雖然聲波可以對工件施加非常巨的能量,尤其適用于清除牢固地附在基底上的污垢,但是同時,聲波的能量也會損傷沾有污垢但 質(zhì)比較脆弱的基底材料。在過去的十幾年,聲波領(lǐng)域出現(xiàn)了技術(shù)革新,提高了清除清洗的安全系數(shù)。人們發(fā)現(xiàn)用 1000 kHz 以上的高頻聲波清洗,可以清洗物體表面的污垢,但不會損傷基底表面的材料。這項技術(shù)可用于半導體的清洗,并且對半導體的基座(塑料材質(zhì))不會造成損傷。可見,從理論上看,用聲波清洗砝碼,不會對砝碼表面造成可見性的損傷。為了證明實際的效果,本人采用 E2 級砝碼500 g,class 型 和 E2 型各只,先用 100 % 的純酒精清洗,行測量,然后用聲波清洗,測量質(zhì)量值。按照 JJG99-2006 砝碼檢定規(guī)程的要求,對砝碼表面的檢測,可以采用目測。由于采用的 class 型 500 g 砝碼已使用多年,經(jīng)目測其底部附著某些化學試劑的成分,并且這些污垢不能用 100 % 的純酒精洗去。而經(jīng)過聲波清洗后,目測可見,500 g 砝碼的底部,斑點樣的化學試劑殘留明顯減少,而且底部也沒有出現(xiàn)新的明顯劃痕類痕跡。

      圖 1-2 為 class 型砝碼用聲波清洗前后對比
      圖。
      圖1 class型砝碼清洗前
      圖2 class型砝碼清洗后
      而采用的 E2 型 500 g 砝碼,砝碼本身沒有附著可見性白斑污垢,對其行聲波清洗之前的表面行觀察,沒有明顯的劃痕印記。將其放入 水中行聲波清洗,取出可見表面無新添劃痕。由此可見,聲波清洗,并不會對砝碼的表面造成損傷。下面,我們將清洗前的砝碼(已使用酒精清洗)質(zhì)量值與清洗后的做比較,看看,經(jīng)過聲波清洗后,砝碼的質(zhì)量會發(fā)生怎樣的變化。表1 砝碼清洗前后的質(zhì)量修正值砝碼清洗前折算質(zhì)量修正值/mg清洗后折算質(zhì)量修正值/mg變化值 /mg 允差 / mg

      class 型 500g -0.05 -0.30 -0.25 0.8
      E2 型 500g -0.13 -0.12 0.01 0.8
      由表 1,可見 class 型 500 g 砝碼質(zhì)量值發(fā)生明顯變化,輕了 0.25 mg;而 E2 型 500 g 砝碼的質(zhì)量值無明顯變化。這組數(shù)據(jù),與我們觀察到砝碼本身的表面情況也是致的:class 型 500 g 砝碼由于底部有可見性化學試劑殘留,通過聲波清洗,部分的殘留物質(zhì)被去除,因此理論上,它的折算質(zhì)量值應變小,實測變化量為 -0.25 mg,符合我們目測結(jié)果;而 E2 型 500 g 砝碼,本身無明顯污垢,通過聲波清洗,折算質(zhì)量值的變化量為 0.01 mg,按照砝碼檢定規(guī)程的要求,兩次測量值的差值均在允差的 1/3 內(nèi),這符合重復性的要求,數(shù)據(jù)可以被接受。由 E2 型 500 g 砝碼的例子可見,通過聲波清洗砝碼,與使用酒精清洗相比,對砝碼的實際質(zhì)量值無影響。所以采用聲波的技術(shù)清洗砝碼,是可行的。同時,由class型500 g砝碼的例子可見,通過聲波清洗砝碼,可以更有效地去除砝碼表面的污垢。

      2.2 聲波清洗砝碼,會否對砝碼的磁性數(shù)據(jù)造成影響呢由于小砝碼較易被磁化,所以采用 E2 級砝碼 1g,class 型 和 E2 型各只,用聲波清洗后,測量其磁化率數(shù)據(jù),并與其檢磁性數(shù)據(jù)做比較。聲波是通過引起質(zhì)點振動,通過質(zhì)點振動產(chǎn)生聲空化,從而產(chǎn)生沖擊波,對污層的直接反復沖擊,另方面氣泡的振動也能對固體表面行擦洗。從理論上來看,聲波是種能量的傳遞過程,但是并沒有電流量的產(chǎn)生,也沒有形成磁場,從而不會改變砝碼的磁性。但是基于實際情況,本實驗室沒有相應的儀器去監(jiān)控聲波清洗過程的磁場、電場的情況,只能通過使用前后砝碼磁性的變化量來說明問題。表2 砝碼清洗前后的磁性數(shù)據(jù)砝碼清洗前 清洗后 變化值

      磁化率
      極化
      度 /μT
      磁化率
      極化
      度 /μT
      磁化率
      極化
      度 /μT
      class 型 1g 0.002 1.1 0.002 1.1 0.0 0.0E2 型 1g 0.008 -3.3 0.008 -3.3 0.0 0.0由表 2 可見,經(jīng)過聲波清洗,并不會改變砝碼的磁性。

      3 使用聲波清洗砝碼的優(yōu)勢及劣勢
      3.1 使用聲波清洗砝碼的優(yōu)勢由于以前實驗室直使用的是 100% 的純酒精清洗砝碼,所以對此方法的不足之處深有體會。主要有三點:是環(huán)保、安全問題,二是清洗效率問題,三是清洗效果問題。

      1)100% 的純酒精屬于化學品,使用過程中有刺激性氣味產(chǎn)生,易揮發(fā),使用過后也要注意
      安全保存,廢酒精要統(tǒng)處理。而使用聲波,則只需要用到二次蒸餾水,不存在以上的環(huán)保及
      安全問題。

      2)使用酒精清洗,主要靠手工清洗,半個工作日,只能清洗 3~4 套砝碼(1 mg~500 g)。而使用聲波,可以將砝碼放入不同的燒杯中,只要有足夠的空間,可以同時清洗多個砝碼,只要10 min,算上前期、后期的處理工作,也只要30 min左右。這樣算來,使用聲波的清洗效率遠遠高于使用純酒精。

      3)使用聲波清洗的清洗效果也是優(yōu)于使用100% 的純酒精的,上文中已經(jīng)通過實驗數(shù)據(jù)說明。
      3.2 使用聲波清洗砝碼的劣勢由于使用聲波清洗砝碼的經(jīng)驗不足,我們并不知道,根據(jù)不同數(shù)量、型號,如何制定合理的清洗時間、聲頻率。找出這些問題的答案,需要做量的實驗得出數(shù)據(jù)。同時由于聲波清洗時,需要用到水,這對實驗室的濕度會有影響,需要注意。

      4 結(jié)論
      聲波清洗已廣泛應用于機械、光學、電子等各個領(lǐng)域,隨著技術(shù)的步,它的應用范圍不斷地擴。本文考慮使用聲波清洗砝碼的可行性,通過實驗并結(jié)合原理分析,可以看到使用聲波清洗砝碼,不會對砝碼的表面、質(zhì)量及磁性特性造成影響。同時比較其他的清洗方法,使用聲波還有著很的優(yōu)勢,是更環(huán)保,二是效率更高,三是清洗效果好。但是作為新的技術(shù)手段,我們在使用過程中要注意多收集數(shù)據(jù),以便更合理地運用新技術(shù)。

      參考文獻:
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