超声波清洗砝码技术及实验分析

超声波清洗砝码技术及实验分析

【摘要】：为了推广超声波清洗机在砝码清洁和检定中的应用,首先,简述传统的利用无水乙醇的手工清洗方法及其缺陷;其次,分析超声波清洗技术的原理及性能;最后,设计相关实验,并对结果进行比较分析。结果表明,超声波清洗技术具有高效、安全、环保等优点,在现代计量的砝码清洁中具有广阔的应用前景。

引言

超声波清洗是功率超声的主要应用之一，它可以清洗深孔、狭缝中的污物，具有安全、高效、省时省力等优点。因此，超声波清洗被广泛应用于各个领域，如机械、光学、电子等等。随着超声波领域的技术革新，清除清洗的安全系数大大提高，我们是否可以利用超声波原理来清洗砝码呢？

1 超声波清洗的原理
1.1 超声波简介
超声波是一种频率超出人类听觉范围 20 kHz以上的声波。超声波很像电磁波，能折射、聚焦和反射，
然而它和电磁波又不同，电磁波可以在真空中传播，超声波则需要弹性介质来传播。在传播时，超声波使弹性介质中的粒子振荡，并通过弹性介质按超声波的传播方向传递能量，这种波分为纵向波和横向波两种。在固体内，纵向波和横向波都可以传递能量，而在气体和液体内，只有纵向波可以传递能量。

1.2 超声波清洗原理
超声波能引起质点振动，质点振动的加速度和超声频率的平方成正比。因此，几十千赫的超声会产生的作用力，强超声波在液体中传播时，液体中的微小气泡在超声波的作用下，会产生超声空化。
在空化气泡突然闭合时发出的冲击波，可在其周围产生上千个大气压力，它会对污层直接反复冲击，同时也会引起污物层的破坏，从而使污物脱离清洗件表面并分散到清洗液中。空化气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。空化气泡还能“钻进”裂缝中做振动，使污物脱落。对于有油脂性的污物，由于超声空化作用，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油会与水乳化，固体粒子就脱落了。空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流，即所谓声流，它可以使振动气泡表面产生很高的速度梯度和黏滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落。超声空化在固体和液体边界面上所产生的高速微射流，能够除去或削弱边界污层，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。此外超声波在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击，从而达到清洗的效果。由上诉超声波清洗原理可知，凡是被液体浸到超声空化产生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面复杂形状的限制，如部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔，而这些部件用一般刷洗方法是不能清洗干净的。

2 超声波清洗砝码可行性分析
2.1 超声波清洗砝码，是否会对砝码表面造成可见性的损伤，从而减轻砝码的质量当超声波清洗技术开始应用的时候，人们发现，虽然超声波可以对工件施加非常巨大的能量，尤其适用于清除牢固地附在基底上的污垢，但是同时，超声波强大的能量也会损伤沾有污垢但 质比较脆弱的基底材料。在过去的十几年，超声波领域出现了技术革新，提高了清除清洗的安全系数。人们发现用 1000 kHz 以上的高频超声波清洗，可以清洗物体表面的污垢，但不会损伤基底表面的材料。这项技术可用于半导体的清洗，并且对半导体的基座（塑料材质）不会造成损伤。可见，从理论上看，用超声波清洗砝码，不会对砝码表面造成可见性的损伤。为了证明实际的效果，本人采用 E2 级砝码500 g，class 型 和 E2 型各一只，先用 100 % 的纯酒精清洗，进行测量，然后用超声波清洗，测量质量值。按照 JJG99-2006 砝码检定规程的要求，对砝码表面的检测，可以采用目测。由于采用的 class 型 500 g 砝码已使用多年，经目测其底部附着某些化学试剂的成分，并且这些污垢不能用 100 % 的纯酒精洗去。而经过超声波清洗后，目测可见，500 g 砝码的底部，斑点样的化学试剂残留明显减少，而且底部也没有出现新的明显划痕类痕迹。

图 1-2 为 class 型砝码用超声波清洗前后对比
图。
图1 class型砝码清洗前
图2 class型砝码清洗后
而采用的 E2 型 500 g 砝码，砝码本身没有附着可见性白斑污垢，对其进行超声波清洗之前的表面进行观察，没有明显的划痕印记。将其放入 水中进行超声波清洗，取出可见表面无新添划痕。由此可见，超声波清洗，并不会对砝码的表面造成损伤。下面，我们将清洗前的砝码（已使用酒精清洗）质量值与清洗后的做比较，看看，经过超声波清洗后，砝码的质量会发生怎样的变化。表1 砝码清洗前后的质量修正值砝码清洗前折算质量修正值/mg清洗后折算质量修正值/mg变化值 /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，可见 class 型 500 g 砝码质量值发生明显变化，轻了 0.25 mg；而 E2 型 500 g 砝码的质量值无明显变化。这组数据，与我们观察到砝码本身的表面情况也是一致的：class 型 500 g 砝码由于底部有可见性化学试剂残留，通过超声波清洗，大部分的残留物质被去除，因此理论上，它的折算质量值应变小，实测变化量为 -0.25 mg，符合我们目测结果；而 E2 型 500 g 砝码，本身无明显污垢，通过超声波清洗，折算质量值的变化量为 0.01 mg，按照砝码检定规程的要求，两次测量值的差值均在允差的 1/3 内，这符合重复性的要求，数据可以被接受。由 E2 型 500 g 砝码的例子可见，通过超声波清洗砝码，与使用酒精清洗相比，对砝码的实际质量值无影响。所以采用超声波的技术清洗砝码，是可行的。同时，由class型500 g砝码的例子可见，通过超声波清洗砝码，可以更有效地去除砝码表面的污垢。

2.2 超声波清洗砝码，会否对砝码的磁性数据造成影响呢由于小砝码较易被磁化，所以采用 E2 级砝码 1g，class 型 和 E2 型各一只，用超声波清洗后，测量其磁化率数据，并与其首检磁性数据做比较。超声波是通过引起质点振动，通过质点振动产生超声空化，从而产生冲击波，对污层的直接反复冲击，另一方面气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。从理论上来看，超声波是一种能量的传递过程，但是并没有电流量的产生，也没有形成磁场，从而不会改变砝码的磁性。但是基于实际情况，本实验室没有相应的仪器去监控超声波清洗过程的磁场、电场的情况，只能通过使用前后砝码磁性的变化量来说明问题。表2 砝码清洗前后的磁性数据砝码清洗前 清洗后 变化值

磁化率
极化强
度 /μT
磁化率
极化强
度 /μT
磁化率
极化强
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 可见，经过超声波清洗，并不会改变砝码的磁性。

3 使用超声波清洗砝码的优势及劣势
3.1 使用超声波清洗砝码的优势由于以前实验室一直使用的是 100% 的纯酒精清洗砝码，所以对此方法的不足之处深有体会。主要有三点：一是环保、安全问题，二是清洗效率问题，三是清洗效果问题。

1）100% 的纯酒精属于化学品，使用过程中有刺激性气味产生，易挥发，使用过后也要注意
安全保存，废酒精要统一处理。而使用超声波，则只需要用到二次蒸馏水，不存在以上的环保及
安全问题。

2）使用酒精清洗，主要靠手工清洗，半个工作日，只能清洗 3~4 套砝码（1 mg~500 g）。而使用超声波，可以将砝码放入不同的烧杯中，只要有足够的空间，可以同时清洗多个砝码，只要10 min，算上前期、后期的处理工作，也只要30 min左右。这样算来，使用超声波的清洗效率远远高于使用纯酒精。

3）使用超声波清洗的清洗效果也是优于使用100% 的纯酒精的，上文中已经通过实验数据说明。
3.2 使用超声波清洗砝码的劣势由于使用超声波清洗砝码的经验不足，我们并不知道，根据不同数量、型号，如何制定合理的清洗时间、超声频率。找出这些问题的答案，需要做大量的实验得出数据。同时由于超声波清洗时，需要用到水，这对实验室的湿度会有影响，需要注意。

4 结论
超声波清洗已广泛应用于机械、光学、电子等各个领域，随着技术的进步，它的应用范围不断地扩大。本文考虑使用超声波清洗砝码的可行性，通过实验并结合原理分析，可以看到使用超声波清洗砝码，不会对砝码的表面、质量及磁性特性造成影响。同时比较其他的清洗方法，使用超声波还有着很大的优势，一是更环保，二是效率更高，三是清洗效果好。但是作为新的技术手段，我们在使用过程中要注意多收集数据，以便更合理地运用新技术。

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