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隨著科技和經濟的發展、社會的進步,計量的作用和意義已日益明顯。下面略舉幾例:
1.計量與科學技術
歷史上三次大的技術革命,都充分地依靠了計量,同時也促進了計量的發展。
以蒸汽機的廣泛應用為主軍標志的第一次技術革命,導致以機器為主的工廠取代了以手工為基礎的作坊,使生產力得以迅速提高,進而確立了資本主義的生產方式。當時,經典力學和熱力學是社會科技發展的重要理論基礎。在蒸汽機的研制和應用的過程中,都需要對蒸汽壓力、熱膨脹系數、燃料的燃燒效率、能量的轉換等進行大量的計量測試。力學計量和熱工計量,就是在這種情況下發展起來的。另外,機械工業的興起,使幾何量的計量得到了進一步的發展。
以電的產生和應用為基本標志的第二次技術革命,更加推動了社會的發展。歐姆定律、法拉第電磁感應定律,以及麥克斯韋電磁波理論等,為電磁現象的深入研究和廣泛應用、電磁計量和無線電計量的開展,提供了重要的理論基礎。例如,1821年西貝克發現的熱電效應,為熱電偶的誕生奠定了理論基礎;而各種熱電偶的研制成功,則對溫度計量、電工計量、以及無線電計量等提供了一種重要手段,促進了相應科技的發展。為了實際測量地球運動的相對速率,邁克爾遜等人利用物理學的成就,研制出了邁克爾遜干涉儀,從而為長度計量提供了一個重要方法。1892年,邁克爾遜用鎬光(單色紅光)作為干涉儀的光源,測量了保存于巴黎的鉑銥合金基準米尺的長度,獲得了相當準確的結果(等于1 553 163.5個紅光波長)。直至百余年后的今天,利用各種干涉儀精密測量長度,仍然是幾何量計量的一種重要方法。普朗克關于能量狀態的量子化假說,指出物體在輻射和吸收能量時,其帶電的線性諧振子可以和周圍的電磁場交換能量,以致能從一個能級躍遷到另一個能級狀態,并且能量子的能量為?E=hυ(式中h——普朗克常數,υ——頻率)。愛因斯坦在普朗克假說的基礎上,提出了光不僅具有波動性,而且還具有粒子性,即光是以速度c運動的粒子(光子)流,其單元(光子)的能量為?E=hυ,從而說明不同頻率的光子具有不同的能量。上述理論成功地解釋了光電效應,成了熱輻射計量的理論基礎,同時也使計量開始從宏觀進入微觀領域。隨著量子力學、核物理學的創立與發展,電離輻射計量逐漸形成。
核能及化工等的開發與應用,導致了第三次技術革命。在這個時期,科學技術和社會經濟的發展更加迅速。原子能、化工、半導體、電子計算機、超導、激光、遙感、宇航等新技術的廣泛應用,使計量日趨現代化,計量的宏觀實物基準逐步向量子(自然)基準過渡。原子頻標的建立和米的新定義的形成,有著相當重要的意義。頻率和長度的精密測量,促進了現代科技的發展。比如,光速的測定、原子光譜的超精細結構的探測以及航海、航天、遙感、激光、微電子學等許多科技領域,都是以頻率和長度的精密測量為重要基礎的。
2.計量與生產
計量對工業生產的作用和意義是很明顯的。社會化大生產的本身就要求有高度的計量保證。生產的發展,大體上可分為三個階段,即以經驗為主的階段,半經驗、半科學階段和科學階段。計量則是科學生產的技術基礎。從原材料的篩選到定額投料,從工藝流程監控到產品的品質檢驗,都離不開計量。例如,一輛普通的載重汽車有9000多個零件,由上百個工廠生產,若沒有一定的計量保證,就無法裝配成功。某地方中型鋼鐵廠軋鋼板的耗油量,原來是每噸300余公斤,后來由于對廢氣、空氣量、燃燒供熱量以及溫度等進行了計量監控,結果使能耗下降到每噸40公斤。原先,某鋼廠的冶金爐,所用的重油燃料靠人工經驗控制,根本不計量;為了火旺,總是多投料,結果燃燒不徹底,黑煙滾滾,既多耗油,又污染環境,以致連年虧損。后來,安裝了計量儀表,對燃料進行了監控,使加油量保持在最佳值,既節約了油料,又減少了污染,同時還提高了煉鋼效率,結果很快就出現了扭虧為盈的新局面。某瑪鋼廠是我國生產瑪鋼制品的第一大廠。過去,能耗一直居高不下,是當地耗能的重點戶。為摸清原因,該廠對十余種主要設備進行了熱平衡測試,并取得了大量數據,從而計算出設備熱平衡和能耗的基本關系,初步掌握了能源利用的規律,找出了能耗嚴重的主要原因并相應地安裝了監測儀表。例如,退火窯的熱效率原約為8%,監測控制后則提高到12%以上,退火時間由60小時降到35小時,一年就節煤近2 000噸、節電26 000余千瓦小時(度)。結果,一年下來,全廠的用水量下降了21%,節電約600 000千瓦小時,綜合能耗下降了約10%,產值提高了22%。
近年,國外經濟發達國家,把優質的原材料、先進的工藝裝備和現代的計量檢測手段,視為現代化生產的三大支柱。其實,優質原材料的制取與篩選、先進工藝裝備的配備與流程的監控,也都離不開計量測試。例如,國外先進生產線的產品品質高,次、廢品少或幾乎沒有,其中重要的因素就是充分利用了在線測量與監控技術。至于所謂的柔性生產(制造)系統,更需要現代計量檢測手段的技術保證。
至于農業生產,特別是現代化的農業生產,亦必須有計量保證。例如,為了科學種田,就必須通過計量來掌握土壤的酸堿度、鹽分、水分、有機質和氮、磷、鉀的含量以及溫度等。在鹽水選種、溫湯或藥劑浸種、適溫催芽和離心脫水等過程中,亦都要靠一定的計量保證。電離輻射育種,是近年發展起來的一項重要增產措施。我國已用該法培育出了許多農作物新品種,其中魯棉一號可使棉花大面積地成倍增產。利用電離輻射實現農產品和食物的防腐保鮮,亦是新興輻射加工工業的一個重要方面。所有這些,都需要相應的計量保證,否則不僅達不到預期的效果,而且會造成不應有的損失。另外,在田間管理上,也離不開計量。例如,既要合理密植,又要間作套種,這就需要對植株光合作用的照度等進行必要的計量。
事實充分表明,科學生產和技術革新,都離不開計量測試。
3.計量與貿易
計量與國內貿易,前面已略有涉及并且一般亦有所感受;下面將只談一下計量與國際貿易。
外貿當中需要計量的事例很多。例如,過去我國出口蘋果,只憑觀察外表或直接品嘗,而沒有采取計量手段。有的外商便借以刁難,隨意削價。其實,對蘋果的成熟度的計量很簡單,只要定出與成熟度相應的硬度值,用普通的硬度計測一下就可以了。再如,我國出口原油,過去由于港口缺乏準確可靠的計量設備,往往采取寧可多裝些油而避免索賠的作法,甚至出現多給了油,卻被船主以超重為由提出索賠的憾事。當前我國原油的年產量已突破1.4億噸,每年都有相當數量的原油出口。一般港口對原油的計量精度約為0.5%。若將精度提高,那怕只提高0.1%或更少,一年便可少損失大量的原油,不僅可獲得明顯偽經濟效益,而且也體現了我國的計量水平。
至于我國進口的貨物,數量不足、品質不符的情況,時有發生。例如,前不久,天津從外國進口了價值數百萬美元的硅鋼片,經計量檢測,發現品質不合格,便向外商提出索賠。結果,在準確的計量數據面前,外商不得不認錯,并進行了賠償。最近,我國進口了一批化肥,經計量檢測發現份量明顯不足,甚至比包裝袋上的標稱重量少百分之十幾。
人們越來越認識到,計量是保證產品品質、提高商品在市場上的競爭力的重要措施。對于國際貿易,計量更是消除貿易,計量更是消除貿易技術壁壘的重要手段。
4.計量與國防
計量對國防,特別是尖端技術的重要性,尤為突出。國防尖端系統龐大復雜,涉及的科技領域廣,技術難度高,要求計量的參數多、精度高、量程大、頻帶寬。比如,由于飛行器與地面的距離不斷增大,對通信、跟蹤、測軌、定位等都相應地提出了更高的要求。就衛星來說;軍用通訊同步衛星距地面可達35 800km,而核爆炸檢測衛星距地面則遠達112 280 km,用無線電聯系,就必須有大功率的發射機和高靈敏度的接收機,因而必須對大功率、低噪聲、大衰減和小電壓等主要參數進行相應的計量測試。這不但要研究測試方法和設備,而且要建立相應的計量標準。當前,地面設備的發射平均功率已可達幾十千瓦,接收機的噪聲溫度已能低于15K。為提高對飛行器的控制能力,對跟蹤、定位、測速等的精度要求越來越高,不僅對電子參數,而且對設備加工和伺服控制元件亦提出了更嚴格的要求。在連續波計量系統中,為保證測速精度達到每秒幾厘米,地面頻標的短期穩定度應在10-12以上。在宇航系統中,地面設備之間的聯系、地面對空間飛行器的探測、控制,都要高速的傳輸和處理大量數據。因此,要求傳送信號的頻帶很寬而且精度很高。國際上通訊和廣播衛星將普遍使用11GHz~14GHz、20GHz一40GHz或更高頻段,不斷向毫米波、亞毫米波邁進。這就必須研制新的元器件、部件以至整機,從而對計量測試亦必然提出相府的新的要求。
對國防尖端技術系統來說,工作環境比較特殊,往往要在現場進行有效的計量測試,難度較大。例如,飛行器在運輸、發射、運行、回收等過程中,要經歷一系列諸如振動、沖擊、高溫、低溫、高濕、強輻射等惡劣環境。當彈頭進入大氣層時,要經受幾千度以上的超高溫;提高接收機靈敏度的關鍵部件一般要在液氦的超低溫下工作;主發動機推力可達幾十兆牛,而姿態控制發動機的推力則只有幾厘牛。原子彈、氫彈等核武器的研制與爆炸威力實驗,對計量都有特殊要求,必須進行動態壓力
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