超聲波清洗砝碼技術及實驗分析

【摘要】：為了推廣超聲波清洗機在砝碼清潔和檢定中的應用,首先,簡述傳統的利用無水乙醇的手工清洗方法及其缺陷;其次,分析超聲波清洗技術的原理及性能;最后,設計相關實驗,并對結果進行比較分析。結果表明,超聲波清洗技術具有高效、安全、環保等優點,在現代計量的砝碼清潔中具有廣闊的應用前景。

引言

超聲波清洗是功率超聲的主要應用之一，它可以清洗深孔、狹縫中的污物，具有安全、高效、省時省力等優點。因此，超聲波清洗被廣泛應用于各個領域，如機械、光學、電子等等。隨著超聲波領域的技術革新，清除清洗的安全系數大大提高，我們是否可以利用超聲波原理來清洗砝碼呢？

1 超聲波清洗的原理
1.1 超聲波簡介
超聲波是一種頻率超出人類聽覺范圍 20 kHz以上的聲波。超聲波很像電磁波，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，超聲波則需要彈性介質來傳播。在傳播時，超聲波使彈性介質中的粒子振蕩，并通過彈性介質按超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，縱向波和橫向波都可以傳遞能量，而在氣體和液體內，只有縱向波可以傳遞能量。

1.2 超聲波清洗原理
超聲波能引起質點振動，質點振動的加速度和超聲頻率的平方成正比。因此，幾十千赫的超聲會產生的作用力，強超聲波在液體中傳播時，液體中的微小氣泡在超聲波的作用下，會產生超聲空化。
在空化氣泡突然閉合時發出的沖擊波，可在其周圍產生上千個大氣壓力，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。空化氣泡的振動也能對固體表面進行擦洗。空化氣泡還能“鉆進”裂縫中做振動，使污物脫落。對于有油脂性的污物，由于超聲空化作用，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。空化氣泡在振動過程中會使液體本身產生環流，即所謂聲流，它可以使振動氣泡表面產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。超聲空化在固體和液體邊界面上所產生的高速微射流，能夠除去或削弱邊界污層，加速可溶性污物的溶解，強化化學清洗劑的清洗作用。此外超聲波在清洗液中引起質點很大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。由上訴超聲波清洗原理可知，凡是被液體浸到超聲空化產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，而這些部件用一般刷洗方法是不能清洗干凈的。

2 超聲波清洗砝碼可行性分析
2.1 超聲波清洗砝碼，是否會對砝碼表面造成可見性的損傷，從而減輕砝碼的質量當超聲波清洗技術開始應用的時候，人們發現，雖然超聲波可以對工件施加非常巨大的能量，尤其適用于清除牢固地附在基底上的污垢，但是同時，超聲波強大的能量也會損傷沾有污垢但 質比較脆弱的基底材料。在過去的十幾年，超聲波領域出現了技術革新，提高了清除清洗的安全系數。人們發現用 1000 kHz 以上的高頻超聲波清洗，可以清洗物體表面的污垢，但不會損傷基底表面的材料。這項技術可用于半導體的清洗，并且對半導體的基座（塑料材質）不會造成損傷。可見，從理論上看，用超聲波清洗砝碼，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 型各一只，先用 100 % 的純酒精清洗，進行測量，然后用超聲波清洗，測量質量值。按照 JJG99-2006 砝碼檢定規程的要求，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。而經過超聲波清洗后，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新的明顯劃痕類痕跡。

圖 1-2 為 class 型砝碼用超聲波清洗前后對比
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，對其進行超聲波清洗之前的表面進行觀察，沒有明顯的劃痕印記。將其放入 水中進行超聲波清洗，取出可見表面無新添劃痕。由此可見，超聲波清洗，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）質量值與清洗后的做比較，看看，經過超聲波清洗后，砝碼的質量會發生怎樣的變化。表1 砝碼清洗前后的質量修正值砝碼清洗前折算質量修正值/mg清洗后折算質量修正值/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 砝碼質量值發生明顯變化，輕了 0.25 mg；而 E2 型 500 g 砝碼的質量值無明顯變化。這組數據，與我們觀察到砝碼本身的表面情況也是一致的：class 型 500 g 砝碼由于底部有可見性化學試劑殘留，通過超聲波清洗，大部分的殘留物質被去除，因此理論上，它的折算質量值應變小，實測變化量為 -0.25 mg，符合我們目測結果；而 E2 型 500 g 砝碼，本身無明顯污垢，通過超聲波清洗，折算質量值的變化量為 0.01 mg，按照砝碼檢定規程的要求，兩次測量值的差值均在允差的 1/3 內，這符合重復性的要求，數據可以被接受。由 E2 型 500 g 砝碼的例子可見，通過超聲波清洗砝碼，與使用酒精清洗相比，對砝碼的實際質量值無影響。所以采用超聲波的技術清洗砝碼，是可行的。同時，由class型500 g砝碼的例子可見，通過超聲波清洗砝碼，可以更有效地去除砝碼表面的污垢。

2.2 超聲波清洗砝碼，會否對砝碼的磁性數據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 型各一只，用超聲波清洗后，測量其磁化率數據，并與其首檢磁性數據做比較。超聲波是通過引起質點振動，通過質點振動產生超聲空化，從而產生沖擊波，對污層的直接反復沖擊，另一方面氣泡的振動也能對固體表面進行擦洗。從理論上來看，超聲波是一種能量的傳遞過程，但是并沒有電流量的產生，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控超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據砝碼清洗前 清洗后 變化值

磁化率
極化強
度 /μT
磁化率
極化強
度 /μT
磁化率
極化強
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，經過超聲波清洗，并不會改變砝碼的磁性。

3 使用超聲波清洗砝碼的優勢及劣勢
3.1 使用超聲波清洗砝碼的優勢由于以前實驗室一直使用的是 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：一是環保、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生，易揮發，使用過后也要注意
安全保存，廢酒精要統一處理。而使用超聲波，則只需要用到二次蒸餾水，不存在以上的環保及
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）。而使用超聲波，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，使用超聲波的清洗效率遠遠高于使用純酒精。

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

4 結論
超聲波清洗已廣泛應用于機械、光學、電子等各個領域，隨著技術的進步，它的應用范圍不斷地擴大。本文考慮使用超聲波清洗砝碼的可行性，通過實驗并結合原理分析，可以看到使用超聲波清洗砝碼，不會對砝碼的表面、質量及磁性特性造成影響。同時比較其他的清洗方法，使用超聲波還有著很大的優勢，一是更環保，二是效率更高，三是清洗效果好。但是作為新的技術手段，我們在使用過程中要注意多收集數據，以便更合理地運用新技術。

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