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简要解析计量在各领域的重要意义




简要解析计量在各领域的重要意义


计量与科学技术


  众所周知,科学技术是人类生存和发展的一个重要基础。没有科学技术,便不可能有人类的今天。其实,计量本身就是科学技术的一个重要的组成部分。任何科学技术,都是为了探讨、分析、研究、掌握和利用事物的客观规律;而所有的事物都是由一定的“量”组成,并通过“量”来体现的。为了认识量并确切地获得其量值,只有通过计量。比如,哥白尼关于天体运行的学说,是在反复观察的基础上提出的,并在伽利略用天文望远镜进行了进一步观测之后而确立的;著名的万有引力定律,被牛顿的敏锐观察所揭示,并在百余年后经卡文迪许的精密测试而得到了确认;爱因斯坦的相对论,也是在频率精密测量的基础上才得到了一定的验证;李政道、杨振宇关于弱相互作用下宇称不守恒的理论,也是吴健雄等人在美国标准局(金标准技术研究院)进行了专门的测试才验证的。总之,从经典的牛顿力学到现代的量子力学,各种定律、定理,都是经过观察、分析、研究、推理和实际验证才被揭示、承认和确立。计量正是上述过程的重要技术基础。


  历史上三次大的技术革命,都充分地依靠了计量,同时也促进了计量的发展。


  以蒸汽机的广泛应用为主军标志的第一次技术革命,导致以机器为主的工厂取代了以手工为基础的作坊,使生产力得以迅速提高,进而确立了资本主义的生产方式。当时,经典力学和热力学是社会科技发展的重要理论基础。在蒸汽机的研制和应用的过程中,都需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试。力学计量和热工计量,就是在这种情况下发展起来的。另外,机械工业的兴起,使几何量的计量得到了进一步的发展。


  以电的产生和应用为基本标志的第二次技术革命,更加推动了社会的发展。欧姆定律、法拉第电磁感应定律,以及麦克斯韦电磁波理论等,为电磁现象的深入研究和广泛应用、电磁计量和无线电计量的开展,提供了重要的理论基础。例如,1821年西贝克发现的热电效应,为热电偶的诞生奠定了理论基础;而各种热电偶的研制成功,则对温度计量、电工计量、以及无线电计量等提供了一种重要手段,促进了相应科技的发展。为了实际测量地球运动的相对速率,迈克尔逊等人利用物理学的成就,研制出了迈克尔逊干涉仪,从而为长度计量提供了一个重要方法。1892年,迈克尔逊用镐光(单色红光)作为干涉仪的光源,测量了保存于巴黎的铂铱合金基准米尺的长度,获得了相当准确的结果(等于1553163.5个红光波长)。直至百余年后的今天,利用各种干涉仪精密测量长度,仍然是几何量计量的一种重要方法。普朗克关于能量状态的量子化假说,指出物体在辐射和吸收能量时,其带电的线性谐振子可以和周围的电磁场交换能量,以致能从一个能级跃迁到另一个能级状态,并且能量子的能量为?E=hυ(式中h——普朗克常数,υ——频率)。爱因斯坦在普朗克假说的基础上,提出了光不仅具有波动性,而且还具有粒子性,即光是以速度c运动的粒子(光子)流,其单元(光子)的能量为?E=hυ,从而说明不同频率的光子具有不同的能量。上述理论成功地解释了光电效应,成了热辐射计量的理论基础,同时也使计量开始从宏观进入微观领域。随着量子力学、核物理学的创立与发展,电离辐射计量逐渐形成。


  核能及化工等的开发与应用,导致了第三次技术革命。在这个时期,科学技术和社会经济的发展更加迅速。原子能、化工、半导体、电子计算机、超导、激光、遥感、宇航等新技术的广泛应用,使计量日趋现代化,计量的宏观实物基准逐步向量子(自然)基准过渡。原子频标的建立和米的新定义的形成,有着相当重要的意义。频率和长度的精密测量,促进了现代科技的发展。比如,光速的测定、原子光谱的超精细结构的探测以及航海、航天、遥感、激光、微电子学等许多科技领域,都是以频率和长度的精密测量为重要基础的。


  至于人们广泛谈论和关注的所谓第四次技术革命,将引起科技、经济和社会的重大变革,人类将进入“超工业社会”或“信息社会”。那时,不可再生的石化燃料能源将替换成可再生的太阳能、海潮发电等新能源,钢铁、机械、橡胶等传统产业将被电子工业、宇航工程、海洋工程、遗传工程等新兴产业所征服,等等。这场技术革命的先导是微电子学和计算机,而集成电路又可以说是先导的核心。集成电路的研制,没有相应的计量保证是不可想象的。比如,硅单晶的几何参数、物理特性,超纯水、超纯气的纯度,化学试剂、光刻胶的性能,膜层厚度、层错位错,离子注入深度、浓度、均匀度以及工艺监控测试图形等的测定与控制,都是精密测量。当前,我国集成电路研制尚比较落后,计量工作跟不上是其中的原因之一。


  总之,科学技术的发展,特别是物理学的成就,为计量的发展创造了重要的前提,同时也对计量提出了更高的要求,推动了计量的发展;而计量的成就,又促进了科技的发展。正如门捷列夫所说:“没有计量,便没有科学”。聂荣臻同志也曾明确指出:“科技要发展,计量须先行”;“没有计量,寸步难行”。


  计量与生产


  计量对工业生产的作用和意义是很明显的。社会化大生产的本身就要求有高度的计量保证。生产的发展,大体上可分为三个阶段,即以经验为主的阶段,半经验、半科学阶段和科学阶段。计量则是科学生产的技术基础。从原材料的筛选到定额投料,从工艺流程监控到产品的品质检验,都离不开计量。例如,一辆普通的载重汽车有9000多个零件,由上百个工厂生产,若没有一定的计量保证,就无法装配成功。某地方中型钢铁厂轧钢板的耗油量,原来是每吨300余公斤,后来由于对废气、空气量、燃烧供热量以及温度等进行了计量监控,结果使能耗下降到每吨40公斤。原先,某钢厂的冶金炉,所用的重油燃料靠人工经验控制,根本不计量;为了火旺,总是多投料,结果燃烧不彻底,黑烟滚滚,既多耗油,又污染环境,以致连年亏损。后来,安装了计量仪表,对燃料进行了监控,使加油量保持在最佳值,既节约了油料,又减少了污染,同时还提高了炼钢效率,结果很快就出现了扭亏为盈的新局面。某玛钢厂是我国生产玛钢制品的第一大厂。过去,能耗一直居高不下,是当地耗能的重点户。为摸清原因,该厂对十余种主要设备进行了热平衡测试,并取得了大量数据,从而计算出设备热平衡和能耗的基本关系,初步掌握了能源利用的规律,找出了能耗严重的主要原因并相应地安装了监测仪表。例如,退火窑的热效率原约为8%,监测控制后则提高到12%以上,退火时间由60小时降到35小时,一年就节煤近2000吨、节电26000余千瓦小时(度)。结果,一年下来,全厂的用水量下降了21%,节电约600000千瓦小时,综合能耗下降了约10%,产值提高了22%。


  近几年,国外经济发达国家,把优质的原材料、先进的工艺装备和现代的计量检测手段,视为现代化生产的三大支柱。其实,优质原材料的制取与筛选、先进工艺装备的配备与流程的监控,也都离不开计量测试。例如,国外先进生产线的产品品质高,次、废品少或几乎没有,其中重要的因素就是充分利用了在线测量与监控技术。至于所谓的柔性生产(制造)系统,更需要现代计量检测手段的技术保证。


  至于农业生产,特别是现代化的农业生产,亦必须有计量保证。例如,为了科学种田,就必须通过计量来掌握土壤的酸碱度、盐分、水分、有机质和氮、磷、钾的含量以及温度等。在盐水选种、温汤或药剂浸种、适温催芽和离心脱水等过程中,亦都要靠一定的计量保证。电离辐射育种,是近几年发展起来的一项重要增产措施。我国已用该法培育出了许多农作物新品种,其中鲁棉一号可使棉花大面积地成倍增产。利用电离辐射实现农产品和食物的防腐保鲜,亦是新兴辐射加工工业的一个重要方面。所有这些,都需要相应的计量保证,否则不仅达不到预期的效果,而且会造成不应有的损失。另外,在田间管理上,也离不开计量。例如,既要合理密植,又要间作套种,这就需要对植株光合作用的照度等进行必要的计量。


  事实充分表明,科学生产和技术革新,都离不开计量测试。


  计量与人民生活


  计量对人民生活的意义是相当明显的。生产过程的计量不容忽视,生活中的计量则更应关注。它直接触动人们的切身利益,而且有时非常敏感。例如,日常买卖中的计量器具是否准确,家用电表、煤气表和水表是否合格,以至公共交通的时刻是否准确等,都会对人们的生活产生一定的影响。


  民以食为天。粮食是生活的必需品,任何人都离不开它。粮食的品质直接关系到人们的健康。在粮食生产的过程中,施化肥可以增产,洒农药可以除虫。但化肥和农药大多对人体有害,必须控制在一定的剂量之内,否则将会导致积累性中毒,造成严重的后果。某些农药,如六六六等,许多国家,包括我国,已明令禁止使用。近几年来,一些发达国家在积极探索完全不使用化肥和农药的新式农业,即所谓的“生态农业”,很值得关注。倘能成功并予以推广,将会对人类的生存和发展产生深远的影响。


  食品的保鲜,是人们越来越关注的一个问题。医学界已经证明,粮食及其制品,发霉变质会产生黄曲霉素,人和动物食用后容易致癌。另外,食品在加工过程中,往往要加入一些添加剂,如色素、味素、防腐剂等,都应对其进行必要的计量检测,以控制用量,否则会导致不良后果,危害人们的健康。所以,粮食及其制品的生产、贮存和加工,都离不开计量。


  副食品,特别是水产品、肉、蛋和蔬菜的冷冻保鲜,人们已普遍采用。对此,温度的控制很重要,温度过低会对食品的色、香、味甚至营养起破坏作用;温度过高则不易保存。这也只有通过相应的计量才能予以保证。



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