密度测量及其应用李兴华
自然界是由各种物质组成的，被称为物质三态的气、液、固就是整个宇宙分布最广的物质聚集状。如：人类赖以生存的环境中，空气的密度约为1?20kg/m3，而水约为1?0×103kg/m3，然而人类的摇篮——地球的平均密度分别约为空气或水的4600倍和5?5倍，达到5?52×103kg/m3。假如我们将视野扩展到整个宇宙，物质的密度更是千差万别。在太阳系中，太阳的平均密度约为1?41×103kg/m3，仅仅是地球密度的四分之一。密度最小的要算是九大行星中的土星了，其平均密度仅为0?7×103kg/m3，可以说与汽油差不多，而地球的卫星——月球的平均密度约为3?34×103kg/m3。由此可见，密度是物质的一种内在物理特征，通常在一定条件下，其密度是不变的，而且与该物质组成的形状、光泽等无关。
一、密度定义及测量方法
人们在生产和科学实验中为表述物质的这种内在特征，定义单位体积的某种物质的质量，叫做这种物质的“密度”。即是说它为物质质量m与其体积v之比值，其密度(ρ)定义公式为：
ρ=m/v
从密度定义可以看出，密度在国际单位制中为kg/m3，亦常用g/cm3表示。譬如，20℃时的水密度为999?972kg/m3，亦即0?999972g/cm3。当然，根据实际需要还有用表观密度、实际密度、堆积密度、标准密度、参考密度、相对密度以及与密度有关的浓度等术语表示。
为测量物质的密度有各种各样的方法，但大体分为两大方面，即：一是导源密度基本原理公式的直接测量法；二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量法。直接测量法又分为绝对法与相对法。相对法是密度测量技术中常用的方法，它是一种与密度标准参考物质(例如已知的纯水、纯水银密度等)进行比较的测量，而绝对测量则是通过直接测量物质的质量和长度(以确定其体积)而获得密度的一种测量。这类方法主要有流体静力称量法、密度瓶法和浮计法等。而间接测量法种类更多，如静、动压法、浮子法、射线法、声学法、光学法、气柱平衡法以及振动法等。这类方法主要用于工业生产过程连续检测与控制流体的密度或浓度。
二、密度测量的应用
国际上科技先进国家，对于密度测量研究及其应用都颇为重视。因它不仅应用于国家经济的诸领域，而且涉及国际间的科技交流与合作，是显示一个国家现代计量水平的重要方面。
密度作为各种物质的重要物性参数之一，在现代工业的重要场合，特别是对原油、石油、液化石油气、天然气、酒精以及酒类等贮运、销售、使用与贸易过程中，对产品的数量进行计量结算起着重要作用。因交易数量大，若计量不准，达不到有关要求，将会直接给国家经济带来不必要的损失，乃至影响国家的声誉。如在油田管线输送原油时，对其密度要求达到5×10－4g/cm3；对石油产品要求达到3×10－4g/cm3等。对液体产品中酒精、酒类的密度、浓度是最主要的实用参量，且两者皆与温度密切相关。其测量数据是否准确，与大宗物品商贸结算至关重要。最近，中国计量科学研究院按国际90温标(ITS—90)重新编制了《酒精密度、浓度和温度常用数据表》，适应了当前迫切的实用需要，并为与国际接轨做出了贡献。
同样，在天然气和液化石油气的数量计量方面，因它们是国家的重要能源与工业原料，其社会需求量甚大，近几年，随着我国需求量与出口量的增加，其产量也正在逐年增长。为适应这种发展，我国在1998年上半年已完成对密度低量程小于650kg/m3到500kg/m3的液化石油气密度检测方法的研究并草拟了相应的检定规程，使国家密度计量检测水平又上了一个台阶。
除上述应用外，密度参量的测量在生产过程中产品的检测、控制和质量分析等诸环节，以及科研上是基本参数之一。在石油工业中，作为燃性液体的矿物油，它的密度大小一定程度上反映了它的燃烧性和挥发性，如对航空喷气燃料的航空煤油就明文规定其密度不得大于规定值，否则会影响飞机的续航能力，在石油炼制中，在很多工艺场合，例如蒸发、吸收、裂解和蒸馏操作上以及最终产品的质量上，密度都是必不可少的检测与控制项目，在航天尖端科研上，准确确定火箭推进器中贮存液态氧(低温至90K～100K)的密度，将关系到火箭的发射质量，乃至胜败；在化工工业中，应用面更广，密度不仅是各种化工产品的一项重要指标，而且是指导生产各个环节的重要参量；在轻工酿造行业中，对酒精(含工业和食用)和各种饮用酒(包括白酒、黄酒、果酒、葡萄酒和啤酒等)的酒精浓度或密度的测量是鉴别产品质量的重要指标，必须严格控制与检测，它既与人民生活、医疗质量密切相关，而且与国家的财政税收直接有关；在制糖、奶制品行业中，准确测量它们的浓度或密度，将直接关系到生产过程及出厂的产品质量；在建材工业中，利用密度法监控各种玻璃的生产，今仍是最佳的方法，而且要求较高；对其它材料，如砖、瓦、陶瓷等也需测定密度，以确定材质的表观密度和孔隙率等。在进出商品检验项目中，检验密度数据同样是必备技术指标，以此判定商品是否合乎要求。在农林、建筑和公路部门施工中要求随时测定土壤的密度，以快速确认土壤的粒度大小是否符合规定；在现代测量海水密度—浓度对航道和军事测量有重要价值，因它关系到海水混合、大洋环流、水声传播和资源探测的研究，目前海洋界用海上调查船对海水密度作动态测量，是发展前景十分广阔的一项技术。另外，随着国家改革开放的发展，在金融市场活跃与人民生活水平提高的今天，用密度法对金饰品成色鉴别是人们最信赖的技术手段之一。
从上可见，密度测量不但重要而且用途广泛，可以说，几乎涉及到国民经济的每个部门。可以预料，在即将进入21世纪时，对密度测量及其应用，将会提出更多更高的要求。
作者单位：中国计量科学研究院