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計量及其特點
計量,過去在我國稱為“度量衡”,其原始含義是關於長度、容積和質量的測量,主要器具是尺、鬥和秤。儘管隨著時代的前進,“度量衡”的概念和內容在不斷地變化和充實,但仍難以擺脫曆史**的局限性,不能適應科技、經濟和社會發展的需要。於是,我國從50年代開始,便逐漸以“計量”取代了“度量衡”。可以說,“計量”是度量衡的發展;也有人稱計量為“現代度量衡”。
為了認識計量,先了解一下“量”。量是現象、物體或物質可定性區彆和定量確定的一種屬性。這是當前國際公認的說法。換句話說,自然界的一切事物都是由一定的“量”組成的,而且是通過“量”來體現的。因此,要認識自然、利用自然、改造自然為人類造福,就必須對各種量進行分析和確認,既要分清量的性質,又要確定其具體量值;而計量正是達到這種目的的重要手段。所以,可以說,計量是對“量”的定性分析和定量確定的過程。
計量的特點,可包括如下:
1、 準確性(**性)
準確性是計量的基本特點。它表征的是計量結果與被測量的真值的接近程度。嚴格地說,隻有量值,而無準確程度的結果,不是計量結果。也就是說,計量不僅應明確給出被測量的量值,而且還應給出該量值的不確定度(或誤差範圍),即準確性。更嚴格地說,還應注明計量結果的影響量的值或範圍。否則,計量結果便不具備充分的社會實用價值。所謂量值的統一,也是指在一定準確程度內的統一。
2、一致性
計量單位的統一是量值一致的重要前提。無論在任何時間、任何地點,采用任何方法、使用任何器具以及任何人進行計量,隻要符合有關計量的要求,計量結果就應在給定的不確定度(或誤差範圍)內一致。否則,計量將失去其社會意義。計量的一致性,不**於國內,而且也適用於國際。
3、溯源性
在實際工作中,由於目的和條件的不同,對計算結果的要求亦各不相同。但是,為使計量結果準確一致,所有的同種量值都必須由同一個計量基準(或原始標準)傳遞而來。換句話說,任何一個計量結果,都能通過連續的比較鏈溯源到計量基準。這就是溯源性。可以說,“溯源性”是“準確性”和“一致性”的技術歸宗。因為,任何準確、一致,都是相對的,是與當代的科技水平和人們的認識能力密切相關的。也就是說,“溯源”可以使計量科技與人們的認識相對統一,從而使計量的“準確”和“一致”得到技術保證。就一國而論,所有的量值都應溯源於國家計量基準;就國際而論,則應溯源於國際計量基準或約定的計量標準。否則,量值出於多源,不僅無準確一致可言,而且勢必造成技術上和應用上的混亂,以致釀成嚴重的後果。
4、法製性
計量本身的社會性就要求有一定的法製保障。也就是說,量值的準確一致,不僅要有一定的技術手段,而且還要有相應的法律、法規的行政管理,特彆是那些對國計民生有明顯影響的計量,諸如社會**、醫療保健、環境保護以及貿易結算中的計量,更必須有法製保障。否則,量值的準確一致便不能實現,計量的作用也就無法發揮。
可見,計量於一般的測量不同。測量是為確定量值而進行的全部操作,通常不具備、也無需具備上述的計量特點。所以,計量屬於測量,而又嚴於一般測量;也可以說,計量是量值確切統一的測量。當然,在實際工作或文獻資料中,一般冇有必要去嚴格區分“計量”與“測量”。國內如此,國際亦如此。順便提一下,在翻譯外文資料時,例如英文measurement,可譯為“測量”,也可譯為“計量”,視具體情況和慣例而定。
至於“測試”,測試具有一定試驗性(探索性)的測量。近年來,往往將不是嚴格按照約定規程或成熟方案進行的測量統稱為測試,甚至有時也可以將測試理解為測量和試驗的綜合。
從學科發展來看,計量原本是物理學的一部分,或者說是物理學的一個分支。隨著科技、經濟和社會的發展,計量的概念和內容也在不斷地擴展和充實,以致逐漸形成了一門研究測量理論與實踐的綜合性學科——計量學。或者說,計量學是關於測量理論與實踐的知識領域。
就學科而論,計量學又可分為:
(1)通用計量學——涉及計量的一切共性問題而不針對具體的被測量的計量學部分。例如,關於計量單位的一般知識(單位製的結構、計量單位的換算等)、測量誤差與數據處理、計量器具的基本特性等。
(2)應用計量學——涉及特定計量的計量學部分。通用計量學是泛指的,不針對具體的被測量;而應用計量學則是關於特定的具體量的計量,如長度計量、頻率計量等。
(3)技術計量學——涉及計量技術,包括工藝上的計量問題的計量學部分。例如,自動測量、在線測量等。
(4)理論計量學——涉及計量理論的計量學部分。例如,關於量和計量單位的理論、測量誤差理論等。
(5)品質計量學——涉及品質管理的計量學部分。例如,關於原料、材料、設備以及生產中用來檢查和保證有關品質要求的計量器具、計量方法、計量結果等。
(6)法製計量學——涉及法製管理的計量學部分。例如,為了保證公眾**、國民經濟和社會的發展,根據法律、技術和行政管理的需要而對計量單位、計量器具、計量方法和計量準確度(或不確定度)以及專業人員的技能等所進行的強製管理。
(7)經濟計量學——涉及計量的經濟效益的計量學部分。這是近年來人們相當關注的一門邊緣學科,涉及麵甚廣。例如,計量在社會生產體係中的經濟作用和地位,計量對科技發展、生產率的增長、產品品質的提高、物質資源的節約、國民經濟的管理、醫療保健以及環境保護方麵的作用等。
當然,計量學的上述劃分不是**的,而是突出了某一方麵的計量問題。
計量的範圍與領域
計量的範圍,在相當長的曆史時期內,主要是各種物理量的計量測試。隨著科技的進步、經濟和社會的發展,計量已突破了傳統的物理量的範疇,擴展到化學量以及工程量的計量測試。近年來,計量的發展更加迅速,以至囊括了生理量和心理量等的計量測試。因此,可以說,一切可測量的計量測試,皆屬於計量的範圍。計量所涉及的科學領域,已從自然科學擴展到社會科學。
當前,比較成熟和普遍開展的計量科技領域有幾何量(亦稱長度)、熱工、力學、電磁、無線電、時間頻率、聲學、光學、化學和電離輻射,即所謂“十大計量”。
另外,隨著現代科技的發展,一些新的計量領域,如生物工程、環保工程、字航工程等的計量測試,也正在逐漸形成。
上述計量科技領域的劃分是相對的,並無嚴格規定。如有的國家將電磁(主要是關於直流和低頻電磁量的計量測試)和無線電合在一起稱為“電學”,也有的國家將電磁、無線電和時間頻率合在一起統稱為“電學計量”。再者,各個計量領域也不是孤立的,而是彼此聯係、相互影響的。許多實際的計量測試問題,往往可能涉及兩個甚至更多的計量領域。
計量的基本內容
計量的基本內容可概括為:
1.計量單位與單位製;
2.計量器具,包括複現計量單位的計量基準、標準器具以及普通(工作)計量器具;
3.量值傳遞、溯源與檢定測試;
4.物理常數以及材料與物質特性的測定;
5.誤差理論與數據處理以及計量人員的專業技能;
6.計量管理。
計量的分類
1.科學計量
科學計量主要指的是基礎性、探索性、先行性的計量科學研究,例如關於計量單位與單位製、計量基準、標準、物理常數以及誤差理論與數據處理等。科學計量通常是國家計量科學研究單位的主要任務。
2.工程計量
工程計量亦稱工業計量,係指各種工程、工業企業中的實用計量。例如,關於能源、原材料的消耗,工藝流程的監控以及產品品質與性能的測試等。工程計量涉及麵甚廣,是各行各業普遍開展的一種計量。
3.法製計量
法製計量,是為了保證公眾**、國民經濟和社會發展,根據法製、技術和行政管理的需要,由政府或官方授權進行強製管理的計量,包括對計量單位、計量器具(特彆是計量基準、標準)、計量方法和計量準確度(或不確定度)以及計量人員的專業技能等都有明確規定和具體要求。
從實際檢測來看,法製計量主要是涉及**防護、醫療衛生、環境監測和貿易結算等有利害衝突或需要特殊信任領域的強製計量。例如,關於衡器、壓力表、電表、水表、煤氣表、血壓計以及血液中酒精含量(司機和高空作業者上崗前不得飲酒)等的計量。
計量的上述分類,是相對的。有人把科學計量稱為基礎計量,而將工程計量和法製計量統稱為應用計量。這看來似乎更加概括,但實際上卻造成了混淆。因為法製計量的特殊性是工程計量不能比擬的;兩者必須分彆對待,不能相提並論。
計量的精密度、正確度、**度
計量的精密度、正確度、**度,是計量的幾個基本概念(參見圖1)
1.精密度
計量的精密度(precision of measurement),係指在相同條件下,對被測量進行多次反複測量,測得值之間的一致(符合)程度。從測量誤差的角度來說,精密度所反映的是測得值的隨機誤差。精密度高,不一定正確度(見下)高。也就是說,測得值的隨機誤差小,不一定其係統誤差亦小。
2.正確度
計量的正確度(correctness of measurement),係指被測量的測得值與其“真值”的接近程度。從測量誤差的角度來說,正確度所反映的是測得值的係統誤差。正確度高,不一定精密度高。也就是說,測得值的係統誤差小,不一定其隨機誤差亦小。
3.**度
計量的**度亦稱準確度(accuracy of measurement),係指被測量的測得值之間的一致程度以及與其“真值”的接近程度,即是精密度和正確度的綜合概念。從測量誤差的角度來說,**度(準確度)是測得值的隨機誤差和係統誤差的綜合反映。
圖1是關於計量的精密度1正確度和**度的示意圖。
設圖中的圓心O為被測量的“真值”,黑點為其測得值,則
圖(a):正確度較高、精密度較差;
圖(b):精密度較高、正確度較差;
圖(c):**度(準確度)較高,即精密度和正確度都較高。
通常所說的測量精度或計量器具的精度,一般即指**度(準確度).,而並非精密度。也就是說,實際上“精度”已成為“**度”(準確度)的習慣上的簡稱。至於精度是精密度的簡稱的主張,若僅針對精密度而言,是可以的;但若**考慮,即針對精密度、正確度和**度三者而言,則不如是**度的簡稱或者本意即指**度更為合適。因為,在實際工作中,對計量結果的評價,多係綜合性的,隻有在某些特定的場合才對精密度和正確度單獨考慮。那麼,為何不去簡化(如果說是“簡化”的話)一個常用術語,而偏要去簡化一個不常用的術語呢!再說,就大多數計量領域和計量工作者來說,已經習慣於“精度”來表示“**度”或準確度了,何不順其自然呢?
順便說一下,本書中所用的“精度”,係指“**度”(準確度),即精密度和正確度的綜合概念。
計量的發展,大體上可分為三個階段。
1.古典階段
古典階段是以權力和經驗為主的初級階段,冇有或者冇有充分的科學依據。作為*高依據的計量基準,多用人體的某一部分、動物的絲毛或某種能力、植物果實、樂器以及物品等。
例如,我國古代的“布手知尺”、“掬手為升”、“十發為程”、“十程為分”;英國的“碼”,是英王亨利一世將其手臂向前平伸,從其鼻尖到指尖的距離;英尺是查理曼大帝的腳長;英畝是二牛同扼一日翻耕土地之麵積,等等。
2.經典階段
從世界範圍看,1875年“米製公約”的簽定,可認為是經典階段的開始。隨著科學技術的進步和社會生產力的發展,計量基準已開始擺脫利用人體、自然物體等的原始狀態,進入了以科學為基礎的發展階段。由於科技水平的限製,這個時期的計量基準都是在經典理論指導下的宏觀器具或現象。例如,根據地球子午線長度的1/4的1/10 000 000,用鉑銥合金製造的長度基準米原器;根據1立方分米的水在其密度*大時的溫度下的質量,用鉑銥合金製造的質量單位基準千克原器;根據兩通電導線之間產生的作用力而定義的電流單位安培;根據地球圍繞太陽的轉動周期而確定的時間單位秒;等等。
這類宏觀實物基準,隨著時間的推移,由於物理的、化學的以及使用中的磨損等原因,難免發生微小的變化。另外,由於原理和技術的限製,該類基準的準確度亦難以大幅度提高,以致不能滿足日益發展的社會需要。於是便提出了建立更穩定、更**的新型計量基準的課題。
3.現代階段
現代階段的基本標誌是由經典理論為基礎轉為量子理論為基礎,由宏觀實物基準轉為微觀量子基準。
建立在量子理論基礎上的微觀自然基準,或稱量子基準,比宏觀實物基準優越的多,更**、更穩定可靠。因為,根據量子理論,微觀世界的量,隻能是躍進式的改變,而不可能發生任意的微小變化;同時,同一類物質的原子和分子都是嚴格一致的,不隨時間和地點而改變。這就是微觀世界的所謂穩定性和齊一性。量子基準就是利用了微觀世界所固有的這種穩定性和齊一性而建立的。
迄今為止,國際上已正式確立的量子基準有長度單位米基準、時間單位秒基準、電壓單位伏特基準和電阻單位歐姆基準。
計量的作用和意義--.計量與科學技術
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。下麵略舉幾例:
1.計量與科學技術
眾所周知,科學技術是人類生存和發展的一個重要基礎。冇有科學技術,便不可能有人類的今天。其實,計量本身就是科學技術的一個重要的組成部分。任何科學技術,都是為了探討、分析、研究、掌握和利用事物的客觀規律;而所有的事物都是由一定的“量”組成,並通過“量”來體現的。為了認識量並確切地獲得其量值,隻有通過計量。比如,哥白尼關於天體運行的學說,是在反複觀察的基礎上提出的,並在伽利略用天文望遠鏡進行了進一步觀測之後而確立的;有名的萬有引力定律,被牛頓的敏銳觀察所揭示,並在百餘年後經卡文迪許的精密測試而得到了確認;愛因斯坦的相對論,也是在頻率精密測量的基礎上才得到了一定的驗證;李政道、楊振宇關於弱相互作用下宇稱不守恒的理論,也是吳健雄等人在美國標準局(金標準技術研究院)進行了專門的測試才驗證的。總之,從經典的牛頓力學到現代的量子力學,各種定律、定理,都是經過觀察、分析、研究、推理和實際驗證才被揭示、承認和確立。計量正是上述過程的重要技術基礎。
曆史上三次大的技術**,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誌的次技術**,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。在蒸汽機的研製和應用的過程中,都需要對蒸汽壓力、熱膨脹係數、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誌的**次技術**,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;而各種熱電偶的研製成功,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,研製出了邁克爾遜乾涉儀,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)作為乾涉儀的光源,測量了保存於巴黎的鉑銥合金基準米尺的長度,獲得了相當準確的結果(等於1 553 163.5個紅光波長)。直至百餘年後的今天,利用各種乾涉儀精密測量長度,仍然是幾何量計量的一種重要方法。普朗克關於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,並且能量子的能量為?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**。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。
至於人們廣泛談論和關注的所謂第四次技術**,將引起科技、經濟和社會的重大變革,人類將進入“超工業社會”或“信息社會”。那時,****的石化燃料能源將替換成可再生的太陽能、海潮發電等新能源,鋼鐵、機械、橡膠等傳統產業將被電子工業、宇航工程、海洋工程、遺傳工程等新興產業所征服,等等。這場技術**的先導是微電子學和計算機,而集成電路又可以說是先導的核心。集成電路的研製,冇有相應的計量保證是不可想象的。比如,矽單晶的幾何參數、物理特性,超純水、超純氣的純度,化學試劑、光刻膠的性能,膜層厚度、層錯位錯,離子注入深度、濃度、均勻度以及工藝監控測試圖形等的測定與控製,都是精密測量。當前,我國集成電路研製尚比較落後,計量工作跟不上是其中的原因之一。
總之,科學技術的發展,特彆是物理學的成就,為計量的發展創造了重要的前提,同時也對計量提出了更高的要求,推動了計量的發展;而計量的成就,又促進了科技的發展。正如門捷列夫所說:“冇有計量,便冇有科學”。聶榮臻同誌也曾明確指出:“科技要發展,計量須先行”;“冇有計量,寸步難行”。
流量計量的基本概念
基本概念
流量就是在單位時間內流體通過一定截麵積的量。這個量用流體的體積來表示稱為瞬時體積流量(qv),簡稱體積流量;用流量的質量來表示稱為瞬時質量流量(qm),簡稱質量流量。它的表達式是:
式中:qm、qv——在時間間隔?t內通過的流體質量或體積;
ρ——流體密度。
從t1到t2這一段時間內流體體積流量或質量流量的累積值稱為累積流量,它們的表達式是:
對在一定通道內流動的流體的流量進行測量統稱為流量計量。流量測量的流體是多樣化的,如測量對象有氣體、液體、混合流體;流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異,要求的測量準確度也各不相同。因此,流量測量的任務就是根據測量目的,被測流體的種類、流動狀態、測量場所等測量條件,研究各種相應的測量方法,並保證流量量值的正確傳遞。
流量計量中常用的物性參數
流量計量中常用的物性參數
在流量測量和計算中,要使用到一些流體的物理性質(流體物性),它們對流量測量的準確度及流量計的選用都有很大影響。限於本書篇幅,我們對這些物性參數隻作基本概念及一些簡單計算式的介紹,詳細數據資料需到有關手冊去查詢。
1.流體的密度
流體的密度由下式定義
式中:ρ——流體密度,kg/m3;
m——流體的質量,kg;
V——流體的體積,m3。
(1) 液體的密度
壓力不變時,液體密度計算式為:
ρ=ρ20[1-μ(t-20)] (4.10-6)
式中:ρ——溫度t時液體的密度,kg/m3;
ρ20——20℃時液體的密度,kg/m3;
μ——液體的體積膨脹係數,1/℃;
t——液體的溫度,℃。
溫度不變時,液體密度計算式為:
ρ1=ρ0[1-β(ρ0-ρ1)] (4.10-7)
式中:ρ1——壓力p1時液體的密度,kg/m3;
ρ0——壓力p0時液體的密度,;kg/m3;
β——液體的體積壓縮係數1/Mpa;
p0、p1——液體的壓力,Mpa。
通常壓力的變化對液體密度的影響很小,在5Mpa以下可以忽略不計,但是對於碳氫化合物,即使在較低壓力下,亦應進行壓力修正。
(2) 氣體的密度
工作狀態下乾氣體的密度計算式為:
式中:ρ——工作狀態下乾氣體的密度,kg/m3;
ρn——標準狀態下(293.15k,101.325kPa)乾氣體的密度,kg/m3;
p——工作狀態下氣體的**壓力,kPa;
pn——標準狀態下**壓力,kPa;
T——工作狀態下氣體的**溫度,K;
Tn——標準狀態下**溫度,293.15K;
Zn——標準狀態下氣體的壓縮係數;
Z——工作狀態下氣體的壓縮係數。
2.流體的粘度
流體本身阻滯其質點相對滑動的性質稱為流體的粘性。流體粘性的大小用粘度來度量。同**體的粘度隨流體的溫度和壓力而變化。通常溫度上升,液體的粘度下降,而氣體粘度上升。液體粘度隻在很高壓力下才需進行壓力修正,而氣體的粘度與壓力、溫度的關係十分密切。表征流體粘度常用有如下二種:
(1)動力粘度
式中:η——流體動力粘度,Pa•s;
τ——單位麵積上的內摩擦力,Pa;
——速度梯度,1/s;
u ——流體流速,m/s;
h ——兩流體層間距離,m。
(3) 運動粘度
流體的動力粘度與其密度的比值稱為運動粘度。
式中:v ——運動粘度。
3.熱膨脹率
熱膨脹率是指流體溫度變化1℃時其體積的相對變化率,即:
式中:β——流體的熱膨脹率,1/℃;
V ——流體原有體積,m3;
?V——流體因溫度變化膨脹的體積,m3;
?T——流體溫度變化值,℃。
4.壓縮係數
壓縮係數是指當流體溫度不變,所受壓力變化時,其體積的變化率,即:
式中:K——流體的壓縮係數,1/Pa;
V——壓力為p時的流體體積m3;
?V——壓力增加?p時流體體積的變化量,m3。
5.雷諾數
雷諾數是一個表征流體慣性力與粘性力之比的無量綱量,其定義為:
式中:v——流體的平均速度,m/s;
ι——流速的特征長度,如在圓管中取管內徑值,m;
υ——流體的運動粘度,m2/s。
如雷諾數小,粘性力占主要地位,粘性對整個流場的影響都是重要的。如雷諾數很大,則慣性力是主要的,粘性對流動的影響隻有在附麵層內或速度梯度較大的區域才是重要的。
關於氣體流量測量單位標準立方米的意義
氣體流量測量單位采用標準立方米,我們常稱為仿質量單位,因為它看似體積單位,其實為質量單位,它與使用地點的壓力,溫度冇有任何關係,如果氣體為天然氣,1標準立方米的質量還與天然氣的組分有關,在天然氣貿易結算計量時采用能量單位比較合理就因為同樣的天然氣質量,如其組分不同,則其發熱量亦不同。
例:空氣 1標準立方米=1.2041千克 (標準狀態為101.325 kPa, 20°C)
流量 100 m3/h (標準狀態)=120.41 kg/h
天然氣 設天然氣相對密度 d=0.6, 則
1標準立方米=1.2041×0.6=0.7225 kg
流量 100 m3/h (標準狀態)=72.25 kg/h
標準狀態中壓力無論國內外都是標準大氣壓,即101.325 kPa, 但是溫度就不儘相同,我過有二種溫度標準,20°C,0°C。
天然氣用20°C,煤氣用0°C或20°C,這是曆史原因造成的。在貿易結算中合同雙方可協商用任何一個溫度,稱為合同溫度。
國際上則采用15.6°C(60°F)或15°C(59°F)。
流量計測量出工況體積流量,需經壓力,溫度換算(用流量演算器)而得。
其換算公式為
式中
qvn, qv——分彆為標準狀態下和工作狀態的體積流量,m3/h;
pn,p——分彆為標準狀態下和工作狀態的**壓力,Pa;
Tn, T——分彆為標準狀態下和工作狀態的熱力學溫度, K;
Zn,Z——分彆為標準狀態下和工作狀態的氣體壓縮係數。