砝碼的計(jì)量影響因素

徐聰恩 / 寧波市計(jì)量測(cè)試研究院

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量、電流、溫度、光度、物質(zhì)量等七個(gè)基本國(guó)際單位中，六個(gè)基準(zhǔn)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用微觀量來(lái)重新定義，如用銫原子的振動(dòng)頻率來(lái)定義“s”，用光在真空中的行進(jìn)距離來(lái)定義“m”，等。用這些微觀量進(jìn)行的重新定義不僅準(zhǔn)確度比實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而且可以復(fù)現(xiàn)，穩(wěn)定性高。但只有質(zhì)量單位“kg”仍沿用傳統(tǒng)的砝碼原器作為實(shí)物基準(zhǔn)，質(zhì)量計(jì)量方面更加值得努力探索。

在涉及貿(mào)易結(jié)算中，砝碼是最重要的實(shí)物量具，其質(zhì)量的合格與否關(guān)系到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、醫(yī)藥衛(wèi)生以及人們的日常生活等方方面面。

實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、振動(dòng)、氣壓、清潔度及磁性都會(huì)影響砝碼計(jì)量的準(zhǔn)確性。下文主要從空氣浮力、磁力和表面吸附三方面因素來(lái)闡述對(duì)砝碼質(zhì)量計(jì)量產(chǎn)生的影響。

1 空氣浮力

在砝碼質(zhì)量計(jì)量中，其體積值需要準(zhǔn)確測(cè)量，以便進(jìn)行砝碼質(zhì)量值的浮力修正。根據(jù)阿基米德原理，物體所受浮力等于排開氣體的質(zhì)量，目前測(cè)量砝碼體積[1]的方法主要有兩種：液體靜力法和聲學(xué)測(cè)量法。液體靜力法具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，但也存在缺陷，溯源至純水的密度，一級(jí)純水較難保存，液體密度的穩(wěn)定性也難以控制，測(cè)量過程復(fù)雜，需要清洗砝碼，效率低下。非接觸式聲學(xué)測(cè)體積法測(cè)量快速、無(wú)污染，利用正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)相位相反的兩個(gè)聲壓信號(hào)，并基于氣體壓縮定律的原理來(lái)設(shè)計(jì)完成。溫度還會(huì)導(dǎo)致金屬熱脹冷縮，使得體積發(fā)生略微的變化。

浮力修正同時(shí)需要得到準(zhǔn)確的空氣密度值。為此，對(duì)溫度、濕度和壓力環(huán)境參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)量。

空氣密度ρa(bǔ)為

式中：p—大氣壓力；

Ma—干燥空氣的摩爾質(zhì)量，下標(biāo)α表示空氣；

Z—壓縮系數(shù)；

R—摩爾氣體常數(shù)；

T—熱力學(xué)溫度；

xv—水蒸氣的摩爾小數(shù)；

Mv—水的摩爾質(zhì)量，下標(biāo) v表示蒸氣

當(dāng)CO2含量可以測(cè)量時(shí)，計(jì)算干燥空氣的摩爾質(zhì)量Ma的公式為

xv的計(jì)算公式為

式中：h—相對(duì)濕度；

f( p，t )—增強(qiáng)因子

f( p，t )的計(jì)算公式為

式中：α、β、γ—常數(shù)；

t—攝氏溫度；

psv( t )—飽和蒸氣壓力

psv( t )的計(jì)算公式為

式中：A、B、C、D—常數(shù)；

T—熱力學(xué)溫度

壓縮系數(shù)Z從潮濕空氣的維里系數(shù)導(dǎo)出：

式中：a0、a1、a2、b0、b1、b2、c0、c1、d0、e—常數(shù)

在空氣密度近似公式中，CO2含量參數(shù)被忽略不計(jì)，如增加CO2含量參數(shù)的測(cè)量，對(duì)提高空氣密度計(jì)算的精度是非常重要的。

2 磁力

在高精度砝碼計(jì)量領(lǐng)域，電子天平和質(zhì)量比較儀已經(jīng)獲得了越來(lái)越廣泛應(yīng)用，而其原理采用電磁力補(bǔ)償原理，稱量過程中砝碼與天平的磁缸及線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)泄露不可避免地會(huì)產(chǎn)生相互作用力，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。砝碼磁性通過磁化率[2]和永久極化強(qiáng)度來(lái)描述。磁化率反映砝碼材料本身對(duì)周圍磁場(chǎng)的一種反應(yīng)能力，永久磁化強(qiáng)度是表述砝碼在沒有外界磁場(chǎng)時(shí)磁性狀態(tài)的參數(shù)。磁性和砝碼高度、半徑、砝碼底部到磁鐵中心距離、砝碼頂部到磁鐵中心距離、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?、磁鐵磁矩的模、當(dāng)?shù)氐呢Q直向地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分量、材料、表面狀況、密度都有直接關(guān)系。

測(cè)量過程中磁力會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響，這種力在質(zhì)量測(cè)量中無(wú)法與重力相區(qū)別。磁力可以引起兩個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間的相互作用，也可引起質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量中使用的衡器儀器與周圍相近的其他磁性物體之間的相互作用。一般通過磁化率計(jì)測(cè)量磁化率和磁化強(qiáng)度，測(cè)量原理是通過放置在天平秤盤上的磁鐵與其上方的砝碼會(huì)產(chǎn)生磁性作用力的測(cè)量，得到磁力值。市場(chǎng)上主要有梅特勒的YSZ型磁化率計(jì)和賽多利斯UMX型磁化率計(jì)，均依照R111建議的測(cè)量原理來(lái)進(jìn)行的。

磁化率計(jì)算公式為

式中：Δm1—磁體北極向下時(shí)，磁體與砝碼作用力引起的讀數(shù)變化；

Δm2—磁體北極向上時(shí)，磁體與砝碼作用力引起的讀數(shù)變化；

Z0—砝碼底部到磁體中心的距離；

md—磁體的磁矩；

g—重力加速度值；

Ia—幾何修正因子

αi取決于砝碼形狀，取±1；hk為砝碼高；rj為砝碼半徑。

磁化率只要遵循國(guó)際建議OIML R111-1(2004)和國(guó)際慣例，即可保證砝碼質(zhì)量值的準(zhǔn)確可靠。

3 表面吸附

放在空氣中的砝碼，它的表面會(huì)吸附一定厚度的水分子層，空氣中水蒸氣的分子有一部分被吸附在砝碼表面上，并形成一層“水膜”， “水膜”的厚度與物體表面性質(zhì)、環(huán)境溫度有相當(dāng)大的關(guān)系，表面越粗糙、溫差越大，吸附“水膜”的厚度越大。干燥的環(huán)境和穩(wěn)定的溫度對(duì)高精度砝碼測(cè)量都至關(guān)重要。

有證據(jù)表明，保存在國(guó)際計(jì)量局的鉑銥合金砝碼原器，由于表面吸附物的影響，其真實(shí)質(zhì)量不斷隨著歲月而發(fā)生變化，累計(jì)的誤差已達(dá)到10-8量級(jí)。利用X射線光電波譜儀、Auger電子顯微鏡、橢圓偏振儀等設(shè)備對(duì)砝碼表面進(jìn)行觀察，可以研究清洗工藝、表面吸附與污染對(duì)砝碼質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

保證砝碼質(zhì)量的準(zhǔn)確性，是計(jì)量檢定工作得以順利展開的關(guān)鍵因素，隨著計(jì)量?jī)x器設(shè)備的技術(shù)性突破，以及計(jì)量理論知識(shí)的不斷創(chuàng)新，關(guān)于影響砝碼質(zhì)量的各種因素有了更深入的研究，對(duì)進(jìn)一步提高計(jì)量檢定的質(zhì)量大有裨益。

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