砝码的计量影响因素

徐聪恩 / 宁波市计量测试研究院

0 引言

随着科技的不断发展，计量学领域的长度、时间、质量、电流、温度、光度、物质量等七个基本国际单位中，六个基准都已经实现了用微观量来重新定义，如用铯原子的振动频率来定义“s”，用光在真空中的行进距离来定义“m”，等。用这些微观量进行的重新定义不仅准确度比实物计量基准高出几个数量级，而且可以复现，稳定性高。但只有质量单位“kg”仍沿用传统的砝码原器作为实物基准，质量计量方面更加值得努力探索。

在涉及贸易结算中，砝码是最重要的实物量具，其质量的合格与否关系到工业、农业、科研、医药卫生以及人们的日常生活等方方面面。

实验室的温度、湿度、振动、气压、清洁度及磁性都会影响砝码计量的准确性。下文主要从空气浮力、磁力和表面吸附三方面因素来阐述对砝码质量计量产生的影响。

1 空气浮力

在砝码质量计量中，其体积值需要准确测量，以便进行砝码质量值的浮力修正。根据阿基米德原理，物体所受浮力等于排开气体的质量，目前测量砝码体积[1]的方法主要有两种：液体静力法和声学测量法。液体静力法具有较高的测量准确度，但也存在缺陷，溯源至纯水的密度，一级纯水较难保存，液体密度的稳定性也难以控制，测量过程复杂，需要清洗砝码，效率低下。非接触式声学测体积法测量快速、无污染，利用正弦信号驱动相位相反的两个声压信号，并基于气体压缩定律的原理来设计完成。温度还会导致金属热胀冷缩，使得体积发生略微的变化。

浮力修正同时需要得到准确的空气密度值。为此，对温度、湿度和压力环境参数分别进行测量。

空气密度ρa为

式中：p—大气压力；

Ma—干燥空气的摩尔质量，下标α表示空气；

Z—压缩系数；

R—摩尔气体常数；

T—热力学温度；

xv—水蒸气的摩尔小数；

Mv—水的摩尔质量，下标 v表示蒸气

当CO2含量可以测量时，计算干燥空气的摩尔质量Ma的公式为

xv的计算公式为

式中：h—相对湿度；

f( p，t )—增强因子

f( p，t )的计算公式为

式中：α、β、γ—常数；

t—摄氏温度；

psv( t )—饱和蒸气压力

psv( t )的计算公式为

式中：A、B、C、D—常数；

T—热力学温度

压缩系数Z从潮湿空气的维里系数导出：

式中：a0、a1、a2、b0、b1、b2、c0、c1、d0、e—常数

在空气密度近似公式中，CO2含量参数被忽略不计，如增加CO2含量参数的测量，对提高空气密度计算的精度是非常重要的。

2 磁力

在高精度砝码计量领域，电子天平和质量比较仪已经获得了越来越广泛应用，而其原理采用电磁力补偿原理，称量过程中砝码与天平的磁缸及线圈产生的磁场泄露不可避免地会产生相互作用力，影响结果的准确性。砝码磁性通过磁化率[2]和永久极化强度来描述。磁化率反映砝码材料本身对周围磁场的一种反应能力，永久磁化强度是表述砝码在没有外界磁场时磁性状态的参数。磁性和砝码高度、半径、砝码底部到磁铁中心距离、砝码顶部到磁铁中心距离、当地的重力加速度值、磁铁磁矩的模、当地的竖直向地磁场磁感应强度分量、材料、表面状况、密度都有直接关系。

测量过程中磁力会产生负面的影响，这种力在质量测量中无法与重力相区别。磁力可以引起两个质量标准之间的相互作用，也可引起质量标准或测量中使用的衡器仪器与周围相近的其他磁性物体之间的相互作用。一般通过磁化率计测量磁化率和磁化强度，测量原理是通过放置在天平秤盘上的磁铁与其上方的砝码会产生磁性作用力的测量，得到磁力值。市场上主要有梅特勒的YSZ型磁化率计和赛多利斯UMX型磁化率计，均依照R111建议的测量原理来进行的。

磁化率计算公式为

式中：Δm1—磁体北极向下时，磁体与砝码作用力引起的读数变化；

Δm2—磁体北极向上时，磁体与砝码作用力引起的读数变化；

Z0—砝码底部到磁体中心的距离；

md—磁体的磁矩；

g—重力加速度值；

Ia—几何修正因子

αi取决于砝码形状，取±1；hk为砝码高；rj为砝码半径。

磁化率只要遵循国际建议OIML R111-1(2004)和国际惯例，即可保证砝码质量值的准确可靠。

3 表面吸附

放在空气中的砝码，它的表面会吸附一定厚度的水分子层，空气中水蒸气的分子有一部分被吸附在砝码表面上，并形成一层“水膜”， “水膜”的厚度与物体表面性质、环境温度有相当大的关系，表面越粗糙、温差越大，吸附“水膜”的厚度越大。干燥的环境和稳定的温度对高精度砝码测量都至关重要。

有证据表明，保存在国际计量局的铂铱合金砝码原器，由于表面吸附物的影响，其真实质量不断随着岁月而发生变化，累计的误差已达到10-8量级。利用X射线光电波谱仪、Auger电子显微镜、椭圆偏振仪等设备对砝码表面进行观察，可以研究清洗工艺、表面吸附与污染对砝码质量产生的影响。

4 结语

保证砝码质量的准确性，是计量检定工作得以顺利展开的关键因素，随着计量仪器设备的技术性突破，以及计量理论知识的不断创新，关于影响砝码质量的各种因素有了更深入的研究，对进一步提高计量检定的质量大有裨益。

[1]胡满红，王健，张跃.基于声学原理的砝码体积测量方法研究[J].仪器仪表学报，2012, 10: 7-10.2337-2342.

[2]薛靓，陈雪松，曾波.砝码磁化率对其折算质量值的影响及量化分析 [J].中国测试，2010, 9: 18-20.

[3]李燕华.活塞式压力计专用砝码质量的计算和修正中的问题[J].计量技术，2007，4：50-52.

[4]史莉，鲁新光，丁培云.砝码体积测定在质量量值传递中的作用[J].计量技术，2012，4：33-35.