液体相对密度天平的检定方法

2019-04-09张莉莉王健上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2019年1期

张莉莉王健/上海市计量测试技术研究院

0 引言

液体相对密度天平是测量液体相对密度的一种天平。它的测试方法简便而迅速，对测试液体相对密度的测量准确度较高，测定液体的相对密度为2.000 0，适用范围包括医疗、化工、科研等领域。液体相对密度天平（以下简称天平）（见图1）利用了阿基米德定律和杠杆原理，是用一标准测锤浸没于液体中获得浮力而使横梁失去平衡，然后在横梁的V形槽里放置各种定量骑码，使横梁恢复平衡，即能正确测出该液体的相对密度值。天平的测锤体积是一个已知恒定的量，在测定不同液体的相对密度时根据所加骑码的质量确定该体积所排液体的质量，就可以得知被测液体的相对密度。目前在天平的检定工作中还存在许多问题，本文据笔者在天平日常检定中发现的问题，结合JJG 171-2016《液体相对密度天平》检定规程（以下简称规程）展开探讨。

图1 液体相对密度天平结构图

1 测锤系统与15g钩码之间质量差值的检定

将15 g钩码挂在天平挂钩上，把5 mg骑码放在横梁上的第5号槽口上，调整天平底座的水平螺钉，使横梁处于平衡位置。根据杠杆平衡原理，钩码在挂钩上时天平保持平衡，天平挂钩端受力

式中：mg——钩码的质量；

mj——5 mg骑码的质量；

g——重力加速度

将15 g钩码卸下，挂上整套测锤系统，观察天平的平衡位置。若天平不平衡，移动5 mg骑码，使天平达到平衡。

例如：测锤系统在挂钩上且5 mg骑码在第4号槽口上使天平保持平衡，天平挂钩端受力

式中：mc——测锤系统的质量；

mj——5 mg骑码的质量

由两次平衡F1=F2知：

则测锤系统质量mc与钩码质量mg差值：

2 单只测锤质量的检定

规程规定：将测锤卸下，用专用标准砝码代替测锤的质量。通过移动5 mg骑码，使天平达到平衡，单只测锤质量值应满足大于10 g的要求，即重新平衡后，5 mg骑码槽口位置小于平衡前槽口位置。这里笔者认为单只测锤质量检定可以使用多种方法来实现：

方法一：使用检定分度值不低于0.1 mg的电子天平直接称量，直接判断测锤质量；

方法二：用2个5g的专用标准砝码直接挂在悬丝的底端；

方法三：本规程规定的方法，专用标准砝码可以选用5 g、4.5 g和5～500 mg骑码配合使用挂在挂钩上，移动5 mg骑码，使天平达到平衡，即重新平衡后5 mg骑码槽口位置小于平衡前槽口位置。

以上三种方法，电子天平的操作简单快捷，负责液体相对密度天平检定的所属专业-质量专业实验室配备检定分度值为0.1 mg的电子天平比较常见，该种方法容易实现；第二种方法可以配套专用标准砝码实现，天平指针端严重向下偏离即可满足测锤大于10 g的要求；第三种方法不实用，首先测锤质量大于10 g，体积为5 cm3，测锤质量没有固定值，很难用多个骑码配衡使天平保持平衡，其次配衡的砝码大于10 g且质量大于测锤的质量，5 mg骑码的槽口位置小于平衡前槽口位置，若配衡的砝码质量大于10 g且质量小于测锤的质量，5 mg骑码的槽口位置大于平衡前槽口位置。第三种方法把配衡的砝码质量大于10 g且质量小于测锤的质量这一合格情况排除了。

从表1中可知首次检定在检定项目里，而规程附录检定证书内页没有该项内容，建议检定证书内页加上单只测锤质量的检定是否合格这一栏。根据近年来的检定情况分析，经常有测锤的质量不合格的情况出现。整套测锤重量合格，但是测锤质量小于10 g，究其原因是本应在测锤的质量加在了双钩码的里面。该种情况直接导致下面的检定步骤检定不合格，故该步骤检定至关重要。

表1 天平检定项目一览表

3 天平灵敏度的检定

测锤在玻璃量筒蒸馏水中平衡时，将5 mg骑码挂到天平相应的横梁槽口后，当天平处于平衡状态下，轻轻地将标准砝码中另一个5 mg骑码挂到天平挂钩上，指针平衡位置静止点的偏离量应不小于1 mm要求。如果天平灵敏度不够，可以通过重心坨调节天平的灵敏度，调好后按照检定规程的检定项目进行重新检定。

4 测锤体积差所引起相对密度误差的检定

在符合检定环境条件下，将蒸馏水倒入玻璃量筒至适当高度（适当高度是指在检定时能使测锤一部分悬丝15～20 mm浸入蒸馏水中，但测锤不能触及玻璃量筒），并在玻璃筒内插入一支温度计，待5 min后读取蒸馏水的温度值。

清洗测锤和悬丝，将整套测锤系统（包括测锤的悬丝、双钩码和测锤）挂到挂钩上，调整天平使其重新平衡。再将测锤放入蒸馏水中，测锤完全没入蒸馏水中，并确保测锤和金属丝没有附着气泡。

检定中当蒸馏水的温度偏离20 ℃时，其相对密度值按式（1）计算进行修正

式中：dt——蒸馏水在t℃时的相对密度值；

α——玻璃测锤材料的体积膨胀系数，取0.000 025 ℃-1；

t——检定时蒸馏水的温度，℃

将5 g骑码或者4.5 g骑码和475～495 mg任意一只骑码（当相对密度小于1时）挂在挂钩上，并在横梁的V形凹槽上放置适量的骑码，使其平衡。根据所挂砝码算出的相对密度值dt和测得的水温，按式（1）进行修正，其结果dt与天平检定规程附录A表所列的相对密度值作比较，两者差值应符合±4分度要求。

例如，在玻璃量筒内水温为24.0 ℃时，4.5 g和495 mg骑码在天平挂钩上，5 mg骑码在第4号槽口。根据所挂专用标准砝码表2算出相对密度为0.999 4。测得水温24.0 ℃时，修正后的相对密度值dt为0.999 3。查规程附录A得到24.0 ℃下的相对密度值d2为0.999 1，计算得出测锤体积差所引起相对密度误差值为0.000 2，即为2分度。该检定项目合格。

5 横梁分度的间距差所引起相对密度误差的检定

按第4部分所述的步骤，当天平横梁处于平衡时，观察5 mg骑码放置在横梁V形凹槽口的位置在第4号槽口，并以此作为零位，相对密度示值为1.000 4。

（1）在相对密度大于1情况下

将挂钩上5 g骑码取下，放在第9号槽口上，同时将500 mg骑码放在挂钩上，观察天平是否平衡。若天平不平衡，移动5 mg骑码，使天平平衡。

表2 检定用的专用标准砝码

例如：移动5 mg骑码到第6号槽口，使其平衡。此时在平衡状态下示值为1.000 6，则相对密度误差为0.000 2（-2分度）。

然后，将5 g骑码移至第8号槽口上，挂钩上再加放500 mg骑码（此时挂钩上有2只500 mg骑码），观察天平是否平衡。天平不平衡则将5 mg骑码移动到3槽，此时天平平衡，则相对密度误差为0.000 1（1分度）。按照上述方法依次检定第7，6，…，2，1号槽口，将每一槽口平衡位置与零位作比较，其偏离零位的量即为每个槽口的相对密度误差，均应符合相应技术要求。

（2）在相对密度小于1情况下

将挂钩上4.5 g骑码取下，把5 g骑码放在第9号槽口上，观察天平是否平衡。若天平不平衡，移动5 mg骑码使天平平衡。

将5 g骑码移至第8号槽口上，同时将500 mg骑码挂到挂钩上，观察天平是否平衡。按照上述方法依次检定第7，6，…，2，1号槽口，将每一槽口平衡位置与零位作比较，其偏离零位的量即为每个槽口的相对密度误差，均应符合相应技术要求。

6 附录部分

附录B中天平原始记录格式里有配备的温度计合格与否一栏。个人建议天平原始记录里不需要加温度计的检定情况。如果原始记录需要加配置的温度计的合格情况，客户送检天平时，需要提供该温度计有效的检定证书复印件。另外温度计为易碎品，加在配套设备中不利于客户更换使用。只要配备的温度计准确度等级符合规程规定，计量性能满足相应的温度计检定规程即可。

附录C和附录D中检定项目整套测锤应改为测锤系统，和规程中的术语一致。笔者建议增加单只测锤质量的首次检定内容。