海拔高度对砝码折算质量值的影响

2020-11-27罗平涛

商品与质量 2020年8期

关键词：砝码天平浮力

罗平涛

四川省阿坝州计量检定测试所四川阿坝州 624000

在我国广袤的国土上，存在有许多地区的空气密度会对砝码折算质量的计算造成一定的误差，为了解决该误差，需要采用折算质量越真空质量的计算关系与方法，采用空气浮力修正来保证在一定误差范围内的砝码折算质量值的准确。

1 折算质量与真空质量之间的关系

1.1 真空质量

在砝码规程中已经明确指出了利用真空质量来转换为折算质量的方法，而真空质量则是指被检测的砝码在真空中与标准砝码的相对质量值，因为二者之间的平衡将会受到重力的作用，并通过同质量换算检测到被检测砝码的质量值。而在空气中的某砝码在确定其质量时常常会受到较大的空气浮力作用，且在其质量相同的时候，受到浮力的影响将会随着砝码体积的增大而增大，所以如果体积不同质量相同的两砝码可以在真空中平衡，却无法在空气中平衡，造成较大的误差。为了解决上述问题，需要对真空的质量进行转换，转换之后的质量值被称为折算质量[1]。

1.2 对物体质量的衡量

国际上早已经制定了对物体质量的定义和单位，且一般都会通过砝码与天平来完成质量的衡量，且采用4个9纯度的占合金成分为90%的铂和4个10%的铱制造出千克原器，目前也是国际上统一的标准原器，每个国家的千克原器都会送到原器库中为其赋值，确保各国在质量上的标准统一，我国的千克原器也是如此，但是因为砝码的结构有差异，其密度值通常是浮动的，一般在2.7-8.4之间浮动，单位是g/cm3。

1.3 测量物体质量时的误差修正

上述说到因为材料的不同也存在有测量结果的误差，其原因就在于在空气中因为浮力的影响导致在质量相同下，不同材料拥有不同的密度，从而拥有不同的体积和受到不同的浮力，所以在真空中相同质量的砝码在空气中就存在差异，所以为了提高测量精准度，需要对空气浮力进行修正，将不同材料的砝码修正为密度8.0g/cm3的砝码值[2]。

2 砝码真空质量与折算质量之间的换算差异

2.1 体积计算差异

体积公式为折算质量=真空质量+（折算体积-实际体积）×标准空气密度，通过分析发现折算体积是真空质量与统一密度的求解值，所以利用该公式进行这算当体积的差值在1立方厘米，则折算质量的误差就会在1.2毫克，当体积差值可以满足0.1立方厘米，那么折算质量将可以保证在有效精度范围内。

2.2 密度计算

密度计算采用经验法，在计算中国际上一般采用0.99985位有效数字，公式为折算质量=真空质量×（1-（折算密度/标准密度））/0.99985，并精确到六位有效数字。一般来说，系数取6位和取8位有效数字时期得到的折算质量是有较大差异的，实际运用时要以折算质量的准确性为原则进行。

2.3 折算质量计算原则

在能够确定真空质量和实际体积的时候，因为该计算较为简单，所以要优先采用计算方便、精准度较高的方法实现，利用体积标准公式来计算，如果要使用密度标注公式来计算，则必须要注意其计算精确度，系数所采用的位数必须要和真空质量的有效数字保持一致[3]。

3 海拔对砝码折算质量的影响

3.1 问题探讨

根据最新的砝码检定规程来说，一物体在约定温度和约定密度的空气中，与一约定密度的标准器达到平衡，则标准器的质量即为该物体的折算质量，并对约定温度和约定空气密度进行了规定，且如果某地区空气密度偏移了约定空气密度超过10%，就必须采取修正措施。一个地区的海拔高度与空气密度密切相关，但是当地面空气密度超过最新砝码检定规程时，又无法严格的以8g/cm3的标准砝码来修正，要得到标准折算质量就必须要从空气浮力为切入点。

3.2 流程参数

将多个标称值F1砝码类型进行参照实验，将其相关参数、标准砝码的基本参数、实验室环境参数、所用天平的情况、配套设备的使用情况一一列表处理。标准砝码的基本参数有标称值、折算质量值、标准不确定度、砝码体积、体积标准不确定度；实验室环境参数有温度、大气压力、相对湿度、空气密度；天平情况有型号、器号、最大载荷、实际标尺分度值；配套设备的情况有生产厂家、型号、测量范围、实际标尺分度值、标准不确定度。将上述列表并保证一定精确度范围[4]。

3.3 折算与分析

分别在相应的机械天平、电子天平上采用ABBA循环测量2次，并根据相关数学函数建立数学模型。其表示为：

M1=M0+(V1-V0)×(ρ1-ρ0)± △ I×M2/△ I1±M3

△I0=(I0-I1-I2+I3)/2

△I2=|I4+MS-I4+I5+MS-I5|/2

其中，M1为被检测砝码的折算质量修正值，M0是指标准砝码的折算质量修正值，V1是被检测砝码的体积值，V0是标准砝码的体积值，ρ1空气密度的测量值，ρ0空气密度的参考值，△I是指在天平上读取的质量差值，M2是指添加的小砝码折算质量值，用于添加灵敏度，△I1添加小砝码后的天平值变化，M3添加的小砝码的折算质量修正值，I0和I3分别为被检测的砝码在天平上测得的数值，而I1和I2分别是标准砝码在天平上的测得的数值，而I4，I5被检测砝码和标准砝码的修正值，MS为灵敏度砝码。在对其计算后的结果进行分析，在F1使用空气浮力修正是科学合理并有效的。