单标线塑料容量瓶的校准方法

贾梦琳，房永强，曹磊

（西安汉唐分析检测有限公司，西安 710201）

玻璃容量瓶一直以来是分析检测实验室不可缺少的量器，但其往往存在微量金属离子干扰、不耐氢氟酸等缺点。近年来，航空材料钛合金、锆合金、铪合金的分析技术迅速发展，相关的检测标准在逐步完善，塑料容量瓶以其不易碎、无硅酸根干扰等优点，逐步取代了玻璃容量瓶［1-2］。随着塑料容量瓶的应用范围越来越广，塑料量器的校准需求呈现出不断上升的趋势［3］，其容量的准确性受到计量检测人员和企事业单位的关注。目前我国暂未发布针对塑料量器的检定规程或校准规范，因此相关校准方法的建立是非常有必要的。

针对于塑料容量瓶的校准，不少单位会参照JJG 196—2006 《常用玻璃量器检定规程》和JJG 646—2006 《移液器检定规程》进行自校［1］，即通过称量塑料容量瓶中的纯水质量，再测量纯水的温度，通过计算修正系数K(t)值，得到该塑料容量瓶的实际容量。但不同于玻璃量器，由于纯水在塑料容量瓶中受表面张力的影响接近为平液面，定容方式应取液面与容量瓶标线的上边缘相平［3-5］。且塑料材质的体胀系数远大于玻璃材质，并且不同材质的塑料容量瓶其体胀系数也不尽相同，导致其实际容量的计算出现较大偏差。

笔者参考玻璃容量瓶校准方法，采用纯水介质衡重法，建立了塑料容量瓶的校准方法。衡重法的关键是修正系数K(t)值的确定，笔者列举了三种塑料容量瓶体胀系数所对应的K(t)值表，解决了常见塑料容量瓶实际容量计算的难题，为塑料容量瓶的校准提供了参考。

1 单标线塑料容量瓶校准方法

1.1 校准项目

容量。

1.2 校准环境及设备

1.2.1 校准条件

温度：室温（20±5）℃，且室温变化不得大于1℃/h；校准用水：纯水，应提前24 h放入实验室，使其温度与室温温差不大于2℃；校准前需将容量瓶洗净并干燥，且提前4 h放入实验室内。

1.2.2 校准仪器

电子天平1：XPR205DU型，测量范围为0.01 mg～220 g，分度值为0.01 mg/0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司。

电子天平2：UW1020H型，测量范围为0.02～1 020 g，分度值为0.001 g，日本岛津公司。

电子天平3：UX6200H型，测量范围为0.5～6 200 g，分度值为0.01 g，日本岛津公司。

精密温度计：1552 AEx型，测量范围为-80～300℃，分度值为0.01 ℃，福禄克测试仪器(上海)有限公司。

1.3 校准方法

根据容量瓶的容量选择对应的电子天平，将洗净并干燥的容量瓶盖上瓶盖放入电子天平中，待示值稳定后取下，记录空瓶质量（按照天平的实际分度值记录）。将被校准容量瓶用纯水定容至标线，瓶内不得有气泡，盖上瓶盖，放入电子天平中，称得瓶内纯水质量m。将温度计插入容量瓶中，测得纯水温度t，读数精确至0.1 ℃。

标准温度为20 ℃时的实际容量值可由下式计算得到：

式中：V20——标准温度为20 ℃时的被检塑料量器的实际容量，mL；

m——塑料量器内所能容纳水的表观质量，g；

ρB——砝码密度，取8.00 g/cm3；

ρA——测定时实验室内空气密度，取0.001 2 g/cm3

ρW——纯水在t℃时的密度，g/cm3；

β——塑料量器的体胀系数，℃-1；

t——校准时纯水的温度，℃。

为简便计算过程，也可将式(1)简化为式(2)：

2 K(t)值计算

目前，市场上常见的塑料容量瓶所用材质主要包括聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚四氟乙烯(PFA)等，不同材质的塑料量器体胀系数（β）不同，聚丙烯(PP)的β值为4.50×10-4℃-1，聚甲基戊烯(PMP)的β值为3.51×10-4℃-1，聚四氟乙烯(PFA)的β值为3.30×10-4℃-1［1-2］。

由K(t)值的计算公式(3)可得，当水温为20℃时，可忽略体胀系数带来的影响，无需考虑容量瓶的材质，可直接计算实际容量。但实际中往往难以将水温精准控制于20.0 ℃，并且要求在实验时操作迅速，避免长时间的呼吸和体温造成水温的偏离［2-3］。

查得纯水密度表，根据几种常见的塑料材质，计算得到聚丙烯(PP)、聚甲基戊烯(PMP)、聚四氟乙烯(PFA)的K(t)值（见表1～表3），以便于实验人员在（20±5）℃的温度范围内通过计算得到实际容量，大幅提高了此校准方法的可实施性。

表1 聚丙烯(PP)K(t)值（体胀系数β=450×10-6℃-1，空气密度为0.0012 g/cm3）

表2 聚甲基戊烯（PMP）K(t)值（体胀系数β=351×10-6 ℃-1，空气密度为0.001 2 g/cm3）

表3 聚四氟乙烯（PFA）K(t)值（体胀系数β=330×10-6 ℃-1，空气密度为0.001 2 g/cm3）

3 校准数据

按照1.3校准方法，以VITLAB 100、500、1000 mL塑料容量瓶为例，材质为PMP，每种容量重复6次试验，校准均在容量允许误差内，结果见表4。

表4 试验数据

4 不确定度评定

根据实际测量以及公式（2）可知，测量过程中，校准结果的不确定度由称量过程和测温过程引入。

4.1 输入量m的标准不确定度u(m)

u(m)由2个分项组成，即电子天平引入的标准不确定度u(m1)和被检玻璃量器质量测量重复性引入的标准不确定度u(m2)。

（1）电子天平称量引入的标准不确定度u(m1)。100 mL的容量瓶采用测量范围为0.01 mg～220 g的电子天平称量，根据电子天平检定规程可知，该电子天平的最大允许误差为±0.5 mg，属均匀分布，取包含因子k=，因此：

u(m1)=0.5 mg/k=0.29 mg

（2）被检玻璃量器质量测量重复性引入的标准不确定度u(m2)。电子天平分辨率、水分蒸发等引入的测量不确定度，包含在质量重复性测量中，故不单独评定。

本试验在水温为24.0 ℃时，用电子天平连续称量10次的测量结果为：99.842 8、99.851 4、99.852 4、99.845 7、99.848 7、99.854 7、99.832 4、99.846 8、99.852 4、99.840 4 g，测量平均值为99.847 8 g。可得标准偏差s=0.006 8 g；实际测量中，实测值取1次测量结果的平均值，因此：

u(m2)=s=6.8 mg

（3）输入量m的标准不确定度u(m)。因各输入量互不相关，则：

4.1.2 输入量K(t)的标准不确定度u(k)

由于K(t)仅与温度相关，其它的参数如空气浮力、膨胀系数等均已在表中进行修正，因此与K(t)有关的标准不确定度均由温度测量引入，根据温度测量过程可知，主要由所用温度计的最大允许误差u(k1)、被测介质温度不均匀性u(k2)引入以及温度计分辨率u(k3)的测量不确定度；均采用B类方法进行评定。

（1）数字温度计引入的标准不确定度u(k1)。由数字式温度计校准证书可得，U=0.006 ℃，k=2，故由温度计引入的不确定度：

u(k1)=0.006/2=0.003 ℃

（2）被测蒸馏水溶液温度不均匀引入的标准不确定度u(k2)。实验室温度为（20±5）℃，且在该范围内随机缓慢变化，虽然被测移液器和检定用的蒸馏水均在实验室内进行了长时间的恒温，但其温度也会随着实验室温度发生缓慢变化，且瓶子里存放的蒸馏水存在温度不均匀的问题，取液点与测温点不可能完全相同，经测量瓶内蒸馏水的温场均匀性不超过0.1 ℃，其半宽为0.05 ℃，按照均匀分布，取包含因子k= 3，则：

u(k2)=0.05/k=0.03℃

（3）温度计分辨率引入的标准不确定度u(k3)。所用温度计的分辨率为0.01 ℃，按照均匀分布，取包含因子k= 3,则分辨率引入的标准测量不确定度：

u(k3)=0.01/2/k=0.002 9 ℃

（4）输入量K(t)的标准不确定度u(k)。以上各分量互不相关，因此：

根据实验室温度条件可知，温度范围在20 ℃左右，在该温度下，每变化0.1 ℃，K(t)值变化不大于0.000 02 cm3/g，故：

u(k)=0.03×0.000 02/0.1=0.000 006 cm3/g

4.1.3 标准不确定度汇总

将标准不确定度分量列于表5，由表5可知，影响容量瓶容量校准结果的主要因素来源于称量的重复性以及水温的均匀性，除了对校准人员操作熟练性的要求外，校准前需要对被校准容量瓶恒温尽量保证其温度与水温及室温相同，同时校准时环境温度的稳定也较为重要。

表5 标准不确定度分量汇总

4.1.4 标准不确定度uc的合成

将标准不确定度uc按照公式(4)进行合成：

其中：

计算得到uc(V20)=0.007 mL。

4.1.5 扩展不确定度

按正态分布评定，包含因子k=2，故：

U=uc(V20)×k=0.02 mL

4.1.6 测量不确定度报告

校准100 mL PMP 容量瓶的容量误差扩展不确定：U=0.02 mL，k=2。

5 讨论

在进行量器容量校准时，需控制实验室有较为稳定的室温、水温，二者均应在（20±5）℃的范围内，在实际校准的前4 h，将所用量器放置在实验环境中，以保证其温度与水温及室温相同，同时，对于量器、天平、纯水等的放置位置应该进行合理安排，最大程度降低外在环境对校准结果的影响［4］。不同于玻璃量器，塑料容量瓶的校准，往往存在以下问题：

（1）不同品牌的塑料容量瓶材质、最大允许误差不尽相同。如常见的BRAND品牌的100 mL容量瓶，最大允许误差为±0.20 mL；VITLAB品牌的100 mL容量瓶，最大允许误差为±0.10 mL。因此在校准不同品牌的塑料容量瓶时，需根据瓶身标识选择不同的体膨胀系数进行计算，校准结果也应根据其瓶身标注的最大允许误差进行判定。

（2）液面观察是否准确对容量测量同样影响较大。在进行液面调定过程中，视线与分度线上边缘应在相同平面，分度线上边缘应与弯液面最低处呈水平相切。但对于塑料量器而言，纯水在塑料量器受表面张力的影响接近于平液面，且容量瓶容量越小，纯水的液面越不平整［4］，这就往往需要依靠试验人员的经验来判断其液面与分度线的相切程度。

塑料材质例如聚丙烯，其表面能很小，临界表面张力只有(31～34)×10-5N/cm，所以它的表面润湿性和亲水性很差［6］，在定容时，瓶壁极易出现小气泡，通过震动或是摇晃，难以使全部气泡逸出。所以塑料量器的校准要求实验人员的操作要十分耐心和细心，注水时应沿容量瓶内部缓慢流入，尽量避免气泡形成［1］。

6 结语

当前，实验室常用的单标线塑料容量瓶缺少相应的国家校准规范，实验人员可以按照本校准方法，根据不同材质的塑料容量瓶，计算相应的实际容量，操作方法简便，可操作性强。