徐聰恩 / 寧波市計(jì)量測試研究院

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的長度、時(shí)間、質(zhì)量、電流、溫度、光度、物質(zhì)量等七個(gè)基本國際單位中，六個(gè)基準(zhǔn)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用微觀量來重新定義，如用銫原子的振動(dòng)頻率來定義“s”，用光在真空中的行進(jìn)距離來定義“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，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闡述對砝碼質(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，目前測量砝碼體積[1]的方法主要有兩種：液體靜力法和聲學(xué)測量法。液體靜力法具有較高的測量準(zhǔn)確度，但也存在缺陷，溯源至純水的密度，一級純水較難保存，液體密度的穩(wěn)定性也難以控制，測量過程復(fù)雜，需要清洗砝碼，效率低下。非接觸式聲學(xué)測體積法測量快速、無污染，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，對溫度、濕度和壓力環(huán)境參數(shù)分別進(jìn)行測量。

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)的測量，對提高空氣密度計(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)度來描述。磁化率反映砝碼材料本身對周圍磁場的一種反應(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)量測量中無法與重力相區(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)測量磁化率和磁化強(qiáng)度，測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)生磁性作用力的測量，得到磁力值。市場上主要有梅特勒的YSZ型磁化率計(jì)和賽多利斯UMX型磁化率計(jì)，均依照R111建議的測量原理來進(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。

磁化率只要遵循國際建議OIML R111-1(2004)和國際慣例，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)定的溫度對高精度砝碼測量都至關(guān)重要。

有證據(jù)表明，保存在國際計(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。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、表面吸附與污染對砝碼質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)語

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)量儀器設(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，對進(jìn)一步提高計(jì)量檢定的質(zhì)量大有裨益。

[1]胡滿紅，王健，張躍.基于聲學(xué)原理的砝碼體積測量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012, 10: 7-10.2337-2342.

[2]薛靚，陳雪松，曾波.砝碼磁化率對其折算質(zhì)量值的影響及量化分析 [J].中國測試，2010, 9: 18-20.

[3]李燕華.活塞式壓力計(jì)專用砝碼質(zhì)量的計(jì)算和修正中的問題[J].計(jì)量技術(shù)，2007，4：50-52.

[4]史莉，魯新光，丁培云.砝碼體積測定在質(zhì)量量值傳遞中的作用[J].計(jì)量技術(shù)，2012，4：33-35.