标准砝码体积测定在质量量值传递中的作用

标准砝码体积测定在质量量值传递中的作用

砝码是种从属 的实物量具 ，仅能通过与天平或衡器相 结合 ，以 比较 的方式 确定 其 他物 体 的质量。砝码在计量领域具有非常重要 的作用 ，其用途有两个 ，是作为标 准器具参 与质量量值 传递 ，二是作为标准器具校 准称量类计 量器具 。无论那种用途 ，砝码 均需 借助 于衡 量仪器方 能完成 ，这些称量类器具括各种衡器和天平 。而天平或衡器 的称量原理是 利用 了地 球 的万有引力对砝码 产生 的重力得到砝码 的质量值 。任何物体在空气 中均会受到空气浮力 的影响 ，不同材质砝码所产生的空气浮力不 同，由此对质量量值传递的影响就不容忽视 ，特别 是在 高准确度砝码质量值确定 中这种影响更为显 。 目前 ，世界各 对基标准砝码体积测试极为严格 ，际之 间的砝码量值
比对必须要有砝码体积值 ，其体积值 的准确性直接影响到砝码 的质量值。

二、标准砝码体积测量方法
在现代质量计量 中，砝码是质量量值传递的标准量具 ，际上高质量量值是 以保存在法 际
计量局的铂铱合金千克原 器实物为基 准器 ，量传到各的高质 量量值则是 家千 克基准。家千克基准各 均只有个 ，中的家千克基准是 1965 年 由际计量局检定 、编号为 60 的铂铱合金千克基准砝码 。家千克基 准与家作证基准 、家千克 副基准 、标 准砝码 组成 质 量量值 传 递 系统。根据材质和允许误差来分 ，标 准砝码分为E 1、E 2、F1、F2、M l、M 12、M 2、M 23、M 3 等 九个 准确 度盐量蕉  ! ：等级 。砝码通常应采用金属或合金制造 ，砝码应为耐
腐蚀的。对于 E 等级砝 码其材料硬度和表 面的抗腐蚀性应优于或类似于奥氏体不锈钢。为了提高
砝码的抗腐蚀性和硬度 ，对于于或等于 1g 的 F，、F 等级砝码 的表面应选用适当的金属制造 ，其硬度和脆度应至少优于拉制黄铜。虽然可以给出确定 的砝码制造材料 ，但是 同种
材料的密度不尽相 同，致使 同等级 、同材料砝码 的体积相差很 ，这在行称量 (如精密称量 、化学分析等)和高准确度等级砝码量传中会产生很的称量误差。由此可见 ，行砝码体积测定是势在必行 的，也是不容忽视的。际建议 R 111 给 出了砝码 体积测定 的几种方式 ：
1)的方法。用液体静力法 ，将被测试砝码和标准砝码在空气 中以及 已知密度 的水 中行比较。
2)快和合适的方法。在水 中衡量砝码 ，并检验天平示值在表 中限定值 范围内，或根据天平读数和被测砝码的已知实际质量计算密度 。
3)分别 确定 被测砝码 的质量 和体积。水浴槽
放在天平秤盘上 ，然后根据砝码悬 吊人水槽后 天平读数的增量来确定砝码体积。
4 )该方法适用于 > 1kg 的砝码 。通过衡量在 已
知体积的容器 中有 、无被测砝码 时所充满 的液体来确定密度。
5)此方法适用于带有调整腔 的，不能浸入水 中的砝码 ，根据砝码几何尺寸计算体积。
6 )依据制造砝码材料 的合金成 分来 估计砝码

三。标准砝码密度。
上述方法 1)又称液体静力法 ，主要用于高准确度等级砝码 的体积检测中，也是 除以标称材料 密度计算方式之外广泛应用 于砝码体 积测定 的的测 量方 法 。

四。高准确度等级标准砝码的体积测量
根据 OIM LR111 和JJG 99- - 2006《砝码》要求：F 等级砝码按其使用需要和地理位置情况确定是
否需要测量砝码体积值 ；F 等级 以下的砝码 ，可通过检定规程 中给 出的制造材料 的密度值及其扩展
不确定度行相应 的空气浮力修 正和不确定度 的计算 ；对 E 等级以上的砝码均需测量其体积值 ；且
规定 E 等级 、F 等级砝码 的检定 中必须行体积测试 ，以给使用者提供确切的砝码体积或密度 以确定空气浮力所产生的影响。液体静力体积测量方法 是 以阿基米德定 律为基础演变而成的，关键步骤是必需对被测物体 行液体中和空气中的称量。由于测量程序复杂 ，所 以在执行时会遇 到很 多问题 ，括 ：称量设备 准确度是否满足 、悬挂部分浮力影 响的削减 、 出液体 的操作的合理性 、液体温度场 的恒定 ，以及 液体温度的获得等等。正是 由于这些原 因，致使标准砝码体积的测定 直是全 质量 量值 传递领 域 的盲 区、难点 。

JJG 99- - 2006(砝码》检定规程实施已四年了，而能完成砝码体积测定能力的机构，目前除中计量科学研究 院、中测院技术研究 院等技术机构具备检测能力外 ，省级计量部 门在体积测定
方面尚属空 白，多数机构 只能按照原始 的机械方法行体 积测定。可 以说砝码 体积测试 尚停 留在手动人液加载 、人工计算 阶段 ，这不仅使 得测量误差 、测量时间长 ，还会 引入各种难 以掌控的 因素(如温度变化 、空气环境变化等 )以致影响到终的测量准确性 ，而且在测量公斤砝 码时 ，操作 的安全性、可靠性都难 以。采用液体静力称量原理 ，需借助衡 量仪器获得在 已知密度液体 中砝码 的质量 ，根据物体在液体 中所受浮力的小等于它所排开 的液体重力原理 ，后获得砝码体积 。根据 JJG 99- - 2006(砝码》规定 ，所描述的砝码体积系指砝码在参考温度为 20℃时的砝码体积。如果测量温度不在此温度条件下 ，则可根据砝码材料 的体膨胀系数 ，将其修正到 20℃的体积(或密度)。由于在称量过程 中悬挂砝码 的金 属部件始终处在衡量仪器的承载器上 ，其浸入液体的体 积不 同其重量值和浮力会不同 ，也就会直接影响砝 码在不同状态下的称量值 ，悬挂部分的液位保持恒定是整个体积测量的技术关键 ，也是技术难点。借助 已知参数(液体密度 、空气密度、被检砝码的真空质量值 ) ，通过称量得 到被 检砝码 在空气 中的质量 、空气 中标准砝 码加液 体 中被检 砝码 质量和，再通过式(1)得到被检砝码体积 ：，m '／r×p。+ (，1，2)  ，，、t— — l‘ P z —P 。
式中：， 为空气中称量被检砝码的比较仪示值 ；，2 为被检砝码在液体 中且标准砝码在 空气 中的 比较仪示值；m ，为标准砝码 的真空质量值 (已知 )；  为被检砝码的体积；  为标准砝码的体积 ( 已知) ；p。为工作时 的空气 密度 ( 已知 ) ；p 为液体 的密度 ( 已知 )。

五、标准砝码测量不确定度分析
测量结果 的不确定度 指整个测量过程 中所受各种因素影 响，而造成 的测量 结果分散性 ，是与测
量结果密切相关 的参数 ，反映了对被测量值的认识不足程度 。测 量结果不确定度通 常借助测量结果数学模型和不确定 度传播规律来评 定。本系统 的数学模型见式 (1)。3．1 与标准砝码相关的不确定度 ／ 2,(m ，)、M(  )这两个分 量 分别 代 表标 准 砝 码 的 质量 值 和体积值 的不确定度分 量 ，来源 于质量 量传 的上级准装置 ，通 常 由标 准 砝码 的检定 证 书得 到 ，如果不能从检定证 书 中得 到该值 ，可查 阅相应 资料得 出。

按规程规定 ，组标 准砝码 的不确定度为每个砝码的线性累加 ，被检砝码 的不确定度假设与标准砝码不相关 ，则此分量可改写为 ：(m ) =  (m 1) + ? +  (m )3．2 与空气密度测量相关的不确定度 (p。)此时测定空气密度的不确定度 由温度 t、压力 P和空气湿度  的不确定度评定 ，即：盐量控  Q ：u (Pa ；+(等u  opo  )在相对湿 度 50％ ，温度 20 ~C 和压力 101325Pa时，可近似采用 以下数值 ：10   。  = 1o ～p 。=  4 ×10 ～p 。  =  ～p 。查资 料 得 ：“p = lOPa，“ = 0．I~C ，“ = 1％ ，P =1．185k g／m 。
3．3 与液体密度测量相关的不确定度 ¨( )该分量为所使用液体 的密度的不确定度 ，可以通过查找 资料 得到。而 如果利用两个 已知质量值(m 。、m ：)和体积值 (  、 )的砝码 ，通过砝码体积测量的两个步骤 ，可以推算 出液体的密度值。即：m 2 m 1 ±ZXm "— —A V =  V1此时 ，液体 密度的不确 定 度通 过计 算 可 以得到 ，计算公式如下 ：((  )a m " = m 2 m l(  V1) ×p  A m ×DD_(1_1．2／8000)×苦式 中：a m " 为修正后衡量差值 ；△m 为衡量示值差 ；D 为天平内部校准 因子 ；p 为天平 内部校准砝码的密度 。

3．4 与称量仪器有关的不确定度 M(b )该分量与天平分辨力 d ／2 有关 ，可表示为 ：(d i／2／ 1×

六。 结束语
标准砝码是基础计量器具 ，是质量量值传递 的必需标准器。砝码质量值 的准确 直接影响到我 质量量值的传递 ，而砝码体积 的测定是影 响砝码质量值的重要因素。地域 的海拔 高度 、纬度 、气压力等因素的改变都使砝码体积对质量值 的影响更加 明显。受空气浮力影响 ，不 同材质砝码所产生的空气浮力不同 ，由此对 质量量值 传递 的影 响就不 容忽视 ，特别是在高准确度砝码质 量值确定 中这种影响更为显。

标准砝码体积测定在质量量值传递中的作用