砝碼的磁性對(duì)天平的影響

一、前言

    砝碼作為質(zhì)量量值傳遞系統(tǒng)中的實(shí)物量具，其物理特性會(huì)影響質(zhì)量計(jì)量的準(zhǔn)確度，隨著JJG99-2006《砝碼》檢定規(guī)程的頒布實(shí)施，我國(guó)對(duì)于砝碼的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求與OIML建議R111保持一致。由于砝碼的磁性性能成為影響稱(chēng)量準(zhǔn)確度的重要因素，對(duì)砝碼磁性(包括磁化率和磁極化強(qiáng)度)的控制顯得尤其重要。JJG99-2006提出了對(duì)各個(gè)等級(jí)砝碼的磁化率和*磁化強(qiáng)度的要求。

    本文通過(guò)對(duì)砝碼磁性參數(shù)的測(cè)量與分析，研究影響測(cè)量結(jié)果的因素及磁化率測(cè)量設(shè)備的選取等。砝碼磁性測(cè)量在國(guó)內(nèi)屬于剛剛開(kāi)展的項(xiàng)目，對(duì)磁性測(cè)量方法、磁性測(cè)量裝置以及測(cè)量結(jié)果的不確定度分析還有待深入研究。目前，我國(guó)制作砝碼的材料有JF-1無(wú)磁不銹鋼、無(wú)磁不銹鋼和普通不銹鋼、銅合金等，由于砝碼在加工和使用過(guò)程中都有可能被磁化，所以，JJG99-2006及OIML R111中均對(duì)砝碼磁性作出了規(guī)定:包括砝碼的(體積)磁化率和磁極化強(qiáng)度兩方面，例如對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)為E2、標(biāo)稱(chēng)質(zhì)量不小于20g的砝碼，要求磁化率不大于0.07，磁極化強(qiáng)度不大于8μT。首先對(duì)磁化率和磁極化強(qiáng)度進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)呕适且粋€(gè)無(wú)量綱的物理量，磁化率的正負(fù)和大小反映出物質(zhì)磁性的特征，又可分為強(qiáng)磁性物質(zhì)和弱磁性物質(zhì)。目前，國(guó)內(nèi)等級(jí)砝碼基本都采用JF-1無(wú)磁不銹鋼和無(wú)磁不銹鋼制造，這些材料都屬于弱磁性物質(zhì)，砝碼的磁化率值都小于0.07。磁極化強(qiáng)度J定義為物質(zhì)單位體積的磁偶極矩，單位是特斯拉(T)；磁化強(qiáng)度M定義為物質(zhì)單位體積的磁矩，單位是安培每米(A/m)，這兩個(gè)物理量都是有方向的矢量，兩者之間關(guān)系為J=μ0M，公式中μ0為真空中的磁導(dǎo)率，其值為4π×10-7N/A2。在JJG99-2006中，允許的大磁極化強(qiáng)度通過(guò)如表1所示的磁極化強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度兩種物理量表達(dá)。

表1  各等級(jí)砝碼磁極化強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度的大值

    通常使用的磁化率計(jì)給出的結(jié)果都是以特斯拉為單位的磁極化強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由于磁極化強(qiáng)度定義為單位體積的磁偶極矩，所以，通常所說(shuō)的磁化率指單位體積磁化率。表2為各準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼允許的大磁化率。 

表2  各等級(jí)砝碼允許的大磁化率

    二、砝碼磁性測(cè)量數(shù)據(jù)

    以一個(gè)OIML R111建議形狀的E1等級(jí)1kg砝碼為例，砝碼總高度為80.8mm；圓柱體部分:直徑d為47.9mm，高58.5mm；提鈕部分:端部直徑42.9mm，頸部直徑27.0mm；凹底部分:直徑27.2mm，深度0.76mm。為判斷砝碼磁化的均勻性，砝碼分別放在5個(gè)不同位置，采用梅特勒公司生產(chǎn)的MX型磁化率計(jì)對(duì)其進(jìn)行磁性測(cè)量，磁化率和磁化強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果如表3所示，其中，磁化率計(jì)的電子天平分度值為1mg，*磁鐵磁矩值md=0.08500Am2，Zi(i=1、2、3、4、5)值為磁化率計(jì)的*磁鐵中心到被測(cè)砝碼底部的垂直距離。Z1=22.77mm，其余Zi(i=2、3、4、5)在Z1上由4塊1.50mm、1.60mm、5.00mm、20.00mm量塊組合疊加而成。中心位置為被測(cè)砝碼底部的圓心與*磁鐵中心對(duì)齊，左側(cè)位置、右側(cè)位置、上方位置、下方位置分別為砝碼以中心位置為基準(zhǔn)，沿水平、垂直方向，左、右、上、下各移位0.5d。

表3  砝碼磁化率和磁極化強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果

    三、影響砝碼磁性測(cè)量數(shù)據(jù)的因素

    由于國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)擁有砝碼磁化率測(cè)量裝置的測(cè)量原理基本相同，故測(cè)量方法可按照J(rèn)JG99-2006介紹的方法測(cè)量。從砝碼磁性測(cè)量原理及計(jì)算公式可知:

    1.影響砝碼磁化率測(cè)量數(shù)據(jù)的因素

    (1)電子天平顯示的質(zhì)量變化的平均值對(duì)砝碼磁化率測(cè)量不確定度的影響。

    (2)磁化率計(jì)的*磁鐵中心到被測(cè)砝碼底部的垂直距離對(duì)砝碼磁化率測(cè)量不確定度的影響。

    (3)*磁鐵磁矩對(duì)砝碼磁化率測(cè)量不確定度的影響。

    (4)砝碼幾何尺寸對(duì)砝碼磁化率測(cè)量不確定度的影響。

    (5)重力加速度對(duì)砝碼磁化率測(cè)量不確定度的影響。

    2.影響砝碼磁極化強(qiáng)度測(cè)量數(shù)據(jù)的因素

    除了與影響砝碼磁化率測(cè)量數(shù)據(jù)中的相同因素外，還要考慮以下因素:

    (1)砝碼磁化率對(duì)砝碼磁極化強(qiáng)度測(cè)量不確定度的影響。

    (2)磁場(chǎng)梯度對(duì)砝碼磁極化強(qiáng)度測(cè)量不確定度的影響。

    四、砝碼磁性測(cè)量分析

    表3中砝碼磁化率和磁極化強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果表明:

    1.為了測(cè)定一個(gè)砝碼是否被均勻磁化，可通過(guò)移動(dòng)砝碼位置測(cè)量磁性數(shù)據(jù)，判斷其是否被均勻磁化。從表3可知，砝碼在偏離中心位置時(shí)磁化率數(shù)據(jù)之差小于0.00033，磁極化強(qiáng)度之差小于0.064mT，表明砝碼被磁化比較均勻。

    2.磁化率計(jì)的*磁鐵中心到被測(cè)砝碼底部的垂直距離與砝碼磁化率測(cè)量結(jié)果基本無(wú)關(guān)。距離變化時(shí)，磁化率測(cè)量值變化極小。對(duì)磁化率計(jì)的*磁鐵中心到被測(cè)砝碼底部的垂直距離進(jìn)行限制的目的是為了在測(cè)量過(guò)程中確保高準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，以避免發(fā)生砝碼被磁化的現(xiàn)象。在測(cè)量E1等級(jí)砝碼時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不得過(guò)2000A/m；測(cè)量E2等級(jí)砝碼時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不得過(guò)800A/m；測(cè)量其他等級(jí)砝碼時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不得過(guò)200A/m。在砝碼磁化率太小，對(duì)于磁化率計(jì)產(chǎn)生的信號(hào)太弱時(shí)，可減小距離來(lái)增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。各準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼允許的大磁場(chǎng)強(qiáng)度如表4所示。

表4  各準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼允許的大磁場(chǎng)強(qiáng)度

    3.計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)配備了大量的砝碼磁性測(cè)量設(shè)備(磁化率計(jì))，磁化率計(jì)可配備分度值1mg和0.1mg兩種電子天平。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，砝碼磁化率變化0.01，電子天平示值變化100mg左右。由于砝碼磁性指標(biāo)數(shù)值大，兩種配置的磁化率計(jì)對(duì)砝碼磁性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果差別極小，不影響判定結(jié)果。由于分度值0.1mg的電子天平比分度值1*天平價(jià)格貴很多，從經(jīng)濟(jì)實(shí)惠角度考慮，磁化率配備分度值1*天平就足夠了。

    五、磁化率計(jì)的校準(zhǔn)

    隨著JJG99-2006的頒布實(shí)施，越來(lái)越多的檢測(cè)機(jī)構(gòu)和砝碼生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)磁化率計(jì)用于測(cè)量砝碼的磁性。目前，磁化率計(jì)配備的基本上都是分度值為1mg、測(cè)量范圍5g左右的電子天平，對(duì)于如何驗(yàn)收磁化率計(jì)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。基本是檢定磁化率計(jì)配備的電子天平，認(rèn)為電子天平合格，磁化率計(jì)就符合使用要求，其實(shí)通過(guò)檢定電子天平，并不能表明磁化率計(jì)合格，因?yàn)殡娮犹炱街皇谴呕视?jì)的一部分，磁化率計(jì)的性能除與電子天平有關(guān)外，還與*磁鐵磁矩、磁場(chǎng)梯度、幾何尺寸、磁化率計(jì)計(jì)算軟件等有關(guān)。利用標(biāo)定好的具有磁性數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)模塊檢驗(yàn)磁化率計(jì)的性能更為合理，通過(guò)在不同高度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)模塊磁化率值與標(biāo)定值比較的方法，判斷磁化率計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

    六、砝碼磁性對(duì)量值傳遞、電子天平檢定的影響

    隨著質(zhì)量比較儀和電子天平在國(guó)內(nèi)量值傳遞中的廣泛應(yīng)用，使用磁性不合格的砝碼進(jìn)行量值傳遞時(shí)，由于質(zhì)量比較儀和電子天平衡量裝置的結(jié)構(gòu)采用電磁力平衡補(bǔ)償原理實(shí)現(xiàn)平衡，由補(bǔ)償線(xiàn)圈泄漏的磁場(chǎng)，與砝碼的磁性不可避免地會(huì)產(chǎn)生力的相互作用，這樣的力與砝碼受到的重力無(wú)法區(qū)分，影響稱(chēng)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。若使用磁性不合格的砝碼檢定高準(zhǔn)確度級(jí)微量天平，可能導(dǎo)致微量天平的稱(chēng)量部件被磁化，產(chǎn)生較大示值誤差。