砝碼磁化率對其折算質(zhì)量值的影響及量化分析

薛 靚，陳雪松，曾 波，黨正強，曹 英

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

在電子天平普遍代替機械天平的今天，了解砝碼的磁性對于砝碼質(zhì)量值測量的影響越來越受到人們的重視。

砝碼的磁性參數(shù)包括砝碼的磁化率和極化強度。砝碼的磁化率（χ），即砝碼改變磁場能力的量度。砝碼的磁化率與體積密切相關(guān)，所以又稱體積磁化率。磁化率是沒有單位的常數(shù)。砝碼的極化強度（μ0M），是使砝碼暫時磁化的過程，是表述砝碼在外界磁場中磁性狀態(tài)的參數(shù)，其單位為特斯拉（T）。砝碼的磁化率是常數(shù)，在通常情況下是不會改變的，但極化強度卻很容易改變，所以，砝碼磁性指標(biāo)更重要的是磁化率指標(biāo)。

2 砝碼磁性測量方法

在OIML R111-1（2004）國際建議中，推薦了以下3種測量砝碼磁性的方法[1]。

2.1 磁化率計法

此方法是通過測量砝碼在永久強磁鐵的磁場梯度中所受的力來測量磁化率和永久極化強度。因此，測量時，砝碼底面高度和磁鐵中心高度之間的距離Z0最初約為25mm，然后，若磁化率太小以至無法測量，才減小 Z0。

2.2 吸引法

該方法通過平衡永久磁鐵作用在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上的力和作用在磁導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)上的力來實現(xiàn)的，然后利用磁導(dǎo)率與磁化率之間的關(guān)系式（μr=1+χ）計算出磁化率。

2.3 磁通法

該方法采用磁通量磁場計確定物體相對磁導(dǎo)率，其磁場計采用含有永磁鐵的磁導(dǎo)率探頭來接近物體。

3 磁化率計法測量原理

磁化率計法是國際建議推薦使用的方法。下面以磁化率計YSZ02C為例介紹磁化率計法的測量原理[2]。

磁化率計是通過調(diào)整加載平臺高度從而改變測量位置處的磁場強度，以適應(yīng)不同等級砝碼的磁性測量。調(diào)節(jié)范圍從Z1至Z5共5個不同高度標(biāo)識，通過調(diào)整磁極轉(zhuǎn)換裝置從而改變標(biāo)準(zhǔn)磁體的磁性，以獲得被測砝碼在不同磁極磁性下受到的磁力。最后通過傳輸電纜將磁化率計采集到的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)過該磁化率計專用軟件V.1.01.005的分析計算，最終得出被測砝碼的磁化率及其他相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。

在測量過程中，使用了一臺高精度的天平來測量永久磁鐵和砝碼之間的相互作用力。由于測試磁鐵的特性是已知的，那么根據(jù)砝碼與測試磁鐵之間的距離和砝碼的幾何特性，就能計算出砝碼的磁性。

磁化率計自帶的軟件可為用戶提供操作幫助，菜單提示提供所有的相關(guān)數(shù)據(jù)，并引導(dǎo)用戶完成測量操作。砝碼標(biāo)準(zhǔn)幾何尺寸的參數(shù)能在程序的數(shù)據(jù)庫中調(diào)出，特殊的形狀可通過內(nèi)部集成的一個程序來模擬。

4 砝碼磁性對砝碼測量的影響

（1）在過去，人們普遍使用機械天平進行砝碼質(zhì)量值的檢定和測試工作[3]。如今，隨著電子天平的廣泛采用，由于大多數(shù)電子天平都采用電磁平衡原理，砝碼與電子天平之間將產(chǎn)生相互磁力作用，這將對稱量結(jié)果產(chǎn)生影響。所以，了解砝碼的磁性，降低砝碼磁性對電子天平的作用，越來越引起人們的重視。

（2）在 OIML R111-1（2004）國際建議中，已經(jīng)將砝碼磁化率列為首次校準(zhǔn)時必需測量的項目，并且規(guī)定了各種等級及大小的砝碼磁化率及極化強度的最大極限值?？梢姕y量砝碼磁性已經(jīng)為各國計量部門所重視。隨著新的OIML-R111-1（2004）國際建議的應(yīng)用，砝碼磁性的測試也成為了一種需要。于是對砝碼而言，不僅要考慮它的幾何變量、材料密度和表面特征，同時也必須考慮其磁化率。

5 砝碼磁性對其折算質(zhì)量修正值的影響如何量化

中國測試技術(shù)研究院是國內(nèi)首家進行砝碼磁化率檢測的技術(shù)機構(gòu)，有多年的磁化率檢測經(jīng)驗，并對磁化率檢測進行了深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，盡管磁化率將對砝碼質(zhì)量值的測量造成影響，但是只要磁化率小于一定的范圍，這種影響是完全可以忽略不計的。

砝碼國際建議 OIML-R111-1（2004）中指出[1]：

砝碼的磁性M通過極化強度μ0M表示，不得超過表1中的最大值。

表1 最大極化強度μ0M

表2中給出了砝碼磁化率不得超過的最大值。

表2 最大磁化率χ

如果測量砝碼極化強度和磁化率的所有數(shù)值小于這些極限值，則可以認(rèn)為由于砝碼磁性所引起的不確定度分量可忽略不計。表1和表2中給出的極化強度和磁化率的最大值來源為：天平稱量盤處所存在的磁場和磁場梯度所引起的被檢砝碼的折算質(zhì)量值的改變不應(yīng)超過其最大允許誤差的1/10。

也就是說，當(dāng)砝碼的磁性小于這些數(shù)值時，其對砝碼折算質(zhì)量的影響完全可以忽略不計。在現(xiàn)行有效的國際建議 OIML-R111-1（2004）附錄 C 中提到[1，4]：“C.2.3在對E1等級砝碼進行校準(zhǔn)時，標(biāo)準(zhǔn)砝碼應(yīng)比E1等級砝碼高一個準(zhǔn)確度等級，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的計量性能（磁化率、表面粗糙度等）應(yīng)優(yōu)于被校準(zhǔn)的E1等級砝碼?！逼渲袥]有明確提出對副基準(zhǔn)砝碼的磁化率的具體要求。德國PTB對E0等級砝碼（其等級相當(dāng)于副基準(zhǔn)砝碼）的磁化率要求為極限值0.006。

作為國內(nèi)首家進行砝碼磁化率檢測的技術(shù)機構(gòu)，中國測試技術(shù)研究院針對PTB提出的指標(biāo)進行了磁化率檢測的深入研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)砝碼磁化率<0.006時，天平稱量盤處所存在的磁場和磁場梯度所引起的被檢砝碼的折算質(zhì)量值的改變遠小于E1等級砝碼最大允許誤差的1/10，則由于砝碼磁性引起的不確定度分量可以完全忽略不計。

現(xiàn)在來看國際建議OIML-R111-1（2004）給出的1kg各等級砝碼磁化率極限值，如表3所示[1]。

表3 最大磁化率χ

所以德國PTB對E0等級磁化率的要求為極限值0.006。

由此可見，按國際慣例，砝碼準(zhǔn)確度等級越高，磁化率極限值基本上是呈1/3至1/4的遞減關(guān)系。

6 磁化率對砝碼折算質(zhì)量值影響的實例分析

現(xiàn)在用實驗來量化分析砝碼磁化率對折算質(zhì)量值的影響。這里以1kg砝碼為例，計算不同磁化率的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對被測砝碼折算質(zhì)量修正值的影響。

6.1 環(huán)境條件和設(shè)備的有關(guān)技術(shù)要求

（1）環(huán)境條件

空氣濕度：61%

溫度：20.1℃

測量時的溫度波動：每小時不大于0.2℃

（2）標(biāo)準(zhǔn)砝碼

標(biāo)稱值：1kg（兩個）

磁化率分別為：0.0030及0.0003

（3）被測砝碼

E1等級砝碼0035#

標(biāo)稱值：1kg

（4）質(zhì)量比較儀

CC1000S_L

最大稱量：1kg

分辨率：1μg

6.2 測量前的準(zhǔn)備工作

（1）按規(guī)定對質(zhì)量比較儀進行預(yù)熱；

（2）每次測量前，對設(shè)備上的砝碼都進行了充足的溫度穩(wěn)定工作。

6.3 測量[5-6]

（1）用磁化率為0.0030的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對0035#E1等級砝碼進行了10次折算質(zhì)量的測量，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 E1等級砝碼折算質(zhì)量修正值

計算可得折算質(zhì)量修正值平均值K1=-0.133mg。

（2）在相同條件下，用磁化率為0.000 3的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對0035#E1等級砝碼進行了10次折算質(zhì)量的測量，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 E1等級砝碼折算質(zhì)量修正值

計算可得折算質(zhì)量修正值平均值K2=-0.131mg。

K1與K2之差等于0.002mg，而E1等級砝碼最大允許誤差為0.5 mg，0.002 mg遠小于其1/10即0.05mg。

由此可見，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的磁化率小于0.006時，其磁性對E1等級砝碼折算質(zhì)量修正值的影響完全可以忽略不計。磁化率小于0.006或者更小，引入的不確定度分量都可忽略不計。

7 結(jié)束語

砝碼的量值傳遞是質(zhì)量，而不是磁化率。磁化率只是輔助指標(biāo)，只是用于保證質(zhì)量傳遞的可靠，不靠砝碼進行傳遞。

我國現(xiàn)行的檢定系統(tǒng)表對砝碼磁化率的要求很高，根據(jù)研究表明，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。

[1]OIML R111-1，砝碼國際建議[S].2004.

[2] 托馬斯·費林.砝碼件的磁性能檢驗[J].衡器，2006，35（2）：48-50.

[3] 裴玉潔.天平[M].北京：中國計量出版社，1993.

[4] 薛 靚.公斤副基準(zhǔn)砝碼比對中空氣浮力的影響[J].中國測試技術(shù)，2003，29（4）：16.

[5]黨正強，薛 靚.砝碼磁性的測量及不確定度分析[J].中國測試技術(shù)，2006，32（5）：39-41.

[6]JJG1059-1999，測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.