環(huán)境因素對質量量值傳遞準確性的影響

李秋紅,楊 瑩

(1.河南質量工程職業(yè)學院,河南平頂山467001;2.中平能化集團總醫(yī)院,河南平頂山467001)

質量是七大基本量之一,其不僅是壓力、流量、容量、密度、硬度等計量的傳遞標準,而且在人類生產活動和社會活動中都有廣泛的應用。因此,質量計量是計量中最基礎的項目之一。質量計量的基本任務是保證各級質量標準準確可靠,確保質量計量精度。因此,通過分析質量計量中的各種影響因素,研究和改進衡量方法,簡化質量傳遞系統(tǒng),保證質量量值傳遞的統(tǒng)一尤為重要。在量值傳遞和計量測試過程中,質量計量誤差來源是多方面的,主要有設備誤差、方法誤差、環(huán)境誤差及人為誤差四方面。環(huán)境因素在質量計量中是一項極其重要的研究和控制指標。為了保證質量量值傳遞的統(tǒng)一和準確,要對影響質量量值傳遞的主要因素,如空氣浮力、溫度、濕度、大氣壓、磁場、重力加速度等進行分析。

1 空氣的浮力、溫度、濕度、大氣壓對質量量值傳遞的影響

質量量值傳遞是通過各等砝碼實現(xiàn)的,它的衡量都是在空氣中進行的。在空氣中,物體總是受到空氣浮力作用,根據(jù)阿基米德定律可知,空氣浮力的大小等于物體所排開體積空氣的重量。在測量時,采用天平來測定砝碼的質量又由杠桿的靜力平衡原理可得以下關系：

式中：m1,m2-砝碼1和砝碼2在真空中的實際質量;

l1,l2-分別是天平兩臂長度;

V1,V2-砝碼1和砝碼2的體積;ρk-空氣密度。

若天平是等臂天平,即l1=l2,式⑴改寫為：

如果m1是被檢砝碼,m2是標準砝碼,式⑵可表示為被檢砝碼質量m1等于標準砝碼質量m2減去兩砝碼體積差所排開空氣的質量量值傳遞。若V1＞V2,此值為正;若V1＜V2,則此值為負。如果兩個砝碼體積相等則空氣浮力對衡量結果無影響。

式⑵中空氣密度ρk是一個多變量,它與空氣濕度、溫度、大氣壓有著如下關系：

式中：p為大氣壓力(Pa);h為空氣絕對濕度(Pa);t為空氣溫度(℃)。

由式⑶可知：我國各地的空氣密度是不一樣的,即使是在同一地方空氣密度也會隨環(huán)境不同而改變。我國的空氣密度一般在0.75～1.44 mg/cm3之間,通常ρk=1.2 mg/cm3。如果△V與△ρk之積大于砝碼檢定規(guī)程所規(guī)定精度的五分之一時,就要考慮空氣浮力的影響。因此,在檢定中要先測出大氣壓p,空氣絕對濕度h,空氣溫度t,再通過式⑶計算出空氣密度ρk值,然后通過衡量誤差公式：

式中：ρ1.2為1.2 mg/cm;△m為砝碼質量的誤差值;△V為兩砝碼體積的差值;ρk為衡量時的空氣密度值。

2 磁場對質量量傳準確性的影響

砝碼檢定規(guī)程中明確規(guī)定砝碼材料需要滿足以下要求：

⑴穩(wěn)定性好,具備穩(wěn)定的物理化學性能,不易受周圍介質的腐蝕作用;

⑵抗磁性能好,要求材料的磁化率非常小,對磁場作用不敏感;

⑶具有一定硬度,要求堅固耐磨;

⑷內部組織結構緊密,無孔隙。

在我國,制造砝碼的材料通常采用不銹鋼。不銹鋼的分類方法很多,按室溫下的組織結構分類,砝碼材料分有馬氏體不銹鋼、鐵索體不銹鋼和奧氏體不銹鋼三種。

馬氏體不銹鋼通過熱處理可以調整其力學性能,是一類可硬化的不銹鋼。粹火后硬度較高,不同回火溫度具有不同強韌性組合,馬氏體不銹鋼是具有磁性的不銹鋼。鐵素體不銹鋼是在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼,含鉻量在11%～30%,具有體心立方晶體結構。這類鋼一般不含鎳,有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素,這類鋼具導熱系數(shù)大、膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應力腐蝕優(yōu)良等特點,多用于制造耐大氣、水蒸氣、水及氧化性酸腐蝕的零部件。這類鋼存在塑性差、焊后塑性和耐蝕性明顯降低、具有磁性等缺點,因而限制了它的應用。奧氏體不銹鋼是在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。當鋼中含Cr約18%、Ni約10%、C約0.1%時,具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發(fā)展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無磁性而且具有高韌性和塑性,但強度較低,不可能通過相變使之強化,僅能通過冷加工進行強化。由于奧氏體不銹鋼具有全面的和良好的綜合性能,在各行業(yè)中獲得了廣泛的應用。

用鐵素體和馬氏體不銹鋼制造的砝碼磁性較強,對于一般精度較低的三、四、五等砝碼廣泛采用這兩種材料,這些材料砝碼本身帶磁。凡是高精度的砝碼材料多采用1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼或25Cr20M、23Cr18Ni奧氏體不銹鋼,它們都是穩(wěn)定性很好的非磁性不銹鋼,但是此材料在加工或保存過程中有無受磁場影響,也不可而知。因此,在檢定過程中,即使奧氏體不銹鋼本身不帶磁,但在加工或保存過程中可能出現(xiàn)因磁場影響而導致砝碼微量磁化。雖然這種磁化很難觀察,但是對質量量值傳遞的準確性影響很大。

如果砝碼帶有磁性,砝碼的磁極與地磁極相同時,則會產生相互排斥,使砝碼產生向上的排斥力。這個力雖很小,但它卻可以改變天平應有的平衡位置,使被測砝碼變輕。同樣,若砝碼磁極與地磁極相反時,則會產生相互吸引,使砝碼產生向下的吸引力,使被測砝碼變重。無論砝碼變輕變重,這兩種情況都會造成質量量值傳遞結果的偏差。因此,磁場的影響是不可忽視的,要避免此因素,要求砝碼的保存、加工、檢定都應絕對避免磁場,檢定中發(fā)現(xiàn)砝碼帶磁要做退磁處理。

3 結束語

綜合以上各種因素的分析,不論采用標準砝碼如何精確,操作人員技術如何熟練,但在衡量結果檢定過程中都不能把環(huán)境因素忽略不計,否則會給量值傳遞帶來較大的誤差。因此,應對誤差來源進行全面分析,做到既不遺漏也不重復,并抓住主要誤差來源進行重點分析,以便消除各種影響因素,提高質量量值傳遞的準確性。

[1] 田淑英.執(zhí)行JJG99-90《砝碼檢定規(guī)程》的體會[J].航空計測技術,1994(5)：42-43.

[2]JJG99-90.砝碼檢定規(guī)程[S].

[3] 天津計量局.力學計量基礎[M].北京：技術標準出版社,1990.

[4] 管志寧.地磁場與磁力勘探[M].北京：地質出版社,2005.

[5] 計量測試技術手冊編輯委員會.計量測試技術手冊：第7卷電磁學[M].北京：中國計量出版社,1990.

[6] 幾何量實用測試手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1986.