环境因素对质量量值传递准确性的影响

李秋红,杨 莹

(1.河南质量工程职业学院,河南平顶山467001;2.中平能化集团总医院,河南平顶山467001)

质量是七大基本量之一,其不仅是压力、流量、容量、密度、硬度等计量的传递标准,而且在人类生产活动和社会活动中都有广泛的应用。因此,质量计量是计量中最基础的项目之一。质量计量的基本任务是保证各级质量标准准确可靠,确保质量计量精度。因此,通过分析质量计量中的各种影响因素,研究和改进衡量方法,简化质量传递系统,保证质量量值传递的统一尤为重要。在量值传递和计量测试过程中,质量计量误差来源是多方面的,主要有设备误差、方法误差、环境误差及人为误差四方面。环境因素在质量计量中是一项极其重要的研究和控制指标。为了保证质量量值传递的统一和准确,要对影响质量量值传递的主要因素,如空气浮力、温度、湿度、大气压、磁场、重力加速度等进行分析。

1 空气的浮力、温度、湿度、大气压对质量量值传递的影响

质量量值传递是通过各等砝码实现的,它的衡量都是在空气中进行的。在空气中,物体总是受到空气浮力作用,根据阿基米德定律可知,空气浮力的大小等于物体所排开体积空气的重量。在测量时,采用天平来测定砝码的质量又由杠杆的静力平衡原理可得以下关系：

式中：m1,m2-砝码1和砝码2在真空中的实际质量;

l1,l2-分别是天平两臂长度;

V1,V2-砝码1和砝码2的体积;ρk-空气密度。

若天平是等臂天平,即l1=l2,式⑴改写为：

如果m1是被检砝码,m2是标准砝码,式⑵可表示为被检砝码质量m1等于标准砝码质量m2减去两砝码体积差所排开空气的质量量值传递。若V1＞V2,此值为正;若V1＜V2,则此值为负。如果两个砝码体积相等则空气浮力对衡量结果无影响。

式⑵中空气密度ρk是一个多变量,它与空气湿度、温度、大气压有着如下关系：

式中：p为大气压力(Pa);h为空气绝对湿度(Pa);t为空气温度(℃)。

由式⑶可知：我国各地的空气密度是不一样的,即使是在同一地方空气密度也会随环境不同而改变。我国的空气密度一般在0.75～1.44 mg/cm3之间,通常ρk=1.2 mg/cm3。如果△V与△ρk之积大于砝码检定规程所规定精度的五分之一时,就要考虑空气浮力的影响。因此,在检定中要先测出大气压p,空气绝对湿度h,空气温度t,再通过式⑶计算出空气密度ρk值,然后通过衡量误差公式：

式中：ρ1.2为1.2 mg/cm;△m为砝码质量的误差值;△V为两砝码体积的差值;ρk为衡量时的空气密度值。

2 磁场对质量量传准确性的影响

砝码检定规程中明确规定砝码材料需要满足以下要求：

⑴稳定性好,具备稳定的物理化学性能,不易受周围介质的腐蚀作用;

⑵抗磁性能好,要求材料的磁化率非常小,对磁场作用不敏感;

⑶具有一定硬度,要求坚固耐磨;

⑷内部组织结构紧密,无孔隙。

在我国,制造砝码的材料通常采用不锈钢。不锈钢的分类方法很多,按室温下的组织结构分类,砝码材料分有马氏体不锈钢、铁索体不锈钢和奥氏体不锈钢三种。

马氏体不锈钢通过热处理可以调整其力学性能,是一类可硬化的不锈钢。粹火后硬度较高,不同回火温度具有不同强韧性组合,马氏体不锈钢是具有磁性的不锈钢。铁素体不锈钢是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢,含铬量在11%～30%,具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍,有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等元素,这类钢具导热系数大、膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点,多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低、具有磁性等缺点,因而限制了它的应用。奥氏体不锈钢是在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。当钢中含Cr约18%、Ni约10%、C约0.1%时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能,在各行业中获得了广泛的应用。

用铁素体和马氏体不锈钢制造的砝码磁性较强,对于一般精度较低的三、四、五等砝码广泛采用这两种材料,这些材料砝码本身带磁。凡是高精度的砝码材料多采用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢或25Cr20M、23Cr18Ni奥氏体不锈钢,它们都是稳定性很好的非磁性不锈钢,但是此材料在加工或保存过程中有无受磁场影响,也不可而知。因此,在检定过程中,即使奥氏体不锈钢本身不带磁,但在加工或保存过程中可能出现因磁场影响而导致砝码微量磁化。虽然这种磁化很难观察,但是对质量量值传递的准确性影响很大。

如果砝码带有磁性,砝码的磁极与地磁极相同时,则会产生相互排斥,使砝码产生向上的排斥力。这个力虽很小,但它却可以改变天平应有的平衡位置,使被测砝码变轻。同样,若砝码磁极与地磁极相反时,则会产生相互吸引,使砝码产生向下的吸引力,使被测砝码变重。无论砝码变轻变重,这两种情况都会造成质量量值传递结果的偏差。因此,磁场的影响是不可忽视的,要避免此因素,要求砝码的保存、加工、检定都应绝对避免磁场,检定中发现砝码带磁要做退磁处理。

3 结束语

综合以上各种因素的分析,不论采用标准砝码如何精确,操作人员技术如何熟练,但在衡量结果检定过程中都不能把环境因素忽略不计,否则会给量值传递带来较大的误差。因此,应对误差来源进行全面分析,做到既不遗漏也不重复,并抓住主要误差来源进行重点分析,以便消除各种影响因素,提高质量量值传递的准确性。

[1] 田淑英.执行JJG99-90《砝码检定规程》的体会[J].航空计测技术,1994(5)：42-43.

[2]JJG99-90.砝码检定规程[S].

[3] 天津计量局.力学计量基础[M].北京：技术标准出版社,1990.

[4] 管志宁.地磁场与磁力勘探[M].北京：地质出版社,2005.

[5] 计量测试技术手册编辑委员会.计量测试技术手册：第7卷电磁学[M].北京：中国计量出版社,1990.

[6] 几何量实用测试手册[M].北京：机械工业出版社,1986.