薛 靚，陳雪松，曾 波，黨正強(qiáng)，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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度（μ0M），是使砝碼暫時(shí)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(qiáng)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(jì)法

此方法是通過測量砝碼在永久強(qiáng)磁鐵的磁場梯度中所受的力來測量磁化率和永久極化強(qiáng)度。因此，測量時(shí)，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(shí)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(jì)算出磁化率。

2.3 磁通法

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

3 磁化率計(jì)法測量原理

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

磁化率計(jì)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(qiáng)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(gè)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(jì)采集到的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，經(jīng)過該磁化率計(jì)專用軟件V.1.01.005的分析計(jì)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(jì)算出砝碼的磁性。

磁化率計(jì)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(gè)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(jī)械天平進(jìn)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(shí)必需測量的項(xiàng)目，并且規(guī)定了各種等級及大小的砝碼磁化率及極化強(qiáng)度的最大極限值?？梢姕y量砝碼磁性已經(jīng)為各國計(jì)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(shí)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(jìn)行砝碼磁化率檢測的技術(shù)機(jī)構(gòu)，有多年的磁化率檢測經(jīng)驗(yàn)，并對磁化率檢測進(jìn)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(jì)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(qiáng)度μ0M表示，不得超過表1中的最大值。

表1 最大極化強(qiáng)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(qiáng)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(jì)。表1和表2中給出的極化強(qiáng)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(shí)，其對砝碼折算質(zhì)量的影響完全可以忽略不計(jì)。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(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)砝碼應(yīng)比E1等級砝碼高一個(gè)準(zhǔn)確度等級，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的計(jì)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。”其中沒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(jìn)行砝碼磁化率檢測的技術(shù)機(jī)構(gòu)，中國測試技術(shù)研究院針對PTB提出的指標(biāo)進(jìn)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(shí)，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(yuǎn)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(jì)。

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(shí)例分析

現(xiàn)在用實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)的溫度波動：每小時(shí)不大于0.2℃

（2）標(biāo)準(zhǔn)砝碼

標(biāo)稱值：1kg（兩個(gè)）

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(jìn)行預(yù)熱；

（2）每次測量前，對設(shè)備上的砝碼都進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jì)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(yuǎn)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(shí)，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(jì)。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(jì)。

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(jìn)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(fèi)林.砝碼件的磁性能檢驗(yàn)[J].衡器，2006，35（2）：48-50.

[3] 裴玉潔.天平[M].北京：中國計(jì)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(qiáng)，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(jì)量出版社，1999.