李秋紅,楊 瑩

(1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院,河南平頂山467001;2.中平能化集團(tuán)總醫(yī)院,河南平頂山467001)

質(zhì)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(jì)量的傳遞標(biāo)準(zhǔn),而且在人類生產(chǎn)活動和社會活動中都有廣泛的應(yīng)用。因此,質(zhì)量計(jì)量是計(jì)量中最基礎(chǔ)的項(xiàng)目之一。質(zhì)量計(jì)量的基本任務(wù)是保證各級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠,確保質(zhì)量計(jì)量精度。因此,通過分析質(zhì)量計(jì)量中的各種影響因素,研究和改進(jìn)衡量方法,簡化質(zhì)量傳遞系統(tǒng),保證質(zhì)量量值傳遞的統(tǒng)一尤為重要。在量值傳遞和計(jì)量測試過程中,質(zhì)量計(jì)量誤差來源是多方面的,主要有設(shè)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(zhì)量計(jì)量中是一項(xiàng)極其重要的研究和控制指標(biāo)。為了保證質(zhì)量量值傳遞的統(tǒng)一和準(zhǔn)確,要對影響質(zhì)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(jìn)行分析。

1 空氣的浮力、溫度、濕度、大氣壓對質(zhì)量量值傳遞的影響

質(zhì)量量值傳遞是通過各等砝碼實(shí)現(xiàn)的,它的衡量都是在空氣中進(jìn)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(shí),采用天平來測定砝碼的質(zhì)量又由杠桿的靜力平衡原理可得以下關(guān)系：

式中：m1,m2-砝碼1和砝碼2在真空中的實(shí)際質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)砝碼,式⑵可表示為被檢砝碼質(zhì)量m1等于標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量m2減去兩砝碼體積差所排開空氣的質(zhì)量量值傳遞。若V1＞V2,此值為正;若V1＜V2,則此值為負(fù)。如果兩個(gè)砝碼體積相等則空氣浮力對衡量結(jié)果無影響。

式⑵中空氣密度ρk是一個(gè)多變量,它與空氣濕度、溫度、大氣壓有著如下關(guān)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(shí),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(jì)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(zhì)量的誤差值;△V為兩砝碼體積的差值;ρk為衡量時(shí)的空氣密度值。

2 磁場對質(zhì)量量傳準(zhǔn)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(xué)性能,不易受周圍介質(zhì)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(jiān)固耐磨;

⑷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)整其力學(xué)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(qiáng)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(jié)構(gòu)。這類鋼一般不含鎳,有時(shí)還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素,這類鋼具導(dǎo)熱系數(shù)大、膨脹系數(shù)小、抗氧化性好、抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良等特點(diǎn),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(diǎn),因而限制了它的應(yīng)用。奧氏體不銹鋼是在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。當(dāng)鋼中含Cr約18%、Ni約10%、C約0.1%時(shí),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(chǔ)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(qiáng)度較低,不可能通過相變使之強(qiáng)化,僅能通過冷加工進(jìn)行強(qiáng)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(yīng)用。

用鐵素體和馬氏體不銹鋼制造的砝碼磁性較強(qiáng),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(dǎo)致砝碼微量磁化。雖然這種磁化很難觀察,但是對質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)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(shí),則會產(chǎn)生相互排斥,使砝碼產(chǎn)生向上的排斥力。這個(gè)力雖很小,但它卻可以改變天平應(yīng)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(shí),則會產(chǎn)生相互吸引,使砝碼產(chǎn)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(zhì)量量值傳遞結(jié)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(yīng)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(jié)束語

綜合以上各種因素的分析,不論采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼如何精確,操作人員技術(shù)如何熟練,但在衡量結(jié)果檢定過程中都不能把環(huán)境因素忽略不計(jì),否則會給量值傳遞帶來較大的誤差。因此,應(yīng)對誤差來源進(jìn)行全面分析,做到既不遺漏也不重復(fù),并抓住主要誤差來源進(jìn)行重點(diǎn)分析,以便消除各種影響因素,提高質(zhì)量量值傳遞的準(zhǔn)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(jì)測技術(shù),1994(5)：42-43.

[2]JJG99-90.砝碼檢定規(guī)程[S].

[3] 天津計(jì)量局.力學(xué)計(jì)量基礎(chǔ)[M].北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.

[4] 管志寧.地磁場與磁力勘探[M].北京：地質(zhì)出版社,2005.

[5] 計(jì)量測試技術(shù)手冊編輯委員會.計(jì)量測試技術(shù)手冊：第7卷電磁學(xué)[M].北京：中國計(jì)量出版社,1990.

[6] 幾何量實(shí)用測試手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1986.