砝碼的磁性對天平的影響

一、前言

    砝碼作為質量量值傳遞系統中的實物量具，其物理特性會影響質量計量的準確度，隨著JJG99-2006《砝碼》檢定規程的頒布實施，我國對于砝碼的各項性能指標要求與OIML建議R111保持一致。由于砝碼的磁性性能成為影響稱量準確度的重要因素，對砝碼磁性(包括磁化率和磁極化強度)的控制顯得尤其重要。JJG99-2006提出了對各個等級砝碼的磁化率和*磁化強度的要求。

    本文通過對砝碼磁性參數的測量與分析，研究影響測量結果的因素及磁化率測量設備的選取等。砝碼磁性測量在國內屬于剛剛開展的項目，對磁性測量方法、磁性測量裝置以及測量結果的不確定度分析還有待深入研究。目前，我國制作砝碼的材料有JF-1無磁不銹鋼、無磁不銹鋼和普通不銹鋼、銅合金等，由于砝碼在加工和使用過程中都有可能被磁化，所以，JJG99-2006及OIML R111中均對砝碼磁性作出了規定:包括砝碼的(體積)磁化率和磁極化強度兩方面，例如對于準確度等級為E2、標稱質量不小于20g的砝碼，要求磁化率不大于0.07，磁極化強度不大于8μT。首先對磁化率和磁極化強度進行簡單的解釋，磁化率是一個無量綱的物理量，磁化率的正負和大小反映出物質磁性的特征，又可分為強磁性物質和弱磁性物質。目前，國內等級砝碼基本都采用JF-1無磁不銹鋼和無磁不銹鋼制造，這些材料都屬于弱磁性物質，砝碼的磁化率值都小于0.07。磁極化強度J定義為物質單位體積的磁偶極矩，單位是特斯拉(T)；磁化強度M定義為物質單位體積的磁矩，單位是安培每米(A/m)，這兩個物理量都是有方向的矢量，兩者之間關系為J=μ0M，公式中μ0為真空中的磁導率，其值為4π×10-7N/A2。在JJG99-2006中，允許的大磁極化強度通過如表1所示的磁極化強度和磁化強度兩種物理量表達。

表1  各等級砝碼磁極化強度和磁化強度的大值

    通常使用的磁化率計給出的結果都是以特斯拉為單位的磁極化強度數據。由于磁極化強度定義為單位體積的磁偶極矩，所以，通常所說的磁化率指單位體積磁化率。表2為各準確度等級砝碼允許的大磁化率。 

表2  各等級砝碼允許的大磁化率

    二、砝碼磁性測量數據

    以一個OIML R111建議形狀的E1等級1kg砝碼為例，砝碼總高度為80.8mm；圓柱體部分:直徑d為47.9mm，高58.5mm；提鈕部分:端部直徑42.9mm，頸部直徑27.0mm；凹底部分:直徑27.2mm，深度0.76mm。為判斷砝碼磁化的均勻性，砝碼分別放在5個不同位置，采用梅特勒公司生產的MX型磁化率計對其進行磁性測量，磁化率和磁化強度的測量結果如表3所示，其中，磁化率計的電子天平分度值為1mg，*磁鐵磁矩值md=0.08500Am2，Zi(i=1、2、3、4、5)值為磁化率計的*磁鐵中心到被測砝碼底部的垂直距離。Z1=22.77mm，其余Zi(i=2、3、4、5)在Z1上由4塊1.50mm、1.60mm、5.00mm、20.00mm量塊組合疊加而成。中心位置為被測砝碼底部的圓心與*磁鐵中心對齊，左側位置、右側位置、上方位置、下方位置分別為砝碼以中心位置為基準，沿水平、垂直方向，左、右、上、下各移位0.5d。

表3  砝碼磁化率和磁極化強度測量結果

    三、影響砝碼磁性測量數據的因素

    由于國內機構擁有砝碼磁化率測量裝置的測量原理基本相同，故測量方法可按照JJG99-2006介紹的方法測量。從砝碼磁性測量原理及計算公式可知:

    1.影響砝碼磁化率測量數據的因素

    (1)電子天平顯示的質量變化的平均值對砝碼磁化率測量不確定度的影響。

    (2)磁化率計的*磁鐵中心到被測砝碼底部的垂直距離對砝碼磁化率測量不確定度的影響。

    (3)*磁鐵磁矩對砝碼磁化率測量不確定度的影響。

    (4)砝碼幾何尺寸對砝碼磁化率測量不確定度的影響。

    (5)重力加速度對砝碼磁化率測量不確定度的影響。

    2.影響砝碼磁極化強度測量數據的因素

    除了與影響砝碼磁化率測量數據中的相同因素外，還要考慮以下因素:

    (1)砝碼磁化率對砝碼磁極化強度測量不確定度的影響。

    (2)磁場梯度對砝碼磁極化強度測量不確定度的影響。

    四、砝碼磁性測量分析

    表3中砝碼磁化率和磁極化強度的測量結果表明:

    1.為了測定一個砝碼是否被均勻磁化，可通過移動砝碼位置測量磁性數據，判斷其是否被均勻磁化。從表3可知，砝碼在偏離中心位置時磁化率數據之差小于0.00033，磁極化強度之差小于0.064mT，表明砝碼被磁化比較均勻。

    2.磁化率計的*磁鐵中心到被測砝碼底部的垂直距離與砝碼磁化率測量結果基本無關。距離變化時，磁化率測量值變化極小。對磁化率計的*磁鐵中心到被測砝碼底部的垂直距離進行限制的目的是為了在測量過程中確保高準確度等級砝碼在一定的磁場強度范圍內，以避免發生砝碼被磁化的現象。在測量E1等級砝碼時，磁場強度不得過2000A/m；測量E2等級砝碼時，磁場強度不得過800A/m；測量其他等級砝碼時，磁場強度不得過200A/m。在砝碼磁化率太小，對于磁化率計產生的信號太弱時，可減小距離來增強磁場強度。各準確度等級砝碼允許的大磁場強度如表4所示。

表4  各準確度等級砝碼允許的大磁場強度

    3.計量檢測機構配備了大量的砝碼磁性測量設備(磁化率計)，磁化率計可配備分度值1mg和0.1mg兩種電子天平。經實驗證明，砝碼磁化率變化0.01，電子天平示值變化100mg左右。由于砝碼磁性指標數值大，兩種配置的磁化率計對砝碼磁性進行測量時，測量結果差別極小，不影響判定結果。由于分度值0.1mg的電子天平比分度值1*天平價格貴很多，從經濟實惠角度考慮，磁化率配備分度值1*天平就足夠了。

    五、磁化率計的校準

    隨著JJG99-2006的頒布實施，越來越多的檢測機構和砝碼生產企業購買磁化率計用于測量砝碼的磁性。目前，磁化率計配備的基本上都是分度值為1mg、測量范圍5g左右的電子天平，對于如何驗收磁化率計還沒有一個統一的標準。基本是檢定磁化率計配備的電子天平，認為電子天平合格，磁化率計就符合使用要求，其實通過檢定電子天平，并不能表明磁化率計合格，因為電子天平只是磁化率計的一部分，磁化率計的性能除與電子天平有關外，還與*磁鐵磁矩、磁場梯度、幾何尺寸、磁化率計計算軟件等有關。利用標定好的具有磁性數值的標準模塊檢驗磁化率計的性能更為合理，通過在不同高度測量標準模塊磁化率值與標定值比較的方法，判斷磁化率計的測量準確度。

    六、砝碼磁性對量值傳遞、電子天平檢定的影響

    隨著質量比較儀和電子天平在國內量值傳遞中的廣泛應用，使用磁性不合格的砝碼進行量值傳遞時，由于質量比較儀和電子天平衡量裝置的結構采用電磁力平衡補償原理實現平衡，由補償線圈泄漏的磁場，與砝碼的磁性不可避免地會產生力的相互作用，這樣的力與砝碼受到的重力無法區分，影響稱量結果的準確度。若使用磁性不合格的砝碼檢定高準確度級微量天平，可能導致微量天平的稱量部件被磁化，產生較大示值誤差。