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砝码真空质量与折算质量在生活中的应用

作者:周工  时间:2018-11-15 08:57:08  点击数:

砝码真空质量与折算质量在生活中的应用

一、质量的国际标准

  衡量一个物体的质量通常由砝码通过天平或秤来完成。为了便于世界范围内的贸易往来,国际计量局(BIPM)决定统一质量单位。他们用纯度为4个9的占合金成分90%的铂和纯度为4个9的占合金成分10%的铱制成国际千克原器,用作质量的国际标准,并把该标准保存在BIPM原器库里。世界各国的千克原器定期要送往BIPM,由国际千克原器重新赋值后,进行本国的质量量值传递,以确保世界范围内质量量值的统一。质量的国际单位是1kg,它是国际千克原器的质量。

  二、我国的质量量传体系

  我国质量国家基准砝码即国家千克原器编号为60,是由90%的铂和10%的铱制成的铂铱合金直圆柱体。该砝码的质量标称值为1kg,其真空中质量值由BIPM给出。国家千克原器每5年通过原器天平复现其质量值给国家千克副基准砝码,然后再由国家千克副基准砝码传值给省一级最高标准E1等级砝码,接着由E1等级砝码开始向下一等级砝码量传,逐级量传至M3等级砝码。各等级砝码除借助天平进行质量量传外,还可用于检定相应准确度等级的衡量仪器。

  三、复现质量量值的砝码的真空质量值和折算质量值

  国际千克原器的质量是真空质量,也就是实际质量值。为什么量传到下面等级砝码时会采用折算质量?这是因为我国的砝码制造材料有很多。根据砝码等级的不同,所用的材料差别很大。砝码的制造材料通常有JFI无磁不锈钢、无磁不锈钢、不锈钢、铜合金、铸钢、铸铁、铝合金,材料密度从2.7g/cm3到8.4g/cm3不等。当借助天平,用砝码作标准称量物体时,如果使用实际质量(真空质量)相同、制造材料不同的砝码,称出物体的质量会不同。这是因为根据阿基米德定律:砝码在空气中衡量时会受到空气浮力的影响,浮力大小等于砝码排开空气的重量。当砝码实际质量(真空质量)相同时,由于砝码材料不同,导致砝码的体积不同,由于空气浮力的作用,砝码在天平上称出的质量值也会不同。如两个砝码真空质量值都是200.0000g,材料分别为不锈钢和铜合金,材料密度分别为7.85g/cm3和8.4g/cm3。它们在标准空气密度中衡量的实际结果分别为199.9694g和199.9714g。当没有考虑空气浮力,直接用这两个砝码200.0000g质量值在天平上称量同一被测物时,被测物的测量结果就会不同,两者相差2mg。要想得到正确的质量测量结果,应当进行空气浮力修正。为此,必须实测砝码和被衡量物体的体积和空气密度。显然,在一般性的衡量工作中,是很难做到这一点的。为了解决用不同材料的砝码衡量同一种物体所得结果不一致的问题,可以利用真空天平进行衡量,以排除空气浮力的影响。或者让所有砝码均用同一种材料制造,使这一问题不复存在。然而这些方法都是不现实的。于是,有人想出了一种办法,即利用折算的方法,把不同材料的砝码的量值,换算成其密度为8.0g/cm3的砝码的量值,即采用折算质量值方法。砝码的折算质量值是:假想一个砝码,在温度为20℃、空气密度为0.0012g/cm3的空气中与一个材料密度为8.0g/cm3的标准器达到平衡,则该标准器的质量即为该砝码的折算质量。

  例如,当两个砝码真空质量值都是200.0000g,材料密度分别为7.85g/cm3和8.4g/cm3时,通过上述公式计算得出的折算质量值分别为199.99943g和200.00143g。通过换算使砝码的材料密度都为8.0g/cm3,这样不用考虑砝码的体积,砝码的质量值与称量结果相吻合,消除了由于砝码真空质量相同而材料密度不同所导致的被测物体的测量结果不同。所以,一般准确度等级比较低的砝码(如F2等级以下),由于砝码体带有调整腔,不便于体积测量,它们的质量值只给折算质量值。

  对于准确度等级高的砝码(如国家千克副基准砝码、E1等级砝码),既给真空质量值又给折算质量值。对于E2等级砝码、F1等级砝码,按JJG99-2006《砝码》检定规程规定只给折算质量值,但是通常要实测砝码体积。这是因为按照JJG99-2006中折算质量的计算公式,当通过标准砝码的折算质量计算被检砝码折算质量时,计算公式中:mct——被检砝码折算质量,g;mcr——标准砝码折算质量,g;Vt——被检砝码体积,cm3;Vr——标准砝码体积,cm3;ρa——实验室实际空气密度,g/cm3;ρ0——标准空气密度(ρ0=1.2mg/cm3);ΔI——被检砝码与标准砝码在天平上显示的质量差值;mcs——测天平灵敏度的标准小砝码;ΔIs——天平放上测灵敏度的小砝码后示值的变化量。

  通过上述公式计算可知,当实验室海拔高度在800m以下时,实验室的实际空气密度ρa与标准空气密度ρ0接近,空气浮力部分(Vt-Vr)×(ρa-ρ0)引起的质量差值远小于JJG99-2006中规定的砝码质量最大允许误差的1/9,按照JJG99-2006的要求,该部分差值可忽略。当海拔高度在800m以上时,实际空气密度ρa与标准空气密度会相差10%以上,空气浮力引起的质量差值就很大,超过JJG99-2006的要求。该部分差值不可忽略必须计算。例如:甘肃省空气密度平均值为1.012mg/cm3,对于两个200g砝码,密度分别为7.85g/cm3和8.4g/cm3,由空气浮力引起的质量差值等于m=(Vt-Vr)×(ρa-ρ0)=(200/8.4-200/7.85)×(1.012-1.2)=0.314g,大于F1等级200g砝码质量最大允许误差的1/9,该部分差值不能忽略必须计算。这时需实测被检砝码与标准砝码的体积或密度。计算砝码体积或密度必须使用标准砝码的真空质量值,因此需要将砝码的折算质量值换算成真空质量值。在实际生活中,通常描述一个物体的质量时,使用的是物体的折算质量。但对于某些专用砝码,或当用户有特殊需要时,或当使用地点的海拔达到一定高度时,就要用到物体的真空质量值。这时需要把折算质量值换算成真空质量值。

  为此,笔者建议在工作中使用准确度级别高的砝码和用于校准天平的砝码,或在一定海拔高度时尽量使用密度为8.0g/cm3的砝码,以减少衡量过程中称量误差及真空质量与折算质量之间换算的麻烦。

 

砝码

 
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