砝碼檢定的影響因素及測量不確定度研究

摘要：一直以來，質量計量在力學計量系統中都處在重要的地位。確保質量計量的準確性，才能使流量計量、扭矩計量和壓力計量等多種計量工作的準確性得到提升。而在質量量值計量中，砝碼則是重要的載體。基于這種認識，本文對影響砝碼檢定的因素展開了分析，并且對砝碼檢定的測量不確定度進行了評估，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：質量計量；磁力；

一、碼檢定的影響因素分析

在實際進行任何砝碼檢定、測量之前，砝碼都必須要清潔。清潔過程中不能去除任何一塊砝碼材料。砝碼在抓取和儲存時都必須保持其清潔。清潔時不得改變砝碼的表面特性。按照檢定規程，需要使用蒸餾水或無水乙醇進行砝碼的清潔。而使用不同的清潔液，則需要使砝碼保持不同的穩定時間。比如使用蒸餾水進行F2等級200g砝碼清洗，就需要將砝碼放置1h后再進行檢定。而在檢定過程中，砝碼檢定測量還將受到溫度、振動頻率和氣密度等因素的影響，所以還要做好這些因素的控制。

（1）溫度變化。在使用砝碼或對砝碼進行檢定之前，都需要使其在恒溫條件下放置一段時間，并且直至砝碼達到實驗室大氣狀況。針對F2等級砝碼，需要確保實驗室溫度變化每4小時不超過3.5℃，并且使砝碼保持在基礎溫度。例如，如果實驗室基礎溫度為20℃，每4小時實驗室溫度需要在16.5～23.5℃之間。此外，還要避免砝碼和天平受陽光直射。而使用不同等級和不同質量的砝碼進行檢定，砝碼需要保持的溫度穩定時間并不相同。比如在溫度為20℃的條件下，F2等級的1000kg砝碼需要穩定5h，200kg砝碼需要穩定4h，2kg砝碼需要穩定2h，小于10g砝碼需要穩定0.5h。

（2）振動頻率。在檢定砝碼的過程中，除了做好溫度變化控制，還要避免砝碼產生振動頻率。所以，需要使砝碼遠離震源，并且避免砝碼周圍有氣流浮動。為達成這一目標，需要利用地表進行振動指標的測量。按照規定，應該確保地表振動指標不超出5×10-3g，g為重力加速度。此外，工作臺的振動指標需要小于0.5×10-3g，振動頻率在50～500Hz的范圍內。

（3）磁力作用。在對砝碼進行檢定測量時，磁力也將對測量結果產生影響。在實際測量過程中，將很難區分磁力和重力。在磁力的作用下，兩個質量標準則會產生相互作用，并且也容易導致衡量儀器與周圍周圍磁性物體發生相互作用。所以在檢定砝碼時，需要遠離磁源。此外，在進行質量檢定折算時，需要對質量標準的磁性進行測定。而通過測定磁化率和永久極化強度，則能夠忽略磁作用。經過檢測，如果砝碼的磁性不合格，就不能進行折算質量檢定。通常情況下，在對砝碼檢定測量不確定度進行分析時，需要對衡量儀器帶來的測量不確定度進行評估，以達成分析磁力作用對砝碼測量影響的目的。

（4）空氣密度。在實驗室內如果空氣密度變化，也將對砝碼檢定產生影響。比如在海拔較低時，隨著溫度降低和濕度增大，空氣密度也將逐漸變大。而砝碼的空氣浮力與砝碼體積和空氣密度有關，在砝碼體積不變的情況下，空氣密度的變化將導致砝碼受到的空氣浮力發生變化，繼而導致砝碼的量值傳遞受到影響。

二、砝碼檢定的測量不確定度評定

測量成果的不確定度是與測量成果密切相關的參數，它受整個測量過程中所受各種因素的影響，砝碼測量成果的不確定度來源于三個方面：規范砝碼引進的不確定度、空氣浮力引進的不確定度和衡量儀器導致的不確定度。本文介紹F1等級200g砝碼傳遞F2等級200g砝碼時的不確定度鑒定，在此量值傳遞中，空氣密度選用了平均值，砝碼資料密度及其不確定度選用規程中給出的數值。

（1）標準砝碼引入的不確定度

這里采用F1等級砝碼，由于在量值傳遞過程中，采用修正值。k=2時，查表得U=0.3。

因此：

式中：U———規范砝碼的拓展不確定度砝碼質量的不穩定性導致的不確定度uinst（mcr）能夠從規范砝碼多次檢定之后的質量改變中估量出來，如測量次數大于或等于6次，可選用貝賽爾公式得到；如測量次數少于6次，可選用極差法得到。本規范砝碼組僅檢定了兩次，故選用極差法得到，即：

方面：規范砝碼引進的不確定度、空氣浮力引進的不確定度和衡量儀器導致的不確定度。這篇文章介紹F1等級200g砝碼傳遞F2等級200g砝碼時的不確定度評定，在此量值傳遞中，空氣密度選用了平均值，砝碼資料密度及其不確定度選用規程中給出的數值。

代人上式得u（mcr）=0.15275mg。

（2）空氣浮力引入的不確定度

在JJG99—2006《砝碼》中規則，F2等級砝碼需要進行空氣浮力批改的條件是：空氣密度的測量成果超越m3（1±10%），或許m0|C|=|（Vt-Vr）×（ρa-ρ0）|>|MPE|/9。在本例中，F1等級200g規范砝碼體積及其不確定度分別為Vref=25.04cm3，uVref=0.067cm3；被檢砝碼密度ρtest=7.85g/cm3，測量不確定度U（ρtest）=0.14g/cm3，相當于200g砝碼的體積Vtest=25.48cm3，測量不確定度uVref=0.446cm3；此刻，規范砝碼的上等級砝碼為E1等級規范砝碼，則Vref*=25.01cm3。設當地空氣密度的平均值：

（3）衡量儀器引入的不確定度

偏載引起的不確定度：

靈敏度引起的不確定度忽略不計。合成以上的四個不確定度分量為衡量儀器引起的不確定度為：

（4）被檢砝碼標準不確定度的合成

被檢砝碼測量結果的合成標準不確定度：

被檢砝碼測量結果的擴展不確定度：

U（mt）=kuc（mt）=2×0.507mg=1.01mg

（5）碼檢定測量不確定度的合成

完成各因素引起的不確定度計算后，可以利用公式

進行砝碼檢定測量不確定度的合成。而通過計算可得uc（mt）=0.50718mg，所以可知砝碼測量結果的擴展不確定度為：U（mt）=kuc（mt）=1.01mg。

歸納以上各種要素的剖析，砝碼在檢定的過程中受多種方面的影響，在檢定過程中，環境、檢測設備、砝碼等各方面都要思考，任何一方面的忽略都可能給檢定成果形成很大的差錯。應對差錯來歷進行全部剖析，做到既不遺漏也不重復，并抓住首要差錯來歷進行重點剖析，以便消除各種影響要素，進步質量量值傳遞的準確性。

（作者單位：唐山市計量測試所）