液體相對(duì)密度天平的檢定方法

張莉莉 王健/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

液體相對(duì)密度天平是測量液體相對(duì)密度的一種天平。它的測試方法簡便而迅速，對(duì)測試液體相對(duì)密度的測量準(zhǔn)確度較高，測定液體的相對(duì)密度為2.000 0，適用范圍包括醫(yī)療、化工、科研等領(lǐng)域。液體相對(duì)密度天平（以下簡稱天平）（見圖1）利用了阿基米德定律和杠桿原理，是用一標(biāo)準(zhǔn)測錘浸沒于液體中獲得浮力而使橫梁失去平衡，然后在橫梁的V形槽里放置各種定量騎碼，使橫梁恢復(fù)平衡，即能正確測出該液體的相對(duì)密度值。天平的測錘體積是一個(gè)已知恒定的量，在測定不同液體的相對(duì)密度時(shí)根據(jù)所加騎碼的質(zhì)量確定該體積所排液體的質(zhì)量，就可以得知被測液體的相對(duì)密度。目前在天平的檢定工作中還存在許多問題，本文據(jù)筆者在天平日常檢定中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合JJG 171-2016《液體相對(duì)密度天平》檢定規(guī)程（以下簡稱規(guī)程）展開探討。

圖1 液體相對(duì)密度天平結(jié)構(gòu)圖

1 測錘系統(tǒng)與15g鉤碼之間質(zhì)量差值的檢定

將15 g鉤碼掛在天平掛鉤上，把5 mg騎碼放在橫梁上的第5號(hào)槽口上，調(diào)整天平底座的水平螺釘，使橫梁處于平衡位置。根據(jù)杠桿平衡原理，鉤碼在掛鉤上時(shí)天平保持平衡，天平掛鉤端受力

式中：mg——鉤碼的質(zhì)量；

mj——5 mg騎碼的質(zhì)量；

g——重力加速度

將15 g鉤碼卸下，掛上整套測錘系統(tǒng)，觀察天平的平衡位置。若天平不平衡，移動(dòng)5 mg騎碼，使天平達(dá)到平衡。

例如：測錘系統(tǒng)在掛鉤上且5 mg騎碼在第4號(hào)槽口上使天平保持平衡，天平掛鉤端受力

式中：mc——測錘系統(tǒng)的質(zhì)量；

mj——5 mg騎碼的質(zhì)量

由兩次平衡F1=F2知：

則測錘系統(tǒng)質(zhì)量mc與鉤碼質(zhì)量mg差值：

2 單只測錘質(zhì)量的檢定

規(guī)程規(guī)定：將測錘卸下，用專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼代替測錘的質(zhì)量。通過移動(dòng)5 mg騎碼，使天平達(dá)到平衡，單只測錘質(zhì)量值應(yīng)滿足大于10 g的要求，即重新平衡后，5 mg騎碼槽口位置小于平衡前槽口位置。這里筆者認(rèn)為單只測錘質(zhì)量檢定可以使用多種方法來實(shí)現(xiàn)：

方法一：使用檢定分度值不低于0.1 mg的電子天平直接稱量，直接判斷測錘質(zhì)量；

方法二：用2個(gè)5g的專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼直接掛在懸絲的底端；

方法三：本規(guī)程規(guī)定的方法，專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼可以選用5 g、4.5 g和5～500 mg騎碼配合使用掛在掛鉤上，移動(dòng)5 mg騎碼，使天平達(dá)到平衡，即重新平衡后5 mg騎碼槽口位置小于平衡前槽口位置。

以上三種方法，電子天平的操作簡單快捷，負(fù)責(zé)液體相對(duì)密度天平檢定的所屬專業(yè)-質(zhì)量專業(yè)實(shí)驗(yàn)室配備檢定分度值為0.1 mg的電子天平比較常見，該種方法容易實(shí)現(xiàn)；第二種方法可以配套專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼實(shí)現(xiàn)，天平指針端嚴(yán)重向下偏離即可滿足測錘大于10 g的要求；第三種方法不實(shí)用，首先測錘質(zhì)量大于10 g，體積為5 cm3，測錘質(zhì)量沒有固定值，很難用多個(gè)騎碼配衡使天平保持平衡，其次配衡的砝碼大于10 g且質(zhì)量大于測錘的質(zhì)量，5 mg騎碼的槽口位置小于平衡前槽口位置，若配衡的砝碼質(zhì)量大于10 g且質(zhì)量小于測錘的質(zhì)量，5 mg騎碼的槽口位置大于平衡前槽口位置。第三種方法把配衡的砝碼質(zhì)量大于10 g且質(zhì)量小于測錘的質(zhì)量這一合格情況排除了。

從表1中可知首次檢定在檢定項(xiàng)目里，而規(guī)程附錄檢定證書內(nèi)頁沒有該項(xiàng)內(nèi)容，建議檢定證書內(nèi)頁加上單只測錘質(zhì)量的檢定是否合格這一欄。根據(jù)近年來的檢定情況分析，經(jīng)常有測錘的質(zhì)量不合格的情況出現(xiàn)。整套測錘重量合格，但是測錘質(zhì)量小于10 g，究其原因是本應(yīng)在測錘的質(zhì)量加在了雙鉤碼的里面。該種情況直接導(dǎo)致下面的檢定步驟檢定不合格，故該步驟檢定至關(guān)重要。

表1 天平檢定項(xiàng)目一覽表

3 天平靈敏度的檢定

測錘在玻璃量筒蒸餾水中平衡時(shí)，將5 mg騎碼掛到天平相應(yīng)的橫梁槽口后，當(dāng)天平處于平衡狀態(tài)下，輕輕地將標(biāo)準(zhǔn)砝碼中另一個(gè)5 mg騎碼掛到天平掛鉤上，指針平衡位置靜止點(diǎn)的偏離量應(yīng)不小于1 mm要求。如果天平靈敏度不夠，可以通過重心坨調(diào)節(jié)天平的靈敏度，調(diào)好后按照檢定規(guī)程的檢定項(xiàng)目進(jìn)行重新檢定。

4 測錘體積差所引起相對(duì)密度誤差的檢定

在符合檢定環(huán)境條件下，將蒸餾水倒入玻璃量筒至適當(dāng)高度（適當(dāng)高度是指在檢定時(shí)能使測錘一部分懸絲15～20 mm浸入蒸餾水中，但測錘不能觸及玻璃量筒），并在玻璃筒內(nèi)插入一支溫度計(jì)，待5 min后讀取蒸餾水的溫度值。

清洗測錘和懸絲，將整套測錘系統(tǒng)（包括測錘的懸絲、雙鉤碼和測錘）掛到掛鉤上，調(diào)整天平使其重新平衡。再將測錘放入蒸餾水中，測錘完全沒入蒸餾水中，并確保測錘和金屬絲沒有附著氣泡。

檢定中當(dāng)蒸餾水的溫度偏離20 ℃時(shí)，其相對(duì)密度值按式（1）計(jì)算進(jìn)行修正

式中：dt——蒸餾水在t℃時(shí)的相對(duì)密度值；

α——玻璃測錘材料的體積膨脹系數(shù)，取0.000 025 ℃-1；

t——檢定時(shí)蒸餾水的溫度，℃

將5 g騎碼或者4.5 g騎碼和475～495 mg任意一只騎碼（當(dāng)相對(duì)密度小于1時(shí)）掛在掛鉤上，并在橫梁的V形凹槽上放置適量的騎碼，使其平衡。根據(jù)所掛砝碼算出的相對(duì)密度值dt和測得的水溫，按式（1）進(jìn)行修正，其結(jié)果dt與天平檢定規(guī)程附錄A表所列的相對(duì)密度值作比較，兩者差值應(yīng)符合±4分度要求。

例如，在玻璃量筒內(nèi)水溫為24.0 ℃時(shí)，4.5 g和495 mg騎碼在天平掛鉤上，5 mg騎碼在第4號(hào)槽口。根據(jù)所掛專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼表2算出相對(duì)密度為0.999 4。測得水溫24.0 ℃時(shí)，修正后的相對(duì)密度值dt為0.999 3。查規(guī)程附錄A得到24.0 ℃下的相對(duì)密度值d2為0.999 1，計(jì)算得出測錘體積差所引起相對(duì)密度誤差值為0.000 2，即為2分度。該檢定項(xiàng)目合格。

5 橫梁分度的間距差所引起相對(duì)密度誤差的檢定

按第4部分所述的步驟，當(dāng)天平橫梁處于平衡時(shí)，觀察5 mg騎碼放置在橫梁V形凹槽口的位置在第4號(hào)槽口，并以此作為零位，相對(duì)密度示值為1.000 4。

（1）在相對(duì)密度大于1情況下

將掛鉤上5 g騎碼取下，放在第9號(hào)槽口上，同時(shí)將500 mg騎碼放在掛鉤上，觀察天平是否平衡。若天平不平衡，移動(dòng)5 mg騎碼，使天平平衡。

表2 檢定用的專用標(biāo)準(zhǔn)砝碼

例如：移動(dòng)5 mg騎碼到第6號(hào)槽口，使其平衡。此時(shí)在平衡狀態(tài)下示值為1.000 6，則相對(duì)密度誤差為0.000 2（-2分度）。

然后，將5 g騎碼移至第8號(hào)槽口上，掛鉤上再加放500 mg騎碼（此時(shí)掛鉤上有2只500 mg騎碼），觀察天平是否平衡。天平不平衡則將5 mg騎碼移動(dòng)到3槽，此時(shí)天平平衡，則相對(duì)密度誤差為0.000 1（1分度）。按照上述方法依次檢定第7，6，…，2，1號(hào)槽口，將每一槽口平衡位置與零位作比較，其偏離零位的量即為每個(gè)槽口的相對(duì)密度誤差，均應(yīng)符合相應(yīng)技術(shù)要求。

（2）在相對(duì)密度小于1情況下

將掛鉤上4.5 g騎碼取下，把5 g騎碼放在第9號(hào)槽口上，觀察天平是否平衡。若天平不平衡，移動(dòng)5 mg騎碼使天平平衡。

將5 g騎碼移至第8號(hào)槽口上，同時(shí)將500 mg騎碼掛到掛鉤上，觀察天平是否平衡。按照上述方法依次檢定第7，6，…，2，1號(hào)槽口，將每一槽口平衡位置與零位作比較，其偏離零位的量即為每個(gè)槽口的相對(duì)密度誤差，均應(yīng)符合相應(yīng)技術(shù)要求。

6 附錄部分

附錄B中天平原始記錄格式里有配備的溫度計(jì)合格與否一欄。個(gè)人建議天平原始記錄里不需要加溫度計(jì)的檢定情況。如果原始記錄需要加配置的溫度計(jì)的合格情況，客戶送檢天平時(shí)，需要提供該溫度計(jì)有效的檢定證書復(fù)印件。另外溫度計(jì)為易碎品，加在配套設(shè)備中不利于客戶更換使用。只要配備的溫度計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)符合規(guī)程規(guī)定，計(jì)量性能滿足相應(yīng)的溫度計(jì)檢定規(guī)程即可。

附錄C和附錄D中檢定項(xiàng)目整套測錘應(yīng)改為測錘系統(tǒng)，和規(guī)程中的術(shù)語一致。筆者建議增加單只測錘質(zhì)量的首次檢定內(nèi)容。

7 結(jié)語

以上是筆者按照J(rèn)JG 171-2016液體相對(duì)密度天平檢定規(guī)程檢定液體密度天平工作中遇到的問題及分析。希望本文能夠?qū)ψ龊靡后w相對(duì)密度天平計(jì)量工作提供幫助。