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砝码磁性检测与分析
一、前言
    砝码作为质量量值传递系统中的实物量具，其物理特性会影响质量计量的准确度，随着JJG99-2006《砝码》检定规程的颁布实施，我国对于砝码的各项性能指标要求与OIML国际建议R111保持一致。由于砝码的磁性性能成为影响称量准确度的重要因素，对砝码磁性(包括磁化率和磁极化强度)的控制显得尤其重要。JJG99-2006提出了对各个等级砝码的磁化率和永久磁化强度的要求。
    本文通过对砝码磁性参数的测量与分析，研究影响测量结果的因素及磁化率测量设备的选取等。砝码磁性测量在国内属于刚刚开展的项目，对磁性测量方法、磁性测量装置以及测量结果的不确定度分析还有待深入研究。目前，我国制作砝码的材料有JF-1无磁不锈钢、无磁不锈钢和普通不锈钢、铜合金等，由于砝码在加工和使用过程中都有可能被磁化，所以，JJG99-2006及OIML R111中均对砝码磁性作出了规定:包括砝码的(体积)磁化率和磁极化强度两方面，例如对于准确度等级为E2、标称质量不小于20g的砝码，要求磁化率不大于0.07，磁极化强度不大于8μT。首先对磁化率和磁极化强度进行简单的解释，磁化率是一个无量纲的物理量，磁化率的正负和大小反映出物质磁性的特征，又可分为强磁性物质和弱磁性物质。目前，国内高精度等级砝码基本都采用JF-1无磁不锈钢和无磁不锈钢制造，这些材料都属于弱磁性物质，砝码的磁化率值都小于0.07。磁极化强度J定义为物质单位体积的磁偶极矩，单位是特斯拉(T)；磁化强度M定义为物质单位体积的磁矩，单位是安培每米(A/m)，这两个物理量都是有方向的矢量，两者之间关系为J=μ0M，公式中μ0为真空中的磁导率，其值为4π×10-7N/A2。在JJG99-2006中，允许的最大磁极化强度通过如表1所示的磁极化强度和磁化强度两种物理量表达。

表1  各等级砝码磁极化强度和磁化强度的最大值
    通常使用的磁化率计给出的结果都是以特斯拉为单位的磁极化强度数据。由于磁极化强度定义为单位体积的磁偶极矩，所以，通常所说的磁化率指单位体积磁化率。表2为各准确度等级砝码允许的最大磁化率。  

表2  各等级砝码允许的最大磁化率
    二、砝码磁性测量数据
    以一个OIML R111建议形状的E1等级1kg砝码为例，砝码总高度为80.8mm；圆柱体部分:直径d为47.9mm，高58.5mm；提钮部分:端部直径42.9mm，颈部直径27.0mm；凹底部分:直径27.2mm，深度0.76mm。为判断砝码磁化的均匀性，砝码分别放在5个不同位置，采用梅特勒公司生产的MX型磁化率计对其进行磁性测量，磁化率和磁化强度的测量结果如表3所示，其中，磁化率计的电子天平分度值为1mg，永久磁铁磁矩值md=0.08500Am2，Zi(i=1、2、3、4、5)值为磁化率计的永久磁铁中心到被测砝码底部的垂直距离。Z1=22.77mm，其余Zi(i=2、3、4、5)在Z1上由4块1.50mm、1.60mm、5.00mm、20.00mm量块组合叠加而成。中心位置为被测砝码底部的圆心与永久磁铁中心对齐，左侧位置、右侧位置、上方位置、下方位置分别为砝码以中心位置为基准，沿水平、垂直方向，左、右、上、下各移位0.5d。

表3  砝码磁化率和磁极化强度测量结果
    三、影响砝码磁性测量数据的因素
    由于国内机构拥有砝码磁化率测量装置的测量原理基本相同，故测量方法可按照JJG99-2006介绍的方法测量。从砝码磁性测量原理及计算公式可知:
    1.影响砝码磁化率测量数据的因素
    (1)电子天平显示的质量变化的平均值对砝码磁化率测量不确定度的影响。
    (2)磁化率计的永久磁铁中心到被测砝码底部的垂直距离对砝码磁化率测量不确定度的影响。
    (3)永久磁铁磁矩对砝码磁化率测量不确定度的影响。
    (4)砝码几何尺寸对砝码磁化率测量不确定度的影响。
    (5)重力加速度对砝码磁化率测量不确定度的影响。
    2.影响砝码磁极化强度测量数据的因素
    除了与影响砝码磁化率测量数据中的相同因素外，还要考虑以下因素:
    (1)砝码磁化率对砝码磁极化强度测量不确定度的影响。
    (2)磁场梯度对砝码磁极化强度测量不确定度的影响。
    四、砝码磁性测量分析
    表3中砝码磁化率和磁极化强度的测量结果表明:
    1.为了测定一个砝码是否被均匀磁化，可通过移动砝码位置测量磁性数据，判断其是否被均匀磁化。从表3可知，砝码在偏离中心位置时磁化率数据之差小于0.00033，磁极化强度之差小于0.064mT，表明砝码被磁化比较均匀。
    2.磁化率计的永久磁铁中心到被测砝码底部的垂直距离与砝码磁化率测量结果基本无关。距离变化时，磁化率测量值变化极小。对磁化率计的永久磁铁中心到被测砝码底部的垂直距离进行限制的目的是为了在测量过程中确保高准确度等级砝码在一定的磁场强度范围内，以避免发生砝码被磁化的现象。在测量E1等级砝码时，磁场强度不得超过2000A/m；测量E2等级砝码时，磁场强度不得超过800A/m；测量其他等级砝码时，磁场强度不得超过200A/m。在砝码磁化率太小，对于磁化率计产生的信号太弱时，可减小距离来增强磁场强度。各准确度等级砝码允许的最大磁场强度如表4所示。

表4  各准确度等级砝码允许的最大磁场强度
    3.全国计量检测机构配备了大量的砝码磁性测量设备(磁化率计)，磁化率计可配备分度值1mg和0.1mg两种电子天平。经实验证明，砝码磁化率变化0.01，电子天平示值变化100mg左右。由于砝码磁性指标数值大，两种配置的磁化率计对砝码磁性进行测量时，测量结果差别极小，不影响判定结果。由于分度值0.1mg的电子天平比分度值1mg电子天平价格贵很多，从经济实惠角度考虑，磁化率配备分度值1mg电子天平就足够了。
    五、磁化率计的校准
    随着JJG99-2006的颁布实施，越来越多的检测机构和砝码生产企业购买磁化率计用于测量砝码的磁性。目前，磁化率计配备的基本上都是分度值为1mg、测量范围5g左右的电子天平，对于如何验收磁化率计还没有一个统一的标准。基本是检定磁化率计配备的电子天平，认为电子天平合格，磁化率计就符合使用要求，其实通过检定电子天平，并不能表明磁化率计合格，因为电子天平只是磁化率计的一部分，磁化率计的性能除与电子天平有关外，还与永久磁铁磁矩、磁场梯度、几何尺寸、磁化率计计算软件等有关。利用标定好的具有磁性数值的标准模块检验磁化率计的性能更为合理，通过在不同高度测量标准模块磁化率值与标定值比较的方法，判断磁化率计的测量准确度。
    六、砝码磁性对量值传递、电子天平检定的影响
    随着质量比较仪和电子天平在国内量值传递中的广泛应用，使用磁性不合格的砝码进行量值传递时，由于质量比较仪和电子天平衡量装置的结构采用电磁力平衡补偿原理实现平衡，由补偿线圈泄漏的磁场，与砝码的磁性不可避免地会产生力的相互作用，这样的力与砝码受到的重力无法区分，影响称量结果的准确度。若使用磁性不合格的砝码检定高准确度级微量天平，可能导致微量天平的称量部件被磁化，产生较大示值误差。