砝码磁化率对其折算质量值的影响及量化分析

薛 靓，陈雪松，曾 波，党正强，曹 英

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

1 引 言

在电子天平普遍代替机械天平的今天，了解砝码的磁性对于砝码质量值测量的影响越来越受到人们的重视。

砝码的磁性参数包括砝码的磁化率和极化强度。砝码的磁化率（χ），即砝码改变磁场能力的量度。砝码的磁化率与体积密切相关，所以又称体积磁化率。磁化率是没有单位的常数。砝码的极化强度（μ0M），是使砝码暂时磁化的过程，是表述砝码在外界磁场中磁性状态的参数，其单位为特斯拉（T）。砝码的磁化率是常数，在通常情况下是不会改变的，但极化强度却很容易改变，所以，砝码磁性指标更重要的是磁化率指标。

2 砝码磁性测量方法

在OIML R111-1（2004）国际建议中，推荐了以下3种测量砝码磁性的方法[1]。

2.1 磁化率计法

此方法是通过测量砝码在永久强磁铁的磁场梯度中所受的力来测量磁化率和永久极化强度。因此，测量时，砝码底面高度和磁铁中心高度之间的距离Z0最初约为25mm，然后，若磁化率太小以至无法测量，才减小 Z0。

2.2 吸引法

该方法通过平衡永久磁铁作用在质量标准上的力和作用在磁导率标准上的力来实现的，然后利用磁导率与磁化率之间的关系式（μr=1+χ）计算出磁化率。

2.3 磁通法

该方法采用磁通量磁场计确定物体相对磁导率，其磁场计采用含有永磁铁的磁导率探头来接近物体。

3 磁化率计法测量原理

磁化率计法是国际建议推荐使用的方法。下面以磁化率计YSZ02C为例介绍磁化率计法的测量原理[2]。

磁化率计是通过调整加载平台高度从而改变测量位置处的磁场强度，以适应不同等级砝码的磁性测量。调节范围从Z1至Z5共5个不同高度标识，通过调整磁极转换装置从而改变标准磁体的磁性，以获得被测砝码在不同磁极磁性下受到的磁力。最后通过传输电缆将磁化率计采集到的测量数据传输到计算机，经过该磁化率计专用软件V.1.01.005的分析计算，最终得出被测砝码的磁化率及其他相关技术数据。

在测量过程中，使用了一台高精度的天平来测量永久磁铁和砝码之间的相互作用力。由于测试磁铁的特性是已知的，那么根据砝码与测试磁铁之间的距离和砝码的几何特性，就能计算出砝码的磁性。

磁化率计自带的软件可为用户提供操作帮助，菜单提示提供所有的相关数据，并引导用户完成测量操作。砝码标准几何尺寸的参数能在程序的数据库中调出，特殊的形状可通过内部集成的一个程序来模拟。

4 砝码磁性对砝码测量的影响

（1）在过去，人们普遍使用机械天平进行砝码质量值的检定和测试工作[3]。如今，随着电子天平的广泛采用，由于大多数电子天平都采用电磁平衡原理，砝码与电子天平之间将产生相互磁力作用，这将对称量结果产生影响。所以，了解砝码的磁性，降低砝码磁性对电子天平的作用，越来越引起人们的重视。

（2）在 OIML R111-1（2004）国际建议中，已经将砝码磁化率列为首次校准时必需测量的项目，并且规定了各种等级及大小的砝码磁化率及极化强度的最大极限值。可见测量砝码磁性已经为各国计量部门所重视。随着新的OIML-R111-1（2004）国际建议的应用，砝码磁性的测试也成为了一种需要。于是对砝码而言，不仅要考虑它的几何变量、材料密度和表面特征，同时也必须考虑其磁化率。

5 砝码磁性对其折算质量修正值的影响如何量化

中国测试技术研究院是国内首家进行砝码磁化率检测的技术机构，有多年的磁化率检测经验，并对磁化率检测进行了深入的研究。研究发现，尽管磁化率将对砝码质量值的测量造成影响，但是只要磁化率小于一定的范围，这种影响是完全可以忽略不计的。

砝码国际建议 OIML-R111-1（2004）中指出[1]：

砝码的磁性M通过极化强度μ0M表示，不得超过表1中的最大值。

表1 最大极化强度μ0M

表2中给出了砝码磁化率不得超过的最大值。

表2 最大磁化率χ

如果测量砝码极化强度和磁化率的所有数值小于这些极限值，则可以认为由于砝码磁性所引起的不确定度分量可忽略不计。表1和表2中给出的极化强度和磁化率的最大值来源为：天平称量盘处所存在的磁场和磁场梯度所引起的被检砝码的折算质量值的改变不应超过其最大允许误差的1/10。

也就是说，当砝码的磁性小于这些数值时，其对砝码折算质量的影响完全可以忽略不计。在现行有效的国际建议 OIML-R111-1（2004）附录 C 中提到[1，4]：“C.2.3在对E1等级砝码进行校准时，标准砝码应比E1等级砝码高一个准确度等级，标准砝码的计量性能（磁化率、表面粗糙度等）应优于被校准的E1等级砝码。”其中没有明确提出对副基准砝码的磁化率的具体要求。德国PTB对E0等级砝码（其等级相当于副基准砝码）的磁化率要求为极限值0.006。

作为国内首家进行砝码磁化率检测的技术机构，中国测试技术研究院针对PTB提出的指标进行了磁化率检测的深入研究。发现当砝码磁化率<0.006时，天平称量盘处所存在的磁场和磁场梯度所引起的被检砝码的折算质量值的改变远小于E1等级砝码最大允许误差的1/10，则由于砝码磁性引起的不确定度分量可以完全忽略不计。

现在来看国际建议OIML-R111-1（2004）给出的1kg各等级砝码磁化率极限值，如表3所示[1]。

表3 最大磁化率χ

所以德国PTB对E0等级磁化率的要求为极限值0.006。

由此可见，按国际惯例，砝码准确度等级越高，磁化率极限值基本上是呈1/3至1/4的递减关系。

6 磁化率对砝码折算质量值影响的实例分析

现在用实验来量化分析砝码磁化率对折算质量值的影响。这里以1kg砝码为例，计算不同磁化率的标准砝码对被测砝码折算质量修正值的影响。

6.1 环境条件和设备的有关技术要求

（1）环境条件

空气湿度：61%

温度：20.1℃

测量时的温度波动：每小时不大于0.2℃

（2）标准砝码

标称值：1kg（两个）

磁化率分别为：0.0030及0.0003

（3）被测砝码

E1等级砝码0035#

标称值：1kg

（4）质量比较仪

CC1000S_L

最大称量：1kg

分辨率：1μg

6.2 测量前的准备工作

（1）按规定对质量比较仪进行预热；

（2）每次测量前，对设备上的砝码都进行了充足的温度稳定工作。

6.3 测量[5-6]

（1）用磁化率为0.0030的标准砝码对0035#E1等级砝码进行了10次折算质量的测量，数据如表4所示。

表4 E1等级砝码折算质量修正值

计算可得折算质量修正值平均值K1=-0.133mg。

（2）在相同条件下，用磁化率为0.000 3的标准砝码对0035#E1等级砝码进行了10次折算质量的测量，数据如表5所示。

表5 E1等级砝码折算质量修正值

计算可得折算质量修正值平均值K2=-0.131mg。

K1与K2之差等于0.002mg，而E1等级砝码最大允许误差为0.5 mg，0.002 mg远小于其1/10即0.05mg。

由此可见，当标准砝码的磁化率小于0.006时，其磁性对E1等级砝码折算质量修正值的影响完全可以忽略不计。磁化率小于0.006或者更小，引入的不确定度分量都可忽略不计。

7 结束语

砝码的量值传递是质量，而不是磁化率。磁化率只是辅助指标，只是用于保证质量传递的可靠，不靠砝码进行传递。

我国现行的检定系统表对砝码磁化率的要求很高，根据研究表明，磁化率只要遵循国际建议OIML R111-1（2004）和国际惯例，即可保证砝码质量值的准确可靠。

[1]OIML R111-1，砝码国际建议[S].2004.

[2] 托马斯·费林.砝码件的磁性能检验[J].衡器，2006，35（2）：48-50.

[3] 裴玉洁.天平[M].北京：中国计量出版社，1993.

[4] 薛 靓.公斤副基准砝码比对中空气浮力的影响[J].中国测试技术，2003，29（4）：16.

[5]党正强，薛 靓.砝码磁性的测量及不确定度分析[J].中国测试技术，2006，32（5）：39-41.

[6]JJG1059-1999，测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出版社，1999.