力值砝码检定/校准时应注意的问题

从事力学计量检定或校准工作的人员都知道，质量的法定计量单位是千克（kg），力值的法定计量单位是牛顿（N）。然而，在大部分开放城市的外资、合资企业中还普遍存在使用非法定计量单位的现象。例如：质量的磅（LB或lb），力值的千克力（kgf）或磅力（lbf）等，由于这些企业的特殊性，他们使用的这些单位，经过一定审批手续还是可以使用的。这样，就存在了多种单位并存的情况。作为法定计量机构，使用的单位一定是法定单位，那么，对这些企业的计量仪器的检定或校准，就必须对这些计量仪器的计量单位进行换算，才能进行检定或校准。同时由于我国的质量砝码计量采用折算质量值，而非真空质量值，因此在对力值砝码计量应注意这个问题。现在，上海亭衡就力值砝码的检定应注意的问题提出建议，供大家探讨。

1、力值砝码的单位间的换算关系

1.1、N和kg的换算

按照JJG99-1990砝码检定规程和JJG808-1991标准测力杠杆检定规程的有关技术要求及计算公式，除了一等砝码外，其它等级砝码均使用折算质量。

标准力值砝码的标称质量m的折算公式：

砝码的折算质量值和真空中砝码质量值的换算公式：

式（1）(2）中：m为力值砝码的真空质量，kg；F为标准力值砝码所产生的相应力值，N；g为杠杆使用地区的重力加速度，m。s -2；ρr为检定地点的空气密度，kg。m-3；ρr为标准力值砝码的材料密度，kg。m-3；m3为力值砝码的折算质量，kg；ρ12为空气密度为0.0012kg。m-3

由（1）式 、（2）式得出：

将（3）式转换为：

当ρ1.2=ρr时，（4）式可以简化为：

因此可以得出：牛顿（N）力值砝码和质量砝码的对应关系，见表 1。(以广州为例，g=9.788 33m。s-2，ρr≈0.001 2kg。m-3 ）

表 1　 牛顿（N）力值砝码和质量砝码对应关系表

力值/N

 

质量/kg

 

1

 

0.102 177 8

 

2

 

0.204 355 6

 

5

 

0.510 889 0

 

1.2、kgf 和kg、lbf 和kg的换算

1 kgf 力的定义是质量为1kg 的物体，在标准重力加速度下（g =9.806 65 m/s 2 ）所承受的力。

故有：1 kgf =9.806 65N ;

而 1lb=0.453 692 4 kg

因此：1 lbf =0.453 692 4 ×9.806 65 N

1 kgf 的力值砝码的折算质量值为

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由此可以得出：千克力（kgf）、磅力（lbf）力值砝码和质量砝码的对应关系，见表 2、表3

(以广州为例，g=9.788 33m。s-2，ρr≈0.0012 kg。m-3）

表 2　 力值（kgf）与质量（kg）的对应关系表

力值/N

 

质量/kg

 

1

 

1.002 021 9

 

2

 

2.004 043 8

 

5

 

5.010 109 6

 

表 3　 力值（lbf）与质量（kg）的对应关系表

力值/N

 

质量/kg

 

1

 

0.454 509 53

 

2

 

0.909 019 05

 

5

 

2.272 547 64

 

2、空气浮力的修正

根据JJG808-1991标准测力杠杆检定规程的要求，标准测力杠杆所配置的标准力值砝码质量误差为±0.01%，经过理论计算，空气浮力的影响量均小于砝码质量误差的1/5，因此，不必进行空气浮力修正，标准测力杠杆配置的力值砝码均可以直接按（5）式进行计算。

但是，对于等级为 M1级的力值砝码，应考虑空气浮力的影响。现通过下面例子给予证明。

JJG99-1990砝码检定规程砝码允许误差的规定见表4

表 4　 允许误差表

mpe/mg

 

标称值

 

质量/g

 

力值/N

 

25.0

 

500

 

5

 

10.0

 

200

 

2

 

5.0

 

100

 

1

 

1.5

 

5

 

0.05

 

1.2

 

2

 

0.02

 

1.0

 

1

 

0.01

 
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例：某地，1N力值砝码，检定地点的空气密度为0.001 0 kg。m-3，其折算质量通过（4）式可以得出：

1N的力值标准砝码的折算质量值为0.999 987 1×1N/0.999 85g；忽略空气浮力时其折算质量为 m3=1/0.99985g

由此可以看出：影响量为0.00129%（即0.00129%×1N，折算质量约为1.3 mg），大于砝码允许误差（mpe=5mg，见表 4）的1/5，显然，忽略影响量是不行的，就必须按照（4）式进行修正。同样，对于千克力（kgf）砝码，应按照（7）式进行修正。

因此，笔者认为在检定或校准力值砝码时，既要考虑力值砝码和质量砝码的换算关系，还应考虑空气浮力的影响，只有这样才能保证力值砝码量值传递的准确可靠。