第一节 电子天平的基础知识
电子天平(electronic balance)是通过作用于物体上的重力来确定该物体的质量,并采用数字指示输出结果的计量器具。常用于砝码质量量值传递、物体质量测量及磁性测量等,也可以用于确定与质量相关的其他量值、数值、参数或特性。电子天平显示快速清晰,具有自动检测系统、自动校准装置以及超载保护装置等特点。
一、基本原理
电子天平是用来称量物质质量的专业实验室设备,其基本工作原理是电磁力补偿和应变片两种方式。一般情况下,高精度电子天平采用的是电磁力传感器,即当被测样品放置在天平秤盘上时会对其产生压力P,此时天平通过称重传感器产生一个反方向的作用力F与被测样品对秤盘的压力P达到平衡(即天平出现稳定读数):F=P。天平力学原理及电磁力传感器原理如图4-1和图4-2所示。
当天平处于水平状态时,压力P等于物质的重力G,即:
式中,m为物质的质量;g为重力加速度。
称重传感器产生的电磁力F,即:
式中,B为磁感强度;I为电流强度;L为导体在磁场中有效长度;α为I与B所夹锐角。
二、常用术语
置零装置(zero-setting device):当天平秤盘上无载荷时,将示值设置为零的装置。
零点跟踪装置(zero-tracking device):自动将零点示值保持在一定界限内的装置。
去皮装置(tare device):当天平秤盘上有载荷时,将示值设置为零的装置。
多范围(multiple range):有两个或多个称量范围,具有不同最大秤量和不同实际分度值,每一个称量范围均可从零到相应的最大秤量。
多分度(multi-interval):只有一个称量范围,按不同实际分度值分为几个局部称量范围。局部称量范围是根据所加载荷的增减自动确定的。
最大秤量(maximum capacity):不计添加皮重时的最大称量能力。
最小秤量(minimum capacity):小于该载荷值时称量结果可能产生过大的相对误差。
称量范围(weighing range):最小秤量和最大秤量之间的范围。
三、计量性能
(一)实际分度值(d)
指相邻两个示值之差,就是天平的可读性,也有称之为感量。
(二)检定分度值(e)
用于划分天平级别与进行计量检定的以质量单位表示的值。检定分度值e由生产天平的厂家根据表4-1的要求选定。
检定分度值e可采取的表示形式:1×10k或2×10k或5×10k(其中k为正整数、负整数或零);
检定分度值e由d≤e≤10d规定。在一般情况下,检定分度值e还应服从e=10k kg(其中k为正整数、负整数或零)。
(三)检定分度数(n)
最大秤量与检定分度值之比,n=Max/e。
(四)天平准确度级别
天平按照检定分度值e和检定分度数n划分成特种准确度级(符号为)、高准确度级(符号为)、中准确度级(符号为)和普通准确度级(符号为)等四个准确度级别,见表4-1。
(五)最大允许误差(MPE)
加载或卸载时的最大允许误差见表4-2。
1.偏载误差 同一载荷下不同位置的示值误差,均应符合相应载荷最大允许误差的要求。
2.重复性 同一载荷多次称量结果间的差值,不得超过相应载荷最大允许误差的绝对值。
3.加载或卸载时各载荷点的示值误差,不得超过相应载荷最大允许误差的要求。
4.当实际分度值d大于1/5检定分度值e时,应先确定天平修约前的示值,消除任何包含在数值示值中的化整误差。
5.天平使用中检验的最大允许误差,应是首次检定时最大允许误差的两倍。
四、砝码
砝码(weights)是一种复现质量值的实物量具。它具有一定的物理特性和计量特性:如形状、尺寸、材料、表面状况、密度、磁性、质量标称值和最大允许误差等。对于一个砝码,它可以单独复现某一固定的质量值;对于砝码组,它不仅可以单独单个使用,而且也可将不同的单个砝码组合在一起使用,用以复现若干个大小不同的一组质量值。
砝码或砝码组的质量标称值,应等于1×10n kg、2×10n kg或5×10n kg。其中,n为正整数、负整数或零。
标准砝码按准确度等级,可以分为E1、E2、F1、F2、M1、M12、M2、M23、M3共9个等级。 各准确度等级的砝码应配备相应的计量仪器进行使用。可用于检定准确度等级较低的砝码和衡量仪器。
根据《砝码》检定规程(JJG99-2006),除某些特例或专用砝码以外,其他各准确度等级砝码首次检定和后续检定折算质量的最大允许误差,不应大于表4-3中的要求。
砝码的计量性能要求包括最大允许误差、扩展不确定度和折算质量。在日常的检验检测工作中,建议根据电子天平的分度值选择相应等级的砝码进行校验,见表4-4。
有关砝码更多、更详细的内容可以查看中华人民共和国计量检定规程《砝码》(JJG 99-2006)。
五、检定项目
电子天平的检定主要包括以下几个项目。
(一)外观检查
检定前应对电子天平的计量特征(准确度等级、最小秤量Min、最大秤量Max、检定分度值e、实际分度值d)、法制计量管理标志、天平的使用条件和地点是否合适等进行目测检查。
(二)偏载误差
同一载荷下不同位置的示值误差,均应满足相应载荷最大允许误差的要求。试验载荷选择1/3(最大秤量+最大加法除皮效果)的砝码。优选个数较少的砝码,如果不是单个砝码,允许砝码叠放使用。单个砝码应放置在测量区域的中心位置,若使用多个砝码,应均匀分布在测量区域内。按秤盘的表面积,将秤盘划分为四个区域,图4-3为天平偏载误差检定位置示意图。
(三)重复性
同一载荷多次称量结果间的差值,不得大于该载荷点下最大允许误差的绝对值。如果天平具有自动置零或零点跟踪装置,应处于工作状态;试验载荷应选择80%~100%最大秤量的单个砝码,测试次数不少于6次;测量中每次加载前可置零;天平的重复性等于加载时天平示值误差的最大值(E max)减去加载时天平示值误差的最小值(E min),E max-E min≤ MPE。
(四)示值误差
各载荷点的示值误差不得超过该台电子天平在相应载荷时的最大允许误差。测试时,载荷应从零载荷开始,逐渐的往上加载,直至加到天平的最大秤量,然后逐渐的卸下载荷,直到零载荷为止。试验载荷必须包括空载、最小秤量、最大允许误差转换点对应的载荷(或接近最大允许误差转变点)和最大称量等载荷点。无论加载或卸载,应保证有足够的测量点数,对于首次检定的电子天平,测量点数不得少于10点,对于后续检定或使用中检验的天平,测量点可以适当减少,但不得少于6点。
电子天平的检定周期一般不超过1年。
表4-5为依据JJG1036-2008对一台电子天平进行检定的结果,检定结论为本台电子天平为级天平。