王學(xué)琴，梁秀麗，拓銳

(中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

電子天平準(zhǔn)確度高、稱量速度快、顯示清晰、穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于計(jì)量檢測、量值傳遞和科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作中。在使用電子天平進(jìn)行稱量的過程中，很多因素對稱量的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生影響。使用檢定合格的電子天平，正確地使用電子天平并做好日常的維護(hù)工作，才能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者結(jié)合工作實(shí)踐，淺析電子天平的正確使用及樣品的正確稱量方法。

1 電子天平使用前的準(zhǔn)備工作

1.1 水平調(diào)整

電子天平因移動或其它原因，常常造成四角不平，這是影響天平稱量準(zhǔn)確性的重要因素。一般高精度的電子天平都帶有水平調(diào)整裝置和水準(zhǔn)器，稱量前，需檢查天平基座上的氣泡是否位于水準(zhǔn)器的中部，如不在中部，須調(diào)節(jié)腳螺絲，使天平處于水平狀態(tài)。

1.2 預(yù)熱時(shí)間

由于電子天平是利用電磁力平衡的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，電磁力按式(1)計(jì)算[1]：

式中：F——電磁力；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L——受力導(dǎo)線的長度；

I——通過導(dǎo)線的電流強(qiáng)度；

sinθ——通電導(dǎo)體與磁場夾角的正弦。

由式(1)可知，F(xiàn)的大小與B、L、I及sinθ均成正比，對于設(shè)計(jì)好的傳感器，其感應(yīng)線圈的規(guī)格尺寸已固定，B、L可視為常數(shù)，而θ為90°，故sinθ=1，因此，F(xiàn)與I成正比關(guān)系。

電子天平主要由秤盤、傳感器、位置檢測器、PID調(diào)節(jié)器、功率放大器、低通濾波器、模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器、微型計(jì)算機(jī)、顯示器、機(jī)殼、底角組成[1]。

電磁力平衡式傳感器的溫度變化主要來源于環(huán)境溫度的變化和過流元件的發(fā)熱。電子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，即利用電磁力將天平重新拉回平衡。電磁力是由流經(jīng)線圈中與物體質(zhì)量成正比的電流在永久磁鋼中產(chǎn)生的。根據(jù)式(1)，電磁力F的大小與磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度、流經(jīng)線圈中的電流及導(dǎo)線長度成正比。當(dāng)天平處于預(yù)熱階段時(shí)，隨著內(nèi)部溫度的升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度B會逐漸下降，同時(shí)I也會減小，這樣就導(dǎo)致F變小，天平失去平衡，示值會呈現(xiàn)正的單方向漂移[2]。

電子天平在使用前應(yīng)按照使用說明書要求進(jìn)行充分預(yù)熱。只有經(jīng)過充分預(yù)熱，使磁鋼達(dá)到熱平衡，天平才能達(dá)到平衡。再利用置零／去皮功能，使顯示回零，此時(shí)天平才處于真正可使用狀態(tài)。另外，電子天平通常沒有類似家用電器的電源開關(guān)，只要給天平通電，即使顯示器上無顯示，天平也已處于預(yù)熱狀態(tài)，天平上的ON／OFF鍵只是顯示器的開關(guān)，因此經(jīng)常稱量的天平不必拔掉電源，尤其是高準(zhǔn)確度天平，在條件許可的情況下，長期不斷電可保持天平始終處于預(yù)熱狀態(tài)。實(shí)際分度值為0.01 mg的電子天平預(yù)熱時(shí)間至少為5 h，實(shí)際分度值為0.001 mg的微量和超微量電子天平則需預(yù)熱24 h以上。使用中的天平預(yù)熱時(shí)間可適當(dāng)減少，當(dāng)顯示器示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時(shí)，置零／去皮后即可進(jìn)行稱量。

1.3 運(yùn)動天平

電子天平預(yù)熱好以后，不要立即進(jìn)行稱量，而要短暫地加載、卸載以運(yùn)動天平。電子天平的傳感器通常是9或11個(gè)簧片構(gòu)成的彈性支承體，天平傳感器利用這些簧片進(jìn)行力的傳遞，使天平在平衡–失衡–再平衡的過程之中完成稱量[3]。然而當(dāng)天平處于通電預(yù)熱階段或較長時(shí)間停止稱量時(shí)，天平傳感器處于停止工作的休眠狀態(tài)，簧片恢復(fù)性能不佳，若這時(shí)進(jìn)行稱量勢必引起天平加載后回零不佳，示值穩(wěn)定性不好，重復(fù)性差。運(yùn)動天平的方法是用相當(dāng)于天平最大稱量的砝碼或物體加載到秤盤上，然后再卸載，此時(shí)無須關(guān)心加載示值和是否回零，如此反復(fù)10次以上，使傳感器的簧片從休眠狀態(tài)逐漸進(jìn)入工作狀態(tài)后天平才能穩(wěn)定地稱量。對于進(jìn)行計(jì)量檢定的天平，這一步是必不可少的。使用中的天平，若實(shí)際分度值不小于0.1 mg，則可以省略或減少加、卸載次數(shù)，置零／去皮后即可進(jìn)行稱量。對于實(shí)際分度值不大于0.01 mg的半微量、微量和超微量天平，則必須進(jìn)行這一操作，否則得不到穩(wěn)定的稱量結(jié)果。若這類天平停止工作超過30 min，在重新開始稱量前也需要進(jìn)行短暫的加、卸載來運(yùn)動天平。

1.4 校準(zhǔn)

由于電子天平是采用電磁力與重力相平衡的原理來測量物體質(zhì)量的[1]，因此其測量結(jié)果與重力加速度密切相關(guān)，而重力加速度的大小隨著地球的地理緯度和海拔高度而變化，嚴(yán)格說來，它是地球的重力場位置的函數(shù)[1]。因此，電子天平必須根據(jù)其使用地點(diǎn)隨時(shí)、隨地實(shí)施重力加速度補(bǔ)償(即校準(zhǔn)，分為內(nèi)校和外校兩種)。

對天平進(jìn)行校準(zhǔn)，是正確使用電子天平關(guān)鍵的一步。電子天平在使用前最好進(jìn)行校準(zhǔn)，其理由有兩個(gè)[3]：(1)天平稱量的是物體的質(zhì)量，而不是重量；(2)環(huán)境溫度的變化直接影響傳感器的溫度變化，這會導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度和流經(jīng)線圈中的電流也隨之變化，電磁力從而也發(fā)生變化。盡管電子天平都有溫度補(bǔ)償功能，但它只有在小的溫度波動范圍內(nèi)有效，溫度超過一定的限度，補(bǔ)償功能失效。另外，環(huán)境溫度的變化也導(dǎo)致電子天平靈敏度的漂移，從而產(chǎn)生測量偏差。靈敏度的溫度系數(shù)Tc是電子天平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用來表示靈敏度的漂移。

有些使用者認(rèn)為，電子天平經(jīng)過周期檢定后，在有效期內(nèi)就是合格的，而往往忽視了校準(zhǔn)的重要性，甚至于不進(jìn)行校準(zhǔn)。殊不知，電子天平在使用中因環(huán)境條件變化、人為等因素，計(jì)量性能時(shí)常會發(fā)生細(xì)微的變化，這就需要我們?nèi)粘Ｊ褂弥袑ζ溥M(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)用的砝碼，理論上是等級越高越好，一般應(yīng)選用砝碼誤差不大于天平最大允許誤差的1/3即可，且定期送質(zhì)檢部門檢定，如超差應(yīng)停止使用。

為始終保持天平處于最佳狀態(tài)，遇到下列情況，必須對電子天平進(jìn)行校準(zhǔn)：(1)天平首次使用時(shí)；(2)天平更換位置時(shí)；(3)調(diào)節(jié)天平水平位置后；(4)溫度、濕度出現(xiàn)較大變化時(shí)。

2 樣品的正確稱量方法

2.1 樣品和容器的溫度與天平室的溫度不同時(shí)

應(yīng)在待稱量樣品和容器溫度與天平室溫度達(dá)到平衡后再進(jìn)行稱量，以防止稱量過程中由于樣品和容器與天平之間的熱傳遞產(chǎn)生示值漂移。為避免手溫對容器的影響，要戴手套操作。尤其應(yīng)盡可能避免手直接伸入天平稱量室，引起稱量室溫度升高，為此可使用長柄鑷子夾取容器或者使用長柄樣品勺添加樣品。使用容器的形狀應(yīng)保證容器具有較小的使用表面積，以減小溫度的影響。

2.2 稱量吸濕性或揮發(fā)性樣品時(shí)

在稱量一些具有吸濕性的樣品時(shí)，天平顯示值會緩慢增大，反之，稱量一些具有揮發(fā)性的樣品時(shí)，天平顯示值會越來越小。為了準(zhǔn)確稱量這兩類樣品，首先要選擇所用容器的形狀和大小，若稱量具有揮發(fā)性的液體，可選擇配有塞子的長頸量瓶，量瓶中預(yù)先加入適量的難揮發(fā)性溶劑。將量瓶置于稱盤的中心，按去皮鍵除去皮重，將量瓶從天平上取下，用適宜的方法加入稱量液體，蓋緊塞子，再將量瓶置于秤盤的中心，待示值穩(wěn)定后讀取稱量結(jié)果。若稱量固體或粉末類樣品，則應(yīng)給稱量器皿加蓋，避免樣品揮發(fā)或吸收空氣中的水分。為了減少樣品吸濕性和揮發(fā)性的影響，應(yīng)盡量縮短稱量時(shí)間，當(dāng)天平稱量結(jié)束(指示稱量過程的符號如小圓圈或小圓點(diǎn)消失)后，立即記下天平示值。另外要保持天平稱量盤及容器的清潔、干燥，不要粘有灰塵、污染物及水滴。

2.3 稱量樣品和容器帶有靜電時(shí)

稱量樣品和容器一旦帶有靜電，靜電荷之間的庫侖力會導(dǎo)致天平示值波動，稱量結(jié)果的重復(fù)性因此變差。此靜電主要是粉末狀或顆粒狀樣品與絕緣容器摩擦而產(chǎn)生的，如果沒有良好的泄放途徑，這些靜電就不能消除或者至少需要幾小時(shí)才能緩慢地消除。消除樣品和容器靜電的簡單辦法是使三芯電源插座的接地端與大地有良好的接觸，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該將專用接地線埋入大地，然后將接地線引入電源插座的接地端；在干燥的冬季，使用加濕器增加空氣濕度，理想的相對空氣濕度為45%～60%。可在天平稱量室內(nèi)放置一杯水，1～2 h后取出，以增加稱量室內(nèi)的空氣濕度；盡量避免使用塑料容器，因?yàn)樗鼧O易產(chǎn)生靜電。最好用玻璃容器，金屬容器更好，或使用專門的消除靜電的裝置。

2.4 稱量磁性樣品或容器磁化時(shí)

磁性材料的磁現(xiàn)象都起源于材料內(nèi)部原子的核外電子運(yùn)動形成的微電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣宏觀磁特性[4]。稱量磁性樣品時(shí)，由于磁性樣品與不銹鋼稱量盤相互吸引，被天平誤以為是加載，從而影響電磁力平衡，對稱量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。消除這一影響的辦法是加大樣品和容器與稱量盤之間的距離?？蓪悠贩胖迷诜谴判缘闹С形?如高的玻璃量杯，鋁、銅支架)上，從而增大樣品與稱盤的距離。在條件許可的情況下，應(yīng)該對樣品和容器去磁，還可以將樣品放置在導(dǎo)磁良好的合金容器內(nèi)，讓其磁力線沿合金容器內(nèi)壁形成自封閉，減少磁力的影響[3]。

3 結(jié)語

在實(shí)際工作中，天平須安裝在潔凈、無塵、無強(qiáng)氣流、無振動及無強(qiáng)電磁場的環(huán)境中，避免陽光直射，天平室內(nèi)溫度應(yīng)恒定，以20℃左右為佳，相對濕度以45%～60%為佳。使用人員只有正確使用電子天平，即調(diào)整水平－充分預(yù)熱—運(yùn)動天平—校準(zhǔn)—稱量，并做好日常的維護(hù)工作，掌握樣品的正確稱量方法，才能保證電子天平測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]趙亞軍.天平砝碼秤使用與維修大全[M].北京：中國計(jì)量出版社，2006.

[2]趙榮，張兆立.影響電子天平稱量準(zhǔn)確性的兩個(gè)因素[J].計(jì)量技術(shù)，2005(2): 55.

[3]劉雋，傅冰.影響電子天平準(zhǔn)確性的兩個(gè)因素[J].中國計(jì)量，2002(9): 43–44.

[4]劉煒.物體磁性對電子天平稱量準(zhǔn)確度的影響[J].技術(shù)交流，2011，40(5): 36.