王學琴　梁秀麗　辛宗偉　呂秀蓮　邵鴻飛　王化銀

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

0　引言

電子天平具有體積小、功能齊全、操作簡單和使用方便等優(yōu)點，因而被廣泛應用于計量檢測、量值傳遞、產品化驗與科學實驗工作中。但是，在使用電子天平進行稱量的過程中,很多因素對其稱量的準確性都會產生影響。通過日常檢定工作中的經驗總結，本文分析了影響電子天平稱量準確性的兩大因素的主要來源及其消除方法。

1　關于正確使用電子天平的問題

1.1　電子天平的工作原理

電子天平是利用電磁力平衡的原理進行設計的，根據電磁力公式：

F=BLIsinθ

(1)

式中：F為電磁力；B為磁感應強度；L為受力導線的長度；I為通過導線的電流強度；θ為通電導體與磁場的夾角。

由式(1)可知，F(xiàn)的大小與B、L、I及sinθ均成正比，對于設計好的傳感器，其感應線圈的規(guī)格尺寸已固定，所以其B、L可視為常數(shù)，而θ為90°，故sinθ=1，因此，F(xiàn)與I成正比關系。而電流的大小是由天平秤盤上所加載荷的大小，也就是被稱物體的重力大小決定的。當大小相等方向相反的電磁力與重力達到平衡時，則有：

F=BLI=mg

(2)

式(2)即為電子天平的電磁平衡原理式。

電子天平主要由秤盤、傳感器、位置檢測器、PID調節(jié)器、功率放大器、低通濾波器、模數(shù)(A/D)轉換器、微計算機、顯示器、機殼、底角組成。

電子天平的基本工作原理是天平空載時，電磁力平衡式傳感器處于平衡狀態(tài)，當秤盤上加上載荷時，使其秤盤的位置發(fā)生了相應的變化，這時位置檢測器將此變化量通過PID調節(jié)器和功率放大器轉換成線圈中的電流信號，并在采樣電阻上轉換成與載荷相對應的電壓信號，再經過低通濾波器和模數(shù)(A/D)轉換器,變換成數(shù)字信號給計算機進行數(shù)據處理,并將此數(shù)值迅速在顯示屏上顯示出來。因此，強磁場對稱量結果影響很大，使用者在安裝電子天平時應當遠離較強的電場和磁場。

1.2　重力加速度的影響

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量的，因此其測量結果與重力加速度密切相關，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。嚴格說來，它是地球的重力場的位置的函數(shù)。因此，電子天平必須根據其使用地點隨時、隨地實施重力加速度補償,即對電子天平進行校準，校準有內校和外校兩種。

對天平進行校準，是正確使用電子天平必不可少的重要一步，任何電子天平使用前不進行校準，就得不到準確的稱量結果。用戶在每次使用前，最好對天平進行校準。其理由有兩個：1)天平稱量的是物體的質量，而不是重量。2)由于環(huán)境溫度的變化直接影響傳感器自身的溫度變化。這會導致磁感應強度和流經線圈中的電流也隨之變化，電磁力發(fā)生變化。盡管電子天平都有溫度補償功能，但它只有在小的溫度波動范圍內有效，溫度超過一定的限度，它是無法補償?shù)摹?/p>

1.3　溫度變化的影響

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，利用電磁力將天平重新拉回平衡。這個電磁力，是由流經線圈中與物體質量成正比的電流在永久磁鋼中產生的。根據式(2)，電磁力F的大小與磁鋼的磁感應強度、流經線圈中的電流及導線長度成正比。當天平處于預熱階段時，隨著內部溫度的升高，磁感應強度B會逐漸下降，同時I也會減小，這樣就導致F變小，天平失去平衡，示值會呈現(xiàn)正的單方向漂移。

電子天平在稱量前要充分預熱。只有經過充分預熱，使磁鋼達到熱平衡，這一變化過程結束，天平才達到平衡。再利用置零/去皮功能，使顯示回零，此時天平才處于真正可使用狀態(tài)。為了減少電子器件，例如變壓器、橋式整流器、三端直流穩(wěn)壓集成電路等發(fā)熱器件的影響，新一代的電子天平已將主要發(fā)熱器件——變壓器移到天平的外部，成為一個獨立部分。對于實際分度值為1μg或0.1μg的微量或超微量天平，都是將稱量室與電子部分分開成兩個獨立的部分。其目的是為了減小熱噪聲對傳感器的熱影響，以利于更為穩(wěn)定與準確地稱量。另外，電子天平通常都沒有類似家用電器的電源開關，只要給天平通電，即使顯示器上無顯示，天平也已處于預熱狀態(tài)。天平上的ON/OFF鍵只是開關顯示器而已。因此經常稱量的天平不必拔掉電源，尤其是高準確度天平，在條件許可的情況下，長期不斷電可保持天平始終處于預熱狀態(tài)。對于實際分度值d達到0.01mg的電子天平，預熱時間至少為5h；對于d達到0.001mg的微量和超微量電子天平，則需預熱24h以上。對于使用中的天平，預熱時間可適當減少，當顯示器上的示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時，置零/去皮后即可進行稱量。

另外，環(huán)境溫度的變化也導致電子天平靈敏度的漂移，從而產生測量偏差。靈敏度的溫度系數(shù)Tc是電子天平的一項重要指標，用來表示靈敏度的漂移。因此，當環(huán)境溫度變化較大時，應對電子天平進行校準，以保證測量結果的準確。

1.4　簧片休眠狀態(tài)的影響

電子天平預熱好以后，不要立即進行稱量，而要短暫地加載、卸載以運動天平。電子天平的傳感器通常是由9或11片簧片構成的彈性支承體，天平傳感器就是利用這些簧片進行力的傳遞,使天平在平衡-失衡-再平衡的過程之中完成稱量。然而在天平處于通電預熱階段或較長時間停止稱量時，天平傳感器是處于停止工作的休眠狀態(tài)，當然簧片也處于休眠狀態(tài)，其恢復性能不佳，若這時進行稱量勢必會引起天平加載后回零不佳，示值穩(wěn)定性不好，重復性差。運動天平的方法是用相當于天平最大秤量的砝碼或物體加載到秤盤上，然后再卸載，此時并不在乎加載示值和是否回零，如此反復10次以上，使傳感器的簧片從休眠狀態(tài)逐漸進入工作狀態(tài)，天平才能穩(wěn)定地稱量。對于進行計量檢定的天平，這一步是必不可少的。對于使用中的天平，若實際分度值d≥0.1mg，可以不作或減少加、卸載次數(shù)，置零/去皮后即可進行稱量。對于d≤0.01mg的半微量、微量和超微量天平，則必須進行這一步，否則得不到穩(wěn)定的稱量結果。若這類天平，停止工作超過30min，在重新開始稱量前也需要再進行短暫的加、卸載來運動天平。

1.5　水平狀態(tài)的影響

電子天平因移動或其它原因，常造成四角不平，這也是影響天平稱量準確性的因素。一般高精度的電子天平都帶有水平調整裝置和水準器，使用時，需經常檢查天平基座上的氣泡是否位于水準器的中部，如不在中部，須調節(jié)底腳螺絲，使天平水平，方可進行稱量操作。

1.6　人為因素的影響

人員在使用天平過程中，對天平稱量室腔內未保持清潔，稱量具有腐蝕性的物品，過載稱量等人為因素都會影響天平的稱量準確性。使用人員應經過學習、培訓，才能正確地進行稱量。

2　關于樣品本身的自然物理變化影響的問題

2.1　樣品和容器的溫度

當樣品和容器的溫度與天平稱量室的溫度不相同時，由于樣品和容器與天平之間的熱傳遞產生的示值漂移，會產生錯誤的稱量結果。為了解決樣品和容器的溫度影響，在稱量時，要保持樣品和容器同稱量室具有相同的溫度后再進行稱量；為避免手溫對容器的影響，要使用鑷子夾取容器；尤其要注意，盡可能避免手進入天平稱量室，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；當然在使用容器的形狀上也要注意，應使用表面積較小的容器，減少溫度的影響。

2.2　樣品的吸濕性或揮發(fā)性

在稱量一些具有吸濕性的樣品時，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，天平顯示值會越來越小。為了稱量好這類樣品，首先要選擇所用的容器形狀和大小，如稱量液體類樣品，可選擇細頸瓶再加塞頭，可減少樣品的吸濕或揮發(fā)；如稱量固體或粉末類樣品，則應給稱量器皿加蓋，隔絕樣品對水分的吸收或揮發(fā)。建議用戶為了減少樣品吸濕性和揮發(fā)性的影響，盡量減少稱量時間，當天平稱量過程剛結束，即指示稱量過程的符號如小圓圈或小圓點一消失，立即記下天平顯示值。其次保持容器的清潔干燥以及天平稱量盤的清潔干燥，不要粘有灰塵、污染物及水滴。

2.3　樣品和容器的靜電現(xiàn)象

稱量樣品和容器一旦有了靜電，靜電荷之間的庫侖力，會造成天平示值的波動，稱量結果的重復性差。此靜電主要是粉末狀或顆粒狀樣品與這類絕緣容器摩擦而產生，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才能緩慢地消除。為了消除樣品和容器的靜電，簡單的辦法是讓三芯電源插座的接地端與大地有良好的接觸，標準實驗室尤其要注意應該采用一根專門的接地線，埋入大地，然后將接地線引入電源插座的接地端，使用加濕器增加空氣濕度，理想的相對空氣濕度為45%～60%。在溫暖干燥的冬季，可在天平稱量室內放置一杯水，1～2h后取出，增加稱量室內的空氣濕度；盡量避免用塑料容器，它極易產生靜電。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　磁性樣品和容器磁化

帶有磁性的材料的磁現(xiàn)象起源于材料內部原子的核外電子運動形成的微電流，這些微電流的集合效應使得材料對外呈現(xiàn)各種各樣宏觀磁特性。稱量磁化了的物體時，由于磁性物體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，對稱量結果產生較大的影響。解決這一影響的最基本思路是加大樣品和容器與稱量盤之間的距離，減弱磁力的影響?？蓪悠贩胖迷诜谴判缘闹С形锷希绺叩牟ＡЯ勘?，鋁、銅支架上，從而加大與秤盤的距離。在條件許可的情況下，對樣品和容器應該進行去磁，還可以將樣品放置在導磁良好的合金容器內，讓其磁力線沿合金容器內壁形成自封閉，減少磁力的影響。

3　結束語

在電子天平的實際使用過程中，測量結果的準確性不僅取決于使用檢定合格的電子天平，對電子天平的正確使用(即調整水平—預熱—運動天平—校準—進行稱量)和日常的維護工作，以及樣品本身的自然物理變化也是確保測量結果準確性的重要保證。

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