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2012-04-29 00:00:00韓紅兵
學(xué)園 2012年6期
作為非常重要的測量儀器，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，天平電子不斷完善，有逐步取代機械天平之勢。如今已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、貿(mào)易等領(lǐng)域及日常生活中。但是，如果使用不正確，會產(chǎn)生較大的測量誤差。目前檢定的主要技術(shù)依據(jù)為國家標準《JJG 1036－2008電子天平檢定規(guī)程》。本文從電子天平的原理出發(fā)，分析產(chǎn)生測量誤差的幾個主要來源及消除方法。
一 工作原理
圖1中，物體加載時，被稱物體質(zhì)量m使電磁力平衡傳感器的可動部分發(fā)生位移，光電檢測電路把位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯撾妷盒盘柦?jīng)PLD調(diào)節(jié)與驅(qū)動，變成與被稱物體質(zhì)量成正比的電流I并流經(jīng)電磁力平衡傳感器的動圈，載流動圈在永磁體的磁場作用下，將產(chǎn)生向上的力E使電磁力平衡傳感器的可動部分向上位移，直到可動部分回到初始平衡位置。此時，動圈在電流If與永磁體磁場共同作用下產(chǎn)生的力F與被稱物體的重力G相當，傳感器處于平衡狀態(tài)。此時有F=G，即：BLI sinθ=mg。
式中，B為永磁體中的磁感應(yīng)強度；L為動圈的導(dǎo)線長度；g為重力加速度。θ為通電導(dǎo)體與磁場的夾角。
由于設(shè)計好的傳感器，其感應(yīng)線圈的規(guī)格尺寸已固定，所以其B、L均不再改變，而未90°，故sinθ=1。
因此，根據(jù)上式，有：m=BLI1g。
式中，即為電子分析天平質(zhì)量計量的數(shù)學(xué)模型。
電子分析天平計量精密，準確度要求高。但稱量過程容易受到重力加速度、溫度、讀數(shù)時間、電磁波、電源波動、外界振動等高低頻噪聲干擾。使得天平的稱量準確度和穩(wěn)定性受到影響。
二 影響精密度的因素
1．重力加速度的因素
電子天平主要采用電磁力平衡傳感器實現(xiàn)被測質(zhì)量向重力再向電流信號的轉(zhuǎn)換，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與天平使用地點的緯度、海拔高度、地殼密度、地下水變化等諸多因素有關(guān)，因此電子天平必須根據(jù)天平的使用地點實施重力加速度補償。
例如，在一樓用200g的砝碼對電子天平進行校準，稱量結(jié)果為199.9994g。因此可見，重力加速度隨使用地點的變化而變化，因此，電子天平必須具有隨地、隨時進行自校準與自補償功能。式中，永磁體的磁感應(yīng)強度B和動圈有效長度L是固定的，傳感器輸出電流I通過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換，可準確測得。如果被測質(zhì)量m已知且準確度高于電子天平的準確度，則可通過對已知標準質(zhì)量m的稱量，依據(jù)公式獲得當?shù)?、當時的準確g值。該標準質(zhì)量即校正砝碼的質(zhì)量。
2．溫度的影響
電磁力平衡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，應(yīng)利用電磁力將天平重新拉回平衡。這個電磁力與流經(jīng)線圈中的電流相對應(yīng)，電流的變化與稱量物體質(zhì)量的變化成正比。當天平處于預(yù)熱階段時，隨著內(nèi)部溫度升高，磁通B會逐漸下降，同時電流I也會減小，這樣就導(dǎo)致電磁力F變小，天平失去平衡，示值會呈現(xiàn)正方向漂移，所以電子天平在稱量前要充分預(yù)熱，只有經(jīng)過充分預(yù)熱，使磁鋼達到熱平衡，這一變化過程結(jié)束，天平才達到平衡。再利用置零、去皮功能，使顯示置零，此時天平才處于真正可用狀態(tài)。
為了減少電子器件，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的微量和超微量的天平，都是將稱量室與電子部分分成兩個獨立的部分。其目的是為了減少熱噪聲對傳感器的熱影響，以便更穩(wěn)定地準確地稱量。另外，電子天平通常都沒有類似家用電器的電源開關(guān)。只要給天平通電，即使顯示器上無顯示，天平也處于預(yù)熱狀態(tài)。天平上的ON/OFF鍵只是開關(guān)顯示器，因此，經(jīng)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(yù)熱狀態(tài)。對于實際分度值d達到0.01mg的微量和超微量電子天平，則需要預(yù)熱24h以上。對于使用中的天平，預(yù)熱時間可適當減少。當顯示上的示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時，置零或去皮后即可進行稱量。
另外，溫度的變化也會導(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)＝2.5×10-6/℃，說明溫度每變化1℃，靈敏度即變化0.00025%。如果稱量100g的物體，當環(huán)境變化5℃時，產(chǎn)生的最大誤差為2.5×10-6×5×100=1.25（mg）。因此，當環(huán)境溫度變化較大時，應(yīng)對電子天平進行校準，以保證稱量結(jié)果的準確。
三 時間的影響
1．存放時間
天平在檢定室的存放時間對天平檢定結(jié)果的影響是不可忽視的。當天平搬動換新的環(huán)境時，應(yīng)存放至少24h以上，使天平內(nèi)部的機械機構(gòu)達到一定的平衡，也使天平整機及稱室的溫度與環(huán)境溫度相平衡時，才能使用。
2．預(yù)熱時間
天平的預(yù)熱時間是保證天平示值穩(wěn)定的關(guān)鍵。預(yù)熱時間的長短除與天平的檢定分度值和檢定分度數(shù)有關(guān)外，還與各廠家的天平性能有關(guān)。規(guī)程第十八條規(guī)定天平檢定前應(yīng)預(yù)熱0.5h以上，但0.5h以上多長的預(yù)熱時間比較合適？這就要根據(jù)各天平使用說明書上的要求。同時天平的預(yù)熱時間和天平的精度有密切關(guān)系，一般情況下，天平精度越高，預(yù)熱時間越長。在達到說明書規(guī)定的預(yù)熱時間后，天平才可開始檢定。
電子天平的正確維護和使用，對稱量是否準確影響很大，要保障其良好的外部使用環(huán)境，如恒溫、無氣流振動等。目前，雖
然電子天平對電壓波動有一定的抗干擾性，但如果電壓波動較大，為保證天平的精度還需配穩(wěn)壓器。此外，在使用前進行充分預(yù)熱，并經(jīng)常進行校準，才能保障高精密度的稱量。
3．讀數(shù)時間
天平示值穩(wěn)定與否一般有規(guī)定的符號在顯示屏上指示。當示值穩(wěn)定時，穩(wěn)定指示燈（或符號）亮起或不穩(wěn)定燈（或符號）消失。穩(wěn)定的范圍一般都是分檔可調(diào)，穩(wěn)定范圍的設(shè)置與顯示屏上出現(xiàn)的穩(wěn)定示值時間成反比。天平從加載到穩(wěn)定實際上是一個振蕩平衡的過程（見圖2）。
當振蕩波形的振幅逐漸減小，達到原先設(shè)定的穩(wěn)定范圍時，顯示屏上即顯示出穩(wěn)定的符號（或不穩(wěn)定符號消失）。但實際上，此時天平仍未完全穩(wěn)定，還要經(jīng)過一段時間才能逐漸趨于穩(wěn)定。這段時間的長短與原來天平所設(shè)定的穩(wěn)定范圍有關(guān)，也和天平的檢定分度值有關(guān)。為此，檢定天平時讀數(shù)示值的時間一般不在穩(wěn)定符號出現(xiàn)（或不穩(wěn)定符號消失）后即進行讀數(shù)，這對分度值較小和微量天平、超微量天平的檢定更為重要。天平按出廠時設(shè)定的穩(wěn)定范圍，當實際分度值≥1mg時，在穩(wěn)定符號出現(xiàn)或不穩(wěn)定符號消失后各延長3s讀數(shù)比較合適，對實際分度值等于0.1mg的天平，延長5s讀數(shù)比較合適，而對實際分度值≤0.01mg的天平，則延長10s～30s讀數(shù)比較合適，讀數(shù)時注意每次間隔時間相同。
4．預(yù)壓
天平在停止工作一段時間后可能進入休眠狀態(tài)，為使天平盡快進入工作狀態(tài)，檢定前最好用砝碼多次加載，否則天平進程示值與回程示值之差將明顯增大。加載時不必在意稱量結(jié)果和回零情況。
總之，從事天平使用的工作人員，在操作時考慮和做到以上幾方面，可有效地提高稱量準確度，延長天平的使用年限，保證檢測工作的質(zhì)量。
〔責(zé)任編輯：王以富〕
作為非常重要的測量儀器，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，天平電子不斷完善，有逐步取代機械天平之勢。如今已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、貿(mào)易等領(lǐng)域及日常生活中。但是，如果使用不正確，會產(chǎn)生較大的測量誤差。目前檢定的主要技術(shù)依據(jù)為國家標準《JJG 1036－2008電子天平檢定規(guī)程》。本文從電子天平的原理出發(fā)，分析產(chǎn)生測量誤差的幾個主要來源及消除方法。
一 工作原理
圖1中，物體加載時，被稱物體質(zhì)量m使電磁力平衡傳感器的可動部分發(fā)生位移，光電檢測電路把位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯撾妷盒盘柦?jīng)PLD調(diào)節(jié)與驅(qū)動，變成與被稱物體質(zhì)量成正比的電流I并流經(jīng)電磁力平衡傳感器的動圈，載流動圈在永磁體的磁場作用下，將產(chǎn)生向上的力E使電磁力平衡傳感器的可動部分向上位移，直到可動部分回到初始平衡位置。此時，動圈在電流If與永磁體磁場共同作用下產(chǎn)生的力F與被稱物體的重力G相當，傳感器處于平衡狀態(tài)。此時有F=G，即：BLI sinθ=mg。
式中，B為永磁體中的磁感應(yīng)強度；L為動圈的導(dǎo)線長度；g為重力加速度。θ為通電導(dǎo)體與磁場的夾角。
由于設(shè)計好的傳感器，其感應(yīng)線圈的規(guī)格尺寸已固定，所以其B、L均不再改變，而未90°，故sinθ=1。
因此，根據(jù)上式，有：m=BLI1g。
式中，即為電子分析天平質(zhì)量計量的數(shù)學(xué)模型。
電子分析天平計量精密，準確度要求高。但稱量過程容易受到重力加速度、溫度、讀數(shù)時間、電磁波、電源波動、外界振動等高低頻噪聲干擾。使得天平的稱量準確度和穩(wěn)定性受到影響。
二 影響精密度的因素
1．重力加速度的因素
電子天平主要采用電磁力平衡傳感器實現(xiàn)被測質(zhì)量向重力再向電流信號的轉(zhuǎn)換，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與天平使用地點的緯度、海拔高度、地殼密度、地下水變化等諸多因素有關(guān)，因此電子天平必須根據(jù)天平的使用地點實施重力加速度補償。
例如，在一樓用200g的砝碼對電子天平進行校準，稱量結(jié)果為199.9994g。因此可見，重力加速度隨使用地點的變化而變化，因此，電子天平必須具有隨地、隨時進行自校準與自補償功能。式中，永磁體的磁感應(yīng)強度B和動圈有效長度L是固定的，傳感器輸出電流I通過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換，可準確測得。如果被測質(zhì)量m已知且準確度高于電子天平的準確度，則可通過對已知標準質(zhì)量m的稱量，依據(jù)公式獲得當?shù)?、當時的準確g值。該標準質(zhì)量即校正砝碼的質(zhì)量。
2．溫度的影響
電磁力平衡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，應(yīng)利用電磁力將天平重新拉回平衡。這個電磁力與流經(jīng)線圈中的電流相對應(yīng)，電流的變化與稱量物體質(zhì)量的變化成正比。當天平處于預(yù)熱階段時，隨著內(nèi)部溫度升高，磁通B會逐漸下降，同時電流I也會減小，這樣就導(dǎo)致電磁力F變小，天平失去平衡，示值會呈現(xiàn)正方向漂移，所以電子天平在稱量前要充分預(yù)熱，只有經(jīng)過充分預(yù)熱，使磁鋼達到熱平衡，這一變化過程結(jié)束，天平才達到平衡。再利用置零、去皮功能，使顯示置零，此時天平才處于真正可用狀態(tài)。
為了減少電子器件，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的微量和超微量的天平，都是將稱量室與電子部分分成兩個獨立的部分。其目的是為了減少熱噪聲對傳感器的熱影響，以便更穩(wěn)定地準確地稱量。另外，電子天平通常都沒有類似家用電器的電源開關(guān)。只要給天平通電，即使顯示器上無顯示，天平也處于預(yù)熱狀態(tài)。天平上的ON/OFF鍵只是開關(guān)顯示器，因此，經(jīng)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(yù)熱狀態(tài)。對于實際分度值d達到0.01mg的微量和超微量電子天平，則需要預(yù)熱24h以上。對于使用中的天平，預(yù)熱時間可適當減少。當顯示上的示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時，置零或去皮后即可進行稱量。
另外，溫度的變化也會導(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)＝2.5×10-6/℃，說明溫度每變化1℃，靈敏度即變化0.00025%。如果稱量100g的物體，當環(huán)境變化5℃時，產(chǎn)生的最大誤差為2.5×10-6×5×100=1.25（mg）。因此，當環(huán)境溫度變化較大時，應(yīng)對電子天平進行校準，以保證稱量結(jié)果的準確。
三 時間的影響
1．存放時間
天平在檢定室的存放時間對天平檢定結(jié)果的影響是不可忽視的。當天平搬動換新的環(huán)境時，應(yīng)存放至少24h以上，使天平內(nèi)部的機械機構(gòu)達到一定的平衡，也使天平整機及稱室的溫度與環(huán)境溫度相平衡時，才能使用。
2．預(yù)熱時間
天平的預(yù)熱時間是保證天平示值穩(wěn)定的關(guān)鍵。預(yù)熱時間的長短除與天平的檢定分度值和檢定分度數(shù)有關(guān)外，還與各廠家的天平性能有關(guān)。規(guī)程第十八條規(guī)定天平檢定前應(yīng)預(yù)熱0.5h以上，但0.5h以上多長的預(yù)熱時間比較合適？這就要根據(jù)各天平使用說明書上的要求。同時天平的預(yù)熱時間和天平的精度有密切關(guān)系，一般情況下，天平精度越高，預(yù)熱時間越長。在達到說明書規(guī)定的預(yù)熱時間后，天平才可開始檢定。
電子天平的正確維護和使用，對稱量是否準確影響很大，要保障其良好的外部使用環(huán)境，如恒溫、無氣流振動等。目前，雖
然電子天平對電壓波動有一定的抗干擾性，但如果電壓波動較大，為保證天平的精度還需配穩(wěn)壓器。此外，在使用前進行充分預(yù)熱，并經(jīng)常進行校準，才能保障高精密度的稱量。
3．讀數(shù)時間
天平示值穩(wěn)定與否一般有規(guī)定的符號在顯示屏上指示。當示值穩(wěn)定時，穩(wěn)定指示燈（或符號）亮起或不穩(wěn)定燈（或符號）消失。穩(wěn)定的范圍一般都是分檔可調(diào)，穩(wěn)定范圍的設(shè)置與顯示屏上出現(xiàn)的穩(wěn)定示值時間成反比。天平從加載到穩(wěn)定實際上是一個振蕩平衡的過程（見圖2）。
當振蕩波形的振幅逐漸減小，達到原先設(shè)定的穩(wěn)定范圍時，顯示屏上即顯示出穩(wěn)定的符號（或不穩(wěn)定符號消失）。但實際上，此時天平仍未完全穩(wěn)定，還要經(jīng)過一段時間才能逐漸趨于穩(wěn)定。這段時間的長短與原來天平所設(shè)定的穩(wěn)定范圍有關(guān)，也和天平的檢定分度值有關(guān)。為此，檢定天平時讀數(shù)示值的時間一般不在穩(wěn)定符號出現(xiàn)（或不穩(wěn)定符號消失）后即進行讀數(shù)，這對分度值較小和微量天平、超微量天平的檢定更為重要。天平按出廠時設(shè)定的穩(wěn)定范圍，當實際分度值≥1mg時，在穩(wěn)定符號出現(xiàn)或不穩(wěn)定符號消失后各延長3s讀數(shù)比較合適，對實際分度值等于0.1mg的天平，延長5s讀數(shù)比較合適，而對實際分度值≤0.01mg的天平，則延長10s～30s讀數(shù)比較合適，讀數(shù)時注意每次間隔時間相同。
4．預(yù)壓
天平在停止工作一段時間后可能進入休眠狀態(tài)，為使天平盡快進入工作狀態(tài)，檢定前最好用砝碼多次加載，否則天平進程示值與回程示值之差將明顯增大。加載時不必在意稱量結(jié)果和回零情況。
總之，從事天平使用的工作人員，在操作時考慮和做到以上幾方面，可有效地提高稱量準確度，延長天平的使用年限，保證檢測工作的質(zhì)量。
〔責(zé)任編輯：王以富〕
