胡軍|文

質(zhì)量比較儀是砝碼檢定的主要配套設(shè)備，本文依據(jù)JJF 1326－2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，介紹質(zhì)量比較儀測(cè)量方法、測(cè)量不確定度的評(píng)定等，以確保質(zhì)量比較儀可正確進(jìn)行質(zhì)量量值傳遞。

質(zhì)量比較儀是根據(jù)測(cè)量彈性元件的變形和應(yīng)變或電磁力反饋平衡原理制造的，是通過(guò)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上質(zhì)量相同或相近的物體進(jìn)行比較，是基于ABA或ABBA的循環(huán)測(cè)量模式來(lái)獲得質(zhì)量差值的高分辨率電子衡量?jī)x器。質(zhì)量比較儀以其高分辨力的優(yōu)勢(shì)，在砝碼量值傳遞與溯源中或其他方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文依據(jù)JJF1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，分析質(zhì)量比較儀質(zhì)量量值傳遞過(guò)程中的測(cè)量方法、測(cè)量不確定度評(píng)定等，以供大家參考。

發(fā)展現(xiàn)狀

隨著質(zhì)量量值傳遞技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量比較儀現(xiàn)已完全替代傳統(tǒng)的機(jī)械天平，并且得到了廣泛的應(yīng)用，這是質(zhì)量量值傳遞的一個(gè)質(zhì)的飛躍。目前，質(zhì)量比較儀的制造商主要有德國(guó)Sartorius公司、瑞士Mettler Toledo公司和沈陽(yáng)龍騰電子衡器公司等企業(yè)，國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)及企業(yè)基本都采用上述企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量比較儀進(jìn)行砝碼的質(zhì)量量值傳遞工作。

質(zhì)量比較儀的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便、讀數(shù)直觀快捷，且全自動(dòng)的真空質(zhì)量比較儀還可以不需要檢測(cè)人員的直接參與，就能完成對(duì)質(zhì)量的測(cè)量工作，將質(zhì)量測(cè)量過(guò)程中的干擾因素降到最低，從而得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

測(cè)量方法

1．重復(fù)性測(cè)量

由于質(zhì)量比較儀的測(cè)量是高精度的質(zhì)量測(cè)量，為消除儀器本身的漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，重復(fù)性測(cè)量采用閉環(huán)方式進(jìn)行測(cè)量，即選用兩個(gè)滿(mǎn)足JJF1326-2011要求的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（最大載荷或二分之一最大載荷），按照ABBA循環(huán)方式進(jìn)行。A代表標(biāo)準(zhǔn)砝碼，B代表另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，分別將這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在秤盤(pán)中心位置，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值，每次測(cè)量的B與A的示值之差為

在相同測(cè)量條件下，循環(huán)測(cè)量10次，重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果用測(cè)定序列的單次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s表示，即

2．偏載誤差測(cè)量

質(zhì)量比較儀偏載誤差的測(cè)量：測(cè)量選用最大載荷或二分之一最大載荷的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每一偏載測(cè)量都采用ABBA形式，A代表砝碼放在秤盤(pán)的中心位置，B代表砝碼放在偏離秤盤(pán)中心的位置。每一位置的偏載誤差計(jì)算公式如下：

式中： IA—砝碼放在秤盤(pán)中心位置的讀數(shù)；

IB—砝碼放在偏離秤盤(pán)中心位置的讀數(shù)。

四個(gè)偏載位置的示值差值中，取一個(gè)絕對(duì)值最大的差值作為偏載誤差。

3．示值誤差測(cè)量

示值誤差測(cè)量選用一個(gè)滿(mǎn)足校準(zhǔn)比較儀的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）先將標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在秤盤(pán)上，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值。接著再在該秤盤(pán)上放上一個(gè)小質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼ms，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值。每次循環(huán)測(cè)量的示值分別為IA1、I（A+ms）1、I（A+ms）2、IA2，共循環(huán)測(cè)量三次。

添加標(biāo)準(zhǔn)小砝碼引起比較儀示值誤差的變化量為：

三次測(cè)量的平均示值誤差變化量為：

局部示值誤差=ms-

進(jìn)行局部示值誤差校準(zhǔn)時(shí)，ms的選取原則是：其質(zhì)量值為比較儀實(shí)際分度值d的1000倍到5000倍之間的任意一個(gè)單個(gè)砝碼。

質(zhì)量比較儀通常是用于高精度測(cè)量砝碼或物體的質(zhì)量，故在對(duì)其示值誤差的校準(zhǔn)中，對(duì)測(cè)量該項(xiàng)性能的標(biāo)準(zhǔn)砝碼要有很高的要求。在JJF1326-2011中，針對(duì)不同檢定分度數(shù)的質(zhì)量比較儀列出了使用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的等級(jí)。筆者認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的選擇主要考慮兩點(diǎn)；一是要考慮砝碼的磁性對(duì)比較儀的影響；二是要考慮砝碼的準(zhǔn)確度及不確定度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。按照J(rèn)JF1326-2011對(duì)校準(zhǔn)比較儀所用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的要求，分度數(shù)大于5×105（即相對(duì)誤差在萬(wàn)分之一）以上的比較儀，在檢測(cè)該項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，必須用E1等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼。目前，要配齊一套E1等級(jí)毫克組、克組、千克組標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其費(fèi)用較高，難以貼合實(shí)際。但多數(shù)計(jì)量機(jī)構(gòu)都配備了E2等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼。所以筆者認(rèn)為，在砝碼磁性滿(mǎn)足測(cè)量要求的情況下，用于測(cè)量示值誤差的砝碼A選用E2等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼代替E1等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，而只有ms采用（1000～5000）d的E1等級(jí)砝碼。這樣既解決了一些實(shí)際工作中存在的困難，又不會(huì)影響比較儀重復(fù)性測(cè)量、偏載誤差測(cè)量以及示值誤差測(cè)量的結(jié)果，非常經(jīng)濟(jì)合理。

測(cè)量不確定度的評(píng)定

對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：

1．重復(fù)性測(cè)量的不確定度評(píng)定

選用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量時(shí)，對(duì)二分之一最大承載點(diǎn)采用ABBA的測(cè)量循環(huán)，在相同測(cè)量條件下，循環(huán)測(cè)量10次，計(jì)算測(cè)量得到結(jié)果的重復(fù)性。在進(jìn)行重復(fù)性校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)，其影響因素主要有：

(1)在對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度也是在變化的，因此在不確定度的評(píng)定過(guò)程中需要考慮溫度變化帶來(lái)的影響，所以要考慮實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度波動(dòng)引入的不確定度分量uT；

(2)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud。

2．偏載誤差測(cè)量的不確定度評(píng)定

在對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行偏載誤差測(cè)量時(shí)，選用最大載荷或二分之一最大載荷的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每一偏載測(cè)量都采用ABBA形式進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行偏載誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)，其影響因素主要有：

(1)質(zhì)量比較儀的重復(fù)性引入的不確度分量us；

(2)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度波動(dòng)引入的不確定度分量uT；

(3)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud。

3．局部示值誤差測(cè)量的不確定度評(píng)定

在對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行局部示值誤差測(cè)量時(shí)，選用一個(gè)滿(mǎn)足校準(zhǔn)比較儀的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）進(jìn)行測(cè)量，在進(jìn)行局部示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)，其影響因素主要有 ：

(1)質(zhì)量比較儀的重復(fù)性引入的不確度分量us；

(2)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度波動(dòng)引入的不確定度分量uT；

(3)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud；

(4)進(jìn)行局部示值誤差測(cè)量時(shí)選用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼引入的不確定度分量ums。

另外，在對(duì)質(zhì)量比較儀進(jìn)行測(cè)量不確度評(píng)定時(shí)，要注意質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確定度影響分量，是根據(jù)測(cè)量循環(huán)的不同或測(cè)量方法的不同而不同。如當(dāng)采用兩個(gè)等量砝碼進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量時(shí)或進(jìn)行偏載誤差測(cè)量時(shí)或進(jìn)行局部示值誤差測(cè)量時(shí)，由分辨力引入的不確定度分量為當(dāng)采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼與空載的方式進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量時(shí)，由分辨力引入的不確定度分量為

結(jié)語(yǔ)

質(zhì)量比較儀的傳感器靈敏度很高，要保證其具有很好的重復(fù)性。首先，使用前要充分預(yù)熱，使磁鋼達(dá)到熱平衡，保證使用時(shí)示值不再漂移，經(jīng)常使用可始終保持通電預(yù)熱狀態(tài)。其次，要充分考慮環(huán)境條件的影響。由于電子元器件對(duì)溫濕度的敏感（存在溫漂系數(shù)），當(dāng)溫濕度不穩(wěn)定時(shí)，示值也發(fā)生漂移，準(zhǔn)確度越高，這種現(xiàn)象就越明顯。為保證周?chē)h(huán)境溫度穩(wěn)定，應(yīng)避免陽(yáng)光照射，遠(yuǎn)離門(mén)窗及空調(diào)的出風(fēng)口。保持室內(nèi)相對(duì)濕度為45%～65%，避免室內(nèi)濕度過(guò)大或過(guò)小對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。當(dāng)室內(nèi)濕度不滿(mǎn)足要求時(shí)，可采取使用加濕機(jī)或除濕機(jī)來(lái)解決。最后，在質(zhì)量比較儀稱(chēng)量時(shí)，對(duì)被稱(chēng)物要輕拿輕放，避免較大的沖擊對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，確保量值準(zhǔn)確可靠。中