浅析影响电子天平称量准确性的两大因素

王学琴　梁秀丽　辛宗伟　吕秀莲　邵鸿飞　王化银

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

0　引言

电子天平具有体积小、功能齐全、操作简单和使用方便等优点，因而被广泛应用于计量检测、量值传递、产品化验与科学实验工作中。但是，在使用电子天平进行称量的过程中,很多因素对其称量的准确性都会产生影响。通过日常检定工作中的经验总结，本文分析了影响电子天平称量准确性的两大因素的主要来源及其消除方法。

1　关于正确使用电子天平的问题

1.1　电子天平的工作原理

电子天平是利用电磁力平衡的原理进行设计的，根据电磁力公式：

F=BLIsinθ

(1)

式中：F为电磁力；B为磁感应强度；L为受力导线的长度；I为通过导线的电流强度；θ为通电导体与磁场的夹角。

由式(1)可知，F的大小与B、L、I及sinθ均成正比，对于设计好的传感器，其感应线圈的规格尺寸已固定，所以其B、L可视为常数，而θ为90°，故sinθ=1，因此，F与I成正比关系。而电流的大小是由天平秤盘上所加载荷的大小，也就是被称物体的重力大小决定的。当大小相等方向相反的电磁力与重力达到平衡时，则有：

F=BLI=mg

(2)

式(2)即为电子天平的电磁平衡原理式。

电子天平主要由秤盘、传感器、位置检测器、PID调节器、功率放大器、低通滤波器、模数(A/D)转换器、微计算机、显示器、机壳、底角组成。

电子天平的基本工作原理是天平空载时，电磁力平衡式传感器处于平衡状态，当秤盘上加上载荷时，使其秤盘的位置发生了相应的变化，这时位置检测器将此变化量通过PID调节器和功率放大器转换成线圈中的电流信号，并在采样电阻上转换成与载荷相对应的电压信号，再经过低通滤波器和模数(A/D)转换器,变换成数字信号给计算机进行数据处理,并将此数值迅速在显示屏上显示出来。因此，强磁场对称量结果影响很大，使用者在安装电子天平时应当远离较强的电场和磁场。

1.2　重力加速度的影响

由于电子天平是采用电磁力与重力相平衡的原理来测量物体质量的，因此其测量结果与重力加速度密切相关，而重力加速度的大小随着地球的地理纬度和海拔高度而变化。严格说来，它是地球的重力场的位置的函数。因此，电子天平必须根据其使用地点随时、随地实施重力加速度补偿,即对电子天平进行校准，校准有内校和外校两种。

对天平进行校准，是正确使用电子天平必不可少的重要一步，任何电子天平使用前不进行校准，就得不到准确的称量结果。用户在每次使用前，最好对天平进行校准。其理由有两个：1)天平称量的是物体的质量，而不是重量。2)由于环境温度的变化直接影响传感器自身的温度变化。这会导致磁感应强度和流经线圈中的电流也随之变化，电磁力发生变化。尽管电子天平都有温度补偿功能，但它只有在小的温度波动范围内有效，温度超过一定的限度，它是无法补偿的。

1.3　温度变化的影响

电磁力平衡式传感器的温度变化主要来源于环境温度的变化和过流元件的发热。电子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，利用电磁力将天平重新拉回平衡。这个电磁力，是由流经线圈中与物体质量成正比的电流在永久磁钢中产生的。根据式(2)，电磁力F的大小与磁钢的磁感应强度、流经线圈中的电流及导线长度成正比。当天平处于预热阶段时，随着内部温度的升高，磁感应强度B会逐渐下降，同时I也会减小，这样就导致F变小，天平失去平衡，示值会呈现正的单方向漂移。

电子天平在称量前要充分预热。只有经过充分预热，使磁钢达到热平衡，这一变化过程结束，天平才达到平衡。再利用置零/去皮功能，使显示回零，此时天平才处于真正可使用状态。为了减少电子器件，例如变压器、桥式整流器、三端直流稳压集成电路等发热器件的影响，新一代的电子天平已将主要发热器件——变压器移到天平的外部，成为一个独立部分。对于实际分度值为1μg或0.1μg的微量或超微量天平，都是将称量室与电子部分分开成两个独立的部分。其目的是为了减小热噪声对传感器的热影响，以利于更为稳定与准确地称量。另外，电子天平通常都没有类似家用电器的电源开关，只要给天平通电，即使显示器上无显示，天平也已处于预热状态。天平上的ON/OFF键只是开关显示器而已。因此经常称量的天平不必拔掉电源，尤其是高准确度天平，在条件许可的情况下，长期不断电可保持天平始终处于预热状态。对于实际分度值d达到0.01mg的电子天平，预热时间至少为5h；对于d达到0.001mg的微量和超微量电子天平，则需预热24h以上。对于使用中的天平，预热时间可适当减少，当显示器上的示值不再呈现单方向漂移时，置零/去皮后即可进行称量。

另外，环境温度的变化也导致电子天平灵敏度的漂移，从而产生测量偏差。灵敏度的温度系数Tc是电子天平的一项重要指标，用来表示灵敏度的漂移。因此，当环境温度变化较大时，应对电子天平进行校准，以保证测量结果的准确。

1.4　簧片休眠状态的影响

电子天平预热好以后，不要立即进行称量，而要短暂地加载、卸载以运动天平。电子天平的传感器通常是由9或11片簧片构成的弹性支承体，天平传感器就是利用这些簧片进行力的传递,使天平在平衡-失衡-再平衡的过程之中完成称量。然而在天平处于通电预热阶段或较长时间停止称量时，天平传感器是处于停止工作的休眠状态，当然簧片也处于休眠状态，其恢复性能不佳，若这时进行称量势必会引起天平加载后回零不佳，示值稳定性不好，重复性差。运动天平的方法是用相当于天平最大秤量的砝码或物体加载到秤盘上，然后再卸载，此时并不在乎加载示值和是否回零，如此反复10次以上，使传感器的簧片从休眠状态逐渐进入工作状态，天平才能稳定地称量。对于进行计量检定的天平，这一步是必不可少的。对于使用中的天平，若实际分度值d≥0.1mg，可以不作或减少加、卸载次数，置零/去皮后即可进行称量。对于d≤0.01mg的半微量、微量和超微量天平，则必须进行这一步，否则得不到稳定的称量结果。若这类天平，停止工作超过30min，在重新开始称量前也需要再进行短暂的加、卸载来运动天平。

1.5　水平状态的影响

电子天平因移动或其它原因，常造成四角不平，这也是影响天平称量准确性的因素。一般高精度的电子天平都带有水平调整装置和水准器，使用时，需经常检查天平基座上的气泡是否位于水准器的中部，如不在中部，须调节底脚螺丝，使天平水平，方可进行称量操作。

1.6　人为因素的影响

人员在使用天平过程中，对天平称量室腔内未保持清洁，称量具有腐蚀性的物品，过载称量等人为因素都会影响天平的称量准确性。使用人员应经过学习、培训，才能正确地进行称量。

2　关于样品本身的自然物理变化影响的问题

2.1　样品和容器的温度

当样品和容器的温度与天平称量室的温度不相同时，由于样品和容器与天平之间的热传递产生的示值漂移，会产生错误的称量结果。为了解决样品和容器的温度影响，在称量时，要保持样品和容器同称量室具有相同的温度后再进行称量；为避免手温对容器的影响，要使用镊子夹取容器；尤其要注意，尽可能避免手进入天平称量室，引起称量室温度升高，为此可使用长柄镊子夹取容器或者使用长柄样品勺添加样品；当然在使用容器的形状上也要注意，应使用表面积较小的容器，减少温度的影响。

2.2　样品的吸湿性或挥发性

在称量一些具有吸湿性的样品时，天平显示值会缓慢增大，反之，称量一些具有挥发性的样品时，天平显示值会越来越小。为了称量好这类样品，首先要选择所用的容器形状和大小，如称量液体类样品，可选择细颈瓶再加塞头，可减少样品的吸湿或挥发；如称量固体或粉末类样品，则应给称量器皿加盖，隔绝样品对水分的吸收或挥发。建议用户为了减少样品吸湿性和挥发性的影响，尽量减少称量时间，当天平称量过程刚结束，即指示称量过程的符号如小圆圈或小圆点一消失，立即记下天平显示值。其次保持容器的清洁干燥以及天平称量盘的清洁干燥，不要粘有灰尘、污染物及水滴。

2.3　样品和容器的静电现象

称量样品和容器一旦有了静电，静电荷之间的库仑力，会造成天平示值的波动，称量结果的重复性差。此静电主要是粉末状或颗粒状样品与这类绝缘容器摩擦而产生，如果没有良好的泄放途径，这些静电就不能消除或者至少需要几小时才能缓慢地消除。为了消除样品和容器的静电，简单的办法是让三芯电源插座的接地端与大地有良好的接触，标准实验室尤其要注意应该采用一根专门的接地线，埋入大地，然后将接地线引入电源插座的接地端，使用加湿器增加空气湿度，理想的相对空气湿度为45%～60%。在温暖干燥的冬季，可在天平称量室内放置一杯水，1～2h后取出，增加称量室内的空气湿度；尽量避免用塑料容器，它极易产生静电。最好用玻璃容器，金属容器更好，或使用专门的消除静电的装置。

2.4　磁性样品和容器磁化

带有磁性的材料的磁现象起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样宏观磁特性。称量磁化了的物体时，由于磁性物体与不锈钢称量盘相互吸引，被天平误以为是加载，从而影响电磁力平衡，对称量结果产生较大的影响。解决这一影响的最基本思路是加大样品和容器与称量盘之间的距离，减弱磁力的影响。可将样品放置在非磁性的支承物上，如高的玻璃量杯，铝、铜支架上，从而加大与秤盘的距离。在条件许可的情况下，对样品和容器应该进行去磁，还可以将样品放置在导磁良好的合金容器内，让其磁力线沿合金容器内壁形成自封闭，减少磁力的影响。

3　结束语

在电子天平的实际使用过程中，测量结果的准确性不仅取决于使用检定合格的电子天平，对电子天平的正确使用(即调整水平—预热—运动天平—校准—进行称量)和日常的维护工作，以及样品本身的自然物理变化也是确保测量结果准确性的重要保证。

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