电子天平检定的影响因素分析及其示值误差测量的不确定度评定

吴良安

摘  要：电子天平作为一种便捷灵敏、高精准度的精密仪器，是量值传递的重要计量器具之一，其计量性能的准确性对测量结果起着关键作用。该文结合国家发布实施的JJG 1036—2022《电子天平检定规程》和JJF 1059.1—2012《測量结果不确定度评定与表示》，探索影响电子天平检定的各种因素，分析电子天平计量检定结果中示值误差测量结果不确定度分量的主要来源，给出电子天平示值误差的不确定度评定。

关键词：电子天平；计量检定；影响因素；不确定度评定；示值误差

中图分类号：TH715      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）14-0074-04

Abstract： As a convenient， sensitive and high precision instrument， electronic balance is one of the important measuring instruments for value transmission， and the accuracy of its measurement performance plays a key role in the measurement results. This paper combines the verification regulation of JJG 1036-2022 "Electronic Balance" and JJF 1059.1-2012 "Evaluation and Expression of Uncertainty in Measurement"， explore various factors that affect the verification of electronic balance， analyze the main sources of uncertainty components of indication error in measurement verification of electronic balance， and give the evaluation of uncertainty of indication error of electronic balance.

Keywords： electronic balance; metrological verification; influencing factor; uncertainty evaluation; indication error

随着科学技术的发展和制作工艺的进步，电子天平已被广泛地应用于贸易结算、科学研究、工业生产等各个领域，承担着大量的贸易结算、化验分析等重要工作，是量值传递的重要计量器具之一。现阶段用于高精准度测量的电子天平，绝大部分是电磁力平衡式电子天平。这类电子天平是利用电磁力平衡原理将物体加置于电子天平秤盘后引起的位移变化量转变为电信号，再经转换器转换和微处理器处理后直接在显示器上显示其质量。电子天平内置了称重传感器等精密电子部件，因此在使用一段时间后可能会出现测量误差较大等问题[1]。为确保在用电子天平的量值准确、可靠，应积极研究电子天平计量检定过程中的影响因素，加强电子天平特别是特种准确度级和高准确度级电子天平的维护、保养，采取有效措施减小电子天平的示值误差，合理评定电子天平示值误差检定结果的不确定度。

1  电子天平检定的影响因素分析

电子天平是一种便捷灵敏、高精准度的精密仪器， 电子天平的计量准确性直接影响称量结果的准确性。为了保证使用电子天平的测量结果的可靠性、准确性，需要对电子天平开展计量检定。国家市场监督管理总局于2022年12月7日发布了JJG 1036—2022《电子天平检定规程》，并于2023年6月7日实施。新版检定规程适用于检定分度值e≥1 mg的电子天平的首次检定、后续检定和使用中检查，电子天平检定项目主要有：外观检查、偏载误差、重复性、示值误差、置零准确度和除皮称量。其他的电子天平可参照JJF 1326—2011《质量比较仪校准规范》或JJF 1847—2020《电子天平校准规范》。新版检定规程增加“置零准确度”和“除皮称量”检定项目，带给很多全新的要求，更加接近OIML R76国际建议的要求[2]。

电子天平计量检定容易受到多种因素的影响，其中包括环境因素、人为因素、方法因素和装置因素等，了解影响电子天平计量检定结果的各种因素，并采取措施加以控制优化。

1.1  环境因素

不同的检定环境条件，会对电子天平检定产生不同的影响。准确度等级越高的电子天平对工作环境有着更高的要求。由于环境温度、湿度、气流、震动、灰尘和强磁场等外界因素总能对电子天平产生影响，所以，电子天平的计量检定，应在稳定的符合检定规程要求的环境温度、湿度条件下进行，同时电子天平和所使用的标准砝码均应避免阳光直射，检定操作台面远离振动、气流、磁场及大气中水汽凝结等影响量，尽最大限度减小环境因素对电子天平检定结果的影响[3]。

1.2  人为因素

影响电子天平计量检定的因素中，人为因素是影响检定的最大因素。检定电子天平应由2名计量检定人员配合完成，计量检定人员的综合技能水平与专业素质直接影响着电子天平检定工作开展的稳定性、准确性及可行性。应不断提高电子天平计量检定人员的专业能力与技术水平，定期对电子天平计量检定人员开展学习培训，学习标准操作方式与标准操作规范，2名计量检定人员相互督促并严格按照相关规范标准操作，消除人为因素影响，保证高效完成电子天平的检定工作。

1.3  方法因素

电子天平的检定工作需要严格按照检定方法与检定流程完成。天平计量检定前，应先确认电子天平的水平气泡居中，做好电子天平的预热与预加载作业，确保电子天平已进入工作状态，保持电子天平的状态稳定性。电子天平计量检定中，计量检定人员需要严格依照国家计量检定系统表与国家计量检定规程进行，规范化操作，减小检定方法对电子天平检定的影响。

1.4  装置因素

电子天平的计量检定，应配备一组满足JJG 99—2019《砝码检定规程》要求的标准砝码。在检定过程中如果使用砝码的实际质量值，则砝码的扩展不确定度不得超过相应载荷最大允许误差绝对值。如果检定过程中使用砝码的标称值，则砝码的最大允许误差不得超过相应载荷最大允许误差的绝对值[4]。由于电子天平属于高精密仪器，因此在电子天平的使用过程中一般都需要固定装置，电子天平检定过程中对电子天平的固定装置要求更高。检定电子天平时，所选用标准砝码应符合JJG 99-2019《砝码检定规程》的规定，确保电子天平配备必要的固定装置，尽量避免出现装置误差，确保测量准确性。

2  电子天平检定的示值误差测量结果的不确定度评定

电子天平示值误差测量结果的不确定度是影响测量结果不确定度的重要分量，准确地评定此不确定度具有重要意义。下面将以1台“检定分度值e=1 mg/实际分度值d=0.1 mg，最大秤量220 g/最小秤量10 mg”的电子天平为例，评定其50 g测量点的示值误差测量结果的不确定度。

2.1  测量过程简述

2.1.1  国家计量技术规范

JJG 1036—2022《电子天平检定规程》、JJF 1059.1—2012《测量结果不确定度评定与表示》。

2.1.2  测量环境条件

温度为21.0 ℃±0.3 ℃，相对湿度为65%±5%，测量现场无振动源、气流及磁场等其他影响量，待测电子天平和标准砝码无阳光直接照射。

2.1.3  标准砝码

经上级计量技术机构检定合格的F1等级标准砝码，测量范围为1 mg～500 g。

2.1.4  测量对象

电子天平，器具型号为AUY220，出厂编号为D449816423，最大秤量220 g，最小秤量10 mg、检定分度值e=1 mg/实际分度值d=0.1 mg，制造商为岛津公司（日本）。

2.1.5  测量方法

将经上级计量技术机构检定合格的F1等级标准砝码直接放置于电子天平秤盘即得到电子天平的示值，将电子天平的示值与标准砝码的标称值相减，可得待测电子天平的示值误差。

2.2  测量模型的建立

根据国家计量技术规范JJG 1036—2022《电子天平检定规程》和JJF 1059.1—2012《测量结果不确定度评定与表示》的内容，可以建立测量模型

？驻m=P-m，     （1）

式中：？驻m为电子天平的示值误差，g；P为电子天平的示值，g；m为标准砝码的标称值，g。

2.3  不确定度来源分析

由建立测量模型可知，影响电子天平示值误差的因素主要有：被测电子天平的测量重复性导致的标准不确定度分量u（P1）、被测电子天平的分辨力的局限性导致的不确定度分量u（P2）、标准砝码的标准值导致的不确定度分量u（m）。

2.4  评定各输入分量的标准不确定度

2.4.1  输入量P的标准不确定度分量u（P）

输入量P的标准不确定度u（P）主要有2个来源：测量重复性和电子天平的分辨力。

1）测量重复性引起的标准不确定度分量u（P1）的评定（按A类评定的方法）。对待测对象电子天平50 g测量点，在重复性测量条件下进行连续独立测量10次，每次测得数据见表1。

其算术平均值为

用贝塞尔公式计算，其单项实验标准差结果如下

选取3台同类型电子天平，分别对每一台电子天平按上述方式方法在50 g测量点各进行3组测量，每组测量进行10次（n=10），共得到9组（m=9）测量列，得到每组单次实施标准差结果见表2。

合并样本标准差

则

。        （5）

2）天平分辨力引起的标准不确定度分量u（P2）的评定（按B类评定的方法）。该电子天平的实际分度值d=0.1 mg，且服从均匀分布，取包含因子k=[5]则

3）电子天平偏载引起的标准不确定度。电子天平测量过程使用单个砝码，标准砝码与待测电子天平的称盘均为圆形状，测量中砝码已尽量与电子天平的稱盘同圆心，且电子天平偏载引起的不确定度分量已包含在重复性分量的标准不确定度当中，因此可以忽略。

4）温度不稳定及振动等引起的标准不确定度。本次电子天平测量的实验台已做抗震加固及测量的过程中严格按照检定规程规定的标准控制环境温度及湿度、现场无振动源、气流及磁场等其他影响量，故实验环境温度及湿度的控制、周围振动等影响在此予以忽略不计。

5）输入量P的标准不确定度u（P）的计算。已知P1和P2互相独立，则

， （7）

2.4.2  输入量m的标准不确定度分量u（m）（按B类评定的方法）

本次测量使用F1等级标准砝码由经上级计量技术机构检定合格，有效期内的检定证书可证明该标准砝码的示值误差合格，且检定过程使用该砝码的标称值。由JJG 99—2022《砝码检定规程》可知，50g F1等级标准砝码的最大允许误差MPE=±0.3 mg，且服从均匀分布，取包含因子k=，则

二等标准砝码为

2.5  合成标准不确定度的评定

2.5.1  灵敏系数

测量模型：？驻m=P-m。

灵敏系数

2.5.2  标准不确定度分量汇总表

各标准不确定度分量汇总表见表3。

2.5.3  合成标准不确定度的计算

由于各不确定度分量之间不存在相关性，即

。（11）

2.5.4  扩展不确定度的计算

取置信水平p=0.95，按有效自由度？自eff=∞，则k=2，故得

U95=k×uc（？驻m）=2×0.17 mg=0.34 mg，    （12）

取U95=0.4 mg。

2.6  测量不确定度报告

该电子天平在50 g测量点时电子天平示值为49.999 9 g，示值误差为？驻m=-0.1 mg，该示值误差的扩展不确定度为U95=0.4 mg，k=2。

3  结论

1）电子天平已广泛使用在各行各业，需定期对电子天平进行计量检定以保障电子天平计量性能精准。电子天平的计量检定过程受到多种因素的共同影响，研究判断影响其精确性的因素，做好实验环境的控制及设备的管理工作，提升计量检定人员的工作水平，确保电子天平的计量检定严格依照国家计量检定规程进行，规范化操作，使电子天平检定工作顺利完成。

2）做好电子天平日常维护作业，不断提高实验室管理水平和内部质量控制能力，保证电子天平始终处于良好的状态，能延长电子天平的使用寿命，使其充分发挥应有的优势。

3）电子天平是测量工作中常见的计量器具，电子天平称量结果的准确性显得格外重要，电子天平示值误差的不确定度是影响测量结果不确定度的重要分量。其他符合上述条件的测量结果示值误差的不确定度的评定，一般可参照评定。

参考文献：

[1] 吴灿林.电子天平的工作原理及常见故障分析[J].企业技术开发，2014（33）：101-102.

[2] 刘炜，傅忆宾.JJG 1036—2022《电子天平检定规程》的理解与探讨[J].衡器，2023（7）：30-31.

[3] 王爱莉.电子天平的检定注意事项及示值误差检定结果的不确定度评定[J].中国质量与标准导报，2022（3）：65-69.

[4] 全國质量密度计量技术委员会.《电子天平检定规程》：JJG 1036—2022[S].北京：中国标准出版社，2022.

[5] 全国法制计量管理计量技术委员会.《测量不确定度评定与表示》：JJF 1059.1—2012[S].北京：中国标准出版社，2013.