电子天平的校验与质量控制的关系
摘要:电子技术随着时代的发展日新月异,电子天平的不断发展和完善,逐步形成取代机械天平之势。电子天平采用了现代传感器技术、电子技术和微型计算机技术,具有操作简便、称量速度快、自动化程度高、智能化功能强度等机械天平无可比拟的优越性。本文从电子天平原理出发,对电子天平的校验与质量控制的关系进行论述。
关键词:电子天平；检定；质量控制
1.电子天平的原理
高精度电子天平通常采用电磁力平衡式传感器，电磁感应式电子天平与电子秤不同。电子秤是使用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)
其中：F为电磁力；B为磁感应强度；L为受力导线的长度；I为流过导线的电流；θ为通电导体与磁场的夹角。
由公式(1)可知，F的大小与B、L、I及sinθ均成正，由于设计好的传感器，其感应线圈的规格尺寸已固定，所以其B、L均不再改变，而θ为90°，故sinθ=1,因此,F的大小与I成对应关系。
电子天平主要组成部分有：电源、电磁力平衡式传感器、光电传感器、键盘和显示器、控制电路。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。加载后，感应线圈的位置发生改变。光电传感器中的光敏三极管所接收的光线强度的改变，其输出电流也改变，该变化量经微处理后,控制电磁线圈的电流大小，使电磁力平衡式传感器重新处于平衡状态。同时，微处理器将电磁线圈的电流变化量转变为数字信号，迅速在显示屏上显示出来。
2.电子天平的检定
根据检定规程要求电子天平的检定项目应为 9项，检定内容主要包括：鉴别力、灵敏度、各载荷点最大允许误差、重复性、偏载检查（四角误差）和配衡功能检查等。根据被检天平的具体情况，并非每一项内容都需要检定，具体的检定项目需要由电子天平的准确度级别和检定分度值决定，但对于日常周期检定来说，主要进行以下几项验定：
2.1鉴别力的检定
对电子天平只有鉴别力是有意义的,因而不存在灵敏度的检定问题。对鉴别力的检定,比较严谨的方法是：先将相当于检定载荷(规程指出载荷选用空载、全载或二者中一种)示值L的砝码加在天平盘上(其中有10个d/10的小砝码)，然后逐个取下d/10的小砝码至显示值变为L-d时，再加上一个d/10的小砝码，此时将质量为1.4d的砝码轻轻加到称盘上，显示值应变为L+d。但在一般情况下，在用电子天平的鉴别力不会有问题，所以多数情况下可以直接用质量为1.4d小砝码试一下即可,对于d≤1mg或e>2d的电子天平,规程中说明允许免检其鉴别力。
2.2各载荷点最大允许误差的检定
电子天平的最大允许误差是指天平的线性度(或称线性误差),它与天平的准确度等级和称量有关，目的是判定天平的示值误差是否在规程规定的范围之内。在检定时，除按规程要求选取检定点外，还应根据被检电子天平的e与d关系来确定是否应该对每一被检点采用附加小砝码，寻求数字转换点的方法来找到该检定点的实际模拟值,以确定其示值误差。
2.3天平重复性误差的检定与计算
重复性是描述电子天平在相同的测量条件下,同一载荷多次称量结果之间的差值,是衡量电子天平能否提供一致结果的能力。重复性检定在空载和加载状态下进行,测定次数应根据电子天平准确度级别的不同而异,检定过程及数据处理方法按非自动天平检验规定进行,对e≥5d的电子天平则可以省略用附加小砝码寻求数字转换点进行凑整计算的过程,而直接用天平示值减去砝码质量值来计算重复性误差。对重复性误差可用极差法或标准偏差法来评定,但以极差法常用。
2.4偏载检验(四角误差检验)
进行此项检验，应注意根据使用要求来确定是用满载还是1/3FS作为检验载荷，因为不同的检验载荷最终检验结果是不同的。同时非自动天平检验规定要求：标准天平四角误差等于最大值与最小值之差：而非标准天平等于各点修正后的示值误差中的最大者,但规程允许用各点的示值与中心点的示值之差的最大者作为四角误差来简化检定程序。在实际检定工作中，根据实际情况灵活操作。
2.5电子天平配衡功能的检查
对于新购置的电子天平应检查其配衡功能，一般选取两个载荷点，即：（1/3）Max，（2/3）Max。在相同载荷下所得两结果之间的差值，不得超过该载荷时的最大允许误差的绝对值。
3.电子天平的校正
衡量一台电子衡器合格与否，还需综合考虑其它技术指标的。因存放时间较长，位置移动，环境变化或为获得精确测量，电子衡器在使用前一般都应进行校正操作。校正方法分内部校正和外部校正两种。目前市场流通校正方法多种多样，各个电子衡器生产厂家对此方面的研发各不相同，都在朝着着便于用户操作方向发展。通常厂家在说明书中均有详细操作步骤，因为电子衡器的校正较为专业，如果不仔细研读说明书很容易忽略. 校准方法分为内校准和外校准两种。校准前的准备：
(1)天平已处于水平状态。
(2)按说明书的要求进行预热。
(3)天平秤盘上无物品。
(4)关闭挡风窗,在天平置零的情况下进行。
下面以慈溪天东衡器厂的HX型电子天平为例说明如何对天平进行外校准。方法：轻按CAL键当显示器出现CAL-时，即松手，显示器就出现CAL-100其中“100”为闪烁码，表示校准砝码需用100g的标准砝码。此时就把准备好“100g”校准砝码放上称盘，显示器即出现“——”等待状态，经较长时间后显示器出现100.000g，拿去校准砝码，显示器应出现0.000g，若出现不是为零，则再清零，再重复以上校准操作。
4.影响电子天平质量控制的因素
4.1预热
天平的预热时间是保证天平示值稳定的关键。预热时间的长短除与天平的检定分度值和检定分度数有关，规程第 18 条规定天平检定前应预热 0.5h 以上，但 0.5h 以上多长的预热时间比较合适？这时就要根据各天平使用说明书上的要求，同时天平的预热和天平的精度有密切的关系。
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的平衡,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的磁通B、流经线圈中的电流I及线圈长度L成正比。当天平处于预热阶段时,随着内部温度升高,磁通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,使显示置零,此时天平才处于真正可使用状态。
4.2预压
天平在停止工作一段时间后可能进入休眠状态，为使天平尽快进入工作状态，检定前最好用砝码多次加载，否则天平进程示值与回程示值之差将明显增大，加载时不必在意称量结果和回零情况。
4.3重力加速度的影响
电子天平主要采用电磁力平衡式传感器实现被测质量向重力再向电流信号的转换,其测量结果与重力加速度密切相关。而重力加速度的大小与天平使用地点的纬度、海拔高度、地壳密度、地下水变化等诸多因素有关,是随地点而变的。因此,电子天平必须根据天平的使用地点实施重力加速度补偿。
内置校准砝码补偿方法及其不足。目前的电子天平普遍采用内置校准砝码的补偿方法,即在电子天平内部设置一个校准砝码,通过对校准砝码的称量得出当地的g值。这种补偿方法需要增加电子分析天平的机械加载机构和自校专用砝码,因此提高了产品成本和工艺复杂性。而且,内置砝码在长期使用后,难以进行砝码检定和表面清洁处理,易于造成电子分析天平的时漂误差。
外附校准砝码补偿方法。将校准砝码改为通用标准砝码,作为电子分析天平的附件,直接通过称盘加载称量,可进行重力加速度的自动校准,实现重力加速度对天平称量影响的自动补偿。由于外附校准砝码的准确度能够得到保证，重力加速度的补偿精度高,已获得广泛应用。
4.4环境温度变化的影响
另外,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=2?×10-6/℃说明温度每变化一度,灵敏度变化0。00025%,如果称量100g物体,当环境变化5℃时,
产生的最大误差达2?5×10-6×5×100=1?25mg,因此,当环境温度变化较大时,应对电子天平进行校准,以保证称量结果的准确。
结论
天平是质量量值传递的关键，电子天平的检定是电子天平计量性能的前提，而电子天平的校准又为精密的质量控制提供了重要保障。为了使电子天平获得更高等级的精确度，必须参照国家计量检定规程，按着电子天平的综合性能特性来进行检定。
参考文献
[1]JJG98-90 非自动天平试行检定规程[S].中国计量出版社,2004.
[2]JJG555-96 非自动秤通用检定规程[S].中国计量出版社,1998.
[3]赵亚军.电子天平的使用与调修200问[M].中国计量出版社,2003,10.
[4]国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南[S].北京:中国计量出版社,2000.
[5]刘立译.量化分析测量不确定度指南[M].北京：中国计量出版社,2003
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关键词:电子天平；检定；质量控制
1.电子天平的原理
高精度电子天平通常采用电磁力平衡式传感器，电磁感应式电子天平与电子秤不同。电子秤是使用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)
其中：F为电磁力；B为磁感应强度；L为受力导线的长度；I为流过导线的电流；θ为通电导体与磁场的夹角。
由公式(1)可知，F的大小与B、L、I及sinθ均成正，由于设计好的传感器，其感应线圈的规格尺寸已固定，所以其B、L均不再改变，而θ为90°，故sinθ=1,因此,F的大小与I成对应关系。
电子天平主要组成部分有：电源、电磁力平衡式传感器、光电传感器、键盘和显示器、控制电路。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。加载后，感应线圈的位置发生改变。光电传感器中的光敏三极管所接收的光线强度的改变，其输出电流也改变，该变化量经微处理后,控制电磁线圈的电流大小，使电磁力平衡式传感器重新处于平衡状态。同时，微处理器将电磁线圈的电流变化量转变为数字信号，迅速在显示屏上显示出来。
2.电子天平的检定
根据检定规程要求电子天平的检定项目应为 9项，检定内容主要包括：鉴别力、灵敏度、各载荷点最大允许误差、重复性、偏载检查（四角误差）和配衡功能检查等。根据被检天平的具体情况，并非每一项内容都需要检定，具体的检定项目需要由电子天平的准确度级别和检定分度值决定，但对于日常周期检定来说，主要进行以下几项验定：
2.1鉴别力的检定
对电子天平只有鉴别力是有意义的,因而不存在灵敏度的检定问题。对鉴别力的检定,比较严谨的方法是：先将相当于检定载荷(规程指出载荷选用空载、全载或二者中一种)示值L的砝码加在天平盘上(其中有10个d/10的小砝码)，然后逐个取下d/10的小砝码至显示值变为L-d时，再加上一个d/10的小砝码，此时将质量为1.4d的砝码轻轻加到称盘上，显示值应变为L+d。但在一般情况下，在用电子天平的鉴别力不会有问题，所以多数情况下可以直接用质量为1.4d小砝码试一下即可,对于d≤1mg或e>2d的电子天平,规程中说明允许免检其鉴别力。
2.2各载荷点最大允许误差的检定
电子天平的最大允许误差是指天平的线性度(或称线性误差),它与天平的准确度等级和称量有关，目的是判定天平的示值误差是否在规程规定的范围之内。在检定时，除按规程要求选取检定点外，还应根据被检电子天平的e与d关系来确定是否应该对每一被检点采用附加小砝码，寻求数字转换点的方法来找到该检定点的实际模拟值,以确定其示值误差。
2.3天平重复性误差的检定与计算
重复性是描述电子天平在相同的测量条件下,同一载荷多次称量结果之间的差值,是衡量电子天平能否提供一致结果的能力。重复性检定在空载和加载状态下进行,测定次数应根据电子天平准确度级别的不同而异,检定过程及数据处理方法按非自动天平检验规定进行,对e≥5d的电子天平则可以省略用附加小砝码寻求数字转换点进行凑整计算的过程,而直接用天平示值减去砝码质量值来计算重复性误差。对重复性误差可用极差法或标准偏差法来评定,但以极差法常用。
2.4偏载检验(四角误差检验)
进行此项检验，应注意根据使用要求来确定是用满载还是1/3FS作为检验载荷，因为不同的检验载荷最终检验结果是不同的。同时非自动天平检验规定要求：标准天平四角误差等于最大值与最小值之差：而非标准天平等于各点修正后的示值误差中的最大者,但规程允许用各点的示值与中心点的示值之差的最大者作为四角误差来简化检定程序。在实际检定工作中，根据实际情况灵活操作。
2.5电子天平配衡功能的检查
对于新购置的电子天平应检查其配衡功能，一般选取两个载荷点，即：（1/3）Max，（2/3）Max。在相同载荷下所得两结果之间的差值，不得超过该载荷时的最大允许误差的绝对值。
3.电子天平的校正
衡量一台电子衡器合格与否，还需综合考虑其它技术指标的。因存放时间较长，位置移动，环境变化或为获得精确测量，电子衡器在使用前一般都应进行校正操作。校正方法分内部校正和外部校正两种。目前市场流通校正方法多种多样，各个电子衡器生产厂家对此方面的研发各不相同，都在朝着着便于用户操作方向发展。通常厂家在说明书中均有详细操作步骤，因为电子衡器的校正较为专业，如果不仔细研读说明书很容易忽略. 校准方法分为内校准和外校准两种。校准前的准备：
(1)天平已处于水平状态。
(2)按说明书的要求进行预热。
(3)天平秤盘上无物品。
(4)关闭挡风窗,在天平置零的情况下进行。
下面以慈溪天东衡器厂的HX型电子天平为例说明如何对天平进行外校准。方法：轻按CAL键当显示器出现CAL-时，即松手，显示器就出现CAL-100其中“100”为闪烁码，表示校准砝码需用100g的标准砝码。此时就把准备好“100g”校准砝码放上称盘，显示器即出现“——”等待状态，经较长时间后显示器出现100.000g，拿去校准砝码，显示器应出现0.000g，若出现不是为零，则再清零，再重复以上校准操作。
4.影响电子天平质量控制的因素
4.1预热
天平的预热时间是保证天平示值稳定的关键。预热时间的长短除与天平的检定分度值和检定分度数有关，规程第 18 条规定天平检定前应预热 0.5h 以上，但 0.5h 以上多长的预热时间比较合适？这时就要根据各天平使用说明书上的要求，同时天平的预热和天平的精度有密切的关系。
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的平衡,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的磁通B、流经线圈中的电流I及线圈长度L成正比。当天平处于预热阶段时,随着内部温度升高,磁通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,使显示置零,此时天平才处于真正可使用状态。
4.2预压
天平在停止工作一段时间后可能进入休眠状态，为使天平尽快进入工作状态，检定前最好用砝码多次加载，否则天平进程示值与回程示值之差将明显增大，加载时不必在意称量结果和回零情况。
4.3重力加速度的影响
电子天平主要采用电磁力平衡式传感器实现被测质量向重力再向电流信号的转换,其测量结果与重力加速度密切相关。而重力加速度的大小与天平使用地点的纬度、海拔高度、地壳密度、地下水变化等诸多因素有关,是随地点而变的。因此,电子天平必须根据天平的使用地点实施重力加速度补偿。
内置校准砝码补偿方法及其不足。目前的电子天平普遍采用内置校准砝码的补偿方法,即在电子天平内部设置一个校准砝码,通过对校准砝码的称量得出当地的g值。这种补偿方法需要增加电子分析天平的机械加载机构和自校专用砝码,因此提高了产品成本和工艺复杂性。而且,内置砝码在长期使用后,难以进行砝码检定和表面清洁处理,易于造成电子分析天平的时漂误差。
外附校准砝码补偿方法。将校准砝码改为通用标准砝码,作为电子分析天平的附件,直接通过称盘加载称量,可进行重力加速度的自动校准,实现重力加速度对天平称量影响的自动补偿。由于外附校准砝码的准确度能够得到保证，重力加速度的补偿精度高,已获得广泛应用。
4.4环境温度变化的影响
另外,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=2?×10-6/℃说明温度每变化一度,灵敏度变化0。00025%,如果称量100g物体,当环境变化5℃时,
产生的最大误差达2?5×10-6×5×100=1?25mg,因此,当环境温度变化较大时,应对电子天平进行校准,以保证称量结果的准确。
结论
天平是质量量值传递的关键，电子天平的检定是电子天平计量性能的前提，而电子天平的校准又为精密的质量控制提供了重要保障。为了使电子天平获得更高等级的精确度，必须参照国家计量检定规程，按着电子天平的综合性能特性来进行检定。
参考文献
[1]JJG98-90 非自动天平试行检定规程[S].中国计量出版社,2004.
[2]JJG555-96 非自动秤通用检定规程[S].中国计量出版社,1998.
[3]赵亚军.电子天平的使用与调修200问[M].中国计量出版社,2003,10.
[4]国家质量技术监督局计量司.测量不确定度评定与表示指南[S].北京:中国计量出版社,2000.
[5]刘立译.量化分析测量不确定度指南[M].北京：中国计量出版社,2003
投稿方式：
电话：029-85236482 15389037508 13759906902
咨询QQ：1281376279
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