影响电子天平准确性的因素分析

　　(一)预热天平

　　首先,电子天平在称量前要充分预热。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。电磁力F的大小与磁钢的磁通量、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,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。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。再利用回零/去皮功能,使显示回零,此时天平才处于真正可使用状态。 湿度传感器探头 , , 不锈钢电热管 PT100 传感器 , , 铸铝加热器 , 加热圈 流体电磁阀

　　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1g或01g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。其目的即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。影响电子天平准确性的因素分析

　　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。影响电子天平准确性的因素分析

　　对于进行计量检定的或实际分度值d达到001mg的电子天平,预热时间至少为5小时;对于d达到0001mg的微量和超微量电子天平,则需预热24小时以上。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,回零/去皮后即可进行称量。影响电子天平准确性的因素分析

　　(二)运动天平

　　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。这一点往往容易被忽视。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。这就好比一个人经过了一个晚上的睡眠,筋骨完全处于放松状态,若一早起来,就进行大运动量工作或运动,这个人肯定吃不消,也出不了好成绩,为此须进行热身运动,活动筋骨,他才能取得好的工作效率和成绩。

　　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。

　　对于进行计量检定天平,这一步是必不可少的,否则会得不到好的称量结果。这已为大量事实所证明。对于使用中的天平,若实际分度值d!01mg,可以不作或减少加、卸载次数,回零/去皮后即可进行称量。对于d001mg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;若这类天平有一段较长时间(超过30分钟)停止工作,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。

　　(三)校准天平

　　这是正确使用电子天平必不可少的重要一步,任何电子天平不进行校准,就得不到准确的称量结果。有些用户以为校准天平只是计量部门的事,一旦天平检定合格,使用中就不必再校准了。其实计量部门对天平进行的是计量性能检定,主要包括对天平的偏载误差(即四角误差),以及各个载荷点的准确性及重复性检定,当然在计量检定前必须先校准天平,否则同样得不到正确的检定数据。用户在每次使用前,都必须校准天平的理由有两个:

　　1天平称量的是物体的质量,而不是重量。也就是说,使用任何一台天平,不管这台天平放置在地球上的任何地方,也不管这台天平放置在什么高度,称量同一物体,由于物体的质量是不变的,因此称量的结果应该完全相同。然而地球存在地心引力,任何一个有质量的物体其重量都会受到重力加速度的影响。例如一个物体在一楼时,称得的质量正好是2000000g,而在四楼(10m高度)时就变成了19999937g。显然,由于重力的影响,当我们用电子天平称量时就无法得到相同的称量结果。这就需要应用校准技术。

　　我们知道,对于双盘等臂机械天平而言,当左盘物体的重量(重力)与右盘砝码的重量(重力)相平衡时由于同一地方的重力加速度值相等,左右相消,故物体的质量就等于砝码的质量,自然完成了称量物体质量的目的。对于电子天平而言,与这种机械天平相同之处在于利用平衡原理,不同之处是用电磁力取代了平衡物体重量(重力)的砝码重量(重力)。同理,只要物体的重力与电磁力相平衡,则用电子天平称量的结果就是物体的质量。

　　为了得到准确的物体质量,光有电子天平还不行,还必须应用校准技术。现在让我们先看看校准的过程,以外校为例,如AB204N天平,进入校准程序后,在天平的显示屏上出现一个闪动的2000000,这个数字就是天平校准所要求的砝码值,此时,将2000000g砝码放置到称盘上,天平将经历失衡到再平衡的过程,当显示屏上变为闪动的00000时,将砝码取下,就完成了整个校准过程。当然用于平衡2000000g的是电磁力。随着温度的波动磁通量还会有变化,显然主要改变电磁力大小的是流经线圈中的电流值,因此,在校准过程中,天平实际是寻找一个与2000000g相对应的平衡电流值。现在让我们再回到上面的例子,在一楼时,我们对天平进行了校准,找到相对应的平衡电流,记为I1,称量结果是200.0000g。如果将天平搬到四楼(10m高度),不再重新校准天平,显而易见,由于I1产生的电磁力大小没有改变,而由于重力加速度g值变小,重力变轻,天平就会失去平衡,称量结果就成了19999937g, 结果出错。因此,当天平搬到四楼后,要重新对天平进行校准,重新寻找相对应的平衡电流值记为I2。显然I2

　　工作中,我们并不只是称量校准时的2000000g,而是在秤量范围内的质量,注意是在天平的最小秤量与最大秤量之内,即在允许误差范围内的准确称量。根据电子天平的平衡原理和应用了校准技术,在天平空载时得到一相对应的空载平衡电流I0,另外通过对要求的校准砝码校准时也得到一相对应的校准平衡电流Ical,只要天平的线性足够好,天平就会自动在I0与Ical所连接的线段内找到与该物体相对应的平衡电流IB,然后通过天平的电子部分转换成该物体的准确质量,通过天平显示屏显示出来,这就是应用了校准技术,准确称量一物体的全过程。

　　2当天平放置在同一个地方,称量同一物体,由于没有重力的影响,似乎就不需要在每次称量前进行校准了。其实不然,由于环境温度的变化及波动直接影响传感器自身的温度变化,如前所述,这会导致磁通量和流经线圈中的电流也随之发生变化, 电磁力发生变化。当然最后又会使天平称量结果不准确。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。最终还是要靠校准技术进行校准,才保证准确称量。

　　为了天平不因环境温度变化和波动而影响天平准确称量,梅特勒托利多公司最近推出了先进的校准技术FACT(即全自动校准技术)。它能始终保证天平在允许误差范围内准确称量。应用这种校准技术,天平随时检测自身的准确度,一旦超过允许误差范围,天平会进行自动校准。

　　国内绝大多数用户,使用电子天平都是下班断电,上班通电,因此在保证天平预热好的前提下,使用前对天平进行校准就显得更加有必要。切不可不校准天平就开始称量,这是绝对得不到准确称量结果的。在条件许可的情况下,我们建议大家不要关断天平电源,让其长期保持通电预热状态,天平将会稳定、准确地工作。

　　(四)使用天平

　　只有完成上述三个步骤后,才能使用天平进行稳定、准确地称量。

　　总而言之,正确使用天平分为四个步骤,即预热天平、运动天平、校准天平、使用天平。

　　二、关于样品本身自然物理特性和变化影响的问题

　　(一)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,存在一个温度差,此差异导致了沿称量容器外侧流动的不同方向的气流,此气流产生一个向上或向下的作用力,在这个动态空气浮力的作用下就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,要保持样品同称量室具有相同的温度后再进行称量,不要用直接从干燥器或冰箱里取出的样品称量;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。

　　(二)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。这一现象还往往被一些用户误解,以为是天平自身漂移所致,其实不然。

　　(三)样品和容器的静电现象

　　称量容器一旦有了静电,会导致天平显示值长时间不稳定,无法稳定显示准确的称量结果,当然重复性很差。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,1~2小时后取出,增加称量室内的空气湿度;注意选择不同材料的称量容器,尽量避免用塑料容器,它极易产生静电。玻璃容器这方面的性能优于塑料容器,金属容器更好;使用专门的消除静电的装置。

　　(四)磁性样品和容器磁化称量

　　磁化了的物体,由于磁性物体与不锈钢称量盘相互吸引,会产生出多余的力被天平误以为是加载,影响准确称量,导致称量结果依赖其在秤盘上位置,称量结果重复性很差。这种称量现象容易被发现,但用户往往忽视其产生的原因,或者根本就不从这方面去考虑,误认为是天平自身重复性差。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。最常用的是采用下挂秤盘,加大它与称量室内的秤盘距离,也可将样品放置在非磁性的支承物如高的玻璃量杯,铝、铜支架上,加大与称盘的距离。在条件许可的情况下,对样品和容器进行去磁,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。