電子天平使用注意事項(xiàng)

王學(xué)琴，梁秀麗，拓銳

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

電子天平準(zhǔn)確度高、稱量速度快、顯示清晰、穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于計(jì)量檢測(cè)、量值傳遞和科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作中。在使用電子天平進(jìn)行稱量的過(guò)程中，很多因素對(duì)稱量的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生影響。使用檢定合格的電子天平，正確地使用電子天平并做好日常的維護(hù)工作，才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者結(jié)合工作實(shí)踐，淺析電子天平的正確使用及樣品的正確稱量方法。

1 電子天平使用前的準(zhǔn)備工作

1.1 水平調(diào)整

電子天平因移動(dòng)或其它原因，常常造成四角不平，這是影響天平稱量準(zhǔn)確性的重要因素。一般高精度的電子天平都帶有水平調(diào)整裝置和水準(zhǔn)器，稱量前，需檢查天平基座上的氣泡是否位于水準(zhǔn)器的中部，如不在中部，須調(diào)節(jié)腳螺絲，使天平處于水平狀態(tài)。

1.2 預(yù)熱時(shí)間

由于電子天平是利用電磁力平衡的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，電磁力按式(1)計(jì)算[1]：

式中：F——電磁力；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L——受力導(dǎo)線的長(zhǎng)度；

I——通過(guò)導(dǎo)線的電流強(qiáng)度；

sinθ——通電導(dǎo)體與磁場(chǎng)夾角的正弦。

由式(1)可知，F(xiàn)的大小與B、L、I及sinθ均成正比，對(duì)于設(shè)計(jì)好的傳感器，其感應(yīng)線圈的規(guī)格尺寸已固定，B、L可視為常數(shù)，而θ為90°，故sinθ=1，因此，F(xiàn)與I成正比關(guān)系。

電子天平主要由秤盤、傳感器、位置檢測(cè)器、PID調(diào)節(jié)器、功率放大器、低通濾波器、模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器、微型計(jì)算機(jī)、顯示器、機(jī)殼、底角組成[1]。

電磁力平衡式傳感器的溫度變化主要來(lái)源于環(huán)境溫度的變化和過(guò)流元件的發(fā)熱。電子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，即利用電磁力將天平重新拉回平衡。電磁力是由流經(jīng)線圈中與物體質(zhì)量成正比的電流在永久磁鋼中產(chǎn)生的。根據(jù)式(1)，電磁力F的大小與磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度、流經(jīng)線圈中的電流及導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比。當(dāng)天平處于預(yù)熱階段時(shí)，隨著內(nèi)部溫度的升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)逐漸下降，同時(shí)I也會(huì)減小，這樣就導(dǎo)致F變小，天平失去平衡，示值會(huì)呈現(xiàn)正的單方向漂移[2]。

電子天平在使用前應(yīng)按照使用說(shuō)明書要求進(jìn)行充分預(yù)熱。只有經(jīng)過(guò)充分預(yù)熱，使磁鋼達(dá)到熱平衡，天平才能達(dá)到平衡。再利用置零／去皮功能，使顯示回零，此時(shí)天平才處于真正可使用狀態(tài)。另外，電子天平通常沒(méi)有類似家用電器的電源開(kāi)關(guān)，只要給天平通電，即使顯示器上無(wú)顯示，天平也已處于預(yù)熱狀態(tài)，天平上的ON／OFF鍵只是顯示器的開(kāi)關(guān)，因此經(jīng)常稱量的天平不必拔掉電源，尤其是高準(zhǔn)確度天平，在條件許可的情況下，長(zhǎng)期不斷電可保持天平始終處于預(yù)熱狀態(tài)。實(shí)際分度值為0.01 mg的電子天平預(yù)熱時(shí)間至少為5 h，實(shí)際分度值為0.001 mg的微量和超微量電子天平則需預(yù)熱24 h以上。使用中的天平預(yù)熱時(shí)間可適當(dāng)減少，當(dāng)顯示器示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時(shí)，置零／去皮后即可進(jìn)行稱量。

1.3 運(yùn)動(dòng)天平

電子天平預(yù)熱好以后，不要立即進(jìn)行稱量，而要短暫地加載、卸載以運(yùn)動(dòng)天平。電子天平的傳感器通常是9或11個(gè)簧片構(gòu)成的彈性支承體，天平傳感器利用這些簧片進(jìn)行力的傳遞，使天平在平衡–失衡–再平衡的過(guò)程之中完成稱量[3]。然而當(dāng)天平處于通電預(yù)熱階段或較長(zhǎng)時(shí)間停止稱量時(shí)，天平傳感器處于停止工作的休眠狀態(tài)，簧片恢復(fù)性能不佳，若這時(shí)進(jìn)行稱量勢(shì)必引起天平加載后回零不佳，示值穩(wěn)定性不好，重復(fù)性差。運(yùn)動(dòng)天平的方法是用相當(dāng)于天平最大稱量的砝碼或物體加載到秤盤上，然后再卸載，此時(shí)無(wú)須關(guān)心加載示值和是否回零，如此反復(fù)10次以上，使傳感器的簧片從休眠狀態(tài)逐漸進(jìn)入工作狀態(tài)后天平才能穩(wěn)定地稱量。對(duì)于進(jìn)行計(jì)量檢定的天平，這一步是必不可少的。使用中的天平，若實(shí)際分度值不小于0.1 mg，則可以省略或減少加、卸載次數(shù)，置零／去皮后即可進(jìn)行稱量。對(duì)于實(shí)際分度值不大于0.01 mg的半微量、微量和超微量天平，則必須進(jìn)行這一操作，否則得不到穩(wěn)定的稱量結(jié)果。若這類天平停止工作超過(guò)30 min，在重新開(kāi)始稱量前也需要進(jìn)行短暫的加、卸載來(lái)運(yùn)動(dòng)天平。

1.4 校準(zhǔn)

由于電子天平是采用電磁力與重力相平衡的原理來(lái)測(cè)量物體質(zhì)量的[1]，因此其測(cè)量結(jié)果與重力加速度密切相關(guān)，而重力加速度的大小隨著地球的地理緯度和海拔高度而變化，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，它是地球的重力場(chǎng)位置的函數(shù)[1]。因此，電子天平必須根據(jù)其使用地點(diǎn)隨時(shí)、隨地實(shí)施重力加速度補(bǔ)償(即校準(zhǔn)，分為內(nèi)校和外校兩種)。

對(duì)天平進(jìn)行校準(zhǔn)，是正確使用電子天平關(guān)鍵的一步。電子天平在使用前最好進(jìn)行校準(zhǔn)，其理由有兩個(gè)[3]：(1)天平稱量的是物體的質(zhì)量，而不是重量；(2)環(huán)境溫度的變化直接影響傳感器的溫度變化，這會(huì)導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度和流經(jīng)線圈中的電流也隨之變化，電磁力從而也發(fā)生變化。盡管電子天平都有溫度補(bǔ)償功能，但它只有在小的溫度波動(dòng)范圍內(nèi)有效，溫度超過(guò)一定的限度，補(bǔ)償功能失效。另外，環(huán)境溫度的變化也導(dǎo)致電子天平靈敏度的漂移，從而產(chǎn)生測(cè)量偏差。靈敏度的溫度系數(shù)Tc是電子天平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用來(lái)表示靈敏度的漂移。

有些使用者認(rèn)為，電子天平經(jīng)過(guò)周期檢定后，在有效期內(nèi)就是合格的，而往往忽視了校準(zhǔn)的重要性，甚至于不進(jìn)行校準(zhǔn)。殊不知，電子天平在使用中因環(huán)境條件變化、人為等因素，計(jì)量性能時(shí)常會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，這就需要我們?nèi)粘Ｊ褂弥袑?duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)用的砝碼，理論上是等級(jí)越高越好，一般應(yīng)選用砝碼誤差不大于天平最大允許誤差的1/3即可，且定期送質(zhì)檢部門檢定，如超差應(yīng)停止使用。

為始終保持天平處于最佳狀態(tài)，遇到下列情況，必須對(duì)電子天平進(jìn)行校準(zhǔn)：(1)天平首次使用時(shí)；(2)天平更換位置時(shí)；(3)調(diào)節(jié)天平水平位置后；(4)溫度、濕度出現(xiàn)較大變化時(shí)。

2 樣品的正確稱量方法

2.1 樣品和容器的溫度與天平室的溫度不同時(shí)

應(yīng)在待稱量樣品和容器溫度與天平室溫度達(dá)到平衡后再進(jìn)行稱量，以防止稱量過(guò)程中由于樣品和容器與天平之間的熱傳遞產(chǎn)生示值漂移。為避免手溫對(duì)容器的影響，要戴手套操作。尤其應(yīng)盡可能避免手直接伸入天平稱量室，引起稱量室溫度升高，為此可使用長(zhǎng)柄鑷子夾取容器或者使用長(zhǎng)柄樣品勺添加樣品。使用容器的形狀應(yīng)保證容器具有較小的使用表面積，以減小溫度的影響。

2.2 稱量吸濕性或揮發(fā)性樣品時(shí)

在稱量一些具有吸濕性的樣品時(shí)，天平顯示值會(huì)緩慢增大，反之，稱量一些具有揮發(fā)性的樣品時(shí)，天平顯示值會(huì)越來(lái)越小。為了準(zhǔn)確稱量這兩類樣品，首先要選擇所用容器的形狀和大小，若稱量具有揮發(fā)性的液體，可選擇配有塞子的長(zhǎng)頸量瓶，量瓶中預(yù)先加入適量的難揮發(fā)性溶劑。將量瓶置于稱盤的中心，按去皮鍵除去皮重，將量瓶從天平上取下，用適宜的方法加入稱量液體，蓋緊塞子，再將量瓶置于秤盤的中心，待示值穩(wěn)定后讀取稱量結(jié)果。若稱量固體或粉末類樣品，則應(yīng)給稱量器皿加蓋，避免樣品揮發(fā)或吸收空氣中的水分。為了減少樣品吸濕性和揮發(fā)性的影響，應(yīng)盡量縮短稱量時(shí)間，當(dāng)天平稱量結(jié)束(指示稱量過(guò)程的符號(hào)如小圓圈或小圓點(diǎn)消失)后，立即記下天平示值。另外要保持天平稱量盤及容器的清潔、干燥，不要粘有灰塵、污染物及水滴。

2.3 稱量樣品和容器帶有靜電時(shí)

稱量樣品和容器一旦帶有靜電，靜電荷之間的庫(kù)侖力會(huì)導(dǎo)致天平示值波動(dòng)，稱量結(jié)果的重復(fù)性因此變差。此靜電主要是粉末狀或顆粒狀樣品與絕緣容器摩擦而產(chǎn)生的，如果沒(méi)有良好的泄放途徑，這些靜電就不能消除或者至少需要幾小時(shí)才能緩慢地消除。消除樣品和容器靜電的簡(jiǎn)單辦法是使三芯電源插座的接地端與大地有良好的接觸，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該將專用接地線埋入大地，然后將接地線引入電源插座的接地端；在干燥的冬季，使用加濕器增加空氣濕度，理想的相對(duì)空氣濕度為45%～60%?？稍谔炱椒Q量室內(nèi)放置一杯水，1～2 h后取出，以增加稱量室內(nèi)的空氣濕度；盡量避免使用塑料容器，因?yàn)樗鼧O易產(chǎn)生靜電。最好用玻璃容器，金屬容器更好，或使用專門的消除靜電的裝置。

2.4 稱量磁性樣品或容器磁化時(shí)

磁性材料的磁現(xiàn)象都起源于材料內(nèi)部原子的核外電子運(yùn)動(dòng)形成的微電流，這些微電流的集合效應(yīng)使得材料對(duì)外呈現(xiàn)各種各樣宏觀磁特性[4]。稱量磁性樣品時(shí)，由于磁性樣品與不銹鋼稱量盤相互吸引，被天平誤以為是加載，從而影響電磁力平衡，對(duì)稱量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。消除這一影響的辦法是加大樣品和容器與稱量盤之間的距離?？蓪悠贩胖迷诜谴判缘闹С形?如高的玻璃量杯，鋁、銅支架)上，從而增大樣品與稱盤的距離。在條件許可的情況下，應(yīng)該對(duì)樣品和容器去磁，還可以將樣品放置在導(dǎo)磁良好的合金容器內(nèi)，讓其磁力線沿合金容器內(nèi)壁形成自封閉，減少磁力的影響[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際工作中，天平須安裝在潔凈、無(wú)塵、無(wú)強(qiáng)氣流、無(wú)振動(dòng)及無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)的環(huán)境中，避免陽(yáng)光直射，天平室內(nèi)溫度應(yīng)恒定，以20℃左右為佳，相對(duì)濕度以45%～60%為佳。使用人員只有正確使用電子天平，即調(diào)整水平－充分預(yù)熱—運(yùn)動(dòng)天平—校準(zhǔn)—稱量，并做好日常的維護(hù)工作，掌握樣品的正確稱量方法，才能保證電子天平測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]趙亞軍.天平砝碼秤使用與維修大全[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

[2]趙榮，張兆立.影響電子天平稱量準(zhǔn)確性的兩個(gè)因素[J].計(jì)量技術(shù)，2005(2): 55.

[3]劉雋，傅冰.影響電子天平準(zhǔn)確性的兩個(gè)因素[J].中國(guó)計(jì)量，2002(9): 43–44.

[4]劉煒.物體磁性對(duì)電子天平稱量準(zhǔn)確度的影響[J].技術(shù)交流，2011，40(5): 36.