質(zhì)量比較儀在量傳中的應(yīng)用

胡軍|文

質(zhì)量比較儀是砝碼檢定的主要配套設(shè)備，本文依據(jù)JJF 1326－2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，介紹質(zhì)量比較儀測量方法、測量不確定度的評定等，以確保質(zhì)量比較儀可正確進行質(zhì)量量值傳遞。

質(zhì)量比較儀是根據(jù)測量彈性元件的變形和應(yīng)變或電磁力反饋平衡原理制造的，是通過對兩個或兩個以上質(zhì)量相同或相近的物體進行比較，是基于ABA或ABBA的循環(huán)測量模式來獲得質(zhì)量差值的高分辨率電子衡量儀器。質(zhì)量比較儀以其高分辨力的優(yōu)勢，在砝碼量值傳遞與溯源中或其他方面發(fā)揮著越來越重要的作用。本文依據(jù)JJF1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，分析質(zhì)量比較儀質(zhì)量量值傳遞過程中的測量方法、測量不確定度評定等，以供大家參考。

發(fā)展現(xiàn)狀

隨著質(zhì)量量值傳遞技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量比較儀現(xiàn)已完全替代傳統(tǒng)的機械天平，并且得到了廣泛的應(yīng)用，這是質(zhì)量量值傳遞的一個質(zhì)的飛躍。目前，質(zhì)量比較儀的制造商主要有德國Sartorius公司、瑞士Mettler Toledo公司和沈陽龍騰電子衡器公司等企業(yè)，國內(nèi)計量技術(shù)機構(gòu)及企業(yè)基本都采用上述企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量比較儀進行砝碼的質(zhì)量量值傳遞工作。

質(zhì)量比較儀的特點是準(zhǔn)確度高、操作簡便、讀數(shù)直觀快捷，且全自動的真空質(zhì)量比較儀還可以不需要檢測人員的直接參與，就能完成對質(zhì)量的測量工作，將質(zhì)量測量過程中的干擾因素降到最低，從而得到更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

測量方法

1．重復(fù)性測量

由于質(zhì)量比較儀的測量是高精度的質(zhì)量測量，為消除儀器本身的漂移對測量結(jié)果的影響，重復(fù)性測量采用閉環(huán)方式進行測量，即選用兩個滿足JJF1326-2011要求的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（最大載荷或二分之一最大載荷），按照ABBA循環(huán)方式進行。A代表標(biāo)準(zhǔn)砝碼，B代表另一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼，分別將這兩個標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在秤盤中心位置，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值，每次測量的B與A的示值之差為

在相同測量條件下，循環(huán)測量10次，重復(fù)性校準(zhǔn)結(jié)果用測定序列的單次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s表示，即

2．偏載誤差測量

質(zhì)量比較儀偏載誤差的測量：測量選用最大載荷或二分之一最大載荷的單個標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每一偏載測量都采用ABBA形式，A代表砝碼放在秤盤的中心位置，B代表砝碼放在偏離秤盤中心的位置。每一位置的偏載誤差計算公式如下：

式中： IA—砝碼放在秤盤中心位置的讀數(shù)；

IB—砝碼放在偏離秤盤中心位置的讀數(shù)。

四個偏載位置的示值差值中，取一個絕對值最大的差值作為偏載誤差。

3．示值誤差測量

示值誤差測量選用一個滿足校準(zhǔn)比較儀的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）先將標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在秤盤上，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值。接著再在該秤盤上放上一個小質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼ms，待比較儀顯示穩(wěn)定后，記錄顯示器示值。每次循環(huán)測量的示值分別為IA1、I（A+ms）1、I（A+ms）2、IA2，共循環(huán)測量三次。

添加標(biāo)準(zhǔn)小砝碼引起比較儀示值誤差的變化量為：

三次測量的平均示值誤差變化量為：

局部示值誤差=ms-

進行局部示值誤差校準(zhǔn)時，ms的選取原則是：其質(zhì)量值為比較儀實際分度值d的1000倍到5000倍之間的任意一個單個砝碼。

質(zhì)量比較儀通常是用于高精度測量砝碼或物體的質(zhì)量，故在對其示值誤差的校準(zhǔn)中，對測量該項性能的標(biāo)準(zhǔn)砝碼要有很高的要求。在JJF1326-2011中，針對不同檢定分度數(shù)的質(zhì)量比較儀列出了使用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的等級。筆者認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)砝碼的選擇主要考慮兩點；一是要考慮砝碼的磁性對比較儀的影響；二是要考慮砝碼的準(zhǔn)確度及不確定度對測量結(jié)果的影響。按照J(rèn)JF1326-2011對校準(zhǔn)比較儀所用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的要求，分度數(shù)大于5×105（即相對誤差在萬分之一）以上的比較儀，在檢測該項指標(biāo)時，必須用E1等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼。目前，要配齊一套E1等級毫克組、克組、千克組標(biāo)準(zhǔn)砝碼，其費用較高，難以貼合實際。但多數(shù)計量機構(gòu)都配備了E2等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼。所以筆者認(rèn)為，在砝碼磁性滿足測量要求的情況下，用于測量示值誤差的砝碼A選用E2等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼代替E1等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼，而只有ms采用（1000～5000）d的E1等級砝碼。這樣既解決了一些實際工作中存在的困難，又不會影響比較儀重復(fù)性測量、偏載誤差測量以及示值誤差測量的結(jié)果，非常經(jīng)濟合理。

測量不確定度的評定

對質(zhì)量比較儀進行測量不確定度評定時，主要考慮以下幾個方面：

1．重復(fù)性測量的不確定度評定

選用一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼對質(zhì)量比較儀進行重復(fù)性測量時，對二分之一最大承載點采用ABBA的測量循環(huán)，在相同測量條件下，循環(huán)測量10次，計算測量得到結(jié)果的重復(fù)性。在進行重復(fù)性校準(zhǔn)的測量不確定度評定時，其影響因素主要有：

(1)在對質(zhì)量比較儀進行校準(zhǔn)的過程中，實驗室內(nèi)的溫度也是在變化的，因此在不確定度的評定過程中需要考慮溫度變化帶來的影響，所以要考慮實驗室環(huán)境溫度波動引入的不確定度分量uT；

(2)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud。

2．偏載誤差測量的不確定度評定

在對質(zhì)量比較儀進行偏載誤差測量時，選用最大載荷或二分之一最大載荷的單個標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每一偏載測量都采用ABBA形式進行測量。在進行偏載誤差的測量不確定度評定時，其影響因素主要有：

(1)質(zhì)量比較儀的重復(fù)性引入的不確度分量us；

(2)實驗室環(huán)境溫度波動引入的不確定度分量uT；

(3)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud。

3．局部示值誤差測量的不確定度評定

在對質(zhì)量比較儀進行局部示值誤差測量時，選用一個滿足校準(zhǔn)比較儀的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）進行測量，在進行局部示值誤差的測量不確定度評定時，其影響因素主要有 ：

(1)質(zhì)量比較儀的重復(fù)性引入的不確度分量us；

(2)實驗室環(huán)境溫度波動引入的不確定度分量uT；

(3)被校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確度分量ud；

(4)進行局部示值誤差測量時選用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼引入的不確定度分量ums。

另外，在對質(zhì)量比較儀進行測量不確度評定時，要注意質(zhì)量比較儀分辨力引入的不確定度影響分量，是根據(jù)測量循環(huán)的不同或測量方法的不同而不同。如當(dāng)采用兩個等量砝碼進行重復(fù)性測量時或進行偏載誤差測量時或進行局部示值誤差測量時，由分辨力引入的不確定度分量為當(dāng)采用一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼與空載的方式進行重復(fù)性測量時，由分辨力引入的不確定度分量為

結(jié)語

質(zhì)量比較儀的傳感器靈敏度很高，要保證其具有很好的重復(fù)性。首先，使用前要充分預(yù)熱，使磁鋼達到熱平衡，保證使用時示值不再漂移，經(jīng)常使用可始終保持通電預(yù)熱狀態(tài)。其次，要充分考慮環(huán)境條件的影響。由于電子元器件對溫濕度的敏感（存在溫漂系數(shù)），當(dāng)溫濕度不穩(wěn)定時，示值也發(fā)生漂移，準(zhǔn)確度越高，這種現(xiàn)象就越明顯。為保證周圍環(huán)境溫度穩(wěn)定，應(yīng)避免陽光照射，遠(yuǎn)離門窗及空調(diào)的出風(fēng)口。保持室內(nèi)相對濕度為45%～65%，避免室內(nèi)濕度過大或過小對測量結(jié)果造成影響。當(dāng)室內(nèi)濕度不滿足要求時，可采取使用加濕機或除濕機來解決。最后，在質(zhì)量比較儀稱量時，對被稱物要輕拿輕放，避免較大的沖擊對測量結(jié)果的影響，確保量值準(zhǔn)確可靠。中