電子天平檢定的疑難問題分析與實(shí)施方法探討

郭麗宏

(中石化股份天津分公司計(jì)量中心，天津 300271)

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電子天平檢定的疑難問題分析與實(shí)施方法探討

郭麗宏

(中石化股份天津分公司計(jì)量中心，天津 300271)

根據(jù)電子天平的特點(diǎn)對JJG 1036—2008《電子天平》檢定規(guī)程和實(shí)際操作中遇到的疑難問題進(jìn)行分析，確定正確的操作方法，并結(jié)合現(xiàn)場檢定的特點(diǎn)從環(huán)境和操作上排除可能影響電子天平檢定結(jié)果的各種不利因素，提高檢定結(jié)果的可靠性。

示值誤差；偏載；加載；卸載；零點(diǎn)跟蹤

0 引言

電子天平因其具有體積小、準(zhǔn)確度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、科研、商業(yè)等領(lǐng)域，特別是化工生產(chǎn)、化驗(yàn)、檢驗(yàn)工作中，已逐步取代了機(jī)械天平。為了保證測量的準(zhǔn)確度，電子天平必須按照檢定規(guī)程定期檢定，而對于檢定規(guī)程中所規(guī)定的一些檢定項(xiàng)目，如果對電子天平性能和特點(diǎn)沒有較深層次的認(rèn)識，理解和執(zhí)行起來比較困難。筆者根據(jù)多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就電子天平檢定的疑難問題進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的實(shí)施方法，供同行參考與借鑒。

1 示值誤差的檢定

1.1 檢定點(diǎn)的選擇與記錄的填寫

JJG 1036—2008《電子天平》檢定規(guī)程(以下簡稱規(guī)程)中對于檢定點(diǎn)如此描述:“試驗(yàn)載荷必須包括：a)空載；b)最小秤量；c)最大允許誤差轉(zhuǎn)換點(diǎn)所對應(yīng)的載荷；d)最大秤量”，附錄A的檢定記錄格式如表1所示。

表1 電子天平示值誤差記錄表格

檢定規(guī)程中沒有提到“(*)”代表什么意義？檢定點(diǎn)如何選擇？如何計(jì)算和記錄？

應(yīng)該明確的是，示值誤差檢定中最終要得到的是“修正誤差”Ec而不是“誤差”E，“修正誤差”才能夠正確地反映電子天平在示值上的計(jì)量性能，對于我們通常所見的檢定分度值e=10d的電子天平，通過式(1)和(2)分別得到E和Ec，

E=I-L

(1)

Ec=E-E0

(2)

式中：E為誤差，mg或g；I為示值，mg或g；L為試驗(yàn)載荷，g；Ec為修正誤差，mg或g；E0為零點(diǎn)或零點(diǎn)附近誤差，mg或g。

E0被注釋為“零點(diǎn)或零點(diǎn)附近誤差”，也是令人費(fèi)解的地方，所以在此處必須要了解一個(gè)概念——零點(diǎn)跟蹤。

零點(diǎn)跟蹤是指電子天平在零點(diǎn)時(shí)對小于最小秤量的質(zhì)量值無反應(yīng)，認(rèn)為是天平正常的漂移，并自動(dòng)進(jìn)行修正為零點(diǎn)的功能。此功能對最小秤量以上的稱量值沒有作用。在電子天平檢定過程中，零點(diǎn)跟蹤是絕對不能忽視的電子天平特有的功能，通常情況是默認(rèn)被檢電子天平零點(diǎn)跟蹤的存在，所以零點(diǎn)誤差通常是指來自于最小秤量的誤差，因此表1中“(*)”即為該天平最小秤量的試驗(yàn)載荷，通過式(1)得到E0，除最小秤量外的所有試驗(yàn)載荷得到的誤差E后再通過式(2)得到修正誤差Ec。

因此，檢定點(diǎn)中“空載”并沒有在示值檢定的記錄中作為試驗(yàn)載荷記錄下來，但是空載是必須在任意一次稱量過程前要做的動(dòng)作，所以理所應(yīng)當(dāng)成為試驗(yàn)載荷的必要一項(xiàng)。

“最大允許誤差轉(zhuǎn)換點(diǎn)所對應(yīng)的載荷”不難理解，但是并不是天平都能夠稱量到所有轉(zhuǎn)換點(diǎn)，例如：對于d=0.1mg，e=1mg，最大秤量110g的天平來說，轉(zhuǎn)換點(diǎn)只有5×104e，即50g，其他試驗(yàn)載荷可以在測量范圍內(nèi)均勻選取。而最大秤量是必須要有的試驗(yàn)載荷，在某些情況下，最大秤量載荷放到天平上會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤信息，這是去皮裝置開啟的原因，關(guān)閉天平電源重新開啟就可以關(guān)閉去皮，完成最大載荷的稱量。

1.2 加載與卸載的操作方法

規(guī)程中對加載與卸載的描述是“從零載荷開始，逐漸地往上加載，直到加到天平的最大秤量；然后逐漸地卸下載荷，直到零載荷為止。”該操作看上去合理但它違反了天平檢定的幾個(gè)原則：稱量優(yōu)選個(gè)數(shù)盡量少的砝碼；砝碼應(yīng)盡量放置在秤盤中心位置。如果逐漸加載，對于現(xiàn)在通常使用的“1、2、2、5” 組合方式的成套砝碼來講，勢必會(huì)使秤盤上砝碼個(gè)數(shù)不斷增加，而且有些質(zhì)量值也不一定能夠達(dá)到；過多的砝碼放置起來還有可能會(huì)超出測量區(qū)域，造成一定程度的偏載。對于不同測量范圍的天平采用逐漸加載有可能會(huì)使用到不止一套標(biāo)準(zhǔn)砝碼，如果試驗(yàn)載荷采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼實(shí)際值，修正起來也比較麻煩。

就此問題，筆者專門與規(guī)程起草人探討過，在不影響檢定結(jié)果的前提下，建議采用更為簡便的方式加載和卸載，即從最小秤量點(diǎn)開始，加載下一秤量點(diǎn)砝碼，取下前一秤量點(diǎn)砝碼。這樣可以保證使用最少砝碼達(dá)到試驗(yàn)載荷。也可以在取下前一試驗(yàn)載荷砝碼前，加載最小秤量值砝碼，從而保證加載和卸載稱量過程中始終保持秤盤上有不小于最小秤量的砝碼存在，防止空載時(shí)零點(diǎn)跟蹤對示值誤差的影響。

例如檢定d=0.1mg，e=1mg，最大秤量110g的天平，首先校零，放置最小秤量砝碼10mg，記下示值后，放上10g砝碼后，再去下10mg砝碼，記錄10g的天平顯示值，以此類推。

但是這種方法在最大秤量為整百克數(shù)時(shí)會(huì)有點(diǎn)小麻煩，例如最大秤量為200g，在稱量最大秤量的砝碼前秤盤上無法存留任意質(zhì)量的砝碼，只能選取多個(gè)砝碼進(jìn)行示值檢定了。現(xiàn)在越來越多的天平廠家意識到這一問題，在生產(chǎn)電子天平的時(shí)候，將最大秤量整百克數(shù)改進(jìn)為整十克數(shù)了，例如220g、520g、1210g等等，不但利于檢定，也防止使用當(dāng)中的誤超載操作，保護(hù)了天平稱量系統(tǒng)，延長其使用壽命。

2 偏載誤差和重復(fù)性的檢定

2.1 偏載誤差的檢定

偏載誤差的檢定如圖1所示，檢定記錄的填寫如表2所示。

圖1 電子天平偏載誤差檢定位置示意圖

表2 電子天平偏載誤差記錄格式

雖然規(guī)程對檢定方法和記錄填寫沒有詳細(xì)的闡述和說明，實(shí)際上如果能夠理解偏載誤差的定義，操作起來就比較簡單了。

偏載誤差的概念在檢定規(guī)程中與以往有所區(qū)別，它是圖1中秤盤上各個(gè)位置秤量點(diǎn)示值的修正誤差Ec，而不是1、2、3、4各點(diǎn)與中心點(diǎn)5的最大偏差。操作時(shí)的具體步驟為：

1)天平校零；

2)“(*)”表示中心位置最小秤量載荷，“1(*)”表示在中心位置用最小秤量的砝碼稱量零點(diǎn)誤差，之后分別在如圖5個(gè)位置使用偏載試驗(yàn)載荷進(jìn)行稱量，當(dāng)偏載誤差超過示值最大允許誤差時(shí)，復(fù)測中心點(diǎn)最小秤量零點(diǎn)誤差，否則不復(fù)測；

3)偏載誤差與示值誤差一樣是對零點(diǎn)誤差的修正誤差。

可見，檢定記錄上的位置1～5并不對應(yīng)規(guī)程中圖示的1～5，記錄中所有的“(*)”位置指向秤盤中心點(diǎn)。

很明顯，如果進(jìn)行零點(diǎn)修正，在偏載誤差檢定中，秤盤上也應(yīng)該一直保留有最小秤量以上質(zhì)量的砝碼，為什么不這樣進(jìn)行操作呢？事實(shí)上，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鲬?yīng)該同示值誤差的操作一樣，但是由于偏載誤差的測量使用的始終是一個(gè)砝碼從秤盤的一個(gè)位置到另一個(gè)位置，時(shí)間較短，電子天平零點(diǎn)跟蹤的反應(yīng)時(shí)間不夠，一般不會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)跟蹤效果。所以，偏載測量一般比較快速。而對于整體電子天平檢定而言，一般把偏載誤差的檢定作為首先操作的項(xiàng)目，由于偏載超差的天平，示值誤差也會(huì)超差，相比之下使用的砝碼較少，操作的程序也簡單快速一些。

2.2 重復(fù)性檢定

電子天平的重復(fù)性，是電子天平在相同的測量條件下，同一載荷多次稱量結(jié)果之間的最大差值，是用來衡量電子天平能否提供一致結(jié)果的計(jì)量特性。需要注意的是，與其他誤差檢定不同，重復(fù)性檢定需要開啟零點(diǎn)跟蹤或每次加載前置零，這樣就是為了保證在相同條件下，重復(fù)進(jìn)行同一量值的稱量，重復(fù)性誤差不進(jìn)行零點(diǎn)誤差的修正，直接用天平示值減去砝碼質(zhì)量值，來計(jì)算重復(fù)性誤差；對重復(fù)性誤差，采用極差法而非標(biāo)準(zhǔn)偏差法來評定。重復(fù)性誤差的值沒有符號。

3 “多分度”和“多范圍”電子天平的區(qū)別和檢定方法

“多分度”電子天平和“多范圍”電子天平其實(shí)不難區(qū)分，“多分度”顧名思義，只是分度值多個(gè)(一般2個(gè))，測量范圍只有一個(gè)，例如在天平的銘牌上表示為“0.01mg/0.1mg，41g/200g”等等，如果還不確定可以用砝碼試一下。上面的例子，只要用50 g試一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，過了41 g顯示位數(shù)會(huì)由0.01mg自動(dòng)跳到0.1mg；卸載時(shí)，顯示可自動(dòng)恢復(fù)0.01mg?！岸喾秶碧炱讲荒芟穸喾侄忍炱侥菢幼詣?dòng)跳轉(zhuǎn)，要選擇其中一個(gè)秤量范圍，在該秤量范圍內(nèi)顯示位數(shù)不變，兩個(gè)秤量范圍各自獨(dú)立工作。

“多分度”電子天平檢定時(shí)按一臺天平檢定，分段檢定，兩段秤量范圍有各自的分度值、分度數(shù)，兩段有各自的準(zhǔn)確度等級，按照較低的那一等級給天平定級，高一等級的測量段可以在證書背面注明“在××段秤量范圍內(nèi)可按××級使用”。需要注意的是零點(diǎn)誤差的選取，由于是按照一臺天平檢定，零點(diǎn)誤差選用前一段最小秤量值的誤差，前后統(tǒng)一修正。

“多范圍”電子天平是按照兩臺天平來檢定，證書背面給出兩個(gè)測量范圍各自的示值誤差和等級，定級時(shí)也是按照較低的等級定級，并做出說明。

4 現(xiàn)場檢定注意事項(xiàng)

由于電子天平對環(huán)境溫度要求并不高，使用單位的現(xiàn)場不一定有溫控設(shè)備，但是標(biāo)準(zhǔn)砝碼由室外進(jìn)入室內(nèi)，不同的季節(jié)，與被檢電子天平的溫差還是會(huì)有的，對于等級較高的天平在稱量時(shí)溫差會(huì)產(chǎn)生空氣流動(dòng)，造成一定的稱量影響，可以利用砝碼恒溫的時(shí)間進(jìn)行如下幾項(xiàng)檢查：

1)現(xiàn)場環(huán)境。是否有震動(dòng)源、磁源、氣流和光照，這些對采用的電磁力平衡原理工作的電子天平會(huì)有很大影響。在這種環(huán)境下檢定電子天平，其顯示出來的計(jì)量特性也不真實(shí)有效，所以盡量避免。

2)被檢天平的狀態(tài)。檢查被檢天平是否安裝在牢固穩(wěn)定的工作臺上，水平泡位置是否處于水平狀態(tài)。

3)預(yù)熱。檢查天平是否處于通電狀態(tài)，充分預(yù)熱對于電子天平是非常重要的，天平預(yù)熱時(shí)間不夠， 電路中電子元件溫度會(huì)在通電過程中隨時(shí)間的延長而產(chǎn)生變化， 電子元件溫度的變化會(huì)使天平示值發(fā)生漂移，造成稱量的不準(zhǔn)確。一般來說，電子天平在檢定前，需要預(yù)熱0.5h以上，具體的預(yù)熱時(shí)間與電子天平準(zhǔn)確度成正比。對于使用單位也應(yīng)該建議經(jīng)常讓天平保持通電，電子天平在關(guān)閉狀態(tài)下只要是通電也可以預(yù)熱。

4)預(yù)壓。較長時(shí)間不使用的電子天平，可能會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，為了讓電子天平快速進(jìn)入工作狀態(tài)，檢定前，可用相當(dāng)于最大稱量值的砝碼多次加載，加載時(shí)，忽略稱量結(jié)果和回零情況，這樣反復(fù)10次或10次以上，讓天平稱重傳感器從休眠狀態(tài)逐漸進(jìn)入工作狀態(tài)，天平才能穩(wěn)定地稱量。否則，天平加載示值與卸載示值之差，會(huì)明顯增大。

5 結(jié)束語

對于電子天平檢定來說，對天平特性的更多了解能夠更好地理解檢定規(guī)程，從而正確地操作和細(xì)致地檢查，避免各種因素帶來的影響，這樣得到檢定數(shù)據(jù)和結(jié)果才能夠真實(shí)地反映被檢電子天平的計(jì)量性能，為使用者提供準(zhǔn)確的測量保證。

[1] JJG 1036—2008 電子天平

[2] 楊發(fā)武.電子天平使用中應(yīng)重視零點(diǎn)跟蹤.衡器，2003(6)

[3] 溫國慶.影響電子天平示值誤差測量的因素及消除方法.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2011(12)

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

[5] 王曉.電子天平檢定及不確定度評定.計(jì)量技術(shù)，2013(2)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.07.16