機(jī)械天平測(cè)量200g砝碼的不確定度分析

孫蕾

摘 要：隨著人們對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)要求的不斷提高，越來(lái)越多的計(jì)量工具被制造出來(lái)，應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中。其中在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中經(jīng)常要對(duì)化學(xué)物品進(jìn)行計(jì)量，主要使用的就是機(jī)械天平，但是由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)物品的質(zhì)量要求精度非常的高，而機(jī)械天平在制造的過(guò)程中由于各個(gè)配件之間的配合公差影響，會(huì)降低機(jī)械天平的測(cè)量準(zhǔn)確性，為此工作人員需要對(duì)機(jī)械天平進(jìn)行不確定度的分析研究。本文主要研究一下機(jī)械天平測(cè)量200克砝碼的時(shí)候不確定度分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械天平；200g砝碼；不確定度分析

一、機(jī)械天平的概述

（一）機(jī)械天平的定義

在實(shí)際的生活中我們經(jīng)常會(huì)看到電子秤，不僅使用方便，而且準(zhǔn)確性也是比較高的。但是電子秤使用的范圍雖然廣泛，但是在一些精密的儀器質(zhì)量測(cè)量的過(guò)程中還是不能應(yīng)用的，比如上文說(shuō)到的化學(xué)實(shí)驗(yàn)物品質(zhì)量的測(cè)量。針對(duì)這一類(lèi)的物品我們使用更加精準(zhǔn)的計(jì)量工具—機(jī)械天平，機(jī)械天平主要是利用物理學(xué)中的杠桿原理，在同等力矩的情況下，相同質(zhì)量的兩端可以保持天平的平衡，那砝碼的質(zhì)量總和，也就是被測(cè)物體的質(zhì)量[1]。

（二）機(jī)械天平的主要組成

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用到的機(jī)械天平一般都是有以下的配件組成的：傳動(dòng)配件、游碼標(biāo)尺、阻尼、讀數(shù)顯示、吊裝配件、橫梁、底板、外罩和砝碼等。

（三）機(jī)械天平的主要應(yīng)用領(lǐng)域

機(jī)械天平作為一種較為精密的計(jì)量工具，可以準(zhǔn)確的測(cè)量出物體的實(shí)際質(zhì)量，目前在化工電子、冶金能源、衛(wèi)生醫(yī)療、國(guó)防科研等單位得到了廣泛的應(yīng)用。

二、測(cè)量不確定度的概述

（一）不確定度的定義

在實(shí)驗(yàn)對(duì)象測(cè)量的過(guò)程中一直存在著一定的誤差，即使再精準(zhǔn)的計(jì)量工具也是存在一定的計(jì)量誤差，工作人人員通過(guò)對(duì)誤差之間的差值對(duì)被測(cè)對(duì)象的物體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。也就是說(shuō)測(cè)量結(jié)果的誤差一般是通過(guò)物體的真實(shí)質(zhì)量和測(cè)量的實(shí)際質(zhì)量之間的差值來(lái)表示，由于物體的質(zhì)量是一個(gè)理想的標(biāo)準(zhǔn)值，無(wú)論在怎樣精準(zhǔn)的計(jì)量工具還是無(wú)法測(cè)量出該物體的真實(shí)質(zhì)量，測(cè)量的結(jié)果也不能用測(cè)量的誤差來(lái)進(jìn)行標(biāo)注，因此在1980年國(guó)際計(jì)量局統(tǒng)一規(guī)定了測(cè)量結(jié)果的誤差表示方式，也就是不確定度，在1993年國(guó)際計(jì)量局頒發(fā)了全球計(jì)量不確定度的標(biāo)注規(guī)定，簡(jiǎn)稱(chēng)為GUM，這樣全世界在計(jì)量物體質(zhì)量的時(shí)候，就可以進(jìn)行準(zhǔn)確的表述了。

（二）不確定度的主要來(lái)源

不確定度主要是表示被動(dòng)對(duì)象測(cè)量結(jié)果的測(cè)量誤差，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果精準(zhǔn)度和可靠性的一個(gè)對(duì)應(yīng)指標(biāo)，不確定度目前已經(jīng)是所有計(jì)量工具中不可或缺的一種計(jì)量輔助參數(shù)。其中不確定度也會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)的計(jì)量工具進(jìn)行計(jì)算出來(lái)的，不確定度通過(guò)數(shù)據(jù)信息就可以表述出來(lái)，根據(jù)不確定度的數(shù)值信息，我們可以對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，數(shù)值越小說(shuō)明該計(jì)量工具測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果精準(zhǔn)性越高，反之不確定度的數(shù)值越大則說(shuō)明計(jì)量的結(jié)果精準(zhǔn)性越差[2]。

在物品測(cè)量的過(guò)程中任何可能產(chǎn)生誤差的因素，都會(huì)影響到該計(jì)量單位的不確定度，在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中為了更好的分析出不確定度的來(lái)源，工作人員一般會(huì)在一個(gè)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下對(duì)特定的因素進(jìn)行調(diào)整，從而分析最終測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前在計(jì)量工具使用的過(guò)程中影響不確定數(shù)值的變化的主要因素有以下幾種：人為操作的誤差、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的誤差、計(jì)量工具的設(shè)備誤差、計(jì)量方法的誤差和樣本的采集誤差等等。

三、機(jī)械天平測(cè)量200g砝碼的不確定度分析

（一）測(cè)量?jī)x器的確定

在檢驗(yàn)機(jī)械天平的不確定度過(guò)程中主要是依據(jù)我國(guó)以及頒布的JJG99-2006《砝碼》檢測(cè)的規(guī)章制度，為了針對(duì)性的檢測(cè)出某一類(lèi)的機(jī)械天平的不確定度，我們選定目前上海市天平儀器制造廠生產(chǎn)的TG328b型號(hào)的機(jī)械天平進(jìn)行研究分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)就是我國(guó)目前規(guī)定的200g砝碼，所有的砝碼登記均為F1等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而被測(cè)的物體就是F2等級(jí)的200g砝碼[3]。

（二）實(shí)驗(yàn)環(huán)境的確定

為了確保實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須對(duì)可能會(huì)影響到機(jī)械天平的所有因素，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的控制。首先就是實(shí)驗(yàn)工作人員的著裝因素，所有的實(shí)驗(yàn)工作人員都必須穿戴規(guī)定的實(shí)驗(yàn)衣帽，并且在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中所有實(shí)驗(yàn)步驟都要嚴(yán)格的依照規(guī)定設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行，并且機(jī)械天平的測(cè)量流程也必須嚴(yán)格的按我國(guó)天平測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。另外還有就是將實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等進(jìn)行嚴(yán)格的控制，其中要將實(shí)驗(yàn)的溫度控制到24攝氏度的恒溫，實(shí)驗(yàn)室的濕度要控制在百分之六十左右，并且實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境要保持在四個(gè)小時(shí)以上。

（三）測(cè)量200g砝碼不確定度的數(shù)據(jù)結(jié)果

如表一所示在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，重復(fù)了進(jìn)行了六次200g砝碼的天平測(cè)量，最后就是需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度的計(jì)算。

（四）不確定度的計(jì)算

在計(jì)算機(jī)械天平的不確定度的時(shí)候，有四種不同的計(jì)算方式，分別是A類(lèi)不確定度的計(jì)算方式、B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度計(jì)算、合成標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方式、擴(kuò)展的不確定度計(jì)算方式。上述中的A類(lèi)和B類(lèi)不確定度的計(jì)算方式，都是依據(jù)國(guó)家計(jì)量不確定度的分類(lèi)進(jìn)行計(jì)算的，其中合成標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算是對(duì)A類(lèi)和B類(lèi)的不確定度數(shù)值進(jìn)行平方總和，最后在進(jìn)行開(kāi)平方的方式進(jìn)行計(jì)算，得到的算術(shù)平方根就是該機(jī)械天平的不確定度數(shù)值。還有一種就是擴(kuò)展不確定度的測(cè)量，主要是給機(jī)械天平再出廠的時(shí)候會(huì)附帶一個(gè)參數(shù)因子，這個(gè)因子以一個(gè)較高概率的方式出現(xiàn)在機(jī)械天平測(cè)量的所有結(jié)果當(dāng)中，通過(guò)合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定數(shù)值乘以出廠是附帶的參數(shù)因子，就可以得到該機(jī)械天平的擴(kuò)展不確定度[4]。

四、可能影響機(jī)械天平不確定度數(shù)值的因素

由于機(jī)械天平是運(yùn)用的杠桿原理進(jìn)行物體的測(cè)量，因此在測(cè)量的過(guò)程中機(jī)械天平杠桿穩(wěn)定性直接影響到實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性，進(jìn)而影響到該機(jī)械天平的不確定度。在機(jī)械天平測(cè)量的過(guò)程中主要有以下幾種不穩(wěn)定誤差。

在機(jī)械天平測(cè)量的過(guò)程要使得兩端的物體質(zhì)量相同，就要保障天平杠桿的平衡穩(wěn)定，在天平杠桿受到外部的干擾之后，出現(xiàn)了較小的誤差浮動(dòng)，并且杠桿逐漸趨于穩(wěn)定平衡的，這個(gè)時(shí)候測(cè)量出的數(shù)據(jù)結(jié)果具有一定的穩(wěn)定平衡誤差，該誤差對(duì)天平的不確定度影響較小。還有一種就是指天平在平衡的狀態(tài)下，受到了外部砝碼的影響，出現(xiàn)了一定的浮動(dòng)，并且在浮動(dòng)的過(guò)程中天平的杠桿一直不能處于一個(gè)平衡的狀態(tài)下，出現(xiàn)這樣的情況被稱(chēng)為不穩(wěn)定平衡，對(duì)該機(jī)械天平的不確定度的數(shù)值影響比較大。還有一種就是該機(jī)械天平在平衡的狀態(tài)下受到了外部的干擾，發(fā)生了一定的擾動(dòng)，但是在任意的一種狀態(tài)下該天平可以保持一種平衡的狀態(tài)，我們將這種情況稱(chēng)為隨遇平衡，該種平衡狀態(tài)對(duì)該機(jī)械天平的不確定度數(shù)值也具有一定的影響[5]。

五、結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)量200g砝碼的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)TG328b型號(hào)的機(jī)械天平的不確定數(shù)值還不高，說(shuō)明該機(jī)械天平在實(shí)際使用的過(guò)程中具有一定的可信度。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟莉萍，李園，保莉.機(jī)械天平測(cè)量200g砝碼的不確定度分析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017，4412：100-101.