質(zhì)量比較儀在精密稱量中的應(yīng)用

魏宇楠

（中國工程物理研究院材料研究所）

質(zhì)量比較儀作為一種特殊的電子天平，最初設(shè)計是應(yīng)用在國家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量實驗室、校準(zhǔn)實驗室等領(lǐng)域，用于質(zhì)量量值傳遞。在某些研究領(lǐng)域，產(chǎn)品稱量的微小變化的確定也很重要，質(zhì)量比較儀能實現(xiàn)常規(guī)天平和秤所不能達(dá)到的要求，應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中濾膜和涂層的稱量，貴重氣體的氣體填充稱量、渦輪葉片的稱量等其他行業(yè)。

一、質(zhì)量比較儀的簡單介紹

質(zhì)量比較儀的工作原理主要基于比較原理。即采用具有足夠分辨力的高精度儀器，通過測量已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物和被校準(zhǔn)物兩者相比較，以確定被校準(zhǔn)物的質(zhì)量。目前國際上高精度天平普遍采用電磁力平衡原理而制成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜但精度很高，可達(dá)到二百萬分之一的精度。電磁力平衡原理通俗地講，即測量物體時采用電磁力與被測物體中立相平衡的原理實現(xiàn)測量，當(dāng)秤盤上加上后除去被稱物時，天平則產(chǎn)生不平衡狀態(tài)，此時可以通過位置檢測器檢測到線圈在磁鋼中的瞬間位移，經(jīng)過電磁力自動補(bǔ)償電路使其電流變化以數(shù)字方式顯示出被測物的重量。

質(zhì)量比較儀的設(shè)計原理和電子天平相同，決定其足夠分辨力和高精度的關(guān)鍵部件是傳感器，質(zhì)量比較儀的傳感器有單模塊電磁力和應(yīng)變片傳感器兩種。單模塊電磁力傳感器的工作原理與傳統(tǒng)的電磁力補(bǔ)償傳感器相同，由單塊加工的合金+外接杠桿組件組成，具有更好的溫度穩(wěn)定性和卓越的重復(fù)性，更加結(jié)實耐用。應(yīng)變式傳感器，其應(yīng)變片的負(fù)載單元有一個金屬杠桿構(gòu)成，在金屬杠桿上有一個后幾個鉆孔負(fù)載砝碼前后經(jīng)過系統(tǒng)電流變化被接受、轉(zhuǎn)換、顯示出來，應(yīng)變片倍粘附在金屬杠桿的頂部，底部用來測量由于變形而引起的杠桿變化。JJF1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》中也指出比較儀主要是根據(jù)測量彈性元件的變形和應(yīng)變，或電磁力反饋平衡的原理制造的電子衡量設(shè)備。

質(zhì)量比較儀的分類包含全自動真空比較儀、全自動比較儀系統(tǒng)、自動比較儀、非自動比較儀。目前普遍使用是非自動比較儀，整個過程均需要人員參與直接操作。

二、質(zhì)量比較儀的稱量準(zhǔn)確度

質(zhì)量比較儀的計量性能包括重復(fù)性、偏載和局部示值的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的內(nèi)容是測量及不確定度評定，計量性能中特別是重復(fù)性的校準(zhǔn)是影響質(zhì)量比較儀稱量準(zhǔn)確度主要因素。在質(zhì)量量值傳遞中，要得到對于一個給定測試砝碼的精確結(jié)果，我們根據(jù)JJG99-2006《砝碼》中7.3.5折算質(zhì)量部分標(biāo)準(zhǔn)砝碼量值傳遞的檢定方法，推薦使用ABBA 或者ABA測量方法。使用這種方法，標(biāo)準(zhǔn)砝碼 (A)和測試砝碼 (B) 的質(zhì)量差可以重復(fù)進(jìn)行測定，以所有結(jié)果的質(zhì)量差計算得到的平均值作為最終測量結(jié)果。測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測試砝碼質(zhì)量的精確度，這個值取決于稱重測量的次數(shù)。

以檢定200gF1等級砝碼為例，選擇的測量設(shè)備為德國賽多利斯的型號CCE605的質(zhì)量比較儀，測量方式為ABBA 6個循環(huán)，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)

被檢砝碼測量標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

三、質(zhì)量比較儀精密稱量方法

使用質(zhì)量比較儀稱量某些準(zhǔn)確度要求較高的產(chǎn)品，我們采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼量值傳遞的檢定方法進(jìn)行產(chǎn)品稱量，即ABBA（“A”代表參考標(biāo)準(zhǔn)，“B”代表被測件）測量循環(huán)方法和單次替代直接比較的測量模式。具體操作步驟如下：

（一）稱量前條件準(zhǔn)備

1.環(huán)境條件準(zhǔn)備

稱量前確認(rèn)稱量實驗室環(huán)境溫度在18℃～23℃,溫、濕度恒定，無振動、氣流等。

2.儀器設(shè)備準(zhǔn)備

①確認(rèn)質(zhì)量比較儀在檢定有效期內(nèi)，確認(rèn)零點跟蹤處于關(guān)閉狀態(tài)，工作狀態(tài)正常，開啟質(zhì)量比較儀預(yù)熱1小時以上。

②檢查質(zhì)量比較儀稱量盤是否有異物等，小心用綢布蘸取無水酒精去除，并用洗耳球?qū)⒎Q量盤吹干。

③被測件、E2等級砝碼應(yīng)至少恒溫30分鐘以上。

3.稱量準(zhǔn)備

①準(zhǔn)備鑷子或細(xì)紗手套，整個稱量過程禁止用手直接接觸被測件和標(biāo)準(zhǔn)砝碼等。

②用洗耳球反復(fù)吹E2等級砝碼，去除表面可能的浮塵。

③若需要使用稱重輔助裝置，用綢布擦拭稱重輔助裝置的表面，去除其表面可能的污漬等。

（二）產(chǎn)品質(zhì)量稱量

1.質(zhì)量比較儀的校準(zhǔn)

①觀察水平空氣泡是否在水平指示環(huán)中央，若不水平，調(diào)整底座，直到空氣泡正好在水平指示環(huán)中央；

②打開質(zhì)量比較儀稱量室門，將大約質(zhì)量比較儀最大秤量的1/2重量的砝碼(或替代物)輕放在質(zhì)量比較儀稱量盤上，拿起放下，反復(fù)數(shù)次；

③將砝碼(或替代物)拿出稱量室，關(guān)上質(zhì)量比較儀稱量室門。顯示器讀數(shù)出“g”后，按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數(shù)回零。

④按照質(zhì)量比較儀說明書進(jìn)行正確自?；蛲庑！?/p>

2.產(chǎn)品預(yù)稱

①校準(zhǔn)結(jié)束, 按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數(shù)回零。

②若需要使用稱重輔助裝置，將稱重輔助裝置放置質(zhì)量比較儀稱量盤上，按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數(shù)回零。若不需要使用稱重輔助裝置，該步驟省略。

③打開質(zhì)量比較儀稱量室門，將被測件放置質(zhì)量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關(guān)閉質(zhì)量比較儀稱量室門，顯示器讀數(shù)出“g”后，記錄被測件質(zhì)量M。

④打開質(zhì)量比較儀稱量室門,取下被測件。

⑤根據(jù)質(zhì)量比較儀的最大秤量和讀數(shù)精度，準(zhǔn)備接近被測件質(zhì)量M的E2等級砝碼，遵循配的砝碼個數(shù)盡量少的原則。

3.產(chǎn)品稱量

①按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數(shù)回零。

②打開質(zhì)量比較儀稱量室門，將準(zhǔn)備好的E2等級砝碼按照從大到小的順序疊放在質(zhì)量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關(guān)閉質(zhì)量比較儀稱量室門,顯示器讀數(shù)出“g”后，記錄讀數(shù)A1。

③打開質(zhì)量比較儀稱量室門,取下砝碼。將被測件放置質(zhì)量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關(guān)閉質(zhì)量比較儀稱量室門，顯示器讀數(shù)出“g”后，記錄被讀數(shù)B1。

④打開質(zhì)量比較儀稱量室門,拿起被測件，將稱量平衡打破，輕放被測件于質(zhì)量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關(guān)閉質(zhì)量比較儀稱量室門，顯示器讀數(shù)出“g”后，記錄讀數(shù)B2。

⑤打開質(zhì)量比較儀稱量室門, 取下被測件。將E2等級砝碼疊放在質(zhì)量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關(guān)閉質(zhì)量比較儀稱量室門，顯示器讀數(shù)出“g”后，記錄讀數(shù)A2。

⑥重復(fù)上述步驟，記錄第二組讀數(shù)A1,B1,B2,A2；第三組讀數(shù)A1,B1,B2,A2……；第n組讀數(shù)Ai,Bi,Bi,Ai。

（三）稱量結(jié)果計算

①計算產(chǎn)品的單次測量質(zhì)量值m ，計算公式如下：

M—接近產(chǎn)品質(zhì)量的砝碼組合質(zhì)量

M修正值—接近產(chǎn)品質(zhì)量的砝碼的修正值

②根據(jù)測量結(jié)果的平均值算出最終質(zhì)量值m。

四、質(zhì)量比較儀稱量結(jié)果的不確定度評定方法

該質(zhì)量比較儀精密稱量方法其測量結(jié)果的不準(zhǔn)確度主要來自于測量儀器、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、人員操作、環(huán)境因素等。

（一）測量環(huán)境條件

溫度（18～23）℃，溫度波動不大于2℃/4h，相對濕度不大于30%～70%,濕度波動不大于15%/4h 。

（二）測量標(biāo)準(zhǔn)

E2等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼。測量范圍：1g～1kg,材料密度：8000kg/m3的無磁不銹鋼。

（三）測量儀器及測量對象

質(zhì)量比較儀；被測件

（四）測量方法

采用ABBA測量循環(huán)方法和直接比較的測量模式，通過計算折算質(zhì)量來獲得被測件的質(zhì)量。其中“A”代表標(biāo)準(zhǔn)砝碼，“B”代表被測件。

（五）數(shù)學(xué)模型

式中：m— 被測件質(zhì)量；

ms— 標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量；

?m—被測件與標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量差。

（六）各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（分量）的評定

1.E2等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼不確定度u1采用B類方法評定。

依據(jù)JJG99-2006《砝碼》計量檢定規(guī)程的規(guī)定：“在規(guī)定的準(zhǔn)確度等級內(nèi)，任何一個質(zhì)量標(biāo)稱值為m0的單個砝碼，其折算質(zhì)量的擴(kuò)展不確定度,U(k=2),應(yīng)不大于相應(yīng)準(zhǔn)確度等級的最大允許誤差絕對值的三分之一?！奔碋2等級標(biāo)準(zhǔn)砝碼不確定度可由相應(yīng)砝碼的最大允許誤差MPE得到。

2.輸入量m的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2的評定。

衡量過程中標(biāo)準(zhǔn)不確定度是質(zhì)量差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，選擇極差法，采用A類方法評定。

在重復(fù)性條件下，對被測件進(jìn)行n（測量次數(shù)較少）測量，測得值中的最大值和最小值之差為極差。

式中：

R—極差；

C—極差系數(shù)。

極差系數(shù)C及自由度ν可查表2得到。

表2 極差系數(shù)C及自由度ν

被測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2：

3.衡量儀器（質(zhì)量比較儀）引入的不確定度u3

（1）根據(jù)衡量儀器（質(zhì)量比較儀）的校準(zhǔn)證書給出的重復(fù)性測量的擴(kuò)展不確定度UR（k=2），則被測量的區(qū)間半寬為：α=Uk，

（2）根據(jù)衡量儀器（質(zhì)量比較儀）的校準(zhǔn)證書給出的偏載誤差測量的擴(kuò)展不確定度UE（k=2），則被測量的區(qū)間半寬為：α=UE，

（3）根據(jù)衡量儀器（質(zhì)量比較儀）的校準(zhǔn)證書給出的局部示值誤差測量的擴(kuò)展不確定度US（k=2），則被測量的區(qū)間半寬為：α=US，

（4）衡量儀器的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u3

（七）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

1.標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總見表3

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

2.合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

以上分量相互獨立，互不相關(guān)，合成不確定度為：

3.擴(kuò)展不確定度的評定

（八）報告測量結(jié)果

被測件質(zhì)量M測量結(jié)果為：

四、結(jié)語

一些使用者僅僅將質(zhì)量比較儀作為一般的高精度電子天平使用，其操作使用方法的不正確，會造成稱量數(shù)據(jù)的錯誤。正確的操作使用質(zhì)量比較儀進(jìn)行稱量是獲取準(zhǔn)確稱量結(jié)果的關(guān)鍵。為了操作者能夠規(guī)范正確的使用質(zhì)量比較儀進(jìn)行高準(zhǔn)確度的稱量，本文提出了質(zhì)量比較儀精密稱量方法和稱量結(jié)果不確定度的評定方法，以供參考。