砝碼檢定中質(zhì)量比較儀的應(yīng)用研究

陳瑾

（廣東省潮州市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東潮州 521000）

質(zhì)量比較儀是一種構(gòu)造原理特殊的電子天平，其主要作業(yè)對(duì)象為砝碼或部分物體，但是在常規(guī)作業(yè)狀態(tài)下，砝碼的質(zhì)量很難直接通過質(zhì)量比較儀被度量，而是間接通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量與被檢測(cè)砝碼之間的數(shù)值差得出最終比較數(shù)值[1]。因此，在得知標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量后，可以借助質(zhì)量比較儀對(duì)待檢測(cè)物體進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，并將其與標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量進(jìn)行多次比較，從而得出被檢測(cè)目標(biāo)同標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間的差距值，以此間接反映被檢測(cè)砝碼的質(zhì)量數(shù)值[2]。在質(zhì)量比較儀的作業(yè)過程中，主要存在著ABA 與ABBA 兩種針對(duì)目標(biāo)的循環(huán)式測(cè)量模式，但是質(zhì)量比較儀自身的分度數(shù)極高且其重復(fù)性良好，因此借助該測(cè)量儀器可以較好地實(shí)現(xiàn)砝碼量值的等量傳遞，以此減少測(cè)量誤差。此外，由于砝碼等級(jí)的差距，致使儀器在面向不同的測(cè)定目標(biāo)時(shí)，其測(cè)量需求也就有所差異，因此，為了達(dá)到準(zhǔn)確判定質(zhì)量工作儀作業(yè)范圍的目的，要求在測(cè)定之前，對(duì)質(zhì)量比較儀本身所具備的不確定度進(jìn)行提前的預(yù)判。

1 質(zhì)量比較儀的作業(yè)特點(diǎn)與使用注意事項(xiàng)

1.1 質(zhì)量比較儀作業(yè)特點(diǎn)

質(zhì)量比較儀主要用于對(duì)測(cè)量精度與準(zhǔn)確度要求程度較高的砝碼或類似物體的測(cè)定過程中，其自身同時(shí)具備著較高的分隔度數(shù)與較好的重復(fù)性。按照稱量方式，質(zhì)量比較儀可以具體劃分為全量程電子稱量與電子稱量結(jié)合配衡稱量共兩種方式[3]。若質(zhì)量測(cè)定范圍從零至其可承載的最大測(cè)定范圍的度量數(shù)值之間都是連續(xù)的，則這種質(zhì)量比較儀的分度數(shù)約在百萬分之一或千萬分之一，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，質(zhì)量比較儀內(nèi)部所配置的加載砝碼同外部的被檢測(cè)砝碼之間或其他檢測(cè)目標(biāo)之間應(yīng)達(dá)到測(cè)定平衡狀態(tài)，此時(shí)，所測(cè)定物體的質(zhì)量差值可以準(zhǔn)確顯示在質(zhì)量比較儀的電子窗口中[4]。以AX1005 型質(zhì)量比較儀為例，其最大稱量為1 109 g，但是其自身的電子稱量范圍最大為110 g，在稱量范圍大于其最大稱量值時(shí)，需要將天平內(nèi)部所配置的砝碼進(jìn)行加載，以此將其稱量范圍擴(kuò)至1 100 g，實(shí)現(xiàn)對(duì)較大質(zhì)量（超過其最大稱量）砝碼的稱量。

1.2 質(zhì)量比較儀使用注意事項(xiàng)

（1）在使用比較儀對(duì)具體的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)度時(shí)，需要結(jié)合使用具備著較高分度的標(biāo)準(zhǔn)砝碼。質(zhì)量比較儀在針對(duì)目標(biāo)的質(zhì)量計(jì)量過程中，其作業(yè)性能的測(cè)定主要綜合考慮測(cè)定結(jié)果的可重復(fù)性以及不同稱量點(diǎn)之間的質(zhì)量差值。值得注意的是，質(zhì)量比較儀在作業(yè)過程中其稱量原理與電子天平存在顯著不同，其核心測(cè)定原理是通過間接比較得出質(zhì)量差值，但是該差值的可允許范圍較小，其相對(duì)的測(cè)定范圍有限。根據(jù)JJF 1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，通過質(zhì)量比較儀所測(cè)定的結(jié)果需要綜合給出重復(fù)性、偏載誤差以及面向局部示值誤差的最終校準(zhǔn)結(jié)果，其中對(duì)其示值誤差的校準(zhǔn)要求最高。在選用標(biāo)準(zhǔn)砝碼時(shí)，需要同時(shí)從砝碼自身磁性對(duì)質(zhì)量比較儀產(chǎn)生的測(cè)量影響以及砝碼自身準(zhǔn)確度與不確定度對(duì)最終測(cè)定結(jié)果的影響兩方面進(jìn)行考慮。

（2）依據(jù)JJF 1326-2011 中對(duì)校準(zhǔn)質(zhì)量比較儀自身所配置的標(biāo)準(zhǔn)砝碼相關(guān)要求，在質(zhì)量比較儀的分度數(shù)達(dá)到萬分之一以上時(shí)，需要使用E1 級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，以確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性達(dá)到相關(guān)要求。根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，若要配套量度范圍不一的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，需要較高的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)，例如在對(duì)一臺(tái)較大稱重量的質(zhì)量比較儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)（以最大稱重量40 kg 為例），若所使用的質(zhì)量比較儀實(shí)際分度值在1 mg，則按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求其自身需要相應(yīng)配備質(zhì)量為40 kg 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼。在砝碼所攜帶的磁性與作業(yè)的測(cè)量要求相符合的前提下，用于面向示值誤差測(cè)量的砝碼A 需選配E2 等級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為40 kg 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，E1 等級(jí)的砝碼適用于ms 分度的測(cè)量中，應(yīng)用該等級(jí)的砝碼既可以解決實(shí)際作業(yè)困難，又可以較好地避免影響質(zhì)量比較儀自身重復(fù)性度量、示值誤差度量以及偏載誤差度量的結(jié)果。質(zhì)量比較儀所攜帶的傳感儀器自身的靈敏度較高，因此為了確保其重復(fù)性良好，在進(jìn)行正式作業(yè)前需要進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)熱，以使儀器內(nèi)部的磁鋼能夠達(dá)到熱平衡狀態(tài)，使示值保持穩(wěn)定。

2 質(zhì)量比較儀在砝碼檢定過程中的應(yīng)用

2.1 不確定度的測(cè)定過程

將JJF 1326-2011《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》作為此次研究中質(zhì)量比較儀不確定度的測(cè)定依據(jù)。將進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的測(cè)定環(huán)境條件設(shè)置為：溫度20℃左右，濕度30%RH～70%RH，使用E2 級(jí)別質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為5 000 g 的砝碼作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)該砝碼的實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行校對(duì)后，超出標(biāo)準(zhǔn)值0.011 6 g，因此，其質(zhì)量擴(kuò)展的不確定度為2.4 mg；對(duì)E2 級(jí)別質(zhì)量為2 000 g 的砝碼，通過儀器對(duì)其校準(zhǔn)后，超過標(biāo)準(zhǔn)值0.002 5 g，其擴(kuò)展的不確定度為1.0 mg；E1 級(jí)別質(zhì)量為5 g 的砝碼，經(jīng)校準(zhǔn)后，其質(zhì)量超過標(biāo)準(zhǔn)值0.000 003 3 g，其擴(kuò)展的不確定度為0.005 mg。本次研究的試驗(yàn)對(duì)象為：XP5004S 型號(hào)比較儀，最大限度的稱重量為5 100 g，統(tǒng)計(jì)刻畫分度值為0.1 mg。在現(xiàn)實(shí)的作業(yè)過程方面，將ABBA 測(cè)量循環(huán)作為主要測(cè)定方法，校準(zhǔn)內(nèi)容囊括儀器自身重復(fù)性、儀器偏載程度以及儀器局部的示值誤差，其測(cè)量的主要計(jì)算模型為：

式（1）中，ΔI為質(zhì)量比較儀自身的示值差值；IR為重復(fù)性測(cè)量的示意值；IE為偏載誤差的測(cè)量實(shí)際值；IS為局部示意值誤差。

不確定度的來源共有三個(gè)，分別為：（1）重復(fù)測(cè)量問題致使不確定度的產(chǎn)生；（2）儀器在測(cè)定前的基礎(chǔ)屬性如片材誤差致使不確定度的產(chǎn)生；（3）儀器局部誤差示范值致使不確定度的產(chǎn)生。

2.2 質(zhì)量比較儀中不確定度評(píng)定過程中相關(guān)影響因子的測(cè)算

由于質(zhì)量比較儀內(nèi)部有著眾多金屬器件，致使在溫度條件或空氣濕度條件發(fā)生變化時(shí)，極易導(dǎo)致儀器的計(jì)量特征發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，多次的計(jì)量結(jié)果可能存在不同，所以在使用質(zhì)量比較儀進(jìn)行作業(yè)的過程中，需要對(duì)上述因素導(dǎo)致的不確定度分量進(jìn)行有效計(jì)算。以上文所述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為計(jì)量基礎(chǔ)，將不確定度分量的變化幅度使用αT 進(jìn)行表示，具體按照αT=1/12 (ΔT×TK)2進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在本次研究中，試驗(yàn)所用比較儀在溫度影響方面的平均特性數(shù)值為TK=0.003×10-6K-1，而在測(cè)定過程中，面向溫度的變化量數(shù)值為ΔT=0.1℃，則：αT=1/12(ΔT×TK)2=7.5×10-21。

之后，對(duì)顯示分辨力進(jìn)行測(cè)算，此次研究質(zhì)量比較儀自身的刻畫、觀察分度值得粒度為0.1 mg，因此，借助兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼在試驗(yàn)過程中對(duì)其重復(fù)性屬性及偏載情況進(jìn)行多次測(cè)試，據(jù)此得到由顯示分辨力問題所導(dǎo)致的不確定度的分量均為：

式（2）中，ud為不確定度，d(I)為分度值。最后，對(duì)局部示值誤差通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行度量，此次研究中所用砝碼為E1 等級(jí)，質(zhì)量為5 g，據(jù)此所折算的質(zhì)量實(shí)際質(zhì)量值為5.000 003 3 g，由此得到的不確定度為0.005 mg，與上文保持一致。

2.3 對(duì)測(cè)定結(jié)果中擴(kuò)展不確定度的測(cè)量與評(píng)定

本文以該儀器所達(dá)到的最大承載點(diǎn)為5 000 g 的測(cè)試點(diǎn)所進(jìn)行的測(cè)定過程為例，對(duì)其自身拓展不確定度的測(cè)定進(jìn)行深入剖析：在這一流程中，不確定度的產(chǎn)生原因主要為實(shí)驗(yàn)室中溫度的動(dòng)態(tài)起伏情況對(duì)測(cè)定過程所用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被試驗(yàn)所測(cè)定的比較儀產(chǎn)生質(zhì)量與測(cè)定結(jié)果的影響，其計(jì)算公式具體為：

式（3）中，ɑs代表不確定度分量變化量，Us代表擴(kuò)展不確定度，ms表示標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量值。

5 000 g 為質(zhì)量比較儀最大限度可承載質(zhì)量范圍，相應(yīng)的，使用E2 級(jí)別砝碼進(jìn)行ABBA 循環(huán)，經(jīng)試驗(yàn)，最終測(cè)定結(jié)果具體為：+1 mg、+0.2 mg、-0.4 mg、-0.6 mg、+0.2 mg、+0.4 mg。依據(jù)上述結(jié)果并融合下述公式可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計(jì)算：

式（4）中，s為標(biāo)準(zhǔn)偏差，ΔI為質(zhì)量比較儀自身的示值差值。

2.4 對(duì)偏載誤差所測(cè)量結(jié)果的不確定度的測(cè)算

儀器自身的重復(fù)性是導(dǎo)致質(zhì)量比較儀不確定度產(chǎn)生的主要原因，并且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫度波動(dòng)變化也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，被校對(duì)的質(zhì)量比較儀在被測(cè)度點(diǎn)時(shí)候的顯示分辨力也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，其計(jì)算公式為：

式（5）中，UR為重復(fù)性測(cè)量所產(chǎn)生的拓展不確定度，ud為顯示分辨力誤差的不確定度，Pt為試驗(yàn)載荷，ɑr為不確定度分量，S為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.5 載荷測(cè)量點(diǎn)完整不確定度的測(cè)定

將標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為JJF 1326-2011 的相關(guān)規(guī)定作為對(duì)載荷測(cè)量點(diǎn)自身不確定度進(jìn)行測(cè)量與評(píng)估的主要規(guī)范依據(jù)，載荷測(cè)試點(diǎn)具體包括：1/2 最大承載重量點(diǎn)與max 承載重量點(diǎn)，本次研究中兩者分別為需要進(jìn)行校準(zhǔn)的5 000 g 與2 000 g 質(zhì)量的載荷點(diǎn)，其不確定度的測(cè)量如表1 所示。

表1 載荷點(diǎn)拓展不確定度各指標(biāo)結(jié)果

3 結(jié)束語

質(zhì)量比較儀作為砝碼檢定的主要工具容易受到不確定度的影響，致使測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)一定程度的誤差。本文在分析質(zhì)量比較儀自身所具備特點(diǎn)以及在作業(yè)過程中需要注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合《質(zhì)量比較儀校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)質(zhì)量比較儀自身不確定度的測(cè)定過程進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)砝碼的檢定規(guī)范程序進(jìn)行分析，并以此對(duì)在砝碼檢定過程中，質(zhì)量比較儀的具體應(yīng)用方法進(jìn)行探討，分別從質(zhì)量比較儀的不確定度評(píng)定過程中相關(guān)影響因子的測(cè)算、對(duì)測(cè)定結(jié)果中擴(kuò)展不確定度的測(cè)量與評(píng)定、對(duì)偏載誤差所測(cè)量結(jié)果的不確定度的測(cè)算、載荷測(cè)量點(diǎn)完整不確定度的測(cè)定共4 個(gè)維度展開實(shí)證，以期彌補(bǔ)相關(guān)研究的不足。