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你真的了解电子天平吗?之大有讲究的“校准”术

浏览次数:957 发布日期:2018/12/6 9:14:17

       早在中学物理课本里,我们就学过物体的重量G=mgm为物体的质量,g为重力加速度),对于同一个物体,无论把它放置在地球上的任一位置,它的质量都是不会发生变化的。然而,重力加速度g的值在地球上的不同地方是会有微小差异的,因此同一物体在不同地方的重量是不相同的。而电子天平则是采用电磁力与被测物体的重力相平衡的原理来测量物体的重量,并经过内部程序计算和显示出物体的质量,这与托盘天平的称量原理是不同的,所以就会出现同一台电子天平在不同地方称量同一个物体会显示不同的质量结果。此外,诸如温度、湿度等环境因素也会影响电子天平的传感器,导致称量结果的误差。


       为了避免不确定因素带来的不良影响,就需要在使用电子天平之前进行校准,并在使用周期中进行定期的校准,特别是在对称量结果准确度和精确度敏感的应用中。校准(Calibration),是通过一组称量活动,来检测天平的各项计量性能,包括误差和不确定度的分析等。作为一种良好的称量习惯,校准能够有效地保证称量的可靠性。通过校准,能够检测出天平的工作性能,避免物料浪费、返工、过渡使用后的产品召回,定期校准并执行日常测试是降低相关风险的最佳方法。 

 

       然而,对于一字之差的“校正”,含义却有微妙的差别。校正(Adjustment),又称标定,是在测量系统中进行的一组操作,提供与将要测量的数量的给定值一致的规定指示。天平在投入使用前、工作一段时间以后、或者变更位置后,都需要进行校正,以消除重力加速度、环境干扰因素等导致的称量误差。通常,需要使用高精度的标准砝码来对天平进行量程校正。综上所述,通过定期的校准和校正,可以减少天平的称量误差,并且对天平的计量性能有一个全面的把握,确保称量结果满足实验和生产的要求。 

 

       在日常工作中,大家往往比较容易混淆“校准”和“校正”的概念,对于这种严格意义上微妙差别,习惯上大家会有一定程度的通用性,校正也可以被认为是狭义上的校准,本文接下来的内容主要是在此基础上进行讨论。 

 

A. 关于砝码的学问

       谈到校准,起到至关重要作用的就是砝码。砝码是具有一定物理特性和计量特性且能够复现质量值的一种实物量具,关于其形状、尺寸、材料、表面状况、密度、磁性、质量标称值、最大允许误差等指标都有非常严格的规定。作为标定、校验衡器的最普遍也是最重要的工具,国际法制计量组织(OIML)对砝码进行了明确的等级划分,共分为9个等级:E1E2F1F2M1M12M2M23M3,等是按照不确定度来分,等砝码有修正值;级是按照示值误差来分,级砝码没有修正值,只要其示值误差在此范围内都是认为合格的。在砝码的众多指标当中,和校准关联度最高的就是最大允许误差(MPE)了,国际相关法规条款对各个等级的砝码的MPE有明确的规定,以下表格是对电子天平所常用质量标称值砝码MPE的说明(误差值以毫克为单位):


       从上图可看出,在相同质量标称值的情况下,MPE的大小跟砝码等级的高低成反比;在相同砝码等级的情况下,MPE的大小跟质量标称值的大小成正比。 

 

       同时,在国家标准的相关规定里,根据检定分度值e和检定分度数n将电子天平分为四个准确度级别,由高到低依次为特种I、高II、中III、普通IV准确度级。结合砝码MPE的变化趋势可得出,准确度越高的天平需要用越高等级的砝码进行校准,这样校准天平的数据就越精准。比如十万分之一和万分之一天平应选用E级系列砝码校准,千分之一天平应选用E2F1级砝码进行校准,以此类推。 

 

B. 校准的分类

       从校准的用途上来讲分为“量程校准”和“线性校准”,在制造和维修过程中需要结合两种校准方式共同实施,而日常使用过程一般只需做量程校准。 

 

       量程校准主要是在当前称量环境下对天平进行赋值,通过称量一个已知质量的砝码,来获得实际值和显示值之间的比例关系,作为以后称量显示值计算的系数,目的是消除不同纬度及海拔高度对称量结果的影响、环境温度变化对称量结果的影响,以及天平使用一段时间后积累的误差。通常,量程校准采用比较简单的两点校准法,第一个点为零点,第二个点为天平的最大量程,日常操作起来比较容易,能够使天平快速适应当前的称量环境,保证整个量程范围内的称量准确,是实验室工作人员一种普遍的校准方法。 

 

       线性校准主要是通过对全量程范围内的多个点的称量结果的线性化来消除误差,使得显示称量结果与参考质量的比例接近相同。一般来说是在3个点设置电子天平,即零点、半量程和最大量程。天平经过线性校准后,其全量程线性误差通常表现为S型,即在零点、半量程、满量程3个校准点误差很小,在1/43/4满量程点误差相对较大。为获得更好的线性,可以采取多点修正的方式,比如制造过程中往往采用更科学的5点线性法。当然数学修正只是辅助的,天平的示值误差还是取决于其本身的真实性能。

   

       以上两图描述了电子天平在实际载荷m和称量示值W之间的线性关系,左图的直线为理想线性特征曲线,右图为实测曲线(非线性曲线)与理想直线的对比,其中非线性就是指不按比例、不成直线的关系,且函数的一阶导数不为常数。m0处的NL为称量示值与实际负载间的非线性误差。在天平的称量规格说明书中,线性通常表述为在不断增加负载的测试中得到的最大误差值(以克为质量单位),误差值越小,说明线性度越高,称量越准确。 

 

       由于线性校准采用的是分段误差比较,节点越多,非线性误差就越小,实测曲线就越接近于理想的拟合直线,因此线性校准是保证每一个称量范围都做到最大程度的准确,从而对校准的条件会有更加严格的要求。通常,线性校准过程在恒温恒湿的环境下,由机械手自动完成。校准时需准备相应的多个砝码,非专业人员严禁私自进行操作,否则不能恢复原有程序,影响天平的正常使用。 

 

       综上所述,量程校准和线性校准各有各自的特点和用途,将二者结合能够有效提升校准的质量。 

 

       从校准的方法上来讲分为内校和外校。内校是指利用电子天平内部安装的校准砝码并遵循内部标准程序进行校准。校准时只需按一下校准键,电机会驱动带内置砝码的升降装置,对天平进行加载,从而实施并完成校准。 

 

       外校是指利用外部砝码对天平本身误差进行修正的方式进行校准。事先需检查外部砝码是否通过检定,并在检定有效期内,主要是为了确保砝码满足相关标准对实物量具的控制要求。开始校准时先按下校准键,再通过手动把指定量程的砝码放到电子天平秤盘上,来完成校准过程。 

 

       通常,外部砝码可能会受到灰尘沾染、日常磨损和酸碱腐蚀等自然因素的不良影响,所以为了保证计量工作的准确性,外部砝码也需要定期进行校准,常常需付费请省(市)级计量院做测试;再加上人为拿错砝码的可能性,因此外校型天平对人为操作的要求会更加苛刻。而内置砝码的天平一般不会出现这些情况,并可以通过修改天平的校正程序参数来修正偏差。综上所述,内校可以有效避免不确定因素所造成的误差,相比外校是一种更加节约成本的方法。 

 

       无论是内校还是外校,电子天平在使用之前都必须进行预热(万分之一位天平需要至少1个小时的预热),其次进行水平调节,之后就可以开始进行校准了(以下步骤为传统校准方法,具体不同品牌和型号的天平会有一定的差异): 

 

       第一, 确保秤盘上没有称量物品时应稳定地显示为零位。 

 

       第二, 按“CAL”键,启动电子天平的校准功能。 

 

       第三, 内校型天平的显示器变成零位时,表示校准结束;外校型天平的显示器上首先显示需要准备的砝码的质量值,其次将与天平准确度级别相对应等级的标准砝码放在天平的秤盘上。当屏幕显示“CAL.END”之后说明已经完成校准。

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