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影響電子天平準確性的因素分析
(一)預熱天平
首先,電子天平在稱量前要充分預熱。電子天平的基本工作原理是平衡,一旦失衡,利用電磁力將天平重新拉回平衡。這個電磁力,是由流經線圈中與物體質量成正比的電流在*磁鋼中產生的。電磁力F的大小與磁鋼的磁通量、流經線圈中的電流I及線圈長度L成正比,當天平處于預熱階段時,隨著內部溫度升高,會逐漸下降,同時I也會減小,這樣就導致F變小,天平失去平衡,示值會呈現(xiàn)正的單方向漂移。只有經過充分預熱,使磁鋼達到熱平衡,這一變化過程結束,天平才達到平衡。再利用回零/去皮功能,使顯示回零,此時天平才處于真正可使用狀態(tài)。 濕度傳感器探頭 , , 不銹鋼電熱管 PT100 傳感器 , , 鑄鋁加熱器 , 加熱圈 流體電磁閥
為了減少電子器件,例如變壓器、橋式整流器、三端直流穩(wěn)壓集成電路等發(fā)熱器件的影響,新一代的電子天平已將主要發(fā)熱器件變壓器移到天平的外部,成為一個獨立部分。對于實際分度值為1g或01g的微量或超微量天平,都是將稱量室與電子部分分開成兩個獨立的部分。其目的即是為了減小熱噪聲對傳感器的熱影響,以利于更為穩(wěn)定與準確地稱量。影響電子天平準確性的因素分析
另外,電子天平通常都沒有類似家用電器的電源開關,只要給天平通電,即使顯示器上無顯示,天平也已處于預熱狀態(tài)。天平上的ON/OFF鍵只是開關顯示器而已。因此經常稱量的天平不必拔掉電源,尤其是高準確度天平,在條件許可的情況下,長期不斷電可保持天平始終處于預熱狀態(tài)。影響電子天平準確性的因素分析
對于進行計量檢定的或實際分度值d達到001mg的電子天平,預熱時間至少為5小時;對于d達到0001mg的微量和超微量電子天平,則需預熱24小時以上。對于使用中的天平,預熱時間可適當減少,當顯示器上的示值不再呈現(xiàn)單方向漂移時,回零/去皮后即可進行稱量。
(二)運動天平
電子天平預熱好以后,不要立即進行稱量,而要短暫地加載、卸載,以運動天平。這一點往往容易被忽視。電子天平的傳感器通常是由9或11片簧片構成的彈性支承體,天平傳感器就是利用這些簧片進行力的傳遞,使天平在平衡失衡再平衡的過程之中完成稱量。然而,在天平處于通電預熱階段或較長時間停止稱量時,天平傳感器是處于停止工作的休眠狀態(tài),當然簧片也處于休眠狀態(tài),其恢復性能不佳,若這時進行稱量,勢必會引起天平加載后回零不佳,示值穩(wěn)定性不好,重復性差。這就好比一個人經過了一個晚上的睡眠,筋骨*處于放松狀態(tài),若一早起來,就進行大運動量工作或運動,這個人肯定吃不消,也出不了好成績,為此須進行熱身運動,活動筋骨,他才能取得好的工作效率和成績。
運動天平的方法是用相當于天平zui大秤量的砝碼或物體加載到秤盤上,然后再卸載,此時并不在乎加載示值和是否回零,如此反復10次以上,使傳感器的簧片從休眠狀態(tài)逐漸進入工作狀態(tài),天平才能穩(wěn)定地稱量。
對于進行計量檢定天平,這一步是*的,否則會得不到好的稱量結果。這已為大量事實所證明。對于使用中的天平,若實際分度值d!01mg,可以不作或減少加、卸載次數(shù),回零/去皮后即可進行稱量。對于d001mg的半微量、微量和超微量天平,則必須進行這一步,否則得不到穩(wěn)定的稱量結果;若這類天平有一段較長時間(超過30分鐘)停止工作,在重新開始稱量前也需要再進行短暫的加、卸載來運動天平。
(三)校準天平
這是正確使用電子天平*的重要一步,任何電子天平不進行校準,就得不到準確的稱量結果。有些用戶以為校準天平只是計量部門的事,一旦天平檢定合格,使用中就不必再校準了。其實計量部門對天平進行的是計量性能檢定,主要包括對天平的偏載誤差(即四角誤差),以及各個載荷點的準確性及重復性檢定,當然在計量檢定前必須先校準天平,否則同樣得不到正確的檢定數(shù)據。用戶在每次使用前,都必須校準天平的理由有兩個:
1天平稱量的是物體的質量,而不是重量。也就是說,使用任何一臺天平,不管這臺天平放置在地球上的任何地方,也不管這臺天平放置在什么高度,稱量同一物體,由于物體的質量是不變的,因此稱量的結果應該*相同。然而地球存在地心引力,任何一個有質量的物體其重量都會受到重力加速度的影響。例如一個物體在一樓時,稱得的質量正好是2000000g,而在四樓(10m高度)時就變成了19999937g。顯然,由于重力的影響,當我們用電子天平稱量時就無法得到相同的稱量結果。這就需要應用校準技術。
我們知道,對于雙盤等臂機械天平而言,當左盤物體的重量(重力)與右盤砝碼的重量(重力)相平衡時由于同一地方的重力加速度值相等,左右相消,故物體的質量就等于砝碼的質量,自然完成了稱量物體質量的目的。對于電子天平而言,與這種機械天平相同之處在于利用平衡原理,不同之處是用電磁力取代了平衡物體重量(重力)的砝碼重量(重力)。同理,只要物體的重力與電磁力相平衡,則用電子天平稱量的結果就是物體的質量。
為了得到準確的物體質量,光有電子天平還不行,還必須應用校準技術。現(xiàn)在讓我們先看看校準的過程,以外校為例,如AB204N天平,進入校準程序后,在天平的顯示屏上出現(xiàn)一個閃動的2000000,這個數(shù)字就是天平校準所要求的砝碼值,此時,將2000000g砝碼放置到稱盤上,天平將經歷失衡到再平衡的過程,當顯示屏上變?yōu)殚W動的00000時,將砝碼取下,就完成了整個校準過程。當然用于平衡2000000g的是電磁力。隨著溫度的波動磁通量還會有變化,顯然主要改變電磁力大小的是流經線圈中的電流值,因此,在校準過程中,天平實際是尋找一個與2000000g相對應的平衡電流值?，F(xiàn)在讓我們再回到上面的例子,在一樓時,我們對天平進行了校準,找到相對應的平衡電流,記為I1,稱量結果是200.0000g。如果將天平搬到四樓(10m高度),不再重新校準天平,顯而易見,由于I1產生的電磁力大小沒有改變,而由于重力加速度g值變小,重力變輕,天平就會失去平衡,稱量結果就成了19999937g, 結果出錯。因此,當天平搬到四樓后,要重新對天平進行校準,重新尋找相對應的平衡電流值記為I2。顯然I2
工作中,我們并不只是稱量校準時的2000000g,而是在秤量范圍內的質量,注意是在天平的zui小秤量與zui大秤量之內,即在允許誤差范圍內的準確稱量。根據電子天平的平衡原理和應用了校準技術,在天平空載時得到一相對應的空載平衡電流I0,另外通過對要求的校準砝碼校準時也得到一相對應的校準平衡電流Ical,只要天平的線性足夠好,天平就會自動在I0與Ical所連接的線段內找到與該物體相對應的平衡電流IB,然后通過天平的電子部分轉換成該物體的準確質量,通過天平顯示屏顯示出來,這就是應用了校準技術,準確稱量一物體的全過程。
2當天平放置在同一個地方,稱量同一物體,由于沒有重力的影響,似乎就不需要在每次稱量前進行校準了。其實不然,由于環(huán)境溫度的變化及波動直接影響傳感器自身的溫度變化,如前所述,這會導致磁通量和流經線圈中的電流也隨之發(fā)生變化, 電磁力發(fā)生變化。當然zui后又會使天平稱量結果不準確。盡管電子天平都有溫度補償功能,但它只有在小的溫度波動范圍內有效,溫度超過一定的限度,它是無法補償?shù)?。zui終還是要靠校準技術進行校準,才保證準確稱量。
為了天平不因環(huán)境溫度變化和波動而影響天平準確稱量,梅特勒托利多公司zui近推出了*校準技術FACT(即全自動校準技術)。它能始終保證天平在允許誤差范圍內準確稱量。應用這種校準技術,天平隨時檢測自身的準確度,一旦超過允許誤差范圍,天平會進行自動校準。
國內絕大多數(shù)用戶,使用電子天平都是下班斷電,上班通電,因此在保證天平預熱好的前提下,使用前對天平進行校準就顯得更加有必要。切不可不校準天平就開始稱量,這是得不到準確稱量結果的。在條件許可的情況下,我們建議大家不要關斷天平電源,讓其長期保持通電預熱狀態(tài),天平將會穩(wěn)定、準確地工作。
(四)使用天平
只有完成上述三個步驟后,才能使用天平進行穩(wěn)定、準確地稱量。
總而言之,正確使用天平分為四個步驟,即預熱天平、運動天平、校準天平、使用天平。
二、關于樣品本身自然物理特性和變化影響的問題
(一)樣品和容器的溫度
當樣品和容器的溫度與天平稱量室的溫度不相同,存在一個溫度差,此差異導致了沿稱量容器外側流動的不同方向的氣流,此氣流產生一個向上或向下的作用力,在這個動態(tài)空氣浮力的作用下就會產生錯誤的稱量結果。
為了解決樣品和容器的溫度影響,在稱量時,要保持樣品同稱量室具有相同的溫度后再進行稱量,不要用直接從干燥器或冰箱里取出的樣品稱量;為避免手溫對容器的影響,要使用鑷子夾取容器;尤其要注意,盡可能避免手進入天平稱量室,引起稱量室溫度升高,為此可使用長柄鑷子夾取容器,或者使用長柄樣品勺添加樣品;當然,在使用容器的形狀上也要注意,應使用表面積較小的容器,減少溫度的影響。
(二)樣品的吸濕性或揮發(fā)性
在稱量一些具有吸濕性的樣品時,天平顯示值會緩慢增大,反之,稱量一些具有揮發(fā)性的樣品時,天平顯示值會越來越小。這一現(xiàn)象還往往被一些用戶誤解,以為是天平自身漂移所致,其實不然。
(三)樣品和容器的靜電現(xiàn)象
稱量容器一旦有了靜電,會導致天平顯示值長時間不穩(wěn)定,無法穩(wěn)定顯示準確的稱量結果,當然重復性很差。此靜電主要是粉末狀或顆粒狀樣品與這類絕緣容器摩擦而產生,如果沒有良好的泄放途徑,這些靜電就不能消除或者至少需要幾小時才能緩慢地消除。為了消除樣品和容器的靜電,簡單的辦法是讓三芯電源插座的接地端與大地有良好的接觸,標準實驗室尤其要注意,應該采用一根專門的接地線,埋入大地,然后將接地線引入電源插座的接地端,使用加濕器增加空氣濕度,理想的相對空氣濕度為45%~60%。在溫暖干燥的冬季,可在天平稱量室內放置一杯水,1~2小時后取出,增加稱量室內的空氣濕度;注意選擇不同材料的稱量容器,盡量避免用塑料容器,它極易產生靜電。玻璃容器這方面的性能優(yōu)于塑料容器,金屬容器更好;使用專門的消除靜電的裝置。
(四)磁性樣品和容器磁化稱量
磁化了的物體,由于磁性物體與不銹鋼稱量盤相互吸引,會產生出多余的力被天平誤以為是加載,影響準確稱量,導致稱量結果依賴其在秤盤上位置,稱量結果重復性很差。這種稱量現(xiàn)象容易被發(fā)現(xiàn),但用戶往往忽視其產生的原因,或者根本就不從這方面去考慮,誤認為是天平自身重復性差。解決這一影響的zui基本思路是加大樣品和容器與稱量盤之間的距離,減弱磁力的影響。zui常用的是采用下掛秤盤,加大它與稱量室內的秤盤距離,也可將樣品放置在非磁性的支承物如高的玻璃量杯,鋁、銅支架上,加大與稱盤的距離。在條件許可的情況下,對樣品和容器進行去磁,還可以將樣品放置在導磁良好的合金容器內,讓其磁力線沿合金容器內壁形成自封閉,減少磁力的影響。
