天平测量结果差异的成因分析

摘要：电子天平作为现代化实验室常用测量工具，其具有操作简单、速度稳定、读数精度高等优势，在工业、科学研究和计量领域有广泛的应用。而电子天平在实际应用过程中会有不同程度误差的出现，为了确保测量结果的准确性，有必要对影响天平测量结果的相关因素进行分析，并采取有效措施，减少测量结果误差。本文以电磁式电子天平为主线，对电子天平原理和影响天平测量结果差异因素进行分析，以期为天平测量结果方面的研究工作提供依据。

关键词：天平测量；结果差异；成因

电子天平是用于称量物体质量的工具，其一般是用应变式传感器、电容传感器、电磁平衡式传感器制成的。应变式传感器天平结构相对简单，造价也较低，但精度有限，无法更好满足人们对测量结果高精准需求。而电磁平衡传感器电子天平称量准确可靠、显示快速清晰且带有自动检测系统、校准装置和超负载装置，符合现代化需求。下文对与电磁式电子天平测量结果差异相关的内容进行分析。

一、电子天平工作原理

1.电磁力原理公式

电磁式电子天平现代化电子天平中精度相对较高的天平，它采用的是电磁力平衡式传感器，与电子秤不同之处是电磁式电子天平采用的是电磁力原理，而电子秤只是电阻应变式传感器输出。电磁力原理公式为：

F=BLIsinθ

其中F是电磁力，B是磁感应强度，L是受力导线的长度，I是经过导线的电流强度，θ是通电导体与磁场之间的夹角。从公式中可以看出，F值与B、L、I、sinθ值成正比，原因是已设定好的传感器感应线圈规格和尺寸是固定的，B、L值也不会改变，当θ为90度时，sinθ=1，F与I成正比。

2.电子天平构成及原理

电子天平是由电源、电磁力平衡传感器、光电传感器、键盘、显示器和控制电阻组成的，其原理是基于电磁力原理公式，当天平处于空载状态时，电磁力平衡式传感器处于平衡状态，加载后感应线圈位置则会发生改变，光感器中的光敏三级管所接收的光线强度也会有所变化，输出电流也会随之改变，这时改变量经过处理器处理好后，电磁圈电流大小会受到控制，并使使电磁力平衡式传感器重新处于平衡状态，这时微处理器会将电磁线圈的电流变化量转化成数字信号，迅速的将数值显示在屏幕上。

二、影响电子天平测量结果的因素及解决方法

影响电子天平测量结果差异的因素比较多，电磁式电子天平实际称量过程中，会出现单方向缓慢漂移并将错误值显示在屏幕上，造成这种误差原因从大的角度来说是性能因素引起的，即温度因素、环境因素、静电因素和维护校定因素。

1.温度因素

电磁式电子天平通电后，受环境和过流元件发热的影响，如果预热时间较长或不够，在电磁力的影响下，样品与周围环境之间的温度会存在差异，在温差的影响下可能会使顺沿称量容器出现气流，并沿着容器侧部流动产生向上或向下的力，从而使称量结果不准确。这种向上向下的力会产生一种效应，也称动态浮力，这种效应在温度未达到平衡之前不会消失，持续下去将会导致多种问题，可能会使电磁式天平称量结果出现差异。

措施：

电子天平使用前是需要预热的，每一台天平的预热时间根据自身性能确定，正常情况下，天平的准确度越高，预热的时间就越长，预热时可以参考说明书进行，如果电子天平实际分度值不小于0.01mg时，预热时间需为5小时，精度低的则视情况尽量减少预热时间；如果实际分度值不大于0.001mg时为微量、超微量电子天平，预热时间应多于24小时。实际使用中从冰箱或干燥炉取出样品不宜直接使用，而加热到适合的温度后，才可以用镊子夹取样品并将样品放入面积小且去皮的容器中，在这里应该注意的是不能将手放入称量室内，以减少因温度因素而使天平测量结果不准确。

2.环境因素

环境因素也可以称为吸湿挥发因素，其主要表现为天平屏幕显示值呈单方向持续漂移趋势，出现这种现象的主要原因是测量的样品发生物质挥发、损耗或样品稀释空气中的水蒸气使自身质量增加。

措施：

选用样品承重容器时，尽量选择窄径且带盖子或塞子的容器，并对去皮容器进行清洁和干燥，避免秤盘中的积尘或水滴，而影响天平测量结果。选择烧瓶时，尽量选择有圆形底座的烧瓶，使用时不选择木塞和纸板，以免增加或减少水分。最好选用XP电子天平专用圆底烧瓶，其优势是便于称量。同时应该注意的是选用称量容器时尽量避免选择较大的容器，这样容易造成挥发或吸湿引起的测量误差。

3.静电因素

静电问题主要表现在每一次称量样品时会出现不同的测量结果，且天平显示的示值不准确，从而使称量结果出现重复性误差。出现这种现象的主要原因是去皮容器或样品本身带有静电，去皮容器一般是由玻璃、塑料、粉末或颗粒状物质等低导电材料制成的，自身无法或非常缓慢的排除静电电荷。如果容器搬运或容器原料运输过程中发生摩擦，且处于低于40%相对湿度干燥空气状态下，样品与环境之间会产生静电，加大静电重复性误差风险。这种问题一般在分析类天平、微量电子天平工作时出现的比较多。

措施：

根据上述现象一可以用增加大气湿度的方法解决，因静电放电在冬季较为常见，可以将样品和天平放置在有空调的房间内，并通过调节空调来增加大气湿度，使相对湿度在45%-60%之间，以减少因静电而导致的测量结果误差；二可以使用塑料和玻璃以外材质的容器，毕竟塑料和玻璃容易产生静电，如果条件允许，可以采用技术材料制成的去皮容器；三可以使用防静电枪，但是市场上可以买到产品并非在所有的情况下都能使用，梅特勒-托利多静电装置效果好，价格相对较高。此外，也可以将去皮容器放置在金属容器内，以减少静电。

4.校准和维护因素

电磁式天平作为精度较高的电子天平，其有水平调整装置和水准器，使用过程中是需要对天平的水平状态进行检查的，而实际应用过程中，一些使用者常忽视天平水平状态检查，是的电子天平移动而出现四角不平或不水平现象，最终导致天平测量结果不准确；正常情况下，电子天平是需要进行定期检验的，一般电子天平在有效期内称量结果是准确的，但是为确保称量准确性，也需要进行检定，而一些使用者认为天平在有效期内不会出现质量问题，不重视甚至不对天平进行校准，要知道天平在人为、环境因素下，其计量会发生细微的变化。为了确保称量准确性，即便在有效期内也需要对天平进行校准。

措施：

天平每一次使用前必须进行校准，必要的时候多次进行校准，校准选用的砝码必须选用等级较高的，等级较高的砝码误差性相对较小。另外还应该定期将天平送至质监部门进行检定，这样出现问题后可以及时检测，以免造成测量误差。

结束语：

综上所述，影响电子天平测量结果差异因素很多，不仅有温度、环境因素，还有静电因素、维护检定因素。电子天平使用过程中，不管是哪一种因素引起的，都会带来不同程度的误差，从而无法得到准确的数据。上文对可能引起电子天平误差因素进行分析，对解决时下可能出现的问题有一定帮助。而随着时代不断的发展，可能出现新的问题，需要进一步对电子天平进行研究和改进。

参考文献：

[1]萧铜，杨惠敏，刘强.电子天平测量结果不确定度的研究[J].中国测试技术.2007（09）.

[2]张思美，李茂.一种电子天平测量结果的数据处理优化方法[J].计测技术.2011（12）.

[3]杨力.电子天平示值误差测量结果的不确定度评定[J].煤质技术.2008（01）.

[4]钱承.电子天平示值误差测量结果的不确定度分析 [J].工业计量.2012（04）.

[5]张海天.杆式应变天平优化设计方法研究与应用[D].南京航空航天大学大学.2012（03）.