質量比較儀在精密稱量中的應用

魏宇楠

（中國工程物理研究院材料研究所）

質量比較儀作為一種特殊的電子天平，最初設計是應用在國家標準質量實驗室、校準實驗室等領域，用于質量量值傳遞。在某些研究領域，產品稱量的微小變化的確定也很重要，質量比較儀能實現常規天平和秤所不能達到的要求，應用于化學工業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。

一、質量比較儀的簡單介紹

質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，通過測量已知質量的標準物和被校準物兩者相比較，以確定被校準物的質量。目前國際上高精度天平普遍采用電磁力平衡原理而制成，其結構復雜但精度很高，可達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測量，當秤盤上加上后除去被稱物時，天平則產生不平衡狀態，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，經過電磁力自動補償電路使其電流變化以數字方式顯示出被測物的重量。

質量比較儀的設計原理和電子天平相同，決定其足夠分辨力和高精度的關鍵部件是傳感器，質量比較儀的傳感器有單模塊電磁力和應變片傳感器兩種。單模塊電磁力傳感器的工作原理與傳統的電磁力補償傳感器相同，由單塊加工的合金+外接杠桿組件組成，具有更好的溫度穩定性和卓越的重復性，更加結實耐用。應變式傳感器，其應變片的負載單元有一個金屬杠桿構成，在金屬杠桿上有一個后幾個鉆孔負載砝碼前后經過系統電流變化被接受、轉換、顯示出來，應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《質量比較儀校準規范》中也指出比較儀主要是根據測量彈性元件的變形和應變，或電磁力反饋平衡的原理制造的電子衡量設備。

質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、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、質量比較儀的稱量準確度

質量比較儀的計量性能包括重復性、偏載和局部示值的校準，校準的內容是測量及不確定度評定，計量性能中特別是重復性的校準是影響質量比較儀稱量準確度主要因素。在質量量值傳遞中，要得到對于一個給定測試砝碼的精確結果，我們根據JJG99-2006《砝碼》中7.3.5折算質量部分標準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，標準砝碼 (A)和測試砝碼 (B) 的質量差可以重復進行測定，以所有結果的質量差計算得到的平均值作為最終測量結果。測量結果的標準偏差作為測試砝碼質量的精確度，這個值取決于稱重測量的次數。

以檢定200gF1等級砝碼為例，選擇的測量設備為德國賽多利斯的型號CCE605的質量比較儀，測量方式為ABBA 6個循環，實驗數據見表1。

表1 實驗數據

被檢砝碼測量標準偏差為：

三、質量比較儀精密稱量方法

使用質量比較儀稱量某些準確度要求較高的產品，我們采用標準砝碼量值傳遞的檢定方法進行產品稱量，即ABBA（“A”代表參考標準，“B”代表被測件）測量循環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）稱量前條件準備

1.環境條件準備

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

2.儀器設備準備

①確認質量比較儀在檢定有效期內，確認零點跟蹤處于關閉狀態，工作狀態正常，開啟質量比較儀預熱1小時以上。

②檢查質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，并用洗耳球將稱量盤吹干。

③被測件、E2等級砝碼應至少恒溫30分鐘以上。

3.稱量準備

①準備鑷子或細紗手套，整個稱量過程禁止用手直接接觸被測件和標準砝碼等。

②用洗耳球反復吹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）產品質量稱量

1.質量比較儀的校準

①觀察水平空氣泡是否在水平指示環中央，若不水平，調整底座，直到空氣泡正好在水平指示環中央；

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

③將砝碼(或替代物)拿出稱量室，關上質量比較儀稱量室門。顯示器讀數出“g”后，按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數回零。

④按照質量比較儀說明書進行正確自校或外校。

2.產品預稱

①校準結束, 按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數回零。

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

③打開質量比較儀稱量室門，將被測件放置質量比較儀稱量盤或稱重輔助裝置上，關閉質量比較儀稱量室門，顯示器讀數出“g”后，記錄被測件質量M。

④打開質量比較儀稱量室門,取下被測件。

⑤根據質量比較儀的最大秤量和讀數精度，準備接近被測件質量M的E2等級砝碼，遵循配的砝碼個數盡量少的原則。

3.產品稱量

①按下“去皮鍵”或“置零鍵”，讀數回零。

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

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

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

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

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

（三）稱量結果計算

①計算產品的單次測量質量值m ，計算公式如下：

M—接近產品質量的砝碼組合質量

M修正值—接近產品質量的砝碼的修正值

②根據測量結果的平均值算出最終質量值m。

四、質量比較儀稱量結果的不確定度評定方法

該質量比較儀精密稱量方法其測量結果的不準確度主要來自于測量儀器、標準砝碼、人員操作、環境因素等。

（一）測量環境條件

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）測量標準

E2等級標準砝碼。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

質量比較儀；被測件

（四）測量方法

采用ABBA測量循環方法和直接比較的測量模式，通過計算折算質量來獲得被測件的質量。其中“A”代表標準砝碼，“B”代表被測件。

（五）數學模型

式中：m— 被測件質量；

ms— 標準砝碼的質量；

?m—被測件與標準砝碼的質量差。

（六）各輸入量的標準不確定度（分量）的評定

1.E2等級標準砝碼不確定度u1采用B類方法評定。

依據JJG99-2006《砝碼》計量檢定規程的規定：“在規定的準確度等級內，任何一個質量標稱值為m0的單個砝碼，其折算質量的擴展不確定度,U(k=2),應不大于相應準確度等級的最大允許誤差絕對值的三分之一?！奔碋2等級標準砝碼不確定度可由相應砝碼的最大允許誤差MPE得到。

2.輸入量m的標準不確定度u2的評定。

衡量過程中標準不確定度是質量差值的標準偏差，選擇極差法，采用A類方法評定。

在重復性條件下，對被測件進行n（測量次數較少）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。

極差系數C及自由度ν可查表2得到。

表2 極差系數C及自由度ν

被測量的標準不確定度u2：

3.衡量儀器（質量比較儀）引入的不確定度u3

（1）根據衡量儀器（質量比較儀）的校準證書給出的重復性測量的擴展不確定度UR（k=2），則被測量的區間半寬為：α=Uk，

（2）根據衡量儀器（質量比較儀）的校準證書給出的偏載誤差測量的擴展不確定度UE（k=2），則被測量的區間半寬為：α=UE，

（3）根據衡量儀器（質量比較儀）的校準證書給出的局部示值誤差測量的擴展不確定度US（k=2），則被測量的區間半寬為：α=US，

（4）衡量儀器的合成標準不確定度，u3

（七）合成標準不確定度的評定

1.標準不確定度匯總見表3

表3 標準不確定度匯總表

2.合成標準不確定度的計算

以上分量相互獨立，互不相關，合成不確定度為：

3.擴展不確定度的評定

（八）報告測量結果

被測件質量M測量結果為：

四、結語

一些使用者僅僅將質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，會造成稱量數據的錯誤。正確的操作使用質量比較儀進行稱量是獲取準確稱量結果的關鍵。為了操作者能夠規范正確的使用質量比較儀進行高準確度的稱量，本文提出了質量比較儀精密稱量方法和稱量結果不確定度的評定方法，以供參考。