质量比较仪在量传中的应用

胡军|文

质量比较仪是砝码检定的主要配套设备，本文依据JJF 1326－2011《质量比较仪校准规范》，介绍质量比较仪测量方法、测量不确定度的评定等，以确保质量比较仪可正确进行质量量值传递。

质量比较仪是根据测量弹性元件的变形和应变或电磁力反馈平衡原理制造的，是通过对两个或两个以上质量相同或相近的物体进行比较，是基于ABA或ABBA的循环测量模式来获得质量差值的高分辨率电子衡量仪器。质量比较仪以其高分辨力的优势，在砝码量值传递与溯源中或其他方面发挥着越来越重要的作用。本文依据JJF1326-2011《质量比较仪校准规范》，分析质量比较仪质量量值传递过程中的测量方法、测量不确定度评定等，以供大家参考。

发展现状

随着质量量值传递技术的发展，质量比较仪现已完全替代传统的机械天平，并且得到了广泛的应用，这是质量量值传递的一个质的飞跃。目前，质量比较仪的制造商主要有德国Sartorius公司、瑞士Mettler Toledo公司和沈阳龙腾电子衡器公司等企业，国内计量技术机构及企业基本都采用上述企业生产的质量比较仪进行砝码的质量量值传递工作。

质量比较仪的特点是准确度高、操作简便、读数直观快捷，且全自动的真空质量比较仪还可以不需要检测人员的直接参与，就能完成对质量的测量工作，将质量测量过程中的干扰因素降到最低，从而得到更加准确的测量结果。

测量方法

1．重复性测量

由于质量比较仪的测量是高精度的质量测量，为消除仪器本身的漂移对测量结果的影响，重复性测量采用闭环方式进行测量，即选用两个满足JJF1326-2011要求的标准砝码（最大载荷或二分之一最大载荷），按照ABBA循环方式进行。A代表标准砝码，B代表另一个标准砝码，分别将这两个标准砝码放在秤盘中心位置，待比较仪显示稳定后，记录显示器示值，每次测量的B与A的示值之差为

在相同测量条件下，循环测量10次，重复性校准结果用测定序列的单次测量结果的标准偏差s表示，即

2．偏载误差测量

质量比较仪偏载误差的测量：测量选用最大载荷或二分之一最大载荷的单个标准砝码，每一偏载测量都采用ABBA形式，A代表砝码放在秤盘的中心位置，B代表砝码放在偏离秤盘中心的位置。每一位置的偏载误差计算公式如下：

式中： IA—砝码放在秤盘中心位置的读数；

IB—砝码放在偏离秤盘中心位置的读数。

四个偏载位置的示值差值中，取一个绝对值最大的差值作为偏载误差。

3．示值误差测量

示值误差测量选用一个满足校准比较仪的标准砝码，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）先将标准砝码放在秤盘上，待比较仪显示稳定后，记录显示器示值。接着再在该秤盘上放上一个小质量的标准砝码ms，待比较仪显示稳定后，记录显示器示值。每次循环测量的示值分别为IA1、I（A+ms）1、I（A+ms）2、IA2，共循环测量三次。

添加标准小砝码引起比较仪示值误差的变化量为：

三次测量的平均示值误差变化量为：

局部示值误差=ms-

进行局部示值误差校准时，ms的选取原则是：其质量值为比较仪实际分度值d的1000倍到5000倍之间的任意一个单个砝码。

质量比较仪通常是用于高精度测量砝码或物体的质量，故在对其示值误差的校准中，对测量该项性能的标准砝码要有很高的要求。在JJF1326-2011中，针对不同检定分度数的质量比较仪列出了使用的标准砝码的等级。笔者认为，标准砝码的选择主要考虑两点；一是要考虑砝码的磁性对比较仪的影响；二是要考虑砝码的准确度及不确定度对测量结果的影响。按照JJF1326-2011对校准比较仪所用标准砝码的要求，分度数大于5×105（即相对误差在万分之一）以上的比较仪，在检测该项指标时，必须用E1等级标准砝码。目前，要配齐一套E1等级毫克组、克组、千克组标准砝码，其费用较高，难以贴合实际。但多数计量机构都配备了E2等级标准砝码。所以笔者认为，在砝码磁性满足测量要求的情况下，用于测量示值误差的砝码A选用E2等级标准砝码代替E1等级标准砝码，而只有ms采用（1000～5000）d的E1等级砝码。这样既解决了一些实际工作中存在的困难，又不会影响比较仪重复性测量、偏载误差测量以及示值误差测量的结果，非常经济合理。

测量不确定度的评定

对质量比较仪进行测量不确定度评定时，主要考虑以下几个方面：

1．重复性测量的不确定度评定

选用一个标准砝码对质量比较仪进行重复性测量时，对二分之一最大承载点采用ABBA的测量循环，在相同测量条件下，循环测量10次，计算测量得到结果的重复性。在进行重复性校准的测量不确定度评定时，其影响因素主要有：

(1)在对质量比较仪进行校准的过程中，实验室内的温度也是在变化的，因此在不确定度的评定过程中需要考虑温度变化带来的影响，所以要考虑实验室环境温度波动引入的不确定度分量uT；

(2)被校准质量比较仪分辨力引入的不确度分量ud。

2．偏载误差测量的不确定度评定

在对质量比较仪进行偏载误差测量时，选用最大载荷或二分之一最大载荷的单个标准砝码，每一偏载测量都采用ABBA形式进行测量。在进行偏载误差的测量不确定度评定时，其影响因素主要有：

(1)质量比较仪的重复性引入的不确度分量us；

(2)实验室环境温度波动引入的不确定度分量uT；

(3)被校准质量比较仪分辨力引入的不确度分量ud。

3．局部示值误差测量的不确定度评定

在对质量比较仪进行局部示值误差测量时，选用一个满足校准比较仪的标准砝码，按照ABBA方式（其中：B=A+ms）进行测量，在进行局部示值误差的测量不确定度评定时，其影响因素主要有 ：

(1)质量比较仪的重复性引入的不确度分量us；

(2)实验室环境温度波动引入的不确定度分量uT；

(3)被校准质量比较仪分辨力引入的不确度分量ud；

(4)进行局部示值误差测量时选用的标准砝码引入的不确定度分量ums。

另外，在对质量比较仪进行测量不确度评定时，要注意质量比较仪分辨力引入的不确定度影响分量，是根据测量循环的不同或测量方法的不同而不同。如当采用两个等量砝码进行重复性测量时或进行偏载误差测量时或进行局部示值误差测量时，由分辨力引入的不确定度分量为当采用一个标准砝码与空载的方式进行重复性测量时，由分辨力引入的不确定度分量为

结语

质量比较仪的传感器灵敏度很高，要保证其具有很好的重复性。首先，使用前要充分预热，使磁钢达到热平衡，保证使用时示值不再漂移，经常使用可始终保持通电预热状态。其次，要充分考虑环境条件的影响。由于电子元器件对温湿度的敏感（存在温漂系数），当温湿度不稳定时，示值也发生漂移，准确度越高，这种现象就越明显。为保证周围环境温度稳定，应避免阳光照射，远离门窗及空调的出风口。保持室内相对湿度为45%～65%，避免室内湿度过大或过小对测量结果造成影响。当室内湿度不满足要求时，可采取使用加湿机或除湿机来解决。最后，在质量比较仪称量时，对被称物要轻拿轻放，避免较大的冲击对测量结果的影响，确保量值准确可靠。中