机械天平测量结果的相关研究

2015-08-15陆英

科技视界 2015年4期

陆英

（广西计量检测研究院，广西南宁530007）

0 前言

机械天平的应用给人们的生活和科学研究提供了很大的方便，但在实际使用过程中，通常天平测量结果的准确性是一个要考虑的问题。机械天平是一个灵敏性比较高的计量工具，因此对使用环境有比较高的要求。实际应用过程中有很多影响天平不稳定、不等臂的因素，其中室内温度就是一个很关键的影响因素。为了提高机械天平计量的准确性，很多研究人员加大了对机械天平计量不确定度的研究力度。

1 机械天平及测量准确性

机械天平在人们生活中是比较常见的，它被广泛地应用在很多领域当中，比如医疗卫生业、工农业生产中以及科研领域等。机械天平是一种利用杠杆平衡原理进行物质质量测量的仪器，它有很多种类，有灵敏性相对低的也有灵敏性较高的，灵敏性高的天平的计量值可以达到万分之一克，并且使用要求也比较高，使用时需要在环境条件高的地方进行操作，否则计量就不能达到理想的效果。

机械天平计量不确定度是用来衡量天平测量结果准确性的一个物理量，一个天平的不确定度越小，它的测量能力越高，而且测量结果的可信度越高。不过在天平实际使用过程中，存在很多影响天平测量准确性的因素，其中包括外部环境因素和天平本身的结构性因素。因此，为了提高机械天平测量准确性就需要不断地消除这些影响因素[1]。

2 影响机械天平测量准确性的因素分析

2.1 影响天平稳定性的因素

虽然机械天平在人们的生活中使用广泛，但是它的计量准确性一直是人们所关注的问题，因为天平本身的灵敏性较高，所以它的计量准确性很容易受到各种因素的影响。机械天平的稳定性是天平计量准确的一个重要的保障，天平的稳定性主要是指天平横梁受到扰动后,能够回到初始平衡位置的能力。而能够影响天平稳定性的关键因素就是横梁的重心位置，如果横梁的重心在支点的下方，则天平稳定性较好，但假如横梁重心在支点上方或与之重合，则天平的稳定性较差。关于天平的稳定性，有人做过实验，实验内容是选择不同的横梁重心来测量物体，最后发现横梁重心在支点下方的合理处测量的准确性最高。不过实验结果还发现，并不是横梁重心越低越好，天平横梁重心过低会影响天平的灵敏性，所以要选择一个最恰当的横梁重心[2]。

2.2 影响天平不等臂性的因素

机械天平等臂是天平测量准确性的一个重要的前提，如果天平不等臂就会造成天平测量结果不准，但是在天平的实际使用过程中，影响天平不等臂的因素也很多，其中温度就是一个非常关键的因素。有人做过实验研究，实验内容为：在天平称量物体时，天平的右臂受热，这就使得右臂的温度比左臂的高，从而导致右臂力矩增长，如果使天平达到平衡的话就需要在天平左盘多加入一定的物质。这个实验说明了如果当天平的一侧臂受热，就会影响天平测量的准确性。所以在使用机械天平时，需要注意一些小细节、小问题[2]。

2.3 影响天平灵敏性的因素

天平灵敏性是机械天平计量准确性的一个重要指标，它是指机械天平察觉秤盘上物质质量改变的能力。然而，影响天平灵敏性的因素也有很多，有人发现经过长时间使用的天平的空载时候和全盘载物时的灵敏度不一样，正常情况两种情形下的灵敏度应该是一样的，对此有人做了研究，发现虽然理论上载荷是不会影响机械天平的灵敏度，但是实际上是不存在这种天平的，因为不同载荷下横梁和刀子产生的弹性形变是不一样的，也使得三把刀刃不可能在同一水平面上，就是说灵敏度是随着载荷的变化而变化的。另外，横梁重心也会对天平的灵敏度产生很大的影响，实验表明横梁重心越低，天平的灵敏度就越低。相反，横梁重心越高，天平的灵敏度就越高，但必须保证天平拥有足够的平稳性，需要同时考虑天平平稳性和灵敏度两个因素。总之，机械天平的灵敏性是由三把刀刃位置决定，所以在天平实际使用过程中，可以根据实际情况调整刀刃的位置来保证天平的灵敏度[2]。

2.4 影响天平示值变动性的因素

天平示值变动性也是决定天平计量准确性的一个重要因素，而示值变动性具体指的是天平在称量统一物体时，多次开关天平后天平平衡位置的重合能力。然而，在天平的使用过程中，依然有很多影响示值变动性的因素，从而影响了天平计量的准确性。这些因素主要包含了天平横梁的结构因素和环境因素，其中天平横梁结构因素主要体现在三刀的平行性和平面性；还有就是刀盒的紧固程度、零部件的松动情况。而环境因素主要体现在内温度波动、气流、震动方面，而且环境不洁净也是一个重要的环境因素。

3 机械天平不确定度评定

由于影响机械天平计量准确性的因素很多，所以引入了不确定度这一概念来衡量天平的测量误差，不确定度是一个表征合理的赋予被测量之值的分散性与测量结果相联系的参数。而对于机械天平不确定度的评定有很多要求，比如说评定环境温度需要保持在18℃～23℃，而且环境相对湿度要小于75%；同时，测量的标准设备为F1等级标准砝码，砝码范围为1mg～200g。另外，主要的测量方法和过程包括以下方面：首先，在检定开始前要用F1等级标准砝码检定机械天平的分度值，测量天平的不等臂性误差以及天平示值变动性；其次，通过单次替代称量法，比较被测砝码与相同标称值的标准砝码，得到两者之间的差值；再次，每次检定进行1次测量作为被测机械挂码的测量结果[3]。

在天平实际测量过程中，天平测量的不确定度主要来源于以下方面：第一，来源标准砝码的不确定度，标准砝码的引入和砝码质量的不稳定性都会产生不确定度；第二，标准砝码和被测砝码之间的差值引入的不确定度，差值不确定度往往会产生于测量的重复性、天平的灵敏度以及天平的不等臂性等；第三，在检定时，空气浮力、磁效应以及偏心度也会产生不确定度，但因为天平分度在检定时进行实时标定，所以就忽略不计了。

4 提高机械天平测量准确性的方法

要想提高机械天平测量的准确性，就需要从影响天平计量准确性的因素入手。所以说提高天平计量准确性的方法主要体现在两个方面：其一，消除环境因素造成的测量误差，主要可以从控制室温稳定、降低室内空气流动、保持空气清洁度以及降低环境的震动方面入手；其二，消除天平结构因素造成的误差。主要可以从控制天平横梁重心与天平支点的位置、控制天平把刀刃的位置和三把刀平面性与平行性等方面入手。总之，就是要尽可能地消除影响天平测量准确性的因素，把这些影响因素的效应降到最低[3]。