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电子天平——掌控称量的温度“魔力”

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一、预热

在电子天平的称量中,作为直接影响着核心传感器的无形力量,温度一直是不可忽略的重要外界因素。本期小编将跟大家一起来探秘这只无形的大手到底有哪些奇妙的魔力!

早在中学物理课本里,我们就学过物体的重量G=mg,对于同一个物体,无论把它放置在地球上的任一位置,它的质量都是不会发生变化的。然而,重力加速度g的值在地球上的不同地方是会有微小差异的,因此同一物体在不同地方的重量是不相同的。而电子天平则是采用电磁力与被测物体的重力相平衡的原理来测量物体的重量,并经过内部程序计算和显示出物体的质量,这与托盘天平的称量原理是不同的,所以就会出现同一台电子天平在不同地方称量同一个物体会显示不同的质量结果。此外,诸如温度、湿度等环境因素也会影响电子天平的传感器,导致称量结果的误差。

微量电子天平在运用前要按照说明书的需求进行预热,抵达满足的预热时间,微量电子天平的工作原理是平衡,一旦失衡,运用电磁力将天平从头拉回平衡。在微量电子天平处在预热期间时,伴着内部温度的升高,B会逐渐降低,一起I也会减小,这样就致使F变小,天平失去平衡,示值会呈现向正的单方向漂移的情况。只需通过充分的预热,使磁钢抵达热平衡,此改动进程完毕,电子天平才抵达平衡。

称量原理的遗留问题

为了避免不确定因素带来的不良影响,就需要在使用电子天平之前进行校准,并在使用周期中进行定期的校准,特别是在对称量结果准确度和精确度敏感的应用中。校准,是通过一组称量活动,来检测天平的各项计量性能,包括误差和不确定度的分析等。作为一种良好的称量习惯,校准能够有效地保证称量的可靠性。通过校准,能够检测出天平的工作性能,避免物料浪费、返工、过渡使用后的产品召回,定期校准并执行日常测试是降低相关风险的最佳方法。

另外,微量电子天平通常都不带像通常电器的电源开关,只需给微量天平通上电,闪现器上无闪现,天平也已处在预热情况了。电子天平上的“ON/OFF”键只是闪现器的开关。因而经常运用的天平不需要将电源拔掉,特别是高精度的天平,在条件容许的情况下,长时间不断电能使电子天平始终保持预热情况。假设样品和容器的温度与天平称量室的温度差在温差,就会发生称量的过失,另外手的温度都会对电子天平的称量发生影响,要尽能够降低人为因素致使的称量过失,对于具有吸湿性及挥发性的样品要赶快称量缩短称量时间,或将样品盛放在密闭的容器内进行称量。

在上次关于校准的分享中,小编对电子天平的称量原理做了简要的介绍,同时也提到温度、湿度等环境因素也会影响电子天平的传感器,但至于是怎么影响的只是卖了个关子。那么今天我们就来走进电子天平的传感器内部,来一起探究温度是怎么影响称量的。

然而,对于一字之差的“校正”,含义却有微妙的差别。校正,又称标定,是在测量系统中进行的一组操作,提供与将要测量的数量的给定值一致的规定指示。天平在投入使用前、工作一段时间以后、或者变更位置后,都需要进行校正,以消除重力加速度、环境干扰因素等导致的称量误差。通常,需要使用高精度的标准砝码来对天平进行量程校正。综上所述,通过定期的校准和校正,可以减少天平的称量误差,并且对天平的计量性能有一个全面的把握,确保称量结果满足实验和生产的要求。

二、在运用前细心按照说明书对微量电子天平进行校准

电子天平一般采用电磁力平衡传感器,其称量原理如下图所示:

在日常工作中,大家往往比较容易混淆“校准”和“校正”的概念,对于这种严格意义上微妙差别,习惯上大家会有一定程度的通用性,校正也可以被认为是狭义上的校准,本文接下来的内容主要是在此基础上进行讨论。

在以往的检定中咱们发现,对电子天平初度进行的称量检验时过失很大,原因是,很大有些电子天平在较长的时间内没有进行校准,而且很多用户自以为电子天平闪现零位即可直接进行称量。中仪汇丰科技有限公司提示您微量电子天平在开机闪现零点时,不代表此天平称量的数据准确度符合检验规范,只代表天平零位安稳。因而,区分一架电子天平是不是合格,还要概括考虑其它技术指标的符合性。电子天平在寄存时间较长、搬动方位、环境改动、温度急剧改动等情况下,在运用前都要对电子天平进行校准操作,才华保证称量成果的准确性,电子天平的校准办法通常分为内部校准及外部校准二种。

电子天平在加载前,电磁力平衡传感器处于初始平衡状态。当被测物置于称量盘后,立柱和遮光板在被测物重力的作用下向下移动,光敏二级管D2检测到发光二极管D1发出的光,并产生电流信号,经过I/V变换电路、PID调节器,转变成与被测物重量相对应的电流并驱动动圈,在永磁体的磁场作用下,动圈产生向上的电磁力,使遮光片向上移动,D2输出的电流信号减小,直至遮光片重新回到初始平衡位置,D2的输出电流降为0。此时,动圈产生的电磁力F与被测物重力相当,即F=G=mg,其中m为被测物体的质量,g为重力加速度。

走近极致考究的校准术

有的用户以为在微量电子天平量程规划内称量的物体越重对天平的损害也就越大。这种晓得是差错的。通常衡器的最大安全载荷是它所能够承受的、不致使其计量功用发生永久性改动的最大静载荷。因为微量电子天平采用了电磁力自动赔偿电路原理,当秤盘加载时,电磁力会将秤盘推回到本来的平衡方位,使电磁力与被称物体的重力相平衡,只需在容许的称量规划内进行称量,物体质量的巨细对天平的影响是很小的,不会因长时间称重而影响微量电子天平的准确度,原则即是称量物体是在称量的规划以内。

同时,根据电磁力公式F=BLI sinθ,其中B为气隙磁场的磁感应强度,L为动圈的有效长度,I为动圈电流,θ为通电导体与磁场的夹角。由于传感器中动圈的规格尺寸已固定,所以其B和L均不再改变,而θ为90°,故sinθ=1,因此F 的大小与I成对应关系。综合之前的描述,即得出m=BLI / g。

A. 关于砝码的学问

当温度恒定时,B和L是定值,g也是恒定值,则m与I成正比,通过检测动圈电流,就可以间接得到被测物体的质量。当环境温度变化或过流元件发热时,B和L均会发生改变,造成m与I不再成比例关系,使电子天平产生较大的非线性测量误差。

谈到校准,起到至关重要作用的就是砝码。砝码是具有一定物理特性和计量特性且能够复现质量值的一种实物量具,关于其形状、尺寸、材料、表面状况、密度、磁性、质量标称值、最大允许误差等指标都有非常严格的规定。作为标定、校验衡器的最普遍也是最重要的工具,国际法制计量组织对砝码进行了明确的等级划分,共分为9个等级:E1、E2、F1、F2、M1、M1–2、M2、M2–3、M3,等是按照不确定度来分,等砝码有修正值;级是按照示值误差来分,级砝码没有修正值,只要其示值误差在此范围内都是认为合格的。在砝码的众多指标当中,和校准关联度最高的就是最大允许误差了,国际相关法规条款对各个等级的砝码的MPE有明确的规定,以下表格是对电子天平所常用质量标称值砝码MPE的说明:

值得一提的是,当电子天平处于预热阶段时,随着内部温度升高,磁感应强度B会逐渐下降, 同时I也会减小,这样就导致电磁力F变小,天平失去平衡,因此示值会呈现正的单方向漂移。而天平只有经过充分预热,使磁钢达到热平衡,这一变化过程结束,天平才达到平衡,再利用去皮功能,使显示置零,此时天平才处于真正的可使用状态。

从上图可看出,在相同质量标称值的情况下,MPE的大小跟砝码等级的高低成反比;在相同砝码等级的情况下,MPE的大小跟质量标称值的大小成正比。

操纵天平的无形之手

同时,在国家标准的相关规定里,根据检定分度值e和检定分度数n将电子天平分为四个准确度级别,由高到低依次为特种I、高II、中III、普通IV准确度级。结合砝码MPE的变化趋势可得出,准确度越高的天平需要用越高等级的砝码进行校准,这样校准天平的数据就越精准。比如十万分之一和万分之一天平应选用E级系列砝码校准,千分之一天平应选用E2或F1级砝码进行校准,以此类推。

电子天平会根据所在的环境而发生变化的,正常情况下,不同准确度级别的天平对温度范围和温度波动度的要求各不相同,准确度级别越高,对环境温度的要求就越苛刻。根据国家标准的相关规定,电子天平的正常工作条件需要满足以下表格的具体要求:

B. 校准的分类

温度最主要的影响就是其变化会带来热胀冷缩,对电子天平就反映在传感器中细小而又精密的部件之间间隙的改变,这些变化会被灵敏的天平记录下来,从而影响读数的准确性。如果没有特定的工作温度范围,电子天平的正常温度条件为10℃——30℃,计量性能应符合国家标准对单次称量结果的示值误差,以及多次称量或在不同位置称量的示值误差的相关规定。

从校准的用途上来讲分为“量程校准”和“线性校准”,在制造和维修过程中需要结合两种校准方式共同实施,而日常使用过程一般只需做量程校准。

温度变化是影响电子天平称量结果准确性的重要因素之一,而实验室由于早晨和中午会有一定的温差、以及电子天平设备发热、人员流动等原因,一天中最高温度与最低温度之间往往能够达到10℃。这对天平的影响是显而易见的,那么我们如何做才能消除温度对称量结果的影响呢?首先,天平在使用过程中,要尽可能地处于一个温度相对稳定的环境,当天平所处的环境温度有较大的变化时,天平的称量结果会发生漂移,比如从低温的仓库移到温暖的实验室,需要让天平在使用环境中通电预热一定的时间;其次,当温度变化超过一定范围时,我们可以通过校准将这种漂移消除。

量程校准主要是在当前称量环境下对天平进行赋值,通过称量一个已知质量的砝码,来获得实际值和显示值之间的比例关系,作为以后称量显示值计算的系数,目的是消除不同纬度及海拔高度对称量结果的影响、环境温度变化对称量结果的影响,以及天平使用一段时间后积累的误差。通常,量程校准采用比较简单的两点校准法,第一个点为零点,第二个点为天平的最大量程,日常操作起来比较容易,能够使天平快速适应当前的称量环境,保证整个量程范围内的称量准确,是实验室工作人员一种普遍的校准方法。

通电时间的长短能够有效地避免温度变化对天平的影响。一般来说,天平的精度越高,需要预热的时间越长。小编在这里建议,十万分之一天平预热时间在4小时以上,万分之一天平预热时间在1小时以上。

线性校准主要是通过对全量程范围内的多个点的称量结果的线性化来消除误差,使得显示称量结果与参考质量的比例接近相同。一般来说是在3个点设置电子天平,即零点、半量程和最大量程。天平经过线性校准后,其全量程线性误差通常表现为S型,即在零点、半量程、满量程3个校准点误差很小,在1/4,3/4满量程点误差相对较大。为获得更好的线性,可以采取多点修正的方式,比如制造过程中往往采用更科学的5点线性法。当然数学修正只是辅助的,天平的示值误差还是取决于其本身的真实性能。

玩转温度补偿,尽在奥豪斯电子天平

以上两图描述了电子天平在实际载荷m和称量示值W之间的线性关系,左图的直线为理想线性特征曲线,右图为实测曲线与理想直线的对比,其中非线性就是指不按比例、不成直线的关系,且函数的一阶导数不为常数。m0处的NL为称量示值与实际负载间的非线性误差。在天平的称量规格说明书中,线性通常表述为在不断增加负载的测试中得到的最大误差值,误差值越小,说明线性度越高,称量越准确。

对于电子天平来说,一个良好的结构设计应该充分考虑到温度对称量系统的影响,并采取相关措施减少或消除温度变化所带来的影响。奥豪斯电子天平在设计中认真评估了温度对称重系统的影响,通过优化机械设计、零部件选型、以及智能算法,来消除温度带来的影响,保证天平在额定温度的变化范围内,计量性能符合如OIML等国际法规的要求。

由于线性校准采用的是分段误差比较,节点越多,非线性误差就越小,实测曲线就越接近于理想的拟合直线,因此线性校准是保证每一个称量范围都做到最大程度的准确,从而对校准的条件会有更加严格的要求。通常,线性校准过程在恒温恒湿的环境下,由机械手自动完成。校准时需准备相应的多个砝码,非专业人员严禁私自进行操作,否则不能恢复原有程序,影响天平的正常使用。

从入门级的先行者CP系列及Adventurer AR系列,到进阶级的Adventurer AX系列,再到最高级的Explorer EX系列,最后到Explorer准微量天平系列,均具有动态温度补偿功能,实时修正环境温度对称量结果的影响。特别是Explorer全系列和部分AX系列天平所拥有的AutoCal™全自动校准系统能够自动对温漂和时漂做出最实时的反应,当温漂值超过±1.5℃或间隔3——11小时之间时,天平校准自动触发,全面消除外界环境对天平所造成的不良因素。

综上所述,量程校准和线性校准各有各自的特点和用途,将二者结合能够有效提升校准的质量。

从校准的方法上来讲分为内校和外校。内校是指利用电子天平内部安装的校准砝码并遵循内部标准程序进行校准。校准时只需按一下校准键,电机会驱动带内置砝码的升降装置,对天平进行加载,从而实施并完成校准。

外校是指利用外部砝码对天平本身误差进行修正的方式进行校准。事先需检查外部砝码是否通过检定,并在检定有效期内,主要是为了确保砝码满足相关标准对实物量具的控制要求。开始校准时先按下校准键,再通过手动把指定量程的砝码放到电子天平秤盘上,来完成校准过程。

通常,外部砝码可能会受到灰尘沾染、日常磨损和酸碱腐蚀等自然因素的不良影响,所以为了保证计量工作的准确性,外部砝码也需要定期进行校准,常常需付费请省级计量院做测试;再加上人为拿错砝码的可能性,因此外校型天平对人为操作的要求会更加苛刻。而内置砝码的天平一般不会出现这些情况,并可以通过修改天平的校正程序参数来修正偏差。综上所述,内校可以有效避免不确定因素所造成的误差,相比外校是一种更加节约成本的方法。

无论是内校还是外校,电子天平在使用之前都必须进行预热,其次进行水平调节,之后就可以开始进行校准了:

第一, 确保秤盘上没有称量物品时应稳定地显示为零位。

第二, 按“CAL”键,启动电子天平的校准功能。

第三, 内校型天平的显示器由“C”变成零位时,表示校准结束;外校型天平的显示器上首先显示需要准备的砝码的质量值,其次将与天平准确度级别相对应等级的标准砝码放在天平的秤盘上。当屏幕显示值不变时,取出砝码,屏幕显示“Done”之后说明已经完成校准。

第四, 如果在校准中出现错误,电子天平显示器将显示“Err”,或“Time out”,应重新进行校准。

校准术的变革——奥豪斯AutoCal™全自动校准技术

怎么样,看过了上面的详细介绍,你有没有发现校准是一门相当有技术含量的学问呢?其实,随着称量技术日新月异的发展,校准手段也越来越趋于人性化。如果你还在为传统校准方法中麻烦的人为操作而发愁,那不妨来看看为天平校准带来全新变革的奥豪斯AutoCal™全自动校准技术吧!

奥豪斯AutoCal™是针对环境温度漂移和时间触发的专业全自动校准技术,在传统的内校基础上进行了全新的改良,在温度漂移值超过±1.5℃或间隔3——11小时之间时,天平校准自动触发,避免了未进行定时校准或手动校准砝码不当等造成天平称量不准确的潜在因素。

目前,AutoCal™全自动校准系统在庞大的奥豪斯天平家族里有广泛的应用,特别是Explorer准微量天平采用了两组内置砝码,同时拥有量程校准和线性校准功能。在校准过程中,通过同时加载砝码m1和m2,以及分别加载砝码m1和m2校准半载点的方法,可测试天平的线性并自动进行线性校准。

此外,Explorer系列十万分之一以下的分析和精密天平以及Adventurer™ AX系列天平的AutoCal™通过配备的一个内置砝码,可进行量程校准功能,用户可根据具体的使用需求做灵活的选择!

听了小编全面细致的讲解,你是不是摸到了校准的门道呢?是不是也想马上动手操作感受一下AutoCal™技术的强大之处?

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