"你真的了解電子天平嗎？"之三--大有講究的“校準(zhǔn)”術(shù)

前情回顧

在本系列上一期關(guān)于電子天平水平調(diào)節(jié)的分享中，小編主要針對(duì)水平調(diào)節(jié)的必要性、原理、以及調(diào)節(jié)方法等方面進(jìn)行了詳細(xì)的梳理和通俗易懂的闡述，特別是就容易搞錯(cuò)的調(diào)節(jié)規(guī)則與手法為大家總結(jié)了詳細(xì)的法則，相信小編手把手式的經(jīng)驗(yàn)傳授應(yīng)該能為大家的實(shí)際操作起到實(shí)質(zhì)性的幫助吧。水平調(diào)節(jié)的話題告一段落，本期小編將搬上天平的前期準(zhǔn)備工作中最重要也是最有講究的一環(huán)——校準(zhǔn)，那么在天平的校準(zhǔn)中，又有哪些值得關(guān)注的點(diǎn)呢？

老司機(jī)也難免會(huì)混淆的微妙概念

早在中學(xué)物理課本里，我們就學(xué)過物體的重量G=mg（m為物體的質(zhì)量，g為重力加速度），對(duì)于同一個(gè)物體，無論把它放置在地球上的任一位置，它的質(zhì)量都是不會(huì)發(fā)生變化的。然而，重力加速度g的值在地球上的不同地方是會(huì)有微小差異的，因此同一物體在不同地方的重量是不相同的。而電子天平則是采用電磁力與被測(cè)物體的重力相平衡的原理來測(cè)量物體的重量，并經(jīng)過內(nèi)部程序計(jì)算和顯示出物體的質(zhì)量，這與托盤天平的稱量原理是不同的，所以就會(huì)出現(xiàn)同一臺(tái)電子天平在不同地方稱量同一個(gè)物體會(huì)顯示不同的質(zhì)量結(jié)果。此外，諸如溫度、濕度等環(huán)境因素也會(huì)影響電子天平的傳感器，導(dǎo)致稱量結(jié)果的誤差。

為了避免不確定因素帶來的不良影響，就需要在使用電子天平之前進(jìn)行校準(zhǔn)，并在使用周期中進(jìn)行定期的校準(zhǔn)，特別是在對(duì)稱量結(jié)果準(zhǔn)確度和精確度敏感的應(yīng)用中。校準(zhǔn)（Calibration），是通過一組稱量活動(dòng)，來檢測(cè)天平的各項(xiàng)計(jì)量性能，包括誤差和不確定度的分析等。作為一種良好的稱量習(xí)慣，校準(zhǔn)能夠有效地保證稱量的可靠性。通過校準(zhǔn)，能夠檢測(cè)出天平的工作性能，避免物料浪費(fèi)、返工、過渡使用后的產(chǎn)品召回，定期校準(zhǔn)并執(zhí)行日常測(cè)試是降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的最佳方法。

然而，對(duì)于一字之差的“校正”，含義卻有微妙的差別。校正（Adjustment），又稱標(biāo)定，是在測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行的一組操作，提供與將要測(cè)量的數(shù)量的給定值一致的規(guī)定指示。天平在投入使用前、工作一段時(shí)間以后、或者變更位置后，都需要進(jìn)行校正，以消除重力加速度、環(huán)境干擾因素等導(dǎo)致的稱量誤差。通常，需要使用高精度的標(biāo)準(zhǔn)砝碼來對(duì)天平進(jìn)行量程校正。綜上所述，通過定期的校準(zhǔn)和校正，可以減少天平的稱量誤差，并且對(duì)天平的計(jì)量性能有一個(gè)全面的把握，確保稱量結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的要求。

在日常工作中，大家往往比較容易混淆“校準(zhǔn)”和“校正”的概念，對(duì)于這種嚴(yán)格意義上微妙差別，習(xí)慣上大家會(huì)有一定程度的通用性，校正也可以被認(rèn)為是狹義上的校準(zhǔn)，本文接下來的內(nèi)容主要是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行討論。

走近極致考究的校準(zhǔn)術(shù)

A. 關(guān)于砝碼的學(xué)問

談到校準(zhǔn)，起到至關(guān)重要作用的就是砝碼。砝碼是具有一定物理特性和計(jì)量特性且能夠復(fù)現(xiàn)質(zhì)量值的一種實(shí)物量具，關(guān)于其形狀、尺寸、材料、表面狀況、密度、磁性、質(zhì)量標(biāo)稱值、最大允許誤差等指標(biāo)都有非常嚴(yán)格的規(guī)定。作為標(biāo)定、校驗(yàn)衡器的最普遍也是最重要的工具，國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）對(duì)砝碼進(jìn)行了明確的等級(jí)劃分，共分為9個(gè)等級(jí)：E1、E2、F1、F2、M1、M1–2、M2、M2–3、M3，等是按照不確定度來分，等砝碼有修正值；級(jí)是按照示值誤差來分，級(jí)砝碼沒有修正值，只要其示值誤差在此范圍內(nèi)都是認(rèn)為合格的。在砝碼的眾多指標(biāo)當(dāng)中，和校準(zhǔn)關(guān)聯(lián)度最高的就是最大允許誤差（MPE）了，國(guó)際相關(guān)法規(guī)條款對(duì)各個(gè)等級(jí)的砝碼的MPE有明確的規(guī)定，以下表格是對(duì)電子天平所常用質(zhì)量標(biāo)稱值砝碼MPE的說明（誤差值以毫克為單位）：

從上圖可看出，在相同質(zhì)量標(biāo)稱值的情況下，MPE的大小跟砝碼等級(jí)的高低成反比；在相同砝碼等級(jí)的情況下，MPE的大小跟質(zhì)量標(biāo)稱值的大小成正比。

同時(shí)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定里，根據(jù)檢定分度值e和檢定分度數(shù)n將電子天平分為四個(gè)準(zhǔn)確度級(jí)別，由高到低依次為特種Ⅰ、高Ⅱ、中Ⅲ、普通Ⅳ準(zhǔn)確度級(jí)。結(jié)合砝碼MPE的變化趨勢(shì)可得出，準(zhǔn)確度越高的天平需要用越高等級(jí)的砝碼進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣校準(zhǔn)天平的數(shù)據(jù)就越精準(zhǔn)。比如十萬(wàn)分之一和萬(wàn)分之一天平應(yīng)選用E級(jí)系列砝碼校準(zhǔn)，千分之一天平應(yīng)選用E2或F1級(jí)砝碼進(jìn)行校準(zhǔn)，以此類推。

B. 校準(zhǔn)的分類

從校準(zhǔn)的用途上來講分為“量程校準(zhǔn)”和“線性校準(zhǔn)”，在制造和維修過程中需要結(jié)合兩種校準(zhǔn)方式共同實(shí)施，而日常使用過程一般只需做量程校準(zhǔn)。

量程校準(zhǔn)主要是在當(dāng)前稱量環(huán)境下對(duì)天平進(jìn)行賦值，通過稱量一個(gè)已知質(zhì)量的砝碼，來獲得實(shí)際值和顯示值之間的比例關(guān)系，作為以后稱量顯示值計(jì)算的系數(shù)，目的是消除不同緯度及海拔高度對(duì)稱量結(jié)果的影響、環(huán)境溫度變化對(duì)稱量結(jié)果的影響，以及天平使用一段時(shí)間后積累的誤差。通常，量程校準(zhǔn)采用比較簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)法，第一個(gè)點(diǎn)為零點(diǎn)，第二個(gè)點(diǎn)為天平的最大量程，日常操作起來比較容易，能夠使天平快速適應(yīng)當(dāng)前的稱量環(huán)境，保證整個(gè)量程范圍內(nèi)的稱量準(zhǔn)確，是實(shí)驗(yàn)室工作人員一種普遍的校準(zhǔn)方法。

線性校準(zhǔn)主要是通過對(duì)全量程范圍內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)的稱量結(jié)果的線性化來消除誤差，使得顯示稱量結(jié)果與參考質(zhì)量的比例接近相同。一般來說是在3個(gè)點(diǎn)設(shè)置電子天平，即零點(diǎn)、半量程和最大量程。天平經(jīng)過線性校準(zhǔn)后，其全量程線性誤差通常表現(xiàn)為S型，即在零點(diǎn)、半量程、滿量程3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)誤差很小，在1/4，3/4滿量程點(diǎn)誤差相對(duì)較大。為獲得更好的線性，可以采取多點(diǎn)修正的方式，比如制造過程中往往采用更科學(xué)的5點(diǎn)線性法。當(dāng)然數(shù)學(xué)修正只是輔助的，天平的示值誤差還是取決于其本身的真實(shí)性能。

以上兩圖描述了電子天平在實(shí)際載荷m和稱量示值W之間的線性關(guān)系，左圖的直線為理想線性特征曲線，右圖為實(shí)測(cè)曲線（非線性曲線）與理想直線的對(duì)比，其中非線性就是指不按比例、不成直線的關(guān)系，且函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)不為常數(shù)。m₀處的NL為稱量示值與實(shí)際負(fù)載間的非線性誤差。在天平的稱量規(guī)格說明書中，線性通常表述為在不斷增加負(fù)載的測(cè)試中得到的最大誤差值（以克為質(zhì)量單位），誤差值越小，說明線性度越高，稱量越準(zhǔn)確。

由于線性校準(zhǔn)采用的是分段誤差比較，節(jié)點(diǎn)越多，非線性誤差就越小，實(shí)測(cè)曲線就越接近于理想的擬合直線，因此線性校準(zhǔn)是保證每一個(gè)稱量范圍都做到最大程度的準(zhǔn)確，從而對(duì)校準(zhǔn)的條件會(huì)有更加嚴(yán)格的要求。通常，線性校準(zhǔn)過程在恒溫恒濕的環(huán)境下，由機(jī)械手自動(dòng)完成。校準(zhǔn)時(shí)需準(zhǔn)備相應(yīng)的多個(gè)砝碼，非專業(yè)人員嚴(yán)禁私自進(jìn)行操作，否則不能恢復(fù)原有程序，影響天平的正常使用。

綜上所述，量程校準(zhǔn)和線性校準(zhǔn)各有各自的特點(diǎn)和用途，將二者結(jié)合能夠有效提升校準(zhǔn)的質(zhì)量。

從校準(zhǔn)的方法上來講分為內(nèi)校和外校。內(nèi)校是指利用電子天平內(nèi)部安裝的校準(zhǔn)砝碼并遵循內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)只需按一下校準(zhǔn)鍵，電機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)帶內(nèi)置砝碼的升降裝置，對(duì)天平進(jìn)行加載，從而實(shí)施并完成校準(zhǔn)。

外校是指利用外部砝碼對(duì)天平本身誤差進(jìn)行修正的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。事先需檢查外部砝碼是否通過檢定，并在檢定有效期內(nèi)，主要是為了確保砝碼滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)物量具的控制要求。開始校準(zhǔn)時(shí)先按下校準(zhǔn)鍵，再通過手動(dòng)把指定量程的砝碼放到電子天平秤盤上，來完成校準(zhǔn)過程。

通常，外部砝碼可能會(huì)受到灰塵沾染、日常磨損和酸堿腐蝕等自然因素的不良影響，所以為了保證計(jì)量工作的準(zhǔn)確性，外部砝碼也需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，常常需付費(fèi)請(qǐng)省（市）級(jí)計(jì)量院做測(cè)試；再加上人為拿錯(cuò)砝碼的可能性，因此外校型天平對(duì)人為操作的要求會(huì)更加苛刻。而內(nèi)置砝碼的天平一般不會(huì)出現(xiàn)這些情況，并可以通過修改天平的校正程序參數(shù)來修正偏差。綜上所述，內(nèi)�？梢杂行П苊獠淮_定因素所造成的誤差，相比外校是一種更加節(jié)約成本的方法。

無論是內(nèi)校還是外校，電子天平在使用之前都必須進(jìn)行預(yù)熱（萬(wàn)分之一位天平需要至少1個(gè)小時(shí)的預(yù)熱），其次進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，之后就可以開始進(jìn)行校準(zhǔn)了（以下步驟為傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法，具體不同品牌和型號(hào)的天平會(huì)有一定的差異）：

第一，確保秤盤上沒有稱量物品時(shí)應(yīng)穩(wěn)定地顯示為零位。

第二，按“CAL”鍵，啟動(dòng)電子天平的校準(zhǔn)功能。

第三，內(nèi)校型天平的顯示器由“C”變成零位時(shí)，表示校準(zhǔn)結(jié)束；外校型天平的顯示器上首先顯示需要準(zhǔn)備的砝碼的質(zhì)量值，其次將與天平準(zhǔn)確度級(jí)別相對(duì)應(yīng)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)砝碼放在天平的秤盤上。當(dāng)屏幕顯示值不變時(shí)，取出砝碼，屏幕顯示“Done”之后說明已經(jīng)完成校準(zhǔn)。

第四，如果在校準(zhǔn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤，電子天平顯示器將顯示“Err”，或“Time out”，應(yīng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)術(shù)的變革——奧豪斯AutoCal™全自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)

怎么樣，看過了上面的詳細(xì)介紹，你有沒有發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)是一門相當(dāng)有技術(shù)含量的學(xué)問呢？其實(shí)，隨著稱量技術(shù)日新月異的發(fā)展，校準(zhǔn)手段也越來越趨于人性化。如果你還在為傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法中麻煩的人為操作而發(fā)愁，那不妨來看看為天平校準(zhǔn)帶來全新變革的奧豪斯AutoCal™全自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)吧！

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