“你真的了解電子天平嗎？”之四——掌控稱量的溫度“魔力”

前情回顧

在本系列上一期中，小編主要針對(duì)電子天平的稱量原理，校準(zhǔn)的定義及分類，砝碼的基礎(chǔ)知識(shí)以及與天平準(zhǔn)確度之間的關(guān)系等方面為大家做了科普式的講解，特別是在校準(zhǔn)的分類方面著重花了筆墨進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，想必大家一定對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)而又考究的天平校準(zhǔn)技術(shù)留下了深刻的印象吧，不知道小編盡量將復(fù)雜的數(shù)學(xué)原理講得通俗透徹的方法有沒有讓大家解開了心中的疑慮呢？其實(shí)在天平的稱量中，還有一只無形的大手牢牢地掌控著稱量的結(jié)果，這就是溫度。本期小編將為你展現(xiàn)這只大手到底有哪些奇妙的魔力！

稱量原理的遺留問題

在上次關(guān)于校準(zhǔn)的分享中，小編對(duì)電子天平的稱量原理做了簡(jiǎn)要的介紹，同時(shí)也提到溫度、濕度等環(huán)境因素也會(huì)影響電子天平的傳感器，但至于是怎么影響的只是賣了個(gè)關(guān)子。那么今天我們就來走進(jìn)電子天平的傳感器內(nèi)部，來一起探究溫度是怎么影響稱量的。

電子天平一般采用電磁力平衡傳感器，其稱量原理如下圖所示：

電子天平在加載前，電磁力平衡傳感器處于初始平衡狀態(tài)。當(dāng)被測(cè)物置于稱量盤后，立柱和遮光板在被測(cè)物重力的作用下向下移動(dòng)，光敏二級(jí)管D2檢測(cè)到發(fā)光二極管D1發(fā)出的光，并產(chǎn)生電流信號(hào)，經(jīng)過I/V變換電路、PID調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)變成與被測(cè)物重量相對(duì)應(yīng)的電流并驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈，在永磁體的磁場(chǎng)作用下，動(dòng)圈產(chǎn)生向上的電磁力，使遮光片向上移動(dòng)，D2輸出的電流信號(hào)減小，直至遮光片重新回到初始平衡位置，D2的輸出電流降為0。此時(shí)，動(dòng)圈產(chǎn)生的電磁力F與被測(cè)物重力相當(dāng)，即F=G=mg，其中m為被測(cè)物體的質(zhì)量，g為重力加速度。^【1】

同時(shí)，根據(jù)電磁力公式F=BLI sinθ，其中B為氣隙磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為動(dòng)圈（受力導(dǎo)線）的有效長(zhǎng)度，I為動(dòng)圈電流，θ為通電導(dǎo)體與磁場(chǎng)的夾角。由于傳感器中動(dòng)圈的規(guī)格尺寸已固定，所以其B和L均不再改變，而θ為90°，故sinθ=1，因此F 的大小與I成對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜合之前的描述，即得出m=BLI / g。^【2】

當(dāng)溫度恒定時(shí)，B和L是定值，g也是恒定值，則m與I成正比，通過檢測(cè)動(dòng)圈電流，就可以間接得到被測(cè)物體的質(zhì)量。當(dāng)環(huán)境溫度變化或過流元件發(fā)熱時(shí)，B和L均會(huì)發(fā)生改變，造成m與I不再成比例關(guān)系，使電子天平產(chǎn)生較大的非線性測(cè)量誤差。

值得一提的是，當(dāng)電子天平處于預(yù)熱階段時(shí)，隨著內(nèi)部溫度升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度B會(huì)逐漸下降, 同時(shí)I也會(huì)減小，這樣就導(dǎo)致電磁力F變小，天平失去平衡，因此示值會(huì)呈現(xiàn)正的單方向漂移。而天平只有經(jīng)過充分預(yù)熱，使磁鋼達(dá)到熱平衡，這一變化過程結(jié)束，天平才達(dá)到平衡，再利用去皮功能，使顯示置零，此時(shí)天平才處于真正的可使用狀態(tài)。^【2】

操縱天平的無形之手

電子天平會(huì)根據(jù)所在的環(huán)境而發(fā)生變化的，正常情況下，不同準(zhǔn)確度級(jí)別的天平對(duì)溫度范圍和溫度波動(dòng)度的要求各不相同，準(zhǔn)確度級(jí)別越高，對(duì)環(huán)境溫度的要求就越苛刻。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，電子天平的正常工作條件需要滿足以下表格的具體要求：

溫度最主要的影響就是其變化會(huì)帶來熱脹冷縮，對(duì)電子天平就反映在傳感器中細(xì)小而又精密的部件之間間隙的改變，這些變化會(huì)被靈敏的天平記錄下來，從而影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性。如果沒有特定的工作溫度范圍，電子天平的正常溫度條件為10℃~30℃，計(jì)量性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單次稱量結(jié)果的示值誤差，以及多次稱量或在不同位置稱量的示值誤差（重復(fù)性和偏載）的相關(guān)規(guī)定。

溫度變化是影響電子天平稱量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素之一，而實(shí)驗(yàn)室由于早晨和中午會(huì)有一定的溫差、以及電子天平設(shè)備發(fā)熱、人員流動(dòng)等原因，一天中最高溫度與最低溫度之間往往能夠達(dá)到10℃。這對(duì)天平的影響是顯而易見的，那么我們?nèi)绾巫霾拍芟�除溫度�?duì)稱量結(jié)果的影響呢？首先，天平在使用過程中，要盡可能地處于一個(gè)溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，當(dāng)天平所處的環(huán)境溫度有較大的變化時(shí)，天平的稱量結(jié)果會(huì)發(fā)生漂移，比如從低溫的倉庫移到溫暖的實(shí)驗(yàn)室，需要讓天平在使用環(huán)境中通電預(yù)熱一定的時(shí)間；其次，當(dāng)溫度變化超過一定范圍時(shí)，我們可以通過校準(zhǔn)將這種漂移消除。

通電時(shí)間的長(zhǎng)短能夠有效地避免溫度變化對(duì)天平的影響。一般來說，天平的精度越高，需要預(yù)熱的時(shí)間越長(zhǎng)。小編在這里建議，十萬分之一天平預(yù)熱時(shí)間在4小時(shí)以上，萬分之一天平預(yù)熱時(shí)間在1小時(shí)以上。

玩轉(zhuǎn)溫度補(bǔ)償，盡在奧豪斯電子天平

對(duì)于電子天平來說，一個(gè)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮到溫度對(duì)稱量系統(tǒng)的影響，并采取相關(guān)措施減少或消除溫度變化所帶來的影響。奧豪斯電子天平在設(shè)計(jì)中認(rèn)真評(píng)估了溫度對(duì)稱重系統(tǒng)的影響，通過優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、零部件選型、以及智能算法，來消除溫度帶來的影響，保證天平在額定溫度的變化范圍內(nèi)，計(jì)量性能符合如OIML等國際法規(guī)的要求。

從入門級(jí)的先行者CP系列及Adventurer AR系列，到進(jìn)階級(jí)的Adventurer AX系列，再到最高級(jí)的Explorer EX系列，最后到Explorer準(zhǔn)微量天平（EX5）系列，均具有動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償功能，實(shí)時(shí)修正環(huán)境溫度對(duì)稱量結(jié)果的影響。特別是Explorer全系列和部分AX系列天平所擁有的AutoCal™全自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)溫漂和時(shí)漂做出最實(shí)時(shí)的反應(yīng)，當(dāng)溫漂值超過±1.5℃或間隔3~11小時(shí)之間（用戶可自定義內(nèi)部校準(zhǔn)時(shí)間）時(shí)，天平校準(zhǔn)自動(dòng)觸發(fā)，全面消除外界環(huán)境對(duì)天平所造成的不良因素。

怎么樣，小編專業(yè)而又全面的講解有沒有讓你對(duì)復(fù)雜而又深?yuàn)W的溫度“魔力”的理解變得清晰透徹了呢？如果你有更多關(guān)于溫度對(duì)天平影響的疑難咨詢，或正在尋求更專業(yè)細(xì)致的選型指導(dǎo)，請(qǐng)撥打4008-217-188，或點(diǎn)擊進(jìn)入“索取資料”并留下相關(guān)信息，我們專業(yè)的工程師們屆時(shí)將會(huì)在第一時(shí)間聯(lián)系您！

參考文獻(xiàn)：

【1】孫鵬龍，何開宇，卜曉雪，李鵬飛，石磊. 環(huán)境溫度對(duì)高精度電子天平稱量準(zhǔn)確度的影響[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2016，43(10)：34-35.

【2】唐輝，商洪濤，劉向兵. 如何提高電子天平稱量的準(zhǔn)確性[J]. 醫(yī)療裝備