「你真的了解電子天平嗎?」之三——大有講究的「校準」術

前情回顧

在本系列上一期關於電子天平水平調節的分享中，小編主要針對水平調節的必要性、原理、以及調節方法等方面進行了詳細的梳理和通俗易懂的闡述，特別是就容易搞錯的調節規則與手法為大家總結了詳細的法則，相信小編手把手式的經驗傳授應該能為大家的實際操作起到實質性的幫助吧。水平調節的話題告一段落，本期小編將搬上天平的前期準備工作中最重要也是最有講究的一環——校準，那麼在天平的校準中，又有哪些值得關注的點呢？

 

老司機也難免會混淆的微妙概念

 

早在中學物理課本裡，我們就學過物體的重量G=mg（m為物體的質量，g為重力加速度），對於同一個物體，無論把它放置在地球上的任一位置，它的質量都是不會發生變化的。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。而電子天平則是採用電磁力與被測物體的重力相平衡的原理來測量物體的重量，並經過內部程序計算和顯示出物體的質量，這與託盤天平的稱量原理是不同的，所以就會出現同一臺電子天平在不同地方稱量同一個物體會顯示不同的質量結果。此外，諸如溫度、溼度等環境因素也會影響電子天平的傳感器，導致稱量結果的誤差。

 

 

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行校準，並在使用周期中進行定期的校準，特別是在對稱量結果準確度和精確度敏感的應用中。校準（Calibration），是通過一組稱量活動，來檢測天平的各項計量性能，包括誤差和不確定度的分析等。作為一種良好的稱量習慣，校準能夠有效地保證稱量的可靠性。通過校準，能夠檢測出天平的工作性能，避免物料浪費、返工、過渡使用後的產品召回，定期校準並執行日常測試是降低相關風險的最佳方法。

 

然而，對於一字之差的「校正」，含義卻有微妙的差別。校正（Adjustment），又稱標定，是在測量系統中進行的一組操作，提供與將要測量的數量的給定值一致的規定指示。天平在投入使用前、工作一段時間以後、或者變更位置後，都需要進行校正，以消除重力加速度、環境幹擾因素等導致的稱量誤差。通常，需要使用高精度的標準砝碼來對天平進行量程校正。綜上所述，通過定期的校準和校正，可以減少天平的稱量誤差，並且對天平的計量性能有一個全面的把握，確保稱量結果滿足實驗和生產的要求。

 

在日常工作中，大家往往比較容易混淆「校準」和「校正」的概念，對於這種嚴格意義上微妙差別，習慣上大家會有一定程度的通用性，校正也可以被認為是狹義上的校準，本文接下來的內容主要是在此基礎上進行討論。

 

 

走近極致考究的校準術

A. 關於砝碼的學問

談到校準，起到至關重要作用的就是砝碼。砝碼是具有一定物理特性和計量特性且能夠復現質量值的一種實物量具，關於其形狀、尺寸、材料、表面狀況、密度、磁性、質量標稱值、最大允許誤差等指標都有非常嚴格的規定。作為標定、校驗衡器的最普遍也是最重要的工具，國際法制計量組織（OIML）對砝碼進行了明確的等級劃分，共分為9個等級：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；級是按照示值誤差來分，級砝碼沒有修正值，只要其示值誤差在此範圍內都是認為合格的。在砝碼的眾多指標當中，和校準關聯度最高的就是最大允許誤差（MPE）了，國際相關法規條款對各個等級的砝碼的MPE有明確的規定，以下表格是對電子天平所常用質量標稱值砝碼MPE的說明（誤差值以毫克為單位）：

 

 

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

 

同時，在國家標準的相關規定裡，根據檢定分度值e和檢定分度數n將電子天平分為四個準確度級別，由高到低依次為特種Ⅰ、高Ⅱ、中Ⅲ、普通Ⅳ準確度級。結合砝碼MPE的變化趨勢可得出，準確度越高的天平需要用越高等級的砝碼進行校準，這樣校準天平的數據就越精準。比如十萬分之一和萬分之一天平應選用E級系列砝碼校準，千分之一天平應選用E2或F1級砝碼進行校準，以此類推。

B. 校準的分類

從校準的用途上來講分為「量程校準」和「線性校準」，在製造和維修過程中需要結合兩種校準方式共同實施，而日常使用過程一般只需做量程校準。

 

量程校準主要是在當前稱量環境下對天平進行賦值，通過稱量一個已知質量的砝碼，來獲得實際值和顯示值之間的比例關係，作為以後稱量顯示值計算的係數，目的是消除不同緯度及海拔高度對稱量結果的影響、環境溫度變化對稱量結果的影響，以及天平使用一段時間後積累的誤差。通常，量程校準採用比較簡單的兩點校準法，第一個點為零點，第二個點為天平的最大量程，日常操作起來比較容易，能夠使天平快速適應當前的稱量環境，保證整個量程範圍內的稱量準確，是實驗室工作人員一種普遍的校準方法。

 

線性校準主要是通過對全量程範圍內的多個點的稱量結果的線性化來消除誤差，使得顯示稱量結果與參考質量的比例接近相同。一般來說是在3個點設置電子天平，即零點、半量程和最大量程。天平經過線性校準後，其全量程線性誤差通常表現為S型，即在零點、半量程、滿量程3個校準點誤差很小，在1/4，3/4滿量程點誤差相對較大。為獲得更好的線性，可以採取多點修正的方式，比如製造過程中往往採用更科學的5點線性法。當然數學修正只是輔助的，天平的示值誤差還是取決於其本身的真實性能。

 

 

以上兩圖描述了電子天平在實際載荷m和稱量示值W之間的線性關係，左圖的直線為理想線性特徵曲線，右圖為實測曲線（非線性曲線）與理想直線的對比，其中非線性就是指不按比例、不成直線的關係，且函數的一階導數不為常數。m₀處的NL為稱量示值與實際負載間的非線性誤差。在天平的稱量規格說明書中，線性通常表述為在不斷增加負載的測試中得到的最大誤差值（以克為質量單位），誤差值越小，說明線性度越高，稱量越準確。

 

由於線性校準採用的是分段誤差比較，節點越多，非線性誤差就越小，實測曲線就越接近於理想的擬合直線，因此線性校準是保證每一個稱量範圍都做到最大程度的準確，從而對校準的條件會有更加嚴格的要求。通常，線性校準過程在恆溫恆溼的環境下，由機械手自動完成。校準時需準備相應的多個砝碼，非專業人員嚴禁私自進行操作，否則不能恢復原有程序，影響天平的正常使用。

 

綜上所述，量程校準和線性校準各有各自的特點和用途，將二者結合能夠有效提升校準的質量。

 

從校準的方法上來講分為內校和外校。內校是指利用電子天平內部安裝的校準砝碼並遵循內部標準程序進行校準。校準時只需按一下校準鍵，電機會驅動帶內置砝碼的升降裝置，對天平進行加載，從而實施並完成校準。

 

外校是指利用外部砝碼對天平本身誤差進行修正的方式進行校準。事先需檢查外部砝碼是否通過檢定，並在檢定有效期內，主要是為了確保砝碼滿足相關標準對實物量具的控制要求。開始校準時先按下校準鍵，再通過手動把指定量程的砝碼放到電子天平秤盤上，來完成校準過程。

 

通常，外部砝碼可能會受到灰塵沾染、日常磨損和酸鹼腐蝕等自然因素的不良影響，所以為了保證計量工作的準確性，外部砝碼也需要定期進行校準，常常需付費請省（市）級計量院做測試；再加上人為拿錯砝碼的可能性，因此外校型天平對人為操作的要求會更加苛刻。而內置砝碼的天平一般不會出現這些情況，並可以通過修改天平的校正程序參數來修正偏差。綜上所述，內校可以有效避免不確定因素所造成的誤差，相比外校是一種更加節約成本的方法。

 

無論是內校還是外校，電子天平在使用之前都必須進行預熱（萬分之一位天平需要至少1個小時的預熱），其次進行水平調節，之後就可以開始進行校準了（以下步驟為傳統校準方法，具體不同品牌和型號的天平會有一定的差異）：

 

第一，確保秤盤上沒有稱量物品時應穩定地顯示為零位。

 

第二，按「CAL」鍵，啟動電子天平的校準功能。

 

第三，內校型天平的顯示器由「C」變成零位時，表示校準結束；外校型天平的顯示器上首先顯示需要準備的砝碼的質量值，其次將與天平準確度級別相對應等級的標準砝碼放在天平的秤盤上。當屏幕顯示值不變時，取出砝碼，屏幕顯示「Done」之後說明已經完成校準。

 

第四，如果在校準中出現錯誤，電子天平顯示器將顯示「Err」，或「Time out」，應重新進行校準。

 

 

校準術的變革——奧豪斯AutoCal™全自動校準技術

怎麼樣，看過了上面的詳細介紹，你有沒有發現校準是一門相當有技術含量的學問呢？其實，隨著稱量技術日新月異的發展，校準手段也越來越趨於人性化。如果你還在為傳統校準方法中麻煩的人為操作而發愁，那不妨來看看為天平校準帶來全新變革的奧豪斯AutoCal™全自動校準技術吧！

 

 

奧豪斯AutoCal™是針對環境溫度漂移和時間觸發的專業全自動校準技術，在傳統的內校基礎上進行了全新的改良，在溫度漂移值超過±1.5℃或間隔3~11小時之間（用戶可自定義內部校準時間）時，天平校準自動觸發，避免了未進行定時校準或手動校準砝碼不當等造成天平稱量不準確的潛在因素。

 

 

目前，AutoCal™全自動校準系統在龐大的奧豪斯天平家族裡有廣泛的應用，特別是Explorer®準微量天平採用了兩組內置砝碼，同時擁有量程校準和線性校準功能。在校準過程中，通過同時加載砝碼m₁和m₂，以及分別加載砝碼m₁和m₂校準半載點的方法，可測試天平的線性並自動進行線性校準。

 

此外，Explorer®系列十萬分之一以下的分析和精密天平以及Adventurer™ AX系列天平的AutoCal™通過配備的一個內置砝碼，可進行量程校準功能，用戶可根據具體的使用需求做靈活的選擇！

 

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