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“你真的了解电子天平吗?”之——掌控称量的温度“魔力”

发布时间:2019-10-18 作者: 来源:奥豪斯 浏览:1051

在本系列上一期中,小编主要针对电子天平的称量原理,校准的定义及分类,砝码的基础知识以及与天平度之间的关系等方面为大家做了科普式的讲解,特别是在校准的分类方面着重花了笔墨进行了详细的梳理,想必大家一定对严谨而又考究的天平校准技术留下了深刻的印象吧,不知道小编尽量将复杂的数学原理讲得通俗透彻的方法有没有让大家解开了心中的疑虑呢?其实在天平的称量中,还有一只无形的大手牢牢地掌控着称量的结果,这就是温度。本期小编将为你展现这只大手到底有哪些奇妙的魔力!


称量原理的问题


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。


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:



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。【1】


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(受力导线)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【2】


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。


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。【2】



操纵天平的无形之手


电子天平会根据所在的环境而发生变化的,正常情况下,不同度级别的天平对温度范围和温度波动度的要求各不相同,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:



温度zui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(重复性和偏载)的相关规定。


温度变化是影响电子天平称量结果性的重要因素之一,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zui高温度与zui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。


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。 


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