西热娜依·白克力
哈密市检验检测中心质量与计量检测所，新疆哈密 839000
摘 要：本文着重分析了质量比较器与普通天平(非自动称量仪器)校准测量性能的差异，并对两者进行了比较。
关键词：电子衡器 计量检定 不确定度评定
一．电子衡器计量检定不确定度评定概述
自中华人民共和国建立以来，称量仪器和称重仪器发展迅速。解放以前，我国的秤基本上以这种杆秤为主体，如台秤、箱秤、地秤等机械秤都是在50年代发展和推广起来的，各种机械秤都在60年代逐步采用了机秤的批量生产。而机电组合部则是在机械杠杆称量装置的基础上，通过电气设备实现称量相关显示、记录、远传或控制计量信号等功能。这样就克服了机械秤功能单一(只有称量功能)无法满足生产自动化和管理现代化的缺点。随著科技的不断发展，各种电子称量设备也不断发展，以使称量技术更能适应经济发展的需要，从上世纪70年代初到上世纪80年代中期。用一台或多台电子称量传感器，把称量物体的重量直接或间接地转换成电能，然后通过称量显示装置显示被测物体的质量。它具有运算、储存、打印、显示、远传、控制等功能。从上世纪80年代中期开始，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，发展了智能电子衡器。智能化电子称量设备具有称量、计算、控制、检测、通讯五大功能。而且体积小，能耗低，适用范围广。对称量人员而言，进一步提高称量精度、稳定性、能力和智能水平仍是目标。伴随着国民经济的迅速发展，称量设备技术也有了长足的发展。
二．电子衡器计量原理分析
测定物体的质量，称重，目的是获得测量信息，即特定类型的信息，告诉我们被测物体的质量大于或小于给定物体的质量多少倍，采用作为测量单位。由于这些信息是通过适当的技术手段获得的，因此在介绍实际称重操作之前，需要介绍称重仪器的基本原理。一个“理想的”电子衡器应该具有以下特征 :
同一物体加权时，在相同的温度、湿度、气压等条件下，指示器应指示相同的数值; 当两个物体同时放置在秤盘上时，平衡指示应等于每个物体各自放置在秤盘上的指示值之和。
同一台称重仪器有两种使用方式: 作为质量比较器(标准平衡器) ，在传播质量单位从国家质量标准(取自国际千克原器的数值)到日常使用的标准。为此，确定了质量比较器的以下参数: 最小刻度间隔的灵敏度和/或质量值、测量重复性结果(根据测量周期确定，ABBA 或 ABA ) ，以及必要时偏心放置载荷的影响(偏心)。质量比较仪用微分称重法测定两个重量(质量标准和试验重量)之间的质量差值。质量比较器又分为三大类，即手动、自动和机器人: 人工比较器需要人工操作才能装载、卸载质量标准和记录读数; 自动比较器最大限度地减少人为干预的需要，以便实际上消除在确定过程中由于操作人员造成的错误; 机器人比较器(完全自动化的质量比较) ，有多达4个手臂工作。
根据结构类型的不同，比较器的称重范围可能有限制，也可能有整个称重范围，从零到最大。作为一种直接称重仪器，称重仪是一种常用的称重仪器，称为非自动称重仪，它的测量特性包括显示重复性、显示全范围的显示误差，必要时还包括载荷偏心放置的影响。天平指的是放在秤盘上的物体的质量，不依赖于质量标准。
高分辨率的称重仪器只能通过电磁力补偿原理来实现，这一原理代表了质量计量学在精度方面的最先进水平，是在扩展测量范围内正确称重的最有利原理。这种电子天平使用一个反馈电路来比较电子输出和力输入。物体的质量所产生的力由线圈2的磁力来补偿。通过补偿线圈(插入在永久磁场中) ，永久电流流动，产生与外加力相反的回复力。借助于电子位置传感器和伺服放大器，线圈的位置被控制。加载余额时，记录垂直位置的变化。电流与负载重量成正比，并用精密电阻器测量。信号被传送到模数转换器 a/d。在微处理器的帮助下，数字信号被处理并显示在平衡显示器上。
三．电子衡器计量效果评价分析
3.1 电子质量比较仪计量特性的测定
电子质量比较器的计量特性如下: 比例间隔(除法)的值; 测量的重复性; 荷载偏心位置的影响。一般而言，建议质量比较仪的标准差与校准不确定度之比为1/3。对于按精度等级分类的权重，要求校准不确定度小于或等于权重最大允许误差(et)的三分之一。由于这个原因，并没有规定质量比较器(标准天平)的最低容量，而是以表格形式提供关于重量(名义值和准确度等级)的资料，可以用各自的比较器进行校准。因此，质量比较仪可用于标称质量为500g 及最大允许误差 MPE ≥0.4 mg 的砝码的校准。
3.2 电子非自动称重仪表的评价
随着纳米技术在力学中的重要性日益增加，高精度的质量测量也变得越来越重要。使用现代的大容量比较器，已经可以达到0.1 μ g 的分辨率。对于小力测量和小灵敏度称重测量的溯源性，新技术需要较小的质量标准。1毫克砝码是法定计量学中定义的最小质量标准。这不能满足高精度质量比较器中纳米力和灵敏度权重测量的溯源性要求。因此，建立微克质量标准和研究测量方法是解决小质量和力测量溯源问题的必要途径。在细分比较的原有矩阵表示法的计算过程中，通常不考虑空气浮力和灵敏度权重修正。在高精度砝码的真实质量计算中，气体浮力和灵敏度的正确确定至关重要。同样，需要推导包括空气浮力和灵敏度在内的称重方程组的不确定度分配。基于这些原因，包括国家计量研究所(NIM)在内的一些国家计量研究所已经对微质量标准的实现和校准进行了研究。NIM与 Mettler-Toledo AG 公司合作，从一种铝合金中设计并生产了质量为500ー50μ g 的微克重量铝合金。用自动质量比较仪 a5对各微克重量的质量进行了标定。最近在 METAS 上建立了一个包含空气浮力修正的称重方程组的矩阵表示法。在此基础上，推导了质量和不确定度的计算矩阵方程，包括灵敏度计算，以计算真质量值和评定微克重量细分的不确定度。根据《测量不确定度表达指南》(GUM) ，直接计算偏导数，而不是使用方差协方差矩阵，而是采用线性方法。获得的数值与之前提到的从蒙特卡罗方法中提取的数值进行了比较。
矩阵方法的真实质量和标准不确定度与 MCM 的完全一致。这两种方法提供了相同的真实质量和不确定性，因此非常适合于解决称重方程组。由于输入量的 pdfs 是不同类型的(高斯型和矩形型) ，误差传播导致输出量的概率分布不一定是完美的高斯型。
四．结束语
综上，微克质量标准组合的建立对0.1 μ g 分辨率的质量比较仪纳米力溯源和灵敏度误差测量具有重要意义。为了找到一种简便的测量微克重量的计算和评定方法，采用一种新的矩阵计算方法求解称重方程组，并用部分导出法计算不确定度预算。对于重要的空气浮力修正，考虑了单个质量比较器的空气密度。有了这种新的扩展，矩阵计算也可以应用于大质量的空气浮力修正是必不可少的。该方法通过 MCM 计算不确定度进行了验证。
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