天平的分類、準確度級別及選用
來源/作者:中國標準物質網  日期:2018-04-09

一、天平的分類

從天平的構造原理來分類,天平分為機械天平(杠桿天平)和電子天平兩大類。

機械天平是利用杠桿平衡原理測定物體質量的測量儀器?梢苑譃榈缺垭p盤天平和不等臂單盤天平。雙盤天平還可分為擺動天平和阻尼天平,普通標牌天平和微分標牌天平(有光學讀數裝置,亦稱為電光天平)。按加碼器加碼范圍,可分為部分機械加碼天平和全部機械加碼天平。由于雙盤天平存在不等臂性誤差、空載和實載靈敏度不同等固有缺點,逐漸被不等臂單盤天平代替。不等臂單盤天平采用全量機械減碼,克服了雙盤天平的上述缺點,操作更為簡便。

電子天平是利用電磁力或電磁力矩補償原理,實現被測物體在重力場中的平衡,來獲得物體質量并采用數字指示裝置輸出結果的衡量儀器。電子天平是新一代的天平,它稱量速度快,顯示清晰,操作簡便,靈敏度高。而且具有自動檢測系統、質量電信號輸出功能,且可與打印機、計算機聯用,在檢測實驗室的質量保證中有著不可替代的作用,是最先進的天平,已經得到越來越廣泛的應用。

通常稱為“分析天平”的天平是用于化學分析和物質精確衡量的高準確度天平。這類天平的最小分度值都小于最大秤量的10-5,屬于特種準確度級的電子天平(Ⅰ級)。分析天平可按衡量范圍和最小分度值分為常量天平(衡量范圍和最小分度值分別為100~200g和0.01~1mg)、半微量天平(衡量范圍30~100g和1~10g)、微量天平(3~30g和0.1~1g)和超微量天平(衡量范圍3~5g和0.1g以下)。

二、天平的準確度級別

我國現行的國家計量檢定規程JJG 98-2006《機械天平檢定規程》按照天平的計量性能要求,將天平的準確度級別分為特種準確度級(I級)和高準確度級(Ⅱ級)。JJG 1036-2008《電子天平檢定規程》除了上述2級,還有中準確度級(Ⅲ級)和普通準確度級(Ⅲ級)。下面以電子天平為例介紹。

天平的分度值在天平計量性能要求上有如下定義。

實際分度值(d):指相鄰兩個示值之差。即天平標尺一個分度對應的質量。

檢定分度值(e):用于劃分天平級別與進行計量檢定的以質量單位表示的值。對于無輔助裝置的天平,檢定標尺分度值e等于實際標尺分度值d。有輔助裝置的天平,如電子天平,檢定標尺分度值e由生產廠根據檢定規程的規則選定。它不像d值不變,由下式規定:d≤e≤10d;在計量檢定中若各項參數指標的最大示值誤差均不大于1d,可確定e=d;有時還需根據具體情況而定,比如當d為0.2mg時,e=5d;d為0.5 mg時,e=2d。我們把除了e=d以外的情況都歸為e≠d,其中以e=10d最為常見。這就是必須根據檢定分度值e來對電子天平進行等級劃分的原因。

檢定分度數(n):最大秤量與檢定分度值之比

n=Max/e

上式是對于具有單一量程范圍的天平,在整個稱量范圍內的最大秤量所對應的檢定分度數,是決定天平準確度級別的指標。雙量程的天平另行規定。

例如:梅特勒AE200電子天平,最大秤量為200g,實際分度值為0.1 mg,檢定分度值為0=10d=1mg,檢定分度數n=200/0.001=2×105。按表2-1的分級,屬特種準確度級。

天平按照檢定分度值e和檢定分度數n,劃分成下列四個準確度級別:

表2-1天平準確度級別與e, n的關系

注:在上表的最后一列中,除e<1mg的①級天平外,其余用d代替e計算最小秤量。

三、如何選用天平

天平的名稱、規格不同,價格相差很大。需要我們在了解天平的技術參數和各類天平特點的基礎上,根據各分析項目稱樣量大小及稱量要求的精度等來選用天平。各生產廠給出的電子天平的型號規格的參數不盡相同,主要有:名稱、型號、稱量范圍(單量程或雙量程)、分度值(有的稱可讀性精度)、重復性、秤盤直徑、工作空間高度等。

1.最大秤量

選擇電子天平還要看天平的量程是否滿足稱量要求,一般取常用最大載荷加上20%左右的保險系數即可。量程并非越大越好,因為同樣精度的天平,量程越大,價格越貴。

2.準確度級別的選擇

要根據檢定分度值(e)來選擇符合稱量的精度要求的天平,而不是天平的分度值(d ),對于機械天平,當某型號的天平檢定標尺分度值。等于實際標尺分度值d時,可以用分度值;對于電子天平,比如一臺實際標尺分度值d為0.1mg,檢定標尺分度值e為1mg的天平,就不能滿足化學分析中稱量0.6g基準物,因為要求稱量精確至0.1 mg。

3.單量程或雙量程

雙量程的電子天平例如島津AUW120D電子分析天平,稱量能力為120g/42g,最小顯示值0.1mg/0.01mg,重現性(標準偏差σ);≤0.1 mg (120g量程);≤0.02mg (42g量程)?梢詽M足不同稱量精度的應用。

又例如,稱樣量5mg,要求精確至1%即0.05mg的稱量,樣品加容器的質量小于1g,可以選用最大秤量2g,檢定分度值小于0.05mg的半微量天平。

4.自動化程度更高的電子天平

電子天平的發展主要體現在應用技術和風險(稱量的不確定度)控制能力的發展,同樣的技術指標,由于對稱量風險控制能力不同,可以在價格上相差好幾倍。根據需要,可以選用具有監視和控制天平準確度功能的天平。天平違反限制條件,將不會輸出數據的功能,這些條件為:樣品量小于最小秤量、天平沒有調整水平、天平需要校準等。最先進的電子天平具有全自動水平調整、時間和溫度觸發的自動校準、自動的可重復性測試、偏載誤差自動補償和超高壓靜電消除功能等。

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【關鍵詞】中國標準物質