现代双刀替代式杠杆单盘高精密天平
由于等臂杠杆天平的两臂不可能绝对相等,因此不等臂误差是不可避免的。再由于在不同载荷下,天平横梁的变形也会不同,天平三刀刃只能是相对某一载荷调到等高位置,天平灵敏度也还会随着载荷的变化而变化。
二次世界大战后,替代衡量法(又叫波尔达衡量法)原理的应用为天平的历史谱写了新的篇章。替代衡量法利用已知的砝码替代未知的载荷,单盘天平就是运用替代衡量法而设计的天平(图22)。当天平盘上未放被称物时,天平盘上方的所有机械挂砝码都处于加载状态,当天平盘上放上被称物时,为了保持天平横梁的原有平衡状态,就得减掉等于被称物质量的砝码。由此看来,承重刀刃的总载荷始终不变,这样,天平的灵敏度保持不变。因为始终只用了一个杠杆臂称量,不等臂误差在这里也就不存在了。这就是只有一个秤盘的双刀替代式不等臂杠杆天平的优点。在单盘高精密天平上,人们继续不断地增加新的附加装置,其中值得提及的有:预称装置(又叫粗称装置);机械与光学相结合的数字并列完全直读装置;去皮(容器质量扣除)装置等。预称装置的称量结果就是为精称提供的施加(实际上是减去)的砝码质量值。预称保证精称一次把砝码加(实际上是减)准。由于上述这些装置,单盘高精密天平变成了操作起来极为方便适用的仪器。
现代高精密电子天平
现在所说的高精密电子天平就是电磁力补偿式天平(图23)。这种天平利用放大电路来调节位于恒磁铁气隙中通电线圈所产生的力,直到它与被称物体的重力相平衡。调节信号由电感、电容或光电位移传感器发出。这种天平的发展始于20世纪40年代,在20世纪70至80年代进展迅速。高精密电子天平的共同特点是:利用微机来控制数字显示、静态检验、按键去皮、功能检验以及用标准接口输出数据。电子天平使称量大大地自动化,我们只需要把被称物体往秤盘上一放,就能显示出数字式称量结果。
其实,由安格斯特略姆(K·Angstrm)在1895年提出的电磁力补偿原理,得益于电子技术的进步,在过去数十年中,已经成为精密称量技术的重要基石,其意义完全可以与刀刃支承式杠杆称量原理相比拟。这一原理在著名的制造厂家中已经发展演变出了好几代产品,技术上的成熟已经达到了很高的水平。将来的发展趋势是:提高集成度和电子元件的效能,使结构更为紧凑;提高可靠性和可用性;增加利用键盘操作的计算和显示功能;连接屏幕显示器和数据处理装置;操作提示。此外,也进行着许多基础性的工作,力求把称重传感器的其它物理学原理,应用到实验室天平和分析天平中去。对于载荷大于100㎏的电阻应变式称重传感器和陀螺式称重传感器,以及用于中等载荷的振弦式称重传感器等,将通过工艺上的改进来提高其分辨力,改善温度系数,减小复现性误差。
原器天平
实验室天平和分析天平都是大批量生产的。但是对于某些特殊的用途,需要能满足特殊要求的单件天平产品,如原器天平,虽不能代表天平发展演变的一个阶段,却往往能反映出天平所能达到的最高水平。
国家级计量研究机构需要最大秤量为1千克的原器天平传递质量单位。现在等臂的或不等臂的杠杆天平的标准偏差S已达到几个微克的水平。日本国家计量研究所(NIMJ)通过多年细致的改进,在天平里装入均衡体修正空气密度的变化,以及利用计算机辅助测量,使其等臂杠杆天平达到相对标准偏差Srel=3×10-10。
近些年来,有三项新科研工作取得了以下成果:国际计量局(BIPM)与英国国家物理研究所(NPL)联合开发的一台用弯曲杆元件取代刀子和刀承的杠杆式天平(最大秤量1千克),相对标准偏差Srel<1×10-9;德国物理技术研究院(PTB)研制了按液静称量法工作的质量比较仪(最大秤量1千克),相对标准偏差Srel≤2×10-9;法国国家计量研究院(INM)的一台电动力补偿原理的1千克质量比较仪由梅特勒公司提供,相对标准偏差Srel≤2×10-9。
提到原器天平,人们或许对国际计量局使用的原器天平感兴趣。国际计量局从建立初期就有帮奇(Bunge)原器天平与鲁依普里奇特(Rueprecht)原器天平,这两台天平均为使用高斯双次衡量法(双次交换衡量法)而设计的,曾经是国际计量局进行千克比对的两台主要天平。观察人员在4米远的地方控制砝码交换装置,并从望远镜里观测安装在天平横梁上的平面镜里的刻线,如果天平横梁摆动,刻线就通过一个固定参考点,记下连续到达右边和左边的最大摆幅。这样就可以防止由于观察人员走近而引起的温度变化。
帮奇天平自1879年开始使用,自从在这个天平上两个国际计量局的工作原器摔了以后(编号为NO.9的工作原器在1949年一次称量准备过程中摔下;而编号为NO.31的工作原器在1951年的一次称量过程中摔下),表明帮奇天平继续使用是有困难的,只好停止使用。
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图23 电磁力补偿式天平
鲁依普里奇特天平,1878年交给国际计量局,在1900~1902年由生产厂在维也纳通盘检查并修理过。经长期使用后,1937年把这台天平送给巴黎的C·郎格(C·Longue)进行检修,他把这台天平成功地恢复到原来的性能。从那时起,又尽量改进其装置,主要改进它的热保护以及天平罩内温度测量的准确度。实际上,自1974年底最后一次修理后,已被用于上千次的称量,即表明横梁的摆动约250000次,开启天平刀刃与刀承接触已重复了约30000次。因此,不管在使用这台天平时多么仔细,可能还是比原来的性能要差一些。1970年国际计量局开始有了一台新的原器天平,这台原器天平的设计完全不同,而且准确度更高,并于1973年开始使用,从此原有的鲁依普里奇特天平的使用逐渐减少。有资料表明,这台新原器天平,是由美国标准局研制的送给国际计量局的,这是一台二刀替代式单盘天平,在替换砝码时,刀刃与刀承不脱离,以免除由于刀刃与刀承接触位置的不重复而带来的称量误差,使天平具有很高的准确度。
地方计量检定院(所)用于质量量值传递的天平,是从测量不确定度为最小的目标研制的系列天平,例如最大秤量从2克到1吨的系列电子天平。M3到F2级砝码可以用通常的商用电子天平来量传。为了量传F1、E2和E1级砝码,从系列产品中进一步开发出了特殊的质量比较仪,例如:Max=4g,S≈0.2μg;Max=100g,S≈10μg;Max=2㎏,S≈100μg;Max=10㎏,S≈0.2mg;Max=500㎏,S≈100mg等。
在不少的实验方法中,要求在特殊的环境条件下测定质量或质量的变化。比如:在高温和低温下,在高压和低压下,在高湿和低湿空气中;在特殊的气体氛围(包括腐蚀性气体)中,或者在液体中;在易爆地区,在磁场或静电场中,在有震动影响的工作地点(机器间、船上)。对于这些特殊的用途和环境,有特殊类型的天平,如磁悬浮天平、热天平、真空天平等。在天平本体上还附加有产生并测量所要求的环境条件的装置。它们的称量室具有特殊造型,按用途不同配备加热器、冷却器、真空设备或者送风设备。压力、温度、大气成分等试验参数,由通用的模块型控制和测量电路预置,个别的甚至可以由控制仪表调整这些参量的变化速度。作为输出量而测得的试件的质量(或者是作用于试件的力)是环境参量的函数,也是时间的函数。为了测得、处理和记录这些试验数据,提供了打印机、记录仪、计算机和计算机接口等产品作为附件。