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天平不等臂性误差产生的原因,包括环境、安装、调修、搬运和使用不当等方面的原因,但可归总为两大原因:一是环境温度;二是天平本身。
1.环境温度对天平不等臂性的影响
天平是一种较为精密的测量仪器,其横梁对于温度的变化特别敏感。当天平横梁两臂受热不均匀时,将使天平的称量结果不准确。下面试举例对此进行分析。
以秤量为200g、分度值为0.1mg的TG328B电光分析天平为例。天平横梁的材质一般为铜合金和铝合金(在此按铜合金横梁进行分析)。两连刀距一般为140mm,边刀至中刀的距离为70mm。在称量200g的物品时,由于环境温度变化使天平的一臂受热,温度上升0.2℃。
根据力矩平衡定理得出温度变化后的臂长为lt=l0×(1+α·Δt) (1)
式中:lt——温度升高时一臂变化后的长度,mm;l0——天平原来的臂长,mm;α——天平横梁的膨胀系数(天平铜合金横梁膨胀系数为0.000019);Δt——天平一臂升高的温度。
将上述数据代入式(1)后得:
lt=l0×(1+α·Δt)=70×(1+0.000019×0.2)=70×1.0000038=70.0003mm
由上述计算可知,此天平在单臂受环境温度升高0.2℃的影响下,其臂长伸长了约0.0003mm。那么温度升高0.2℃时,会使天平的称量结果发生多大的变化?
力平衡数学公式:m1=(m/4+m2)α·Δt (2)
式中:m1——使天平回到原平衡位置所需添加的质量值;m——横梁质量值(在此设该天平横梁重为127g);m2——天平最大载荷;t——升高温度。
将上述数据代入式(2)后得:
m1=(m/4+m2)α·Δt=(127/4+200)×0.000019×0.2=231.75×0.0000038=0.9mg
由此可见,当天平横梁一臂受热、温度升高0.2℃时,可使天平产生不等臂性误差约为0.9mg。
下面以TG328B电光分析天平(横梁为铝合金)为例,铝合金膨胀系数为α=0.000023,其他参数不变,将已知参数代入式(2)得:
m1=(m/4+m2)α·Δt=(127/4+200)×0.000023×0.2=231.75×0.0000046=1.1mg
可见,当天平横梁一臂受热温度升高0.2℃时,将使天平产生的不等臂性误差为1.1mg。微小的温度变化,将使天平的测量结果产生如此大的误差。使用中的精密天平的误差要求精确到几毫克。JJG98-2006要求,TG328B天平不等臂性误差不大于9个分度:即0.9mg。
通过上述分析不难看出,温度的变化对不同材质横梁天平的影响是不同的,所产生的不等臂性误差也有很大的差别。
天平两臂不均匀受热,将使天平产生较大的不等臂性误差,进而导致天平的测量结果严重失准。
因此,对于精密天平横梁材质的选用要求特别严格。建议尽量选用膨胀系数小、重量轻、不易变形的金属材料。在使用中也有要求,避免阳光直射天平横梁,特别是不能局部(单臂)受热;避免天平一侧靠近热源,使其受温度变化的影响,人为造成天平不等臂性误差,使天平的测量结果不准确,影响测量结果的准确性。
根据力矩平衡原理,天平的不等臂性误差的大小与天平所要称量的物品多少有着密切的关系,并直接影响称量结果的准确性。
2.天平本身因素造成横梁不等臂性误差
所谓天平本身的因素,客观地说分为两部分:一是天平在出厂时,天平刀盒的固定螺丝紧固的力度不够,因此在运输、搬动和受震动时刀盒的位置发生变动,使天平的两边刀与中刀的距离不相等,而产生不等臂性误差;二是在调修天平三刀时,对其边刀盒进行调整,使两边刀相对中刀的距离发生改变,而产生不等臂性误差。而天平的不等臂性误差在天平的使用过程中与天平称量的载荷大小有着密切的关系。称量的载荷越大,其不等臂性误差就越大,测量结果的误差也随之加大;称量的载荷越小,其不等臂性误差随之减小,测量结果误差也小。所以,要尽量将天平的不等臂性误差调整到JJG98-2006规定的范围内;在天平检修中,在条件允许的情况下,应尽量使不等臂性误差小一些,不使测量结果误差超差,使测量结果更准确。
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