如何正确使用电子天平

影响电子天平准确性的两个因素

——兼论如何正确使用电子天平

陕西省计量测试研究所刘隽

梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司傅冰

随着科学技术的发展，电子天平已广泛用于科学技术、工业生产、医药卫生、计量等领域，本文想讨论影响称量结果准确性两个因素：电子天平的正确操作，以及样品本身的自然物理变化影响。

如何正确使用电子天平：

首先，电子天平在称量前要充分预热。电子天平的基本工作原理是平衡，一旦失衡，利用电磁力将天平重新拉回平衡。这个电磁力，是由流经线圈中与物体质量成正比的电流在永久磁钢中产生。显然，电磁力的大小与磁钢的磁通量φ、流经线圈中的电流I及线圈长度L成正比，即F＝φIL。显而易见，当天平处于预热阶段时，随着天平内部温度的升高，磁通量φ会逐渐下降，同时，流经线圈中的电流I也会减小，这样就导致了电磁力变小，天平失去平衡。天平的显示会呈现正的单方向漂移，只有天平经过充分预热，使磁钢达到热平衡，这一变化过程才结束，天平才真正达到平衡。再利用天平的回零/去皮功能，使天平显示回零，此时天平才处于真正可使用状态。

为了减少电子器件，例如变压器、桥式整流器、三端直流稳压集成电路……等发热器件的发热影响，新生代的电子天平都将主要发热器件变压器移至到天平的外部，成为一个独立部分。对于实际分度值为1μg，0.1μg的微量，超微量天平如梅特勒－托利多公司的MT，UMT；XM，UMX天平，都是将称量室与电子部分分开成两个独立的部分。其目的都是为了减小电子部分发热器件的热噪声对天平传感器的热影响，有利于电子天平能更稳定，准确地称量。

另外，电子天平通常都没有类似家用电器的电源开关，只要给天平通电，即使天平显示器上无显示，天平也已处于预热状态。天平上的“ON/OFF”键只是开关显示器而已。因此经常称量的天平不必拨掉电源，让其始终保持通电预热状态，这样可省去预热时间。梅特勒－托利多公司建议用户：使用电子天

平，尤其是高精度天平，在条件许可的情况下，长期不断电，保持天平始终处于预热状态。

根据我们的经验，对于进行计量检定的电子天平，实际分度值d≥0.01mg 的电子天平，预热时间至少为5小时，当然，低精度的电子天平可以适当减少预热时间。实际分度值d≤0.001mg的微量和超微量电子天平，预热时间则需24小时以上。使用中的天平，预热时间可适当减少，当天平显示器上的示值不再呈现单方向漂移时，回零/去皮后，即可称量。

第二，运动天平。电子天平预热好以后，不要立即进行称量，要进行短暂地加载、缷载运动天平。这一点往往是众多用户所不知或忽视的一步。其实，运动天平的目的很简单，电子天平的传感器通常是由9片或11片簧片构成的弹性支承体，天平传感器就是利用这些簧片进行力的传递，使天平在平衡－失衡－再平衡的过程之中，完成称量。然而，在天平处于长期通电预热阶段或较长时间停止称量时，天平传感器是处于停止工作的休眠状态，当然，这么多的簧片也是处于休眠状态，正由于上述原因，此时簧片的恢复性能不好，若这时进行称量，势必会引起天平加载后回零不好，示值稳定性不好，重复性差，天平无法稳定地称量。这就好比一个人经过了一个晚上的睡眠，筋骨完全处于放松休息状态，若一早起来，就让他进行大运动量工作或运动，这个人肯定吃不消，也出不了好成绩，为此在工作或运动前先必须进行热身运动，做做早操，活动筋骨，然后再投入工作或运动，他才能取得好的工作效率和成绩。

运动天平的方法是用相当天平最大称量的砝码或物体加载到称盘上，然后再缷载，注意，在运动天平时并不在乎它的加载示值和是否回零，这样反复10次或10次以上，让天平传感器的簧片从休眠状态逐渐进入工作状态，天平才能稳定地称量。

根据我们的经验，对于进行计量检定天平，这是必不可少的一步，决不是可有可无，而是必须进行的，否则得不到好的计量结果。这已为大量事实所证明。

使用中的天平，实际分度值d≥0.1mg的天平，可以不作或减少加载和缷载次数。然后回零/去皮后，进行称量。实际分度值d≤0.01mg的半微量、微量和超微量天平，运动天平是必须进行的，否则得不到稳定的称量结果，而且，当

这类天平较长时间（＞30分钟）停止称量，在重新开始称量前也都需要再进行一次短暂的加载和缷载运动天平。

第三，校准天平。这是正确使用电子天平必不可少的重要一步，任何电子天平不进行校准，它都是不准的，换句话说，就是得不到准确的称量结果。许多用户都以为校准天平是计量部门的事，一旦他们将天平校准，天平就准确了，以后使用就不必再校准了，其实这种想法是非常错误的。计量部门对天平进行的只是计量性能检定，它主要包括对天平的偏载误差（即四角误差），各个载荷点的准确性及重复性检定。当然，他们在作计量检定前也必须校准天平，否则同样得不到正确的计量检定数据。用户在使用电子天平时，除了前面提到的两个步骤外，还必须校准天平，而且在每次使用前，都必须校准天平，否则得不到准确的称量结果。

校准天平的理由有两：其一，众所周知，天平称量的是物体的质量，而不是重量，也就是说，使用任何一台天平，不管这台天平放置在地球上的任何地方，也不管这台天平放置在什么高度，称量同一物体，由于物体的质量是不变的，因此称量的结果都应该完全相同。然而地球存在地心引力，任何一个有质量的物体其重量都会受到重力加速度的影响，即F=m

·

g，且随着物体离地球中心的距离远近，作用于物体上的重力加速度g值也不相同，与离地球中心的距离成反比，简而言之，距离越大，重力加速度g值越小，反之亦然。由此可见，同一个物体在不同的地方，不同的高度，它的重量是不相同的。例如一个物体在一楼时，正好是200.0000g 而在四楼时（10m高度）它就变成了199.99937g ，很显然，由于重力的影响，我们无法得到一个相同的称量结果。我们如何解决只称量物体的质量，且不受到重力的影响，这就需要用天平，需要应用校准技术。

我们知道，一个双盘的机械天平，当左盘的物体重量（重力）与右盘的砝

码重量（重力）相平衡时，即m1

·g =m2

·

g ，由于同一地方的重力加速度g值相

等，故可消去，变成m1=m2，即得到物体的质量就等于砝码的质量。这就完成了称量物体质量的目的。

电子天平与这种机械天平相同之处在于都是利用平衡的原理，所不同之处就是将用于平衡物体重量（重力）的砝码重量（重力）用电磁力所取代。同

理，只要物体的重力与电磁力相平衡，则用电子天平称量的结果就是物体的质量。

为了得到准确的物体质量，光有电子天平还不行，还必须应用校准技术。现在让我们先看看校准的过程，以外校为例，如梅特勒－托利多公司AB204－N天平，进入校准程序后，在天平的显示屏上出现一个闪动的“200.0000”，这个数字就是天平校准所要求的砝码值，此时，将200.0000g砝码放置到称盘上，天平将经历失衡到再平衡的过程，当显示屏上变为闪动的“0.0000”时，将砝码取下，就完成了整个校准过程。当然用于平衡200.0000g的是电磁力，我们已经知道电磁力F＝φIL，天平预热好以后，随着温度的波动磁通量φ值还会有变化，显然主要改变电磁力大小的是流经线圈中的电流I值，因此，在校准过程中，天平实际是寻找一个与200.0000g相对应的平衡电流I值。现在让我们再回到上面的例子，在一楼时，我们对天平进行了校准，找到相对应的平衡电流I值，记为I1，称量结果是200.0000g ，如果将天平搬到四楼（10m高度），不再重新校准天平，显而易见，由于I1产生的电磁力大小没有改变，而由于重力加速度g值变小，物体变轻，天平就失去平衡，称量结果就成了199.99937g，结果出错。因此，当天平搬到四楼后，要重新对天平进行校准，重新寻找相对应的平衡电流I值，记为I2，显然I2＜I1，重新再称量，结果又变成了200.0000g，这样由于应用了校准技术，不管在一楼还是四楼，都得到了相同的称量结果——相同的质量值。同理，由于应用了校准技术，不管在地球上的任何地方，称量同一个物体，都能得到相同的称量结果。

工作中，我们并不只是称量校准时的200.0000g，而是称量任何一个物体的质量，注意是在天平最大量程内，且都必须得到在允许误差范围内的准确称量。根据电子天平的平衡原理和应用了校准技术，在天平空载时得到一相对应的空载平衡电流I0，另外通过对要求的校准砝码校准时也得到一相对应的校准平衡电流I cal，只要天平的线性足够好，天平就会自动在I0与I cal 所连接的线段内找到与该物体相对应的平衡电流I B，然后通过天平的电子部分转换成该物体的准确质量，通过天平显示屏显示出来，这就是应用了校准技术，准确称量一物体的全过程。

其二，按理说，天平放置在同一个地方，称量同一物体，由于没有重力的影响，就不需要在每次称量前进行校准了。其实不然，由于环境温度的变化及温度的波动直接影响天平传感器自身的温度变化，如前所述，这会导致磁通量φ和流经线圈中的电流I也随之发生变化，电磁力发生变化。当然最后又会使天平称量结果不准确。尽管电子天平都有温度补偿功能，但它只有在小的温度波动范围内有效，温度超过一定的限度，它是无法补偿的。最终还是要靠校准技术进行校准，才能保证准确称量。

为了天平不因环境温度变化和波动而影响天平准确称量，梅特勒－托利多公司推出了先进的校准技术FACT即全自动校准技术。它能始终保证天平在允许误差范围内准确称量。应用这种校准技术，天平自身随时检测天平的准确度，一旦超过允许误差范围，天平会进行自动校准。

国内绝大多数用户，使用电子天平都是下班断电，上班通电，因此在保证天平预热好的前提下，使用前对天平进行校准就显得更加有必要。切不可不校准天平就开始称量，这是绝对得不到准确称量结果的。在条件许可的情况下，我们建议大家不要关断天平电源，让其长期保持通电预热状态，天平将会稳定、准确地工作。

第四，使用天平

只有完成上述三个步骤后，才能使用天平进行稳定、准确地称量。

总而言之，正确使用天平分为四个步骤：

预热天平——运动天平——校准天平——使用天平。

随着科学技术的进步，经济形势的好转，电子天平已广泛应用于各种各类实验室和工业生产，称量的样品各种各样，越来越复杂。显然，影响称量结果稳定性和准确性的另一个因素就是样品本身的自然物理特性和变化的影响。最常见的影响因素是：

?样品和容器的温度

?样品的吸湿性和挥发性（缓慢放出水分）

?样品和容器的静电现象

?磁性样品和容器的磁化

第一、样品和容器的温度

天平称量室的温度不相同，存在一个温度差，此差异导致了

沿称量容器外侧流动的不同方向的气流，此气流产生一个向

上（上图）或向下（下图）的作用力，在这个动态空气浮力

的作用下就会产生错误的称量结果。简而言之，冷的物体显

得偏重，而热的物体则显得偏轻。其结果由于温度的差异，

天平的显示值朝正方向缓慢变化（冷物体）或者朝负方向缓

慢变化（热物体）。

为了解决样品和容器的温度影响，在称量时，要保持样品同称量室具有相

同的温度后再进行称量，千万不要用直接从干燥器或冰箱里取出的样品称量；

使用镊子夹取容器，避免手温对容器的影响；尤其要注意，尽可能避免手进入

天平称量室，引起称量室温度升高，为此可使用长柄镊子夹取容器，或者使用

长柄样品勺添加样品；当然，在使用容器的形状上也要注意，应使用表面积较

小的容器，减少温度的影响。

第二，样品的吸湿性或挥发性Array这是影响称量的又一个样品物理变化特性，在称量

一些具有吸湿性的样品时，天平显示值会缓慢增大，反

之，称量一些具有挥发性的样品时，天平显示值会越来

越小。这一现象还往往被一些用户产生误解，以为是天

平自身漂移所致。为了判别天平显示值漂移究竟是样品

物理特性引起还是天平自身所引起，可使用没有吸湿性

和挥发性的物体如砝码或金属钱币放置到称盘上进行称

量，则可一目了然，得到正确的判断。

为了称量好这类样品，首先要选择所用的容器形状

和大小，如称量液体类样品，可选择如图的细颈瓶再加塞头，可减少样品的吸

湿或挥发。如称量固体或粉末类样品，则应给称量器皿加盖，隔绝样品对水分

的吸收或挥发；不少实验室用硫酸纸作为容器称量粉末类药品或样品，我们建

议用户，为了减少样品吸湿性和挥发性的影响，尽量减少称量时间，当天平称

量过程刚结束即指示称量过程的符号如小圆圈或小圆点一消失，立即记下天平显示值。以免时间一长，由于样品吸取水分或挥发水分，而发生漂移，不知应该读取哪一个称量结果。其次要保持容器的清洁干燥以及天平称量盘的清洁干燥，不要粘有灰尘，污染物及水滴。

第三、样品和容器的静电现象

用户应特别注意在使用用高绝缘材料如塑料制品和玻璃制品作为称量容器，又是在比较干燥的环境，相对湿度＜40%时

是很容易被静电化而带上静电，一旦称量容器有了静电，会导

致天平显示值长时间不稳定，无法显示稳定的，准确的称量结

果，当然重复性很差。此静电主要是粉末状或颗粒状样品与这

类绝缘容器磨擦而产生，如果没有良好的泄放途径，这些静电

就不能消除或者至少需要几小时才能缓慢地消除。

为了消除样品和容器的静电，有多种方法可以选择，最简单的办法是让三芯电源插座的接地端与大地有良好的接触，标准实验室尤其要注意，应该采用一根专门的接地线，埋入大地，然后将接地线引入电源插座的接地端。由于电子天平的称量盘都具有良好的接地性能，这样静电则可通过接地端泄放到大地；使用加湿器增加空气湿度，理想的相对空气湿度为45%－60%；在温暖干燥的冬季，可在天平称量室内放置一杯水，1～2小时后取出，增加称量室内的空气湿度，这也是减小静电的可行办法。注意选择不同材料的称量容器，应尽量避免用塑料容器，它极易产生静电。玻璃容器为众多用户采用最多的容器，这方面的性能优于塑料容器，最好采用金属制品作为容器；使用专门的消除静电的装置。

第四，磁性样品和容器磁化

如图，很清楚的可以看到称量磁化了的物体，

由于磁性物体与不锈钢称量盘相互吸引，会产生出

多余的力被天平误以为是加载，影响了准确称量，

其结果导致称量结果依赖它在称盘上位置，称量结

果重复性很差。这一种称量现象容易被发现，但又

往往被用户忽视其产生的原因，或者根本就不从这

方面去考虑。误认为是天平自身重复性差。用户也

不妨采用第二部分介绍的方法用砝码或金属钱币称量，进行正确地判断。解决这一影响的最基本思路是加大样品和容器与称量盘之间的距离，减弱磁力的影响。最常用的是采用下掛称盘，加大它与称量室内的称盘距离；也可将样品放置在非磁性的支承物如高的玻璃量杯，铝、铜支架上加大与称盘的距离；在条件许可的情况下，对样品和容器进行去磁；还可以将样品放置在导磁良好的合金容器内，让其磁力线沿合金容器内壁形成自封闭，减小磁力的影响。

参考资料

1．Weighing the right way with METTLER

The proper way to work with electronic analytical and microbalances