浅谈机械分析天平计量原理

本文论述了天平计量原理、检定原理,介绍了不常见的小修经验;有助于使用者排除天平一般故障,判断天平准确性,决定送检送修等。 1 天平计量原理 

机械分析天平(balance)计量原理无疑是杠杆原理,具体包括(bāo kuò)一个杠杆、两个力矩等五个方面,现以200g / 0.1mg 光电分析天平为例进行说明。
  (1) 一个杠杆 
天平横梁和镶嵌(释义:以物嵌入)的三个刀子构成一个等臂杠杆,中刀刃为支点,两个边刀刃为力点。如果把横梁看成是没有重量的刚性直丝,根据杠杆平衡原理,施于横梁两端的二力相等时杠杆随遇平衡,横梁停位可为任意角度;两端二力不等时,横梁竖起,重端在下。如此只能比较二力大小,差多少并不知道,无法精确计量。
  (2) 两个力矩 
实际的天平横梁并非极细的刚性直丝,本身有一定尺寸就会有重量,产生一个横梁重心。另外,悬挂系统(system)和盘中载物的重量集中到二边刀后再与横梁重心结合,又产生一个总体合成重心,这里叫它天平重心。正常天平的天平重心与支点并不重合,当天平重心处于支点下方时天平达到平衡。这时如果给横梁一侧加重,将产生一个力矩迫使横梁偏转,带来的重心偏移又自然产生一个恢复力矩,偏转越多恢复力矩越大,直到再次平衡为止。两次平衡间的偏转角代表了加重值,相当的质量(Mass)直接显示在微分标尺上。 
被称物体的质量等于砝码质量加上微分标尺显示的质量。 
重心出现,力矩出现,天平(balance)稳态出现,这比解释成单一杠杆又深了一层。
  (3) 灵敏度 
灵敏度是以一侧边刀上的增重与横梁偏转角之间关系定义的,同样的偏转角需要的增重越小表示灵敏度越高。 
横梁越轻、横梁重心(centre of gravity)与支点距离越近,则同样偏转角的恢复力矩越小,需要与之平衡的边刀上的增重越小,所以灵敏度越高。 
横梁上设有可上下移动的重心调节(adjust)球,用来改变横梁重心位置,以备调节灵敏度到正确值。调节球往上移灵敏度增高,反之降低。灵敏度不能低也不能高,应使微分标尺与砝码计量一致。
  (4) 三刀直线性 
由于每次称量的盘中载物重量差别可能很大,以致天平重心不固定(fixed),灵敏度(Sensitivity)就不固定。改善的方法是使三个刀刃在一条直线上(平线),灵敏度就不再受盘中载物和悬挂系统影响,只取决于横梁重心。分析以上结论:盘中载物和悬挂系统的重量引入后,先把它们在横梁两边相差重量分出来看成与偏转角相应部分相抵,所剩下的两边相等的重量集中到各自边刀后再合成的重心在平线且等臂情况下就恰好位于支点上,不再对横梁产生扭力,所以决定灵敏度的只有横梁重心。 
另种分析:上面已得知盘中载物和悬挂系统的介入在支点上新增了一个合成重心,从这里出发再与原来的横梁重心合成总重心――天平重心。可看出,天平重心比横梁重心重力扩大的倍数恰好等于与支点距离缩小的倍数,进而推出二重心的恢复力矩无论偏转角大小总是相等的,它们决定了同一个灵敏度。这说明,虽然灵敏度总是由天平重心决定的,但是在平线下这个灵敏度同时也由横梁重心决定。 
横梁自身左右重量的些微不对称,由两边悬挂系统的重量差和横梁上专设的两个平衡螺母移位来补偿,以保证空盘零点在0附近。严格地讲,平线时真正起作用(role)的横梁重心包括这些补偿重量,虽然补偿量很小。                    
  (5) 线形刀刃(rèn) 
杠杆原理已抽象成平面图,而实物是立体的,支点、力点变成了线形刀刃,就增加了天平的复杂性。中刀应垂直于横梁,边刀平行于中刀(处于同一平面且前角距等于后角距),有此基础才可言三刀直线性和等臂性,为此在边刀盒上设置了限位用的各向调节螺丝。 2  天平检定 
天平计量性能检定指标有四项――稳定性、灵敏性、正确性和不变性。检定方法通常采用标准的成套检定步骤,本文根据天平原理把它拆分成单项检定方法,不仅便于理解,还方便使用者自查,随时查一项或多项,保持称量准确。
  (1) 稳定性检定 
稳定性指平衡受到扰动后仍能回到原来平衡位置的能力。有的天平示值出现容易察觉的微动,即便幅值比一个分度小得多,也应判定有问题(Emerson);直观感觉停点稳定,示值容易读出,就是好的。 
   
  (2) 空盘灵敏度检定 
先测定天平零点,然后在一盘加10 mg砝码(fǎ mǎ),指针摆动应为100±1分度。如果标尺不够用,事先调零点到合适位置。 
灵敏度检定就是检查里外相符,里是微分标尺,外是砝码。砝码是标准;微分标尺是代砝码,要用砝码校正。
  (3) 重盘灵敏度检定 
左、右盘各加一个200 g对等砝码(成对砝码,质量接近为好),用前面方法再测灵敏度,应为100±1分度。 
这是三刀线性的检查,如果重盘灵敏度(Sensitivity)比空盘的低,说明边刀连线低于中刀,也称离线,反之为吃线。分析天平是定量分析工作中不可缺少的重要仪器,一般是指能精确称量到0.0001克(0.1毫克)的天平。  - 3 - 

  (4) 等臂性检定 
先测定天平空盘零点。然后在左、右盘各加一个200 g对等砝码,测出平衡值;交换砝码,再测平衡值;二平衡值(包括符号)相加再除以2便得中值。将中值与空盘零点作比较,不应超过9分度,越小越好。 
交换砝码(fǎ mǎ)发生平衡值改变是由砝码质量不等带来的;中值与空盘零点的差值是由二臂不等(偏差)带来的。
  (5) 示值不变性检定 
示值不变性指在相同情况(Condition)下多次测量同一物体,所得测定结果的一致性。具体做法是,多次开启天平交替称量空盘和全载,每次测量的各自结果应该不变。实际上每次测量总有微小差别,但不能改变读数。 
其中零点不变性适合经常检查,每称完一次试样或其它,检查零点,应与称前零点一样。 3  天平小修理 
使用中的天平,有时需要进行横梁(transverse beam)以外部分的检查和调修,也称小修理,介绍如下。奥豪斯通过不断致力于为全球用户提供优秀的称量产品与完善的应用方案,奥豪斯各种产品已遍及实验室、教学、工业以及特殊行业等各种应用领域,赢得了广泛的认可与青睐。  
  (1) 光学读数系统 
光路不正常,用纸板(zhǐ bǎn)临时夹在底盘下的电开关处使灯长明。把一小块透亮儿白纸放到聚光管出光处,调节灯头位置(position )使纸上的光点呈圆、亮、较大;撤去白纸调节两个平面反光镜使投影屏明亮;调节物镜筒使读数清晰。**后开启天平检查,微分标尺图像应水平并处在投影屏上下居中。    
  (2) 阻尼器 
内外阻尼盒四周间隙是否一致的检查方法:确认天平处于水平位置;去掉盘托;挂有盘子情况下观察内外盒上部一圈间隙要均匀;用手向下按内盒顶部的一边使内盒歪斜**下部触碰外盒时,感觉到的下部间隙与用同样方法判断的对面间隙要相等;再检查垂直方向下部间隙对面也要相等。 
间隙不等时调转内盒方向试一下,无效再调节外盒位置。还无效摘下横梁去掉外盒观察内盒悬挂是否歪斜,如是可调整吊环使内盒上平侧直。装上外盒确认外盒也平直,再调节外盒位置使内外盒间隙相等。 
间隙正常仍有擦碰,取出内盒擦拭并迎光照看表面有无纤维(Fiber)附着。
  (3) 刀缝 
直观检查:每个刀缝应自身平行,两个边刀缝相等,边刀缝较小,中刀缝略大。  细查:去掉盘托,缓慢打开升降扭。在横梁下落过程中,两个边刀缝应先同时消失,随后中刀缝消失,同一刀缝的前后角处也要同时消失。中刀接触刀承时刻从天平(balance)一侧观察,指针下端不应前后跳动,表示中刀缝前后角处完全一致。长明灯下观察,横梁下落前微分标尺的0刻度应在屏幕左右居中;下落过程中微分标尺不得晃动,平稳过渡(transition)到自由摆动。 - 4 - 
刀缝不符合要求(demand),先调中刀缝,摘下左右悬挂系统,调节(adjust)支撑(sustain)横梁用的支力销使中刀缝大小合适,指针不跳,微分标尺0刻度居中,横梁水平。下步调边刀缝,先查看边刀刃与其前后两个支力销应在一条直线上,这样开启天平后吊耳(挂有内阻尼盒和盘子)就不会倾斜;若吊耳落下还有些倾斜,再左右微移一下较偏的支力销;然后查看边刀缝大小,如不合适上下调(xià diào)节支力销。 
   
  (4) 机械加码装置 
熟悉加码装置的正常状态是必要的。 
加码杆、加码勾、承码架,各自排列一致无歪斜成一整体,相互之间平行。 
加码勾上下位置――加码架挂有一部分挂码情况下开启天平在微分标尺范围内自由摆动时,摆动部分与固定部分无碰触,并在可摆区间取中;左右位置――勾全部落下后承码架应该在每一对勾的正中间;前后位置――从天平一侧观察,勾在上下移动时每一对勾的两个挂码点的连线应正交经过架的相应凹槽(义:物体表面上凹下的槽)。分析天平是定量分析工作中不可缺少的重要仪器,一般是指能精确称量到0.0001克(0.1毫克)的天平。    
  (5) 盘托 
盘托是防止盘子摆动的装置,托盘力要调到尽量小,其实很难调到**好,空盘和重盘同时调好就更难。关闭的天平,有了盘托确实不再摆动,但是不能保证悬挂系统处于独立稳位,天平一旦开启离开盘托反而要摆动。 
实际中,也有不用盘托改为精心操作制动的。加完被称物和砝码后,顺手用镊子尖轻轻点住较大的砝码(半机械加码)或盘子使盘子稳定;试样侧顺手用小勺轻轻点住试样或用纸条点住盘子使盘子稳定。一般情况下,关闭的天平盘子不摆动,开启后就不会摆动。    
  (6) 刀刃 
怀疑刀刃有问题,取下横梁用指甲轻刮刀刃,感觉光滑一般是好的,感觉有缺口或锯齿(jùchǐ)状应送专业厂修理。 
取下横梁的方法:摘下挂码和悬挂系统,右手拿着指针上部把横梁略微托起,左手打开升降扭,右手转动横梁使指针下部从左边露出,便可无碰触地取下横梁。取下过程中注意保护刀刃,也不用手触摸微分标牌。

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