機械天平測量200g砝碼的不確定度分析

孫蕾

摘 要：隨著人們對計量數據要求的不斷提高，越來越多的計量工具被制造出來，應用于各行各業當中。其中在化學實驗的過程中經常要對化學物品進行計量，主要使用的就是機械天平，但是由于化學實驗物品的質量要求精度非常的高，而機械天平在制造的過程中由于各個配件之間的配合公差影響，會降低機械天平的測量準確性，為此工作人員需要對機械天平進行不確定度的分析研究。本文主要研究一下機械天平測量200克砝碼的時候不確定度分析。

關鍵詞：機械天平；200g砝碼；不確定度分析

一、機械天平的概述

（一）機械天平的定義

在實際的生活中我們經常會看到電子秤，不僅使用方便，而且準確性也是比較高的。但是電子秤使用的范圍雖然廣泛，但是在一些精密的儀器質量測量的過程中還是不能應用的，比如上文說到的化學實驗物品質量的測量。針對這一類的物品我們使用更加精準的計量工具—機械天平，機械天平主要是利用物理學中的杠桿原理，在同等力矩的情況下，相同質量的兩端可以保持天平的平衡，那砝碼的質量總和，也就是被測物體的質量[1]。

（二）機械天平的主要組成

在化學實驗室經常使用到的機械天平一般都是有以下的配件組成的：傳動配件、游碼標尺、阻尼、讀數顯示、吊裝配件、橫梁、底板、外罩和砝碼等。

（三）機械天平的主要應用領域

機械天平作為一種較為精密的計量工具，可以準確的測量出物體的實際質量，目前在化工電子、冶金能源、衛生醫療、國防科研等單位得到了廣泛的應用。

二、測量不確定度的概述

（一）不確定度的定義

在實驗對象測量的過程中一直存在著一定的誤差，即使再精準的計量工具也是存在一定的計量誤差，工作人人員通過對誤差之間的差值對被測對象的物體質量進行評價。也就是說測量結果的誤差一般是通過物體的真實質量和測量的實際質量之間的差值來表示，由于物體的質量是一個理想的標準值，無論在怎樣精準的計量工具還是無法測量出該物體的真實質量，測量的結果也不能用測量的誤差來進行標注，因此在1980年國際計量局統一規定了測量結果的誤差表示方式，也就是不確定度，在1993年國際計量局頒發了全球計量不確定度的標注規定，簡稱為GUM，這樣全世界在計量物體質量的時候，就可以進行準確的表述了。

（二）不確定度的主要來源

不確定度主要是表示被動對象測量結果的測量誤差，測量的數據結果精準度和可靠性的一個對應指標，不確定度目前已經是所有計量工具中不可或缺的一種計量輔助參數。其中不確定度也會根據對應的計量工具進行計算出來的，不確定度通過數據信息就可以表述出來，根據不確定度的數值信息，我們可以對測量的結果進行評定，數值越小說明該計量工具測量的數據結果精準性越高，反之不確定度的數值越大則說明計量的結果精準性越差[2]。

在物品測量的過程中任何可能產生誤差的因素，都會影響到該計量單位的不確定度，在實驗操作的過程中為了更好的分析出不確定度的來源，工作人員一般會在一個規定標準的環境下對特定的因素進行調整，從而分析最終測量的實驗結果。目前在計量工具使用的過程中影響不確定數值的變化的主要因素有以下幾種：人為操作的誤差、實驗環境的誤差、計量工具的設備誤差、計量方法的誤差和樣本的采集誤差等等。

三、機械天平測量200g砝碼的不確定度分析

（一）測量儀器的確定

在檢驗機械天平的不確定度過程中主要是依據我國以及頒布的JJG99-2006《砝碼》檢測的規章制度，為了針對性的檢測出某一類的機械天平的不確定度，我們選定目前上海市天平儀器制造廠生產的TG328b型號的機械天平進行研究分析，實驗測量的實驗標準就是我國目前規定的200g砝碼，所有的砝碼登記均為F1等級標準，而被測的物體就是F2等級的200g砝碼[3]。

（二）實驗環境的確定

為了確保實驗測量的準確性，必須對可能會影響到機械天平的所有因素，進行標準的控制。首先就是實驗工作人員的著裝因素，所有的實驗工作人員都必須穿戴規定的實驗衣帽，并且在實驗進行的過程中所有實驗步驟都要嚴格的依照規定設計的流程進行，并且機械天平的測量流程也必須嚴格的按我國天平測量的標準來進行。另外還有就是將實驗室的溫度、濕度等進行嚴格的控制，其中要將實驗的溫度控制到24攝氏度的恒溫，實驗室的濕度要控制在百分之六十左右，并且實驗室的標準環境要保持在四個小時以上。

（三）測量200g砝碼不確定度的數據結果

如表一所示在標準的實驗環境下，重復了進行了六次200g砝碼的天平測量，最后就是需要對測量的數據進行不確定度的計算。

（四）不確定度的計算

在計算機械天平的不確定度的時候，有四種不同的計算方式，分別是A類不確定度的計算方式、B類標準的不確定度計算、合成標準的計算方式、擴展的不確定度計算方式。上述中的A類和B類不確定度的計算方式，都是依據國家計量不確定度的分類進行計算的，其中合成標準的計算是對A類和B類的不確定度數值進行平方總和，最后在進行開平方的方式進行計算，得到的算術平方根就是該機械天平的不確定度數值。還有一種就是擴展不確定度的測量，主要是給機械天平再出廠的時候會附帶一個參數因子，這個因子以一個較高概率的方式出現在機械天平測量的所有結果當中，通過合成標準的不確定數值乘以出廠是附帶的參數因子，就可以得到該機械天平的擴展不確定度[4]。

四、可能影響機械天平不確定度數值的因素

由于機械天平是運用的杠桿原理進行物體的測量，因此在測量的過程中機械天平杠桿穩定性直接影響到實驗測量結構的精準性，進而影響到該機械天平的不確定度。在機械天平測量的過程中主要有以下幾種不穩定誤差。

在機械天平測量的過程要使得兩端的物體質量相同，就要保障天平杠桿的平衡穩定，在天平杠桿受到外部的干擾之后，出現了較小的誤差浮動，并且杠桿逐漸趨于穩定平衡的，這個時候測量出的數據結果具有一定的穩定平衡誤差，該誤差對天平的不確定度影響較小。還有一種就是指天平在平衡的狀態下，受到了外部砝碼的影響，出現了一定的浮動，并且在浮動的過程中天平的杠桿一直不能處于一個平衡的狀態下，出現這樣的情況被稱為不穩定平衡，對該機械天平的不確定度的數值影響比較大。還有一種就是該機械天平在平衡的狀態下受到了外部的干擾，發生了一定的擾動，但是在任意的一種狀態下該天平可以保持一種平衡的狀態，我們將這種情況稱為隨遇平衡，該種平衡狀態對該機械天平的不確定度數值也具有一定的影響[5]。

五、結束語

在測量200g砝碼的時候，發現TG328b型號的機械天平的不確定數值還不高，說明該機械天平在實際使用的過程中具有一定的可信度。

參考文獻：

[1]孟莉萍，李園，保莉.機械天平測量200g砝碼的不確定度分析[J].計量與測試技術，2017，4412：100-101.