机械天平测量200g砝码的不确定度分析

孙蕾

摘 要：随着人们对计量数据要求的不断提高，越来越多的计量工具被制造出来，应用于各行各业当中。其中在化学实验的过程中经常要对化学物品进行计量，主要使用的就是机械天平，但是由于化学实验物品的质量要求精度非常的高，而机械天平在制造的过程中由于各个配件之间的配合公差影响，会降低机械天平的测量准确性，为此工作人员需要对机械天平进行不确定度的分析研究。本文主要研究一下机械天平测量200克砝码的时候不确定度分析。

关键词：机械天平；200g砝码；不确定度分析

一、机械天平的概述

（一）机械天平的定义

在实际的生活中我们经常会看到电子秤，不仅使用方便，而且准确性也是比较高的。但是电子秤使用的范围虽然广泛，但是在一些精密的仪器质量测量的过程中还是不能应用的，比如上文说到的化学实验物品质量的测量。针对这一类的物品我们使用更加精准的计量工具—机械天平，机械天平主要是利用物理学中的杠杆原理，在同等力矩的情况下，相同质量的两端可以保持天平的平衡，那砝码的质量总和，也就是被测物体的质量[1]。

（二）机械天平的主要组成

在化学实验室经常使用到的机械天平一般都是有以下的配件组成的：传动配件、游码标尺、阻尼、读数显示、吊装配件、横梁、底板、外罩和砝码等。

（三）机械天平的主要应用领域

机械天平作为一种较为精密的计量工具，可以准确的测量出物体的实际质量，目前在化工电子、冶金能源、卫生医疗、国防科研等单位得到了广泛的应用。

二、测量不确定度的概述

（一）不确定度的定义

在实验对象测量的过程中一直存在着一定的误差，即使再精准的计量工具也是存在一定的计量误差，工作人人员通过对误差之间的差值对被测对象的物体质量进行评价。也就是说测量结果的误差一般是通过物体的真实质量和测量的实际质量之间的差值来表示，由于物体的质量是一个理想的标准值，无论在怎样精准的计量工具还是无法测量出该物体的真实质量，测量的结果也不能用测量的误差来进行标注，因此在1980年国际计量局统一规定了测量结果的误差表示方式，也就是不确定度，在1993年国际计量局颁发了全球计量不确定度的标注规定，简称为GUM，这样全世界在计量物体质量的时候，就可以进行准确的表述了。

（二）不确定度的主要来源

不确定度主要是表示被动对象测量结果的测量误差，测量的数据结果精准度和可靠性的一个对应指标，不确定度目前已经是所有计量工具中不可或缺的一种计量辅助参数。其中不确定度也会根据对应的计量工具进行计算出来的，不确定度通过数据信息就可以表述出来，根据不确定度的数值信息，我们可以对测量的结果进行评定，数值越小说明该计量工具测量的数据结果精准性越高，反之不确定度的数值越大则说明计量的结果精准性越差[2]。

在物品测量的过程中任何可能产生误差的因素，都会影响到该计量单位的不确定度，在实验操作的过程中为了更好的分析出不确定度的来源，工作人员一般会在一个规定标准的环境下对特定的因素进行调整，从而分析最终测量的实验结果。目前在计量工具使用的过程中影响不确定数值的变化的主要因素有以下几种：人为操作的误差、实验环境的误差、计量工具的设备误差、计量方法的误差和样本的采集误差等等。

三、机械天平测量200g砝码的不确定度分析

（一）测量仪器的确定

在检验机械天平的不确定度过程中主要是依据我国以及颁布的JJG99-2006《砝码》检测的规章制度，为了针对性的检测出某一类的机械天平的不确定度，我们选定目前上海市天平仪器制造厂生产的TG328b型号的机械天平进行研究分析，实验测量的实验标准就是我国目前规定的200g砝码，所有的砝码登记均为F1等级标准，而被测的物体就是F2等级的200g砝码[3]。

（二）实验环境的确定

为了确保实验测量的准确性，必须对可能会影响到机械天平的所有因素，进行标准的控制。首先就是实验工作人员的着装因素，所有的实验工作人员都必须穿戴规定的实验衣帽，并且在实验进行的过程中所有实验步骤都要严格的依照规定设计的流程进行，并且机械天平的测量流程也必须严格的按我国天平测量的标准来进行。另外还有就是将实验室的温度、湿度等进行严格的控制，其中要将实验的温度控制到24摄氏度的恒温，实验室的湿度要控制在百分之六十左右，并且实验室的标准环境要保持在四个小时以上。

（三）测量200g砝码不确定度的数据结果

如表一所示在标准的实验环境下，重复了进行了六次200g砝码的天平测量，最后就是需要对测量的数据进行不确定度的计算。

（四）不确定度的计算

在计算机械天平的不确定度的时候，有四种不同的计算方式，分别是A类不确定度的计算方式、B类标准的不确定度计算、合成标准的计算方式、扩展的不确定度计算方式。上述中的A类和B类不确定度的计算方式，都是依据国家计量不确定度的分类进行计算的，其中合成标准的计算是对A类和B类的不确定度数值进行平方总和，最后在进行开平方的方式进行计算，得到的算术平方根就是该机械天平的不确定度数值。还有一种就是扩展不确定度的测量，主要是给机械天平再出厂的时候会附带一个参数因子，这个因子以一个较高概率的方式出现在机械天平测量的所有结果当中，通过合成标准的不确定数值乘以出厂是附带的参数因子，就可以得到该机械天平的扩展不确定度[4]。

四、可能影响机械天平不确定度数值的因素

由于机械天平是运用的杠杆原理进行物体的测量，因此在测量的过程中机械天平杠杆稳定性直接影响到实验测量结构的精准性，进而影响到该机械天平的不确定度。在机械天平测量的过程中主要有以下几种不稳定误差。

在机械天平测量的过程要使得两端的物体质量相同，就要保障天平杠杆的平衡稳定，在天平杠杆受到外部的干扰之后，出现了较小的误差浮动，并且杠杆逐渐趋于稳定平衡的，這个时候测量出的数据结果具有一定的稳定平衡误差，该误差对天平的不确定度影响较小。还有一种就是指天平在平衡的状态下，受到了外部砝码的影响，出现了一定的浮动，并且在浮动的过程中天平的杠杆一直不能处于一个平衡的状态下，出现这样的情况被称为不稳定平衡，对该机械天平的不确定度的数值影响比较大。还有一种就是该机械天平在平衡的状态下受到了外部的干扰，发生了一定的扰动，但是在任意的一种状态下该天平可以保持一种平衡的状态，我们将这种情况称为随遇平衡，该种平衡状态对该机械天平的不确定度数值也具有一定的影响[5]。

五、结束语

在测量200g砝码的时候，发现TG328b型号的机械天平的不确定数值还不高，说明该机械天平在实际使用的过程中具有一定的可信度。

参考文献：

[1]孟莉萍，李园，保莉.机械天平测量200g砝码的不确定度分析[J].计量与测试技术，2017，4412：100-101.