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天平的发展演变

发布时间:2008-05-08 作者:骆钦华 骆英 来源:www.jlbjb.com 浏览:25987

骆钦华  骆英  本期栏目主持人:施昌彦


  天平是最古老的称量物体质量的计量器具,已有4000多年的历史,它经历了一个从简单到复杂、从单一到多样、从低准确度到高准确度的发展演变过程。

  由于它称量精确,所以在古代主要用于称量金银钱币和其它贵重物品。14、15世纪,欧洲资本主义采矿业萌发,分析矿石中金属含量的试金精密天平出现。15~18世纪,近代科学兴起。科学家研究力学、化学、生物学需要更加准确、灵敏的称量质量的天平,研制出许多分析天平、实验室天平。20世纪中,标准偏差达到几微克的千克原器天平,已应用于质量量值传递。经过不断改进提高,国家级千克原器天平的相对标准偏差可达到1×10-9量级水平。

  根据天平的结构原理,可以把天平主要分为四类:即扭力天平(弹性式天平),液体静力天平(浮力天平),杠杆天平,电子天平。扭力天平和液静式天平只用于个别领域,且数量极少;而杠杆天平、电子天平则遍布于需要精确称量物体质量的社会各个领域。从等臂杠杆双盘天平,到替代式杠杆单盘天平,再到电子天平,是天平发展演变的主线,也是本文叙述的重点。    

古代埃及天平

  迄今发现的最古老的天平杠杆(图1),出自上埃及第三王朝,它是带有红颜色的石灰石横梁,长约8.5厘米,中间和两端都有钻孔。上埃及第三王朝时期,约公元前2500年,这一天平杠杆距今已有4500年了,如今保存在伦敦科学博物馆。这种天平还明显保留着原始天平的主要缺陷:横梁经钻孔穿线作为支点和力点,不仅其等臂性难以保证,而且在其平衡时摩擦阻力大;天平横梁的截面积,从中间到两端相同,横梁相对较重;横梁中间支点高于两端力点过多,使横梁重心相对支点过低。由于这些原因,使天平灵敏度降低,称量准确度也低。这种天平大约能够把被称物称准到1%,甚至更差些。古埃及初期的砝码都是形状粗笨的石质器,后来制成圆筒形或狮子、牛、山羊、鸭子等仿动物形。图特摩斯王朝又称新王朝时期(公元前1570年——前1085年),这一时期古埃及在军事、政治、经济和文化等方面都属于最强盛时期。在出土的图特摩斯三世(公元前1200年——前1085年)的壁画和草纸卷上,有冶炼工场和航海船埠用天平称量金属的画图。自公元前1570年以后的新王朝时代的埃及天平(图2)获得了明显地进步。埃及天平靠水平穿过横梁中点的金属环挂在三角架上,横梁的两端成喇叭形,秤盘由从横梁穿出的绳子悬挂起来,负荷秤盘和砝码秤盘的作用点被固定下来,因此改善了天平的等臂性。横梁截面向两头显著变细,横梁的重量变轻了,天平的灵敏度提高了。特别值得一提的是,由指针和吊线铅锤组成的指示元件,它使得有可能准确地和可重复地校准天平横梁的平衡状态。这种埃及天平已能使称量的分辨力基本上优于被测质量的千分之一。

  在埃及的古迹和苇草纸上保存有大量的等臂杠杆天平形象,说明当时天平的使用已较广泛,同时还说明古代天平已成为公平或公正的象征。图3所示的是位于小亚细亚东部和叙利亚北部的古代部族赫梯人使用的天平,秤盘也是由从横梁水平穿出的绳子悬挂起来,在这点上和埃及的天平有相似之处。以现在分析,这块平面浮雕要表达的主题是“天平与人”,即人心应像天平那样的公平。
    

    图1  古埃及天平    约公元前2500年前

   

    图2  古埃及天平    约公元前1500年后

   

    图3  叙利亚天平    约公元前800年


  古希腊人是自己发明的天平还是从别的民族学来的,至今尚不清楚,但不管怎么说,古希腊人早期的天平很像埃及天平(图4)。但我们知道的是,古希腊人最早开创了衡器理论,阿里斯多德(Aristoteles)、欧几里德(Euklid)和阿基米德(Archimedes)研究了等臂杠杆的平衡问题、天平的稳定性问题、天平灵敏度与杠杆臂长的关系等问题。    [page_break]

中国古代天平

  中国也是世界上使用天平、砝码最早的国家之一。在春秋晚期,用于天平的砝码,有齐国的右伯君铜权、 国铜权。上个世纪50年代,考古工作者,在湖南境内整理发掘两千座楚墓,其中101座春秋末至战国中期的墓中,99座有铜砝码,各墓所出砝码多少不等,最多的10个,最少的1个,共出389个。15座墓有天平,其中2座中的天平是完整的,1座只有天平杆,另外12座只有天平铜盘。完整的天平、砝码(图5),其衡杆为木或竹质扁条形,长(23~27)厘米,杆正中钻一孔,孔内穿丝线作提纽。杆两端内侧0.7厘米处,各有一穿孔,内穿四根丝线,用以系盘。铜盘两个,底略圜,盘的直径(3.8~4.4)厘米,盘重7克,大的重(9~12)克。铜砝码(又称铜环权)为环形,断面大多作圆形,少数作菱形。完整的一套十枚铜环权,最小的一枚相当重1铢,依次为2、3、6、12铢,1、2、4两,半斤、1斤。选择两套完整的铜砝码称重计算,1斤合250.05克,1两15.628克,1铢0.651克。但大多数是铢、两级的小量值砝码。说明这种天平——木衡铜环权主要是用来称量黄金等贵重物品的。当时楚国通行的黄金货币,多铸成长方版状,每版重约1斤,上面压印有十几个带“郢爯”、“陈爯”二字的小方戳。“郢、陈”是地名,“爯”是称量货币。零碎使用时分割成小块,就用这种小型天平称重支付。从现在收集到的当时黄金饰品的计重刻铭上,可以看出当时称量的情况。这种竹、木衡杆天平的称量精细度可以达到1铢的1/4~1/3,相当于今天的0.2克。其称量相对误差在1.3%以内。在当时的生产条件下,1%~1.5%的相对误差已足够应用。从发现的当时铸造环权的铜母范得知,成套铜环权是标准化生产的,易于保证同级砝码量值的一致性。由于社会的需要,技术可行,使这种木衡、铜环权的小型天平在黄金货币流通中得到普遍使用。

  在中国国家博物馆,藏有从安徽寿县出土的两支战国楚铜衡杆(图6)。衡杆扁平,长23.1厘米、高1.3厘米、厚0.35厘米,正中有鼻纽,正面有十等分的刻线。经研究认为,楚铜衡杆天平应该是楚木(竹)小型天平的发展与提高。铜衡杆可用作吊悬式等臂天平,也可在刻线的不同部位悬挂砝码作游砣秤(不等臂天平)使用。衡杆采用铜质,可以悬挂1斤(250克)到2.5斤(625克)的砝码,再加力距的臂比关系,其最大秤量可以达到10斤(2500克)是有可能的。再从已发现的战国、秦、西汉时期的石权、半石权、一百一十斤权、三钧石权(120斤)看,战国、秦、西汉时一种从几十斤到一百多斤的大秤量铜衡杆天平肯定会有的,这可从西汉末年新莽铜衡杆、铜环权上得到证实。

  1925年,我国甘肃定西秤钩驿发现新莽权衡器7件(图7)。权衡器有:铜衡杆一支,长64.74厘米、宽1.6厘米、高3.3厘米,重2442克,衡杆正中顶部有鼻纽,两端底部有悬纽(左端悬纽残),供系绳用。衡杆正面中部刻新莽铭文20行81字;衡钩1个;律权石、律二钧、律九斤、律六斤、律三斤铜环权5个。可看作完整的一套大秤量天平。铜衡杆、石权、九斤权现藏中国国家博物馆;衡钩、二钧、六斤、三斤铜环权现藏台北故宫博物院。

  以上三种类型的古代中国权衡器实物,使我们看到我国自春秋末期至汉代五六百年间,杠杆天平的发展,技术成熟,使用普遍,并逐渐掌握了力距知识,由不等臂天平向杆秤过渡。然而,这三种等臂天平仍保留着上面所述的原始天平的缺陷,称量的相对误差约为1%。
    

    图4  古希腊天平    约公元前560年

   

    图5  中国战国·楚  天平  铜环权

    

    图6  中国战国·楚  铜衡杆    

    图7  中国新莽权衡器  公元9年

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古罗马时代的钱币天平

  罗马帝国建立后的公元1世纪、2世纪,在历史上叫做“罗马和平时期”,当时帝国境内农业、手工业和商业发展起来,海路畅通无阻,陆路四通八达,俗话说“条条大道通罗马”,促进了贸易的发展,帝国同北欧和中国都有往来。由于商人们做生意时需要用天平称量黄金、宝石、钱币及其它贵重物品,钱币天平自此得到较大发展。带游码的等臂杠杆天平(图8,约公元1世纪)是一台在庞贝吉(古罗马城市,后毁于火山爆发)出土的等臂杠杆天平,在它的半边横梁上刻有分度,以便使用游码或游砣,这样可以免用小砝码。

  有资料表明,公元2世纪,产生了精工制作的钱币天平。横梁直径3~4mm,长约150mm。横梁支点为圆形销子,后来被磨成刀形。横梁上安有向上的指针,指针的位置是相对悬挂天平的吊爪(又叫剪子)来观察的。秤盘悬挂在可旋转可振荡的环状铰链上。如此精细制作的天平,可能称量到大约10毫克。公元4世纪,出现了青铜与铁制空心横梁。在特立尔发现的公元4世纪的天平,是铁制空心横梁,上有锐棱形的转动部件、游码和专用秤盘吊钩(此天平现存放在特立尔的莱法州博物馆)。此天平被认为是古代天平技术发展到顶点的一个标志。

  公元476年西罗马帝国灭亡后,东罗马帝国继续独立发展。11世纪末,东罗马帝国内的一些地区工商业相当繁荣。商人们在做生意时,始终带有要称量的贵重金属和钱币。因此总是在腰间栓着的皮包里放上一只可以折叠的小天平(图9)。能折叠的横梁长约13厘米,其上安有向上的指针,称量时由其装饰华丽的吊爪悬挂起来。

  以后,由于商人们做生意逐渐远离家乡,需要使用和称量金币,折叠式天平就显得不够准确了,在埃及发掘到的罗马时代晚期的专用钱币天平(图10),和它的砝码一起,放在木制的箱子里。其横梁是一支整的杠杆,在固定地点使用时,用吊爪把天平挂在立架上。

  由于天平灵敏度的提高,天平操作时的摆动干扰给天平的使用带来不便,于是在天平上装有拉线开关,这是天平最早的制动装置。在操作天平时,通过拉线开关放下和提起秤盘。由于拉线的重坠一般做成狮子形,所以被称作狮子天平(图11)。

  可以看出,在图10的专用钱币天平和图11的狮子天平上,它们横梁的两端被做成鹅颈形的弯曲,以用于方便地调整两力点相对支点的位置,使其处于相同的高度和相等的距离。这反映出天平的设计、制造者对天平横梁的一种深刻理解。

  虽然罗马帝国的钱币天平还是悬挂式的,天平的横梁也还是衡杆式的,但天平的结构在以下几个细节上得到了显著地改进:天平横梁为青铜或铁制,导致天平横梁强度和刚度的增加,因此天平衡杆可做得比较细,为了进一步减轻横梁重量,后来又出现了青铜与铁制空心横梁;横梁的支点为圆形转轴,后来在青铜与铁制空心横梁上又出现了锐棱形的转动部件,这就是天平刀子的前身,进一步减小了横梁平衡时的摩擦阻力;横梁中间支点和两端力点也被调到大致相等的高度,而这正是天平灵敏度不随称量变化而改变的前提条件;在横梁上固定有向上的指针,指针的位置是相对悬挂天平的吊爪来观察,以此来精确调整天平横梁的平衡位置。    

近代初期的试金精密天平

    14、15世纪,欧洲资本主义工商业开始萌发,其中采矿业的发展需要分析矿石中的金属含量,这对矿山生产和金属冶炼有重要意义。所谓试金技术就是用干燥法确定矿石中的金属含量,天平必须灵敏准确,所以在近代初期试金天平得以发展。
    

    图8  古罗马带游码的等臂杠杆天平    约公元1世纪

   

    图9  东罗马帝国折叠式小天平    约公元1200年
    

    图10  罗马时代晚期的专用钱币天平   

    图11  狮子天平


  置于保护罩内的试金天平(图12)和带制动器的试金天平(图13)为两种型号的试金精密天平。图12中的试金精密天平仍为悬挂衡杆式,并配有拉线开关,这和罗马帝国的钱币天平相比在结构上没有太大的变化,它是钱币天平进一步精密化的结果。天平衡杆从中间向两头进一步变细,其支点和两力点为金属刀子或转轴,为了防止外界气流、灰尘、腐蚀和热量对天平的影响,在天平上加了外罩。正是从试金天平开始,天平才被加上了罩子,这也是天平灵敏度明显提高的一个标志。由于天平灵敏度的提高,室内气流的干扰是不可忽略的,只有加上外罩天平才能正常使用。图13的试金精密天平,在结构上取得了明显进步,横梁被安放到立柱上,这比悬挂起来的横梁要稳定得多。另外,由简单的制动器取代拉线开关也是一个不小的进步。试金精密天平的灵敏度进一步提高,它的称量分辨力大约可达到1毫克。    

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近代长臂高精密天平

  17和18世纪兴盛起来的自然科学,唤醒人们对于更加准确和更为灵敏的天平的需求。实验物理学家和化学家们在熟练的机械师的帮助下,自己制造自己使用的测量仪器,成了当时的普遍现象,例如,布莱克、拉瓦锡、卡文迪许等著名科学家研究了定量化学分析方法,同时大大改进了用于化学分析的天平。在试金天平的基础上,研制出供自然科学研究用的天平,后来被称之为分析天平或实验室天平。

  大约在18世纪中叶,首先推导出了可以应用的实用天平理论,为了把这一理论变为现实,设计了横梁相当长的自由摆动式等臂杠杆天平,借此以提高天平的灵敏度。图14中的长臂高精密天平,横梁长52厘米,横梁形状为长菱形,带游码装置。最大秤量为500克。这种规格型式是19世纪里的典型型式。

  除了臂长增加以外,天平在以下几个方面得到划时代地改进:为了增加横梁的强度同时又减轻横梁的重量,横梁自此不再是衡杆式。英国的杰·拉姆斯登(J·Ramsden)在1788年首先设计出的长臂高精密天平(图15)是由两个空心的黄铜截锥组成的横梁。C·贝克长臂天平(图16)是另一种横梁形状的长臂高精密天平,它和图14的长臂高精密天平一样,在不损害横梁强度和刚度的情况下,制造横梁的金属板内部都被挖掉很多,以尽量减轻横梁的重量,提高天平的灵敏度。横梁的支点和两力点不再是转轴而代之锋利的刀子,刀子和与之相配合的刀承先用钢材而后改为玛瑙制作。刀子的精确位置即两力点刀刃相对支点刀刃的平行、等高和等距已可借助调节螺丝进行调整。横梁形状的改变和玛瑙刀子、刀承的运用是提高天平灵敏度和准确度的两个关键所在。中刀承被安在位于天平底板中央的立柱的顶端,天平不用时,由制动装置升起横梁,中刀刃脱离刀承,从而保护中刀刃不受损坏,同时受制动装置控制的盘托可使摇荡的秤盘迅速静止下来。天平横梁中间沿立柱向下安有指针,在立柱的下端安装分度标尺,指针和分度标尺相配合能读出指针摆幅的位置,并据此计算出横梁的平衡位置。在此值得一提的是,分度标尺的应用有重要意义,在此之前,天平是在杠杆处于水平状态下进行称量的,分度标尺的应用,使杠杆倾斜状态下的平衡原理得以应用,利用杠杆倾斜,可以测出被测物体的极小质量,这对于提高天平精密性是很有帮助的。由于以上改进,天平的标尺分度值与最大秤量之比可达10-6数量级。

 然而,长臂高精密天平有其不足之处,即由于横梁摆动的惯性矩大,横梁摆动的相当慢,这种天平需要很长的操作时间。且由于横梁长,其重量也会随之增加,这又限制了天平灵敏度的进一步提高。
    

    图12  试金天平  公元1726年    

    图13  带制动器试金天平
    

    图14  瑞安尼长臂天平  1860年


    

    图15  杰·拉姆斯登长臂高精密天平  1788年  

    图16  贝克长臂天平  1850年

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近代、现代短臂高精密天平

  19世纪,欧洲工业大规模地发展,对实验室工作的要求也随之增长。人们必须以尽可能高的准确度,迅速而又顺利地进行研究试验。1866年,著名的鲍尔·帮奇(Paul Bunge)设计了自由摆动式短臂高精密天平(图17)大大加快了称量过程。其实和长臂天平相比,短臂天平还有其它优点:横梁强度大,不易变形,有利于保持天平灵敏度的恒定;横梁用料少、轻,不仅易于提高天平灵敏度,还可以增加天平的机械稳定性;天平体积小,易于在天平上安装附加装置,如阻尼装置、机械加码装置等。

  玛瑙刀子和刀承的使用,加速了天平精密化的进程,与之相关,短臂高精密天平的制动装置在长臂高精密天平的基础上得到了进一步完善,作为制动装置的一部分,在立柱上方安装了横梁吊耳支架(又叫横梁吊耳托翼),在制动装置的控制下,在天平关闭时,把横梁和吊耳支起,使中刀刃和边刀刃与其刀承脱离接触,以保护刀刃不受损坏;天平开启时,使横梁落下,吊耳加载,并保证在天平反复开、关过程中,中刀刃和边刀刃与其刀承的接触位置不变,以减小天平的示值变动。

  在短臂高精密天平问世后的数十年中,在短臂高精密天平上增加了空气阻尼器、光学投影玻璃标尺和半机械加码装置(图18),使短臂高精密天平取得了根本性的进展,也使杠杆天平取得了划时代的进步。

  空气阻尼器可迅速消退横梁的摆动而使其静止,横梁的平衡位置可由指针停点直接读出,而不需要在指针摆动过程中进行读数计算。空气阻尼器使摆动式天平变成阻尼式天平,不仅可以加快称量速度,而且可以减少指针摆动时读数的疲劳。

  光学投影玻璃标尺(又叫微分标尺)的正式分度一般为100分度,它置于一套光学投影系统中,经光线照亮,放大镜放大,把放大后的标尺影象投影到光屏上进行读数。光学投影玻璃标尺不仅使天平读数清晰、舒适,而且使天平的分辨力显著提高,所谓万分之一天平就是标尺分度值为万分之一克,即0.1毫克,百万分之一天平就是标尺分度值为0.001毫克。天平如此之精密,分度值如此之小,这对普通分度标尺来说是不大可能做到的。

  机械加码装置,代替手工镊子加、取砝码,使加、取砝码变得方便快捷。施加的砝码质量值可以从加码旋钮上读出。最初的机械加码范围为(10~990)毫克,即毫克组砝码,其余克以上的砝码还需人工用镊子加、取,因此叫半机械加码装置。

  在20世纪30年代,短臂高精密天平的可操作性能继续得到改进,其中主要表现在机械加码的施加范围由毫克组扩大到全秤量范围,因此叫全机械加码天平(图19)。发展到这一步,即1930年以后,操作者可以在旋钮的位置上读出所施加砝码的总量,从光屏上读出投影标尺示值,这两者之和正是被称物的质量。
    

    图17  摆动式短臂天平    1866年   

    图18  阻尼式半机械加码光学投影天平    

    图19  阻尼式全机械加码光学投影天平  1938年


  横梁是天平杠杆的载体,是天平的心脏,是提高天平计量性能的最基础条件。短臂高精密天平在横梁的材料、形状结构和刀子等方面得到进一步改进,使天平的准确度达到了空前未有的高度。

  用于天平横梁的材料要刚性大、重量轻、非磁性、耐腐蚀、热膨胀系数小、导热能力好。适于做短臂高精密天平横梁的金属原先多用钢、铜合金,后来逐渐倾向于用轻金属,如铝合金、钛等。钢、铜合金、铝合金各能部分满足上述条件要求,而钛除导热能力外,其余各条要求都能满足,因此钛是天平横梁的理想材料。用钛做横梁的高精密天平,在计量性能和抗干扰能力方面较其它横梁材料的天平明显优越。

  天平横梁的形状和结构,也与横梁的强度、刚度和重量密切相关,同时还关系到横梁的其它品质。例如两臂结构相同即左、右对称的横梁,如等腰三角形横梁,对于温度(包括横梁挠度)的影响,两臂伸长或缩短的量将是相同的,即臂比保持不变。如果横梁的结构不仅左右对称,上下也对称的话,如菱形横梁,不仅强度和刚度会增强,对温度的影响,除臂比保持不变外,横梁的重心相对中刀刃的距离也应当保持不变,这对于保持天平灵敏度的恒定是有利的。在保证横梁强度和刚度的情况下,使重量尽量减轻,是天平设计者追求的一个目标,为减轻横梁重量,长臂天平和短臂天平在一开始都有用金属杆件加螺丝组装的横梁,后来这种组装式的横梁没有被厂家和用户接受,自此以后的横梁都是用整体材料加工而成的。在这种横梁上,某些部分对于刚度是很重要的,而其余部分例如中性层部分则受的力很小或者一点也没有,如果把它去掉,就会形成一种较轻而刚度却相同的横梁。短臂高精密天平曾出现过种类繁多的形状和规格的横梁,后来逐渐趋于统一。较小秤量(达20克)的天平,多采用桁架形横梁,例如图20所示天平的鲁依普里奇特式横梁。中等秤量(达200克)的天平,多采用桥洞形横梁和等腰三角形横梁,例如上图19所示天平的赛多利斯式横梁和图21摆动式短臂天平所示天平的帮奇式横梁。较大秤量(达5公斤或以上)的天平,多采用菱形横梁、等腰梯形横梁。

  三把刀子是天平横梁上的关键部件,构成杠杆的支点和两力点。短臂高精密天平刀子(包括刀承)原先多用玛瑙制造,后来有的用人造红宝石、人造蓝宝石制造。人造宝石比玛瑙硬度高、组织紧密、刚性大,加工成的刀子会更锋利、光滑和耐磨。

  通常的实验室短臂高精密天平,可使标牌分度值与最大称量之比达到10-7数量级。等臂杠杆短臂高精密天平,曾经是规格型号最多和使用最为广泛的天平,在我国直至目前,不少地方仍在使用它。
    

    图20  鲁依普里奇特天平  1890年


    

    图21  摆动式短臂天平  1870年
    

    图22  单盘高精密天平

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现代双刀替代式杠杆单盘高精密天平

  由于等臂杠杆天平的两臂不可能绝对相等,因此不等臂误差是不可避免的。再由于在不同载荷下,天平横梁的变形也会不同,天平三刀刃只能是相对某一载荷调到等高位置,天平灵敏度也还会随着载荷的变化而变化。

  二次世界大战后,替代衡量法(又叫波尔达衡量法)原理的应用为天平的历史谱写了新的篇章。替代衡量法利用已知的砝码替代未知的载荷,单盘天平就是运用替代衡量法而设计的天平(图22)。当天平盘上未放被称物时,天平盘上方的所有机械挂砝码都处于加载状态,当天平盘上放上被称物时,为了保持天平横梁的原有平衡状态,就得减掉等于被称物质量的砝码。由此看来,承重刀刃的总载荷始终不变,这样,天平的灵敏度保持不变。因为始终只用了一个杠杆臂称量,不等臂误差在这里也就不存在了。这就是只有一个秤盘的双刀替代式不等臂杠杆天平的优点。在单盘高精密天平上,人们继续不断地增加新的附加装置,其中值得提及的有:预称装置(又叫粗称装置);机械与光学相结合的数字并列完全直读装置;去皮(容器质量扣除)装置等。预称装置的称量结果就是为精称提供的施加(实际上是减去)的砝码质量值。预称保证精称一次把砝码加(实际上是减)准。由于上述这些装置,单盘高精密天平变成了操作起来极为方便适用的仪器。    

现代高精密电子天平

  现在所说的高精密电子天平就是电磁力补偿式天平(图23)。这种天平利用放大电路来调节位于恒磁铁气隙中通电线圈所产生的力,直到它与被称物体的重力相平衡。调节信号由电感、电容或光电位移传感器发出。这种天平的发展始于20世纪40年代,在20世纪70至80年代进展迅速。高精密电子天平的共同特点是:利用微机来控制数字显示、静态检验、按键去皮、功能检验以及用标准接口输出数据。电子天平使称量大大地自动化,我们只需要把被称物体往秤盘上一放,就能显示出数字式称量结果。

  其实,由安格斯特略姆(K·Angstrm)在1895年提出的电磁力补偿原理,得益于电子技术的进步,在过去数十年中,已经成为精密称量技术的重要基石,其意义完全可以与刀刃支承式杠杆称量原理相比拟。这一原理在著名的制造厂家中已经发展演变出了好几代产品,技术上的成熟已经达到了很高的水平。将来的发展趋势是:提高集成度和电子元件的效能,使结构更为紧凑;提高可靠性和可用性;增加利用键盘操作的计算和显示功能;连接屏幕显示器和数据处理装置;操作提示。此外,也进行着许多基础性的工作,力求把称重传感器的其它物理学原理,应用到实验室天平和分析天平中去。对于载荷大于100㎏的电阻应变式称重传感器和陀螺式称重传感器,以及用于中等载荷的振弦式称重传感器等,将通过工艺上的改进来提高其分辨力,改善温度系数,减小复现性误差。    

原器天平

  实验室天平和分析天平都是大批量生产的。但是对于某些特殊的用途,需要能满足特殊要求的单件天平产品,如原器天平,虽不能代表天平发展演变的一个阶段,却往往能反映出天平所能达到的最高水平。

  国家级计量研究机构需要最大秤量为1千克的原器天平传递质量单位。现在等臂的或不等臂的杠杆天平的标准偏差S已达到几个微克的水平。日本国家计量研究所(NIMJ)通过多年细致的改进,在天平里装入均衡体修正空气密度的变化,以及利用计算机辅助测量,使其等臂杠杆天平达到相对标准偏差Srel=3×10-10

  近些年来,有三项新科研工作取得了以下成果:国际计量局(BIPM)与英国国家物理研究所(NPL)联合开发的一台用弯曲杆元件取代刀子和刀承的杠杆式天平(最大秤量1千克),相对标准偏差Srel<1×10-9;德国物理技术研究院(PTB)研制了按液静称量法工作的质量比较仪(最大秤量1千克),相对标准偏差Srel≤2×10-9;法国国家计量研究院(INM)的一台电动力补偿原理的1千克质量比较仪由梅特勒公司提供,相对标准偏差Srel≤2×10-9

  提到原器天平,人们或许对国际计量局使用的原器天平感兴趣。国际计量局从建立初期就有帮奇(Bunge)原器天平与鲁依普里奇特(Rueprecht)原器天平,这两台天平均为使用高斯双次衡量法(双次交换衡量法)而设计的,曾经是国际计量局进行千克比对的两台主要天平。观察人员在4米远的地方控制砝码交换装置,并从望远镜里观测安装在天平横梁上的平面镜里的刻线,如果天平横梁摆动,刻线就通过一个固定参考点,记下连续到达右边和左边的最大摆幅。这样就可以防止由于观察人员走近而引起的温度变化。

  帮奇天平自1879年开始使用,自从在这个天平上两个国际计量局的工作原器摔了以后(编号为NO.9的工作原器在1949年一次称量准备过程中摔下;而编号为NO.31的工作原器在1951年的一次称量过程中摔下),表明帮奇天平继续使用是有困难的,只好停止使用。
    

    图23  电磁力补偿式天平


  鲁依普里奇特天平,1878年交给国际计量局,在1900~1902年由生产厂在维也纳通盘检查并修理过。经长期使用后,1937年把这台天平送给巴黎的C·郎格(C·Longue)进行检修,他把这台天平成功地恢复到原来的性能。从那时起,又尽量改进其装置,主要改进它的热保护以及天平罩内温度测量的准确度。实际上,自1974年底最后一次修理后,已被用于上千次的称量,即表明横梁的摆动约250000次,开启天平刀刃与刀承接触已重复了约30000次。因此,不管在使用这台天平时多么仔细,可能还是比原来的性能要差一些。1970年国际计量局开始有了一台新的原器天平,这台原器天平的设计完全不同,而且准确度更高,并于1973年开始使用,从此原有的鲁依普里奇特天平的使用逐渐减少。有资料表明,这台新原器天平,是由美国标准局研制的送给国际计量局的,这是一台二刀替代式单盘天平,在替换砝码时,刀刃与刀承不脱离,以免除由于刀刃与刀承接触位置的不重复而带来的称量误差,使天平具有很高的准确度。

  地方计量检定院(所)用于质量量值传递的天平,是从测量不确定度为最小的目标研制的系列天平,例如最大秤量从2克到1吨的系列电子天平。M3到F2级砝码可以用通常的商用电子天平来量传。为了量传F1、E2和E1级砝码,从系列产品中进一步开发出了特殊的质量比较仪,例如:Max=4g,S≈0.2μg;Max=100g,S≈10μg;Max=2㎏,S≈100μg;Max=10㎏,S≈0.2mg;Max=500㎏,S≈100mg等。

  在不少的实验方法中,要求在特殊的环境条件下测定质量或质量的变化。比如:在高温和低温下,在高压和低压下,在高湿和低湿空气中;在特殊的气体氛围(包括腐蚀性气体)中,或者在液体中;在易爆地区,在磁场或静电场中,在有震动影响的工作地点(机器间、船上)。对于这些特殊的用途和环境,有特殊类型的天平,如磁悬浮天平、热天平、真空天平等。在天平本体上还附加有产生并测量所要求的环境条件的装置。它们的称量室具有特殊造型,按用途不同配备加热器、冷却器、真空设备或者送风设备。压力、温度、大气成分等试验参数,由通用的模块型控制和测量电路预置,个别的甚至可以由控制仪表调整这些参量的变化速度。作为输出量而测得的试件的质量(或者是作用于试件的力)是环境参量的函数,也是时间的函数。为了测得、处理和记录这些试验数据,提供了打印机、记录仪、计算机和计算机接口等产品作为附件。
    (本文作者骆钦华、骆英分别为郑州市质量技术监督检验测试中心高级工程师、工程师)

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