重力加速度对电子分析天平的影响及其补偿

　　1　引言

　　质量是国际单位制七个基本单位之一,是力学计量中唯一的基本单位,其准确称量具有重要意义。分析天平是科研与生产中精密质量称量的计量工具,过去使用的主要是机械双盘、单盘分析天平。随着现代电子技术的迅速发展,电子分析天平不断完善,逐步形成取代机械天平之势。电子分析天平具有称量速度快、自动化程度高、智能化功能强等机械天平无可比拟的优越性。电子分析天平主要采用电磁力平衡传感器实现被测质量→重力→电流信号的转换,其测量结果与重力加速度密切相关。而重力加速度的大小与天平使用地点的纬度、海拔高度、地壳密度、地下水变化等诸多因素有关,是随地而变的。因此,电子分析天平必须根据天平的使用地点实施重力加速度补偿。

　　本文全面分析了重力加速度的各种影响因素,推导了电子分析天平的称量输出与地球纬度、海拔高度的函数关系,从而为电子分析天平的重力加速度补偿提供了理论依据。针对内置校准砝码补偿方法的不足,本文提出了一种利用外置校准砝码校准的补偿方法。应用结果表明,这种补偿方法是切实可行的。

　　2　重力加速度的变化因素

　　人们常用的重力加速度实际是标准重力加速度,它是在北纬45°海平面处的重力加速度的惯用值[1]。事实上,重力加速度并非常量,它随着电子分析天平使用地点的变化而不同。重力加速度的这种变化对于质量称量、加速度测量、火箭飞行弹道计算、人造卫星发射等都存在较大的影响,必须引起重视。影响重力加速度的因素是多方面的。

　　2·1　地球纬度的影响

　　地球的旋转使其表面发生变形,赤道膨大,两极变平。因此,在地球的不同纬度处,由于地球引力、惯性离心力的大小及其夹角不同,致使重力加速度g的大小随纬度变化。因地球纬度变化造成的电子分析天平的称量相对误差可达0·6%以上。以作者研制的称量量程为200 g、感量为0·000 1 g的TMP-200电子分析天平为例,因地球纬度变化造成的称量误差最大可达1·223 7 g。

　　2·2　海拔高度的影响

　　地球表面崎岖不平,不同海拔高度的g值不尽相同,垂直高度越高,g值越小。g值随海拔高度增加而减小的数量级约(10-6m/s2)/m。在同一纬度,因为海拔高度不同可以给电子分析天平造成0·2%以上的相对误差。TMP-200电子分析天平因海拔高度不同造成的误差在0·400 0 g以上。

　　2·3　地球内部的影响

　　不同地区地壳密度的不同、同一地区不同季节地下水的变化、地球内部物质在内外力作用下的运动变迁、地震引起的地下物质的重新分布等,都会导致g值改变。上述影响对称量范围为200 g的电子分析天平造成的误差约为0·000 1 g数量级。TMP-200电子分析天平的感量为0·000 1 g,受地球内部的影响并不大;但对于感量为0·000 01 g的微量电子天平,其影响就不可忽略。