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摘要
實驗室有許多因在秤盤、去皮容器和/或被秤樣品上施加靜電力而導(dǎo)致稱量結(jié)果錯誤的示例。在下列段落中，我們會首先簡要描述這些靜電荷的物理屬性及行為以及稱量時可導(dǎo)致的錯誤大小。我們描述的超越系列分析天平如何檢測這些力以及如何減小和/或消除這些效應(yīng)，以獲得準(zhǔn)確的稱量結(jié)果。

總結(jié)
各種常規(guī)實驗室操作示例表明，靜電力可對待稱材料和秤盤施加力，從而嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。簡短地介紹靜電物理特點后，將回答下列問題：靜電荷如何產(chǎn)生和消散、超越系列分析天平如何檢測現(xiàn)狀、測量誤差有多大以及如何消除這些電荷以獲得正確的測量結(jié)果。

1. 介紹
以下示例描述了在許多實驗室經(jīng)常發(fā)生的情形：
分析天平通常用于將預(yù)定量的粉末加入玻璃燒杯，以制備特定濃度的溶液。
例如，將 100ml 的容量瓶放置在秤盤上。一般情況下，燒杯上可能會產(chǎn)生靜電荷，因此在稱量容器內(nèi)誘發(fā)補(bǔ)充電荷。這會導(dǎo)致產(chǎn)生凈引力。
該凈引力可將燒杯拉下，使之顯得重于實際質(zhì)量；或者會將其向上推，使之變得更輕。在干燥空氣狀況下或者空氣控制的環(huán)境中，例如典型的分析實驗室，通常更容易產(chǎn)生電荷，從而導(dǎo)致更大的誤差源。如果天平顯示穩(wěn)定的稱量值，則用戶通過天平去皮和手動粉末加樣繼續(xù)操作，這是個苛刻、相對耗時的步驟。
任一方向的凈引力都會使用戶加入過多或過少的粉末，從而導(dǎo)致錯誤的zui終溶液濃度。一個典型的示例是，去皮容器上的電荷在一定時間內(nèi)緩慢地釋放至特定環(huán)境內(nèi)，使用戶繼續(xù)添加過多的粉末，從而導(dǎo)致更大的稱量誤差。zui終溶液濃度將變得非常高，在某些分析測量條件下可產(chǎn)生明顯的效果，導(dǎo)致超差 (OOS) 結(jié)果，甚至大量的重新測試工作。
稱量少量樣品加入大玻璃容器或塑料容器中，這是靜電荷顯著增加稱量結(jié)果誤差的典型情況。

2. 靜電荷的物理效果 - 何時的條件特別關(guān)鍵？
2.1 靜電力
庫侖定律 [1] 指出電荷施加的相互作用力 FE 表示為：
FE = 1 Q1 Q2 或者簡化為 FE = ke Q1 Q2 [1]
4πε0εr r2 r2
其中：ke 是庫侖常數(shù)
Q 代表兩個物體上的單獨電荷
r 是物體之間的距離
ε0 & εr 是和相對介電常數(shù)

2.2 稱量過程中的靜電力
天平或待稱材料/ 容器上的電荷會產(chǎn)生靜電力。天平測量該力的垂直分量，并將其作為相對于質(zhì)量 Δm 的
質(zhì)量，由以下等式得出：
FE = g Δ m [2]
其中，g 是萬有引力常數(shù)。
這樣，結(jié)合 [1] 和 [2]，并考慮到質(zhì)量變化（或者對于稱量結(jié)果的總體影響），等式成為：
Δ m = 1
( ke . Q1 Q2 ) [3]

物體（例如，稱量容器）如何產(chǎn)生靜電荷？摩擦是產(chǎn)生靜電荷的zui常見方式。所有人當(dāng)然會記得物理課上做的實驗：將玻璃棒與布子摩擦?xí)〖埰蛭鹉^上的頭發(fā)。

可導(dǎo)致物體帶電的典型的實驗室操作包括使用布子擦干玻璃燒杯、佩戴一次性手套接觸測量燒杯。即使從塑料袋中取出實驗容器或者向該容器填充松散的材料，這也足以產(chǎn)生可測量的靜電荷。
靜電荷會隨著時間的流逝而消散。絕緣體的絕緣性能差則消散的速度很快，反之則很慢。大多數(shù)實驗容器和雜物由硼硅酸鹽玻璃制成，這是非常良好的絕緣體。在生產(chǎn)許多實驗室物品時使用的所有塑料都如此。
即使常見的玻璃觀察窗（鈉硅酸鹽玻璃）在干燥條件下也是良好的絕緣體。

2.3 電荷消散
帶電體的表面?zhèn)鲗?dǎo)性是影響靜電荷消散率的重要因素之一：表面?zhèn)鲗?dǎo)性越高則靜電荷消散速度越快。除了材料的內(nèi)在屬性外，表面?zhèn)鲗?dǎo)性還在很大程度上取決于空氣濕度和表面污染程度。在冬季空氣濕度低于45% 的加熱房間操作時需格外謹(jǐn)慎。即使如此，許多塑料在非常潮濕的空氣中仍然是*的絕緣體。如果重復(fù)稱量相同的樣品產(chǎn)生不同的結(jié)果，或者如果所測得的值發(fā)生偏離，這通常意味著靜電荷消散。結(jié)果，庫侖力的垂直分量持續(xù)改變，使測量變得困難。

污染、相對濕度和所用材料會影響電荷消散的時間常數(shù)。根據(jù)條件不同，電荷消散需要花費幾秒鐘至幾分鐘時間。在相對濕度為 20% 或更低的干燥受控環(huán)境中，待秤材料上的電荷可持續(xù)多個小時。
3. 靜電力及其對稱量準(zhǔn)確性的影響
利用稱量塑料容器內(nèi)的樣品進(jìn)行實驗顯示大約幾毫克的測量誤差；根據(jù)公式 [1]，這歸因于庫侖力 FE。但是，在某些場合可能會出現(xiàn)zui高 100mg 的誤差。因此，在稱量小樣品時可能會發(fā)生嚴(yán)重誤差。這一情況通常表現(xiàn)為稱量值的漂移，以及無法獲得可重復(fù)的稱量結(jié)果。通常采用合適的去靜電措施（例如，使用離子發(fā)生器或讓電荷自然消散）可抵消此擾動。但是在某些情況下（例如，當(dāng)獲得了穩(wěn)定的稱量值并產(chǎn)生凈靜電荷時）問題很難或者根本注意不到。

在任何場合，自動檢測靜電荷對稱量結(jié)果造成的外部影響使天平操作更加簡單、可靠，這已成為稱量技術(shù)的一大重要突破。

4. 超越系列分析天平如何檢測靜電荷
內(nèi)置于天平的同心電極位于接地秤盤的下方。在檢測階段使用振幅為大約 60V、頻率為 1.2Hz 的交流
方波。
方波的正半周期在電極上生成正電荷載子。如果待稱材料無電荷載子，則不會由于公式 [1] 而產(chǎn)生靜電力；
稱量單元會測量樣品的實際質(zhì)量。
如果樣品的電荷為負(fù)，則在帶有負(fù)電荷的待稱材料和電極之間產(chǎn)生瞬間吸引力。稱量單元記錄該力的垂直分量，導(dǎo)致結(jié)果超出實際質(zhì)量。該案例如圖 3a 所示。靜電場改變下半周期的符號，因為在電極上生成負(fù)電荷載子。此時，待測材料與電極之間相互排斥（圖 3b），使測量結(jié)果變得低于有效質(zhì)量。使用相關(guān)因子通過兩個值之間的差別測定潛在的測量誤差（圖 4）。圖 4 顯示說明此關(guān)系的測量值。
使用帶正電荷的樣品時，則力呈反向。

采用鎖定或同步檢測技術(shù)的智能信號處理過程可改進(jìn)信噪比并抑制干擾。僅以電荷發(fā)生器的激勵頻率進(jìn)行電荷傳感測量。由于選擇了*的頻率，測量過程僅用數(shù)秒時間并且是在通常的天平穩(wěn)定時間內(nèi)，因此不會減慢用戶的工作。

圖 4：測量值顯示幾十年來實際稱量誤差之間的良好關(guān)聯(lián)性。這些點代表使用置于秤盤上不同位置、攜帶不同電荷水平的各種稱量容器進(jìn)行測量。對電荷傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以便實際誤差不超出標(biāo)示誤差。

還存在其他檢測是否帶有靜電荷的方法。但是，這些方法的共同缺點是無法評估靜電荷影響稱量值的程度。
公式 [1] 清楚地說明兩個電荷之間的相互作用力還取決于二者的距離； 因此該力在很大程度上取決于其空間接近性。只有這里列出的測量技術(shù)方可彌補(bǔ)這一差距。
與其他方法比較，該測量技術(shù)對靜電干擾也很敏感。

5. 超越系列天平新的“ StaticDetect™” 功能
樣品置于秤盤上后，超越系列分析天平自動開始靜電檢測周期，并在發(fā)現(xiàn)待稱材料帶有電荷時向用戶發(fā)出警告。用戶可選擇檢測極限值（單位：g）。第 4 節(jié)中描述的額外步驟不會延誤稱量結(jié)果的顯示。
在測量過程中藍(lán)色狀態(tài)指示器亮。之后會出現(xiàn)兩種可能的結(jié)果：

• 狀態(tài)指示器關(guān)閉：稱量值正確，不會因靜電荷而產(chǎn)生誤差。
• 狀態(tài)顯示器開始閃爍：警告靜電荷已明顯影響到稱量結(jié)果，顯示屏?xí)@示錯誤程度。需要采取適當(dāng)?shù)娜レo電措施（參見第 6 部分）以確保準(zhǔn)確性。

6. 避免靜電力導(dǎo)致稱量誤差的措施
1) 防止靜電荷積聚：
a) 使用具有導(dǎo)電性或結(jié)合非靜電處理的材料；
b) 在處理時，（根據(jù)摩擦電序）避免不同材料之間相互接觸；
c) 使接觸面接地；
d) 提 高空氣濕度。在冬季加熱（干燥）的房間頻繁產(chǎn)生靜電荷。在空調(diào)房間，相應(yīng)地設(shè)置空調(diào)裝置（ 45-60%
相對濕度）可提供補(bǔ)償。
2) 減少靜電荷產(chǎn)生的力：
a) 將待稱材料置于秤盤上的法拉第籠內(nèi)來屏蔽電荷。例如，使用梅特勒- 托利多經(jīng)過驗證的易巧稱量
件去皮容器支架；
b) 使用更小的去皮容器；
c) 將待稱材料放到秤盤中央，確保盡可能少的隆起部分超出邊緣；
d) 使用輕質(zhì)的導(dǎo)電襯底增加去皮容器和稱量區(qū)域表面之間的距離。
3) 消散靜電電荷：
a) 使用梅特勒- 托利多的去靜電裝置電離空氣。所有的梅特勒- 托利多去靜電裝置均使用 交流電 (AC)
離子發(fā)生器適用于容器和樣品的*放電，無干擾氣流。
b) 使用去靜電槍，盡管市面上銷售產(chǎn)品并非全部有效；
c) 使用放射性來源（釙 -210，微弱的 X 射線源等）電離空氣，盡管這些測量需遵守特定國家的規(guī)定；
d) 使天平（秤盤）接地。所有配備三針腳電源插頭的梅特勒- 托利多天平都自動接地。

結(jié)論
自動檢測由靜電荷導(dǎo)致的擾動可使天平操作更加簡單、可靠，這已成為稱量技術(shù)的一大重要突破。通過將現(xiàn)有的稱量單元用于檢測，天平不僅可識別待稱材料上的靜電荷，而且也可通過考慮的幾何形狀提供有關(guān)測量誤差大小的詳細(xì)信息。這可顯著提高稱量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
用戶應(yīng)當(dāng)采用現(xiàn)有的補(bǔ)救措施抑制待稱材料或去皮容器上的靜電荷（參考去靜電措施白皮書）, 例如，減小物體尺寸和表面電阻、屏蔽電場（使用易巧稱量組件）、提高空氣的相對濕度或使用專門的電離設(shè)備。