что такое рычажные весы
Особенности применения рычажных весов
Во многих странах активно используют рычажные весы при измерениях в лабораториях, научных институтах и других учреждениях. Такой тип весов сложно назвать высокоточными, однако это не мешает их активному использованию в наши дни.
Необходимо учитывать, что купить рычажные весы можно для самых разных целей, в том числе и для лабораторных исследований и работ. Но не всегда требуется высокая точность измерений. Часто оборудования такого типа вполне достаточно для выполнения повседневных задач. Поэтому можно сказать, что, несмотря на незначительные показатели точности измерений, рычажные весы по-прежнему пользуются спросом.
Особенности
Данные весы используются для измерения твердых тел, сыпучих порошков, жидкостей и других предметов. Можно выделить несколько особенностей такого оборудования и специфических условий его использования:
Принцип работы
Рычажные весы имеют довольно простой принцип работы. С одной стороны располагается чаща, в которую помещают предметы подлежащие взвешиванию, а на другой стороне противовес. Для настройки точности используют определенный уровень, поскольку прибор должен устанавливаться ровно.
Работа с таким медицинским оборудованием не представляет особого труда. Необходимо следить за технической исправностью оборудования и если нужно калибровать или вносить коррективы. В целом можно сказать, что для многих областей деятельности такие решение и сегодня являются оптимальными.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Варламов С. Рычажные весы // Квант. — 2003.— № 1. — С. 34-35.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Чтобы сделать хорошие, т.е. чувствительные, весы и обеспечить независимость их чувствительности от массы измеряемого груза, нужно выполнить ряд условий (см. рисунок).
Первое условие. Коромысло с грузом, уравновешенным набором гирь, или без груза должно иметь положение устойчивого равновесия. Это обеспечивается тем обстоятельством, что центр масс коромысла (на рисунке он изображен крестиком в кружочке) находится ниже, чем линия опоры коромысла на подпятник (ось вращения коромысла).
Второе условие. Мгновенная ось вращения коромысла не должна перемещаться относительно подставки. Это достигается выполнением опоры коромысла в виде хорошо заточенной призмы. Опоры чашек на коромысло тоже выполняются в виде заточенных призм, исходя из тех же соображений: оси вращения чашек не должны перемещаться относительно коромысла. При малой площади контакта опоры и подпятника (того места, на которое опирается призма) давление на материал подпятника и на материал самой призмы становится больше.
Третье условие. Подпятники и призмы не должны деформироваться при наличии нагрузки на коромысло. Для этого призмы и подпятники изготавливаются из материалов, обладающих высокой твердостью. В ход идут рубины, алмазы и более дешевые, но твердые материалы.
Четвертое условие. Чувствительность весов не должна зависеть от наличия на чашках уравновешенных грузов. Это обеспечивается конструктивной особенностью весов: мгновенные оси вращения чашек относительно коромысла должны находиться на одинаковом расстоянии от оси вращения коромысла относительно подставки (равноплечие рычажные весы) и, кроме того, все эти три оси должны находиться в одной плоскости. Если это условие выполнено, то любые одинаковые грузы, лежащие на разных чашках, создают относительно оси вращения коромысла суммарный момент сил тяжести, равный нулю. Причем этот момент сил остается равным нулю при любом повороте коромысла относительно подставки весов. Это означает, что положение равновесия коромысла не нарушится, если на обе чашки весов положить одинаковые грузы. И при любых величинах уравновешенных грузов поочередное помещение на каждую из чашек некоторого перегрузка вызовет поворот коромысла на один и тот же угол. Это и соответствует независимости чувствительности весов от груза на чашках.
Заметим, что от суммарной массы грузов зависит период колебаний весов около положения равновесия — чем больше масса, тем больше период. Если, например, суммарная масса грузов на чашках весов равна массе коромысла, период колебаний возрастает примерно вдвое по сравнению с периодом колебаний без грузов на чашках. (Проверьте это самостоятельно и постарайтесь объяснить.)
Для регулировки весов используются несколько пар гаек на стержнях с резьбой, прикрепленных к коромыслу. Перемещение гаек на концах коромысла позволяет изменять положение центра масс по горизонтали. Одна из пар гаек перемешается вдоль стрелки, прикрепленной к коромыслу, и обеспечивает изменение расстояния от оси вращения коромысла до центра масс коромысла.
А теперь рассмотрим школьные равноплечие весы. Пусть масса их коромысла равна М = 200 г, расстояние от оси вращения каждой из чашек до оси вращения коромысла равно a = 20 см, а расстояние от оси вращения коромысла до кончика стрелки, прикрепленной к коромыслу, равно b = 20 см. Обсудим три конкретные задачи.
Задача 1. Предположим, что весы настроены так, что перегрузок m = 10 мг на одной из чашек весов вызывает поворот коромысла к новому положению равновесия, причем конец стрелки смещается относительно подставки весов на l = 1 мм. Каково расстояние x от центра масс коромысла до оси его вращения?
Угол поворота коромысла небольшой\[\alpha = \frac
Задача 2. Пара гаек, обеспечивающих настройку весов, имеет массу 1 г. Куда и на какое расстояние нужно переместить гайки, чтобы чувствительность весов стала равной 5 мг?
Масса коромысла 200 г, центр масс находится на расстоянии 2 мм от оси вращения, перемещение гаек должно сократить расстояние между осью вращения и центром масс до 1 мм (это следует из предыдущей задачи). Следовательно, пару гаек массой 1 г нужно переместить вверх на расстояние 200 мм.
Задача 3. Коромысло с чашками без грузов имеет положение равновесия, при котором стрелка отклонена от середины шкалы вправо на 10 мм. Пара регулировочных гаек имеет массу 1 г и в данный момент находится на расстоянии 20 см справа от оси вращения коромысла. В какую сторону и на какое расстояние нужно передвинуть регулировочные гайки, чтобы стрелка в положении равновесия находилась точно в середине шкалы?
Очевидно, что гайки, обозначим их массу m1, следует передвинуть вправо. Это перемещение ΔL должно привести к изменению момента силы тяжести относительно оси вращения коромысла на величину, равную моменту сил, возникающему при помещении на чашку весов перегрузка массой m = 100 мг (мы воспользовались результатами задачи 1):
\(m_1 \cdot g \cdot \Delta L = m \cdot g \cdot a.\)
Что такое рычажные весы
Весы́ — устройство или прибор для определения массы тел (взвешивания) по действующему на них весу, приближённо считая его равным силе тяжести. Вес тела может быть определён как через сравнение с весом эталонной массы (как в рычажных весах), так и через измерение этой силы через другие физические величины.
Содержание
История весов
История весов датируется пятым тысячелетием до нашей эры. Именно такой возраст весам дали археологи, проводившие раскопки в Месопотамии. А вот первое документальное упоминанием о весах отражено на папирусе в древнеегипетской «Книге мёртвых» примерно 1250 года до нашей эры. В документе речь идёт о весах, в виде равноплечего коромысла, с помощью которых взвешивалось сердце усопшего богом Анибусом. На одну чашу весов в качестве груза ставилась статуэтка богини правосудия Маат, на другое клалось сердце усопшего. Если «правосудие» перевешивало, то душа отправлялась в рай, если перевешивало сердце, то душа отправлялась в ад. Равноплечие весы так же применялись в Древнем Вавилоне.
Еще один памятник древних весов – каменная стела в Турции в виде древнего народа хетта, датируемая первым тысячелетием до нашей эры. Вместо коромысла использовался палец.
Далее история весов приводит яркие примеры неравноплечих весов с передвижной гирей, появившихся позднее. В весах реализован новый принцип измерения массы: гиря передвигается, при этом точка опоры привеса не изменяются. Спустя время, в четвертом век до н.э., Аристотель выводит теорию о правиле моментов сил. В Древнем Риме появляются первые безмены, имеющие две шкалы и пару крючкообразных ручек.
Первое описание очень точных весов с чашками, погрешность которых составляла на то время 0,1%, были описаны арабским учёным в 12 веке нашей эры. С помощью такого весового оборудования можно было определить плотность тел, выбраковать фальшивые монеты и камни. А в 1586 году Галилеем были сконструированы новые специальные весы гидростатического типа, способные определять плотность тел.
Принцип действия
Классификация по принципу действия
По тому, на каких физических законах основано взвешивание, весы можно разделить на рычажные (основаны на принципе рычага), пружинные (основаны на законе Гука, например, ручные пружинные весы), тензометрические (основаны на преобразовании деформации тензодатчика), гидростатические (основаны на действии архимедовой силы, применяются для измерения плотностей тел), гидравлические.
Принцип действия рычажных весов
При нулевой высоте треугольника h=0 (как это иногда рисуют в некоторых статьях) коромысло из треугольника превращается в прямую линию. При повороте прямого коромысла длина плеч изменяется одинаково, соотношение l1/l2 не изменяется и равновесие не устанавливается. Такое устройство соответствует состоянию безразличного равновесия. При взвешивании на эквилибре положения устойчивого равновесия нет и равновесие определяют по безразличному положению коромысла при ручном отклонении влево и вправо.
Если точка опоры находится ниже точек подвеса, то такое устройство работает как компаратор или триггер, т.е. определяет только какая из двух масс больше, а какая меньше (качество). Такое устройство соответствует состоянию неустойчивого равновесия.
Условия равновесия совсем другие,чем равноплечных весах. Одногиревые разноплечные весы, уменьшают число гирь (разновесов) и вероятность их потери, то есть, имеют повышенную надёжность, но имеют сильно уменьшенный диапазон взвешиваемых грузов. Шкала весов нелинейна, сжата на краях диапазона весов и растянута в средней части диапазона весов.
Классификация весов
Согласно ГОСТ 29329-92 весы можно подразделить на следующие группы:
По области применения (эксплуатационному назначению):
По точности взвешивания:
По способу установки на месте эксплуатации: встроенные врезные напольные настольные передвижные подвесные стационарные
По виду уравновешивающего устройства:
По виду грузоприемного устройства:
По способу достижения положения равновесия:
В зависимости от вида отсчетного устройства: с аналоговым отсчетным устройством с дискретным отсчетным устройством
ГОСТ 24104-01, который описывает общие технические требования, предъявляемые к лабораторным весам, классифицирует их следующим образом:
По классу точности
Основные параметры весов
Наибольший предел взвешивания (НПВ) — верхняя граница предела взвешивания, определяющая наибольшую массу, измеряемую при одноразовом взвешивании.
Наименьший предел взвешивания (НМПВ) — нижняя граница предела взвешивания, определяется минимальным грузом, при одноразовом взвешивании которого относительная погрешность взвешивания не должна превышать допустимого значения.
Цена деления d — разность значений массы, соответствующих двум соседним отметкам шкалы весов с аналоговым отсчетным устройством, или значение массы, соответствующее дискретности отсчета цифровых весов.
Цена поверочного деления e — условная величина, выраженная в единицах массы, используемая при классификации весов и нормировании требований к ним.
Число поверочных делений n — значение НПВ/e.
Предельно допустимая погрешность измерений определяется ценой поверочного деления e. Обычно производитель весов гарантирует следующее соотношение: d = e. Чем ниже погрешность, тем выше точность измерений.
Погрешность весов в диапазоне измерений по абсолютному значению не должна превышать пределов допускаемой погрешности, приведенных в таблице (ГОСТ 24104-2001):
| Интервалы взвешивания для весов класса точности | Пределы допускаемой погрешности | |||
|---|---|---|---|---|
| специального | высокого | среднего | при первичной поверке | в эксплуатации |
| До 50000 e включ. | До 5000 e включ. | До 500 e включ. | ± 0,5e | ± 1,0e |
| Св. 50000 e до 200000 e включ. | Св. 5000 e до 20000 e включ. | Св. 500 e до 2000 e включ. | ± 1,0e | ± 2,0e |
| Св. 200000 e | Св. 20000 e | Св. 2000 e | ± 1,5e | ± 3,0e |
Устройство выборки массы тары — устройство, позволяющее привести показания весов к нулю, когда тара помещается на грузоприемное устройство, с уменьшением НПВ на массу тары.
Устройство компенсации массы тары — устройство, позволяющее привести показания весов к нулю, когда тара помещается на грузоприемное устройство, без уменьшения НПВ.
Возможные источники погрешности электронных весов
При использовании высокоточных весов, таких, как весы аналитические или лабораторные, существует вероятность погрешности измерений. Источником таких погрешностей могут стать следующие факторы:
Разновес
Наборы гирь для определённых весов называются разновесом. В зависимости от максимальной и минимальной массы, взвешиваемой на весах, разновес может состоять из большего или меньшего числа элементов.
Современная, наиболее распространённая система численного ряда для разновесов была предложена Д. И. Менделеевым. Она обеспечивает минимальное число операций наложения/снятия гирь на чашки весов при подборе навески. Ранее применялся фунтовый разновес. В него входил набор гирь в 1, 2, 3, 6, 12, 24 и 48 золотников. В таком разновесе ни одна гиря не повторялась, а сумма всех их как раз и составляла один фунт. Фунт подразделялся на 96 золотников, а золотник на 96 долей.
Наборы гирь (разновесы) выпускают разных классов точности. Они подлежат обязательной сертификации и первичной и периодической поверке органами метрологического контроля. Для образцовых и аналитических гирей особое значение имеет материал, применяемый для их изготовления. Для того чтобы гири не изменяли своей массы, необходимо, чтобы материалы для них были
Лабораторные рычажные весы
В лабораториях предприятий, в медицинских учреждений и учебных заведений широко используются лабораторные рычажные весы.
Весы такого типа применяются для взвешиваний, результаты которых не требуют высокой степени точности.
Классификация лабораторных рычажных весов
Все лабораторные весы подразделяются на следующие группы:
Простые рычажные равноплечие весы (двухчашечные) имеют трёхпризменное коромысло, не оборудованы успокоителями и оснащены рейтерными гирями и неименованными отсчётными шкалами (т.е не имеющими цены деления).
Такие весы сейчас почти не эксплуатируются. Объясняется это наличием целого ряда недостатков:
Параметры общелабораторных весов
Параметры / Тип весов
Равноплечные весы с успокоителями
Весы указанных моделей пришли на смену простым весам. Чаще всего их оборудуют воздушными успокоителями, встроенными гирями и именованными проекционные шкалами. Такие весы имеют размещённое на одной опоре коромысло и пару грузоприёмных призм. Посредством серег и подушек к призмам подвешиваются грузоприёмные чаши. В конструкцию весов входят также траверсы для миллиграммовых гирь, встроенных в весы (у весов предыдущей группы этого нет).
Коромысло выполняется из чугуна либо сплава алюминия, а подушки и призмы – из корунда, агата, высокопрочной стали.
В целях предупреждения поломок подушек и призм, снижения степени их износа в конструкцию весов встраивается арретир, который налагает ограничения на амплитуду колебаний, имеющихся у коромысла.
Вторым прибором, используемым совместно с арретиром, является изолир. С его помощью обе призмы отделяются от своих подушек.
Использование встроенных гирь не просто ускоряет и упрощает взвешивание, но и позволяет добиться более высокой точности весов, т.к погрешность гирь пренебрежимо мала.
Проецируемая на экран весов оптическая шкала дает возможность сократить углы отклонения коромысла и существенно улучшить точность отсчета (с использованием нониуса). Она так же снимает необходимость определять цену деления при взвешивании объектов, различных по массе.
Весы указанной конструкции производительнее обычных равноплечных (на одно взвешивание уходит всего 1-3 минуты). Но в процессе работы на таких весах часто требуется использовать точное взвешивание и учитывать погрешности, возникающие от использования гирь.
Одноплечные рычажные одночашечные весы (с двумя призмами)
На коромысле весов указанного типа закрепляются грузоприёмная и опорная призмы. Кроме чаши для размещения взвешиваемого элемента к грузоприёмной призме крепятся траверсы, имеющие комплект встроенных миллиграммовых и граммовых гирь. Их масса равна НПВ. Чтобы уравновесить коромысла с гирями и чашками, на втором его конце закрепляют противовес.
Чтобы уравновесить коромысло, на чашу которого положен груз, с траверсы убирают гири, суммарная масса которых соответствует массе взвешиваемого тела с точностью до 0,5 ДНОП.
Конструкция указанных весов полностью исключает погрешности, возникающие из-за неравноплечности коромысла. Погрешности встроенных в весы гирь не учитываются, а тела, имеющие различную массу, взвешиваются при единой нагрузке на коромысло. Это повышает точность выполненных измерений.
Для ускорения подбора гирь используют грубое (предварительное) взвешивание. Для этого используется специальное устройство, входящее в комплект таких весов, и представляющее собой рычаг, находящийся под коромыслом, который опирается на пружину. Время взвешивания не более 60 секунд.
В лучших моделях лабораторных аналитических весов с двумя призмами разарретирование и арретирование коромысла выполняются в автоматическом режиме, что позволяет реализовать плавное соприкосновение подушек и призм. В новых моделях таких весов реализован дрейф нуля в ДНОП по проекционной шкале и компенсация тарной нагрузки.
В микроаналитических весах снятие и наложение встроенных гирь автоматизировано. Это позволяет отказаться от выполнения предварительного взвешивания.
Конструкция оснащена дополнительным устройством, которое позволяет выносить чашу за пределы витрины внсов, что делает наложение и удаление взвешиваемого тела более удобным. Данное устройство сблокировано с механизмом открывания и закрывания витрины.
Время одного взвешивания на таких весах не превышает 30 секунд.
Промышленные весы – это одна из наиболее крупных видов весоизмерительного оборудования. Подробнее читайте в этой статье.
Весы с двухпризменным рычагом
Двухпризменный рычаг с низким расположением центра тяжести (относительно точки опоры) заменил в этих весах равноплечное коромысло. Рычаг получил наименование – квадрант. При его отклонении от положения равновесия, которое возникает от воздействия массы взвешиваемого тела, формируется уравновешивающая сила.
Используемый в весах прямой метод измерения позволяет повысить ДНОП до 30-50 % от НПВ, применяя всего одну или пару встроенных гирь, наложение и снятие которых выполняется рукояткой, выступающей из кожуха весов.
Увеличению разрешающей способности квадрантных весов способствует использование проекционной шкалы и оптического нониуса. Минимизация погрешностей, обусловленных неточностью выставления весов по уровню, достигается тем, что на вспомогательном маятнике-рычаге устанавливается объектив оптической системы.
Сокращение времени затухания возникших колебаний рычага и коромысла достигается закреплением экранов магнитных успокоителей. Для компенсации тарных нагрузок используется специальная пружина, связанная одним концом с основанием весов, а вторым – со стойкой, которая несёт грузоприемную площадку.
Лабораторные рычажные весы последних моделей позволяют выполнять взвешивания с требуемой точностью и могут использоваться в любых лабораториях по своему прямому назначению.