Этот обзор – прежде всего интересный экскурс в историю развития весоизмерительной техники и лабораторных весов в частности. Современные лабораторные весы – очень сложное техническое устройство, это передовые разработки в области физики, химии, электроники и механики. Мы живём в эпоху, когда появились технические средства, которые позволяют практически “увидеть” отдельную молекулу вещества. Но наука и техника не стоит на месте, появляются средства, с помощью которых можно и взвесить мельчайшие частички веществ, причём в разных физических условиях.
Автоматические самопишущие лабораторные весы: история
Долгое время стояла проблема с созданием эталонных копий мер весов, вернее, их повторением. Технические и весоизмерительные средства не позволяли с необходимой точностью воспроизводить эталоны мер.
Сейчас прогресс шагнул далеко вперёд, стоит проблема уже с сохранением веса самих эталонов как характеристик меры. Стоит протереть эталонную гирю салфеткой, как она потеряет (или приобретёт) часть массы. Как с этим бороться? Как создать устройство, которое будет всегда точно измерять массу вещества с заданной погрешностью вне зависимости от срока службы и условий среды? Ответы на эти вопросы постоянно ищут учёные-теоретики, а инженеры-практики успешно внедряют новые разработки в области весоизмерения.
Автоматические и самопишущие приборы – лабораторные весы – получили широкое распространение для многих видов лабораторных измерений (электрические и тепловые измерения, газовый анализ, определение физических свойств материалов и пр.) и лишь одна из самых трудоемких операций – точное взвешивание – была автоматизирована только с середины прошлого века.
Только в 1954 г., с опубликованием монографии Дуваля, в которой сообщалось о термовесах (далее по тексту: термовесами называются весы, служащие для автоматической регистрации изменения массы тела, помешенного в нагревательное или охлаждающее устройство) Шевенара (Франция), внимание химиков, работающих во многих отраслях науки, было привлечено к возможности использования автоматических самопишущих весов. Уже к середине прошлого века в Америке, Англии, Швейцарии, Франции и Западной Германии выпускалось более 18 типов таких устройств, широко применяемых в подавляющем большинстве отраслей науки и техники.
В настоящем обзоре описываются типы автоматических самопишущих весов, которые положили начало современным лабораторным весам, излагаются принципы их работы и указываются области их применения. В приложении приведены некоторые технические характеристики данных приборов.
Принципы работы
Важнейшими требованиями, предъявляемыми к автоматическим и непрерывно записывающим весам, являются:
- Высокая точность и чувствительность;
- Постоянство показаний;
- Большая производительность;
- Прочность конструкции;
- Нечувствительность к изменениям температуры.
Кроме того, самопишущие весы должны:
- Обладать достаточным диапазоном измерений, высокой степенью стабильности;
- Быстро реагировать на изменение веса;
- Быть мало чувствительными к вибрации;
- Иметь достаточно простую конструкцию с тем, чтобы их стоимость и расходы на ремонт были минимальными.
Весы должны быть простыми в обращении и достаточно универсальными, т. е. устроены так, чтобы при наличии такого дополнительного оборудования, как прободержатели, нагревательные и охлаждающие устройства, вакуумные и контролирующие атмосферное влияние витрины, их можно было применять в самых различных областях лабораторных работ.
По принципу действия различают:
- Весы с компенсационным (нулевым) методом измерения, у которых усилие, восстанавливающее равновесие, пропорционально изменению массы пробы;
- Весы с непосредственным методом измерения, у которых отклонение коромысла пропорционально изменению массы пробы.
Схематически эти весы представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Весы с компенсационным (нулевым) методом измерения. Компенсирующее усилие, пропорциональное изменению массы. Нуль-детектор может быть оптическим (электронным), механическим, электромеханическим, электрическим или радиоактивным
Весы с компенсационным методом измерения (рис. 1) содержат в себе чувствительный элемент, измеряющий угол отклонения коромысла от положения равновесия и воздействующий на соответствующий серводвигатель, с помощью которого к коромыслу прилагается компенсирующее усилие (электрическая или механическая весовая нагрузка, возвращающая коромысло в положение равновесия). Это компенсирующее усилие, пропорциональное изменению массы пробы, записывается непосредственно или через электрический преобразователь.
Рис. 2. Весы с непосредственным методом измерения. Отклонение коромысла пропорционально изменению массы
В весах с непосредственным методом измерения (рис. 2) отклонения коромысла весов от положения равновесия записываются в виде кривых электрических сигналов, вырабатываемых специальными преобразователями, которые измеряют отклонения коромысла.
К этому же типу весов относятся:
- Пружинные, в которых изменения массы вызывают сжатие или растяжение спиральной пружины, автоматически регистрируемое соответствующими преобразователями;
- Консольные, у которых один конец коромысла неподвижен, в то время как другой конец, на который подвешивается проба, свободно отклоняется;
- Крутильные, у которых величина нагрузки измеряется по усилию закручивания опорной нити, неподвижно укрепленной на одном или концах так, что отклонения коромысла пропорциональны изменениям массы пробы и упругим характеристикам нити.
Для измерения и записи отклонения коромысла весов с компенсационным методом измерения от положения равновесия могут быть использованы электронные или электромеханические устройства.
Устройства для измерения и записи отклонений коромысла весов, пропорциональных массе пробы, могут быть подразделены на:
А) Оптические:
- Источник света – затвор – фотоэлемент;
- Источник света – зеркало – фотоэлемент (фотографическая бумага).
Б) Электронные:
- Емкостный мост;
- Взаимоиндукция: катушка-пластина, катушка – катушка;
- Дифференциальный трансформатор или преобразователь магнитной проводимости;
- Счетчик Гейгера;
- Электротензодатчик.
В) Механические:
- Перо, электромеханические подсоединенное к кулонметру на коромысле весов.
В основу фотоэлектрических и фотомеханических устройств положен принцип изменения освещенности фотоэлемента при колебаниях коромысла.
Устройство состоит из источника света, промежуточного затвора и одинарного или сдвоенного фотоэлемента. Затвор, прикрепленный к коромыслу весов, при колебаниях коромысла пересекает световой луч и усиливает либо ослабляет освещенность фотоэлемента. В результате изменяется величина тока, поступающего из фотоэлемента, используемого для того, чтобы с помощью электронного или электромеханического устройства восстановить равновесие. Для этой же цели может быть использовано зеркало, укрепленное на коромысле весов, которое при колебаниях коромысла отражает световой луч на фотокатоды сдвоенного фотоэлемента.
Помимо вышеописанного фотоэлектрического способа изменение угла отклонения коромысла может быть зафиксировано с помощью измерения:
- Емкости конденсатора;
- Индуктивной связи между пластинами или катушками;
- Выходного напряжения дифференциального трансформатора;
- Интенсивности потока ядерного излучения;
- Выходного напряжения электротензодатчика.
В весах, сконструированных по одному из этих принципов, один из элементов преобразующей системы укрепляется на коромысле, а другой элемент остается неподвижным.
Менее удобные электромеханические устройства состоят из чувствительного элемента, который через специальные релейные устройства и сервомотор приводят в действие самопишущий потенциометр.
После измерения угла отклонении коромысло приводится в равновесие одним на указанных ниже методов.
А) Механические:
- Добавление или снятие гирь или передвижение рейтера по рейтерной шкале;
- Дифференциальное или непрерывное приложение усилия, закручивающего опорную нить или плоскую спиральную пружину;
- Дифференциальное или непрерывное изменение веса цепочки, подвешенной к коромыслу;
- Дифференциальное изменение гидростатической силы (плавучесть);
- Дифференциальное изменение давления (гидравлика).
Б) Электромагнитные:
- Катушка – якорь;
- Катушка – магнит;
- Катушка – катушка.
В) Электрохимические:
- Кулонметрическое растворение или отложение металла на электроде, подвешенном к коромыслу или кулонметру.
Необходимое для восстановления равновесия усилие может быть приложено электронным или электромеханическим способом.
Электронным компенсирующим устройством является соленоид, внутри которого свободно перемещается якорь, подвешенный к коромыслу. Через обмотку соленоида пропускается ток такой величины, чтобы коромысло оставалось в равновесии. Этот ток может быть получен непосредственно из нуль-детекторной схемы или с помощью автоматического потенциометра. Компенсирующее усилие может быть получено также в результате взаимодействия катушки (или постоянного магнита), которая находится под встречно включенной катушкой, прикрепленной к коромыслу весов; необходимый ток может быть подведен таким же способом к вышеупомянутому соленоиду.
Механический способ нагрузки осуществляется с помощью сервопривода, встроенного в обычные аналитические весы с цепочкой. Для восстановления равновесия коромысла после изменений веса пробы применяют либо два сервомотора, либо один реверсивный сервомотор с соответствующими электрическими схемами для работы с нуль-детектором.
Механическое восстановление равновесия может быть получено путем соединения цепочки с коромыслом и автоматическим потенциометром. Компенсирующее усилие может быть также приложено в форме электролитического растворения или отложения металла на электроде, подвешенном на коромысле.
Устройства для записи показаний весов могут быть следующими:
А) Механические:
- Пepo, соединенное с ползунком потенциометра;
- Перо, соединенное с компенсирующей цепочкой;
- Перо или электрическое разрядное острие на коромысла;
- Перо, соединенное с следящим фотоэлектрическим сервоприводом.
Б) Фотографические:
- Источник света – зеркало – фотографическая бумага;
- Барабан – шкала времени.
В) Электронные:
- Ток, возникающий в преобразующей схеме, например, фотоэлементе, дифференциальном трансформаторе, преобразователе с переменной магнитной проницаемостью, тензодатчике, мостике детектора излучения, конденсаторе, индукторе;
- Ток, пропускаемый через катушку электромагнита.