История происхождения и развития моделей весов с компенсационным методом измерения
Оден, а несколько позднее Суито и Аракава автоматизировали процесс накладывания гирь, оснастив коромысло весов электродом, который при максимальном отклонении коромысла соприкасается с электрическим контактом в виде капли ртути, приводя этим в действие устройства для помещения на чашку весов гири и для отметок времени помещения гири.
Стародубцев заменил гири чувствительной пружиной, которая одним концом присоединена к коромыслу, а другим концом к эксцентрику, приводимому в движение сервомотором. Когда весы отклоняются от положения равновесия, то между коромыслом и расположенным под ним контактом проходит ток, приводящий в движение сервомотор. При этом эксцентрик поворачивается и натягивает пружину до тех пор, пока равновесие не восстановится. К эксцентрику присоединено перо самописца.
Более совершенной конструкцией автоматических весов являются весы, у которых компенсирующая усилие прилагается с помощью цепочки, подвешенной одним концом к коромыслу, а другим к барабану, приводимому в движение реверсивным сервомотором.
При отклонениях коромысла возникает электрический сигнал, который передается реверсивному сервомотору. Мотор работает в нужном направлении и либо увеличивает, либо уменьшает компенсирующее усилие цепочки, возвращая коромысло в положение равновесия. Изменения массы пробы записываются автоматическим потенциометром, механически соединенным с компенсирующей цепью. Положение ползунка потенциометра показывает напряжение, эквивалентное массе пробы в данный момент.
Весы, основанные на этом принципе, описаны Мюллером и Гарманом, Хайаттом и др., Эвальдом, Таллем, Мюллером и Пеком, Бессером и Пиретом.
Для примера на рис. 1 приведена схема весов Эвальда с компенсирующей цепочкой.
Рис. 1. Самопишущие весы с компенсационным методом измерения, сконструированные из механического гальванометрического самопишущего потенциометра. 1 – чашка для гирь, 2- цепочка, 3 – плечо с коромыслом, 4 – уравновешивающий механизм с моторным приводом, 5 – барабан, 6 – катушка гальванометра и стрелки
Джоунс и Тинклпо также применяли весы с компенсирующей цепочкой, отличающиеся от вышеописанных тем, что для записи показаний в них применён не потенциометр, а ёмкостный мост, одна часть которого смонтирована на коромысле. Сигнал, получаемый от моста, через соответствующее устройство приводит в движение сервомотор, воздействующий на компенсирующую цепочку и самописец. Помимо цепочки эти весы оборудованы устройством, которое автоматически добавляет на чашку гири по 100 мг, в тех случаях, когда коромысло не может быть приведено в равновесие одной цепочкой.
Ломанн применил в своих весах нуль-детектор, построенный по схеме источник света – затвор – фотоэлемент. Затвор, помещённый на стрелке коромысла, в момент равновесия пропускает к фотоэлементу половину максимальной освещённости. С изменением величины освещённости и фотоэлектрического тока сервомотор приводит в движение компенсирующую цепочку и восстанавливает равновесие. Одновременно приводится в движение ползунок мостовой схемы, выход которой пропорционален изменению массы пробы, передаётся на самописец. Эти весы содержат также устройство для увеличения диапазона взвешиваний путём автоматического помещения на чашку стальных шариков.
Аналогичные конструкции разработаны Алленом и Райтом, Калининым и Кузнецовым, Ласатером и др., а также Ральфсом, причём последний разработал специальную приставку, с помощью которой можно автоматизировать обычные аналитические весы.
Известен также ряд конструкций весов, в которых в качестве нуль-детектора используется дифференциальный трансформатор. Такие весы рекомендовали Синклер, Гари, Тестю.
Рис. 2. Вакуумные термовесы Тестю с компенсирующей сервоприводной цепочкой и электромеханическим нуль-детектором. 1 – барабан самописца, 2 – латунный кожух, 3 – противовес, 4 – золотая призма, 5 – реверсор, 6 – противовес, 7 – крышка из плексигласа, 8 – лабораторная трубка
Во многих конструкциях весов применялось электромагнитное компенсирующее устройство, основанное на взаимодействии между катушками, из которых одна укреплена на коромысле весов, а другая (неподвижная) на станине весов. Одна из катушек может быть заменена постоянным магнитом, пластиной или якорем. Электромагнитное компенсирующее устройство работает более плавно и обладает большей разрешающей способностью по сравнению с цепным устройством.
Предвестником аналитических весов являются весы, описанные Ангстремом в 1895 г. Этот прибор представляет собой весы с компенсационным методом измерения. К одному плечу коромысла подвешен постоянный магнит, помещенный в поле неподвижного соленоида. Проба, подвешенная к противоположному плечу коромысла, уравновешивается путем подбора величины тока, проходящего через обмотку соленоида. При изменении массы пробы коромысло вместе с магнитом перемещается, изменяя ток в обмотке. Изменение тока, пропорциональное изменению массы породы, измеряется с помощью зеркального гальванометра.
Аналогичные конструкции весов с некоторыми видоизменениями, вызванными различными условиями взвешивания, были разработаны Урбеном, Блюэттом, Стоком, Брауном, Смитом и Стевенсом, Грутом и Траутнером, Блажеком, Форманеком, Сплитеком, Чижиковым и Гвелесиани, Сведбергом и Ринде, Кутсом и др., усовершенствовавшими весы Одена, Бишопом, Эродом, Шолтеном, а также целым рядом других конструкторов. Для примера на рис. 3 изображена схема вакуумных коромысловых равноплечих весов Эрода электромагнитным компенсирующим устройством.
Рис. 3. Электромагнитные вакуумные термовесы с фотоэлектрическим нуль-детектором. 1 – лампа; 2 – фотоэлементы; 3 – вакуум; 4 – прободержатель; 5 – противовес; 6 – железный якорь; 7 – соленоид
Усовершенствованный вариант весов Эрода выпускался фирмой A.R.А.М во Франции.
На рис. 4 схема самопишущих торзионных весов Вьюига и Гаста. Последние весы выпускались фирмой “Сарториус” (Германия).
Рис 4. Крутильные микровесы с электромагнитным нуль-детектором и компенсирующим усилием (Вьюиг и Гаст). 1 – магнитные катушки (неподвижные); 2 – коромысло; 3 – противовес; 4 – катушка коромысла (подвижная); 5 – опорная нить; 6 – проба
Оригинальную конструкцию бескоромысловых весов с электромагнитным уравновешиванием предложил Кларк. Эта конструкция схематически изображена на рис. 5. Весы состоят из прободержателя, укреплённого на стержне, один конец которого погружен в стакан с маслом, а на другом конце имеется железный сердечник, висящий в воздухе в поле электромагнита. Величина тока в обмотке электромагнита, необходимая для поддержания равновесия, измеряется с помощью затвора, пересекающего световой луч, падающий на два фотоэлемента.
Рис 5. Электромагнитные бескоромысловые весы с поплавком и фотоэлектрическим нуль-детектором. 1 – диск; 2 – источник света; 3 – сердечник трансформатора; 4 – якорь из мягкого железа; 5 – контролирующая заслонка; 6 – фотокатоды; 7 – успокоитель, 8 – масло
