Назначения, основные параметры и технические особенности

В зависимости от назначения лабораторные весы разделяются на весы общего назначения, эталонные (образцовые) и специального назначения.

Весы общего назначения предназначены только для взвешивания. Допускается их применение для аттестации и поверки мер массы в случаях, когда весы аттестованы в качестве эталонных (образцовых).

Эталонные (образцовые) весыпредназначены исключительно для поверки и аттестации эталонных (образцовых) гирь и гирь общего назначения.

Лабораторные весы специального назначения — это приборы, основанные на весовом принципе, но предназначенные для определения физических величин, не являющихся массой или весом (газовые весы, гидростатические весы, пурки, весовые влагомеры, молочнопродуктовые весы, весы для измерения маг­нитной восприимчивости материалов).

К весам специальных конструкций относятся весоизмерительные приборы, конструкция которых обладает спецификой, обусловленной особенностями объекта или условий взвешивания, что не позволяет использовать их для определения массы или веса других объектов (каратные весы, пробирные весы, разбраковочные весы, дозирующие весы, весы для взвешивания биологически опасных и взрывоопасных препаратов и т. п.).

В соответствии с требованиями действующих нормативных документов, лабораторные весы должны изготавливаться:

- по способу представления измерительной информации — с аналоговыми и цифровыми отсчетными устройствами. К аналоговым весоизмерительным приборам принадлежат весы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Весы с цифровым отсчетным устройством яв­ляются приборами, автоматически вырабатывающими дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме;

- по степени автоматизации цикла взвешивания — с автоматическим, полуавтоматическим и неавтоматическим уравновешиванием;

- по конструктивным признакам — с именованной шкалой, с неименованной шкалой, с механизмом компенсации (выборки) массы тары, без механизма ком­пенсации массы тары, с верхним расположением грузоприемной площадки (квад­рантные), с нижним расположением грузоприемной площадки (двухпризменные, трехпризменные).

Весы общего назначения механического типа должны изготавливаться исключительно с именованной шкалой.

Важнейшей особенностью конструктивного исполнения лабораторных весов, влияющей на их метрологические и эксплуатационные показатели, является способ выполнения опор весовых рычагов и подвесок. Различают весы с жесткими и упругими опорами. К весам с жесткими опорами относятся призменные весы, к весам с упругими опорами — торсионные и крутильные.

Призменные весы выполняются трех конструктивных исполнений, равноплечные, двухпризменные и квадрантные.

Равноплечные весы являются самыми универсальными приборами для изме­рения массы. На рисунке 12.1 показана схема лаботаторных равноплечных весов.

Она состоит из равноплечего рычага 5 с опорной призмой 4 и двумя концевыми грузоприемными призмами 2. Опорная призма опирается на плоскую подушку 3, неподвижно закрепленную в корпусе. К грузоприемным призмам через плоские подушки 1 подвешены симметричные подвески 10, горизонтальные участки которых служат площадками для помещения груза 9 и гирь 6. К коромыслу 5 прикреплена стрелка 7, снабженная микрошкалой 8. Увеличенное изображение микрошкалы при помощи специальной проекционной системы проецируется на экран отсчетного устройства.

Рисунок 12.1 Схема равноплечных лабораторных весов

Двухпризменныевесы (одноплощадочные), схема которых приведена на рисунке 12.2, представляют собой несимметричный рычаг 4 с опорной призмой 3 и грузоприемной концевой призмой 9. Опорная призма опирается на плоскую подушку 5. На грузоприемную призму 9 через подушку 10 подвешена подвеска 8, снабженная специальной рейкой 7, на которой навешены встроенные гири. На конце противоположного плеча коромысла 4 укреплена микрошкала 6, изображение которой с помощью специальной оптической системы проецируется на экран отсчетного устройства.

В исходном положении (без нагрузки) встроенные гири действуют на подвеску, и коромысло уравновешивается за счет противовеса несимметричного рычага 4. После наложения на чашку груза 11 (на рисунке не показано) равновесие нарушается и для его восстановления с рейки 7 снимают необходимое количество гирь с помощью специального приспособления так,

Рисунок 12.2 - Двухпризменные весы

чтобы их суммарная масса приблизительно соответствовала массе измеряемого груза. Разность между массой груза и снятых гирь определяется по показаниям отсчетного устройства весов.

Квадрантные весы, часто называемые весами с верхним расположением грузоприемной чашки. Они являются конструктивной разновидностью двухпризменных весов. Несимметричный рычаг имеет опорную и грузоприемную призмы. Призмой он опирается на угловую подушку. На грузоприемную призму рычага через другую угловую подушку 10 (подобно рисунку 12.2) подвешена подвеска. Для предохранения подвески от опрокидывания при наложении груза на грузоприемную чашку нижний конец подвески шарнирно связан с основанием весов при помощи струнки. На конце длинного плеча рычага размещена микрошкала, изображение которой, так же как и в рассмотренных конструкциях, проецируется на экран отсчетного устройства. Подвеска снабжена такой же рейкой со встроенными гирями, как и подвеска двухпризменных весов (на рисунке не показана). Показания микрошкалы соответствуют разности масс снятых с подвески гирь и груза, наложенного на грузоприемную чашку.

Благодаря использованию в конструкции квадрантных весов струнки и угловых подушек рычаг может работать с углами отклонения, значительно превосходящими углы отклонения коромысла равноплечих и двухпризменных весов. Такая возможность обеспечивает значительное расширение диапазона взвешивания (измерения массы по шкале) при уменьшенном количестве встроенных гирь. Однако увеличение угла отклонения связано с возрастанием погрешности, обусловленной нелинейной зависимостью между массой и углом отклонения стрелки. Кроме того, наличие струнки и угловых подушек является источником дополнительных погрешностей. Все это приводит к снижению точности взвешивания на 2—3 десятичных порядка по отношению к точности равноплечих и двухпризменных весов. Поэтому большинство конструкций лабораторных квадрантных весов относится к 4-му классу точности, в то время как равноплечные и двухпризменные весы позволяют реализовать конструкции весов 1-го и 2-го классов, а при необходимости и более точных.

Рассмотренные схемы конструктивных разновидностей призменных весов характеризуют различия их коромысловых механизмов без учета особенностей, используемых в лабораторной технике взвешивания отсчетных устройств. Между тем метрологические характеристики отсчетных устройств в такой же мере определяют чувствительность и точность лабораторных весов, как и их коромысловые механизмы.

Конструкции отсчетных устройств современных лабораторных весов очень разнообразны. Используются простые механические, несколько более сложные оптико-механические, оптические, проекционные, электрические и синхронно-следящие системы отсчета. Усложнение конструкций отсчетных устройств объясняется стремлением добиться лучших метрологических показателей, повысить разрешающую способность систем отсчета показаний, используя современные достижения электроники и оптики.

Механические устройства, которыми были оснащены ранние разработки весов, представляют собой стрелку, прикрепленную к коромыслу, нижний конец которой перемещается по неподвижной шкале, жестко связанной с основанием. Чувствительность и разрешающая способность таких систем отсчета зависят от длины стрелки, вследствие чего их повышение связано с увеличением габаритных размеров отсчетного устройства и весов в целом.

Наиболее перспективны оптические проекционные отсчетные устройства, которые до сих пор являются самыми распространенными. Вместо микроскопа в них используются специальные оптические проекционные устройства, называе­мые вейтографами.

Рисунок 12.3 - Матовый экран

На конце стрелки закрепляется микрошкала, неразличимая простым глазом, изображение которой проецируется на матовый экран. Схема такого устройства приведена на рисунке 12.3. Участок микрошкалы 3 освещается лучом света от лампы подсветки 1. Пройдя через конденсатор 2, луч проходит через прозрачную шкалу и фиксируется объективом 4. Увеличенное изображение участка микрошкалы отражается системой зеркал 5 на матовом экране 6, снабженном отсчетным индексом в виде штриха, против которого производится отсчет показаний. Таким образом, при отклонении стрелки изображение осве­щаемого участка микрошкалы скользит по матовому экрану относительно ин­декса отсчета. Устройством обеспечивается соответствие между углом отклонения коромысла и показаниями отсчетного устройства весов.

Изготовление микрошкал в настоящее время не представляет трудности давно освоена также технология изготовления всех оптических элементов подобных устройств. В отсчетных устройствах подобного типа предусмотрена регулировка нулевого положения, т. е. совпадения отсчетного индекса на матовом экране с нулевой отметкой микрошкалы коромысла в ненагруженном состоянии. Имеются также системы оптического отсчета, снабженные устройствами компенсации неточной установки весов по уровню.

Рассмотренные оптические системы отсчета по способу представления изме­рительной информации относятся к аналоговым измерительным системам. Они обладают ограниченными возможностями и используются в весах сравнительно низкой чувствительности.

Для весов высокой чувствительности, реагирующих на изменение массы, составляющее десятые и сотые доли миллиграмма, необходимо пользоваться гирями соответствующей массы. Однако использование накладных гирь, масса которых менее 10 мг, практически невозможно.

Несколько способствует делу использование гирь-рейтеров, масса которых может быть от 1,5 до 10 мг. Тем не менее, отсчетные устройства аналогового типа оказываются менее совершенными, чем дискретные.

Отличительными особенностями дискретных систем отсчета является наличие оцифрованных делений на микрошкале и введение в оптическую проекционную систему делительного оптического устройства, показания которого проецируются на матовый экран, дополняя показания микрошкалы одним или двумя десятичными разрядами значений. Это позволяет расширить возможности отсчета, увеличить объем информации в 10 или 100 раз, не прибегая к использованию гирь-рейтеров. Иными словами, такие отсчетные устройства позволяют повысить чувствительность (уменьшить цену деления) весов.

Схема дискретного отсчетного устройства такого типа используется в весах фирмы “Сорториус”. Она включает в себя обычную проекционную схему с лампой подсветки, конденсатором, микрошкалой с оцифрованными делениями, объективом, зеркалами и матовым экра­ном. Дополнительными элементами схемы являются плоскопараллельная пластина и оцифрованный барабан. Оси плоскопараллельной пластины и оцифрованного барабана связаны шкивной передачей таким образом, что поворот барабана рукояткой вызывает поворот плоскопараллельной пластины. При взвешивании коромысло весов в некоторый момент останавливается. На матовом экране возникает изображение участка микрошкалы с двумя — тре­мя оцифрованными штрихами, ни один из которых не совпадает с отсчетным индексом, нанесенном на экране. Оператор поворачивает рукоятку до тех пор, пока ближайший к индексу оцифрованный штрих микрошкалы не совпадет с индексом. Смещение изображения участка микрошкалы достигается при пово­роте оцифрованного барабана за счет одновременного поворота плоскопараллельной пластины. В результате на матовом экране против отсчетного индекса оказывается изображение оцифрованного штриха микрошкалы дополненное цифрами, нанесенными на оцифрованном барабане. Кинематическая связь между поворотом барабана и отклонением плоскопараллельной пластины выполнена таким образом, что при полном обороте барабана пластина смещает изображение на матовом экране на одно оцифрованное деление. Таким способом расстояние между соседними штрихами микрошкалы удается разделить на 10, 50 или 100 частей.

Иногда вместо барабана устанавливают механический счетчик с нужным числом десятичных разрядов

Перемещение изображения участка микрошкалы с помощью отклоняемой пластины (или зеркала) связано с дополнительной погрешностью, обусловленной нелинейным характером зависимости между перемещением изображения и углом поворота делительного устройства. Для исключения или уменьшения погрешности, обусловленной нелинейностью, в конструк­ции отсчетных устройств вводятся системы линеаризации.

Однако всем отсчетным системам с подвижными элементами оптики присущ принципиальный недостаток, обусловленный неравномерной разметкой микрошкал. Микрошкалы рычажных лабораторных весов размечают по тангенциальному закону, поскольку коромысловые механизмы являются преобразователями тангенциального типа, т. е. при одинаковом приращении массы отклонение стрелки неравномерно. Чем большим выполнен угол отклонения коромысла, тем в большей мере сказывается нелинейность и связанная с ней неравномер­ность разметки шкалы. Установлено, что при углах отклонения коромысла более 5° наносить на барабан делительного устройства более 20 отсчетных делений не имеет смысла.

В отечественных конструкциях лабораторных весов применяются делительные механизмы силового типа, точность работы которых не зависит от закона разметки микрошкалы (авторы изобретения В. М. Блейхман и В. Г. Феоктистов). К подвеске квадрантных весов прикреплена спиральная винтовая пружина, свободный конец которой связан с приводом счетчика делительного механизма. При растяжении пружины на длину, соответствующую полной емкости счетчика, она сообщает коромыслу силовое бездействие, эквивалентное изменению показаний на одно деление.

Использование измерительной информации в системах автоматического управления и регулирования обусловило необходимость совершенствования отсчетных устройств лабораторных весов. В частности, появилась необходимость преобразования визуальной измерительной информации в такую форму, которая совместима с сигналами информации, циркулирующими в устройствах аналити­ческой и вычислительной техники. Обычно таким видом информации являются кодовые сигналы.

Для преобразования визуальных показаний лабораторных весов используются позиционные фотоэлектрические кодовые преобразователи с циклическим двоично-десятичным кодом.

Рисунок 12.4 – Схема лабораторных весов с фотоэлектрическим кодовым преобразователем

На рисунке 12.4 приведена схема лабораторных весов с фотоэлектрическим кодовым преобразователем. Микрошкала весов снабжена кодовой - шкальной микромаской 3. Изображение участка такой микрошкалы с помощью системы, состоящей из лампы подсветки 1, конденсатора 2 и объектива 4, проецируется на экран 5 оптического отсчетного устройства. На экране смонтированы фоторезисторы 6. Фоторезисторы засвечиваются в определенной комбинации, соответствующей показаниям микрошкалы. Сигналы фототока поступают в двоичном коде на вход системы дешифраторов, преобразующих двоич­ный код в десятичный.

Информация десятичного кода поступает непосредственно на индикаторное табло цифрового отсчетного устройства весов и может дублироваться дистанционно на другие индикаторные и регистрирующие устройства.

Микрошкалы с кодовыми масками выпускаются в серийных конструкциях лабораторных весов, что позволяет при необходимости оснащать такие весы только фотоэлектрическими преобразователями, если требуется получить с обычного отсчетного устройства измерительную информацию в кодовой форме не следует считать, что повышение метрологических показателей отсчетных систем лабораторных весов однозначно связано с переходом к дискретным системам отсчета. Известны отсчетные устройства аналогового типа, основанные на применении синхронно-следящих систем, позволяющие получить разрешающую способность любого уровня за счет увеличения коэффициента преобразования усилителя.

В качестве примера можно привести синхронно-следящую систему отсчета показании. Высокая разрешающая способность достигнута за счет компенсационного принципа.

В центральной части коромысла весов закреплено зеркало, отражающее луч света, поступающий от источника, на панель, несущую два фотосопротивления. Панель установлена на подвижной каретке. Фотосопротивления включены в балансную схему, подающую сигнал разбаланса через усилитель на двигатель реверсивного типа. Двигатель связан приводом с "кареткой, несущей фотосопротивления, и с подвижной шкалой, перемещающейся относительно неподвижного указателя.

В положении равновесия сигнала разбаланса нет и поэтому шкала находится в некотором положении относительно отсчетного индекса. При отклонении коромысла в ту или иную сторону возникает некомпенсированный сигнал фототока, приводящий в движение двигатель. Вращение двигателя вызывает смещение каретки с фотосопротивлениями в некоторое новое положение по отношению к световому лучу, при котором сигнал разбаланса станет равным нулю. Одновременно произойдет смещение подвижной шкалы по отношению к указателю. Таким образом, происходит синхронное перемещение каретки и шкалы при колебаниях коромысла.

Обладая высокой разрешающей способностью, синхронно-следящие системы подобного типа отличаются значительной инерционностью, обусловленной электромеханическим приводом. Поэтому такие системы эффективны лишь для статических условий взвешивания, характерных для работы лабораторных весов.