Масса и сила

1. Механические методы измерения массы:

гравитационное сравнение масс (взвешивание) : гирное; коромысловое; маятниковое; одноквадратное; двух-квадратное; комбинированное: с на­кладными гирями; со встроенными гирями измерение силы гравитации: гир оскопическ ое;

упругое; пружинное; торсионное; кру­тильное 2. Электромеханические методы измере­ния массы:

инерционный: измерение ускорения; измере­ние частоты или периода колебаний; измере­ние объема и плотности

магнитоэлектрические, электродинамические, электростатические (тензорезисторные, вибро­стержневые, магнитоупругие, пьезоэлектричес­кие и прочие).

Наиболее распространенным методом измерения массы является гравитацион­ный, основанный на уравновешивании силы гравитационного притяжения тела к Земле некоторой другой силой и изме­рении последней.

Гравитационный метод измерения масс разделяют на метод сравнения масс (гравитационное уравновешивание) и метод измерения силы гравитационного притяжения тела к Земле. Способ урав­новешивания является одним из основ­ных принципов классификации весоиз­мерительных приборов по конструктив­ным признакам.

Взвешивающие приборы, использую­щие метод измерения сравнением масс, делятся на гирные (наложение гирь), коромысловые (перемещение груза по коромыслу) и маятниковые или квад­рантные (поворот маятника). Отличи­тельной особенностью приборов с гра­витационным уравновешиванием явля­ется независимость их показаний от ус­корения свободного падения в точке их расположения, т. е. от места нахож­дения весов на поверхности Земли. Обладая высокой точностью при срав­нительной простоте приборы, исполь­зующие метод сравнения, получили наи­более широкое распространение.

Более высокой производительностью обладают весы с маятниковым (квад­ратным) уравновешивающим механиз­мом. Результаты измерения отсчиты­вают по шкале циферблата. Для расши­рения диапазона взвешивания на весах с маятниковым уравновешивающим ме­ханизмом применяют накладные гири, а также указатели с многооборотной стрелкой и автоматическим переклю­чением диапазонов. В случае исполь­зования гирь результат взвешивания определяется как сумма массы, опре­деленной по шкале циферблата, и мас­сы, уравновешенной накладными ги­рями.

Квадрантные весы могут быть одно-квадрантными и двухквадрантными, с ручным наложением гирь и встроенными гирями. Разновидностью весов с квад­рантным уравновешивающим устрой­ством являются проекционные весы, имеющие подвижную шкалу, проецируе­мую с помощью увеличительной опти­ческой системы на экран с неподвиж­ным указателем. Проекционная система позволяет увеличить разрешающую спо­собность циферблата и уменьшить цену деления шкалы.

Квадрантные уравновешивающие уст­ройства, в которых подвижная система весов приводится в равновесие с по­мощью ее внутренней энергии, нашли

применение благодаря простоте и уни­версальности почти во всех группах весоизмерительных устройств. Они поз­воляют достигнуть точности (5 = 10~³ -г + 10~⁴), достаточной для коммерческих расчетов, а также для определения кру­тящих моментов двигателей и др.

Другим, наиболее перспективным ме­тодом определения массы тела является измерение силы тяжести, действующей на грузоприемное устройство. В основу метода измерения положены такие спо­собы уравновешивания силы, как упру­гое уравновешивание, гироскопический эффект, а также способ компенсации. При этом методе измерения результаты измерения зависят от места расположе­ния весоизмерительного устройства на поверхности Земли, т. е. градуировка весов зависит от ускорения свободного падения.

Простейшим весовым механизмом, использующим упругое уравновешива­ние, является пружина (спиральная, та­рельчатая, плоская).

Способ упругого уравновешивания реализуется в весоизмерительных уст­ройствах, построенных на базе электро­механических первичных преобразова­телей силы, таких, как тензорезистор-ные, вибростержневые, магнитоупругие, пьезоэлектрические. Они образуют боль­шую группу электромеханических весов.

Весоизмерительные устройства с электромеханическими преобразователя­ми структурно состоят из грузоприем-ного устройства, первичного преобразо­вателя и блока обработки информации.

Грузоприемное устройство в общем случае представляет собой комбинацию грузоприемной части (платформа, бун­кер, лента конвейера и т. п.) и механизма связи с первичным преобразователем (встраиваемый узел). Функциональное назначение грузоподъемного устройства состоит в передаче силы, создаваемой взвешиваемым грузом, на первичный преобразователь. Первичный преобразо­ватель преобразует воздействующую на него механическую силу в электричес-

кий сигнал, содержащий информацию о массе груза.

Среди аналоговых преобразователей силы наиболее широкое применение получили тензорезисторные датчики, дей­ствие которых основано на использо­вании эффекта измерения электричес­кого сопротивления проволочной (фоль­говой, монокристаллической) решетки, наклеенной (подвесной, навитой) на упругий элемент, при ее деформации под нагрузкой.

Повышение точности аппаратуры для тензорезисторных преобразователей обеспечило снижение погрешности изме­рения массы до 0,03 %, определило ис­пользование тензорезисторных систем измерения в весах, обеспечивающих ком­мерческую и технологическую точность.

Весоизмерительные устройства с элек­тромеханическими преобразователями по конструктивным признакам могут быть одно-, двух-, трех- и многоопор­ными. Для обеспечения независимости показаний от местоположения груза на платформе в электромеханических весах применяют преобразователи спе­циальной конструкции — с упругим элементом, выполненным в форме па­раллелограмма. При многоопорном взве­шивании сигналы преобразователей сум­мируются.

Для усиления, преобразования и из­мерения сигнала, получаемого с первич­ного преобразователя, в весоизмери­тельных системах применяют вторичные преобразователи, подразделяемые на ана­логовые с выходным сигналом в виде аналоговой величины (тока, напряжения, угла поворота и др.) и цифровые, у ко­торых результат измерения формируется в виде кода.

Обработка первичной информации с использованием встраиваемой микро-ЭВМ и микропроцессорных БИС (боль­ших интегральных схем) позволяет уменьшить объем аппаратуры, ее мате­риале- и энергоемкость, а программное обеспечение — повысить метрологические характеристики весоизмерительных сие-

тем вследствие программной линеариза­ции характеристик датчика, учета "ухода нуля", коррекции температурных по­грешностей и др.

Тензометрические преобразователи си­лы применяют практически во всех груп­пах весоизмерительного оборудования для нагрузок от одного килограмма до сотен тонн.

Для измерения малых нагрузок, глав­ным образом в лабораторных электро­механических весоизмерительных уст­ройствах, используется компенсацион­ный метод.

Компенсационное весоизмерительное устройство содержит преобразователь из­меряемой силы в перемещение, преоб­разователь перемещения в электрический сигнал, усилитель и силовой компенса­тор, создающий необходимую противо­действующую силу.

При компенсационных методах, как правило, применяют индуктивные преоб­разователи перемещения в электричес­кий сигнал. Силовой компенсатор опре­деляет диапазон измеряемых сил. В ла­бораторных весах применяются обрат­ные преобразователи магнитоэлектричес­кого типа.

Простейшим инерционным методом является вычисление массы тела т по его ускорению а под воздействием си­лы F с использованием зависимости т = F/a. Этот метод осуществляется, например, в масспектрометрах, где си­ла, действующая на заряженные части­цы, создается электрическим или магнит­ным полем.

При инерционном методе измерения массы путем измерения частоты / или периода Т колебаний устройство для из­мерения массы должно содержать коле­бательную систему, частота колебаний которой зависит от измеряемой массы.

Масса m тела пропорциональна коэф­фициенту жесткости к силового элемен­та и квадрату периода Т свободных колебаний системы:

При определении массы следует учи­тывать влияние диссипативных сил, обус­ловленных внутренним трением в мате­риале силового элемента.

В некоторых случаях массу вещества или тела определяют измерением их объема и плотности известными спосо­бами. При объемном способе погреш­ность измерения массы 3 — 5 % обуслов­лена измерением объема и плотности вещества при изменении его температу­ры, гранулометрического состава и т. д.

Нормирование допускаемых погреш­ностей для весоизмерительных прибо­ров основано на двух характеристиках весов: цены наименьшего деления d и числа деления п. Если весы не имеют цены деления, как, например, гирные весы, то для них принимают условное значение цены деления как определен­ную часть предельной нагрузки.

Значение цены деления весов харак­теризует их точность. При одной и той же предельной нагрузке весы могут иметь различное число делений; поэтому вве­дены классы точности, которые харак­теризуются приведенной погрешностью весов (табл. 7) .

Кроме того, в каждом классе установ­лено несколько интервалов значения це­ны наименьшего деления и числа деле­ний.

Диапазон нагрузок от наименьшего предела взвешивания НмПВ и пределы допускаемой погрешности весов выра­жают абсолютным значением чисел пове­рочных делений е. В каждом классе точности установлено три интервала зна­чений диапазона нагрузок и предела допускаемой погрешности (при поверке весов после ремонта и на месте их эксп­луатации допускаемая погрешность уве­личена) (табл. 8).

Л14