Взвешивание
Лабораторные весы различаются по назначению, конструкции, диапазону взвешивания и по другим характеристикам.
Методы взвешивания делятся на две принципиально различные группы - метод сравнения с мерой и метод непосредственной оценки. По методу сравнения с мерой массу груза принимают равной массе сравниваемых с ним гирь (простое взвешивание) или вычисляют как сумму значений массы гирь и показаний весов (точное взвешивание). Метод непосредственной Оценки заключается в определении массы груза по отсчетному устройству весов без применения гирь.
В большинстве современных лабораторных весов используется дифференциальный метод взвешивания, при котором большая часть измеряемой массы тела (свыше 99%) уравновешивается гирями или противовесом (нулевой метод), а оставшаяся малая разность между массой взвешиваемого тела и массой гирь измеряется по углу отклонения коромысла от исходного положения равновесия (непосредственный метод) с помощью отсчетных шкал.
Лабораторные весы характеризуются рядом параметров. Главные из них следующие.
1. Предельно допустимая нагрузка, в диапазоне которой погрешность показаний находится в установленных пределах. Нельзя выходить за пределы предельно допустимой нагрузки, на которую рассчитана данная модель весов. Слишком большая нагрузка может вызвать остаточные деформации в коромысле, что приведет к порче весов.
2. Допустимая погрешность показаний - предельная разность между действительным значением массы взвешиваемого груза и показаниями весов. Значение погрешности характеризует правильность результатов взвешивания в стандартных условиях и не может быть меньше не исключенных погрешностей гирь, применяемых при взвешивании и аттестации весов.
3. Допустимая вариация (непостоянство) – показаний - предельно допустимая разность показаний весов при неоднократном взвешивании одного и того же груза в стандартных условиях с применением одних и тех же гирь. Значение вариации характеризует воспроизводимость результата взвешивания и, в значительной степени, точность взвешивания.
4. Чувствительность - предельное отношение приращения отклонения указателя весов к приращению измеряемой величины. Чувствительность определяется числом делений шкалы, на которое отклоняется стрелка весов, когда на одну из чашек весов помещен груз массой 1 мг. Выражают чувствительность в делениях шкалы на миллиграмм или обратной величиной.
С увеличением нагрузки на чашки чувствительность весов уменьшается, т. е. чем больше масса взвешиваемого объекта, тем слабее весы реагируют на изменение массы.
5. Цена деления - значение деления отсчетных устройств. Часто цена деления согласуется со значением допустимой погрешности или вариацией показаний весов.
6. Быстродействие - возможная производительность работы на весах, т. е. возможное число взвешиваний в единицу времени.
Классификация весов
По назначению лабораторные весы делятся на технические (общелабораторные), аналитические и специальные, а гири - на гири общего пользования и специальные.
Наибольшие пределы взвешивания технических весов находятся в диапазоне 20 г - 50 кг. Наиболее распространены весы, имеющие нагрузку 0,2-5 кг, с ценой деления 0,05-0,1 г.
Аналитические весы применяют для макро- и микрохимических анализов при взвешивании высшей и высокой точности. В зависимости от предельно допустимой нагрузки и цены деления аналитические весы делятся на следующие группы:
Специальные весы служат для определения величин, зависящих от массы (весовые влагомеры, весы для измерения магнитной восприимчивости и др.).
Весы аналитической группы относятся к 1 и 2 классу точности, технические весы - к 3 и 4 классам. Усредненная приведенная погрешность взвешивания для весов 1 класса - 0,0001%; 2 класса - 0,0005%; 3 класса - 0,001%; 4 класса - 0,01 %.
Гири общего лабораторного пользования делятся на четыре класса. Гири 1 и 2 классов предназначены в основном для аналитических весов, 3 и 4 классов - для технических.
По характеру перемещения подвижной системы весы подразделяются на безрычажные и рычажные. В без рычажных весах подвижная система перемещается возвратно-поступательно вертикально, поэтому гири для уравновешивания взвешиваемого груза применять нельзя. При пользовании безрычажными весами пригоден лишь метод непосредственной оценки результатов взвешивания.
Рычажные весы характеризуются поворотом подвижной системы вокруг неподвижной или условно неподвижной оси. Они бывают гирные (с накладными или встроенными гирями) и безгирные. Весы со встроенными гирями производительнее и удобнее, но в них затруднен контроль действительных значений массы гирь.
Рычажные весы различаются по типу опор весового рычага и подвесок. Наиболее распространенной жесткой опорой является подушка, по которой острой гранью перекатывается призма. Весы с такими опорами получили название призменных. Призменные весы делятся на равноплечие, двухпризменные (одночашечные) и квадрантные.
Равноплечие весы представляют собой, в основном, рычаг первого рода, в котором расстояния от приложения сил до точки опоры равны (рис. 71). Если на левую чашку весов поместить груз, имеющий массу М1 то для возвращения стрелки Р в первоначальное положение потребуется поместить на правую чашку некоторое количество гирь (с известной массой). Когда установится равновесие, моменты сил, действующие на левую и правую части коромысла в точках, на которые опираются чашки, на расстоянии l1 и l2 от этих точек до точки опоры, будут равны: F1l1 = F2l2.
Так как l1 = l2, то, следовательно, при достижении равновесия F1 = F2. Возникновение сил F1 и F2 связано с притяжением Землей тел, находящихся на чашках весов. Сила F1 определяет притяжение к Земле тела с массой M1, т. е. его вес. Единица веса - ньютон (Н). Ньютон равен силе, сообщающей телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы. Вес тела G связан с его массой соотношениями: G = Mg, где М - масса тела, a g - ускорение свободного падения. Единица массы - килограмм (кг).
Из изложенного выше следует, что весы - это приборы для определения массы, а не веса.
Равноплечие коромысловые весы показаны на рис. 72. Равновесное положение ненагруженных весов называют нулевой точкой, нагруженных - точкой равновесия.
Чтобы защитить ребра призм коромысла от повреждений и быстрого изнашивания, все движущиеся части весов могут быть приподняты и ребра призм отделены от пластинок, с которыми они соприкасаются. Приспособление, служащее для поднятия коромысла и сережек, носит название арретира (изолира). Когда весами не пользуются и когда накладывают на чашки взвешиваемые предметы и разновесы, весы должны быть арретированы.
До недавних пор на коромысло равноплечих аналитических весов наносились на одинаковом расстоянии друг от друга V-образные впадины рейтерной шкалы (рис. 73), в которые специальным устройством устанавливали гирю-рейтер в 10 или 5 мг. Передвижением рейтера по коромыслу можно было определить массу с точностью до десятых долей миллиграмма.
В современных призменных весах имеются успокоители колебаний стрелки весов - демпферы. В демпферных весах за нулевую точку и точку равновесия принимают деление шкалы, против которого останавливается стрелка. У весов, которые не имеют демпферов, эти точки определяют методом качаний. Этот метод основан на измерении 3-5 последовательных отклонений стрелки. Первые 2-3 колебания после включения весов не принимают во внимание, а последующие 5 отклонений стрелки в одну и другую сторону фиксируют с точностью до десятых долей по шкале. Нулевую точку рассчитывают, например, следующим образом.
Отклонения влево: -3,4 и -2,8; среднее значение -3,1.
Отклонение вправо: +4,0, +3,5 и 3,0, среднее значение +3,5.
Найдем сумму отклонений: +3,5 + (-3,1) = 0,4.
Найдем нулевую точку: +0,4 : 2 = +0,2.
Точность демпферных весов того же порядка, что и точность обычных весов.
Двухпризменные (одночашечные) весы изображены на рис. 74. В исходном положении все встроенные гири нагружены на подвеску и рычаг уравновешен противовесом. Поместив на грузоприемную чашку груз при помощи специального механизма гиреналожения, с рейки снимают такое число встроенных гирь, чтобы их суммарная масса приблизительно соответствовала массе груза. Разница между массой груза и массой снятых гирь определяется по показаниям отсчетного устройства. Двухпризменные одночашечные весы используются преимущественно в качестве аналитических весов. Достоинства этой конструкции весов заключаются в том, что работа всегда ведется при постоянной нагрузке на коромысло, а в этом случае постоянны и чувствительность весов и точность взвешивания.
Квадрантные весы или весы с верхним расположением грузоприемной чаши (рис. 75) являются разновидностью двухпризменных.
Рычажные весы с опорами на упруго-деформируемых элементах выпускаются для взвешивания небольших масс. К ним относятся торсионные весы и пружинные рычажные ультрамикровесы.
Общелабораторные равноплечие весы
Общелабораторные равноплечие весы - технические весы преимущественно 3 и 4 классов точности - служат для взвешивания относительно больших масс. Они могут быть заключены в остекленную витрину и снабжены гиревым механизмом со встроенными гирями, а могут быть подвешены на стойку, закрепленную на подставке, без гиревого механизма. Простейшим типом равноплечих весов с двумя чашками являются ручные, или аптечные, весы.
Технохимические весы типа ВЛТ-200г (Т-200) и ВЛТ-1кг (Т-1000) представлены на рис. 76. При взвешивании поворотом ручки арретира весы приводят в рабочее положение. Допустимая погрешность для весов ВЛТ-200г ±60 мг, для ВЛТ-1кг ±200 мг.
Более совершенные технохимические весы типа ВЛР-1кг состоят из равноплечего коромысла со стрелкой, колонки с опорной подушкой, изолирующего устройства и двух грузоприемных чашек, подвешенных на концевых призмах коромысла. Весы снабжены масляным успокоителем колебаний коромысла и устройством для механического гиреналожения встроенных гирь (от 10 до 990 мг).
Перед взвешиванием необходимо убедиться по уровню, что весы правильно установлены. В случае необходимости с помощью винтовых ножек весы устанавливают строго горизонтально. Затем нужно проверить отклонение стрелки и добиться полного совмещения ее с контрольным штрихом циферблата шкалы.
В последние годы равноплечие технические двухчашечные весы типа ВЛТ были значительно модернизированы и осуществлен серийный выпуск ряда новых моделей весов типа ВЛР, 2 класса точности (с погрешностью ±10 мг), грузоподъемностью 1, 10, 20 и 50 кг, ценой деления шкалы 10 мг.
Весы ВЛР помещены в застекленный футляр с дверцами на двух боковых сторонах. На верхнем конце колонки находится подушка, на которую опирается ребром средняя призма коромысла. У основания колонки укреплен масляный успокоитель. В концах коромысла в специальных седлах закреплены призмы, на которые навешиваются серьги с грузоприемными чашками. На планку, скрепленную с правой серьгой, при помощи гиревого механизма навешиваются и снимаются кольцевые гири (от 100 до 900 мг и от 10 до 90 мг), связанные с большим и малым лимбом.
На середине коромысла укреплена стрелка, а внизу колонки расположена шкала, по которой проверяется равновесие весов. Под основанием весов смонтировано изолирующее устройство (арретир). Открывать и закрывать арретир надо осторожно, плавным вращением маховичка в тот момент, когда стрелка весов проходит мимо нулевого деления шкалы.
Общелабораторные квадрантные весы
В последние годы большое распространение получили квадрантные весы, которые выгодно отличаются быстротой действия. Это двухпризменные весы с верхним расположением чашки. Успокоитель колебаний магнитный. Имеются оптическое устройство и экран, по которому производится отсчет результатов взвешивания. Наложение и съем накладных гирь осуществляется ручкой, расположенной на металлическом корпусе весов. Весы включаются в сеть переменного тока через встроенный трансформатор, укрепленный под витриной весов.
Квадрантные весы предназначаются для определения массы различных веществ и материалов при проведении лабораторных технических анализов и препаративных работ.
Принцип действия весов основан на уравновешивании момента сил, создаваемого измеряемой массой, отклонением квадранта и встроенными гирями.
В настоящее время выпускаются шесть модификаций лабораторных квадрантных весов 4 класса ВЛКТ и ВЛК с пределами взвешивания от 160 до 10000 г.
Весы ВЛКТ (рис. 77) имеют механизм компенсации тары, который позволяет повысить производительность взвешивания и предназначен для установки шкалы на нулевую отметку после размещения тары на чашке весов.
Значение измеряемой массы тела, находящегося на чашке весов, находят суммированием показаний на оптической шкале и на счетчике. Число сотен или тысяч граммов отсчитывается по счетчику, в окне которого появляются цифры 0, 1, 2, 3 и 4 в зависимости от массы гирь, снятых с подвески.
Взвешивание на технических весах
Весы устанавливают на прочных устойчивых столах в рабочем помещении лаборатории строго вертикально по отвесу. Перед взвешиванием проверяют, правильно ли установлены весы, после чего опускают арретиром коромысло и наблюдают колебания стрелки по нижней шкале. Если стрелка отклоняется от нуля на одно и то же число делений вправо и влево, весами можно пользоваться. В ином случае равновесие весов достигается с помощью балансировочных гаек коромысла.
Взвешиваемую массу помещают на левую площадку весов, гири граммового набора - на правую, а гири миллиграммового набора навешиваются гиревым механизмом.
Массу вещества лучше определять методом двойного взвешивания, который заключается в следующем: на левую чашку весов помещают взвешиваемый предмет, а на правую - гири до установления стрелки весов на нулевую отметку шкалы. После этого взвешиваемый предмет переносят на правую чашку, а гири - на левую. Если одна, из чашек будет перевешивать другую, то, добавляя или снимая разновески, снова устанавливают точку равновесия. Действительная масса взвешиваемого предмета равна среднему арифметическому результатов этих двух взвешиваний. По окончании взвешивания с чашек весов удаляют взвешиваемый предмет, убирают гири и разновески, укладывая их в установленном порядке в футляр.
Аналитические весы
Еще в большей степени, чем технические и технохимические весы, подвергались в последние годы модернизации весы аналитической группы. Вместе с тем во многих химических лабораториях еще успешно используются равноплечие рейтерные весы без демпферов - весы периодического качания, не снабженные встроенными гирями. Особенность работы на весах периодического качания заключается в определении их нулевой точки. Коромысло, освобожденное от арретира, начинает совершать постепенно затухающие колебания. Нулевую точку и точку равновесия определяют методом многократных отклонений стрелки коромысла. Перед определением нулевой точки рейтер должен быть снят с коромысла, если нуль находится в центре коромысла, или установлен на нуле, если нуль на левом конце коромысла.
Чтобы определить чувствительность весов, устанавливают точку равновесия при различных нагрузках. Для этого после установления нулевой точки помещают на коромысло рейтер (при арретированных весах) так, чтобы он показывал 1 мг, опускают арретир и определяют точку равновесия.
Например, если нулевая точка весов равна +0,2 деления, а точка равновесия при нагрузке на правую чашку в 1 мг +3,8 делений, то чувствительность весов находят, помещая на обе чашки последовательно по 5, 10, 20, 30, 40, 50 и 100 г. Полученные результаты наносят на график.
При пользовании рейтерными демпферными весами определение массы с помощью встроенных или накладных гирь производят только до 10 или 5 мг (т. е. до массы рейтера). Дальнейшее уравновешивание производят с помощью рейтера, который устанавливают только до ближайшего к равновесию целого миллиграмма. Если не требуется точность взвешивания, превышающая 0,1 мг, десятые доли миллиграмма находят передвижением рейтера по коромыслу. При необходимости более точного взвешивания рейтер устанавливают как и в предыдущем случае, а десятые и сотые доли миллиграмма находят по разности между нулевой точкой и найденной точкой равновесия на основании ранее определенной чувствительности весов для данной нагрузки.
Пусть, например, нулевая точка весов равна +0,5; точка равновесия весов при нагрузке 14,3300 г на правой чашке и рейтера на делении 3 мг равна +2,0; чувствительность весов при нагрузке в 14,5 г равна 4 делениям на 1 мг. Очевидно, что взвешиваемый предмет полностью не уравновешен. Если рейтер будет перенесен на деление 4 мг, то точка равновесия сдвинется на 4 деления влево, т. е. окажется равной -2,0. Чтобы точка равновесия совпала с нулевой точкой (+0,5), рейтер надо передвинуть на (2,0 - 0,5)/4,0 = 0,38 делений, т. е. на 0,38 мг. Следовательно, масса взвешиваемого предмета окажется равной 14,3300 г (на чашке весов) + 0,00038 г (показание рейтера) - 14,33038 г.
Во многих лабораториях используются двухчашечные равноплечие лабораторные аналитические весы ВЛА-200 г-М (АД-200) с такими основными характеристиками: наибольшая допустимая нагрузка 200 г; диапазон измерения по оптической шкале ±10 мг; погрешность из-за неравноплечности коромысла не более 2 мг. Управление гирями производится посредством лимбов. При вращении малого лимба происходит навешивание или снятие десятков миллиграммов, при вращении большого - сотен миллиграммов. Лимбы вращаются независимо друг от друга. Включение и выключение весов производится ручкой, надетой на валик арретира, вынесенного на переднюю стенку основания.
В настоящее время промышленность выпускает, главным образом, двухчашечные равноплечие весы типа ВЛР, например весы класса точности ВЛР-200г и ВЛР-20г. Весы ВЛР-20г, заменяющие полумикроаналитические весы ВЛМ-20г-М, отличаются большой чувствительностью и меньшими габаритными размерами. На базе весов ВЛР-200г с электронной приставкой выпускаются электронные весы ВЛЭ-200г.
Технические данные весов ВЛР-200г (рис. 78) и весов ВЛР-20г приведены ниже:
При пользовании весами типа ВЛР-200г, в первую очередь, включают осветитель в сеть, после чего, не открывая дверок шкафа весов, осторожно поворачивают до отказа диск арретира. Автоматически загорающаяся при этом электрическая лампочка освещает на экране вейтографа увеличенное изображение микрошкалы, прикрепленной к стрелке весов. Если весы не нагружены, нуль шкалы должен точно совпадать с вертикальной чертой на экране (риской). В ином случае совпадение достигается вращением регулировочного винта, находящегося снаружи на нижней доске весов над диском арретира. Затем груз помещают на левую чашку весов, а на правую - граммовые гири из набора гирь к весам; при этом находят массу числа целых граммов. Закрывают дверцу шкафа; поворачивая малый лимб с десятыми долями грамма, совмещают неподвижный указатель с различными цифрами диска. При каждом повороте диска необходимо предварительно арретировать весы. Установив число десятых долей грамма, находят сотые доли грамма с помощью большого лимба. Далее диск арретира поворачивают до отказа и, после прекращения колебаний стрелки коромысла, делают отсчет положения вертикальной линии по шкале на экране. Крупные деления этой шкалы, соответствующие миллиграммам, обозначены цифрами со знаком «+» или «-». Плюс показывает, что величину сделанного отсчета нужно прибавить к массе помещенных на весы разновесок, а минус - вычесть.
После окончания взвешивания записывают результат, снимают с весов взвешенный предмет и разновески. Чтобы освободить коромысло от встроенных гирь, вращают дисковые рукоятки до тех пор, пока неподвижный указатель не совместится с нулевым делением обоих дисков.
Кроме равноплечих аналитических весов типа ВЛР промышленность выпускает одноплечие весы 2 класса типа ВЛДП-100г (рис. 79). Принцип взвешивания на двухпризменных весах основан на уравновешивании момента, создаваемого грузом, и момента, получаемого при снятии с подвески встроенных гирь. Коромысло весов представляет собой неравноплечий рычаг; на коротком плече закреплено седло с грузоприемной призмой, а на длинном - отсчетная шкала. На грузоприемную призму коромысла подушкой опирается серьга, к которой жестко прикреплена планка для наложения встроенных гирь. Для снятия и наложения встроенных гирь служит гиревой механизм. Одновременно со снятием гирь в трех левых окнах экрана высвечивается значение их массы (в г). При точном взвешивании коромысло успокаивают с помощью воздушного демпфера; при предварительном – масляного. Ручка ввода весов в рабочее положение находится с левой стороны весов. Предварительное взвешивание осуществляют поворотом ручки от оператора, точное - на оператора. Нулевое положение шкалы при предварительном взвешивании регулируют ручкой, находящейся с правой стороны весов, вверху; при точном взвешивании - ручкой внизу. Механизм предварительного взвешивания предназначен для определения массы встроенных гирь. Для снятия отсчета по шкале на экране имеется отсчетная отметка в виде двух параллельных штрихов.
Результат взвешивания определяется суммой показаний отсчетной шкалы, счетчиков гиревого механизма и делительного устройства. Диапазон взвешивания от 0 до 100 мг. Цена наименьшего деления шкалы 0,05 мг. Погрешность взвешивания ±0,065 мг.
Установка аналитических весов
Установка аналитических весов начинается с выбора помещения и организации рабочего места химика. Помещение для установки весов 1 и 2 классов должно состоять из весовой комнаты и препараторской. Одно из условий, предъявляемых к весовой комнате, - полная изолированность ее от смежных лабораторных помещений.
Для весовой комнаты выбирают светлое сухое помещение. Желательно, чтобы оно было расположено на первом этаже, окнами на северную сторону. В весовой комнате должна поддерживаться постоянная температура - около 20°С. Весы нужно предохранять от воздействия тепловых и воздушных потоков, а также от сырости, пыли, вредных газов и сотрясений. Чтобы уменьшить влияние воздушных и тепловых потоков, рекомендуется закрыть плотными шторами окна и двери. Окна должны быть снабжены двойными рамами и плотно замазаны; окна и форточки открывать нельзя. Проветривать весовое помещение рекомендуется вентилятором, и лишь тогда, когда не ведется взвешивание. Пол рекомендуется покрыть линолеумом, который легко очищается от пыли и является плохим проводником тепла.
Весы следует устанавливать в горизонтальном положении на особо прочных постаментах, предохраняющих весы от всяких сотрясений. Не рекомендуется переносить весы с места на место.
Аналитические весы с предельной нагрузкой 100 г и больше рекомендуют устанавливать на консольный стол, состоящий из бетонной плиты, свободно лежащей на амортизирующих резиновых или пенопластовых прокладках в обвязке стола, покоящейся на двух металлических кронштейнах, прикрепленных к капитальной стене.
Полумикроаналитические весы целесообразно устанавливать на столе с массивными ножками. Стол состоит из массивной крышки, в раму которой вложен войлок, железобетонная мозаичная плита и линолеум.
Лампы в весовой комнате должны достаточно освещать шкалу весов и, вместе с тем, не нагревать коромысла. Лучше всего устанавливать лампы дневного света.
В весовой комнате следует вывесить таблицу с основными правилами обращения с весами.
Необходимо тщательно следить за чистотой весовой комнаты. По окончании взвешивания весы рекомендуется покрывать чехлами.
На консольный стол или полку на кронштейнах, где установлены весы, нельзя ничего ставить. Слева от стола (полки) целесообразно иметь передвижной столик для эксикатора со взвешиваемым веществом и для производства записей.
Правила пользования аналитическими весами
1. Нагрузка на чашках весов не должна превышать наибольшей для данного типа весов. Взвешивают только сидя против весов, опираясь руками на крышку стола. Взвешиваемый предмет берут пинцетом, щипцами или чистой бумагой и помещают на середину левой чашки. Химические вещества взвешивают в стеклянной посуде (бюкс, ампула). Нельзя помещать химические вещества непосредственно на чашку весов или производить взвешивание на листочке бумаги.
2. Взвешиваемый предмет должен иметь ту же температуру, что и весы. Поэтому перед взвешиванием следует вещество выдерживать в эксикаторе вблизи весов в течение 20-30 мин. Если при взвешивании над весами включают лампу, то сделать это надо за 10-15 мин до начала работы.
3. Прибавлять или убавлять взвешиваемое вещество следует только вне шкафа весов. Если взвешиваемое вещество просыпано на чашку весов или на дно шкафчика, надо немедленно вымести его кисточкой.
4. Гири следует помещать на правую чашку весов таким образом, чтобы они находились в центре чашки. Брать гири следует пинцетом с костяными (пластмассовыми) наконечниками.
5. Когда взвешиваемое вещество или гирьки кладут на чашку весов или, снимают с них, весы должны быть арретированы.
6. Перед каждым взвешиванием следует проверять, а если нужно, то и устанавливать их нулевую точку. Во время наблюдения за отклонением стрелки весов дверцы шкафа должны быть закрыты.
7. При уравновешивании взвешиваемого предмета начинают с больших разновесок и затем переходят к более мелким.
Следует всегда пользоваться наименьшим числом разновесок, например, брать разновеску в 2 г, а не две разновески по 1 г. На чашке весов разновески должны лежать в определенном порядке; мелкие разновески не следует класть друг на друга. Большие разновески надо помещать в центре чашки, чтобы она не качалась.
Ошибки взвешивания и их устранение
Ошибки при точном взвешивании могут происходить от различных причин: от неравноплечести весов; от взвешивания в воздухе, а не в пустоте; от изменения массы тел в процессе взвешивания вследствие колебаний температуры, влажности и давления воздуха; от неточных значений масс гирь; от инструментальных погрешностей.
Ошибки от неравноплечести весов большей частью возникают при методе простого взвешивания на весах периодического качания. Однако поправки на неравноплечесть не всегда требуются. Так, при определении процентного состава вещества (в % (масс.)), когда взвешивание анализируемого вещества и его весовой формы производят на одних и тех же весах и когда взвешиваемые вещества помещены на одну и ту же чашку, относительная ошибка при обоих взвешиваниях будет примерно одинаковой. Но когда требуется определить абсолютную массу предмета с точностью, превышающей 0,1 мг, приходится прибегать к методам взвешивания, исключающим поправки на неравноплечесть, например к методу замещения.
Метод замещения по Борда заключается в следующем. Измеряемую массу помещают на правую чашку весов и уравновешивают любой тарной массой на левой чашке. Определяют положение равновесия E1. Затем с правой чашки снимают измеряемую массу, не снимая тары с левой, и накладывают вместо снятой массы гири в таком количестве, чтобы получить возможность отсчета по шкале, и определяют положение равновесия E2. Результат измерения равен массе наложенных гирь плюс отсчет по шкале и определяется по формуле (Е1 - E2)S, где S - чувствительность весов.
Метод замещения, предложенный Д. И. Менделеевым, состоит в том, что на одну из чашек помещают гири в количестве, соответствующем предельной нагрузке весов, и уравновешивают весы тарным грузом. Взвешиваемое тело помещают на чашку с гирями и снимают такое количество гирь, чтобы весы пришли в положение исходного равновесия. Значение массы взвешиваемого тела определяется как алгебраическая сумма массы снятых с чашки гирь и показаний по шкале весов. Этот метод положен в основу принципа действия двухпризменных одноплечих весов.
Ошибки, вызванные взвешиванием в воздухе, вытекают из общеизвестного физического закона, что каждое тело, погруженное в жидкость (газ), теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (газ). Все тела, следовательно, в воздухе весят меньше, чем в пустоте. Обычное взвешивание в воздухе приводило бы к правильному результату, если бы гири теряли в своей массе столько же, сколько теряет взвешиваемое тело. Однако аналитический разновес обычно изготовляют из нержавеющей стали (р = 8,0 г/см3) или из латуни (р = 8,4 г/см3), а миллиграммовые разновески - из алюминия (р = 2,7 г/см3). Если плотность взвешиваемого тела меньше плотности гирь, то тело вытесняет больше воздуха, чем гири и, следовательно, в воздухе оно весит меньше, чем в пустоте. Величина ошибки обычно не превышает 0,04-0,05%.
Ошибки, вызванные изменением массы тел в процессе взвешивания, могут происходить вследствие поглощения или потери влаги, испарения летучих веществ, изменения температуры, невнимательности и неаккуратности экспериментатора. Эти ошибки могут быть устранены взвешиванием веществ по разности в герметически закрываемой стеклянной посуде малого объема. При взвешивании по разности положение нулевой точки можно не учитывать.
Погрешности массы гирь зависят от степени точности подгонки их массы к номинальному значению, погрешности аттестации и от необратимых изменений массы в межпроверочном периоде, в основном из-за коррозии. Ошибки, связанные с неточностью масс используемых гирь, можно устранить сличением их с массой образцовых гирь на тех весах, на которых будут с ними работать.
Микро- и ультрамикровесы
Для особо точных измерений небольших масс при проведении физико-химических исследований и микроанализов используют точные рычажные и безрычажные весы различных конструкций.
Выпускаются рычажные пружинные весы с предельной нагрузкой от 20 до 100 мг, с ценой деления 10 в минус 7 – 10 в минус 5 мг (ВЛУ-20мг и ВЛУ-100мг). Принцип действия этих весов основан на уравновешивании момента, создаваемого измеряемой массой, закручиванием кварцевой растяжки. По конструкции это весы на растяжках с равноплечим коромыслом и нулевым методом взвешивания. Коромысло помещено в специальный контейнер, предохраняющий его от действия воздушных потоков и одновременно служащий теплораспределителем. Чашка с взвешиваемым грузом выносится из колонки коромысла в боковой отсек витрины манипулятором, который сблокирован с механизмом открывания и закрывания колонок. Отсчет результатов измерения производится по шкале измерительного лимба, цена деления которой составляет 0,00032 мг (ВЛУ-20мг) и 0,0005 мг (ВЛУ-100мг). Время успокоения колебаний коромысла около 1,5 мин.
Микроаналитические весы ВЛМ-1г предназначаются для взвешивания драгоценных камней и металлов, а также для различных веществ при микрохимических анализах повышенной точности. Весы имеют равноплечие коромысла с двумя подвесками и чашками. Полное механическое гиреналожение осуществляется двумя гиревыми механизмами. Весы снабжены механизмом выноса левой чашки. Диапазон измерения по оптической шкале ±1 мг. Цена деления оптической шкалы 0,01 мг. Погрешность взвешивания ±0,07 мг.
Торсионные весы ВТ-500
Для быстрого определения массы очень малых количеств веществ часто используют торсионные (пружинные) весы (рис. 80). Они отличаются от квадрантных тем, что грузоприемная чашка в них заключена в витрину и снабжена арретирным приспособлением. Торсионные весы выпускаются с различными пределами взвешивания. В лабораторной практике часто используют модель ВТ-500. Предельно допустимая нагрузка весов 500 мг, а наименьшая - 10 мг. Абсолютная погрешность показаний в любой отметке шкалы не более ± 1 мг.
Измерительный элемент в торсионных весах - пружина, натяжением которой при закручивании уравновешивается взвешиваемая проба. Угол закручивания пружины пропорционален массе взвешиваемой пробы, поэтому шкала весов проградуирована в единицах массы.
При пользовании торсионными весами ВТ-500 их устанавливают по уровню 1 посредством опорных винтов 2, после чего освобождают коромысло 3 передвижением вправо закрепительного рычага 4. Указатель массы 5 устанавливают на нуль с помощью рычага натяжения 6. При таком положении весов указатель равновесия 7 перекрывает черту равновесия или же приводится в это положение тарировочной головкой, находящейся на оборотной стороне весов в центре. Затем закрепляют коромысло, передвигая закрепительный рычаг влево до отказа, и приступают к взвешиванию. Для этого открывают предохранительную крышку 8, на крючок коромысла 9 подвешивают взвешиваемый груз и вновь закрывают крышку. Коромысло освобождают, передвигая рычаг 4 вправо. Поворачивая рычаг 6 влево, перемещают указатель 5 до тех пор, пока указатель 7 не установится точно на черте равновесия. В таком положении указатель 5 показывает на шкале величину массы измеряемого груза. После взвешивания закрепляют коромысло, передвигая влево рычаг 4, открывают крышку 8, снимают с крючка груз и закрывают крышку. Рычаг 6 перемещают вправо, устанавливают указатель 5 на нуль - и весы готовы для следующего взвешивания.