Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ВЕ)"

Весы (прибор)

Весы', прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести. В. иногда называют также приборы для измерений др. физических величин, преобразуемых с этой целью в силу или в момент силы. К таким приборам относятся, например, токовые весы и Кулона весы . Последовательность действий при определении массы тел на В. рассмотрена в ст. Взвешивание .

  В. – один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие В. в виде равно-плечного коромысла с подвешенными чашками (рис. 1 ) широко применялись при меновой торговле в Древнем Вавилоне (2,5 тыс. лет до н. э.) и Египте (2 тыс. лет до н. э.). Несколько позднее появились неравно-плечные В. с передвижной гирей (см. Безмен ). Уже в 4 в. до н. э. Аристотель дал теорию таких В. (правило моментов сил ). В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны В. с чашками, погрешность которых не превышала 0,1%. Они применялись для определения плотности различных веществ, что позволяло распознавать сплавы, выявлять фальшивые монеты, отличать драгоценные камни от поддельных и т.д. В 1586 Г. Галилей для определения плотности тел сконструировал специальные гидростатические В. Общая теория В. была развита Л. Эйлером (1747).

  Развитие промышленности и транспорта привело к созданию В., рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные В. (рис. 2 ) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 – Квинтенц, 1818) и сотенные В. (В. Фербенкс, 1831). В конце 19 – начале 20 вв. с развитием поточного производства появились В. для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять В. самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте – автомобилей, ж.-д. вагонов, самолётов; в промышленности – от мельчайших деталей и узлов в точном приборостроении до многотонных слитков в металлургии). Для научных исследований были разработаны конструкции точных В. – аналитических, микроаналитических, пробирных и др.

  В зависимости от назначения В. делятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные (в том числе аналитические) и общего назначения, применяемые в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

  По принципу действия В. подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.

  Наиболее распространены рычажные В., их действие основано на законе равновесия рычага . Точка опоры рычага («коромысла» В.) может находиться посередине (равноплечные В.) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные В.). Многие рычажные В. (например, торговые, автомобильные, порционные и др.) представляют собой комбинацию рычагов 1-го и 2-го родов. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из специальных сталей или твёрдого камня (агат, корунд). На равноплечных рычажных В. взвешиваемое тело уравновешивается гирями, а некоторое превышение (обычно на 0,05—0,1%) массы гирь над массой тела (или наоборот) компенсируется моментом, создаваемым коромыслом (со стрелкой) из-за смещения его центра тяжести относительно первоначального положения (рис. 3 ). Нагрузка, компенсируемая смещением центра тяжести коромысла, измеряется с помощью отсчётной шкалы. Цена деления s шкалы рычажных В. определяется формулой

  s = k (P_o c / lg ),

  где P – вес коромысла со стрелкой, с – расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения, l – длина плеча коромысла, g — ускорение

  свободного падения, k — коэффициент, зависящий только от разрешающей способности отсчётного устройства. Цену деления, а, следовательно, и чувствительность В., можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с ).

  В ряде рычажных лабораторных В. часть измеряемой нагрузки компенсируется силой электромагнитного взаимодействия – втягиванием железного сердечника, соединённого с плечом коромысла, в неподвижный соленоид. Сила тока в соленоиде регулируется электронным устройством, приводящим В. к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку В. Подобного типа В. приводятся к положению равновесия автоматически, поэтому их применяют обычно для измерений изменяющихся масс (например, при исследованиях процессов окисления, конденсации и др.), когда неудобно или невозможно пользоваться обычными В. Центр тяжести коромысла совмещен в этих В. с осью вращения.

  В лабораторной практике всё шире применяются В. (в особенности аналитические) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 4 ). Принцип действия таких В. был предложен Д. И. Менделеевым . Гири специальной формы подвешиваются к плечу, на котором находится чашка для нагрузки (одноплечные В.), или (реже) на противоположное плечо. В одноплечных В. (рис. 5 ) полностью исключается погрешность из-за неравноплечности коромысла.

  Современные лабораторные В. (аналитические и др.) снабжаются рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (воздушными или магнитными), дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха, тепловыми экранами, механизмами наложения и снятия встроенных гирь, автоматически действующими механизмами для подбора встроенных гирь при уравновешивании В. Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие В.

  В быстродействующих технических квадрантных В. (рис. 6 ) предел измерений по шкале отклонения коромысла составляет 50—100% от предельной нагрузки В., обычно лежащей в пределах 20 г – 10 кг . Это достигается особой конструкцией тяжёлого коромысла (квадранта), центр тяжести которого расположен значительно ниже оси вращения.

  По принципу рычажных В. устроено большинство типов метрологических, образцовых, аналитических, технических, торговых (рис. 7 ), медицинских, вагонных, автомобильных В., а также В. автоматических и порционных.

  В основу действия пружинных и электротензометрических В. положен закон Гука (см. Гука закон ).

  Чувствительным элементом в пружинных В. является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания В. отсчитывают по шкале, вдоль которой перемещается соединённый с пружиной указатель. Принимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, то есть в пружине под действием нагрузки не возникает остаточных деформаций.

  При помощи пружинных В. измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных В. градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных В. зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных В.

  В крутильных (торзионных) В., чувствительным элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 8 ). Нагрузка определяется по углу закручивания нити пружины, который пропорционален создаваемому нагрузкой крутильному моменту.

  Действие электротензометрических В. основано на преобразовании деформации упругих элементов (столбиков, пластин, колец), воспринимающих силовое воздействие нагрузки, в изменение электрического сопротивления. Преобразователями служат высокочувствительные проволочные тензометры , приклеенные к упругим элементам. Как правило, электротензометрические В. (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.

  Гидростатические В. применяют, главным образом, для определения плотности твёрдых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда (см. Гидростатическое взвешивание ).

  Гидравлические В. по устройству аналогичны гидравлическому прессу . Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.

  Все типы В. характеризуются: 1) предельной нагрузкой – наибольшей статической нагрузкой, которую могут выдерживать В. без нарушения их метрологических характеристик; 2) ценой деления – массой, соответствующей изменению показания на одно деление шкалы; 3) пределом допускаемой погрешности взвешивания – наибольшей допускаемой разностью между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;

  4) допускаемой вариацией показаний – наибольшей допускаемой разностью показаний В. при неоднократном взвешивании одного и того же тела.

  Погрешности взвешивания на В. некоторых типов при предельной нагрузке.

  * С применением методов точного взвешивания.

  Лит.: Рудо Н. М., Весы. Теория, устройство, регулировка и поверка, М. – Л., 1957; Маликов Л. М., Смирнова Н. А., Аналитические электрические весы, в кн.: Энциклопедия измерений контроля и автоматизации, в. 1, М. – Л., 1962: Орлов С. П., Авдеев Б. А., Весовое оборудование предприятий, М., 1962; Карпин Е. Б., Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов, М., 1963; Гаузнер С. И., Михайловский С. С., Орлов В. В., Регистрирующие устройства в автоматических процессах взвешивания, М., 1966.

  Н. А. Смирнова.

Рис. 6. Квадрантные весы с проекционной шкалой (а – общий вид, б – схема): 1 – грузоприёмная чашка; 2 – противовес-квадрант; 3 – рычаг, угол отклонения которого измеряется с помощью проекционной шкалы 4, через которую проходит световой пучок 5, проектирующий изображение шкалы на экран 6.

Рис. 8. Схема крутильных (торзионных) весов: 1 – спиральные пружины; 2 – рычаг для помещения нагрузки; 3 – магнитный ускоритель; 4 – стрелка; 5 – шкала.

Рис. 4. Равноплечные двухчашечные микроаналитические весы (предельная нагрузка 20 г ): 1 – коромысло; 2 – воздушные успокоители; 3 – механизмы наложения встроенных гирь (от 1 до 999 мг ); 4 – экран, на который проектируется шкала отсчёта; 5 – манипулятор, выдвигающий чашку весов в окошко; 6 – перегородка, защищающая коромысло от температурных влияний и воздушных потоков; 7 – встроенные гири, имеющие вид колец.

Рис. 1. Древнеегипетские рычажные весы (гирям придавалась форма животных).

Рис. 2. Схема десятичных весов системы Квинтенца. АОК – рычаг 1-го рода, EDC – рычаг 2-го рода. Гири уравновешивают в 10 раз большую нагрузку при следующих условиях: ОА : ОВ = 10 : 1; CE : CD = OK : OB.

Рис. 5. Схема одноплечных аналитических весов: 1 – коромысло; 2 – встроенные гири; 3 – грузоприёмная чашка; 4 – противовес и успокоитель; 5 – источник света; 6 – проекционная шкала; 7 – объектив; 8 – устройство для коррекции нуля; 9 – экран.

Рис. 3. Схема равноплечных рычажных весов: О – точка опоры коромысла AB; С и P _{– центр тяжести и вес коромысла со стрелкой; ОС = с – расстояние между точкой опоры и центром тяжести коромысла; Р – вес тела; р – перегрузок, уравновешиваемый смещением центра тяжести коромысла; l – плечо коромысла; r – длина стрелки; h – отклонение стрелки.}

Рис. 7. Настольные циферблатные (торговые) весы (а – общий вид, б – схема): 1 – основной равноплечный рычаг; 2 – опорная призма; 3—4 – грузоприемные призмы; 5—6 – стойки для предотвращения опрокидывания чашек; 7 – квадрант; 8 – стрелка; 9 – шкала.