Принципы адекватного моделирования процесса взвешивания.

Экспериментальная проверка погрешности весов.

Погрешности «базового» блока достаточно хорошо известны и поддаются оценке расчетными и экспериментальными методами при испытаниях весов с целью утверждения типа СИ и при периодических испытаниях.

Второй же, блок «локальных» составляющих погрешности к настоящему времени практически не исследован. Оставаясь во многом случайными по происхождению, эти составляющие часто проявляются в систематической погрешности весов. Погрешности «локального» характера можно определить только экспериментально для каждого экземпляра СИ при метрологически корректной постановке эксперимента в ходе настройки и поверки весов. В случае выявления недопустимо большой погрешности весов, причины отклонений подобного рода чаще всего могут быть выявлены и устранены ремонтом весов и правильной настройкой.

При настройке и поверке весов представляется возможность достаточно точного воспроизведения процесса взвешивания и экспериментального определения основных МХ при действии присущих конкретному экземпляру весов составляющих погрешности как «первого» так и «второго» блока. При правильной постановке эксперимента можно оценить погрешность весов с учетом как погрешности датчиков и приборов так и влияния податливости опор датчиков, деформаций грузоприемной платформы, способности установочной оснастки датчиков парировать влияние деформаций платформы на точность измерения и других подобных факторов.

Учет особенностей нагружения весов при эксплуатации

К основным показателям, контролируемым при поверке МХ большегрузных весов, относят прежде всего

- независимость показаний весов от положения груза на грузоприемном устройстве (п. 3.3.5. ГОСТ 8.453-82),

- погрешность нагруженных весов (п.3.3.6. ГОСТ 8.453-82).

Вполне очевидно, что характер и схемы нагружения при настройке и поверке должны в максимальной степени учитывать особенности работы весов.

Для вагонных, вагонеточных, автомобильных весов характерно попарно симметричное, «точечное» приложение нагрузки через «пятна» касания колес взвешиваемого транспорта и платформы. Из-за разнообразия транспорта по числу осей и расстоянию между ними точки возможного приложения нагрузки от колес располагаются достаточно произвольно по длине платформы. Это обстоятельство, безусловно, должно быть учтено при проектировании конструкции платформы и при выборе схем нагружения весов при настройке и поверке.

Для вагонных и автомобильных весов независимость показаний от положения взвешиваемого транспорта на платформе особенно важна. На весах взвешивают транспорт различных баз и колесных формул, наезжающий с обеих сторон весов. Точки возможного приложения нагрузки на весы распределены практически по всей поверхности платформы.

Сейчас при настройке и поверке вагонных, вагонеточных весов нагрузка на рельс передается через колесо весовой тележки, что близко к условиям эксплуатации весов.

Для весов же автомобильных при использовании широко применяемых цилиндрических гирь характер передачи нагрузки на платформу не соответствует реальному. При настройке и поверке должны быть проверены ситуации расположения транспорта в любом месте по длине платформы, по всем секциям. Нагрузка должна быть приложена по колеям, симметрично относительно продольной оси весов.(Рис. 2).

Рис. 2

Предпочтение прямым методам нагружения весов.

ГОСТ 8.453-82 [ 3 ] предусмотрено определение МХ поверяемых весов методом прямых измерений с нагружением весов эталонными массами. В этом случае процесс взвешивания удается воспроизвести наиболее полно и наглядно. Действительно, при установке груза на весы (Рис. 3) силовые потоки передаются через деформирующуюся под нагрузкой платформу на установочную оснастку весоизмерительных датчиков. Оснастка должна в достаточной степени парировать деформации платформы и обеспечить возможно более точную передачу вертикальной составляющей нагрузки на датчики. Далее усилия передаются на опорные элементы, на фундамент весов и замыкаются на подстилающую поверхность (грунт, строительная конструкция, балластная призма и т.п.).

Рис. 3

При нагружении весов гирями или замещающими грузами, с наибольшей точностью воспроизводятся реальные условия работы весов, удается проверить влияние всех, без исключений, источников погрешности на пути передачи сил.

Как альтернативу традиции, некоторые нормативные документы, например, методика МИ 2520-99 «Весы электромеханические большегрузные. Методика поверки»

[ 5 ], допускают, так называемый, «безгирный» способ поверки. Весы предлагают нагружать не гирями или балластными массами а различными механизмами, например, гидроцилиндрами, измеряя прилагаемые силы. В этом случае (Рис. 4) характер приложения нагрузки и схема передачи сил далеко не всегда моделируют реальные условия работы весов.

Рис. 4

Для платформенных весов, например, нагрузку предлагается прикладывать гидроцилиндрами, связанными с фундаментом. При приложении нагрузки непосредственно над силоизмерительными датчиками проверке, по существу, подвергаются лишь сами датчики и весовой терминал. К фундаменту весов приложены силы, действующие в противоположном, по отношению к штатному, направлении. Подстилающая поверхность фундамента не нагружена. Нагрузить середину платформы автомобильных или вагонных весов безгирным способом практически нереально. Поэтому при поверке не будет проверено влияние на МХ податливости платформы, жесткости опор, эффективности установочной оснастки датчиков. Вполне очевидно с позиций теории, и опыт это подтверждает, что качество фундамента, свойства грунта, деформации конструкции под нагрузкой, способность датчиков и установочной оснастки парировать эти деформации являются важнейшими факторами, определяющими реальную погрешность взвешивания.

Возможно, в обоснованных случаях безгирное нагружение весов применимо как способ настройки, диагностики состояния отдельных систем весов. Но возможность применения безгирного способа нагружения для поверки автомобильных, вагонных, вагонеточных весов в целом без тщательного изучения каждой конкретной ситуации квалифицированными специалистами, конечно, недопустима.

Проверка случаев экстремального нагружения весов

Естественно рассмотреть вопрос – допустимо ли при настройке и поверке весов укладывать гири на грузоприемной платформе, равномерно распределяя их по поверхности платформы?

Грузоприемную платформу (секцию платформы) автомобильных, вагонных весов можно моделировать как балку на шарнирных опорах, нагруженную силой равной, нагрузке на ось взвешиваемого транспорта (Рис.5).

Рис. 5

Случаю нагружения платформы гирями, равномерно распределенными по ее длине, соответствует балка с равномерно распределенной нагрузкой. Прогиб такой балки в середине пролета согласно [6] равен

Δ = 0,013 Pl³/EJ_x.,

где

E – модуль упругости материала балки,

J_x – момент инерции сечения балки,

P – нагрузка на ось,

l – длина пролета.

В реальности нагрузка от колеса сосредоточена в «пятне касания», чему соответствует та же балка нагруженная сосредоточенной силой. Максимальный прогиб балки при нагрузке, приложенной в середине пролета, составит

Δ = 0,021 Pl³/EJ_x.

Из приведенных соотношений видно, что при нагружении «в точке» прогиб балки практически в два раза больше, чем в случае распределенной нагрузке.

Деформации платформы могут существенно влиять на погрешность весов. Рассмотренный пример иллюстрирует важные для практики настройки и поверки весов положения.

Во-первых. Место расположение эталонной массы на поверхности грузоприемной платформы при настройке и поверке весов может существенно влиять на измеряемые МХ, что явно недостаточно учтено сейчас в нормативно-методических документах.

Во-вторых. Распространенная практика настройки и поверки автомобильных весов с равномерным распределением гирь (цилиндрических или призматических) по поверхности платформы, неприемлема. В этом случае условия работы весов необоснованно облегчены - деформации платформы весов и соответствующие нагрузки на установочную оснастку силоизмерительных датчиков практически вдвое меньше, чем при передаче нагрузки через колеса автомобиля. Возникает опасность пропуска в эксплуатацию весов не соответствующих требованиям ГОСТ.

В-третьих. Повсеместно используемые в настоящее время для настройки и поверки автомобильных весов цилиндрические гири массой 500кг и, реже, 2000кг не удовлетворяют современным требованиям – не позволяют адекватно воспроизвести нагрузку от колес автомобиля.

Приведенные примеры поясняют принцип проверки при настройке и поверке экстремальных условий нагружения весов. В соответствии с этим принципом при настройке и поверке автомобильных, вагонных, вагонеточных весов следует экспериментально проверить случаи экстремального (в смысле деформаций) нагружения платформы (секций) весов от колес (тележек) взвешиваемого транспорта.

Принципу проверки случаев экстремального нагружения весов в целом отвечают требования ГОСТ 8.453-82 в части методики проверки независимости показаний весов от положения груза на грузоприемном устройстве. Согласно стандарту эту характеристику необходимо проверять “…при нагружении …20%НПВ для автомобильных и вагонных … и 10%НПВ для весов других типов…» над каждой (парой) грузоприемных призм и на середине платформы (секции).

Однако стандарт нуждается в важном уточнении. Как показано выше, для более точного воспроизведения реальных условий работы автомобильных весов нагрузку необходимо располагать на попарно симметричных относительно оси весов «точках». На рис. 2 показан пример схемы укладки гирь на платформе автомобильных весов при настройке и поверке. Нагрузка должна быть приложена на попарно симметричные относительно направления движения площадки площадью не более 1кв.м. Представляется целесообразным принять нормативные требования к имитации нагрузок от оси, тележки при настройке автомобильных, вагонных, вагонеточных весов различных типоразмеров.

Нагрузка на ось современных автомобилей достигает 10 и более тонн. При поверке автомобильных весов с НПВ 40…60т, над каждым датчиком и на середине платформы необходимо разместить 4…6 тонн эталонных гирь. Однако форма и размеры повсеместно применяемых сейчас эталонных 500 – килограммовых гирь таковы, что на площадке в 1 м² поверхности весов можно разместить всего 3…4 гири вместо требуемых 8…12. Поэтому настройку и поверку автомобильных весов вынужденно проводят при нагрузках много меньших требуемых стандартом.

В результате при настройке и поверке весов не удается полностью проверить выполнение требований стандарта. Вероятен допуск в эксплуатацию неисправных весов – показания весов при наезде одного и того же автомобиля с разных сторон, при остановке в различных местах платформы будут отличаться между собою. Практика показывает, что эти отклонения могут достигать десятков и даже сотен килограммов.

Достоверная оценка погрешности весов

Важнейшая процедура настройки и поверки весов – оценка погрешности нагруженных весов. Погрешность определяют экспериментально как разность между нагрузкой (массой эталонных гирь) и показаниями весоизмерительного прибора.

Рис. 6

На рис. 6 прямой 1 условно изображена номинальная характеристика весов с НПВ=60т и е = d =20кг и поле допускаемых стандартом [ 2 ] отклонений показаний весов от величины нагрузки. Если настройку и поверку весов проводить корректно и в соответствии с требованиями стандарта [ 3 ] проверять погрешность весов при их нагружении (разгружении) эталонными гирями до НПВ, то в достоверности результатов эксперимента не приходится сомневаться. Весы, у которых МХ не соответствуют требованиям ГОСТ (прямые 2 и 3 на рис. 6), будут отрегулированы при настройке или забракованы представителем ГМС при поверке.

Но нередки ситуации, когда имеющихся эталонных гирь для нагрузки поверяемых вагонных или автомобильных весов до НПВ недостаточно. Тогда исходную калибровку весов проводят по меньшей массе гирь, а при дальнейших измерениях и поверке автомобильных весов используют метод последовательных замещений (МПЗ).

Возможные последствия настройки и поверки автомобильных весов посредством МПЗ при малой массе эталонных гирь показаны на Рис. 6 и в таблице 1. Прямые 2 и 3 на рис. 6 и таблица 1 показывают возможные отклонения характеристики весов при настройке, которые не удастся выявить дальнейшей поверкой весов с НПВ в 40…60т при работе с 5-ти тонн эталонных гирь.

Таблица 1.

НПВ, т	e=d, кг.	Допускаемая ГОСТ 29 329-92 погрешность весов	Масса эталона, 5т	Суммарная погрешность, %%
±3е	%%	Дополнительные отклонения, не выявляемые поверкой, кг
		±30	±0,07	±80	±0,27
		±60	±0,12	±200	±0,52
		±60	±0,10	±240	±0,5

Из данных таблицы следует, что настройка весов по малой массе эталонных гирь может привести к погрешности взвешивания, превышающей допустимые ГОСТом величины в 4...5 и более раз. При этом поверка весов с недостаточной массой эталонных гирь не способна выявить допущенные при настройке отклонения.

В реальных условиях за счет возможной нелинейности характеристики весов, при зависимости (из-за ошибок настройки) показаний весов от места приложения нагрузки погрешности настройки весов, которые не удается выявить поверкой, могут значительно превышать приведенные оценки.

Конечно, наиболее точно погрешность весов можно оценить при нагружении весов эталонными гирями до НПВ. Такие проверки, возможно, следует проводить при успытаниях типа СИ. В обычной практике обычно пользуются методом замещений. Так стандарт [ 3 ] допускает при поверке автомобильных весов применение МПЗ с массой эталонных гирь не менее 25% НПВ; МОЗМ в аналогичном случае [ 1 ] рекомендует иметь гирь не менее 50% НПВ.

Актуальным направлением работ по повышению точности большегрузных весов является оснащение предприятий, производящих настройку и поверку весов достаточным, вплоть до НПВ обслуживаемых весов, количеством эталонных гирь.

Требования к эталонным гирям и передвижным лабораториям для поверки весов

Опираясь на рассмотренные примеры, можно сформулировать общие требования к конструкции эталонных гирь, применяемых при настройке, калибровке, поверке автомобильных и подобных им весов:

- технические и метрологические характеристики гирь должны соответствовать требованиям ГОСТ 7328-01 [ 4 ], класс точности М₁;

- предусмотреть возможность укладки гирь в несколько рядов друг над другом на платформе весов, на складе, на стеллажах передвижных лабораторий,

- предпочтительна масса гирь до 500 и 1000 кг,

- возможность укладки на 1 кв.м поверхности грузоприемной платформы не менее 6т гирь,

- возможность перемещения гирь современными средствами механизации работ на складах.

Для настройки, калибровки и поверки большегрузных весов на местах необходимы специальные передвижные весоповерочные лаборатории (СПВЛ), отвечающие современным требованиям:

- масса доставляемых к месту поверки эталонных гирь – не менее 15…20тонн (учитывая возможность подвоза недостающих до 50%НПВ гирь другими транспортными средствами),

- наличие различных по массе гирь – 500, 1000, наборы гирь до 20кг,

- механизмы для погрузки и выгрузки, перемещения гирь по платформе весов,

- автономный источник энергии,

- размещение на автотранспорте, удовлетворяющем требованиям Правил дорожного движения.

Возможны различные варианты конструкции эталонных гирь, комплектации СВПЛ в зависимости от предпочтений заказчика, типов и пределов взвешивания обслуживаемых весов, типа и параметров транспортных средств (автомобильных шасси, тягачей, полуприцепов и прицепов) и используемых грузоподъемных механизмов. Известны примеры [ 6 ] отечественных разработок.

Гарантия соответствия МХ весов требованиям стандартов

Как показано выше, сложность техники, большое число участников работ, длительность сроков эксплуатации весов порождают множество факторов, влияющих на качество весов, на точность взвешивания. Вследствие этого, в том числе и из-за ошибок или недобросовестных действий персонала, довольно велика вероятность появления весов с повышенной погрешностью, не соответствующих стандартам. Но, по сложившемуся сейчас порядку на пути от производителя и сервисного предприятия к потребителю поверка органами ГМС является главным и часто единственным барьером, защищающим потребителя от поступления негодных к эксплуатации весов.

Назрела необходимость принять к исполнению принцип гарантии соответствия МХ весовтребованиям стандартов. По этому принципу производитель весов непосредственно или через уполномоченные им сервисные центры должен гарантировать соответствие МХ каждого поступившего к потребителю экземпляра весов установленным для типа СИ значениям.

Гарантия соответствия установит ответственность производителя за результат поверки весов после монтажа и настройки при вводе их в эксплуатацию. В дальнейшем, в ходе эксплуатации весов подобные гарантии потребитель должен получить от предприятия сервисного обслуживания. Аналогичные положения содержат рекомендации МОЗМ [ 1 ].

Последовательное соблюдение принципа гарантии соответствия даст производителям весов, сервисным предприятиям мощный стимул повышения качества весов, качества работы, увеличения гарантийных сроков, оснащения контрольным оборудованием и рабочими эталонами массы. Такие действия будут способствовать повышению реальной точности взвешивания в местах использования весов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Исходя из преложенных принципов, для решительного улучшения ситуации с обеспечением точности взвешивания на местах эксплуатации большегрузных весов целесообразно предложить следующие первоочередные меры:

- обновить содержание нормативных документов, регламентирующих общие технические требования к весам, методики их поверки с учетом специфики различных типов большегрузных весов и условий их нагружения при эксплуатации;

- согласовать методики поверки весов, требования к эталонам массы с рекомендациями международных документов;

- оснастить ГЦИ, ЦСМ рабочими эталонами массы (гирями) современной конструкции, передвижными лабораториями (СПВЛ), средствами поверки рабочих эталонов, оборудованием для испытаний силоизмерительных датчиков и приборов, исходя из необходимости поверки прежде всего автомобильных весов в соответствии с рекомендациями МОЗМ,

- разработать и принять организационно-распорядительные документы, устанавливающие ответственность изготовителей, поставщиков и сервисных предприятий за соответствие МХ поставляемых в эксплуатацию и предъявляемых на поверку весов требованиям нормативных документов;

- разработчикам, изготовителям, предприятиям сервисного обслуживания большегрузных весов, работникам ЦСМ до выхода новых нормативных документов строго выполнять требования действующего стандарта [ 3 ], особенно в части настройки и контроля погрешности весов, переходить на применение современных гирь и средств их поверки.

Весы, прибор для определения массы тел по действующей на них силе тяжести. Весы (прибор) 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 Весы (прибор) рассмотрена в ст. Взвешивание.

Весы (прибор) — один из древнейших приборов. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Простейшие Весы (прибор) 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 Весы (прибор) с передвижной гирей (см. Безмен). Уже в 4 в. до н. э. Аристотель дал теорию таких Весы (прибор) (правило моментов сил). В 12 в. арабским учёным аль-Хазини были описаны Весы (прибор) 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 Весы (прибор) Общая теория Весы (прибор) была развита Л. Эйлером (1747).

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

Развитие промышленности и транспорта привело к созданию Весы (прибор), рассчитанных на большие нагрузки. В начале 19 в. были созданы десятичные Весы (прибор) (рис. 2) (с отношением массы гирь к нагрузке 1:10 — Квинтенц, 1818) и сотенные Весы (прибор) (Весы (прибор) Фербенкс, 1831). В конце 19 — начале 20 вв. с развитием поточного производства появились Весы (прибор) для непрерывного взвешивания (конвейерные, дозировочные и др.). В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, на транспорте стали применять Весы (прибор) 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 Весы (прибор) — аналитических, микроаналитических, пробирных и др.

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.

В зависимости от назначения Весы (прибор) 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 Весы (прибор) подразделяются на рычажные, пружинные, электротензометрические, гидростатические, гидравлические.

Наиболее распространены рычажные Весы (прибор), их действие основано на законе равновесия рычага. Точка опоры рычага («коромысла» Весы (прибор)) может находиться посередине (равноплечные Весы (прибор)) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные Весы (прибор)). Многие рычажные Весы (прибор) (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 Весы (прибор) 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 Весы (прибор) определяется формулой

Рис. 3. Схема равноплечных рычажных весов: О — точка опоры коромысла AB; С и P₀ — 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.

s = k (P_oc / lg),

где P₀ — 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 Весы (прибор), можно в определенных пределах изменять (обычно за счёт перемещения специального грузика, изменяющего расстояние с).

В ряде рычажных лабораторных Весы (прибор) 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 Весы (прибор) к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку Весы (прибор) Подобного типа Весы (прибор) 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 Весы (прибор) Центр тяжести коромысла совмещен в этих Весы (прибор) с осью вращения.

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

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. 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.

Современные лабораторные Весы (прибор) (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 Весы (прибор) Всё чаще применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчёта при малых углах отклонения коромысла. Всё это позволяет значительно повысить быстродействие Весы (прибор)

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

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.

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

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.

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

Чувствительным элементом в пружинных Весы (прибор) является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания Весы (прибор) 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 Весы (прибор) измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных Весы (прибор) градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных Весы (прибор) зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных Весы (прибор)

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

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

Действие электротензометрических Весы (прибор) 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 Весы (прибор) (вагонные, автомобильные, крановые и т.д.) применяются для взвешивания больших масс.

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

Гидравлические Весы (прибор) по устройству аналогичны гидравлическому прессу. Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.

Все типы Весы (прибор) характеризуются: 1) предельной нагрузкой — наибольшей статической нагрузкой, которую могут выдерживать Весы (прибор) 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 Весы (прибор) при неоднократном взвешивании одного и того же тела.

Погрешности взвешивания на Весы (прибор) некоторых типов при предельной нагрузке.

Типы весов	Предельная нагрузка	Погрешность взвешивания при предельной нагрузке
Метрологические........... Образцовые 1-го и 2-го разрядов   Образцовые 3-го разряда и технические 1-го класса............   Аналитические, полумикроаналитические, микроаналитические, пробирные     Медицинские..............   Бытовые................. Автомобильные............. Вагонные................ Крутильные..............	1 кг 20 кг — 1 кг 200 г — 2 г 20 кг — 1 кг 200 г —2 г 200 г 100 г 20 г 2 г 1 г 150 кг 20 кг 30 кг — 2 кг 50 т — 10 т 150 т — 50 т 1000 мг — 20 мг 5 мг — 0,5 мг	0,005 мг* 20 мг — 0,5 мг* 1,0 мг — 0,01 мг*   100 мг — 20 мг 10 мг — 0,4 мг   1,0 мг — 0,1 мг* 1,0 мг — 0,1 мг* 0,1 мг — 0,01 мг* 0,02 мг — 0.004 мг* 0,01 мг — 0,004 мг* 50 г 10 г 60 г —5 г 50 кг — 10 кг 150 кг — 50 кг 1,0 мг — 0, 05 мг 0,01 мг— 0,001 мг

* 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 Весы (прибор) Весы (прибор), Регистрирующие устройства в автоматических процессах взвешивания, М., 1966.

Н. А. Смирнова.

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_oc / lg),

где P₀ — 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.

Типы весов	Предельная нагрузка	Погрешность взвешивания при предельной нагрузке
Метрологические........... Образцовые 1-го и 2-го разрядов   Образцовые 3-го разряда и технические 1-го класса............   Аналитические, полумикроаналитические, микроаналитические, пробирные     Медицинские..............   Бытовые................. Автомобильные............. Вагонные................ Крутильные..............	1 кг 20 кг — 1 кг 200 г — 2 г   20 кг — 1 кг 200 г —2 г   200 г 100 г 20 г 2 г 1 г 150 кг 20 кг 30 кг — 2 кг 50 т — 10 т 150 т — 50 т 1000 мг — 20 мг 5 мг — 0,5 мг	0,005 мг* 20 мг — 0,5 мг* 1,0 мг — 0,01 мг* 100 мг — 20 мг 10 мг — 0, 4 мг   1,0 мг — 0,1 мг* 1,0 мг — 0,1 мг* 0,1 мг — 0,01 мг* 0,02 мг — 0.004 мг* 0,01 мг — 0,004 мг* 50 г 10 г 60 г —5 г 50 кг — 10 кг 150 кг — 50 кг 1,0 мг — 0, 05 мг 0,01 мг— 0,001 мг

* С применением методов точного взвешивания.

Дата добавления: 2015-07-08