Контрольная работа по "Аналитике"

Весы, приборы для определения массы тел. Весами называют иногда также приборы для измерения других физических величин, преобразованных для этого в силу или момент силы (например, весы Кавендиша, Кулона, токовые). Весы широко применяют во всех отраслях народного хозяйства и в научных исследованиях как основное средство взвешивания при определении расхода или количества сырья, топлива, готовой продукции и т. п., в целях их учета, проведения химических, технических и других анализов, контроля технологических процессов и автоматизации управления ими и т.д.

Массу М тела находят преимущественно уравновешиванием его силы тяжести Р (Р = , где -ускорение свободного падения в месте установки весов) либо момента этой силы, действующих на измерительную (подвижную) часть весов, известной противодействующей, или уравновешивающей, силой (моментом). При наиболее точном компенсационном методе взвешивания уравновешивающая сила, создаваемая, например, гирями, возвращает подвижную часть весы в исходное положение равновесия, а весы служат компаратором (сравнивающим устройством). При прямом методе измерений (масса тела принимается равной показаниям весы) противодействующая сила возникает в результате отклонения подвижной части от положения равновесия под действием силы тяжести взвешиваемого тела. Во многих типах весы используют оба метода взвешивания; например, основная доля силы Р уравновешивается гирями, а остальная - отклонением подвижной части весы от положения равновесия.

По  способу создания уравновешивающей силы весы подразделяют на механические - гирные (равноплечные и неравноплечные), квадрантные (с маятниковым уравновешивающим устройством, угол отклонения которого преобразуется в отклонение стрелки и служит мерой силы Р), пружинные (например, торзионные, крутильные, тензометрические, магнитострикционные, виброчастотные), в которых мера силы Р – деформация упругого элемента трансформируется кинематически или спец. Преобразователями в отклонение стрелки; электронные с магнитоэлектрическими (взаимодействие магнитных полей постоянного магнита и токовой катушки), электродинамическими (полей двух катушек) или электростатическими (статических зарядов двух электродов) силовозбудителями, причем мерой силы Р является электрическая величина (ток, напряжение); гидравлические и пневматические, в которых сила Р уравновешивается давлением соответственно жидкости и воздуха. Довольно часто в весы используют два и даже три способа создания противодействующей силы. Последняя и сила Р могут быть приложены встречно, вдоль общей линии действия к одному и тому же элементу измерительной части весов без промежуточной передачи (безрычажные весы), либо взаимодействием посредством спец. передаточного механизма (рычажные весы).

Основные  метрологические характеристики весы, принятые в аналитической химии: правильность (точность, верность) - степень  приближения абсолютного значения массы взвешиваемого тела по показаниям весы к ее действительному (истинному) значению; воспроизводимость (разброс, вариация) - расхождение показаний весы при неоднократном взвешивании одного и того же тела. Численно эти характеристики определяют величиной погрешности, которая не должна превышать допускаемых значений, установленных для весов разных типов и назначений международными и национальными стандартами. Различают основную погрешность (при нормировочных окружающих условиях), дополнительную погрешность (из-за изменений температуры, давления и т.п.) и их составляющие - систематическую погрешность (например, вследствие неправильного соотношения плеч рычагов) и случайную (вызывается, например, трением в опорах). Последняя определяется для конкретного типа весы в целом (табл. 1 и 2) величиной среднего квадратичного, или стандартного, отклонения

при числе взвешиваний ), а для каждых весы - приближенной оценкой s стандартного отклонения

при ограниченном и, например 2, 5, 10. Здесь  Мi-значение массы тела при отдельных  взвешиваниях,

величина s-определяющая характеристика весы при весьма большом числе химических анализов.

Др. важные характеристики: наибольший предел взвешивания М_макс-наибольшая масса тела, которое может быть взвешено на данных весы с установленной для них точностью; диапазон непосредственного отсчета показаний по шкале (ДНОП) - в его пределах предпочтительно определяют содержание компонентов при химических анализах; цена деления - значение одного деления шкалы или единицы младшего разряда отсчетного устройства, выраженное в единицах массы; разрешающая способность – характеризует точность отсчета показаний весов (обычно единица младшего разряда цифрового отсчетного устройства, а также 0,5, 0,05 или 0,01 цены деления шкалы соответствует без нониуса и с нониусом). Для суммарной метрологической оценки точности применяется обобщенный показатель - класс точности (соответствует классу точности гирь), определяющий правильное соотношение между допускаемой погрешностью показаний, ценой деления, разрешающей способностью, , М_макс и ДНОП.

Основные  эксплуатационные характеристики весов: независимость показаний от внешних  воздействий и от точности установки; затраты труда и времени на подготовку к работе, проведение измерений, обработку и представление результатов в требуемой форме; степень автоматизации взвешиваний и диагностики состояния; способность к расширению функциональных возможностей путем подсоединения к унифицированным вычислительным устройствам, дисплеям, контроллерам и т.п., а также к различным камерам для проведения специальных исследований (см. ниже).

Различают весы образцовые (для поверки и  аттестации гирь), лабораторные, технологические, общего назначения (например, для торговых, складских и транспортных операций) и бытовые. Главные тенденции развития современные весы: совершенствование традиционных конструкций и создание перспективных типов и моделей на основе уравновешивающих устройств, дающих информацию в форме стандартных аналоговых или цифровых электрических сигналов, с применением электроники, вычислительной и микропроцессорной техники.

В данной статье рассмотрены важнейшие  типы лабораторных и технологических  весов, применяемых в химических лабораториях, химических и смежных отраслях промышленности, медицине и сельском хозяйстве (в агрохимических лабораториях).

Лабораторные весы. Для удобства классификации традиционно различают весы: аналитической группы (аналитические полумикроаналитические., микроаналитические, ультрамикроаналитические), общелабораторные, или технические, - для технических анализов, взвешивания химических реактивов и другие, специальные - для исследований при пониженных давлениях (вакуумные весы), изменения массы тел при высоких и низких температурах (термогравиметрические весы), гранулометрии, состава материалов с регистрацией изменения массы осадков во времени (седиментационные весы), для работы в агрессивных средах, в атмосфере благородных газов, в присутствии взрывоопасных веществ и т.п., а также для взвешивания драгоценных металлов и камней (пробирные весы). В последние десятилетия произошли капитальные изменения как в конструкциях, так и в парке всех лабораторных весов (см. табл. 1-2). Выходят из употребления эксплуатировавшиеся с конца 40-х-начала 60-х гг. простые двухчашечные равноплечные весы с трехпризменным коромыслом (рычагом) без успокоителей, рейтерными (рейтер - проволочная гиря-"наездник" массой 1, 5 или 10 мг, перемещаемая оператором вдоль шкалы на коромысле) и неименованными (без фиксированной цены деления) отсчетными шкалами. Основные недостатки таких весы: неудобство работы (необходимость вычислять положение равновесия, отсчитывая амплитуды отклонений стрелки при колебаниях коромысла), необходимость применения методов точного взвешивания для исключения погрешности из-за неравноплечности коромысла и учета погрешности гирь, низкая производительность (одно взвешивание за 3-6 мин) и др.

Табл. 1.-ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ВЕСОВ АНАЛИТИЧЕСКОЙ  ГРУППЫ

Табл. 2.-ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТИПИЧНЫХ ОБЩЕЛАБОРАТОРНЫХ ВЕСОВ

На  смену простым весы пришли равноплечные весы с успокоителями (обычно воздушными), встроенными гирями и именованными проекционными шкалами (рис. 1). Они имеют, как и простые весы, коромысло с одной опорной и двумя грузоприемными призмами, к которым посредством подушек и серег подвешены грузоприемные чашки (площадки), траверсы для встроенных миллиграммовых гирь (весы аналитической группы с комплектом гирь до полной нагрузки не получили распространения). Коромысло изготовлено из алюминиевого сплава или чугуна, призмы и подушки - из агата, корунда или высокотвердой стали. Для уменьшения износа и предупреждения поломок призм и подушек весы оборудуются арретиром, ограничивающим амплитуду колебаний коромысла, и изолиром, с помощью которого призмы отделяются от подушек. Применение встроенных гирь не только упрощает и ускоряет взвешивание, но и способствует повышению точности весы, поскольку погрешности гирь вследствие их малости не учитываются. Специально именованная шкала, изображение которой проецируется на матовый экран оптической системой весов, позволяет уменьшить угол отклонения коромысла, расширить ДНОП, повысить точность отсчета, используя нониус, и исключает необходимость в определении цены деления при взвешивании разных по массе тел. Эти весы производительнее простых равноплечных (одно взвешивание за 1-3 мин), однако и при работе на них часто приходится применять методы точного взвешивания и учитывать погрешности гирь из наборов.

Рис. I. Равноплечные трехпризменные лабораторные весы аналитической группы: 1-коромысло; 2-успокоитель; 3-рукоятки механизма  наложения встроенных гирь с оцифрованными  лимбами; 4-экран с изображением проекционной шкалы; 5-грузоприемная чашка; 6-колонка; 7-рукоятка арретира-изолира.

Дальнейшее совершенствование  гирных весов достигнуто благодаря  переходу в начале 60-х гг. от равноплечных весы к одноплечным, или одночашечным, двухпризменным (рис. 2), принцип действия которых был предложен Д. И. Менделеевым. На коромысле весы закреплены опорная и грузоприемная призмы. К последней, помимо чашки для взвешиваемого тела, подвешены траверсы с полным комплектом встроенных граммовых и миллиграммовых гирь, масса которых равна М_макс. Для уравновешивания коромысла с чашкой и гирями на его противоположном конце закреплен груз-противовес. При помещении на чашку взвешиваемого тела для уравновешивания коромысла с траверсы снимают гири, масса которых с точностью до половины ДНОП соответствует массе тела. В этих весы исключена погрешность из-за неравноплечности коромысла, не учитываются погрешности встроенных гирь, а тела разной массы взвешиваются при одной и той же нагрузке на коромысло, что повышает точность измерений. Для ускорения подбора гирь применяют предварительное (грубое) взвешивание посредством входящего, как правило, в комплект весы специального устройства - рычага, расположенного под коромыслом и опирающегося на пружину (на рисунке не показан). Продолжительность одного взвешивания на таких весы составляет ок. 60 с.

Рис. 2. Одноплечные двухпризменные лабораторные весы аналитической группы: 1-коромысло; 2-противовес; 3-успокоитель; 4-проекц. шкала; 5-траверса; 6-встроенные гири; 7-серьга; 8 - грузоприемная чашка; 9, 10 - соответственно опорные и грузоприемные призмы и подушки; 11 -колонка; 12- рукоятка арретира-изолира.

В лучших моделях двухпризменных аналитические  весы автоматизированы арретирование  и разарретирование коромысла, обеспечивается плавное соприкосновение призм  и подушек, предусмотрены возможность  компенсации тарной нагрузки и дрейф (смещение) нуля в ДНОП по проекционной шкале. В микроаналитических весах, кроме того, автоматизировано наложение -снятие встроенных гирь (что исключает необходимость в предварительном взвешивании) и имеется устройство, позволяющее выносить чашку из витрины весы для удобства наложения и удаления взвешиваемого тела; это устройство сблокировано с механизмом открывания и закрывания витрины. Повышение точности таких автоматизированных весов достигается уменьшением суммарной погрешности всех встроенных гирь до ±0,1 мг (аналитические весы) либо суммы гирь каждой декады, напр. 10-100 мг или 1-10г, до ± 0,006 мг (микроаналитические весы), а также снижением при одновременном расширении ДНОП. Продолжительность одного взвешивания на весы этих типов 20-30 с.

Развитие общелабораторных весов  в отличие от весов аналитической  группы, действие которых основано только на компенсационном методе, связано с переходом в начале 60-х гг. на прямой метод измерений. Равноплечное коромысло в таких весах заменено двухпризменным рычагом с низким по отношению к точке опоры расположением центра тяжести - квадрантом (рис. 3), при отклонении которого от исходного положения равновесия под действием силы тяжести взвешиваемого тела возникает уравновешивающая сила. Прямой метод измерений позволяет увеличить ДНОП до 30% и даже до 50% от М_макс и использовать всего одну или две встроенные гири, которые накладываются и снимаются рукояткой, выведенной из кожуха весов.

Повышению разрешающей способности квадрантных  весов способствует применение проекционной шкалы и оптического нониуса. Уменьшение влияния неточной установки  весов по уровню достигается размещением объектива оптической системы отсчетного устройства на вспомогательном рычаге-маятнике. Для сокращения продолжительности затухания колебаний коромысла и рычага на них закреплены экраны магнитного успокоителя. Тарная нагрузка компенсируется пружиной (на рис. не показана), один конец которой связан со стойкой, несущей грузоприемную площадку, а другой - с основанием весы

Рис. 3. Квадрантные общелабораторные весы: 1-квадрант; 2-груз-противовес; 3-успокоитель; 4-стойка; 5-встроенная гиря; 6-грузоприемная площадка; 7-проекционная шкала; 8-экран (пунктир-направление лучей света оптической системы).

Современный этап развития лабораторных весов, отличающихся сравнительно небольшим быстродействием и значительной восприимчивостью к внешним воздействиям, характеризуется возрастающим применением в них для создания уравновешивающей силы (момента) электрических силовозбудителей с электронной системой автоматического регулирования (САР), обеспечивающей возвращение измерительной части весов в исходное положение равновесия. САР электронных лаб. весы (рис. 4) включает датчик, например, в виде дифференциального трансформатора; сердечник его закреплен на измерительной части и перемещается в смонтированной на основании весы катушке с двумя обмотками, выходное напряжение которых подается в электронный блок. Применяют также датчики в виде электронно-оптического устройства с зеркалом на измерительной части, направляющим луч света на дифференциальный фотоэлемент, подсоединенный к электронному блоку. При отклонении измерительной части весы от исходного положения равновесия взаимное положение элементов датчика изменяется, и на выходе электронного блока появляется сигнал, содержащий информацию о направлении и величине отклонения. Этот сигнал усиливается и преобразуется электронным блоком в ток, который подается в катушку силовозбудителя, закрепленную на основании весы и взаимодействии с постоянным магнитом на их измерительной части. Последняя благодаря возникающей противодействующей силе возвращается в исходное положение. Ток в катушке силовозбудителя измеряется цифровым микроамперметром, проградуированным в единицах массы. В электронных весах с верхним расположением грузоприемной чашки используется аналогичная схема автоматического уравновешивания, но постоянный магнит силовозбудителя смонтирован на стержне, несущем чашку (электронно-безрычажные весы) или связан с этим стержнем рычагом (электронно-рычажные весы).