Instrument de măsurare a echilibrului

Echilibru, instrument pentru compararea greutăților a două corpuri, de obicei în scop științific, pentru a determina diferența de masă (sau greutate).

Invenția echilibrului cu brațele egale datează cel puțin din vremea egiptenilor antici, posibil încă din 5000 î.Hr. La cele mai timpurii tipuri, grinda a fost susținută în centru, iar garniturile au fost atârnate de la capete de cabluri. O îmbunătățire ulterioară a designului a fost utilizarea unui știft prin centrul fasciculului pentru rulmentul central, introdus de romani despre vremea lui Hristos. Invenția muchiilor cuțit în secolul al XVIII-lea a dus la dezvoltarea echilibrului mecanic modern. Până la sfârșitul secolului XIX, echilibrul s-a dezvoltat în Europa într-unul dintre cele mai precise tipuri de aparate de măsurare din lume. În secolul XX, s-au dezvoltat echilibre electronice, în funcție de compensarea electrică, mai degrabă decât de deviere mecanică.

Echilibrul mecanic constă, în esență, dintr-un fascicul rigid care oscilează pe un muchie centrală orizontală ca un fulcrum și are cele două capete cu muchii paralele și echidistante din centru. Sarcinile care trebuie cântărite sunt suportate pe tigăi agățate de rulmenți. Pentru cea mai bună proiectare, două sau mai multe muchii de cuțit suplimentare sunt amplasate între rulmentul de capăt și tigaie, una pentru a preveni înclinarea planului și alta pentru a fixa centrul de sarcină într-un anumit punct de pe muchia finală a cuțitului. Un mecanism de arestare previne deteriorarea în timpul încărcării prin separarea marginilor cuțitului de rulmenții lor. Deflecția echilibrului poate fi indicată printr-un indicator atașat la fascicul și trecând peste o scară gradată sau prin reflectarea de la o oglindă a fasciculului la o scară îndepărtată.

Cea mai evidentă metodă de utilizare a unui echilibru este cunoscută sub denumirea de cântărire directă. Materialul care trebuie cântărit este pus pe o tigaie, cu suficiente greutăți cunoscute pe cealaltă tigaie, astfel încât fasciculul să fie în echilibru. Diferența dintre citirea zero și citirea cu garniturile încărcate indică diferența dintre sarcini în diviziunile de scară. O astfel de cântărire directă necesită ca brațele să fie de lungime egală. Atunci când eroarea rezultată din brațe inegale este mai mare decât precizia necesară, se poate utiliza metoda de înlocuire a cântăririi. În această metodă, se adaugă greutăți contrapuse la o tigaie pentru a echilibra sarcina necunoscută pe cealaltă. Apoi, greutățile cunoscute sunt înlocuite de sarcina necunoscută. Această metodă necesită numai ca cele două brațe ale fasciculului să mențină aceeași lungime în timpul cântăririi. Orice efect al inegalității este același pentru ambele sarcini și, prin urmare, este eliminat.

S-au construit microbalanțe mici de cuarț cu capacități mai mici de un gram cu o fiabilitate mult mai mare decât se găsește în mod obișnuit, cu mici echilibre de tip test, având un fascicul de metal cu trei muchii de cuțit. Microbalanțele sunt utilizate în principal pentru a determina densitățile gazelor, în special a gazelor obținute numai în cantități mici. Bilanțul funcționează, de obicei, într-o cameră etanșă la gaz, iar o modificare a greutății se măsoară prin modificarea forței flotante nete pe sold datorită gazului în care soldul este suspendat, presiunea gazului fiind reglabilă și măsurată de un manometru de mercur conectat cu carcasa de echilibru.

Ultramicrobalanța este orice dispozitiv de cântărire care servește la determinarea greutății eșantioanelor mai mici decât poate fi cântărit cu microbalanța - adică cantități totale cât mai mici sau una sau câteva micrograme. Principiile pe baza cărora au fost construite cu succes ultramicrobilanțele includ elasticitatea elementelor structurale, deplasarea în lichide, echilibrarea prin câmpuri electrice și magnetice și combinații ale acestora. Măsurarea efectelor produse de masele minime cântărite a fost făcută prin metode de radiații optice, electrice și nucleare pentru determinarea deplasărilor și prin măsurători optice și electrice ale forțelor utilizate pentru a restabili o deplasare cauzată de cântărirea eșantionului.

Succesul echilibrelor tradiționale în timpurile moderne s-a bazat pe proprietățile elastice ale anumitor materiale adecvate, în special fibrele de cuarț, care au o rezistență și elasticitate deosebită și sunt relativ independente de efectele temperaturii, histerezei și îndoirii inelastice. Ultramicrobalanțele cele mai reușite și practice s-au bazat pe principiul echilibrării sarcinii prin aplicarea cuplului pe o fibră de cuarț. Un design simplu utilizează o fibră rigidă ca un fascicul orizontal, susținut în centrul său de o fibră de torsiune orizontală întinsă de cuarț etanșată la ea în unghi drept. La fiecare capăt al grinzii, o pană este suspendată, una contrabalansând cealaltă. Deformația fasciculului cauzată de adăugarea eșantionului într-o pană este restabilită prin rotirea capătului fibrei de torsiune până când fasciculul este din nou în poziția sa orizontală și întreaga gamă de torsiune din fibra de suspendare poate fi aplicată la măsurarea sarcină adăugată într-o tigaie. Cantitatea de torsiune necesară pentru restaurare este citită cu ajutorul unui cadran atașat la capătul fibrei de torsiune. Greutatea este obținută prin calibrarea echilibrului în funcție de greutățile cunoscute și citirea valorii din graficul de calibrare a greutății versus torsiune. Spre deosebire de balanțele de deplasare directe care se bazează doar pe elasticitatea elementelor structurale, echilibrul de torsiune permite gravitației să echilibreze cea mai mare componentă a sarcinii, adică tigaile și are ca rezultat o capacitate de încărcare mult crescută.

Soldurile de la sfârșitul secolului XX au fost de obicei electronice și mult mai precise decât soldurile mecanice. Un scaner a măsurat deplasarea panoului care ține obiectul de cântărit și, prin intermediul unui amplificator și, eventual, al unui computer, a determinat generarea unui curent care a readus panoul în poziția sa zero. Măsurătorile au fost citite pe un ecran digital sau pe o tipărită. Sistemele electronice de cântărire nu numai că măsoară masa totală, ci și pot determina caracteristici precum greutatea medie și conținutul de umiditate.