Метрологічні властивості ваг

Ваги, незалежно від їх конструкції, повинні мати такі метрологічні властивості:

Стійкість - здатність ваг, виведених зі стану рівноваги, швидко повертатися до первісного положення.

Стійкість ваг досягається за умови, якщо їх коромисло знаходиться в стані стійкої рівноваги. На стійкість ваг впливає також віддаленість центра від точки опори: чим нижче розміщений центр ваг, тим більша стійкість і тим складніше їх вивести зі стану рівноваги, а відповідно, нижча їх чутливість.

Перевірка стійкості проводиться так: ваги, що перебувають в рівновазі, необхідно вивести з положення рівноваги, злегка торкнувшись чашки. Підрахувати кількість коливань стрілки ваг до повернення її в положення рівноваги. Якщо стрілка зробила не більше 4-6 коливань, можна вважати, що ваги стійкі.

Сталість показань - здатність ваг показувати ті самі результати при багаторазових визначеннях маси тіла, проведених на цих вагах у тих самих умовах.

Перевірка сталості показань проводиться в такий спосіб: ваги повинні знаходитися в положенні рівноваги. На технічних аптечних вагах врівноважують, наприклад, флакон з масою гир. Якщо всі три рази маса зважуваного тіла одна й та ж, то ваги мають сталість показань. Якщо результати не збігаються, то це значить, що вістря призм не цілком рівнобіжні, зміщені. Крім того, на сталість показань значно впливає величина тертя в рухливих контактах ваг. Затупленість призм і їх забруднення приводять до порушення сталості показань ваг. Тому ваги в неробочому стані повинні зберігатися так, щоб уникнути затупленості призм.

Причиною мінливості показань ваг є недосконалість будови (наприклад, непомітний зсув окремих частин при користуванні ними), а також умови, в яких виконується зважування (наприклад, однобічне нагрівання коромисла (електрична лампа, сонячні промені та ін), внаслідок чого може відбутися подовшання одного плеча).

Чутливість - здатність ваг показувати мінімальну зміну навантаження в момент рівноваги.

При цьому, чим менша різниця у вазі гир, яку можна визначити цими вагами, тим вища їх чутливість і тим точніші результати зважування.

Чутливість ваг прямо пропорційна довжині плеча коромисла і обернено пропорційна масі коромисла, навантаженню ваг (маса чашок, вантажу, перевантаження), величині прогину коромисла, відстані від точки опори до центра ваги коромисла.

Чутливість ваг визначається формулою:

S - чутливість;

L - довжина плеча коромисла;

P - маса чашки з вантажем;

p - маса перевантаження, що виводить ваги зі стану рівноваги;

h - відстань від точки опори до лінії, що з'єднує вістря вантажопідйомних і опорних призм (величина прогину коромисла);

m - маса коромисла;

R - відстань від точки опори до центра ваги коромисла;

Z - довжина стрілки;

X - ціна поділки шкали.

3 формули випливає, що величини L, R, m, Z та X залежать від конструкції ваг.

Найбільше на величину чутливості ваг впливає величина прогину коромисла (h). Ваги з прямолінійним коромислом характеризуються тим, що вістря опорної і вантажоприймальних призм знаходяться на одній прямій лінії (прямолінійність ваг). При цьому величина h = 0, а рівняння набуває вигляду:

Тобто чутливість ваг стає незалежною від величини їх навантаження. Це можливо лише при зважуванні мінімальних кількостей. На практиці навіть незначне визначення маси викликає прогин коромисла і впливає на чутливість ваг. Зі збільшенням навантаження ваг, як випливає з формули, їх чутливість зменшується. Прогин коромисла при цьому може бути неприпустимо великим, а коромисло незворотньо деформується, тобто ваги вийдуть з робочого стану. Щоб уникнути цього, необхідно під час зважування не перевищувати величини граничного припустимого навантаження, позначеного на коромислі ваг.

Чутливість ваг залежить від ряду факторів:

Від розташування центра ваги коромисла стосовно точки його опори. Терези будуть мати найбільшу чутливість при достатній стійкості в тому випадку, коли центр ваги коромисла лежить якнайближче до точки опори, але у всякому разі нижче цієї крапки.

Від маси коромисла. Чим менша маса коромисла, тим більшу чутливість при всіх інших умовах будуть мати ваги. Для полегшення коромисла в ньому робляться вирізи круглої чи іншої форми.

Від довжини пліч коромисла. Теоретично, чим більша довжина пліч коромисла, тим більша його чутливість. Однак практично недоцільно виготовляти коромисла з довгими плечима, тому що подовження коромисла веде до збільшення його маси, що викликає зменшення чутливості. Крім того, зі збільшенням довжини коромисла значно зростає прогин його від дії вантажу, внаслідок чого знижується центр ваги коромисла і зменшується чутливість ваг. Тому практично коромисла роблять з якомога коротшими плечима.

На чутливість ваг впливає й величина тертя між призмами і подушками: чим тертя більше, тим менша чутливість, чим гостріші призми, тим чутливість більша. Тому призми роблять гострими, з загартованої сталі. Спрацювання (затуплення) призм приводить до збільшення тертя, а отже, до зменшення чутливості ваг.

Слід зазначити, що більшість ваг, які служать для зважування з більшою точністю (у т. ч. тарні і ручні), мають довгі стрілки. Це пояснюється тим, що збільшення довжини стрілки ваг дозволяє помічати і враховувати незначні кутові відхилення коромисла, тому що чим більший радіус (довжина стрілки), тим більша довжина дуги, що відповідає відхиленню коромисла на той самий кут.

Перевірка чутливості ваг проводиться шляхом визначення мінімального навантаження (мг), що викликає стандартне відхилення стрілки від положення рівноваги. За стандартне відхилення приймають відхилення стрілки, рівне 5 мм (або трьом поділкам шкали) для тарних ваг і вихід стрілки з обоймиці до половини своєї довжини з утворенням кута, рівного приблизно 50, для ручних ваг.

Чутливість, виражену абсолютним значенням вантажу, що викликає стандартне відхилення стрілки, називають абсолютною чутливістю (Sабс) чи абсолютною помилкою зважування.

Чутливість ручних і тарних ваг визначають у трьох положеннях: на 1/10 граничного навантаження, гранично навантажених і ненавантажених. Якщо вантаж, що відповідає величині припустимої похибки (установленої Дст) для даного типу ваг (табл.1), поміщений на одну з чашок таких ваг, викликає стандартне відхилення стрілки, то ваги вважаються чутливими.

Таблиця 1

Метрологічна характеристика ручних і тарних ваг

Так, ваги технічні ВКТ-1000 мають такі величини похибок:

ненавантажених - 20 мг;

з 1/10 максимального навантаження - 60 мг;

максимально навантажені - 100 мг.

При визначенні величини чутливості цих ваг при 1/10 навантаження роблять так: ваги приводять у стан рівноваги, на кожну чашку поміщають гирі масою по 100,0 г, врівноважують ваги, потім поступово навантажують праву чашу ваг гирками (від меншої до більшої). Вантаж, що викликає стандартне відхилення стрілки, показує абсолютну чутливість. Якщо величина додаткового навантаження більше припустимої похибки (60 мг), наприклад, 80 мг, ваги вважають нечутливими. їх вилучають з користування і направляють на перевірку до терміна їх таврування. Аналогічно проводять визначення чутливості при ненавантажених і при граничному навантаженні ваг.

Чутливість ваг можна визначити й таким чином. При трьох станах ваг, приведених у положення рівноваги, на одну з чашок кладуть гирю масою, що відповідає величині припустимої похибки за Дст. Якщо у всіх трьох випадках стрілка ваг відхилилася на відстань 5 мм (чи 3 поділки по шкалі), то ваги мають достатню чутливість. Якщо стрілка відхилилася на відстань менше ніж 5 мм, то такі ваги недостатньо чутливі і ними користуватися не можна.

Що стосується визначення чутливості ручних ваг, то воно здійснюється аналогічним шляхом за стандартним відхиленням стрілки. У цих випадках чутливість ваг виражається числом міліграмів, що викликають необхідне відхилення стрілки.

На практиці велике значення має так звана відносна чутливість, яка може вказати відносну помилку зважування (точність дозування).

Відносна чутливість ваг (Sвідн) може бути виражена відношенням мінімального вантажу (Р), який викликає помітне відхилення стрілки від нульового положення шкали, до навантаження (n), що лежить на одній чашці ваг, тому що чутливість ваг може незначно варіювати залежно від величини навантаження:

Якщо, наприклад, ваги навантажити гирями по 100,0 г на кожну чашечку і помістити додатковий вантаж, рівний 0,05 г, що дає стандартне відхилення стрілки, то відносна чутливість ваг дорівнює:

S = 0,05/100 = 0.0005

Значить, на цих вагах можна зважувати вантаж, рівний 100,0 г, з точністю 0,0005 його справжньої ваги, тобто відносна помилка не перевищує 0,05% (0,0005 х 100). Такі ваги можна вважати достатньо чутливими.

Визначення помилки зважування. На тих самих вагах вантаж можна зважити з різною точністю. Найбільша точність може бути отримана тоді, коли наважка близька за значенням до найбільшого припустимого навантаження ваг. Помилка зважування зростає, якщо переходять межу граничного чи мінімального навантаження, позначеного на коромислі даних ваг.

Щоб зробити висновок, наскільки правильно обрані ваги для визначення маси речовини, треба встановити точність зважування або відносну помилку (у%).

Наприклад, необхідно зважити масу 0,06 г. Якими вагами при цьому варто скористатися? Для ваг ВР-100 величина 0,06 г близька до ненавантажених ваг, тому Sа6с по табл.1 дорівнює 0,005 г, а Sвідн - 8%.

Sвідн = 0,005*100/0,06 = 8%

Для ваг ВР-1 величина маси 0,06 г близька до ненавантажених ваг, тому Sа6с (табл.1) - 0,002 г, а Sвідн - 3,6%.

Sвідн = 0,002*100/0,06 = 3,6%

Таким чином, для зважування маси 0,06 г потрібно використовувати ручні ваги ВР-1. Розрахунок відносної помилки зважування можна здійснити шляхом складання відповідної пропорції.

Наприклад, розрахуємо відносну помилку при зважуванні 0,1 г натрію хлориду на ВР-1. По таблиці 1 знаходимо помилку, припустиму при навантаженні 0,1 г. Оскільки наважка найближча за значенням до 1/10 граничного навантаження, а не до граничного навантаження чи до ненавантажених ваг, то припустима похибка Sвідн дорівнює 0,003 (З мг). Склавши пропорцію, знаходимо помилку зважування (х), що складає ±3%:

X = 0,003*100/0,1 = 3%

При зважуванні на цих же вагах більшої кількості натрію хлориду 0,9 г (наважка найбільш близька за значенням до граничного навантаження ВР-1), припустима похибка дорівнює 0,005 (5 мг). Відносна помилка в цьому випадку складає ±0,55%:

X = 0,005*100/0,9 = 0,55%

Точність, або правильність - здатність ваг показувати правильне співвідношення між масою речовини, що зважується, і відповідними гирями.

Точність, або правильність, ваг залежить від таких факторів:

від рівноплеччя коромисла ваг;

від паралельності вістря опорної і вантажоприймальних призм;

від положення центра ваги коромисла, що повинен розташовуватися точно на вертикалі, яка проходить через точку опори, що знаходиться нижче неї;

від рівності маси чашок.

Якщо ваги відповідають зазначеним вимогам, то їх коромисло повинне знаходитися в горизонтальному положенні, а покажчик рівноваги (стрілка) - у строго вертикальному як при порожніх, так і при навантажених однаковим вантажем чашечках. Через неможливість забезпечити у ваг абсолютно точну рівність пліч і в зв'язку з тертям, що створюється в опорних деталях коромисла при його коливаннях, ваги завжди мають обмежену точність. У зв'язку з цим для усіх ваг Державними загальносоюзними стандартами (ДСТ) установлені максимально допустимі погрішності і ваги вважаються правильними (вірними), якщо їх погрішності не перевищують установлених значень.

Перевірка точності ваг проводиться при 1/10 максимального навантаження, при повному навантаженні і ненавантажених вагах.

Наприклад, необхідно визначити точність технічних ваг з максимальним навантаженням 1 кг. Для цього на ліву чашку поміщають гирю, рівну 1/10 максимального навантаження, 100,0 г, а на праву - тарний стакан з дробом і домагаються рівноваги. Потім при неробочому положенні аретира гирю і вантаж міняють місцями і переводять аретир у робоче положення. Стрілка ваг при зміні місцями гирі і вантажу повинна прийти в положення рівноваги. Якщо рівновага відновлюється, то ваги вірні (рівноплечі). При відсутності рівноваги на чашку ваг, що піднялася, додають вантаж-допуск (міліграмовий важок), рівний величині похибки (див. таблицю 1). Це повинно привести ваги в стан рівноваги або відхилити стрілку в протилежний бік не більш ніж на 5 мм. Вага доданих гир у цьому випадку буде величиною нерівноплечості ваг. Якщо цього не відбудеться, ваги не мають достатньої точності, вони нерівноплечі. Нерівноплечі ваги застосовувати не можна, бо вони не будуть давати точні показники маси зважуваної речовини.