Balansmätinstrument

Balans, instrument för att jämföra vikterna hos två kroppar, vanligtvis för vetenskapliga ändamål, för att bestämma skillnaden i massa (eller vikt).

Uppfinningen av jämviktsbalansen går tillbaka åtminstone till de gamla egyptiernas tid, eventuellt så tidigt som 5000 f.Kr. I de tidigaste typerna stöddes balken i mitten och kokkärlen hängdes från ändarna av snören. En senare förbättring av designen var användningen av en stift genom balkens centrum för det centrala lagret, infört av romarna om Kristi tid. Uppfinningen av knivkanter på 1700-talet ledde till utvecklingen av den moderna mekaniska balansen. I slutet av 1800-talet hade balansen i Europa utvecklats till en av världens mest exakta typer av mätanordningar. Under 1900-talet utvecklades elektroniska balanser beroende på elektrisk kompensation snarare än mekanisk avböjning.

Den mekaniska balansen består väsentligen av en stel stråle som svänger på en horisontell central knivkant som en stödjare och har de två ändknivkanterna parallella och likvid från centrum. Lasten som ska vägas stöds på kärl som är hängd från lager. För bästa design finns två eller flera ytterligare knivkanter mellan ändlagret och pannan, en för att förhindra lutning av planet och en annan för att fixera lastens centrum vid en viss punkt på ändknivkanten. En arresteringsmekanism förhindrar skador under lastning genom att separera knivkanterna från deras lager. Avböjningen av balansen kan indikeras av en pekare fäst vid strålen och passerar över en graderad skala eller genom reflektion från en spegel på strålen till en avlägsen skala.

Den mest uppenbara metoden att använda en balans är känd som direkt vägning. Materialet som ska vägas läggs på en panorera med tillräckliga kända vikter på den andra panelen så att balken kommer att vara i jämvikt. Skillnaden mellan nollavläsningen och avläsningen med laddade pannor indikerar skillnaden mellan laster i skalavdelningar. En sådan direkt vägning kräver att armarna har samma längd. När felet som härrör från ojämna armar är större än den erforderliga precisionen, kan substitutionsmetoden för vägning användas. I den här metoden läggs motvikt till en panorera för att balansera den okända belastningen på den andra. Därefter ersätts kända vikter med den okända belastningen. Denna metod kräver endast att balkens två armar bibehåller samma längder under vägningen. Alla effekter av ojämlikhet är desamma för båda belastningarna och elimineras därför.

Små kvartsmikrobalanser med kapacitet mindre än ett gram har konstruerats med en tillförlitlighet som är mycket större än vad som vanligtvis finns med små balanser av analystyp med en metallbalk med tre knivkanter. Mikrobalanser används främst för att bestämma gasens täthet, särskilt för gaser som endast kan erhållas i små mängder. Balansen verkar vanligtvis i en gastät kammare, och en viktförändring mäts genom förändringen i nettokraften på balansen på grund av gasen i vilken balansen är upphängd, varvid gasens tryck kan justeras och mäts med en kvicksilvermanometer kopplad till balansfallet.

Ultramikrobalansen är vilken vägning som helst som tjänar till att bestämma vikten av mindre prover än som kan vägas med mikrobalansen - dvs. totala mängder så små som en eller några mikrogram. De principer på vilka ultramikrobalanser framgångsrikt har konstruerats inkluderar elasticitet i strukturelement, förskjutning i vätskor, balansering med hjälp av elektriska och magnetiska fält och kombinationer av dessa. Mätning av effekterna som producerats av minutmassorna som vägs har gjorts med optiska, elektriska och kärnkraftsmetoder för att bestämma förskjutningar och genom optiska och elektriska mätningar av krafter som används för att återställa en förskjutning orsakad av provets vägning.

Framgången för traditionella balanser i modern tid har förlitat sig på elastiska egenskaper hos vissa lämpliga material, särskilt kvartsfibrer, som har stor styrka och elasticitet och är relativt oberoende av effekterna av temperatur, hysteres och inelastisk böjning. De mest framgångsrika och praktiska ultramikrobalanserna har baserats på principen att balansera lasten genom att applicera vridmoment på en kvartsfiber. En enkel design använder en styv fiber som en horisontell balk, som stöds i mitten av en utsträckt horisontell kvarts torsionsfiber tätad till den i rät vinkel. I varje ände av balken är en panna upphängd, den ena balanserar den andra. Strålens avböjning som orsakas av att provet läggs till en panna återställs genom att rotera änden av torsionsfibern tills strålen åter är i sitt horisontella läge och hela torsionsområdet i den upphängande fibern kan appliceras på mätningen av belastning läggs till i en pan. Mängden vridning som är nödvändig för återställning avläses med hjälp av en urtavla fäst vid änden av torsionsfibern. Vikten erhålls genom att kalibrera balansen mot kända vikter och läsa värdet från kalibreringstabellen över vikt kontra torsion. Till skillnad från direkta förskjutningsbalanser som endast förlitar sig på konstruktionselementens elasticitet, låter torsionsbalansen tyngdkraften balansera den största komponenten i lasten, dvs. pannorna, och resulterar i kraftigt ökad lastkapacitet.

Saldon i slutet av 1900-talet var vanligtvis elektroniska och mycket mer exakta än mekaniska balanser. En skanner mätte förskjutningen av panelen som håller föremålet som skulle vägas och med hjälp av en förstärkare och eventuellt en dator, orsakade en ström som genererades som returnerade panelen till dess nollläge. Mätningar lästes på en digital skärm eller utskrift. Elektroniska vägningssystem mäter inte bara totalmassa utan kan också bestämma sådana egenskaper som medelvikt och fuktinnehåll.