Весы: Классификация, устройство и принцип измерения веса

Содержание страницы

1. Классификация весоизмерительного оборудования
2. Механические весы: Физика и Конструкция
3. Электронные и электромеханические весы: Эра цифровой точности
4. Метрологический нюанс: Масса vs Вес
5. Сравнительная характеристика
6. Интересные факты о весах
7. FAQ: Часто задаваемые вопросы
Заключение

Весы — это устройство, предназначенное для определения массы тел по действующему на них весу (силе тяжести) или для определения других параметров через измерение силы. Весы — это один из древнейших инструментов человечества, эволюция которого прошла путь от простейших рычагов Древнего Египта до сложнейших квантовых сенсоров современности.

История взвешивания насчитывает более 5000 лет. Первые изображения равноплечих весов были найдены в пирамидах Гизы, где бог Анубис взвешивал сердце умершего против пера истины Маат. Долгое время механика оставалась единственным способом измерения, пока в XX веке появление тензометрии и цифровой электроники не совершило революцию, позволив достичь невероятной точности и интегрировать весовое оборудование в глобальные информационные системы.

1. Классификация весоизмерительного оборудования

В современной инженерии и метрологии весы классифицируют по множеству признаков. Эта систематизация необходима для правильного выбора оборудования под конкретные производственные или лабораторные задачи.

Рис. 1. Классификация весов.

1.1. По принципу действия

Фундаментальное различие кроется в физическом принципе преобразования силы тяжести в показания прибора:

Механические: Используют систему рычагов и противовесов или упругие свойства пружин.
Электромеханические: Преобразуют механическое усилие в электрический сигнал (наиболее распространены сегодня).
Оптико-механические: Используют оптические системы для увеличения точности считывания показаний механической системы.
Гидравлические: Измеряют давление жидкости, создаваемое весом груза.
Радиоизотопные: Применяются для бесконтактного измерения (например, плотности потока материала на конвейере) путем поглощения излучения.

1.2. По назначению и области применения

Назначение весов определяет их конструктивные особенности и метрологические характеристики (точность, пределы взвешивания):

Образцовые (эталонные): Весы высшей точности, предназначенные исключительно для поверки гирь и калибровки других весов. Они являются фундаментом метрологической прослеживаемости.
Лабораторные:
- Аналитические: Сверхточные приборы с дискретностью не более 0,1 мг (\(0.0001\) г). Используются в химии и фармацевтике.
- Микроаналитические и пробирные: Для работы с микрограммовыми количествами вещества.
- Прецизионные: С дискретностью от 1 мг до 1 г, рабочие лошадки большинства лабораторий.
Весы общего назначения: Самая широкая группа, включающая оборудование для торговых сетей, логистики и быта.
Промышленные весы: Устройства, рассчитанные на жесткие условия эксплуатации (пыль, влага, удары) и большие нагрузки.
Специализированные весы:
- Медицинские: Для взвешивания людей в клиниках.
- Детские: Осуществляют строгий контроль за прибавкой веса ребенка, часто обладают функцией «HOLD» (фиксация веса при движении) и памятью предыдущих взвешиваний.

Примечание: Лабораторные весы дополнительно классифицируются по типу калибровки. Это критически важно для точности. Существуют модели с калибровкой внешней гирей (требует эталона под рукой), внутренней гирей (встроенный механизм) и с автоматической калибровкой (прибор сам отслеживает изменение температуры или времени и запускает процесс настройки без участия оператора).

1.3. Классификация весов общего назначения

В зависимости от НПВ (Наибольшего Предела Взвешивания) и конструкции грузоприемного устройства выделяют:

Настольные: Компактные весы для размещения на рабочих поверхностях.
Напольные: Для грузов, которые тяжело поднимать (обычно до 600 кг).
Тарные: С пределом менее 50 кг, часто имеют функцию автоматического вычета массы тары.
Фасовочные: Предназначены для взвешивания и расфасовки продукции малой массы (до 35 кг). Широко используются в ритейле и общепите.
Передвижные: Оборудованы колесами, рассчитаны на нагрузки от 50 кг до 6 т.
Стационарные: Фундаментальные сооружения для взвешивания тяжелой техники и грузов. Сюда входят вагонеточные, автомобильные (весовые платформы), вагонные и элеваторные (бункерные) весы с пределами от 5 до 200 тонн.

1.4. Шесть групп весоизмерительных и дозирующих устройств

Помимо стандартной классификации, в промышленной инженерии принято функциональное деление на шесть групп:

Статические весы дискретного действия: Лабораторные, настольные, платформенные. Могут быть выполнены с коромыслами шкального типа, циферблатными (квадрантными) указателями или современной цифровой индикацией.
Весы непрерывного действия (Конвейерные и Ленточные): Ведут непрерывный учёт массы потока материала.
- Конвейерные весы (Рис. 2): Встраиваемый модуль. Выполняются в виде отдельного весового устройства (рамы с роликами), которое устанавливается в разрез существующего конвейера.
- Ленточные весы: Самостоятельные транспортёры небольшой длины, уже оснащённые встроенной весоизмерительной системой.
Дозаторы дискретного действия: Порционные весы для суммарного учёта и фасовки сыпучих материалов (например, фасовка мука по мешкам).
Дозаторы непрерывного действия: Используются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП), где требуется подача материала с заданной производительностью (например, подача шихты в печь).
Метрологическое оборудование: Сюда входят сами весы для поверочных работ, эталонные гири и мобильные весоповерочные лаборатории.
Весоизмерительные устройства специального назначения: Приборы, использующие весовой принцип для определения не массы, а иных параметров. Примеры: счетные весы (подсчет количества одинаковых деталей по их общей массе), торсиометры (определение крутящего момента двигателей).

Конвейерные весы: Выполняются в виде отдельного весового устройства (рамы с роликами), которое устанавливается в разрез существующего конвейера.

Рис. 2. Конвейерные весы: Выполняются в виде отдельного весового устройства (рамы с роликами), которое устанавливается в разрез существующего конвейера.

2. Механические весы: Физика и Конструкция

Несмотря на повсеместное внедрение электроники, механические весы все еще встречаются и используются благодаря своей автономности и надежности. Их работа основана на фундаментальных законах статики: правиле моментов и законе Гука.

Условие равновесия рычага описывается уравнением моментов: \( F_1 \cdot L_1 = F_2 \cdot L_2 \) где \( F \) — сила (вес), а \( L \) — длина плеча рычага.

Принцип работы большинства механических весов заключается в уравновешивании системы. Рассмотрим основные типы, представленные на схеме ниже.

а) Равноплечие рычажные весы: Коромысло на призме, две чаши (слева товар, справа гири).
б) Пружинные весы: Корпус с вертикальной шкалой, пружина внутри, крюк снизу.
в) Циферблатные (рычажно-пружинные) весы: Круглая шкала со стрелкой, одна чаша сверху, внутренний механизм.

Рис. 3. Основные виды механических весов: а — рычажные равноплечие; б — пружинные безмены; в — циферблатные со встроенными противовесами.

Описание конструкций (Рис. 3):

Рычажные весы (а): Классическая схема. Подвижный рычаг (коромысло) опирается на твердые призмы (обычно из агата или закаленной стали) для минимизации трения. На концах коромысла подвешены две чаши. На одну чашу (условно левую) укладывается предмет, на другую — эталонные гири. Равновесие фиксируется, когда указатели чаш (стрелки) сходятся на одном уровне. Вес определяется простым суммированием массы всех гирь. Такие весы, как правило, пригодны для взвешивания товаров до 10 кг, а в напольном исполнении для складов — до 50 кг и более.
Пружинные весы (б): Здесь вес предмета уравновешивается силой упругости пружины. Согласно закону Гука (\( F = -kx \)), растяжение пружины прямо пропорционально приложенной силе. Это, как правило, простые бытовые весы (безмены) с пределом взвешивания до 5 кг и ценой деления около 10 г. Их недостаток — зависимость упругости пружины от температуры и усталость металла со временем.
Циферблатные весы (в): Гибридная система. В рычажно-пружинных механических весах (квадрантных) основную нагрузку компенсируют встроенные противовесы, а точный отсчет разности осуществляется по отклонению пружинного механизма, связанного со стрелкой циферблата. Показание формируется как сумма номинала наложенных гирь (или встроенных грузов) и показаний стрелки. Пружинная часть обычно работает в узком диапазоне (до 1 кг) с ценой деления 5 г, при этом общая нагрузка с уравновешивающими гирями может достигать 5–6 кг. Такие весы часто имеют одну чашу и круглую шкалу.

Важно: Для всех типов механических весов критическим требованием является строгая установка в горизонтальном положении по уровню. Наклон весов искажает вектор силы тяжести относительно измерительной оси, что приводит к существенным погрешностям.

3. Электронные и электромеханические весы: Эра цифровой точности

Современная промышленность и торговля практически полностью перешли на электронные системы. В таких весах усилие от груза вызывает микроскопическую деформацию специального чувствительного элемента — тензодатчика.

3.1. Принцип действия датчиков

Измерение происходит путем деформации упругого элемента с использованием различных физических эффектов преобразования:

Тензорезисторные: Изменение электрического сопротивления проводника при растяжении/сжатии.
Тензокварцевые: Изменение частоты колебаний кварцевого резонатора под нагрузкой.
Виброчастотные (струнные): Изменение частоты колебания натянутой струны.
Индуктивные и емкостные: Изменение параметров электрической цепи при механическом смещении элементов.

Электрический сигнал с датчика, пропорциональный весу, проходит сложный путь обработки:

\text{Датчик} \xrightarrow{mV} \text{Усилитель} \xrightarrow{V} \text{АЦП} \xrightarrow{Digital} \text{Микропроцессор} \xrightarrow{Display} \text{Экран}

Микропроцессор не только выводит цифры, но и компенсирует температурные дрейфы, линеаризует сигнал и фильтрует вибрационные помехи.

Разновидности электронных весов: а, б — торговые настольные; в — бытовые кухонные; г — складские напольные; д — промышленные врезные; е — крановые подвесные.

а, б) Торговые весы с двумя дисплеями (для продавца и покупателя), клавиатурой.
в) Бытовые кухонные весы (плоская платформа).
г) Напольные складские весы (платформа с выносной стойкой индикации).
д) Промышленные платформенные весы, встроенные вровень с полом.
е) Крановые весы (подвесной блок с крюком и кольцом).

Рис. 4. Разновидности электронных весов: а, б — торговые настольные; в — бытовые кухонные; г — складские напольные; д — промышленные врезные; е — крановые подвесные.

3.2. Преимущества и функционал (Описание Рис. 4)

Электронные весы отличаются от механических на порядок более высокой точностью и функциональностью. Погрешность моделей среднего класса составляет всего ±0,1 г, что недостижимо для простой механики в бытовых условиях.

Основные типы согласно Рис. 4:

Торговые весы (а, б): Обычно разделяются на три категории по наибольшему пределу взвешивания: 6, 15 и 30 кг. Ключевая особенность — наличие трех информационных полей на дисплее: «Вес», «Цена», «Стоимость». Микропроцессор мгновенно рассчитывает итоговую сумму. Дополнительные опции включают тарирование (ввод веса упаковки), суммирование покупок, расчет сдачи, и печать термоэтикеток со штрих-кодом для автоматизации учета.
Бытовые (кухонные) весы (в): Компактные приборы для домашнего использования с пределом обычно до 5 кг.
Складские и промышленные (г, д): На складах применяют напольные товарные весы до 600 кг (г). Для тяжелой промышленности используют платформы, встроенные в пол (д), чтобы погрузчики могли заезжать прямо на весы.
Крановые весы (е): Мощные динамометры, встраиваемые в крюковую подвеску крана, с диапазоном от 0,5 до 50 тонн. Часто оснащаются пультом ДУ или Wi-Fi модулем для передачи данных оператору на безопасное расстояние.

3.3. Глубокий анализ технологий преобразователей

Понимание внутреннего устройства позволяет оценить надежность прибора. Основой всех электронных весов является преобразующий элемент (датчик).

Виброчастотные датчики (Струнные)

Торговые и напольные товарные весы (рис. 4 а, б, г) часто строятся на базе виброчастотного преобразователя. В нем упругим элементом является металлическая струна, помещенная в поле постоянного магнита. Система с усилителем образует автогенератор, поддерживающий незатухающие колебания струны на частоте 5…6 кГц.

Физика процесса: При нагрузке (сила \( P \)) струна натягивается сильнее. Это приводит к росту механического напряжения и повышению частоты собственных колебаний \( f \). Зависимость описывается формулой Мерсенна:

f = \frac{1}{2L} \sqrt{\frac{T}{\mu}}

где \( T \) — сила натяжения, \( \mu \) — линейная плотность струны. Поскольку зависимость частоты от силы нелинейная (квадратичная), микропроцессор весов программно линеаризует характеристику, пересчитывая квадрат частоты в массу.

Тензокварцевые преобразователи

Бытовые (рис. 4 в), а также высокоточные промышленные и крановые весы (рис. 4 д, е) часто используют тензокварцевые сенсоры. Датчик состоит из кварцевых пластин (пьезоэлементов), приклеенных к упругому основанию. При нагрузке один элемент сжимается, другой растягивается. Изменение геометрии кристаллической решетки меняет резонансную частоту пьезоэлемента. Диапазон выходного сигнала обычно 5…7 кГц.

Аналогия: Представьте, что вы настраиваете гитару. Когда вы крутите колок (прикладываете силу), тон струны меняется. Микропроцессор весов — это «музыкант» с абсолютным слухом, который точно знает, какой вес соответствует каждой ноте (частоте).

Главное преимущество кварца: Исключительная температурная стабильность и линейность. Это позволяет использовать такие весы на улице при больших перепадах температур (зима/лето) без потери точности.

4. Метрологический нюанс: Масса vs Вес

При эксплуатации прецизионных весов важно понимать физическую разницу между измеряемыми величинами.

Датчик весов реагирует на силу тяжести (вес, \( P \)), а не на массу (\( m \)).

P = m \cdot g

Где \( g \) — ускорение свободного падения. Проблема в том, что \( g \) не является константой по всей Земле. Оно зависит от:

Географической широты: На полюсах \( g \) больше (\(\approx 9.83 \, \text{м/с}^2\)), на экваторе меньше (\(\approx 9.78 \, \text{м/с}^2\)) из-за центробежной силы вращения Земли и сплюснутости планеты.
Высоты над уровнем моря: Чем выше, тем \( g \) меньше.

Поэтому весы, откалиброванные в Москве, покажут неверный результат на Эвересте или на экваторе. Современные весы класса II и I требуют обязательной калибровки (градуировки) по месту эксплуатации (функция «G-factor»).

Рис. 4. Разница в значениях g в разных на экваторе и на полюсе.

5. Сравнительная характеристика

Чтобы помочь студентам и инженерам в выборе, сведем данные в таблицу сравнения.

Характеристика	Механические весы	Электронные весы
Источник энергии	Не требуется (автономны)	Сеть 220В или аккумуляторы
Точность и дискретность	Средняя или низкая. Зависит от трения в призмах и усталости пружин.	Высокая и сверхвысокая. Легко достигается дискретность 0.01 г и выше.
Функциональность	Только измерение веса.	Расчет цены, тарирование, печать этикеток, интеграция с ПК и базами данных (1С, ERP).
Устойчивость к среде	Высокая к пыли и воде, но боятся ударов (сбиваются призмы).	Требуют защиты (IP65-IP68) от влаги. Чувствительны к электромагнитным помехам.
Скорость работы	Низкая (нужно ждать успокоения стрелки/коромысла).	Высокая (мгновенная цифровая стабилизация).
Габариты	Громоздкие.	Компактные, низкий профиль платформ.

Преимущества и недостатки

Электронные весы (Плюсы):

Высокая скорость взвешивания и удобство считывания (цифры не нужно интерпретировать).
Возможность автоматизации учета и исключение человеческого фактора.
Компактность и широкий диапазон измерений в одном приборе.

Электронные весы (Минусы):

Зависимость от электропитания.
Сложность ремонта (часто требует замены всего электронного блока).
Более высокая стоимость качественных моделей.

6. Интересные факты о весах

Архимед: Принцип гидростатического взвешивания, открытый Архимедом, до сих пор используется для определения плотности материалов и чистоты драгоценных металлов в воде.
Взвешивание в движении: Существуют WIM-системы (Weigh-in-Motion), способные взвешивать фуры и поезда на полной скорости без их остановки, используя пьезоэлектрические сенсоры в дорожном полотне.
Самые точные весы: Весы Киббла (Ватт-весы) сравнивают механическую мощность с электрической. С 2019 года они используются для эталонного определения килограмма через постоянную Планка, отказавшись от физической гири в Париже.
Вес души: В 1907 году доктор Дункан Макдугалл пытался взвесить душу, утверждая, что тело человека становится легче на 21 грамм в момент смерти. (Научно не подтверждено, но факт исторический).
Влияние Луны: Высокоточные аналитические весы могут фиксировать изменение гравитации, вызванное приливными силами Луны, когда она проходит над местом измерения.
Аэростатика: При сверхточном взвешивании необходимо учитывать выталкивающую силу воздуха (закон Архимеда для газов). Тело низкой плотности кажется легче в воздухе, чем в вакууме.
Весы для муравья: Существуют микровесы на основе нанотрубок, способные взвесить отдельную молекулу или вирус с точностью до аттограммов (\(10^{-18}\) г).

7. FAQ: Часто задаваемые вопросы

1. Как часто нужно делать поверку весов?

Согласно законодательству РФ, весы, используемые в сфере государственного регулирования (торговля, медицина, госзаказы), подлежат первичной поверке при выпуске и периодической поверке (обычно 1 раз в год). Интервал указан в описании типа средства измерений.

2. Что означает класс защиты IP68 в описании весов?

Это международный стандарт защиты корпуса (Ingress Protection). Первая цифра «6» означает полную пыленепроницаемость. Вторая цифра «8» означает возможность длительного погружения в воду под давлением. Такие весы идеальны для рыбных цехов и влажных производств.

3. Почему весы показывают разный вес в разных углах платформы?

Это называется «погрешностью от нецентрального нагружения» (угловая нагрузка). Качественные весы калибруются так, чтобы показания были одинаковыми. Если разброс превышает допуск — датчик неисправен или поврежден (например, от удара).

4. Можно ли хранить груз на весах?

Категорически нет. Длительная статическая нагрузка вызывает явление «ползучести» (creep) упругого элемента датчика. Это приводит к необратимой деформации и потере точности.

5. Чем калибровка отличается от поверки?

Поверка — это официальная процедура подтверждения соответствия весов закону и паспорту (выдает штамп «Годен»). Калибровка (или юстировка) — это техническая процедура настройки точности прибора с помощью эталонных гирь. Поверку делает госинспектор, калибровку — мастер или пользователь.

Заключение

Весы прошли долгий путь эволюции, превратившись из простого механического коромысла в интеллектуальные устройства, интегрированные в глобальные цифровые экосистемы. Понимание принципов их работы, от закона Гука в пружинных безменах до пьезоэффекта в кварцевых сенсорах, необходимо любому современному инженеру. Правильный выбор типа весов, будь то аналитические лабораторные весы или мощные крановые динамометры, а также соблюдение правил эксплуатации (горизонтирование, учет g-фактора) гарантируют точность измерений, которая является основой честной торговли, качественного производства и научных открытий.

Нормативная база

ГОСТ OIML R 76-1-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания». (Основной стандарт для современных весов, гармонизированный с международными нормами).
ГОСТ 53228-2008 «Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания»
ГОСТ OIML R 111-1-2009 «ГСИ. Гири классов E1, E2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3 и M3. Часть 1. Метрологические и технические требования».

Список литературы

Исаев Л.К. «Метрология и стандартизация в области измерений массы». — М.: Изд-во Стандартов.
Левин С.Ф. «Основы теории точности весоизмерительных приборов».
Руководства по эксплуатации весового оборудования ведущих производителей (Mettler Toledo, CAS, Sartorius).