Средства измерения массы для обеспечения
исследований в экологической и прочих областях

Важное место в системе обеспечения экологической безопасности занимают измерения и оценка опасных для здоровья человека экологических факторов. Для эффективности исследований первостепенное значение имеет достоверность и объективность информации, полученной в результате измерений. Необходимым условием получения достоверной информации является обязательность применения для этих целей только поверенных средств измерений, утвержденных Госстандартом России типов. Это относится и к средствам измерений массы, приобретенным по импорту. Результаты измерений должны представляться в узаконенных единицах измерений. Погрешности измерений не должны выходить за установленные пределы с заданной вероятностью.

Среди многочисленных методов исследований особое место занимает весовой метод благодаря своей относительной простоте, высокой достоверности и универсальности. Практически каждое физико-химическое исследование начинается взвешиванием. Несмотря на применение все новых и новых приборов, весы по-прежнему остаются одним из важнейших инструментов исследовательских лабораторий. И также актуально звучит известное высказывание Д.И. Менделеева: «От усовершенствования взвешивания должно ждать еще много новых успехов…»

В настоящее время производители весоизмерительной продукции предлагают огромное количество различных весов. Выбор типа весов для конкретных исследований, работа на них невозможны без понимания принципов функционирования весов, причинных связей между конструктивными параметрами и метрологическими характеристиками. Поэтому считаю нелишним напомнить об основных принципах, положенных в основу действия весов различных типов.

Измерение массы основано на использовании гравитационного взаимодействия тела, массу которого мы хотим определить, с массой Земли. Все весы можно разделить на четыре группы по способу уравновешивания гравитационной силы:

• гравитационное уравновешивание,
• автоматическое уравновешивание,
• инерционное уравновешивание,
• силовая компенсация.

В прошлом наибольшее распространение получили весы с гравитационным уравновешиванием и с автоматическим уравновешиванием. К первым из них относятся широко распространенные ранее коромысловые (часто их называют также рычажными) механические весы. Разновидностями коромысловых весов являются двухпризменные и квадрантные весы. Конструкции коромысловых весов достигли большого совершенства. Весы этого типа обладали приемлимой точностью, надежностью, простотой обслуживания, сравнительно невысокой стоимостью и достаточно широко используются в лабораториях предприятий и организаций различных отраслей народного хозяйства. К недостаткам этих весов можно отнести их низкое быстродействие.

На текущий момент развития технологий широкое распространение имеют весы с автоматическим уравновешиванием, в которых осуществляется электрическое преобразование усилия. Весы этого типа не имеют традиционного рычага, т.е. коромысла или квадранта, и называются »электронными весами». Это объясняется использованием электронных компонентов для преобразования значения измеряемой массы в электрические величины (ток, напряжение), удобные для согласования с другими измерительными, вычислительными и управляющими системами. В настоящее время сформировались два направления построения электронных весов:

1. С магнито-электрическим обратным преобразователем (компенсатором) усилия,
2. На основе тензометрических датчиков.

Современные электронные весы, использующие цифровое представление измеренных значений массы, характеризуются высокой степенью автоматизации процессов измерения и существенным расширением функциональных возможностей весов. Выполнение этих функций обеспечивается встроенным специально разработанным микропроцессорным устройством обработки информации. В числе решаемых задач можно назвать цифровую индикацию и сохранение результатов взвешивания, полуавтоматическую или автоматическую калибровку, запоминание значения массы тары, выборку массы тары во всем диапазоне взвешивания, рецептурное взвешивание, взвешивание в процентах, подсчет количества деталей (штук), взвешивание с функцией усреднения (взвешивание животных), сопряжение весов с внешними устройствами с помощью интерфейса RS-232С или . Следует отметить, что перечень решаемых функций постоянно пополняется.

Требования к характеристикам весов определяются нормативными документами, в частности, государственными стандартами и рекомендациями Международной Организции Законодательной метрологии (МОЗМ).

Согласно ныне действующему государственному стандарту лабораторные весы подразделяются по назначению на образцовые и общего назначения. Образцовые весы предназначены для поверки гирь. Проводить на этих весах другие виды взвешивания запрещается. Весы общего назначения используются для взвешивания. Согласно действующему стандарту лабораторные весы общего назначения подразделяются — на 4 класса точности.

В повседневной практике лабораторные весы подразделяют по назначению на аналитические, технические и специальные. Аналитические весы применяют для проведения научных исследований, в т.ч. для микрохимических анализов и взвешиваний высшей и высокой точности. В зависимости от значений наибольшего предела взвешивания (НПВ) и цены деления в аналитической группе выделяют:

• весы макроаналитические (аналитические) — НПВ до 320 г, цена деления не более 0,1 мг,
• весы микроаналитические — НПВ до 220 г, цена деления не более 0,01 мг,
• весы ультрамикроаналитические — НПВ не более 21 г, цена деления от 1 до 0,01 мкг.

Аналогичная классификация часто встречается в зарубежных технических документах и рекламных материалах.

Технические и лабораторные весы применяются для взвешиваний меньшей точности. Наиболее распространенные весы имеют наибольший предел взвешивания от 0,15 кг до 12 кг с ценой деления 0,001–0,1 г.

Отдельную группу весов составляют специальные весы, предназначенные для определения величин, зависящих от массы, и используемых для выполнения одной строго регламентированной операции. К подобным весам относятся, например, весовые (термогравиметрические) влагомеры, их часто называют анализаторами влажности, разбраковочные весы.

Основными характеристиками, которые необходимо знать для правильного выбора и эксплуатации весов, являются их метрологические и эксплуатационные характеристики. Важнейшими метрологическими характеристиками весов являются: наименьший и наибольший пределы взвешивания, цена деления или дискретность цифрового отсчета, погрешность измерений, стабильность показаний во времени. Требования к характеристикам весов определяются нормативными документами, в частности, государственными стандартами и рекомендациями Международной Организации Законодательной Метрологии (МОЗМ).

Гири

Говоря о весах нельзя не сказать о гирях, являющихся, неотъемлемой частью средств измерения массы. Гиря это — однозначная мера, воспроизводящая единицу массы, кратное или дольное ее значение. За единицу массы в системе единиц СИ принят килограмм, представленный массой международного платиноиридиевого прототипа килограмма. За величину килограмма Международным Бюро мер и Весов в Париже в 1875 году был принят эталон — масса 1,000028 кубического дециметра воды при 4 градусах по Цельсию.

В 1889 году Россия получила два экземпляра Международного прототипа килограмма № 12 и № 26 с подробным их описанием. Эти прототипы подвергаются Международным сличениям с прототипом № 1 в Париже раз в 7–10 лет. Хранятся эти два прототипа у нас в Санкт-Петербурге во ВНИИМе им. Д.И. Менделеева.

Ученый хранитель эталона массы — кандидат технических наук Кузьмин виктор Яковлевич, бывший сотрудник завода “Госметр».

Метрическая система единиц была введена в России Постановлением Совнаркома в 1918 году. До этого времени за единицу меры массы принимался 1 фунт, его значение всегда определялось как 0,40951241 килограмма.

Согласно действующему государственному стандарту в зависимости от значений допускаемых отклонений массы гири подразделяются на гири общего назначения (6 классов) и образцовые (5 разрядов).

Гири общего назначения (иногда их называют рабочие гири) применяют при взвешиваниях, проводимых в ходе различных анализов, взвешиваниях драгоценных камней и металлов, торговых и хозяйственных взвешиваниях в случаях, если взвешивание осуществляется на рычажных весах.

Образцовые гири предназначены для поверки лабораторных весов и гирь.

При взвешивании на квадрантных или электронных весах оператор обходится в работе без гирь, так как компенсация груза на грузоприемной площадке осуществляется встроенными в весы механическими гирями или электронной гирей на полную нагрузку.

ООО НПП « Госметр“ является крупнейшим российским предприятием в области производства и оснащения лабораторий и предприятий различных отраслей народного хозяйства, современными электронными весами, гирями высокого класса точности, специальными весовыми устройствами.

В области производства весов завод „ Госметр“ выпускает широкую гамму лабораторных механических и электронных весов различных классов точности. В числе их могут быть названы хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации высоконадежные модели электронных весов. Освоено с наибольшим пределом взвешивания от 61 г до 101 кг. Выполненные на основе последних достижений весоизмерительной техники, с использованием микропроцессорных устройств обработки данных весы отличаются высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Весы предназначены для работы в различных областях народного хозяйства и способствуют компьютеризации:

• процесса отсчета результатов взвешивания;
• пересчета физических величин;
• накопления статистических данных;
• организации централизованного управления компьютерной сетью и дают возможность пользователю работать на высочайшем органолептическом уровне при оптимальном функционировании.

В случае, если необходимо осуществить взвешивание в жидкости, конструкция весов позволяет произвести взвешивание под весами или дооснастить весы специальным приспособлением, в том числе для определения плотности материала.

А теперь я предлагаю Вам конкретнее рассмотреть эксплуатационные характеристики различных типов весов вкупе с их метрологическими характеристиками.

К особенностям работы на электронных весах, следует отнести прежде всего, исключение воздействия условий окружающей среды: воздушных возмущений, вибраций, дрейфа температуры, который не должен превышать 0,5 градусов в течение часа для аналитических и 2 градуса для технических весов, воздействия электростатических свойств образца, а для электронных весов и магнитной проницаемости образца, так как весы сконструированы таким образом, что главная их деталь — магнито-электрический компенсатор- находится под грузоприемной площадкой и магнитные свойства образца могут влиять на точность определения массы. Все эти условия должны неукоснительно выполняться при работе с весами. Только тогда можно получать достоверные результаты.

В настоящее время уже решается комплекс задач по исключению электростатического влияния образца на процесс взвешивания с помощью специального устройства для нейтрализации статического электричества (ионизатора).
Диапазон сложных исследовательских задач, решаемых с помощью аналитических электронных весов, очень широк. Это становится очевидным, если учесть, что, например, образец весом вплоть до 220 г можно взвесить с дискретностью 0,1 мг, т.е. с точностью отсчета до 10 в минус 7 степени.

Наши весы очень удобны в работе, прочные встроенные механические контакты или оптоэлектронная система создают четкое ощущение надежности нажатия клавиши. Кроме того, на дисплее с высоким контрастом и подсветкой данные легко считываются.
Для контроля связи по двум направлениям с персональным компьютером, анализаторами и другими устройствами используется последовательный интерфейс RS-232С и USB интерфейс. Все вырабатываемые весами данные могут быть выведены на принтер с централизованным управлением, что позволяет использовать весы для включения их в систему качества.

Большим преимуществом для пользователя является выполненный полностью из стекла ветрозащитный экран, который:

1. превосходно защищает от сквозняков осуществление процесса взвешивания, обеспечивая тем самым качественные результаты даже при неустойчивых условиях окружающей среды;
2. дверцы камеры, скользящие без усилий, создают легкий доступ для удобной загрузки образцов в камеру.

На электронных весах, выпускаемых нашим предприятием, как уже говорилось ранее,

• можно просто взвешивать,
• можно осуществлять подсчет больших количеств образцов для быстрого получения точных результатов, исключающих ошибки счета,
• можно взвешивать с функцией усреднения по последнему определению значений веса животных и по очень неустойчивым условиям окружающей среды,
• можно взвешивать в процентах для простого и надежного определения оставшейся части допускаемой нагрузки на грузоприемную площадку.

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик весов является выход их на режим работы — весы готовы к работе сразу после их включения в сеть.

Время срабатывания весов в течение ~ 1,5 сек и, т.о. быстрое получение результатов измерения, является большим преимуществом в работе с весами. Все это возможно осуществить благодаря наличию прикладных программ в микропроцессорном устройстве весов.

Кроме того, весы дают возможность протоколировать результаты взвешивания и снабжены устройством, предохраняющим их от перегрузок. А встроенное в весы устройство самокалибровки позволяет защитить процесс измерения от влияния дрейфа температур.

В научных исследованиях, как уже говорилось ранее, часто применяются специальные приборы, основанные на принципе измерения массы.

Одним из таких приборов является термогравиметрический анализатор влажности. Анализатор влажности выполняет непрерывное измерение массы образца при инфракрасном высушивании. Минимальное значение массы образца принимается равным от ~ 1 грамма, а ма, точность определения процентного содержания влаги в образце — 0, 01%.

Преимуществом этого метода определения влажности является высокая скорость получения результата (не более 10 мин), обуславливаемая проникновением инфракрасного облучения в глубину образца. Основными устройствами анализатора влажности являются: высококачественные прецизионные весы, узел инфракрасного облучения испытуемого образца, микропроцессорное устройство обработки данных. С помощью этих устройств определяются начальное и конечное значения влажности образца, процент влажности, процентное содержание сухого остатка.

Измерение влажности осуществляется в соответствии с аттестованной методикой выполнения измерений. В настоящее время разработаны и утверждены более 30 методик выполнения измерений для различных веществ и продуктов. По желанию заказчика специалисты нашего предприятия могут разработать и утвердить необходимые методики выполнения измерений.

Значительный интерес представляют специальные весовые установки, которые разрабатывались и изготавливались нашим предприятием и успешно применялись предприятиями и научно-исследовательскими организациями различных отраслей народного хозяйства в прошлые десятилетия. Эти установки в свое время пользовались большим спросом, заказывались заинтересованными организациями, но с некоторого времени в связи с отсутствием финансирования заказы на производство этих установок наше предприятие получать перестало.

Весоизмерительные установки потенциально интересные для применения в сфере экологической безопасности

• установки для дистанционного определения массы в камерах с агрессивной средой для использования в НИИ атомных реакторов;
• установки для определения массы длинномерных предметов, в том числе, труб с наполнением энергоносителями (ТВЭЛ) длиной 14, 12, 10, 7, 5, 4 и 1,4 м для работа в организациях среднего машиностроения,
• установки для определения плотности образцов гидростатическим методом с автоматической загрузкой и выносом из среды измерений (дистиллированная вода, спирт, бензин) для министерства среднего машиностроения,
• седиментационные весы для проведения гранулометрического анализа при работе с суспензиями и взвесями для определения свойств материала по скорости оседания или выпадания в осадок,
• весовое устройство к автоматизированной системе для высокоскоростного многоэлементного химического анализа растительной продукции и кормов,
• установка весовая автоматическая универсальная, предназначенная для автоматического измерения массы твердых и сыпучих материалов в “ горячих» камерах в специальных условиях,
• регистрирующие автоматические весы, предназначенные для работы в специальной вакуумной установке, для непрерывного контроля массы экспериментального образца в разряженной атмосфере агрессивной среды в условиях изотермического режима при температуре от минус 18 градусов до плюс 200 градусов,
• установка для динамического наблюдения массы тела человека, предназначенная для регистрации изменения массы человека, помещенного внутрь микроклиматической камеры,
• установка для испытаний материалов на термоустойчивость для исследования термостойкости уплотнительных материалов на основе никеля, нихрома и слюдокерамических материалов в различных газовых средах (азот, аргон, воздушная атмосфера, продукты сгорания топлива).

Из приведенного перечня видно, сколь разнообразное применение находит наша продукция в различных направлениях экологических исследований.

Завод «Госметр» достаточно давно сотрудничает с организациями, работающими в области экологии. Так еще в середине 70-х годов Ботанический институт им. Комарова, лаборатории которого были оснащены равноплечими весами с наибольшим пределом взвешивания 200 г и с точностью отсчета 0,15 мг, был постоянным потребителем нашей продукции — весов и гирь. Институт состоял на сервисном обслуживании на заводе «Госметр» и в течение ряда лет являлся официальным заказчиком, согласовывавшим нормативно-техническую документацию на вновь разрабатываемые заводом средства измерений.

В то же время, как видно из перечисленных выше разработок, нашими постоянными заказчиками специальных приборов, отличавшихся высоким научно-техническим уровнем, но выпускавшихся небольшими партиями, были министерства сельского хозяйства и среднего машиностроения.

В настоящее время Научно производственное предприятие «Госметр» по-прежнему являются постоянными партнерами предприятий различных отраслей народного хозяйства: Министерства сельского хозяйства и продовольствия, Росстандарт, Министерства Экологии, Министерства топлива и энергетики.

Так с 1987 года »Госметр" мы оказываем посильную помощь в работе различным научно-исследовательским учреждениям, примером может служить работа по измерению массы почек деревьев. Почки были собраны с деревьев, растущих вдоль дорог и улиц города. Измерения проводились на микроаналитческих весах с наибольшим пределом взвешивания 200 г и точностью отсчета 10 мкг. Масса почек и интенсивность ее изменения в течение заданного времени рассматривались как один из параметров оценки загрязненности атмосферы.

В недавнее время на нашем предприятии производится исследование биодемографических закономерностей, характеризующих ростовые процессы у почвенных кольчатых червей, в том числе, процентов роста биомассы. Эти исследования направлены на решение одной из важнейших экологических проблем, имеющих государственное значение. Проводимое в ходе исследований взвешивание кольчатых червей с массой от 10 микрограмм, выполняется на имеющихся на нашем предприятии уникальных высокопроизводительных весовых установках — компараторах массы с ценой деления 1 мкг.

Говоря об обеспечении исследований, направленных на решение вопросов экологической безопасности, средствами измерений массы, хотелось бы еще раз подчеркнуть, что существует два вида средств измерений:

1. Стандартные средства измерений массы — весы и гири. Все средства измерения этого вида (поставляемые нашим предприятием) имеют утверждение типа, внесены в Государственный реестр средств измерения
2. Специальные измерительные приборы, в данном случае это — приборы, основанные на принципе опосредованного определения массы. Примеры таких приборов, приводились выше. Ценность подобных приборов заключается в том, что с их помощью могут быть осуществлены экспресс-анализы, комплексные исследования различных веществ, почвы и т.д., что резко повышает продуктивность исследований. Тенденция разработки таких средств измерений прослеживается и по зарубежным публикациям и рекламным материалам.

Наше предприятие заинтересовано и осуществляет проработку теоретических основ и методических рекомендаций по установлению оптимальных допустимых норм точности измерений при проведении исследований с использованием специальных средств измерений. Итогом такой работы должна явиться разработка и изготовление соответствующих средств измерений.