3.3. Гидростатические весы

Весы с одной призмой и коромыслом, имеющим на одном пле­че поплавок в жидкой среде, а на другом - противовес, получи­ли название гидростатических, или весов Мора - Вестфаля (рис. 69). Их применяют в основном для определения плотности жидких и твердых веществ (см. разд. 4.6).

Коромысло 4 таких весов представляет собой неравноплечий рычаг, опирающийся своей призмой на подушку в вилке 6. На правом конце коромысла находится крючок, к которому на тон­кой проволоке (диаметр не более 0,1 мм, платина, константан) подвешен стеклянный поплавок 2. На левом конце коромысла помещен противовес 7 с острием-указателем равновесия. Если поплавок не имеет встроенного термометра, то в цилиндр 1 с жидкостью опускают термометр в металлической гильзе, крепя­щейся к верхнему краю цилиндра. Правая часть коромысла имеет углубления, в которые навешиваются гири-рейтеры 5. Две большие одинаковые гири имеют массу, равную массе воды, вытесняемой поплавком при 20 °С. Масса малых гирь в 10, 100 и 1000 раз меньше массы больших рейтеров. Поплавок, гири и Цилиндр составляют единый комплект гидростатических весов. При замене поплавка и гирь у конкретных весов, их снова сле­дует прокалибровать.

Функции гидростатических весов могут выполнить технохимические и аналитические весы, если к одному плечу коромысла (рис. 70, а) или чашке (рис. 70, б) прикрепить поплавок. В первом варианте взвешивание проводят, не снимая чашки 4, а подставив под стакан 3 легкий столик. Можно убрать с коромысла чашку и стакан 3 с жидкостью и поплавком установить на основание 6 весов, если приходится часто проводить гидро­статическое взвешивание. Во втором варианте следует проделать отверстия в основании весов и доске 8 лабораторного стола, через которые и пропустить подвеску поплавка, закрепив ее за держатель чашки.

Рис. 69. Гидростатические весы Мора - Вестфаля: 1 - цилиндр с исследуемой жидкостью; 2 - стеклянный поплавок; 3 - регулировочный винт; 4 - неравноплечее коромысло; 5 - рейтеры; 6 - вилка коромысла с призмой и подуш­кой; 7 - противовес; 8 - выдвижной стержень; 9 - стопорный винт-арретир; 10 - стойка весов; 11 - отвес

Рис. 70. Самодельные гидростатические весы с поплавком внутри весов (я) и вне весов (б): 1 - крючок коромысла; 2 - поплавок; 3 - стакан с жидкостью; 4 - чашка; 5 - подставка; 6 - основание весов; 7 - боковая дверца; 8 - лабораторный стол

3.4. Газовые и торзионные (крутильные) весы

Газовые весы являются аналогами гидростатических весов. Основное их применение - определение плотности газов (см. разд. 10.11). В приведенных на рис. 71 весах Штока коромысло 4 изготовлено, как и все остальные части, из кварца. Коромысло подвешено на припаянной к нему кварцевой нити 7. Тонкая кварцевая нить лучше всех других материалов способна удли­няться. В частности, нить диаметром около 0,01 мм не обры­вается при закручивании на 20 полных оборотов на 1 см длины Другое замечательное свойство тонкой кварцевой нити - строго линейная зависимость противодействующего момента от угла закручивания.

Масса тонкостенного кварцевого поплавка 8, наполненного воздухом, уравновешена массой противовеса 3 - кварцевого тон­костенного шарика с отверстием. Общая поверхность противовеса (наружная и внутренняя) равна поверхности поплавка для уменьшения влияния адсорбции газов. Объем поплавка состав­ляет около 3 см³, а в противовесе 3 проделано отверстие для уменьшения плавучести. Равновесное положение коромысла определяют при помощи микроскопа по перемещению острия, которым оканчивается противовес 3 относительно указателя 2. Газ подводится в середину прибора 1 через трубку 5.

Перед измерением плотности газовые весы калибруют по газу, для которого известно изменение плотности с изменением давления. Газ, плотность которого надо измерить, тщательно высушивают и освобождают от примесей, после чего осторожно впускают в весы Штока через трубку 5, предварительно удалив из весов воздух. В момент равновесия, когда игла шара 3 уста­навливается против указателя 2, фиксируют давление газа. Затем по калибровочному графику находят плотность газа.

Чувствительность газовых весов мало зависит от давления газа , но температура весов во избежание движения газа во время опыта должна поддерживаться постоянной.

Рис. 71. Устройство газовых кварцевых весов Штока Рис. 72. Общий вид торзионных весов рычаж­ного типа : 1 - чашка; 2 - конец коромысла; 3 - шкафчик; 4 –стрелка : 5 - ручка натяжения; 6 - шкала; 7 - ручка арретира: 8 - стойка весов; 9 - основание весов: 10 -указатель равновесия; 11 - черта равновесного состоя­ния

Торзионные весы (от франц. torsion - окручивание) (рис. 72) представляют собой устройство, способное уравновешивать массу вещества упругим натяжением пружины весов. При этом в

основном подразумевается деформация кручения пружины. Topзионные весы применяют для быстрого определения небольших масс - от 0,01 до 500 мг. Достоинством торзионных весов яв­ляется простота конструкции и быстрота взвешивания. Однако точность их не превышает 0,1% от максимальной нагрузки.

Перед взвешиванием освобождают коромысло, связанное с пружиной, передвижением ручки 7 арретира и устанавливают на нуль стрелку 4 с помощью ручки 5 натяжения пружины. При таком положении системы весов указатель равновесия 10 пере­крывает черту равновесия 11. Затем закрепляют арретиром ко­ромысло весов и помещают груз на чашку 1, после чего снова арретиром освобождают коромысло. Взвешиваемый предмет поворачивает ось спиральной пружины и закручивает ее. Пово­ротом оси за ручку натяжения 5 в обратную сторону приводят коромысло в горизонтальное положение. О горизонтальности коромысла судят по совпаданию указателя равновесия 10 с чер­той равновесия 11. Тогда стрелка 4 покажет на шкале 6 значе­ние массы измеряемого груза. Угол закручивания пружины про­порционален массе взвешиваемого вещества, и поэтому шкала 6 весов проградуирована в единицах массы (мг).

Взвешивание следует проводить при 20 ± 5 °С, так как при иной температуре погрешность показания весов увеличивается.