3.5. Специальные весы

Весы с цепочечным механизмом уравновешивания (рис. 73, а) Применяют для нагрузок от 0,1 г и выше, так как изготовить очень легкую цепочку не представляется возможным. Чувстви­тельность таких весов не превышает 0,1 мг. Цепочка заменяет рейтерную шкалу и состоит из мелких, равных по массе звеньев. Масса цепочки 2 распределяется между барабаном 3 и коромыс­лом весов. Для уравновешивания груза используется только масса цепочки. При отклонении стрелки весов от нулевой от­метки датчик положения коромысла подает командный сигнал релейной схеме, включающей электродвигатель цепочечного барабана. Барабан начинает вращаться, сматывая или разматы­вая цепочку до тех пор, пока снова не наступит равновесие. При этом масса той части цепочки, которая связана с коромыслом, пропорциональна ее длине, т.е. углу поворота барабана. Поэто­му такие аналитические весы могут быть автоматическими к регистрирующими.

Более сложные автоматические регистрирующие весы обычно снабжают самой разнообразной электронной системой управления. Такие весы применяют для определения массы, изменяющейся в процессе взвешивания, которая регистрируется на ленте самописца, как функцию времени и температуры. Уст­ройству автоматических регистрирующих весов посвящена спе­циальная литература.

Рис. 73. Весы: с цепочечным механизмом уравновешивания (а), Мак-Бена (б), Сальвиони (в),

Фольмера (г) и Цейтена (д):

г; 1 - пробка с кварцевой нитью; 2 - защитный кожух; 3 - трубка; 4 - кварцевая нить с чашкой;

5 - зачерненный конец нити; 6 - микроскоп с окулярной шкалой; 7 - окно для загрузки

Весы Мак-Бена (рис. 73, .6) - это весы со спиральной пружи­ной, ничем принципиально не отличающиеся от давно из­вестного пружинного безмена, применяющегося в домашнем обиходе.

Весы были предложены Мак-Беном в 1926 г. для определе­ния масс исследуемых веществ в вакуумных трубках. Они имеют оптические отсчетные устройства 3 с визиром 2. Кварцевая спи­раль 1 диаметром витка 12-15 мм, навитая из нити диаметром около 0,2 мм, обладает подъемной силой 1 г. Ее удлинение со­ставляет около 0,1 мм/мг. Металлические пружины менее эф­фективны. Они подвергаются коррозии и при изменении нагрузки длительное время "ползут", т.е. не сразу переходят в по­ложение равновесия.

Весы Сальвиони (рис. 73, в). Сальвиони в 1901 г. впервые предложил использовать упругие свойства материалов для взвешивания небольших масс. Под действием нагрузки свободный конец кварцевой нити 2, закрепленной в стойке 1, опускается на угол, пропорциональный массе груза в чашке 5. Значение угла измеряют при помощи отсчетного микроскопа по положе­нию визира 4, который должен быть предельно тонким и хоро­шо наблюдаемым в микроскоп. Арретир 3 закрепляет нить 2.

Чувствительность весов Сальвиони составляет 10^-5-10^-4 г. Когда их помещают в защитный кожух, то при нагрузке 2-10^-5 _г чувствительность возрастает до 2-10^-8 г.

Весы Фольмера (рис. 73, г) - один из вариантов весов Саль­виони. Они пригодны для нагрузок в несколько мг, взвеши­ваемых с точностью до 10^-7 г. Весы применяют в тех случаях, когда масса вещества непрерывно изменяется: выделение газа, возгонка, адсорбция газа и т.п. Перемешение зачерненного конца 5 кварцевой нити, закрепленной в пришлифованной пробке , наблюдают в микроскоп 6. Кварцевое окошко, через которое ведут наблюдение, может быть снабжено шкалой. Через трубку 3 производят откачивание сосуда 2, его высушивание и впуск нужного газа. Подъемную силу и чувствительность весов регулируют изменением толщины кварцевой нити.

Фольмер Макс (1885-1965) - немецкий физикохимик. В 1945-1955 гг. рабо­тал в СССР.

Весы Мак-Бена, Сальвиони и Фольмера калибруют мелкими миллиграммовыми гирьками и находят зависимость между из­менением массы вещества гирек, покоящихся на чашечке, под­вешенной к спирали или пружине, и деформацией последних. Если интервал взвешиваемых масс лежит в области 10^-6— 10^-3 г, то калибровку ведут следующим образом. На аналитических весах взвешивают проволоку с точно измеренной длиной. По массе проволоки находят массу единицы ее длины. Затем про­волоку разрезают на мелкие кусочки с известной длиной и вы­числяют массу каждого отрезка. Для калибровки весов следует брать проволоку предельно малого диаметра и малой плотности металла.

Весы Цейтена (рис. 73, д) для флотационного взвешивания веществ, имеющих массу порядка 10^-6 г с пределом чувстви­тельности ±10_-⁸ г, предложены в 1946 г. Весы состоят из флота­ционной трубки, наполненной водой, и подвижного сосуда 2, получившего название "картезианского водолаза" (Cartesius -латинская фамилия Рене Декарта).

Декарт Рене Картезий (1596-1650) - французский философ, физик и мате­матик.

"Водолаз" готовят из стекла, наполняют чистой водой, a в верхней части, имеющей вид воронки, закрепляют чашечку 4 из тонкой пленки полистирола, выдутой из его раствора в бензоле. Под чашкой оставляют пузырек воздуха 3. Конструкция "водолаза" была предложена в 1937 г. Линдерштром-Лангом.

"Водолаз" с пузырьком воздуха является очень чувствитель­ным к изменению давления над поверхностью воды в трубке 1. Плотность "водолаза" при изменении давления на жидкость изменяется, так как пузырек воздуха в зависимости от прила­гаемого давления расширяется или сжимается. Можно легко побиться того, чтобы в результате небольшого изменения внеш­него давления "водолаз" вместо погружения начал всплывать, флотационное равновесие достигается тогда, когда "водолаз" находится во взвешенном состоянии между дном и поверх­ностью воды в трубке 1, причем верхняя кромка чашечки нахо­дится на уровне круговой отметки 5, нанесенной на флотацион­ную трубку 1.

Для взвешивания в чашечку 4 "водолаза" помещают веще­ство в небольшом стеклянном или полимерном капилляре (масса пустого капилляра заранее известна) и погружают "водолаз" в воду трубки ). Над поверхностью воды создают та­кое давление р_х (в см. вод. ст.), измеряемое водяным маномет­ром (см. разд. 10.4), чтобы "водолаз" завис строго под круговой отметкой. Это будет состояние флотационного равновесия. За­тем освобождают чашечку от капилляра с веществом и кладут в нее разновески из полистирола и также измеряют давление р_x, при котором устанавливается флотационное равновесие. После этого вычисляют приведенную массу вещества по формуле:

G=G₁ [1- Pa/(Pa - P_x)] / [1 - Pa(Pa ~ Р₁)], (3.4)

где G - приведенная масса вещества, г; G₁- приведенная масса разновеса, г; P_а- атмосферное давление, см вод. ст.; P_х -измеренное давление, необходимое для того, чтобы "водолаз" с веществом был приведен в состояние флотацион­ного равновесия; P₁- измеренное давление, необходимое для того, чтобы "водолаз", нагруженный разновесом, был приведен в состояние флотационного равновесия.

Приведенная масса - это истинная масса тела минус масса во­ды в объеме тела. Если плотность капилляра с веществом равна плотности воды, то его приведенная масса равна нулю.

Линдерштром-Ланг Кай (1896-1959) - датский химик-органик.

Если взвешиваемое вещество не растворяется и не взаимо­действует с водой и имеет плотность более 1 г/см³, то взвеши­вание производят без применения капилляра.