Метрологические свойства весов

Весы, независимо от их конструкции, должны иметь такие метрологические свойства.

Устойчивость — способность весов, выведенных из состояния равновесия, быстро возвращаться к первоначальному положению.

Устойчивость весов достигается при условии, если их коромысло находится в состоянии устойчивого равновесия. Устойчивость весов зависит также от отдаленности центра от точки опоры, причем, чем ниже размещен центр весов, тем больше устойчивость и тем труднее их вывести из состояния равновесия, а соответственно ниже их чувствительность.

Проверка устойчивости проводится следующим образом: весы, находящиеся в равновесии, необходимо вывести из положения равновесия, слегка коснувшись чашки. Подсчитать количество колебаний стрелки весов до возвращения ее в положение равновесия. Если стрелка совершила не более 4—6 колебаний, можно считать, что весы устойчивы.

Постоянство показаний — способность весов показывать одни и те же результаты при многоразовых определениях массы тела, проводимых на этих весах в одних и тех же условиях.

Проверка постоянства показаний проводится следующим образом: весы должны находиться в положении равновесия. На технических аптечных весах уравновешивают, например, флакон с массой гирь. Если все 3 раза масса взвешиваемого тела одна и та же, то весы обладают постоянством показаний. Если результаты не совпадают, то это значит, что острия призм не вполне параллельны, смещены. Кроме того, на постоянство показаний большое влияние оказывает величина трения в подвижных контактах весов. Затупленность призм и их загрязненность приводит к нарушению постоянства показаний весов. Поэтому весы в нерабочем состоянии должны храниться так, чтобы избежать затупленности призм.

Причиной непостоянства показаний весов является несовершенство устройства весов (например, незаметное смещение отдельных частей при пользовании ими), а также условия, в которых производится взвешивание (например, одностороннее нагревание коромысла (электрическая лампа, солнечные лучи и пр.), вследствие чего может произойти удлинение одного плеча).

Чувствительность — способность весов показывать минимальное изменение нагрузки в момент равновесия.

При этом чем меньше разница в весе гирь, которую можно определить этими весами, тем выше их чувствительность и тем точнее результаты взвешивания.

Чувствительность весов прямо пропорциональна длине плеча коромысла и обратно пропорциональна массе коромысла, нагрузке весов (массе чашек, груза, перегруза), величине прогиба коромысла, расстоянию от точки опоры до центра тяжести коромысла. Чувствительность весов определяется формулой:

где

S — чувствительность, мм/мг;

L — длина плеча коромысла, мм;

Р — масса чашки с грузом, мг;

р — масса перегруза, выводящего весы из состояния равновесия, мг;

h — расстояние от точки опоры до линии, соединяющей острия грузоподъемных и опорной призм (величина прогиба коромысла), мм;

R — масса коромысла, мг;

т. — расстояние от точки опоры до центра тяжести коромысла, мм; Z — длина стрелки, мм;

X — цена деления шкалы, мм.

Из формулы следует, что величины L, R, m, Z, X зависят от конструкции весов.

В наибольшей степени на величину чувствительности весов влияет величина прогиба коромысла h. Весы с прямолинейным коромыслом характеризуются тем, что острия опорной и грузоприемных призм находятся на одной прямой линии (прямолинейность весов). При этом величина h = 0, а уравнение принимает вид:

то есть чувствительность весов становится независимой от величины нагрузки весов. Это возможно лишь при взвешивании минимальных количеств. На практике даже незначительное определение массы вызывает прогиб коромысла и влияет на чувствительность весов. С увеличением нагрузки весов, как следует из формулы, их чувствительность уменьшается. Прогиб коромысла при этом может быть недопустимо большим, а коромысло необратимо деформироваться, то есть весы выйдут из рабочего состояния. Во избежание этого необходимо во время взвешивания не превышать величины предельно допустимой нагрузки, обозначенной на коромысле весов.

Чувствительность весов зависит от ряда факторов.

От расположения центра тяжести коромысла по отношению к точке его опоры. Весы будут иметь наибольшую чувствительность при достаточной устойчивости в том случае, когда центр тяжести коромысла лежит как можно ближе к точке опоры, но во всяком случае ниже этой точки.

От массы коромысла. Чем меньше масса коромысла, тем большую чувствительность при всех прочих условиях будут иметь весы. Для облегчения коромысла в нем делаются вырезы круглой или иной формы.

От длины плеч коромысла. Теоретически, чем больше длина плеч коромысла, тем больше его чувствительность. Однако практически нецелесообразно изготовлять коромысла с длинными плечами, так как удлинение коромысла ведет к увеличению его массы, что вызывает уменьшение чувствительности. Наряду с увеличением длины коромысла значительно возрастает прогиб его от действия груза, вследствие чего понижается центр тяжести коромысла и чувствительность весов уменьшается. Поэтому практически коромысла делают с как можно более короткими плечами.

На чувствительность весов оказывает влияние величина трения между призмами и подушками: чем больше трение, тем меньше чувствительность, чем острее призмы, тем чувствительность больше. Поэтому призмы делают острыми из закаленной стали. Износ-затупление призм приводит к увеличению трения, и, следовательно, к уменьшению чувствительности весов.

Следует отметить, что большинство весов, служащих для взвешивания с большей точностью (в том числе тарирные и ручные), имеют длинные стрелки. Это объясняется тем, что увеличение длины стрелки весов позволяет наблюдать и отсчитывать незначительные угловые отклонения коромысла, так как чем больше радиус (длина стрелки), тем больше длина дуги, соответствующей отклонению коромысла на один и тот же угол.

Проверка чувствительности весов проводится путем определения минимальной нагрузки (мг), вызывающей стандартное отклонение стрелки от положения равновесия. За стандартное отклонение принимают отклонение стрелки, равное 5 мм (или трем делениям шкалы) для тарирных весов и выход стрелки из обоймицы до половины своей длины с образованием угла, равного приблизительно 5°, для ручных весов.

Чувствительность, выраженную абсолютным значением груза, вызывающего стандартное отклонение стрелки, называют абсолютной чувствительностью (<S_a6c), или абсолютной ошибкой взвешивания.

Чувствительность ручных и тарирных весов определяют в трех положениях: нагруженных на 1/10 предельной нагрузки, предельно нагруженных и ненагруженных. Если груз, соответствующий величине допустимой погрешности (установленной ГОСТом) для данного типа весов (табл. 5), помещенный на одну из чашек таких весов, вызывает стандартное отклонение стрелки, то весы считаются чувствительными .

Так весы технические ВКТ-1000 имеют следующие величины погрешностей:

— ненагруженных — 20 мг;

— с 1/10 максимальной нагрузки — 60 мг;

— максимально нагруженные — 100 мг.

При определении величины чувствительности этих весов при 1/10 нагрузки поступают так: весы приводят в состояние равновесия, на каждую чашку помещают гири массой по 100,0 г, уравновешивают весы, затем постепенно нагружают правую чашу весов гирьками (от меньшей к большей). Груз, вызывающий стандартное отклонение стрелки, показывает абсолютную чувствительность. Если величина дополнительной нагрузки больше допустимой погрешности (60 мг), например 80 мг, весы считают нечувствительными. Их изымают из пользования и направляют на проверку до срока клеймения. Аналогично проводят определение чувствительности при ненагруженных и при предельной нагрузке весов. Чувствительность весов можно определить и таким образом: при трех состояниях весов, приведенных в положение равновесия, на одну из чашек кладут гирю массой, соответствующей величине допустимой погрешности.

Таблица 5 Метрологическая характеристика ручных и тарирных весов

Типоразмеры весов	Нагрузка, г		Допустимая погрешность, мг
	Максимальная	Минимальная	Ненагруженных весов	При 1/10 предельной нагрузки	При максимальной нагрузке
ВР-1	1	0,02	2	3	5
ВР-5	5	0,010	2	4	10
ВР-20	20	1,00	3	6	20
ВР-100	100	5,00	5	10	50
ВКТ-1000	1000	50,00	20	60	100
Т-2-1000	1000	50,00	20	50	200

Если во всех трех случаях стрелка весов отклонилась на расстояние 5 мм (или 3 деления по шкале), то весы обладают достаточной чувствительностью. Если стрелка отклонилась на расстояние менее, чем 5 мм, то такие весы недостаточно чувствительные и ими пользоваться нельзя.

Что касается определения чувствительности ручных весов, то оно осуществляется аналогичным путем по стандартному отклонению стрелки. В этих случаях чувствительность весов выражается числом миллиграммов, вызывающих необходимое отклонение стрелки.

На практике большое значение имеет так называемая относительная чувствительность, которая может указать относительную ошибку взвешивания (точность дозирования).

Относительная чувствительность весов S_отн может быть выражена отношением минимального груза Р, вызывающего заметное отклонение стрелки от нулевого положения шкалы, к нагрузке л, лежащей на одной чашке весов, потому что чувствительность весов может немного варьировать в зависимости от величины нагрузки:

или

Если, например, весы нагрузить гирями по 100,0 г на каждую чашечку и поместить дополнительный груз, равный 0,05 г, который дает стандартное отклонение стрелки, то относительная чувствительность весов равна:

Значит, на этих весах можно взвешивать груз, равный 100,0 г, с точностью 0,0005 его настоящей массы, то есть относительная ошибка не превышает 0,05 % (0,0005 • 100). Такие весы можно считать достаточно чувствительными.

Определение ошибки взвешивания. На одних и тех лее весах груз можно взвесить с различной точностью. Наибольшая точность может быть получена тогда, когда навеска близка по значению к наибольшей допустимой нагрузке весов. Ошибка взвешивания возрастает, если переходят границу предельной или минимальной нагрузки, которая обозначена на коромысле данных весов.

Чтобы сделать вывод, насколько правильно выбраны весы для определения массы вещества, надо установить точность взвешивания или относительную ошибку (в %).

Например, необходимо взвесить массу 0,06 г. Какими весами при этом следует воспользоваться? Для весов ВР-100 величина 0,06 г близка к ненагруженным весам, поэтому S_абс по табл. 5 равна 0,005 г, а S_OTH - 8%:

Для весов ВР-1 величина массы 0,06 г близка к ненагруженным весам, поэтому S_а6с (табл. 5) — 0,002 г, а S _отв — 3,6 %:

Таким образом, для взвешивания массы 0,06 г нужно использовать ручные весы ВР-1.

Расчет относительной ошибки взвешивания можно осуществить путем составления соответствующей пропорции.

Например, рассчитать относительную ошибку при взвешивании 0,1 г натрия хлорида на ВР-1. По табл. 5 находят ошибку, допустимую при нагрузке 0,1 г. Так как навеска наиболее близка по значению к 1/10 предельной нагрузки, а не к предельной нагрузке или к ненагруженным весам, то допустимая погрешность S_oth равна 0,003 (3 мг). Составив пропорцию, находят ошибку взвешивания (х), которая составляет ±3 %:

0,1 – 0,003

100 - х

При взвешивании на этих же весах большего количества натрия хлорида 0,9 г (навеска наиболее близка по значению к предельной нагрузке ВР-1) допустимая погрешность равна 0,005 (5 мг). Относительная ошибка в этом случае составляет ±0,55 %:

0,9 – 0,005

100 - х

Точность или правильность — способность весов показывать правильное соотношение между массой взвешиваемого вещества и соответствующими гирями.

Точность или правильность весов зависит от таких факторов:

— от равноплечности коромысла весов;

—от параллельности острия опорной и грузопринимающих призм;

— от положения центра тяжести весов коромысла, который должен лежать точно на вертикали, проходящей через точки опоры, которые находятся ниже нее;

— от равенства массы чашек.

Если весы отвечают указанным требованиям, то их коромысло должно находиться в горизонтальном положении, а показчик равновесия (стрелка) — строго вертикальном как при пустых, так и при нагруженных одинаковым грузом чашечках. Вследствие невозможности обеспечить у весов абсолютно точное равенство плеч и в связи с трением, создающимся в опорных деталях коромысла при его колебаниях, весы всегда имеют ограниченную точность. В связи с этим для всех весов установлены максимально допустимые погрешности и весы считаются правильными (верными), если их погрешности не превышают установленных значений.

Проверка точности весов проводится при 1/10 максимальной нагрузки, при полной нагрузке и ненагруженных весах.

Например, необходимо определить точность технических весов с максимальной нагрузкой 1 кг. Для этого на левую чашку помещают гирю, равную 1/10 максимальной нагрузки, 100,0 г, а на правую — тарирный стакан с дробью и добиваются равновесия. Затем при нерабочем положении арретира гирю и груз меняют местами и переводят арретир в рабочее положение. Стрелка весов при перемене местами гири и груза должна прийти в положение равновесия. Если равновесие восстанавливается, то весы верны (равноплечи). При отсутствии равновесия на поднявшуюся чашку весов добавляют груз-допуск (миллиграммовый разновес), равный величине погрешности (см. табл. 5). Это должно привести весы в состояние равновесия или отклонить стрелку в противоположную сторону не более чем на 5 мм. Вес добавленных гирь в этом случае будет являться величиной неравноплечно-сти весов. Если этого не произойдет, весы не обладают достаточной точностью, они неравноплечи. Неравноплечие весы применять нельзя, так как они не будут давать точные показатели массы взвешиваемого вещества.

Гири и разновес. Разновес представляет собой набор гирь. Гири — это меры определенно установленной массы (веса), служащие для измерения массы тела по весу.

Взвешивая тело, мы сравниваем его массу с величиной, принятой за единицу по Международной метрологической системе мер. За единицу массы принимается килограмм. В повседневной аптечной практике основной единицей измерения массы лекарственного средства является грамм — тысячная доля килограмма. Названия низших единиц долей грамма образуются с помощью латинских приставок «деци» (0,1), «санти» (0,01), «милли» (0,001). В рецепте слово «грамм» или его обозначение «г» опускается. Всякое число в рецепте, обозначенное десятичными знаками, целыми или дробными, принимается за выражение количества вещества в граммах, если нет других обозначений.

В зависимости от назначения различают такие гири:

— образцовые, изготовляемые из золота, платины и медных сплавов;

— аналитические, изготовляемые из медных сплавов и стали с тщательно отполированной поверхностью, покрытой золотом, платиной, никелем или хромом;

— технические 1, 2 и 3-го классов.

В аптечной практике применяются технические гири 2-го класса в виде специальных наборов (разновесов): крупного (граммового), содержащего гири от 1,0 до 500,0 г, и мелкого (миллиграммового), содержащего гири от 0,01 до 0,500 г. Граммовый разновес изготавливают из латуни или углеродистой стали с никелевым или хромовым покрытием для предохранения от окисления. Поверхность гирь должна быть гладкой, без трещин, царапин и т. п. Гири имеют форму прямых цилиндров с головками. Миллиграммовые гири изготавливают из мельхиора или алюминия в виде разной формы пластинок: треугольников, квадратов, шестиугольников.

Для защиты от внешних влияний и повреждений гири хранят в специальных коробках с гнездами (рис. 15).

Гири должны содержаться в чистоте, для чего периодически их очищают от пыли и жира, промывая в мыльной теплой воде или в органических растворителях (спирте, бензине), после чего тщательно вытирают насухо

Рис. 15. Разновес: а - крупный; б - набор в футляре; в - мелкий

мягкой тканью. Брать их необходимо только пинцетом, чистить гири разными полирующими средствами категорически запрещается.

Гири и разновесы подвергаются проверке и клеймению один раз в год. Исправность весового хозяйства аптечных учреждений контролируется представителями местных отделений Государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов. При этом на коромысло ручных и тарирных весов наносится клеймо с указанием года проверки (выбивают две последние цифры, например, цифра 97 означает, что проверка весов была проведена в 1997 г.).

Правила взвешивания на технических и ручных равноплечих весах. Прежде чем начать взвешивание, нужно проверить соответствие весов выше указанным метрологическим свойствам, то есть убедиться в их точности, чувствительности, неизменности показаний и устойчивости. Необходимо придерживаться предельной и минимальной нагрузок, установленных для данных весов.

Перед работой весы следует осмотреть, протереть марлевой салфеткой, смоченной спирто-эфирной смесью, убедиться в их равновесии в ненагруженном состоянии. Если весы не уравновешены, то их уравновешивают при помощи регуляторов, помещенных на концах коромысла.

Как правило (для удобства), гири помещают на левую чашечку весов, а взвешиваемое лекарственное средство — на правую.

При взвешивании лекарственных и вспомогательных веществ их названия ассистент читает трижды: снимая с вертушки, при отвешивании и возвращении штангласа на место. Подсчет массы гирь производится дважды — в начале взвешивания и по окончании.

Порошкообразные вещества при взвешивании на ручных весах помещают непосредственно на чашку весов, а густые — на кружок пергаментной или фильтровальной бумаги (предварительно стари-рованный). Взвешивать какие-либо вещества непосредственно на чашечке тарирных весов недопустимо, нужно применять соответствующую тару (флаконы, банки, капсулы и др.). Во избежание ошибок не рекомендуется для тарирования применять разновес.

Сыпучие вещества отвешивают непосредственно из штангласа путем легкого постукивания по нему указательным пальцем правой руки. Прибавляют вещество небольшими порциями так, чтобы нити весов не загрязнялись. По мере приближения момента равновесия порции добавляемого вещества уменьшают, чтобы исключить возможную передозировку порошка. В случае необходимости вещество отбирают при помощи пластмассовой или целлулоидной пластинки. После взвешивания с весов сначала снимают разновес (и второй раз проводят подсчет массы гирь), а затем лекарственное вещество. После каждого отвешивания лекарственного вещества из штангласа шейку и пробку штангласа, а также чашечки весов тщательно протирают марлевой салфеткой.