Όργανο μέτρησης ζυγοστάθμισης

Ισορροπία, όργανο σύγκρισης των βαρών δύο σωμάτων, συνήθως για επιστημονικούς σκοπούς, για τον προσδιορισμό της διαφοράς στη μάζα (ή το βάρος).

Η εφεύρεση της ισορροπίας ίσων βραχιόνων χρονολογείται τουλάχιστον στην εποχή των αρχαίων Αιγυπτίων, πιθανώς ήδη από το 5000 π.Χ. Στους πρώτους τύπους, η ακτίνα στηριζόταν στο κέντρο και τα τηγάνια κρέμονταν από τα άκρα με κορδόνια. Μια μεταγενέστερη βελτίωση στο σχεδιασμό ήταν η χρήση ενός πείρου μέσω του κέντρου της δέσμης για το κεντρικό ρουλεμάν, που εισήχθη από τους Ρωμαίους για την εποχή του Χριστού. Η εφεύρεση των μαχαιριών τον 18ο αιώνα οδήγησε στην ανάπτυξη της σύγχρονης μηχανικής ισορροπίας. Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, η ισορροπία είχε εξελιχθεί στην Ευρώπη σε έναν από τους πιο ακριβείς τύπους συσκευών μέτρησης στον κόσμο. Τον 20ο αιώνα, αναπτύχθηκαν ηλεκτρονικά ζυγαριά, ανάλογα με την ηλεκτρική αντιστάθμιση και όχι από τη μηχανική εκτροπή.

Η μηχανική ισορροπία αποτελείται, ουσιαστικά, από μια άκαμπτη δέσμη που ταλαντεύεται σε μια οριζόντια κεντρική άκρη μαχαιριού ως υπομόχλιο και έχει τις δύο ακμές των μαχαιριών παράλληλες και ίσες από το κέντρο. Τα προς ζύγιση φορτία στηρίζονται σε τηγάνια που κρέμονται από ρουλεμάν. Για τον καλύτερο σχεδιασμό, δύο ή περισσότερα πρόσθετα άκρα μαχαιριού βρίσκονται μεταξύ του τελικού ρουλεμάν και του τηγανιού, το ένα για να αποτρέψει την κλίση του επιπέδου και ένα άλλο για να στερεώσει το κέντρο φόρτωσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο στην άκρη του μαχαιριού. Ένας μηχανισμός συγκράτησης αποτρέπει τη ζημιά κατά τη φόρτωση διαχωρίζοντας τις άκρες των μαχαιριών από τα ρουλεμάν τους. Η εκτροπή της ισορροπίας μπορεί να υποδεικνύεται από έναν δείκτη που είναι προσαρτημένος στη δέσμη και περνά πάνω από μια βαθμονομημένη κλίμακα ή από ανάκλαση από έναν καθρέφτη στη δέσμη σε μια απομακρυσμένη κλίμακα.

Η πιο προφανής μέθοδος χρήσης ισορροπίας είναι γνωστή ως άμεση ζύγιση. Το προς ζύγιση υλικό τοποθετείται σε ένα ταψί, με αρκετά γνωστά βάρη στο άλλο ταψί έτσι ώστε η δέσμη να είναι σε ισορροπία. Η διαφορά μεταξύ της μηδενικής ανάγνωσης και της ανάγνωσης με τα τηγάνια που φορτώνονται δείχνει τη διαφορά μεταξύ φορτίων σε διαιρέσεις κλίμακας. Μια τέτοια άμεση ζύγιση απαιτεί οι βραχίονες να είναι ίσου μήκους. Όταν το σφάλμα που προκύπτει από άνισους βραχίονες είναι μεγαλύτερο από την απαιτούμενη ακρίβεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος υποκατάστασης ζύγισης. Σε αυτήν τη μέθοδο, αντίθετα βάρη προστίθενται σε ένα τηγάνι για να εξισορροπηθεί το άγνωστο φορτίο στο άλλο. Στη συνέχεια, τα γνωστά βάρη αντικαθιστούν το άγνωστο φορτίο. Αυτή η μέθοδος απαιτεί μόνο οι δύο βραχίονες της δοκού να διατηρούν τα ίδια μήκη κατά τη ζύγιση. Οποιαδήποτε επίδραση της ανισότητας είναι η ίδια και για τα δύο φορτία και επομένως εξαλείφεται.

Μικρά χαλαζία μικροβαθμών με χωρητικότητα μικρότερη από ένα γραμμάριο έχουν κατασκευαστεί με αξιοπιστία πολύ μεγαλύτερη από ό, τι συνήθως συναντάται με μικρά ζυγαριά τύπου ανάλυσης που έχουν μεταλλική δέσμη με τρεις άκρες μαχαιριού. Τα μικροζυλικά χρησιμοποιούνται κυρίως για τον προσδιορισμό της πυκνότητας των αερίων, ιδιαίτερα των αερίων που λαμβάνονται μόνο σε μικρές ποσότητες. Η ισορροπία συνήθως λειτουργεί σε ένα αεροστεγές θάλαμο, και μια μεταβολή του βάρους μετράται από την αλλαγή στην καθαρή πλευστή δύναμη στην ισορροπία λόγω του αερίου στο οποίο η ισορροπία αναστέλλεται, με την πίεση του αερίου να ρυθμίζεται και να μετράται από ένα μανόμετρο υδραργύρου που συνδέεται με τη θήκη ισορροπίας.

Το υπερ-μικροζυγοστάριο είναι οποιαδήποτε συσκευή ζύγισης που χρησιμεύει για τον προσδιορισμό του βάρους μικρότερων δειγμάτων από ό, τι μπορεί να ζυγίζεται με το μικροζυγοστάσιο, δηλαδή, συνολικές ποσότητες τόσο μικρές όσο ένα ή λίγα μικρογραμμάρια. Οι αρχές πάνω στις οποίες έχουν κατασκευαστεί επιτυχώς οι υπερ-μικροζυγοί περιλαμβάνουν ελαστικότητα σε δομικά στοιχεία, μετατόπιση σε υγρά, εξισορρόπηση μέσω ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων και συνδυασμούς αυτών. Η μέτρηση των επιδράσεων που παράγονται από τις ζυγισμένες μάζες λεπτού έχει γίνει με οπτικές, ηλεκτρικές και πυρηνικές ακτινοβολίες μεθόδους προσδιορισμού μετατοπίσεων και με οπτικές και ηλεκτρικές μετρήσεις δυνάμεων που χρησιμοποιούνται για την αποκατάσταση μιας μετατόπισης που προκαλείται από το ζύγισμα του δείγματος.

Η επιτυχία των παραδοσιακών ζυγοσταθμίσεων στη σύγχρονη εποχή βασίστηκε στις ελαστικές ιδιότητες ορισμένων κατάλληλων υλικών, ιδίως ινών χαλαζία, που έχουν μεγάλη αντοχή και ελαστικότητα και είναι σχετικά ανεξάρτητες από τις επιπτώσεις της θερμοκρασίας, της υστέρησης και της ανελαστικής κάμψης. Οι πιο επιτυχημένες και πρακτικές υπερμικροβιομηχανίες βασίστηκαν στην αρχή της εξισορρόπησης του φορτίου εφαρμόζοντας ροπή σε ίνες χαλαζία. Ένας απλός σχεδιασμός χρησιμοποιεί μια άκαμπτη ίνα ως οριζόντια δέσμη, υποστηριζόμενη στο κέντρο της από μια τεντωμένη οριζόντια ίνα στρέψης χαλαζία σφραγισμένη σε αυτή σε ορθή γωνία. Σε κάθε άκρο της δοκού αναρτάται ένα ταψί, το ένα αντισταθμίζει το άλλο. Η εκτροπή της δέσμης που προκαλείται με την προσθήκη του δείγματος σε ένα τηγάνι αποκαθίσταται περιστρέφοντας το άκρο της ίνας στρέψης έως ότου η δέσμη να είναι πάλι στην οριζόντια θέση της και το πλήρες εύρος στρέψης στην ανασταλτική ίνα μπορεί να εφαρμοστεί στη μέτρηση του φορτίο προστέθηκε σε ένα τηγάνι. Η ποσότητα στρέψης που απαιτείται για την αποκατάσταση διαβάζεται μέσω ενός επιλογέα που είναι προσαρτημένος στο άκρο της ίνας στρέψης. Το βάρος επιτυγχάνεται με βαθμονόμηση της ισορροπίας έναντι γνωστών βαρών και ανάγνωση της τιμής από το γράφημα βαθμονόμησης βάρους έναντι στρέψης. Σε αντίθεση με τα ισοζύγια άμεσης μετατόπισης που βασίζονται μόνο στην ελαστικότητα των δομικών μελών, η ισορροπία στρέψης επιτρέπει τη βαρύτητα να εξισορροπεί το μεγαλύτερο συστατικό του φορτίου, δηλαδή τα τηγάνια, και οδηγεί σε πολύ αυξημένη χωρητικότητα φορτίου.

Τα υπόλοιπα στα τέλη του 20ού αιώνα ήταν συνήθως ηλεκτρονικά και πολύ πιο ακριβή από τα μηχανικά υπόλοιπα. Ένας σαρωτής μέτρησε τη μετατόπιση του δίσκου που συγκρατεί το αντικείμενο που πρέπει να ζυγιστεί και, μέσω ενός ενισχυτή και πιθανώς ενός υπολογιστή, προκάλεσε τη δημιουργία ρεύματος που επέστρεψε το δίσκο στη μηδενική του θέση. Οι μετρήσεις διαβάστηκαν σε ψηφιακή οθόνη ή εκτύπωση. Τα ηλεκτρονικά συστήματα ζύγισης όχι μόνο μετρούν τη συνολική μάζα, αλλά μπορούν επίσης να καθορίσουν χαρακτηριστικά όπως το μέσο βάρος και το περιεχόμενο υγρασίας.