Знакомство с работой аналитических весов

Для точной работы и надежности взвешивания на электронных аналитических весах очень важно правильно выбрать место для установки весов. Поэтому, при установке и расположении весов необходимо учитывать некоторые условия, а именно:

1. Выбранное помещение для установки весов должно быть защищено от всяких силовых воздействий извне, не должно сотрясаться и вибрировать.
2. Т.к. точность взвешивания на аналитических весах зависит также и от сквозняков, то поэтому весы должны быть установлены вдали от единственного выхода в помещении.
3. Также точность зависит и от сквозняков, поэтому работа на весах вблизи с аппаратами, такими, как кондиционеры и вентиляторы, запрещена. Сквозняки очень сильно влияют на точность, поэтому в помещении должен быть один выход, возле которого нельзя располагать рабочее место. Нельзя взвешивать поблизости с кондиционерами или приборами с вентилятором (например, компьютерами). 
4. Солнечные лучи, наряду с лампами накаливания и приборами освещения, не должны попадать на весы. Для этого необходимо произвести установку весов на удаленном расстоянии от возможного попадания света или излучения. Для освещения помещения лучше применять флуоресцентные лампы, т.к. они производят излучение намного меньше.
5. В помещении, выбранном для установки весов, самое подходящее место – это углы, где обычно нет окон и осветительных приборов.
6. При взвешивании необходимым обстоятельством является поддержание постоянства температуры воздуха, поэтому не рекомендуется работать вблизи радиаторов или других нагревательных аппаратов.
7. Относительная влажность в помещении, при которой работа на весах допустима, также важна и необходимо учитывать, что она не должна превышать 60%.
8. Весы должны быть установлены крепко и устойчиво, не должны гнуться или раскачиваться, поэтому их можно укрепить на столе или любой другой подставке. Ни в коем случае нельзя закреплять подставку с весами (если весы не стоят на полу) одновременно в двух местах, например, к стене и к полу.
9. Лучше всего в качестве подставки использовать немагнитный материал, т.е., не сталь, а дерево или камень.

Есть несколько правил, которыми нужно руководствоваться при взвешивании на аналитических весах:

1. Время от времени проверять правильность установки весов по уровню. Это достигается путем вращения ножек весов. И по достижению проверки обязательно откалибровать весы.
2. Т.к. изменение температуры воздуха для весов крайне нежелательно, поэтому дверцу колпака рекомендуется приоткрывать только на расстояние для удобного помещения образца на взвешиваемую чашу.
3. Для аналитических весов необходимо тепловое равновесие, поэтому лучше всего их не нужно отключать, а при необходимости отключения нужно их перевести в режим ожидания, т.к. при таком режиме не нужно прогревать весы до начала работы. 
4. При влажности воздуха ниже 30%, когда возникает опасность электростатического заряда, не должны применяться контейнеры из пластмассы и стекла.
5. Т.к. при температурных изменениях могут возникнуть воздушные потоки и, как следствие, может произойти изменение пленки влаги, то емкость и образец должны быть одинаковой температуры с температурой в помещении.
6. Это обстоятельство, т.е., изменение температуры и влажности, скажется также и при установке контейнера с образцом, поэтому нельзя заносить руку внутрь ветрозащитного колпака.
7. Во избежание неправильного взвешивания образец нужно ставить непосредственно в центр чаши весов.
8. Присутствие образца на чаше весов после взвешивания может вызвать изменение температуры и влажности, поэтому после завершения взвешивания необходимо снимать образец с весов.
9. После длительного отдыха весов (более получаса) при необходимости завеса на микро- и полумикровесах нужно произвести одноразовую загрузку чаши весов на несколько минут, чтобы избежать, так называемого, эффекта начального взвешивания.
10. Взвешивание нужно начинать с обнуления показания весов – это обязательное правило.
11. Калибровка аналитических весов производится: а) сразу после установки весов на постоянное место; б) в случае переустановки в другое место; в) после проверки установки весов по уровню, а также г) после любых изменений температуры воздуха, влажности воздуха или атмосферного давления.
12. И последнее: весы постоянно должны быть чистыми, ведь малейшее загрязнение может повлечь за собой повреждение, а затем и неправильное взвешивание. Это правило обязательно и при работе с контейнерами – они тоже должны быть чистыми и, по возможности, сухими.

ЧТО ВЛИЯЕТ НА РЕЗУЛЬТАТ ВЗВЕШИВАНИЯ?

ТЕМПЕРАТУРА – ее влияние сказывается на показаниях, выводимых на дисплей, т.е., показания меняются в одном направлении.

Такое явление объясняется: во-первых, разницей температуры образца и воздуха, что приводит к созданию силы, направленной вверх, и сосуд с образцом, обтекаемый потоком воздуха, оказывается легче и, согласно явлению динамической плавучести, взвешивание окажется неправильным.

Устранить такое явление можно, только восстановив равновесие температур образца и воздуха.

Во-вторых: любой образец покрывает пленка влаги, которая меняется в связи с переменой температуры. И это тоже объясняется эффектом динамической плавучести, т.е., например, образец будет холоднее (по каким-то причинам) окружающей среды, поэтому он окажется тяжелее, а если наоборот, то теплый – легче. Таким образом, исходя из сказанного, сделаем вывод, что образцы для взвешивания должны соответствовать температуре помещения или ветрозащиты весов.

Необходимо помнить, что вынутые непосредственно перед взвешиванием из сушки или холодильника образцы взвешивать нельзя – нужно достичь температурного равновесия.

Ошибок при взвешивании можно избежать, учитывая некоторые условности, например: рекомендуется пользоваться пинцетом, не нужно совать руку вовнутрь ветрозащитного колпака весов и, при необходимости, подбирать контейнеры с малой площадью поверхности.

ВЛАГА – она имеет свойство поглощаться и испаряться. В результате такого эффекта вес взвешиваемого образца то снижается, то повышается. И причины тому различные, в основном, в таких термодинамических функциях веществ, как летучесть (или фугитивность) или гигроскопичность (способность поглощать влагу). Увеличивается вес при взвешивании гигроскопичных образцов, а потеря веса наблюдается при взвешивании образцов с летучими свойствами или при взвешивании воды. Используя относительно чистые и сухие сосуды, желательно с узким горлом, закрывая их пробками или крышками, и, следя за чистотой весов, мы можем добиться безошибочного взвешивания.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА – проявлением ее является несовпадение результатов взвешивания одного и того же сосуда. Числа, выводимые на дисплее, и указывающие вес образца, при каждом взвешивании разные.

Причина этого в электростатическом явлении, которое заключается в том, что некоторые непроводящие электричество материалы могут заряжаться электростатически благодаря трению между собой во время изготовления, например, порошков, а также при их транспортировке.

Когда воздух сухой, то образуется плохая проводимость и электростатические заряды совсем не разряжаются или разряжение протекает на протяжении длительного времени.

В случае электростатического контактирования образца с окружающей средой тоже происходят сбои во взвешивании на аналитических весах. Общеизвестное правило о зарядах гласит, что взаимно отталкиваются одноименные заряды (образец и среда имеют + + или — -), и, естественно, наоборот, разноименные (+ — или — +) – притягиваются. Яркий пример этому явлению даст любое изделие из пластика, потертое шерстяной тканью, — оно будет притягивать к себе пыль и прочее. Чтобы избавиться от нежелательного свойства, нужно заряженный образец разрядить, для чего увлажняют помещение разными способами, например, при помощи увлажнителя или с помощью кондиционера. В зимнее время в отапливаемых помещениях нужно особенно пристально следить за влажностью, которая в идеале должна составлять не более 60%.

От электростатики можно избавиться и другим путем, таким, как экранирование. Существует несколько способов такого решения, а именно: сосуд с образцом помещают в металлический контейнер или подбирают иной сосуд или контейнер, ведь материал, из которого изготовлены эти предметы, иногда плохо или совсем не экранируют электростатическую заряженность. Больше всего подходят стеклянные и металлические изделия. Могут помочь избавиться от заряда в некоторой степени и антистатические пистолеты, но они также не совсем приемлемы, т.к. не реагируют на некоторые материалы. Самый простой и испытанный метод – это заземление самих весов.

Электростатическая заряженность замеряется на микро-, полумикро- и аналитических весах, что также влечет за собой ошибки при взвешивании образцов.

МАГНЕТИЗМ – наблюдается при перестановке места положения образца на чаше весов. При этом меняется вес образца и плохо воспроизводятся результаты взвешивания. Так как силы, образующиеся при взвешивании образца из магнитного материала (они притягивают железо), то весы принимают их в качестве дополнительной нагрузки – это и есть свойство магнетизма.

Избавиться от такого явления можно, размагнитив ферромагнитный образец (железо, никель, кобальт, а также сталь), при этом удалив на некоторое расстояние от чаши весов взвешиваемый образец, так как влияние магнитных сил уменьшается с увеличением расстояния. Для этого применяются различные подставки, изготовленные из стекла (стакан), алюминия (штатив, например) или используя вмонтированный снизу под весами крюк для взвешивания. То же действие достигается путем помещения взвешиваемого образца в биметаллический (изготовлен из двух слоев разнородных металлов или сплавов – например, сталь и алюминий) контейнер.

СТАТИЧЕСКАЯ ПЛАВУЧЕСТЬ – это, когда полученные результаты при взвешивании одного и того же образца в воздухе и в вакууме отличаются друг от друга.

Вспомнив закон Архимеда о том, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх, и равная весу вытесненной им жидкости, можем понять причину действия атмосферного давления на вес. Наш образец погружается в жидкость (в воздух) и в зависимости от температуры и атмосферного давления плотность воздуха приблизительно равна 1,2 кг/м³, т.е., плавучесть образца тоже приблизительно равна 1,2 кг/м³.

Избежать влияния статической плавучести на взвешивание образцов удается калибровкой специальными грузами с плотностью 8 г/см³. При взвешивании образцов с иной плотностью существуют ошибки из-за того же вытеснения воздуха. В случае взвешивания образцов с высокой точностью (обычно эта процедура производится на микровесах) необходимо откорректировать вес должным образом. Каждый раз и в разные дни при необходимости взвешивания необходимо следить и проверять атмосферное давление, влажность и температуру для расчета поправки на вытеснение воздуха.

Для определения массы с учетом поправки производится следующий расчет:

1. Расчет плотности воздуха:
   ρ_возд. ≈ (0,348444 · ρ_{атм.давл.} — (0,00252 · t — 0,020582) · h) / 273,15 + t, где:
   ρ_возд.— плотность воздуха, кг/м³,
   ρ_{атм.давл.} — атмосферное давление, гПа (мБар),
   h – относительная атмосферная влажность, %,
   t – температура, °C
2. Поправка на вытеснение воздуха:
   M ≈ R · (1 — a/8000 кг/ м³) / (1 — a/ρ_обр.), где:
   m – масса образца,
   R – результат на дисплее весов,
   ρ_обр. – плотность образца, кг/м³

ГРАВИТАЦИЯ — проявляется различием результатов взвешивания на разных высотах (например, на разных этажах здания). Зная закон Ньютона о всемирном тяготении, можно объяснить и явление с разными результатами взвешивания.

При взвешивании вместе с массой образца, электронные весы также замеряют и силу притяжения этого образца, которая, в свою очередь, зависит от множества разных причин, например, от географической широты и высоты над уровнем моря (расстояние до центра Земли). Слабеет сила притяжения (гравитация), действующая на образец, помещенный на чашу весов, при удалении его от центра Земли и, наоборот. Уменьшение силы гравитации равно квадрату расстояния. Но, приблизив весы к экватору, можно отметить, что и центробежное ускорение (в связи с вращением Земли) стало больше противодействовать силе гравитации. Этим объясняется тот факт, что сила, действующая на образец, на полюсах всегда больше, чем на экваторе.

В связи с общеизвестным мнением об изменении веса образца напрямую зависит от изменения силы тяготения.

Произведем расчеты погрешностей от влияния гравитационной силы.

На основе формулы для ускорения свободного падения g, принятой Международным геофизическим конгрессом в 1930 г., вычислим первую погрешность g:

g = 978,049 · (1 + 0,005288 · sin²φ – 0,000006 · sin²2φ) (см/сек²), где φ – географическая широта места, где производятся измерения.

Если φ₁ – широта места калибровки, а φ₂ – широта места эксплуатации, то относительная ошибка взвешивания из-за прямой зависимости силы гравитации от географической широты будет равна, пренебрегая малой добавкой,

Δ = 0,005288 · (sin²φ₂ — sin²φ₁) = 0,002644 · (cos²φ₁— cos²φ₂).

Компенсируя эту погрешность калибровкой весов грузом, равным НПВ, нужно установить груз, равный

НПВ · (1 + Δ) = 1,002644>) · (cos²φ₁ — cos²φ₂) · НПВ

Только в этом случае после транспортировки весов на место установки и эксплуатации их они дадут положительные результаты при взвешивании. Из формулы для выведения Δ видим, что, если местом эксплуатации станет пункт, расположенный севернее, где произведена калибровка весов, то добавка положительна, т.к. φ₂>φ₁, а если южнее – то добавка отрицательна для северного полушария.

Δ = m · Δh/r_Земли, где
m – масса тела, Δh = h — r_Земли – разница высот, где: 
h – высота, на которой производится взвешивание,
r_Земли – расстояние до центра Земли.

Если h < r_Земли, то масса взвешиваемого груза будет больше, если h > r_Земли, то, соответственно, будет меньше.