3.5. Спеціальні ваги
Ваги з ланцюжковим механізмом врівноважування (рис. 73, а) Застосовують для навантажень від 0,1 г і вище, так як виготовити дуже легкий ланцюжок неможливо. Чутливість таких ваг не перевищує 0,1 мг. Ланцюжок замінює рейтерну шкалу і складається з дрібних, рівних за масою ланок. Маса ланцюжка 2 розподіляється між барабаном 3 і коромислом ваг. Для врівноваження вантажу 1 використовується маса ланцюжка. При відхиленні стрілки ваги від нульової позначки датчик положення коромисла подає командний сигнал релейної схеми, що включає електродвигун ланцюжкового барабана. Барабан починає обертатися, змотуючи або розмотуючи ланцюжок доти, доки знову не настане рівновага. У цьому маса тієї частини ланцюжка, що з коромислом, пропорційна її довжині, тобто. куті повороту барабана. Тому такі аналітичні ваги можуть бути автоматичними та реєструючими.
Більш складні автоматичні реєструючі ваги зазвичай забезпечують найрізноманітнішою електронною системою управління.
Мал. 73. Терези: з ланцюжковим механізмом врівноваження (я), Мак-Бена (б), Сальвіоні (в), Фольмера (г) та Цейтена (д): г. I - пробка з кварцовою ниткою; 2 – захисний кожух; 3 – трубка; 4 – кварцова нитка з чашкою; 5 - зачорнений кінець нитки; 6 - мікроскоп з окулярною шкалою; 7 - вікно для завантаження
Такі ваги застосовують визначення маси, що змінюється у процесі зважування, що реєструється на стрічці самописця, як функцію часу і температури. Обладнанню автоматичних реєструючих ваг присвячена спеціальна література.
Терези Мак-Бена (рис. 73, .6) - це терези зі спіральною пружиною, які нічим принципово не відрізняються від давно відомого пружинного безміну, що застосовується в домашньому побуті.
Ваги булизапропоновані Мак-Беном 1926 р. визначення мас досліджуваних речовин у вакуумних трубках. Вони мають оптичні відлікові пристрої 3 з візиром 2. Кварцова спіраль 1 діаметром витка 12-15 мм, навита з нитки діаметром близько 0,2 мм, має підйомну силу 1 г. Її подовження становить близько 0,1 мм/мг. Металеві пружини менш ефективні. Вони піддаються корозії і за зміни навантаження тривалий час " повзуть " , тобто. не відразу переходять у положення рівноваги.
Терези Сальвіоні (рис. 73, в). Сальвіоні 1901 р. вперше запропонував використовувати пружні властивості матеріалів для зважування невеликих мас.
Під дією навантаження вільний кінець кварцової нитки 2, закріпленої в стійці 1 опускається на кут, пропорційний масі вантажу в чашці 5. Значення кута вимірюють за допомогою відлікового мікроскопа за положенням візира 4, який повинен бути гранично тонким і добре спостерігається в мікроскоп. Арретир 3 закріплює нитку 2.
Чутливість терезів Сальвіоні становить 10 -5 - 10 -4 г. Коли їх поміщають у захисний кожух, то при навантаженні 2*10 -5 г чутливість зростає до 2-10 -8 г.
Терези Фольмера (рис. 73, г) - один з варіантів терезів Сальвіоні. Вони придатні для навантажень у кілька мг, що зважуються з точністю до 10 -7 г. Терези застосовують у тих випадках, коли маса речовини безперервно змінюється: виділення газу, сублімація, адсорбція газу і т.п. Переміщення зачорненого кінця 5 кварцової нитки, закріпленої в пришлифованной пробці 1, спостерігають мікроскоп 6. Кварцове віконце, через яке ведуть спостереження, може бути забезпечено шкалою. Через трубку 3 виробляють відкачування судини 2, його висушування та пуск потрібного газу. Підйомну силу та чутливість ваг регулюють зміною товщини кварцової нитки. (Фольмер Макс (1885-1965) - німецькафізикохімік. У 1945-1955 pp. працював у СРСР.)
Терези Мак-Бена, Сальвіоні і Фольмера калібрують дрібними міліграмовими гирками і знаходять залежність між зміною маси речовини гирек, що лежать на чашці, підвішеній до спіралі або пружини, і деформацією останніх. Якщо інтервал мас, що зважуються, лежить в області 10 -6 -10 -3 г, то калібрування ведуть наступним чином. вагах зважують дріт з точно виміряною довжиною. По масі дроту знаходять масу одиниці його довжини. Потім дріт розрізають на дрібні шматочки з відомою довжиною та обчислюють масу кожного відрізка. Для калібрування ваги слід брати дріт гранично малого діаметра і малої щільності металу.
Ваги Цейтена (рис. 73, д) для флотаційного зважування речовин, що мають масу порядку 10
6 г з межею чутливості ±10-8 г, запропоновані в 1946 р. Терези складаються з флотаційної трубки 1, наповненої водою, і рухомої судини 2, що отримала назву "картезіанського водолаза" (Cartesius - латинське прізвище Рене Декарта). (Декарт Рене Картезій (1596-1650) - французький філософ, фізик і математик.) "Водолаз" готують зі скла, наповнюють чистою водою, а у верхній частині, що має вигляд вирви, закріплюють чашечку 4 з тонкої плівки полістиролу, видутої з його розчину у бензолі.
Під чашкою залишають бульбашку повітря 3. Конструкція "водолаза" була запропонована в 1937 Ліндерштром-Лангом. "Водолаз" з бульбашкою повітря є дуже чутливим до зміни тиску над поверхнею води в трубці 1. Щільність "водолаза" при зміні тиску на рідину змінюється, так як бульбашка повітря в залежності від тиску, що додається, розширюється або стискається. Можна легко досягти того, щоб внаслідок невеликої зміни зовнішнього тиску "водолаз" замість занурення почав спливати,флотаційна рівновага досягається тоді, коли "водолаз" знаходиться у зваженому стані між дном і поверхнею води в трубці 1, причому верхня крайка чашки знаходиться на рівні кругової позначки 5, нанесеної на флотаційну трубку 1.
Для зважування в чашку 4 "водолаза" поміщають речовину в невеликому скляному або полімерному капілярі (маса порожнього капіляра наперед відома) і занурюють "водолаз" у воду трубки 1. Над поверхнею води створюють такий тиск рх (див. вод. ст.), що вимірюється водяним манометром, щоб "водолаз" завис суворо під круговою відміткою. Це буде стан флотаційної рівноваги. Потім звільняють філіжанку від капіляра з речовиною і кладуть у неї разновески з полістиролу і також вимірюють тиск р, при якому встановлюється флотаційна рівновага. Після цього обчислюють наведену масу речовини за такою формулою:
(3-4)
де G – наведена маса речовини, г; G1 - наведена маса різноваги, г; Ра-атмосферний тиск, см вод. ст.; рх-виміряний тиск, необхідне Для того, щоб "водолаз" з речовиною був приведений у стан флотаційної рівноваги; р1 - виміряний тиск, необхідне для того, щоб "водолаз", навантажений різновагою, був приведений у стан рівноваги флотації.
Наведена маса - це справжня маса тіла мінус маса води обсягом тіла. Якщо щільність капіляра з речовиною дорівнює густині води, то його наведена маса дорівнює нулю. (Ліндерштром-Ланг Кай (1896-1959) – датський хімік-органік.)
Якщо речовина, що зважується, не розчиняється і не взаємодіє з водою і має щільність більше 1 г/см3, то зважування проводять без застосування капіляра.