3.5.Измерение силы и массы

Силой называют количественную характеристику процесса взаимодействия объектов (например, сила трения).

Понятие «масса» характеризует инерционность объектов и их гравитационную способность.

В измерениях, обычно, не делают отличия между массой (количеством вещества) и весом - силой притяжения тела Землей (гравитационной силой), поэтому для измерения силы и массы-веса применяют одни и те же методы измерения.

Приборы для измерения массы по гравитационной способности объекта называют весами. Измерение силы осуществляют посредством динамометров. Разделение средств измерений силы на весы и динамометры обусловлено тем, что направление вектора гравитационной силы строго определено в пространстве. Это обстоятельство учитывают при конструировании средств измерений гравитационной силы, а также при подготовке весов к работе. В частности, в конструкции весов предусматривают уровни и отвесы, позволяющие установить их в горизонтальное положение с требуемой точностью. Рабочее положение динамометров может быть любым – главное, чтобы линия измерения совпадала с направлением вектора силы. При соблюдении этого условия весы могут быть использованы для измерения негравитационной силы, а динамометры – для определения веса. Таким образом, разделение средств измерений силы на весы и динамометры определяется их назначением.

Измерение силы. В общем случае динамометры состоят из преобразователя силы – упруго деформируемого элемента, преобразователя деформации при необходимости, и показывающего прибора.

 Динамометры (динамометр от греческого dynamis - сила и метр) изготовляют трёх типов: ДП - пружинные, ДГ- гидравлические, ДЭ - электрические.

Многообразие конструкций упругих элементов можно классифицировать в зависимости от вида реализуемой деформации: использующие деформации сжатия или растяжения, деформацию изгиба, деформацию сдвига и смешанную деформацию (рис.61)

Динамометрические пружины растяжения или сжатия обычно выполнены в виде сплошного или полого цилиндра, иногда в виде стержня прямоугольного сечения (от 10 кН до 1 МН).

Рис.61. Преобразователи силы в деформацию: а) сжатия, б) изгиба, в) сдвига, г) смешанную

Деформация изгиба реализуется также в упругих элементах, выполненных в виде системы из радиально размещенных балок, колец, мембран, рамы и т.п. (от 10 Н до 10 кН – рабочие средства). Для кольцевых элементов до 2 МН.

Динамометры со сложным упругим элементом (рис. 3г) призваны приблизить характеристику преобразования к линейной и широко применяются в качестве рабочих и эталонных средств измерения.

Механические динамометры применяют только для измерения статических сил. Деформацию чувствительного элемента (0,1 – 2 мм) измеряют индикатором часового типа или индикаторной головкой. Механические динамометры выпускаются серийно для нагрузок до 10 МН. Класс точности достигает 0,1 – 2 %.

Для упругих элементов большой жесткости (стержневых) применяют тензорезисторные и струнные преобразователи деформации в электрический сигнал. При малой жесткости (кольцевые, упругие балочные элементы) применимы емкостные, индуктивные и другие преобразователи.

Среди электрических динамометров наибольшее значение имеют тензорезисторные. Диапазон их применения от 5 Н до 10 МН и более. Чувствительный элемент таких динамометров выполняют в виде стержня, трубы, радиально нагруженного кольца, сдвоенной балки, консольной торсионной балки и др. Наклеенный на чувствительный элемент тензорезистор регистрирует деформации растяжения – сжатия, изгиба, кручения, среза. Тензорезисторные динамометры пригодны как для статических, так и для динамических измерений.

В струнных динамометрах применяют струнный тензометр. Чувствительным элементом является ферромагнитная струна, расположенная вдоль оси упругого полого цилиндра и связанная с ним двумя плоскостями. При приложении к цилиндру нагрузки вследствие его деформации одновременно меняется натяжение струны и частота её колебаний, возбуждаемых электромагнитом. Собственная частота колебаний влияет на значение напряжения на выводах измерительной катушки и является мерой нагрузки. Диапазон сил от 200 Н до 5 МН. Класс точности 1 %.

При измерении больших нагрузок (до 50 МН) находят применение магнитоупругие преобразователи.

В основе магнитоупругих динамометров – ферромагнитные материалы (например, железоникелевые сплавы), которые изменяют свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на них силы растяжения или сжатия. Магнитоупругий динамометр может быть выполнен в виде катушки с замкнутым сердечником из магнитомягкого материала. Изменение индуктивности, возникающее при нагружении, может быть измерено электрическими методами (рис. 62). Класс точности магнитоупругих динамометров от 0,1 до 2%.

Рис. 62. Схема включения магнитоупругого динамометра

Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения динамических и квазистатических сил (непригодны для статически сил). Класс точности 1%.

Действие силы может быть преобразовано в изменение давления (гидравлические динамометры). Гидравлическая система измерения сил включает воспринимающее устройство с полностью замкнутой камерой и показывающий прибор. Сила, действующая на поршень, создает давление. В качестве показывающего прибора принципиально могут быть применены все измерители давления (манометры). Чаще всего используют механические приборы. Номинальные силы от 200 Н до 20 МН. Класс точности 1 – 2 %.

Погрешности динамометров обусловливаются следующими причинами: нелинейностью характеристики преобразования, её воспроизводимостью, гистерезисом, температурной зависимостью чувствительности и положения нуля, ползучестью (упругое последействие).

Основные параметры и размеры динамометров общего назначения, пружинных со шкальным и цифровым отсчётным устройством, предназначенных для измерений статических растягивающих усилий, устанавливает ГОСТ 13837 «Динамометры общего назначения. Технические условия».

Пределы измерения динамометров, предусмотренные стандартом: наибольший от 0,10 до 500 кН, наименьший - 0,1 от наибольшего предела.

ГОСТ 13837-79 предусматривает изготовление динамометров классов точности 0,5, 1 и 2. Класс точности определяется пределом допускаемой основной погрешности динамометра, представленным в виде приведенной погрешности. Нормирующее значение при этом равно наибольшему пределу измерений.

Пределы дополнительной погрешности динамометров, вызванной изменением температуры окружающей среды, в рабочем диапазоне температур, отличных от температуры нормальных условий, составляют: не более 0,5 основной погрешности на каждые 10 °С - для динамометров 1-го класса; не более 0,25 основной погрешности на каждые 10 °С - для динамометров 2-го класса.

Для градуировки, поверки и калибровки преобразователей силы используют силоизмерительные машины/установки а также средства измерений, в состав которых входят эталонные динамометры и силозадающие устройства (прессы). По функциональному назначению перечисленные устройства относятся к мерам силы.

Силоизмерительные машины/установки позволяют воспроизводить любые значения силы в установленном диапазоне или ряд дискретных значений.

В зависимости от конструктивной реализации различают машины непосредственного нагружения, силоумножающие установки (рычажные, гидравлические и клиновидные) и установки деления силы.

Непосредственное нагружение реализуется с помощью грузов и гравитационной силы Земли.

Создание силоумножающих установок обусловлено тем, что при больших значениях силы непосредственное нагружение приводит к увеличению погрешностей и металлоемкости, большим экономическим издержкам. Однако и в силоумножающих установках значение силы изначально задается с помощью грузов, которое затем увеличивается с помощью неравноплечих рычагов (до 1МН), поршневых пар разных эффективных площадей (до 10 МН) или эффекта клина (до 5 МН?).

Для уменьшения силы могут быть использованы те же конструктивные решения, что и для увеличения, но с передаточным отношением меньше 1. Однако такое решение экономически не выгодно и имеет ограниченные функциональные возможности. Наиболее приемлемым решением для деления силы является устройство с изменением угла наклона оси цилиндрической массы, взвешенной в аэростатическом подвесе (рис.63).

Рис. 63.

В качестве силозадающих устройств применяют винтовые, рычажные, гидравлические, электромеханические и т.п. прессы. Одно из основных требований к силозадающим средствам – постоянство задаваемого значения силы во времени.

Измерение массы. При взвешивании гравитационную силу сравнивают с известной силой, создаваемой следующими способами:

-грузом известной массы (классический метод);

-растяжением/сжатием пружины (пружинные весы)

-деформированием жестких упругих элементов (деформации измеряют электрическими методами (электромеханические весы);

-пневматическим или гидравлическим устройством (измеряют давление воздуха или жидкости);

-электродинамически при помощи соленоидной обмотки, находящейся в постоянном магнитном поле (измеряемой величиной является ток);

-погружением тела в жидкость (глубина погружения зависит от массы тела).

В этой связи различают весы механические (рычажные, пружинные, поршневые), электромеханические (с емкостными, тензорезисторными, индуктивными и пьезоэлектрическими преобразователями перемещений или деформаций), оптико-механические (с зеркальным или интерференционным указательным устройством), радиоизотопные (абсорбционные и рассеянного излучения). Основное применение находят механические и электромеханические весы.

Требования к весам для статического взвешивания устанавливает ГОСТ 29329 – 92.

Весы для статического взвешивания классифицируют по следующим признакам.

По области применения (эксплуатационному назначению) весы подразделяют на: вагонные; вагонеточные; автомобильные; монорельсовые; крановые; товарные; для взвешивания скота; для взвешивания людей; элеваторные; для взвешивания молока; багажные; торговые; медицинские; почтовые.

По точности взвешивания весы по точности разделяют на 4 класса: 1 класс - весы специальной точности; 2 класс - высокой точности; 3 класс - средней точности; 4 класс - обычной точности. Стандарт ГОСТ 29329 – 92 распространяется на весы неавтоматического действия среднего и обычного классов точности.

По способу установки на месте эксплуатации весы подразделяют: встроенные, врезные (врезные весы – передвижные весы, платформа которых находится на одном уровне с полом помещения), напольные, настольные, передвижные, подвесные, стационарные.

По виду уравновешивающего устройства различают весы: механические, электромеханические (электронные - термин «Электронные весы» применим к настольным весам).

Механические весы - весы, в которых уравновешивание силы тяжести осуществляется с помощью различных механизмов. Различают весы гирные, пружинные, гидравлические, пневматические. Весы, в которых передаточным устройством является рычаг или система рычагов называют рычажными.

Электромеханические весы - весы с уравновешивающим устройством в виде преобразователя, в котором сила тяжести преобразуется в электрический сигнал.

По виду грузоприемного устройства различают весы: бункерные, монорельсовые, ковшовые, конвейерные, крюковые, платформенные.

По способу достижения положения равновесия различают весы: с автоматическим уравновешиванием, с полуавтоматическим уравновешиванием, с неавтоматическим уравновешиванием.

В зависимости от вида отсчетного устройства различают весы: с аналоговым отсчетным устройством (циферблатные и шкальные), с дискретным отсчетным устройством (цифровые).

Стандартом ГОСТ 29329-92 предусмотрены следующие основные характеристики весов.

Цена поверочного деления е - условное значение, выраженное в единицах массы и характеризующее точность весов.

Цена поверочного деления для класса точности «средний» 0,1 г ≤ е ≤ 2 г при числе поверочных делений n = 100…10000 и е≥5 г при n = 500…10000; для класса точности «обычный» е≥5 г при n = 100…1000. (n - число поверочных делений, определяемое как отношение наибольшего предела взвешивания весов к цене поверочного деления).

Значения цены поверочного деления (е), цены деления шкалы (d) и дискретности отсчета (d_d) в единицах массы выбирают из ряда: 1×10^а; 2×10^а и 5×10^а, где а - целое положительное, целое отрицательное числа или нуль. Цена поверочного деления весов без вспомогательного отсчетного устройства должна соответствовать цене деления шкалы для весов с аналоговым отсчетным устройством и дискретности отсчета для весов с цифровой индикацией.

Значение цены деления или дискретности отсчета массы, а также значение цены поверочного деления указывают на весах или в эксплуатационной документации на них.

Наибольший (НПВ) и наименьший (НмПВ) пределы взвешивания весов – наибольшее и наименьшее значения массы, при которых обеспечивается соответствие весов требованиям нормативных документов.

Наибольший предел взвешивания весов (НПВ), предусмотренный ГОСТ 29329-92, составляет от 200 г до 500 т (ряд значений НПВ не соответствует рядам предпочтительных чисел).

Наименьший предел взвешивания - для класса точности средний принимают равным 20·е; для класса точности обычный - 10·е. Где е – цена поверочного деления.

Пределы допускаемой погрешности весов нормируют в зависимости от НмПВ и класса точности и составляют от 0,5∙е до 1,5∙е при первичной поверке на предприятиях: изготовителе и ремонтном. При эксплуатации и после ремонта на эксплуатирующем предприятии - от 1,0∙е до 2,5∙е. Пределы допускаемой погрешности устройства установки на нуль - ± 0,25 е.

Различают следующие типы рычажных весов для измерения массы: лабораторные (аналитические, квадрантные, электронные, равноплечие), настольные циферблатные, счетные коромысловые, платформенные передвижные (шкальные, циферблатные, почтовые).

Принцип действия рычажных весов состоит в уравновешивании момента, создаваемого гравитационной силой от измеряемой массы, моментом силы тяжести гири или груза.

В рычажных весах реализованы следующие варианты преобразователей:

-с переменной уравновешивающей массой: рычаг со шкалой и гирями; рычаг с накладными гирями;

-с переменной длиной рычага: рычаг с передвижными гирями; рычаг с роликовым грузом;

-с переменным углом отклонения: квадрант; противовес.

Требования к параметрам весов рычажных общего назначения устанавливает ГОСТ 14004.

В зависимости от наибольшего предела взвешивания весы общего назначения делят на три группы: -настольные (до 50 кг); -передвижные и врезные (50 – 6000 кг); -стационарные (вагонные, автомобильные, элеваторные) (от 5000 до 200000 кг).

Наименьший предел взвешивания 20 d (d-цена деления шкалы) для настольных весов и 5% от P_max для остальных.

Рычажные весы применяют совместно с гирями, которые в зависимости от назначения подразделяют на гири общего назначения, эталонные и специального назначения. В последнюю группу входят гири рейтерные (применяются для повышения точности отсчета лабораторных весов), условные гири (предназначены для комплектации весов и других устрой с отношением плеч рычажной системы 1:100), гири, встроенные в весы, и гири, применяемые в технологических весах и дозаторах.

Конструктивно гири общего назначения выполняют в виде проволочки, многоугольной пластины (треугольной, квадратной или пятиугольной), цилиндра с головкой, параллелепипеда. Номинальное значение массы гири принимают из ряда значений 1·10ⁿ, 2·10ⁿ, 5·10ⁿ (n - любое целое положительное или отрицательное число). Стандарт ГОСТ 7328 – 2001 «Гири. Общие технические условия» предусматривает выпуск гирь массой от 1 мг до 5000 кг. В зависимости от допуска на изготовление гирям присваивают классы точности: Е₁, Е₂, F₁, F₂, М₁, M₂, M₃ (в порядке уменьшения точности). Гири могут поставляться в виде наборов, состав которых формируется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 7328 – 2001.

Пример условного обозначения в документации гири массой 500 г класса точности F₁: Гиря 500 г F₁ ГОСТ 7328-2001. Набор гирь: Набор (1 мг – 1 кг) Е₂ ГОСТ 7328 – 2001.

В пружинных весах чувствительным элементом является пружина (сжатия, растяжения, спиралевидная и др.), деформация которой пропорциональна силе тяжести. Значение деформации измеряется непосредственно или подвергается дополнительному преобразованию.

В электронных весах в качестве первичного преобразователя находят применение два основных типа датчиков: пьезокварцевые и тензорезисторные.

Отдельную группу составляют весы для взвешивания транспортных средств в движении. Общие технические требования к ним приведены в ГОСТ 30414-96.

Стандарт распространяется на весы, предназначенные для взвешивания в движении или для статического взвешивания и взвешивания в движении следующих транспортных средств: железнодорожных вагонов (включая цистерны), вагонеток, составов из них, автомобилей, прицепов, полуприцепов (включая цистерны), автопоездов.

Таблица 7. Механические рычажные весы

Погрешность измерения	±0,1	±0,1	±0,5	±0,5	±0,5
Применение	Аналитические,(почтовые, микровесы, бытовые весы, прецизионные)	Платформенные, бункерные, автомобильнве, вагонные, крановые	Платформенные, бункерные, автомобильнве, вагонные,	Сортировочные, настольные, быстродействующие, почтовые	Расфасовочные

В зависимости от конструкции грузоприемного устройства оно может определять нагрузку сразу от всего вагона (вагонетки, автомобиля, прицепа, полуприцепа) или автономно - одновременно или поочередно - от каждой тележки, колесной пары (оси) или от каждого колеса.

В зависимости от нормируемых значений метрологических характеристик весы подразделяют на четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1; 2. Обозначение класса точности соответствует погрешности допускаемой при эксплуатации. При этом в диапазоне от НмПВ до 35% НПВ включительно – это приведенная погрешность, нормирующее значение для которой равно 35% НПВ. В диапазоне свыше 35% НПВ до НПВ класс точности определяет относительную погрешность измерения.

При первичной поверке или калибровке допустимые погрешности уменьшают в 2 раза.