انواع ترازو های آزمایشگاهی

در این مقاله قصد داریم بطور کامل به شرح انواع ترازو های آزمایشگاهی بپردازیم.

انواع ترازوی آزمایشگاهی

تفاوت‌های عمده‌ای در طراحی، اساس کار و اهداف اندازه‌گیری در ترازو ها وجود دارد. در حال حاضر، ترازوها به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند:

1. ترازوی مکانیکی
2. ترازوی الکترونیکی (دیجیتال)

1) ترازوی مکانیکی

ترازو آزمایشگاهی مکانیکی

نگهداری ترازوی آزمایشگاهی مکانیکی

نگهداری انواع ترازو های آزمایشگاهی مکانیکی بطور معمول در زیر خلاصه شده است:

تواتر: روزانه

• اطمینان از تراز بودن ترازو
• تنظیم صفر دستگاه
• اطمینان از حساسیت دستگاه
• تمیز بودن کفه یا صفحه توزین

تواتر: سالانه

• ترازو را کالیبره کرده و مراحل را ثبت نمایید.
• قطعات داخلی ترازو را باز و تمیز نمایید. این مراحل باید طبق دستورالعمل سازنده انجام پذیرد و یا شرکت‌های خاص مسئولیت انجام این کار را عهده‌دار باشند.

2) ترازوی الکترونیکی (دیجیتال)

ترازو آزمایشگاهی الکترونیکی

انواع ترازو آزمایشگاهی مکانیکی

ترازوهای زیر از ترازوهای متداول مکانیکی هستند:

1) ترازوی فنری (Spring Balance)

این مدل از انواع ترازوی آزمایشگاهی بر اساس خاصیت مکانیکی فنر کار می‌کند. نیروی وارد شده روی فنر متناسب با ضریب ثابت کشسانی (K) فنر ضربدر طول فنر (X) است (F=-KX). اگر وزن ماده (m) زیاد باشد، با در نظر گرفتن این که طول فنر متناسب با ضریب ثابت کشسانی فنر است، طول فنر بیشتر خواهد شد. کالیبراسیون ترازوی فنری به نیروی جاذبه وارد شده روی ماده مورد اندازه‌گیری بستگی دارد. در واقع از این نوع از انواع ترازو های آزمایشگاهی زمانی که نیازی به دقت زیادی نیست، کاربرد دارد.

ترازوی فنری

2) ترازو با وزنه لغزشی (Sliding Weight Balance)

نوع دیگری از انواع ترازوی آزمایشگاهی ترازو با وزنه لغزشی می‌باشد که به دو نوع وزنه مشخص مجهز است که می‌تواند روی مقیاس انتخابی حرکت کند (یکی میکرو و دیگری ماکرو). وقتی یک ماده با وزن نامشخص روی کفه ترازو قرار داده می‌شود، وزن آن با تنظیم هر دو مقیاس و متعادل‌شدن آن تعیین می‌گردد. در این حالت، وزن برابر با مجموع اعداد هر دو مقیاس است.

ترازو با وزنه لغزشی

3) ترازوی آنالیتیک (Analytical Balance)

نحوه کار این مدل از انواع ترازوی آزمایشگاهی، مقایسه وزنه‌هایی با جرم معین و با وزن‌های نامشخص است. این ترازو از یک پایه در وسط و یک بخش مسطح و قرینه که با تیغه‌ای به نام شاهین پشتیبانی می‌شود، تشکیل شده است. در انتها، کابل‌ها قرار دارند که با همان تیغه پشتیبانی می‌شوند و به آرامی و یکنواخت تاب می‌خورند. به انتهای کابل‌ها دو کفه متصل است.

وزنه‌های معتبر (Certified Weights) در یک کفه و ماده مورد اندازه‌گیری در کفه دیگر قرار داده می‌شود. ترازو یک قفل ایمنی دارد و زمانی که مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و یا وزنه‌های تعادلی باید میزان شوند، سبب پایداری اهرم شاهین می‌شود. ترازوهای آنالیتیک از انواع ترازو های آزمایشگاهی هستند که می‌توانند تا ده هزارم (0/0001) گرم یا صد هزارم (0/00001) گرم را اندازه‌گیری کنند و تا وزن 200 گرم ظرفیت (Capacity) دارند.

ترازوی آنالیتیک

برخی از انواع ترازو های آزمایشگاهی؛ از محصولات آذین:

ترازوی دیجیتال با دقت ۰.۰۱ گرم – ۶۲۰ گرم

ترازوی دیجیتال دو نمایشگره با دقت 0.001 تا 320g

ترازوی دیجیتال با دقت ۰.۰۰۰۱ گرم – ۲۱۰ گرم

در اختیار داشتن مجموعه‌ای از وزنه‌های معتبر برای کنترل ترازو ضروری است. معمولاً این مجموعه از وزنه‌های زیر تشکیل یافته است:

4) ترازو با صفحه فوقانی (با بارگذاری زیاد / ترازو با کنترل موازی)

در این نوع از انواع مختلف ترازو های آزمایشگاهی که به انگلیسی Upper plate balance (Top loading or parallel guidance) هم گفته می‌شود، کفه ترازو در قسمت بالای آن نصب شده است و بوسیله یک میله پشتیبان به اتصالات موازی تاشو وصل می‌باشد. نیروی وارد شده بوسیله ماده مورد اندازه‌گیری از این میله بصورت مستقیم یا مکانیکی به کفه ترازو منتقل می‌شود. این مدل محبوب از انواع مدل‌های ترازوی آزمایشگاهی، در اتصالات موازی باید دقت 1± میکرومتر را داشته باشد. در غیر این صورت، خطایی به نام خطای بار جانبی (Lateral Load) ایجاد می‌شود (با قرار گرفتن ماده مورد اندازه‌گیری و قرائت در مرکز یا روی یکی از لبه‌ها اختلاف‌هایی در قرائت را نشان خواهد داد).

ترازو با کنترل موازی

5) ترازوی یک کفه ای (دو تیغه ای)

از انواع دیگر ترازوی های آزمایشگاهی ترازوی یک کفه ای است که همانطور که از نامش نیز پیداست، این ترازو یک کفه دارد و به زبان انگلیسی به آن Substitution Balance (Unequal-lever arm or twoknife Balance) نیز می‌گویند. ماده مورد اندازه‌گیری (وزن مشخص) روی کفه ترازو قرار داده می‌شود و در سمت وزنه متعادل‌کننده جرم‌های مشخص طوری جابجا می‌شوند تا ترازو دوباره به حالت تعادل برسد و وزن آن خوانده شود. این عمل با استفاده از یکسری دندانه‌های مکانیکی صورت می‌گیرد. شاهین ترازو معمولاً در مرکز آن نیست و متمایل به قسمت جلوی ترازو است.

وقتی ماده‌ای روی کفه ترازو قرار داده شده و اهرم ترازو آزاد می‌شود، حرکت شاهین از طریق یک سیستم نوری به صفحه نمایش در قسمت جلوی ترازو منتقل می‌شود. این مدل از انواع ترازوی آزمایشگاهی استفاده گسترده‌ای در میان متخصصان افراد عادی دارد.

ترازوی یک کفه ای

از محصولات آذین – در دسته انواع ترازو های آزمایشگاهی:

ترازوی آزمایشگاهی یک کفه ای سه اهرمی

ترازوی دو کفه ای آزمایشگاهی 200 گرمی و 500 گرمی

آیا ترازوی یک کفه ای من صحیح کار می کند؟

مراحل مورد استفاده برای تصدیق عملکرد یک ترازوی مکانیکی (نوع یک کفه ای) به شرح زیر می‌باشد:

1. از تراز بودن ترازو اطمینان حاصل نمایید. این کار با تنظیم پیچ قسمت پایه ترازو و یا با تنظیم شارژ داخل حباب روی ترازو در قسمت جلو امکان‌پذیر است.
2. سیستم صفر دستگاه را کنترل کنید. پیچ کنترل را روی صفر قرار داده و اهرم ترازو را آزاد نمایید. اگر سیستم روی صفر ثابت نیست، با استفاده از پیچ افقی نزدیک شاهین ترازو آن را تنظیم نمایید. این کار را تا زمانی ادامه دهید که صفحه نمایش صفر را نشان دهد.
3. حساسیت دقت ترازو را تنظیم و تایید نمایید. تنظیم مجدد زمانی صورت می‌گیرد که با استانداردهای معین و با توجه به مراحل زیر انجام شود:

• ترازو را قفل نمایید.
• یک وزنه استاندارد روی کفه قرار دهید (برابر با محدوده سیستم نوری ترازو).
• تنظیمات میکرو را روی یک (1) قرار دهید.
• اهرم ترازو را رها نمایید.
• صفر دستگاه را تنظیم نمایید.
• تنظیمات میکرو را روی صفر قرار دهید. ترازو باید 100 را نشان دهد. اگر ترازو کمتر یا بیشتر از 100 را نشان دهد، حساسیت پیچ کنترل باید دوباره تنظیم شود که لازمه آن قفل‌کردن ترازو، باز کردن رویه فلزی و پیچاندن پیچ حساسیت است. اگر ترازو بیشتر از 100 را نشان می‌دهد، پیچ باید در جهت عقربه‌های ساعت و اگر کمتر از 100 نشان می‌دهد، باید در خلاف جهت عقربه‌های ساعت پیچانده شود. این مراحل را زمانی تکرار کنید که ترازو (پیچ صفر و حساسیت) تنظیم شود.

4. محور کفه ترازو را که زیر صفحه و متصل به آن قرار دارد، کنترل کنید. در انواع ترازوی آزمایشگاهی یک کفه‌ای وقتی ترازو قفل است، این محور از حرکت کفه جلوگیری می‌کند. در صورت تراز نبودن، زمانی که ترازو قفل است و استفاده نمی‌شود، محور خیلی کم باید چرخانده شود تا فاصله بین آن و کفه به صفر برسد.

ترازو الکترونیکی (دیجیتال)

یکی از مهمترین انواع ترازوی آزمایشگاهی می‌باشد که بر اساس جبران نیروی الکترومغناطیسی وارد شده در نتیجه جابجایی (گشتاور) کفه ترازو کار می‌کند. صفحه نمایش قرائت وزن را با صحت معین که به نوع ترازوی آزمایشگاهی بستگی دارد، نشان می‌دهد. این ترازوها از اجزای مختلفی ساخته می‌شوند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت …

اجزای ترازوی الکترونیکی

ترازوی الکترونیکی سه قسمت اصلی دارد:

1. کفه توزین: در این مدل از انواع ترازوی آزمایشگاهی، ماده مورد اندازه‌گیری روی کفه ترازو قرار داده می‌شود و فشار یکنواختی به کفه وارد می‌کند. با انتقال این فشار بوسیله اهرم‌ها، حسگرها و اتصالات، وزن ماده به صورت یک نیروی قابل اندازه‌گیری [F] متمرکز و محاسبه می‌شود [F = ∫P∂a].
2. یک ابزار اندازه‌گیری (Load Cell) سیگنالی متناسب با وزن بار ایجاد می‌کند. این سیگنال به صورت تغییر در ولتاژ یا فرکانس نشان داده می‌شود.
3. مدار جریان الکتریکی نتیجه نهایی را روی صفحه نمایش ترازو نشان می‌دهد.

قسمت‌های متحرک (کفه توزین، میله پشتیبان [a] قرقره، موقعیت و نشانگر وزن [G] و ماده مورد اندازه‌گیری) با جبران نیروی وارد شده [F] که برابر با وزن ماده مورد اندازه‌گیری است، در حال تعادل می‌باشد. نیروی [F] در نتیجه عبور جریان الکتریکی از وسط یک قرقره در آهنربای مغناطیسی تولید می‌شود و از فرمول [F=I×L×B] که I: شدت جریان الکتریکی؛  L: طول سیم؛  B: شدت جریان مغناطیسی محاسبه می‌شود.

هر تغییری که در وزن یا جرم باعث حرکت کم و عمودی سیستم‌های متحرک مکانیکی شود با حسگر نوری دریافت [e] و به تقویت‌کننده و تنظیم کننده [f] فرستاده می‌شود. این حالت جهت جریان الکتریکی را که از وسط قرقره آهنربا [c] عبور می‌کند تغییر می‌دهد. در نهایت، در نتیجه تنظیم جریان الکترومغناطیسی سیستم‌های متحرک به حالت تعادل بر می‌گردند. همزمان، می‌توان وزن ماده [G] را به صورت غیر مستقیم اندازه‌گیری کرد. این جریان از وسط مداری می‌گذرد که ولتاژ [V] را با استفاده از فرمول [V=I×R] (Precision Resister) بدست می‌آورد. امروزه، سیستم‌های الکتریکی زیادی برای اندازه‌گیری دقیق وزن طراحی شده‌اند که ترازوی الکترونیکی یکی از انواع این ترازو های آزمایشگاهی است. طرح های زیر عملکرد این ترازوها را نشان می‌دهد.

اجزای ترازوی الکترونیکی

اساس نیروی اعمال شده

کنترل‌های ترازوی الکترونیکی

یک نما از کنترل‌های معمول ترازوی الکترونیکی در شکل زیر نمایش داده شده است. با در نظر گرفتن این نما توجه به نکته‌های زیر اهمیت دارد:

1. عملکردهای بیشتری در این مدل از انواع ترازو های آزمایشگاهی وجود دارد.
2. واحدهای اندازه‌گیری، متنوع و متعدد می‌تواند انتخاب شود.
3. امکان ثبت روز و ساعت اندازه‌گیری وجود دارد.
4. مراحل اندازه‌گیری را می‌توان ثبت و چاپ نمود.
5. انتخاب زبان نیز در انواع ترازو های آزمایشگاهی الکترونیکی امکان‌پذیر است.

سیستم کنترل ترازوی آنالیتیک

عملکرد ترازوهای الکترونیکی

روش کار با انواع ترازوی آزمایشگاهی الکترونیکی بصورت کامل در دفترچه راهنمای ترازو توسط سازنده ذکر شده است. این روش معمولاً شامل مراحل زیر است:

1. اول از همه توصیه می‌کنیم از روش پیشنهادی سازنده در دفترچه راهنما پیروی کنید.
2. در اولین استفاده اجازه دهید ترازو با دمای محیطی که راه‌اندازی شده است به تعادل برسد؛ یعنی اگر دمای داخل کارتن ترازو به دمای اتاق نزدیک است، زمان آمادگی کمتر و در غیر این صورت طولانی خواهد بود.
3. تا گرم شدن (warm-up) ترازو صبر نمایید و سپس اندازه‌گیری را شروع کنید. معمولاً اتصال ترازو به پریز برق برای گرم‌شدن دستگاه کافی است. بعضی سازندگان این زمان را 20 دقیقه توصیه می‌کنند. این زمان برای ترازوهای آنالیتیک کلاس 1 حداقل 2 ساعت پیش از شروع کار است.
4. از کالیبره بودن ترازو اطمینان حاصل نمایید. انواع ترازو های آزمایشگاهی الکترونیکی معمولاً یک روش کالیبراسیون ذخیره شده در حافظه دستگاه توسط کارخانه دارند (تنظیمات پیش فرض) که می‌تواند در صورت نبود وزنه‌های کالیبراسیون استفاده شود. اگر ترازو احتیاج به کالیبراسیون دارد، از وزنه‌های کالیبراسیون به روش پیشنهادی سازنده استفاده کنید. این وزنه‌ها باید با خطای مجاز (Tolerance) “انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM – American Society for Testing and Materials)” مطابقت داشته باشد.

برای اطلاعات عمومی جدول زیر خطای مجاز مورد قبول برای وزنه‌های کلاس 1 انجمن آزمون و مواد آمریکا را نشان می‌دهد.

در همین رابطه بخوانید: نکات مهم استفاده از ترازوی آزمایشگاهی

سیستم پردازش سیگنال

این سیستم از یک مدار تشکیل شده است که سیگنال الکتریکی ساطع شده از ترانسفورماتور را به اطلاعات عددی روی صفحه نمایش تبدیل می‌کند و شامل قسمت‌های زیر است:

1. تنظیم صفر (Tare setting): تنظیم صف باید برای هر بار توزین انجام گیرد. این تنظیم با دکمه‌ای که معمولا در قسمت جلوی ترازو است، انجام می‌شود و برای صفر کردن ظرف توزین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

2. کنترل تکرار پذیری (Repeatability Setting Control): در این روش مقایر اندازه‌گیری شده در انواع ترازو های آزمایشگاهی در مدت زمان معین جمع آوری شده و میانگین خوانده‌ها محاسبه می‌شود. استفاده از این روش زمانی که اعداد در حالت ناپایدار جمع‌آوری می‌شوند، برای مثال در مکانی که جریان هوا و یا ارتعاشات زیادی وجود دارد، بسیار مفید است. این نوع کنترل، زمان لازم برای پایدار ماندن یک خوانده را تعیین می‌کند. همچنین این کنترل در استفاده از روش خاص مناسب است.

3. گرد کردن (Rounding off): به طور معمول ترازوهای الکترونیکی بسیار سریع تر نتایج را پردازش می‌کنند و نتیجه نهایی گرد شده را روی صفحه نمایش می‌دهند.

4. چراغ نشانگر پایداری: وقتی نتایج اندازه‌گیری ثابت شد، این چراغ کم رنگ شده و نتایج قرائت می‌شوند. در مدل‌های دیگر ترازو، این چراغ، نمایش نتیجه روی صفحه را امکان پذیر می‌سازد.

5. مراحل سیگنال الکترونیکی: در این مرحله نتایج نهایی روی صفحه نمایش داده می‌شود. همچنین، ممکن است عملکردهای ویژه دیگر مانند شمارش قطعات، درصد وزنی و اندازه‌گیری وزن اجسام متحرک (مانند حیوانات) و محاسبه‌های مرتبط وزن را نیز در انواع ترازوی آزمایشگاهی داشته باشد. محاسبات بوسیله میکرو پروسسور و براساس دستورالعمل کاربری دستگاه انجام می‌شود.

طبقه بندی ترازوها

“سازمان بین المللی اوزان و مقادیر (International Organization Of Legal Metrology یا به اختصار IOLM)” ترازوها را به 4 گروه تقسیم کرده است:

1. گروه‌های با دقت ویژه
2. گروه‌های با دقت بالا
3. با دقت متوسط
4. با دقت معمولی

در نمودار شکل زیر این طبقه‌بندی نشان داده شده است:

شکل 10- طبقه‌بندی ترازوها بر اساس دقت

این سیستم طبقه‌بندی در انواع ترازو های آزمایشگاهی الکترونیکی، فقط به دو پارامتر مهم اشاره دارد:

1. بیشترین بار (وزن) قابل اندازه‌گیری [Max]
2. تقسیمات روی صفحه نمایش [d]

تعداد تقسیمات از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

n = Max/d – d

این سازمان اصول زیر را به طور قراردادی برای ترازو های آزمایشگاهی می‌پذیرد:

1. اولترامیکروآنالیتیک (Ultra Microanalytics)         d_d=0.1 μg
2. میکرو آنالیتیک (Microanalytics)        d_d=1 μg
3. نیمه آنالیتیک (Semi-Microanalytics)        d_d=0.01 μg
4. ماکرو آنالیتیک (Macroanalytics)        d_d=0.1 mg
5. دقت (Precision)         d_d≥1 mg

تعاریف پایه:

• ASTM

انجمن آزمون و مواد آمریکا

• کالیبراسیون

تنظیم و تعیین صحیح خوانده یک دستگاه با استفاده از یک استاندارد یا میانگین. ترازو با استفاده از وزنه‌های استاندارد کالیبر می‌شود.

• وزنه های معتبر (Certified Masses)

وزنه‌هایی که با خطای مجاز اعلام شده مراکز معتبر همخوانی دارند. کلاس‌های 1 تا 4 وزنه‌ها “انجمن آزمون و مواد آمریکا” وزنه‌های رایج مورد استفاده هستند و باید برای کالیبراسیون معمول (رفرانس الزامی) استفاده شوند.

• دقت (Exatitude)

مجموع همه خطاهای ترازو. محدوده خطای کل نیز نامیده می‌شود.

• هیسترزیس (Hysteresis)

اختلاف در نتایج وقتی که بار روی ترازو افزایش یا کاهش می‌یابد.

• بار جانبی (Lateral Load)

توانایی ترازو که وزن نمونه روی کفه را بدون در نظر گرفتن محل قرارگیری نمونه اعلام کند، بار گوشه‌ای (Corner Load) نیز نامیده می‌شود.

• خطای بار جانبی

اختلاف در نتایج وزن نمونه وقتی که نمونه در قسمت های مختلف کفه ترازو قرار داده می‌شود، برای مثال در مرکز صفحه یا در لبه‌ها.

• خطای خطی

تفاوتی که با بیشتر در وزن در کفه ترازو تا زمانی که به حداکثر ظرفیت برسد، یا برعکس در زمان استفاده از ترازو مشاهده می‌شود. اختلاف مشاهده شده بین خوانده‌های بدست آمده و ارزش ریاضی (واقعی) بعنوان غیرخطی بودن نتایج تفسیر می‌شوند.

• خطی بودن

توانایی ترازو در بدست آوردن نتایج صحیح وزن در طی زمان اندازه‌گیری. نمودار خط راست نشان دهنده خطی و در تراز بودن ترازو است. به منظور تعیین خطای خطی بودن یک ترازو، وزنه‌های معتبر باید استفاده شوند. این مراحل خطای خطی را با خواندن وزن وزنه‌های معتبر و بدون آنها تعیین می‌کند. اختلاف بین خوانده‌ها محاسبه خطای خطی را امکان‌پذیر می‌سازد.

• جرم

مهمترین پارامتری که در استفاده از انواع ترازوی آزمایشگاهی باید به آن دقت کنیم. جرم از خواص فیزیک مواد که به مقدار بستگی دارد و واحد ان کیلوگرم است. در فیزیک، دو کمیت وجود دارد که به آن “جرم” اطلاق می‌شود:

1. جرم گرانشی (Gravitational Mass): که اثر متقابل اندازه‌گیری وزن در میدان جاذبه است. در مقایسه با جرم بزرگ، اگر جرم کوچک باشد نیروی ضعیفی را تحمل می‌کند.
2. جرم اینرسی (Intertial Mass): که اندازه‌گیری عددی از اینرسی یک ماده است، در واقع مقاومت ماده در نتیجه شتاب است. واحد جرم کیلوگرم است.

• OIML

سازمان بین المللی اوزان و مقادیر (در متن هم به آن اشاره گردید!)

• حساسیت (دقت) Sensitivity

کمترین مقداری که ترازو توانایی اندازه‌گیری آن را داد یا کمترین مقداری که ترازو با دقت اندازه‌گیری می‌کند.

• خطای حساسیت (دقت)

خطای ثابت در حین اندازه‌گیری و در محدوده اندازه‌گیری و یا در حد ظرفیت ترازو.

• قابلیت ردیابی (Traceability)

قابلیتی که مقدار اندازه‌گیری شده بوسیله یک دستگاه را می‌تواند به استانداردهای تعریف شده نسبت دهد.

***

تجهیزات آزمایشگاهی آذین افتخار دارد که با فروش ترازوی آزمایشگاهی در انواع مدل‌های مختلف را ارائه می‌نماید. برای خرید ترازوی آزمایشگاهی با دقت‌های اندازه‌گیری گوناگون و در برندهای مختلف می‌توانید با شماره‌های 02166578892 و 02166572995 تماس بگیرید. همکان ما در بخش فروش شما را راهنمایی خواهند کرد.