Ваги – це незамінні пристрої в найрізноманітніших сферах нашого життя: від кухонних терезів до промислових платформних ваг, від медичних аналізаторів складу тіла до високоточних лабораторних інструментів. Всі вони виконують одну фундаментальну функцію – вимірюють масу або вагу об'єкта. Але як саме вони це роблять? Які фізичні принципи лежать в основі їхньої роботи? У цій статті ми детально розглянемо різні типи ваг та механізми, що забезпечують точне зважування.

Історично перші ваги були механічними. Простий важіль із двома чашами, відомий ще з давніх часів, використовував принцип порівняння невідомої маси з відомими еталонами. Розміщуючи об'єкт на одній чаші та калібровані гирі на іншій, можна було досягти рівноваги та визначити масу об'єкта. Цей принцип залишається актуальним і сьогодні в деяких типах механічних ваг, хоча електронні ваги набули значно більшого поширення завдяки своїй зручності, точності та розширеним функціональним можливостям.

Сучасні ваги використовують різноманітні технології для вимірювання ваги, які можна умовно поділити на кілька основних категорій:

1. Механічні ваги (пружинні):

Пружинні ваги є одним з найпростіших типів механічних ваг. Їхній принцип роботи ґрунтується на законі Гука, який стверджує, що сила пружності, що виникає в деформованій пружині, прямо пропорційна величині її деформації.

Коли об'єкт розміщується на платформі пружинних ваг, його вага створює силу, яка стискає або розтягує одну або кілька пружин. Величина деформації пружини пропорційна прикладеній силі (вазі об'єкта). Ця деформація механічно передається на стрілку або індикаторну шкалу, яка показує значення ваги.

Пружинні ваги відносно прості та недорогі у виробництві, не потребують джерела живлення, але їхня точність може бути нижчою порівняно з електронними вагами, особливо при тривалому використанні через втомлюваність пружин. Вони часто використовуються для зважування багажу, в простих кухонних терезах або в деяких промислових застосуваннях, де висока точність не є критичною.

2. Електронні ваги (тензометричні):

Більшість сучасних ваг, від побутових до промислових, є електронними та використовують тензометричні датчики (load cells) як основний елемент вимірювання сили. Тензометричний датчик – це перетворювач сили в електричний сигнал.

Принцип роботи тензометричного датчика базується на зміні електричного опору тонких металевих провідників (тензорезисторів), які наклеєні на пружний елемент (зазвичай металеву балку або кільцеву структуру). Коли на платформу ваг діє сила (вага об'єкта), пружний елемент деформується, що призводить до розтягування або стискання тензорезисторів.

Розтягування тензорезистора збільшує його довжину та зменшує площу поперечного перерізу, що призводить до збільшення його електричного опору. Стискання, навпаки, зменшує довжину та збільшує площу поперечного перерізу, що призводить до зменшення опору.

Тензорезистори зазвичай з'єднуються в електричну схему, відому як міст Уітстона. При деформації пружного елемента опір тензорезисторів змінюється, що призводить до розбалансування моста Уітстона та появи вихідної напруги. Величина цієї напруги прямо пропорційна прикладеній силі (вазі об'єкта).

Вихідний аналоговий сигнал від тензометричного датчика підсилюється, обробляється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) і потім відображається на цифровому дисплеї у вигляді значення ваги. Електронні ваги з тензометричними датчиками забезпечують високу точність, стабільність та надійність вимірювань. Вони також легко інтегруються з мікроконтролерами та іншими електронними компонентами для реалізації додаткових функцій, таких як тарування, обнулення, утримання показань, передача даних тощо.

3. Електромагнітні компенсаційні ваги (EMFC):

Електромагнітні компенсаційні ваги є одним з найточніших типів електронних ваг, що використовуються переважно в лабораторних та аналітичних цілях, де потрібна надзвичайна прецизійність.

Принцип їхньої роботи ґрунтується на компенсації сили тяжіння об'єкта електромагнітною силою. Зважуваний об'єкт розміщується на платформі, яка з'єднана з котушкою, що знаходиться в магнітному полі постійного магніту. Вага об'єкта створює силу, яка намагається змістити котушку вниз.

Спеціальна електронна система контролює положення котушки за допомогою оптичного сенсора. Будь-яке зміщення котушки призводить до зміни сигналу від сенсора, який передається на керуючий блок. Керуючий блок регулює силу струму, що протікає через котушку, таким чином створюючи електромагнітну силу, яка протидіє силі тяжіння об'єкта та повертає котушку в її початкове положення.

Величина струму, необхідного для компенсації ваги об'єкта, прямо пропорційна його масі. Цей струм точно вимірюється та перетворюється на цифрове значення ваги, яке відображається на дисплеї.

Електромагнітні компенсаційні ваги мають дуже високу точність, роздільну здатність та швидкість зважування. Вони також відрізняються високою стабільністю показань.

4. Інші типи ваг:

Крім вищезгаданих, існують й інші типи ваг, які використовуються в специфічних застосуваннях:

Гідравлічні ваги: Використовують тиск рідини для вимірювання сили. Застосовуються для зважування дуже великих навантажень, наприклад, у промисловості та будівництві.

Пневматичні ваги: Аналогічні гідравлічним, але використовують стиснене повітря.

П'єзоелектричні ваги: Використовують п'єзоелектричний ефект, при якому певні кристали генерують електричний заряд під дією механічної сили. Застосовуються в деяких сенсорних системах.

Ємнісні ваги: Використовують зміну ємності конденсатора під дією прикладеної сили. Застосовуються в деяких типах кухонних та лабораторних ваг.

Калібрування та точність ваг:

Незалежно від принципу роботи, для забезпечення точності показань ваги потребують регулярного калібрування. Калібрування – це процес порівняння показань ваг з еталонними гирями відомої маси та внесення необхідних корекцій.

Процес калібрування може бути ручним або автоматичним (вбудована функція самокалібрування). Регулярне калібрування допомагає компенсувати знос механічних компонентів, зміни чутливості сенсорів, вплив навколишнього середовища (температури, вологості) та інші фактори, які можуть впливати на точність вимірювань.

Висновки:

Сучасні ваги є складними інженерними пристроями, в основі роботи яких лежать різноманітні фізичні принципи. Від простих механічних пружинних ваг до високоточних електронних ваг з електромагнітною компенсацією, кожна технологія має свої переваги та недоліки, визначаючи сферу її застосування. Розуміння принципів роботи різних типів ваг, а також важливості їхнього регулярного калібрування, є ключовим для забезпечення точних та надійних вимірювань у будь-якій галузі, де використовується зважувальне обладнання. Постійний розвиток сенсорних технологій та мікроелектроніки призводить до появи все більш точних, надійних та функціональних ваг, які відіграють важливу роль у нашому технологічно розвиненому світі.