Средние значения плотности древесины

Порода	Плотность, кг/м^3 (при влажности 12)
Акация белая
Граб
Груша
Дуб
Клен
Ясень обыкновенный
Бук
Лиственница
Вяз
Береза
Орех грецкий
Ольха
Сосна обыкновенная
Осина
Липа
Тополь
Ива
Ель
Кедр (сосна кедровая)
Пихта сибирская

 

В различных отраслях сельского хозяйства, промышленности, в медицине, в ювелирном деле, на транспорте стали применять весы самых разнообразных конструкций для взвешивания конкретных видов продукции (в сельском хозяйстве, например, зерна, корнеплодов, яиц и т.д.; на транспорте – автомобилей, железнодорожных вагонов, самолетов; в промышленности – от мельчайших деталей и узлов в точном приборостроении до многотонных слитков в металлургии). Для научных исследований разработаны конструкции высокоточных весов.

1.3.7. Для каждых весов существует максимальная масса, которую они в состоянии измерить. Она определена в документации прибора и часто приводится на его корпусе. Этот максимальный вес называется наибольшим пределом взвешивания (НПВ). Любые весы имеют ограничение и на минимальную массу, которую они могут измерить. Она называется наименьшим пределом взвешивания (НмПВ).

1.3.8. На практике применяется большое число различных по конструкции и принципу работы весов. Так, из-за простоты конструкции и невысокой стоимости до сих пор широко используются чисто механические пружинные и коромысловые или рычажные весы (рис. 1.1). У них взвешивание происходит благодаря взаимодействию системы рычагов и грузов (пружин), а отображение информации о взвешиваемом грузе – благодаря перемещению стрелки, механически связанной с системой рычагов.

Действие рычажных весов основано на законе равновесия рычага. Точка опоры рычага («коромысла» весов) может находиться посередине (равноплечные весы) или быть смещенной относительно середины (неравноплечные и одноплечные весы). Многие рычажные весы (например, торговые, автомобильные, порционные и др.) представляют собой комбинацию рычагов первого и второго рода. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из специальных сталей или твердого камня (агат, корунд). На равноплечных рычажных весах взвешиваемое тело уравновешивается гирями.

Цена деления s шкалы рычажных весов определяется формулой:

s = k (r P₀ / Lg),

где k - коэффициент, зависящий только от разрешающей способности отсчетного устройства; r - расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения; P₀ - вес коромысла со стрелкой; L - длина плеча коромысла; g - ускорение свободного падения.

Цену деления, а следовательно, и чувствительность весов можно в определенных пределах изменять (обычно за счет перемещения специального грузика, изменяющего расстояние r).

Рис. 1.1. Внешний вид механических рычажных весов:
1- настольные циферблатные весы РН-10Ц13У; 2 - механические
торговые весы РН-6Ц13У; 3 - товарные шкальные весы РП-1Ш13;
4 - платформенные шкальные весы; 5 - автомобильные весы

 

В ряде рычажных весов измеряемая нагрузка компенсируется силой электромагнитного взаимодействия - втягиванием железного сердечника, соединенного с плечом коромысла, в неподвижный соленоид. Сила тока в соленоиде регулируется электронным устройством, приводящим весы к равновесию. Измеряя силу тока, определяют пропорциональную ей нагрузку. Подобного типа весы приводятся к положению равновесия автоматически, поэтому их применяют обычно для измерений изменяющихся масс (например, при исследованиях процессов окисления, конденсации и др.), когда неудобно или невозможно использовать обычные весы. Центр тяжести коромысла совмещен в этих весах с осью вращения.

Конструкция настольных циферблатных весов РН-10Ц13У (1) основана на одновременном действии двух рычагов первого рода – коромысла (сдвоенного, дугообразного, равноплечего рычага) и квадранта (неравноплечего рычага с противовесом). Такое сочетание позволяет с использованием гирь взвешивать на весах товары, имеющие массу, превышающую предельное значение шкалы циферблата.

Механизм весов РН-6Ц13У (2) собран на опорной плите с винтовыми ножками. Имеет жидкостный уровень, ограничители колебаний рычага, две опорные стойки. Свободно вращающиеся винтовые ножки могут быть зафиксированы контргайками после достижения горизонтальной установки весов. На опорные стойки опирается сдвоенный, дугообразный равноплечий рычаг. По концам рычага расположены грузоприемные призмы, служащие опорой для цилиндров товарной и гирной площадок. С цилиндрами жестко соединены две штанги. Весы имеют циферблат с двух сторон (для покупателя и продавца). Штанга товарной площадки с помощью тяги соединена с квадрантом, на котором имеется две жестко закрепленные стрелки и тарировочный груз (служит для регулировки начального положения стрелок). При наложении груза на товарную площадку квадрант поворачивается на соответствующий угол и одновременно с ним, параллельно обеим шкалам циферблата, перемещаются стрелки, указывающие массу товара. При снятии нагрузки противовес возвращает стрелки и все подвижные части весов в исходное положение.

В цилиндре под гиревой площадкой находится тарировочная полость с мелкими предметами (балластом) для приведения ненагруженных весов в положение равновесия (тарирование). Под товарной площадкой укреплен масляный успокоитель колебаний рычажного механизма и стрелок весов. При правильной регулировке успокоителя стрелки совершают два-три периода колебаний.

Товарные шкальные весы РП-1Ш13 (3) отличаются от шкально-гирных отсутствием гиредержателя и наличием двух шкал – основной и дополнительной. Основная шкала нанесена на поверхность коромысла, дополнительная – на линейку, которая находится выше коромысла и жестко с ним соединена. Обе шкалы имеют передвижные встроенные гири, при помощи которых происходит уравновешивание груза. При уравновешивании коромысло принимает устойчивое положение, параллельное поверхности земли. Первоначально коромысло пытаются уравновесить, перемещая груз на основной шкале, а окончательную подгонку производят с помощью груза на дополнительной шкале. Делению основной шкалы обычно соответствует один или несколько килограмм, а дополнительной - более мелкая единица величиной 10-100 г.

Платформенные весы (4, 5) применяют для взвешивания тяжелых и крупногабаритных грузов на разгрузочных площадках, автомобильных рампах и складах магазинов и оптовых баз. Платформенные весы, установленные на постоянном месте эксплуатации таким образом, что их перемещение невозможно без демонтажа, называют стационарными. Они предназначены для взвешивания грузов большой массы и поэтому должны обладать хорошей устойчивостью и прочностью. Механизм стационарных весов монтируется на специальном фундаменте. Он состоит из металлической рамы с настилом. По углам рамы укреплены вертикальные стойки, которыми она опирается на два грузоприемных рычага. Грузоприемные рычаги через систему передаточных рычагов посредством тяги соединены со шкальным или циферблатным отсчетным устройством.

Чувствительным элементом в пружинных весах является спиральная плоская или цилиндрическая пружина, деформирующаяся под действием веса тела. Показания весов отсчитывают по шкале, вдоль которой перемещается соединенный с пружиной указатель. Принимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, т.е. в пружине под действием нагрузки не возникает остаточных деформаций.

1.3.9. В основе принципа действия пружинных весов лежит закон Гука. При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие взаимодействия между атомами и молекулами вещества. Ее называют силой упругости. Простейшими видами деформации являются деформации растяжения или сжатия.

При малых деформациях сила упругости F_упр пропорциональна деформации тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещения частиц тела при деформации:

F_упр = -kx, где х - величина деформации.

Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент k называется жесткостью тела. В системе СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

При растяжении или сжатии пружины возникают упругие силы, которые также подчиняются закону Гука, причем в довольно большом диапазоне изменения длины пружины. В пружинных весах груз растягивает или сжимает (в зависимости от конструкции весов) пружину на величину х. При этом возникает сила упругости F_упр = -kx = -mg, где m - масса действующего на пружину груза, g - ускорение. Рисунок 1.2 иллюстрирует действующие на пружину силы при грузе массой 0,5 кг в динамометре – простейшем устройстве для измерения веса.

На этом же рисунке приведен график зависимости величины деформации (Х) от веса груза (Н). Эта зависимость имеет линейный характер, т.е. при увеличении веса груза в два раза во столько же раз увеличится и деформация х (в данном примере коэффициент жесткости k=2·10² Н/м). Точка на графике показывает, что растяжение пружины на 2,5 см получается при весе груза в 0,5 кг.

 

Рис. 1.2. Принцип работы динамометра

 

При помощи пружинных весов измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных весы градуируется в единицах массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географической широты и высоты над уровнем моря показания пружинных весов зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие свойства пружины зависят от температуры и меняются со временем; все это снижает точность пружинных весов.

Нагрузка, оказываемая на платформу весов, деформирует измерительную пружину, спрятанную внутри, которая и управляет поведением стрелки, перемещающейся вдоль шкалы с делениями. Однако пружина со временем может деформироваться, и весы надо калибровать заново.

1.3.10. Во всех стрелочных весах определенную проблему может составлять считывание показаний. В зависимости от угла зрения на стрелку и измерительную шкалу могут «считываться» разные значения веса.

1.3.11. Электромеханические весы по сути являются некоторой модификацией механических весов. В них также используется механическая система рычагов, призм или пружин. Однако отсчетное устройство является электронным. Результаты измерений обычно отображаются на жидко-кристаллическом дисплее.

1.3.12. В электронных весах (рис. 1.3) груз воздействует на первичный датчик, состоящий из упругого элемента и механически связанного с ним преобразователя деформации в электрический сигнал.

 

Рис. 1.3. Примеры электронных весов

 

Чаще всего используются следующие типы преобразователей:

· пьезокварцевый – действует по принципу изменения частоты кварцевого кристалла, механически связанного с упругим элементом, на который действует сила веса;

· тензометрический (лат. «тензо» – деформация) – действие такого датчика основано на преобразовании деформации упругих элементов в изменение электрического сопротивления.

В современные электронные весы встраивается микропроцессор, который позволяет автоматически подсчитывать стоимость товара, вводить данные со штрих-кода, нанесенного на упаковку товара, из общего веса вычитать вес упаковки, выдавать в конце дня статистические данные по проданным товарам и т.д.

1.3.13. Современные весы – это, как правило, электронные весы. Во многих из них датчики давления выполнены на основе тензорезисторов, действие которых основано на известном явлении тензоэффекта – свойстве материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление. При этом считается, что сопротивление проводника или полупроводника зависит (при неизменном объеме) от его длины L:

R = ρL/S = ρL²/V,

где ρ – удельное сопротивление материала, Ом/см;

S – площадь поперечного сечения, см²;

V – объем, см³.

Таким образом, при механическом воздействии на проводник изменение его сопротивления ∆R/R вызывается изменением его длины ∆L/L, площади поперечного сечения ∆S/S или удельного сопротивления ∆ρ/ρ.

Отношение относительного изменения сопротивления тензорезистора к вызвавшей это изменение относительной деформации называется чувствительностью S_T:

S_T = (∆R/R)/(∆L/L) = 1+2 μ[(∆ρ/ρ)/(∆L/L)],

где μ – коэффициент Пуассона.

1.3.14. Для изготовления тензорезисторов используют металлы: константан, нихром, никель, висмут, а также полупроводники: кремний и германий.

К группе тензочувствительных материалов с S_T = 2,0 принадлежат константан, манганин, нихром и карма. Для прецизионных измерений в большинстве случаев применяется константан с особыми свойствами специально для тензометрии. Применение нихрома рекомендуется прежде всего для диапазона повышенных рабочих температур.

У полупроводниковых материалов значение коэффициента тензочувствительности может быть в пределах 50–200. Так, у кремния с проводимостью р-типа значение S_T достигает 170. Кроме того, кремний имеет наименьший температурный коэффициент сопротивления (т.е. тензодатчики из кремния имеют минимальную погрешность из-за изменений окружающей температуры).

Тензорезисторы выполняют из проволоки, фольги или прямоугольников полупроводникового материала (рис. 1.4, а, б, в соответственно). Тензометрические датчики могут иметь форму столбиков, шайб, пластин. К концам тензоэлемента припаивают (приваривают) медные выводные проводники. Часто тензорезистор приклеивают на деформируемую поверхность.

1.3.15. Тензометрический датчик включается в электрическую цепь (рис. 1.5). При деформации меняется сопротивление датчика и, соответственно, ток в цепи. По величине изменения тока можно судить о весе. Для измерения механических напряжений и давлений обычно используют два, а то и четыре тензорезистора, которые включают в мостовую электрическую цепь.

 

Рис. 1.4. Конструкции тензорезисторов

 

В схеме, представленной на рис. 1.5, при изменении давления меняются сопротивления тензорезисторов R₄ и R₅, вследствие чего изменяются токи и показания вольтметра U_n.

 

Рис. 1.5. Один из вариантов включения тензорезисторов
в электрическую цепь

 

Применение нескольких тензорезисторов увеличивает чувствительность преобразования и обеспечивает температурную стабилизацию параметров цепи. Так, использование двух тензорезисторов, у одного из которых увеличивается, а у другого уменьшается сопротивление, вдвое повышает чувствительность измерительной цепи. При этом температурное изменение сопротивления одного тензорезистора компенсируется противоположным изменением сопротивления другого тензорезистора.

1.3.16. Как правило, современные весы, используемые для взвешивания больших масс (вагонные, автомобильные, крановые и т.п.), имеют тензометрические датчики веса.

На рис. 1.6 показан один из вариантов железнодорожных весов.

Они состоят из грузоприемного устройства, тензометрических датчиков и тензометрического контроллера, а также вычислительного комплекса на базе персональной ЭВМ.

Рис. 1.6. Устройство железнодорожных тензометрических весов

Грузоприемное устройство представляет собой несущую металлическую платформу, на которой установлены железнодорожные рельсы. В грузоприемном устройстве установлены первичные преобразователи сигналов (тензометрические датчики). Принцип работы весов основан на изменении электрического сигнала тензометрических датчиков в зависимости от приложенной нагрузки. Сигналы от датчиков обрабатываются тензометрическим контроллером и передаются в ЭВМ, где с помощью специального программного обеспечения вычисляется вес, который отображается на мониторе.

На рис. 1.7 показана конструкция автомобильных весов.

Рис. 1.7. Устройство автомобильных тензометрических весов:
а и б – внешний вид; в – пример схемы размещения основных узлов

 

Они состоят из грузовой платформы с въездными пандусами, которая установлена на двух грузоприемных модулях-опорах, оборудованных тензорезистивными датчиками силы и электронными блоками регистрации, усиления и преобразования результатов измерений. Последние поступают на вычислительный комплекс на базе ПЭВМ со специальным программным обеспечением, осуществляющим формирование и ведение базы данных о взвешенных грузах, статическую обработку этих данных и оформление отчетных документов.

Существуют автомобильные весы, в которых весоизмерительная платформа представляет собой переносную конструкцию (рис. 1.8). Платформы укладываются на землю и могут попарно соединяться. Взвешивание производится при поочередном (или одновременном в случае соединения) наезде колес на платформу. Питание от сети переменного тока или от аккумулятора.

1.3.17. Гидростатические весы применяют, главным образом, для определения плотности твердых тел и жидкостей. Действие их основано на законе Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости. Таким образом, подсчитав объем вытесненной телом жидкости и зная ее плотность, можно определить вес погруженного в жидкость тела.

 

Рис. 1.8. Весы подкладные автомобильные

 

1.3.18. Гидравлические весы по устройству аналогичны гидравлическому прессу. Отсчет показаний производится по манометру, градуированному в единицах массы.

1.3.19. Весы для высокоточных измерений небольших масс называют лабораторными. На рис. 1.3 показаны одни из наиболее простых электронных лабораторных весов MW-1200 (в средней части рисунка). Они имеют цену деления 0,01 или 0,1 г, диапазон взвешивания 0–120 или 0–1200 г, датчик веса – тензометрический. Весы позволяют производить взвешивание с вычетом веса тары, подсчитывать количество взвешиваемых типовых деталей.

Современные лабораторные весы могут снабжаться рядом устройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями колебаний чашек (воздушными или магнитными); дверцами, при открытии которых почти не возникает потоков воздуха; тепловыми экранами; механизмами наложения и снятия встроенных гирь; автоматически действующими механизмами для подбора встроенных гирь при уравновешивании веса. Применяются проекционные шкалы, позволяющие расширить диапазон измерений по шкале отсчета при малых углах отклонения коромысла.

Одним из последних достижений в области весоизмерительной техники является применение лазеров для измерения деформаций элементов-датчиков.

1.3.20. Важнейшими характеристиками весов являются:

1) предельная нагрузка – наибольшая статическая нагрузка, которую могут выдерживать весы без нарушения их метрологических характеристик;

2) цена деления – масса, соответствующая изменению показания на одно деление шкалы;

3) предел допускаемой погрешности взвешивания – наибольшая допускаемая разность между результатом одного взвешивания и действительной массой взвешиваемого тела;

4) функции обработки результатов (для электронных весов).

Современные электронные весы, как правило, имеют разъем для подключения к ЭВМ, что позволяет создавать сети для автоматизации обработки результатов взвешивания, расчета и контроля взимаемых платежей.

1.3.21. Для характеристики основных технических и эксплуатационных особенностей различных типов и моделей весов введена буквенно-цифровая система обозначений:

• устройство весов: Т – электронно-тензометрические, Р – рычажные;

• способ установки на месте эксплуатации: Н – настольные, С – стационарные, П – передвижные;

• наибольший предел взвешивания: 2, 10, 150, 500 и т. д. до 1000 – в килограммах, а свыше – в тоннах;

• тип указательного отсчетного устройства: Г – гирные, Ш – шкальные, Ц – циферблатные;

• вид отсчета и способ снятия показаний взвешивания: 1 – визуальный, 2 – документированный, 3 – местный, 4 – дистанционный;

• область преимущественного применения: А – автомобильные, В – вагонные.

Например, весы РН-2Ц13 - рычажные, настольные, с наибольшим пределом взвешивания 2 кг, циферблатные, с визуальным отсчетом и местным определением показаний при взвешивании; РП-500Г13 - рычажные, передвижные, с наибольшим пределом взвешивания 500 кг, гирные, с визуальным отсчетом и местным определением показаний; РС-ЗОЦ24А - рычажные, стационарные, с наибольшим пределом взвешивания 30 т, циферблатные, с документированной регистрацией и дистанционной передачей показаний, автомобильные.

1.3.22. Вес невозможно измерить с абсолютной точностью. Результат взвешивания – в общем случае величина, определяемая совокупностью различных факторов: техническим состоянием весов, правильностью их установки, температурными условиями и др. Поэтому вес всегда определяют с какой-то погрешностью. В зависимости от погрешности измерений весам устанавливают тот или иной класс точности.

Возможные классы точности весов установлены стандартом (см. приложение 2).