Come funzionano le bilance digitali

C'è qualcosa di così comune in un dispositivo di pesatura che è facile dimenticare il suo significato più profondo. Come ci ricorda la bilancia a molla leggermente obliqua appesa al corridoio dei prodotti, la bilancia è stata a lungo al servizio degli esseri umani come arbitro principale del commercio, sine qua non della spedizione e giocatore di utilità del banco farmaceutico. Dalla più piccola e raffinata bilancia da laboratorio ai mostri con fossa e trave di 10 x 120 piedi (3 x 37 metri) che pesano vagoni ferroviari e rimorchi per trattori, le bilance rendono possibile la vita moderna.

Le bilance - o, più specificamente, le bilance - pesavano pesantemente sulle menti di antichi costruttori, inventori e consulenti economici. Piccoli contrappesi risalenti all'inizio del quarto millennio aC forniscono alcuni dei primi indizi dell'evoluzione della comprensione dei numeri da parte dell'umanità. La bilancia più elementare sopravvissuta in Egitto è antecedente al periodo dinastico, collocando la sua costruzione a prima del 3000 aC Come noi, gli antichi egizi applicavano le bilance sia nel commercio che nel dosaggio di minerali e leghe [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Petrusso ].

Le bilance, che pesano un oggetto confrontandolo con uno o più pesi di riferimento, hanno un tocco delicato e sono ancora utilizzate nei laboratori. Le bilance utilizzano principi fisici e componenti meccanici leggermente diversi per misurare il peso e altre forze (il peso è semplicemente la forza su un oggetto dovuta alla gravità). Le bilance a molla, ad esempio, misurano il peso utilizzando la legge di Hooke , che mette in relazione la forza (peso) con l'allungamento o la compressione di una molla realizzata con un determinato materiale.

Non tutte le bilance utilizzano molle, ma tutte misurano il peso utilizzando componenti meccanici. Quindi, le bilance meccaniche e digitali differiscono solo per il modo in cui visualizzano il peso, meccanicamente o elettronicamente. In quest'ultimo caso, la bilancia utilizza un convertitore analogico-digitale che traduce i dati di lettura continua dalla bilancia in informazioni digitali discrete, proprio come uno schema di codifica CD o MP3 digitalizza le forme d'onda della musica.

In generale, le bilance digitali richiedono meno esperienza rispetto a quelle con letture meccaniche e sono in grado di offrire una maggiore precisione e un'elaborazione più rapida. Tuttavia, le capacità di dispositivi specifici possono variare, in particolare quando i pesi sono misurati in tonnellate [fonti: Camarda ; Cox ; Crowley ].

"Dipende", afferma Derrick Mashaney, direttore dello sviluppo prodotto di Fairbanks Scales Inc., specializzata in grandi bilance industriali. "Molte bilance master sono meccaniche. Sono ottimizzate per essere così estremamente accurate che non c'è niente là fuori che sia paragonabile a loro."

Proprio come un ladro d'auto sul ciglio della strada potrebbe sollevare un'auto tramite il vantaggio meccanico - la leva di una maniglia o il piano inclinato di una vite - mentre il sollevatore di un meccanico potrebbe utilizzare la pressione idraulica, bilance diverse pesano oggetti utilizzando una varietà di principi operativi, come l'idraulica , pneumatica o travi a flessione.

Qualunque cosa le faccia allungare, comprimere o ondeggiare, tuttavia, la maggior parte delle bilance moderne condivide un componente in comune: una cella di carico.

1. Gira e affronta lo sforzo (Ga-ga-gauges)
2. Porterai quel peso
3. Economie di scala

Le bilance sono disponibili in tutte le forme, dimensioni e configurazioni, ma il componente di base che esegue la misurazione è quasi sempre una cella di carico .

Una cella di carico è una specie di trasduttore , un dispositivo che converte una forma di energia in un'altra. Attraverso le celle di carico, le bilance digitali trasformano l'energia meccanica - lo sbattimento o lo stiramento causato da un carico seduto o sospeso - in un effetto elettrico. L' estensimetro ampiamente utilizzato (lo vedrai anche come estensimetro), ad esempio, legge la compressione o la tensione come piccoli cambiamenti nella resistenza elettrica in un ponte di Wheatstone [fonti: Mashaney ; Omega ].

Analizziamolo usando un estensimetro a compressione come esempio.

La compressione si verifica quando una forza applicata riduce il volume di un oggetto, ma può anche riferirsi a una diminuzione più generale delle dimensioni lungo una o più dimensioni. A volte, schiacciare un materiale elettricamente conduttivo cambia la sua resistenza elettrica, perché i fili più lunghi e più stretti sono più resistenti di quelli più corti e più larghi [fonte: Craig ]. Pensalo come l'acqua che spinge attraverso un tubo: più lungo e stretto è il tubo, più difficile è forzare l'acqua attraverso di esso.

Vari materiali subiscono diversi cambiamenti di resistenza durante la deformazione, una qualità nota come fattore di misurazione . Il fattore di misurazione può anche variare in risposta alla temperatura. Di conseguenza, la lega di costantana (55% di rame e 45% di nichel), che si comporta bene a temperatura ambiente, si è affermata come materiale di riferimento per le misurazioni della deformazione [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Craig ; Strumenti Nazionali ; Pratt ].

Per rilevare la variazione di resistenza causata dalla compressione del peso, uno o più estensimetri vengono posizionati all'interno di un ponte di Wheatstone . Un ponte di Wheatstone è un circuito elettrico in grado di rilevare una resistenza elettrica sconosciuta bilanciandola con resistenze note in altre parti del circuito. In un certo senso, è come una bilancia per la resistenza elettrica: il "peso" (resistenza) da un lato ti dice il "peso" sconosciuto (resistenza) dall'altro [fonti: Craig ; Strumenti Nazionali ; Pratt ].

Un dato ponte può contenere 1-4 estensimetri. Quando vengono utilizzati più indicatori, sono disposti in direzioni opposte per migliorare la sensibilità e mitigare gli effetti della temperatura. Poiché la variazione di resistenza in un circuito di deformazione può essere minuscola, il segnale spesso richiede amplificazione [fonti: Craig ; Strumenti Nazionali ; Pratt ].

Quando una cella di carico misura la variazione della resistenza di compressione, trasmette un segnale alla CPU, che lo converte in input per un tabellone, che poi mostra il risultato su uno schermo digitale. Questo principio rimane valido sia che si utilizzi un estensimetro o un altro tipo di dispositivo di misurazione.

Forniamo ... Leva

Le leve sono utili per pesare oggetti di grandi dimensioni perché la leva converte le grandi forze in piccole. In alcune grandi bilance per camion, come le bilance da fossa prodotte da Fairbanks, ogni incremento di peso di 400 libbre (181 kg) su una parte della leva si converte in solo 1 libbra (0,45 kg) sull'altra. Pertanto, la cella di carico deve essere in grado di misurare solo una frazione del peso totale e la bilancia può facilmente gestire tra 50.000 e 100.000 libbre (22.679 e 45.359 chilogrammi) [fonte: Mashaney ].

La ricerca, l'industria e il commercio richiedono la capacità di misurare i pesi in una varietà apparentemente illimitata di condizioni ambientali e vincoli di spazio, controllando anche possibili errori. Quindi, sebbene gli estensimetri siano il tipo di cella di carico più utilizzato, sono tutt'altro che l'unico design in uso oggi [fonti: Eilersen ; Omega ].

Le industrie che richiedono maggiore sicurezza e sterilità si rivolgono spesso a celle di carico pneumatiche , che ricavano il peso di un oggetto misurando la pressione dell'aria necessaria per equilibrarlo. Questi sbuffi funzionano bene nell'industria alimentare o all'interno di siti pericolosi perché non contengono fluidi che potrebbero filtrare, gocciolare o schizzare nell'ambiente. Le celle pneumatiche possono sollevare un'ampia gamma di pesi con elevata precisione, ma richiedono un'atmosfera pulita e asciutta e tendono a prendersi il loro tempo per rispondere [fonte: Omega ].

Le celle di carico idrauliche , che misurano il carico come variazione della pressione del fluido, si trovano comunemente in serbatoi di pesatura, contenitori e tramogge. Poiché funzionano senza elettricità, le celle idrauliche funzionano bene in luoghi fuori mano in cui l'energia è una prospettiva incerta. Costosi e complicati ma robusti, questi gadget pieni di liquido non si guastano o si guastano, anche con carichi di milioni di sterline [fonti: Eilersen ; Omega ; Takhirov et al. ].

I termini "estensimetro", "pneumatico" e "idraulico" descrivono i principi operativi , essenzialmente le leggi fisiche che regolano ciascuna tecnica di pesatura. Ma un acquirente alla ricerca di una bilancia potrebbe anche prendere in considerazione le dimensioni, la forma, la configurazione, i materiali e altri aspetti fisici di una cella in base ai requisiti di lavoro coinvolti. Ad esempio, un cliente che ha bisogno di effettuare misurazioni in un ambiente umido potrebbe scegliere una cella a contenitore ermeticamente sigillata , mentre una struttura interessata a problemi di spazio potrebbe optare per una cella a fascio di flessione più sottile [fonti: Mashaney ; Omega ].

I fattori di forma sono scelti anche per la loro capacità di ridurre al minimo gli effetti delle forze estranee. Le bilance in genere misurano la forza lungo un'unica direzione chiamata asse principale - che, nel caso del peso, significa verso il basso (nella direzione dell'attrazione gravitazionale). Gli errori di pesatura derivano principalmente da forze fuori asse , che agiscono parallelamente al carico, e da carichi laterali , che agiscono perpendicolarmente ad esso [fonte: Novatech ]. Grazie al loro design a zigzag, le celle di carico a s-beam eccellono nell'eliminare il carico laterale [fonte: Omega ].

All'interno di ciascuna di queste categorie e sottocategorie, ci sono dimensioni, forme e fasce di prezzo per soddisfare qualsiasi esigenza immaginabile. Ma c'è di più nella bilancia oltre alla semplice pesatura delle tue opzioni. La misurazione della forza è irta di problemi tecnici come qualsiasi misurazione di precisione - non è una cosa da poco, se si considera che vite umane - e mucchi di denaro - possono basarsi sulla differenza di pochi grammi.

Tutte le scale grandi e piccole

La legge di Hooke non riguarda solo la pesatura dei prodotti; è anche alla base del funzionamento di uno dei più piccoli dispositivi di misurazione della forza al mondo: il microscopio a forza atomica utilizzato in biochimica, biologia e ingegneria dei materiali. Tali microscopi utilizzano un cantilever di silicio o nitruro di silicio su scala micron (un raggio a molla, supportato su un solo lato) per rilevare i rimorchiatori di nanonewton e piconewton - forze sulla scala delle attrazioni intermolecolari [fonti: Cumpson et al. ; Cappella e Dietler ].

Un vecchio proverbio dice che un uomo con un orologio sa che ore sono, ma un uomo con due orologi non è mai sicuro. La bilancia deve fare i conti con un enigma simile: se pesi due volte lo stesso oggetto, ottieni lo stesso risultato? Che ne dici di giorni diversi, con condizioni meteorologiche mutevoli? In tal caso, la bilancia può rimanere coerente nonostante l'usura?

Questi fattori, noti rispettivamente come ripetibilità , riproducibilità e regolazione , sono tutti importanti, ma un potenziale acquirente deve anche considerare domande più basilari, come l' intervallo di peso della bilancia , inclusa la sua capacità minima e massima [fonte: AWS ].

Inoltre, quelle statistiche contano poco se un dispositivo non ha l'accuratezza e la precisione necessarie per il lavoro. Sebbene i due termini siano spesso usati impropriamente come sinonimi, non sono intercambiabili: la precisione descrive quanto uno strumento misura un valore effettivo o atteso, mentre la precisione si riferisce a quanto sia granulare o esatta quella misurazione. Una pistola ad alta velocità che fa registrare una palla veloce da 90,4213 mph a 90 mph è precisa ma non precisa; una pistola ad alta velocità che fa registrare la stessa palla veloce a 88,3246 mph è precisa ma non accurata.

Le scale di solito esprimono l'accuratezza come percentuale del fondo scala ( FS ) - l'intervallo calibrato totale che un dispositivo può misurare. Ad esempio, una precisione FS dell'1 percento può significare +/- 5 libbre per una scala da 500 libbre, ma +/- 1 libbra su una scala da 100 libbre. In alternativa, l'errore può essere espresso come percentuale della lettura effettiva ( AR ): per un oggetto che pesa 100 libbre su una tale bilancia, un AR del 2% significherebbe un errore di 2 libbre, indipendentemente dal fatto che la bilancia avesse un intervallo di 10 libbre o 10.000 [ fonti: AWS ; Busch ; Plinto ].

La precisione di una scala è similmente variabile. Per standard industriale, indipendentemente dalla capacità, le bilance sono suddivise in un massimo di 10.000 divisioni: quindi una bilancia da 10.000 libbre si dividerà in incrementi di una libbra, mentre una bilancia da 500.000 libbre si dividerà in incrementi da 50 libbre [fonti: AWS ; Crowley ; Mashaney ]. I dispositivi di pesatura sono raggruppati in categorie in base a queste divisioni (vedi barra laterale).

Con questo in mente, prova sempre a selezionare una bilancia che abbia una capacità sufficientemente alta per gestire ciò che stai misurando, ma non molto più alta. Questo ti garantirà la massima precisione possibile, libbra per sterlina.

Rimani all'interno della tua classe di peso

• Le bilance di classe I , comunemente utilizzate nella pesatura di laboratorio di precisione, hanno un minimo di 50.000 divisioni da 1 milligrammo o più ciascuna.
• Le bilance di Classe II , utilizzate per campioni di laboratorio o pietre preziose più grandi, presentano 100-100.000 divisioni di 1-50 milligrammi o 100 milligrammi e oltre [fonti: AWS ; NIST ].
• Le bilance commerciali di classe III pesano di tutto, dalle spese di spedizione agli animali. Sono caratterizzati da 100-10.000 divisioni che vanno da 0,1-2,0 grammi o 5 grammi e oltre.
• I dispositivi di classe IIIL sono costituiti da bilance per veicoli con 2.000-10.000 divisioni di 2 o più chilogrammi ciascuna.
• Le bilance di classe IIII , utilizzate dalle forze dell'ordine in autostrada per controllare i carichi delle ruote e degli assi, hanno 100-1.200 divisioni di 5 grammi o più [fonti: AWS ; NIST ].

Nota dell'autore: come funzionano le bilance digitali

Una delle gioie dello scrivere per .com nasce dall'incontro con la sorprendente delicatezza, bellezza e complessità che si trovano negli oggetti di uso quotidiano. L'abile ingegneria e le parti finemente fresate che compongono questi articoli sono, da sole, sufficienti per ispirare qualsiasi tecnofilo. Guarda oltre le pertinenze e gli apparecchi fino al cuore di qualsiasi dispositivo, in particolare quello utilizzato per la misurazione, e trovi qualcosa di ancora più meraviglioso: una legge fisica, ingegnosamente imbrigliata a una serie di strumenti specifici e utili.

In nessun luogo questo è più vero che nelle scale. Solo in questo articolo, ho incontrato la legge di Hooke per le molle; Legge di Pascal per la pressione del fluido; la legge di Boyle, la legge di Charles e la legge di Gay-Lussac che descrivono il comportamento dei gas; e la legge di Ohm per la resistenza elettrica -- e questo per non parlare delle varie leggi senza nome che regolano lo stress e la deformazione.

Quindi la prossima volta che incontrerete qualche politico che vuole tagliare l'educazione scientifica in nome del pareggio del bilancio, potrebbe valere la pena riflettere sul fatto che i nostri facilitatori fiscali più duraturi, le bilance, sono resi possibili da una marcia secolare di scoperte scientifiche.

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