Svarstyklės (prietaisas)

Svarstyklės (angl. angl. weighing scale) yra matavimo įrankis, naudojamas nustatyti objekto svorį arba masę.

Svarstyklės skirstomos į du tipus:

Spyruoklinės svarstyklės (angl. angl. spring scale) išmatuoja svorį pagal spyruoklės išsitempimo atstumą, kai ji yra veikiama apkrovos.

Balansinės svarstyklės (angl. angl.balance, balance scale, beam balance, laboratory balance) palygina objekto svorį su standartiniu svoriu esančiu kitoje svarstyklių pusėje naudojantis horizontalia svirtimi. Balansinės svarstyklės, priešingai nuo įprastinių, pasveria objekto masę (arba tiksliau – gravitacijos masę (angl. gravitational mass), kai įprastinės nustato objekto svorį (arba tiksliau – įtempimą ar suspaudimo jėgą).

Svarstyklės yra naudojamos pramonės ir komercijos srityse, o specializuotos medicininės ir vonios svarstyklės – naudojamos išmatuoti žmonių kūno svorį.

Istorija

Balansinės svarstyklės yra toks paprastas prietaisas, kad tikėtina, jog jo naudojimas yra atsiradęs dar anksčiau nei patys įrodymai. Akmenys skirti nustatyti absoliutų svorį leido archeologams susieti šiuos artefaktus su svarstyklėmis. Be to, manoma, jog balansinės svarstyklės tikriausiai buvo naudojamos nustatyti santykinį svorį daug anksčiau nei absoliutų svorį.

Seniausias svarstyklių egzistavimo įrodymas datuojamas 2400–1800 m. pr. m. e. Gango slėnyje (šiuo metu Pakistano teritorija). Manoma, jog pirmykštėse gyvenvietėse suvienodinti ir nušlifuoti kubai iš akmenų tikriausiai buvo naudojami svorio nustatymui pirminėse balansinėse svarstyklėse. Nors kubai nebuvo sužymėti, tačiau jų svoriai yra bendro vardiklio kartotiniai. Kubai buvo padaryti iš skirtingų akmens rūšių, kurios skyrėsi savo tankumu. Akivaizdu, kad kubų gaminimą nulemdavo jų svoris, o ne dydis ar kiti kriterijai. Egipte įrodymai apie svarstyklių egzistavimą siekia dar 1878 m. pr. m. e., bet manoma, jog jas pradėta naudoti dar anksčiau. Buvo atrasti išraižyti akmenys su svorio žymėmis ir Egipto hieroglifo simboliu reiškiančio auksą, tai rodo, jog egiptiečių pirkliai naudojo svorio matavimo sistemą, kuri leido išmatuoti ir įtraukti aukso krovinius ir (arba) aukso kasyklos gamybos apimtį į katalogą. Nors jokių svarstyklių iš tų laikų nėra išlikę, tačiau daugybė svėrimo akmenų rinkinių bei freskų vaizduojančių balansinių svarstyklių naudojimą rodo jų didelį paplitimą.

Istorijoje buvusi svarstyklių gausa leido kurti vis tobulesnius prietaisus, o ypač prie svarstyklių vystymosi prisidėjo išradėjas Leonardo da Vinci. 1586 m. Galilėjus sukonstravo specialias hidrostatines svarstykles, kurios padėjo nustatyti medžiagų tankį.

Nepaisant projektavimo ir vystymosi pažangos, visos svarstyklės iki XVII a. buvo balansinių svarstyklių variacijos. Nors įrašai datuojantys 1600 m. yra susiję su spyruoklinėmis svarstyklėmis, tačiau pirminis šio prietaiso dizainas atsirado 1770 m., jį sukūrė Richard Salter. Šios svarstyklės tapo dažniau ir labiau naudojamos 1840 m., kai R. W. Winfield sukūrė žvakidės tipo svarstykles, kurios buvo naudojamos išmatuoti laiškų ir paketų svorį. Pašto darbuotojai galėjo dirbti daug greičiau su spyruoklinėmis svarstyklėmis, negu su balansinėmis, nes šios svarstyklės galėjo akimirksniu parodyti svorį ir jų nereikėjo nuolat kruopščiai balansuoti kiekvieną kartą.

Iki 1940 m. prie šio dizaino buvo pridedami įvairūs elektroniniai prietaisai, kad rodmenys būtų dar tikslesni. Tačiau tai nebuvo tikrosios elektroninės svarstyklės, nes svorio matavimo principas išliko kaip ir balansinėse ar spyruoklinėse svarstyklėse.

Balansinės svarstyklės

Balansinės svarstyklės – tai pirmasis masės matavimo prietaisas. Tradiciškai šios svarstyklės yra sudarytos iš horizontalios svirties su vienodo svorio ašimi, kartu su svėrimo lėkštelėmis. Nežinoma masė yra uždedama ant vienos lėkštelės, o standartinės masės yra uždedamos ant priešingos, tol kol ašis būna pusiausvyroje. Tiksliose balansinėse svarstyklėse slankikliai juda per matavimo skalę. Slankiklio padėtis suteikia tikslią korekciją masės vertei. Nors balansinės svarstyklės techniškai palygina svorius, o ne mases, objekto svoris yra proporcingas savo masei, tad standartiniai svoriai naudojami balansinėse svarstyklėse yra dažniausiai ženklinami masės vienetais.

Balansinės svarstyklės yra naudojamos tiksliam masės išmatavimui, nes priešingai nei spyruoklinės svarstyklės negali būti paveiktos vietinės gravitacijos, kuri gali svyruoti beveik 0,5% skirtingose Žemės vietose. Judančių balansinių svarstyklių sukeltas gravitacinio lauko stiprumo pokytis nepakeis išmatuotos masės, nes jėgos momentais abi svarstyklių pusės bus paveiktos vienodai. Įdomu yra tai, jog balansinės svarstyklės išmatuos teisingą masę net ir kitose planetose ar jų palydovuose, arba bet kokioje kitoje vietoje, kuri yra nuolat veikiama gravitacijos arba laisvojo kritimo pagreičio jėgos.

Labai tikslūs išmatavimo rezultatai yra gaunami užtikrinant, jog balansinių svarstyklių atramos taškas nėra veikiamas trinties (tradicinis sprendimas yra peilio kraštas), pritvirtinant rodyklę ant ašies, kuri sustiprina bet kokį nukrypimą nuo pusiausvyros padėties. Taip pat naudojant svirties principą, kuris leidžia dalinę masę būti pritaikomai nuo mažų masių judėjimo išilgai matavimo skalės spinduliu. Didžiausiam tikslumui pasiekti, turi būti leidžiamas tam tikras plūduriavimas ore, kurio poveikis priklauso nuo masių tankio.

Pradinė pusiausvyros padėtis sudaryta iš ašies ir atramos taško jos centre. Norint pasiekti didžiausio tikslumo, atramos taškas turėtų būti sudarytas iš V-formos sukinio, kuris yra ant V-formos guolio. Norint nustatyti objekto masę, etaloninių masių derinys yra pakabintas ant vienos ašies pusės, kai kitoje pusėje yra pakabinama nežinoma masė. Tad ašies balanso centras vis dar yra vienas iš tiksliausių galimų technologijų, kai norima pasiekti didelio tikslumo, ir yra plačiai naudojamas svorių kalibravimo testuose.

Norint sumažinti etaloninių masių poreikį, gali būti naudojamas išcentrinė ašis (svirtis). Balansinės svarstyklės su išcentrine svirtimi taip pat gali būti tokios pat tikslios kaip ir su centrine svirtimi. Tačiau svarstyklės su išcentrine svirtimi reikalauja specializuotų etaloninių masių ir iš esmės negali būti patikrintos dėl tikslumo, pakeičiant lėkštelių turinį. Siekiant sumažinti smulkių etaloninių masių poreikį, gali būti sumontuotas slankiojantis svoris (a poise) taip, kad jis galėtų būti pritvirtintas kartu su kalibravimo skale. Slankiojantis svoris padidina kalibravimo procedūros sudėtingumą, nes tiksli jo masė turi būti suderinta su tiksliu svirties spindulio santykiu.

Sveriant didžiulius ir nestandartinius krovinius didesniam naudojimo patogumui pasiekti, platforma gali plūduriuoti ant konsolinės sijos sistemos, kuri perduoda proporcingą jėgą į guolinę atramą. Tai patraukia trumpą strypą, kuris perduoda sumažintą jėgą į patogaus dydžio ašį.

Nešiojamos balansinės svarstyklės, kurių apkrova yra iki 500 kg, dažnai naudojamos nepalankiose aplinkose, kuriose nėra elektros, kaip ir mechaninės vonios svarstyklės (kurių viduje yra panaudojamas spyruoklinių svarstyklių principas).

Papildomos atramos guoliai sumažina tikslumą ir komplikuoja kalibraciją. Plūduriuojanti sistema turi būti pataisyta nuo klaidų kampuose prieš atliekant tikslų koreguojančios ašies ir slankiojančių svorių pusiausvyros derinimą. Geriausiu atveju tokios sistemos įprastai yra tikslios 1/10,000 savo pajėgumo, nebent yra daug investuota į jų projektavimą.

Kai kurios aukštos klasės mechaninės svarstyklės taip pat naudoja ciferblatą (su išlyginimo masėmis vietoj spyruoklių), tai yra hibridinis dizainas su keliais slankiojančio svorio ir ašies tikslumo privalumais ir su patogiu ciferblatų nuskaitymu. Tokio dizaino svarstykles yra brangu gaminti ir jos tapo atgyvenusiomis dėl elektroninių svarstyklių atsiradimo.

Miligramų svarstyklės

Miligramų svarstyklės įprastai yra naudojamos narkotikų platinimo, pramonės, tyrimų, chemijos, farmacijos, elektronikos, brangiųjų metalų, juvelyrikos srityse.

Analitinės balansinės svarstyklės

Analitinės balansinės svarstyklės yra naudojamos nustatyti masę išlaikant labai aukštą tikslumo ir patikimumo laipsnį. Aukšto tikslumo (0,1 mg ar daugiau) analitinio balanso matavimo lėkštelės yra permatomame skaidriame gaubte su durelėmis, kad nesusirinktų dulkės ir joks oras patalpoje negalėtų padaryti įtakos svarstyklių veikimui. Ventiliuojamo svarstyklių gaubto naudojimas, kuris turi unikaliai suprojektuotus aerodinaminius akrilo paviršius, leidžia sklandžiai laisvai cirkuliuoti orui. Tai apsaugo svarstykles nuo svyravimų, kai matuojama masė yra iki 1 μg. Taip pat mėginys turi būti kambario temperatūros, kad būtų išvengta natūralios konvekcijos oro srovių susidarymo gaubto viduje, kurios paveikia masės matavimus.

Analitinis tikslumas yra pasiekiamas išlaikant pastovią apkrovą ant svarstyklių ašies, atimant masę iš tos pačios ašies pusės, kurioje yra padėtas mėginys. Galutinė pusiausvyra yra pasiekiama naudojant nedidelę spyruoklės jėgą, o ne atimant fiksuotas mases. Nors šios svarstyklės yra vadinamos analitinėmis balansinėmis, tačiau turėtų vadintis tiesiog analitinėmis svarstyklėmis, nes tai susiję su matavimo jėga, o ne su gravitacine mase.

Spyruoklinės svarstyklės

Įprastose spyruoklinėse svarstyklėse spyruoklė išsitempia (kaip kabančios svarstyklės parduotuvės daržovių skyriuose) arba susispaudžia (kaip paprastosios vonios svarstyklės) proporcingai taip, kaip sunkiai Žemė tempia žemyn objektą. Tam daro įtaką vietinė gravitacija. Pagal Hook teoriją, kiekviena spyruoklė turi proporcingumo konstantą, kuri nusako, kaip sunkiai spyruoklė yra traukiama, kaip toli ji išsitempia. Tam tikros svarstyklės kaip Jolly balansinės (pavadintos pagal Philipp von Jolly, kuris išrado jas 1874 m.) naudoja spyruoklę su žinoma spyruoklės konstanta ir įvertina jos poslinkį, kuris gali būti sukeltas įvairių prietaisų.

Spyruoklinės svarstyklės išmatuoja svorį, t. y. įtempimo jėgą, priešingai nei gravitacijos jėga. Svoris dažniausiai yra kalibruojami jėgos vienetais, pavyzdžiui, Niutonais ar svarais. Šios svarstyklės turi du klaidų šaltinius, kurių neturi balansinės svarstyklės. Visų pirma, matuojamas svoris svyruoja su vietinės gravitacijos jėgos stiprumu, net 0,5% skirtingose Žemės vietose bei, antra, matavimo spyruoklės elastingumas gali nežymiai svyruoti dėl temperatūros. Todėl spyruoklinės svarstyklės, kurios yra teisėtai naudojamos komercijos srityje, turi temperatūrą kompensuojančias spyruokles arba yra naudojamos visuomet toje pačioje temperatūroje. Taip pat jos turi būti sukalibruotos toje pačioje vietoje, kur ir bus naudojamos, siekiant išvengti gravitacijos svyravimo įtakos.

Įtempimo įvertinimo svarstyklės

Spyruoklinių svarstyklių elektroninėse versijose, ašies nuokrypis laikant nežinomą svorį yra išmatuojamas naudojantis tempimo vertinimu, kuris yra ilgiui jautri elektroninė varža. Tokių prietaisų pajėgumas yra apribotas tik ašies pasipriešinimu nuokrypiui. Kelių palaikančių vietų rezultatai gali būti pridėti elektroniniu būdu, todėl šis metodas yra tinkamas nustatant sunkių objektų svorį, pavyzdžiui, sunkvežimių.

Hidraulinės arba pneumatinės svarstyklės

Šios svarstyklės naudojamos, kai reikalingi dideli pajėgumai, pavyzdžiui, kranų svarstyklėse, kurios naudoja hidraulinę jėgą, kad pajustų svorį. Bandymo jėga yra pritaikoma stūmokliui arba diafragmai ir yra perduodama per hidraulines linijas į ciferblato indikatorių, remiantis elektroniniu sensoriumi.

Testavimas ir sertifikavimas

Dauguma šalių reglamentuoja komercijai skirtų svarstyklių projektavimą ir aptarnavimą.

Tradicinės mechaninės balansuojančios svarstyklės iš esmės matuoja masę. Tačiau įprastos elektroninės svarstyklės matuoja gravitacinę jėgą tarp mėginio ir Žemės, t. y. mėginio svoris, kuris skiriasi priklausomai nuo vietos dėl Žemėje svyruojančios gravitacijos apie 0,5%. Todėl tokios svarstyklės turi būti perkalibruojamos po įdiegimo būtent tai konkrečiai vietai tam, kad būtų tiksliai išmatuojama masė.

Parduotuvėse naudojamos svarstyklės

Tokio tipo svarstyklės yra naudojamos greitai gendančių produktų skyriuose. O kepyklose, kulinarijos, konditerijos, mėsos ir žuvies perdirbimo cechuose, restoranų, kavinių ir barų virtuvėse gali būti naudojamos specialios svarstyklės, kurios yra atsparios drėgmei ir dulkėms ar nerūdijančio plieno. Parduotuvėse esančios svarstyklės gali būti užprogramuotos ir spausdinti etiketes su informacija, kuri pažymi svorį, kilogramo kainą, kiekį, pakelio kainą, tarą, brūkšninį kodą, prekės pavadinimą, prekės sudėtį, fasavimo ir realizacijos datą ir laiką, parduotuvės pavadinimą, papildomus specialius pranešimus ir kt.

Daugeliu atvejų tokio tipo svarstyklės turi sandarų žymėjimą, t. y. ekrane rodoma informacija yra teisinga ir negali būti sugadinta. Svarstyklėse gali būti sumontuotas ryškus dviejų eilučių ekranas, antra eilutė skirta tekstinei informacijai – joje matomas sveriamos prekės pavadinimas bei galima eilutė – reklaminei informacijai. Taip pat prie svarstyklių gali būti jungiamas papildomas išorinis ekranas skirtas rodyti reklamas, gaminimo receptus, pirkimo rekomendacijas. Be to, svarstyklėse gali būti integruotas brūkšninių kodų skaneris, kuri pagreitina aptarnavimo laiką. Svarstykles galima sujungti su praktiškai visų pagrindinių kasos aparatų bei POS sistemų gamintojų įranga.

Taip pat kai kuriose svarstyklėse yra ryšio sąsaja, todėl jos paprastai jungiamos į bendrą įmonės kompiuterių tinklą duomenų mainams su apskaitos programomis. Dėl to yra galimybė automatiškai į svarstykles nusiųsti informaciją apie naujas prekes, prekių pasikeitimus bei kitus reikalingus duomenis netrukdančius svėrimo procesui. Taip pat į svarstykles galima siųsti ir etikečių formas ar turėti eilių valdymo sistemą.

Šiuolaikinės svarstyklės gali veikti ir OS pagrindu. Tad tokios daugiafunkcės svarstyklės, kurios pagerina ir pagreitina klientų aptarnavimą bei daro operatoriaus darbą efektyvesnį.

Klaidų šaltiniai

Oro gūsiai, net ir nedideli gūsiai gali daryti įtaką svarstyklių parodymams.
Ore esančios dulkės prisideda prie svorio.
Netinkamai sulygiuotos mechaninės dalys dėl komponentų šiluminio plėtimosi ar susitraukimo.
Magnetiniai laukai, veikiantys dėl geležies turinčių komponentų.
Elektrostatinių sričių jėgos.
Cheminis reakcingumas tarp oro ir sveriamos medžiagos (arba dėl pačios pusiausvyros korozijos formoje).
Atmosferos vandens kondensacija ant šaltų daiktų.
Vandens garavimas nuo vandeningų daiktų.
Oro konvekcija nuo karštų ar šaltų daiktų.
Gravitacinės anomalijos (negalioja balansinėms svarstyklėms) t. y. naudojant svarstykles šalia kalno, nes perkėlus jas iš vienos geografinės vietos į kitą krenta lygis ir turi būti įvykdytas perkalibravimas.
Vibracija ir seisminiai sutrikimai, pavyzdžiui, dėl pravažiuojančio sunkvežimio.
Kabeliai, naudojami prijungti pagrindinį mechanizmą prie ekrano, gali sugesti dėl didelių svorių.

Simbolizmas

Svarstyklės, ypač balansinės, yra vienas iš tradicinių teisingumo simbolių. Taip pat tai yra astrologinio ženklo – Svarstyklių – simbolis.