ترازوی دیجیتال چطور کار می‌کند؟ (به زبان ساده)
ترازو (چه مدل‌های ساده و چه ترازوی دیجیتال) وسیله‌ای است که بی‌اغراق برای قرن‌هاست که در کنار ماست و همه چیز از بادام زمینی گرفته تا پنگوئن روی آن وزن شده و می‌شود. با این حال چیزی که در مورد این دستگاه به راحتی می‌تواند فراموش شود اهمیت عمیق آن در زندگی ماست. باسکول‌های فنری‌ای که در اطراف راهروهای عرضه‌ی محصولات آویزان شده‌اند به ما یادآوری می‌کنند که ترازو برای چه مدت طولانی‌ای به عنوان داور برای داد و ستدها، حمل و نقل‌ها یا موارد مشابه در خدمت انسان بوده است.
جالب است بدانید که ترازوها با توجه به موارد استفاده‌ای که دارند از کوچکترین و دقیق‌ترین مدل‌های آزمایشگاهی تا هیولاهای غول‌آسایی با ابعاد ۱۰ در ۱۲۰ فوت (حدودا ۳ در ۳۷ متر) که واگن‌های قطار و تریلرهای تراکتورها را وزن می‌کنند، در دنیا وجود دارند. ترازوهای کوچک که قدمت آن‌ها به اوایل هزاره چهارم قبل از میلاد برمی‌گردند به منظور درک در حال تکامل بشر از اعداد ارائه می‌شدند. در عین حال ابتدایی‌ترین مدل‌های این نوع محصول به مصر و ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد بر می‌گردد. در همین راستا مصریان باستان هم در تجارت و هم در بحث سنجش و اندازه‌گیری سنگ‌های معدن از ترازوها استفاده می‌کردند.
به طور کلی ترازوها با تطبیق یک جسم (آنچه که قصد اندازه‌گیری آن را دارید) با یک یا چند جسم با وزن مرجع، می‌توانند اجسام را وزن کنند. همچنین لازم است که بدانید که ترازوها از اصول فیزیکی و اجزای مکانیکی ساده‌ای برای وزن کردن اجسام استفاده می‌کنند. اما قبل از هر چیز و عمیق‌تر شدن در بحث چگونگی کارد ترازوی دیجیتال، اجازه دهید شما را با یک اشتباه رایج و مفهوم صحیح آن آشنا کنیم.
تفاوت جرم و وزن به زبان ساده
به شکل واضح و ساده، زمانی که به وزن یک جسم اشاره می‌کنیم، درواقع در مورد جرم جسم صحبت می‌کنیم. حال این جرم می‌تواند بر حسب کیلوگرم حساب شود یا پوند یا اونس! در هر حالتی هر آنچه که وزنش کردید و بر حسب هر واحدی در مورد آن صحبت می‌کنید، همه و همه اطلاعاتی در مورد جرم جسم است و وزن آن نیست. به طور کلی جرم مقدار ماده‌ای است که یک جسم از آن ساخته شده است در حالی که وزن اندازه‌گیری مقدار نیروی گرانش بر مقدار معینی از جرم است، بنابراین باید با واحدی به نام نیوتن اندازه‌گیری شود.
شاید کمی گیج‌کننده به نظر برسد اما به هر حال، ارجاع به وزن محصول در واحدهای جرمی‌ای (مانند کیلوگرم) قابل قبول است، چرا که هر جرمی بر روی زمین به هر حال می‌تواند به وزن تبدیل شود. البته مطمئنا در زندگی روزمره نمی‌شنوید که مردم بگویند وزن من ۷۰۰ نیوتن است، اما از نظر علمی، این موضوع باید برای شما واضح شود.
مروری بر اصول حاکم بر ترازوی دیجیتال و عقربه‌ای
ترازوهای فنری، وزن را با استفاده از قانون هوک اندازه‌گیری می‌کنند، که طی آن نیرو (وزن) را به کشش یا فشرده‌سازی فنر ساخته شده از یک ماده معین مرتبط می‌کنند. با این حال همه‌ی ترازوها از فنر در ساختار خود استفاده نمی‌کنند، اما همه با استفاده از قطعات مکانیکی وزن را اندازه گیری می‌کنند. بنابراین باید در نظر داشته باشید که، ترازوهای مکانیکی (عقربه‌ای) و دیجیتالی تنها در نحوه‌ی نمایش وزن متفاوت هستند.
در مورد ترازوهای دیجیتال باید بدانید که این دسته از محصولات از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال استفاده می‌کنند که داده‌های بازخوانی شده و پیوسته را به اطلاعات دیجیتالی گسسته ترجمه می‌کند. این رویه دقیقاً مشابه همان چیزی است که در یک طرح رمزگذاری شده‌ی CD وجود دارد و طی آن موج‌های موسیقی به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شوند. ترازوهای دیجیتالی نسبت به ترازوهای عقربه‌ای به تخصص کمتری برای استفاده نیاز دارند و قادر به پردازشی با دقت بالاتر و سریع‌تر هستند. با این حال، قابلیت‌های این دستگاه‌های خاص ممکن است متفاوت باشد، به‌ویژه زمانی که وزن اجسام بر حسب تن اندازه‌گیری می‌شود.
- آیا امکان استفاده از تمام ظرفیت مغزمان را داریم؟ (زیرنویس فارسی)
- تلسکوپ چطور کار می‌کند؟ کندوکاو در وسیله‌ای ساده اما شگفت‌انگیز
ترازوی دیجیتال چگونه کار می‌کند؟
همانطور که می‌دانید ترازوها در انواع اشکال، اندازه‌ها و پیکربندی‌ها وجود دارند، اما جزء اصلی که اندازه‌گیری را انجام می‌دهد در همه‌ی مدل‌ها (تقریباً) همیشه یک نیروسنج یا لودسل «load cell» است. لودسل نوعی مبدل است، وسیله‌ای که نوعی از انرژی را به شکل دیگری تبدیل می‌کند. از طریق لودسل، ترازوی دیجیتال می‌توانند انرژی مکانیکی (جمع‌شدگی یا کشش ناشی از قرارگیری جسم) را به یک اثر الکتریکی تبدیل کنند. در همین راستا کرنش‌سنج نوعی لودسل است که (وسیله‌ای که با اندازه‌گیری تغییرات مقاومت الکتریکی، فشار را اندازه می‌گیرد)، فشار یا کشش را به عنوان تغییرات کوچک در مقاومت الکتریکی دستگاه می‌خواند.
به منظور درک بهتر موضوع در نظر بگیرید که فرآیند فشرده‌سازی هر چیزی زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی اعمال شده بر جسم، حجم آن را کاهش دهد، اما طبق این تعریف می‌توان به کاهش کلی‌تری در اندازه‌ی طول یک جسم در یک یا چند بعد هم اشاره داشت. همانطور که یک ماده رسانای الکتریکی تحت فشار قرار می‌گیرد، مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند، زیرا سیم‌های بلندتر و باریک‌تر از سیم‌های کوتاه‌تر و پهن‌تر مقاومت الکتریکی بیشتری دارند. درست مانند لوله‌ی آب، هر چه لوله طولانی‌تر و باریک‌تر باشد، عبور آب از آن سخت‌تر است.
فاکتور سنجش می‌تواند در پاسخ به دمای محیط تغییر کند. در نتیجه، آلیاژ کنستانتان (۵۵ درصد مس و ۴۵ درصد نیکل)، که در دمای اتاق عملکرد خوبی دارد در اندازه‌گیری کرنش در ترازوی دیجیتال استفاده می‌شود.
مواد مختلف تحت تغییر شکل تغییرات مقاومت متفاوتی را تجربه می‌کنند، که به عنوان فاکتور سنجش شناخته می‌شود. البته فاکتور سنجش هم می‌تواند در پاسخ به دمای محیط تغییر کند. در نتیجه، آلیاژ کنستانتان (۵۵ درصد مس و ۴۵ درصد نیکل)، که در دمای اتاق عملکرد خوبی دارد را به عنوان ماده‌ی مورد استفاده برای اندازه‌گیری کرنش (اندازه‌گیری تغییرات مقاومت الکتریکی در اثر اعمال فشار) استفاده می‌کنند.
به منظور دسترسی به تغییرات مقاومت ماده‌ی رسانا که از فشرده‌سازی ناشی از وزن یک جسم حاصل می‌شود، یک یا چند کرنش‌سنج در یک پل وتستون «Wheatstone bridge» قرار داده می‌شود. پل وتستون یک مدار الکتریکی است که می‌تواند مقاومت الکتریکی ناشناخته‌ای را با متعادل‌سازی آن در برابر مقاومت‌های شناخته شده در سایر نقاط مدار، تشخیص دهد. به بیانی ساده‌تر پل وتستون مشابه یک ترازو دو کفه‌ای برای مقاومت الکتریکی است که در آن وزن (مقاومت شناخته‌شده) در یک طرف، وزن (مقاومت ناشناخته) در طرف دیگر قرار می‌گیرد.
یک پل می‌تواند دارای ۱ الی ۴ کرنش سنج در ساختار خود باشد. وجود تعداد زیادی کرنش‌سنج که در جهت‌های مخالف مرتب می‌شوند حساسیت ترازوی دیجیتال را بهبود می‌بخشد و اثرات دما را کاهش می‌دهد. البته از آنجایی که تغییر مقاومت در یک مدار کرنش می‌تواند جزئی باشد، سیگنال اغلب نیاز به تقویت دارند. پس از آن همانطور که یک لودسل تغییر مقاومت فشاری را اندازه می‌گیرد، سیگنالی را به CPU ارسال می‌کند، که آن به ورودی‌ای برای نمایشگر تبدیل می‌شود و در نتیجه شما عددی تحت عنوان وزن خود را روی نمایشگر خواهید دید.
یک نمونه لودسل در ساختار یک ترازوی وزن‌کشی
آشنایی با انواع لودسل‌ها در ترازوهای صنعتی
زمانی که به وزن یک جسم اشاره می‌کنیم، درواقع در مورد جرم آن صحبت می‌کنیم. جرم مقدار ماده‌ای است که یک جسم از آن ساخته شده است در حالی که وزن، اندازه‌گیری مقدار نیروی گرانش بر مقدار معینی از جرم است
حوزه‌های تحقیقاتی، صنعت و تجارت به ظرفیت‌های اندازه‌گیری وزن اجسام مختلف در شرایط به ظاهر نامحدود از شرایط محیطی و محدودیت‌های فضایی نیاز دارند، در عین حال خطاهای احتمالی هم باید کنترل شوند. بنابراین، اگرچه کرنش‌سنج‌ها پرمصرف‌ترین نوع لودسل‌ها هستند، اما امروزه از آنچه در ترازوهای معمول خانگی استفاده می‌شوند، بسیار فاصله دارند.
لودسل‌های پنوماتیکی در ترازو صنعتی
صنایعی که به ایمنی بیشتری نیاز دارند، اغلب به لودسل‌های پنوماتیکی «pneumatic load cells» روی می‌آورند که وزن یک جسم را با اندازه‌گیری فشار هوای لازم برای متعادل‌سازی به دست می‌آورند. لودسل‌های پنوماتیکی می‌توانند طیف وسیعی از وزن را با دقت بالا تحمل کنند، اما به فضایی تمیز و خشک نیاز دارند.
لودسل‌های هیدرولیک
لودسل‌های هیدرولیک «Hydraulic load cells» که وزن را به عنوان تغییر فشار سیال اندازه گیری می‌کنند، بدون الکتریسیته کار می‌کنند و به خوبی در مکان‌های دور از دسترس که برق ندارند کار می‌کنند.
- فناوری تشخیص چهره چگونه کار می‌کند؟ (به زبان ساده)
- حقایقی در مورد کارکرد ماوس کامپیوتر که احتمالا نمی‌دانستید
دانشمندان چطور کشش بین مولکولی را اندازه‌گیری می‌کنند؟
قانون هوک فقط برای وزن کردن اجسام نیست، بلکه این قانون در عملکرد یکی از کوچکترین دستگاه‌های اندازه‌گیری نیرو در جهان یعنی میکروسکوپ نیروی اتمی جاری است. از این نوع میکروسکوپ‌ها در بیوشیمی، زیست‌شناسی و مهندسی مواد استفاده می‌شود. چنین میکروسکوپ‌هایی از سیلیکون یا سیلیکون نیترید در مقیاس میکرونی به عنوان کانتولیور «cantilever» (میله‌ای فنر مانند، که فقط از یک طرف پشتیبانی می‌شود) برای تشخیص کشش ناگهانی در مقیاس نانونیوتن و پیکونیوتون و نیروهایی در مقیاس جاذبه‌های بین مولکولی استفاده می‌کنند.
منبع: howstaffworks
