microbilancia
Bilancia di elevata sensibilità e piccola portata. Le m. possono essere strutturalmente bilance di precisione a due piatti nelle quali sono posti in atto vari accorgimenti (per es., nel sistema di carico) e inseriti vari dispositivi (come sistemi ottici, elettrostatici di lettura del punto di equilibrio) per elevarne le prestazioni. In alcuni sistemi ottici di lettura del punto di equilibrio, uno schermo opaco solidale con uno dei bracci della bilancia intercetta, più o meno, un fascio di luce in arrivo a una fotocellula: la variazione del segnale elettrico indica di quanto e in che direzione il braccio della bilancia è lontano dalla posizione ‘zero’. Il segnale è digitalizzato su display tarati, di norma, in unità di massa. La sensibilità di lettura può essere aumentata (anche di un fattore 100) con il sistema della leva ottica, nel quale uno specchio posto nel punto di fulcro della bilancia riflette un fascio di luce a un sistema di fotocellule. I sistemi elettrostatici di lettura del punto di equilibrio si basano, invece, sulle variazioni di capacità di una coppia di condensatori aventi un’armatura in comune, solidale con un braccio della bilancia e posta a terra. I due condensatori variabili di questo sensore di equilibrio sono inseriti in due circuiti oscillanti le cui frequenze sono identiche quando il giogo della bilancia è orizzontale. Per posizioni di equilibrio diverse, le differenze di frequenza dei due circuiti sono elaborate dall’elettronica come differenze di massa.
Nelle m. sin qui considerate la misura di una massa è eseguita per confronto con masse campione e i sottomultipli della massa campione più piccola usata sono indicati dalla differenza fra il punto di equilibrio a bilancia carica e il punto ‘zero’ a bilancia scarica; i sensori di equilibrio descritti non evitano infatti l’uso di masse campione. Queste sono disposte all’interno della m., inaccessibili all’operatore tranne che attraverso manipolatori meccanici che ne consentono l’aggiunta o la sottrazione dal lato portacampioni della bilancia. Sensori elettromeccanici possono determinare la posizione dei manipolatori consentendo di digitalizzare completamente la microbilancia. Un notevole progresso delle m. si è avuto quando i sensori di equilibrio sopra descritti sono diventati sensori di servomeccanismi adatti a riportare la bilancia in posizione di zero. La bilancia, in questi casi, non è mai libera di allontanarsi di grandi angoli da una predefinita posizione di equilibrio per variazioni delle masse sul piatto portaoggetti; essa è rapidamente riportata alla posizione iniziale da una forza elettromagnetica servocontrollata applicata a uno dei suoi bracci: l’intensità di corrente necessaria perché l’elettromagnete riporti lo strumento in equilibrio è convertita dall’elettronica del sistema in unità di massa. In figura è mostrato un sistema ibrido nel quale coesistono il servomeccanismo elettromagnetico a, controllato dal sensore di equilibrio b, e le masse campione interne c. Lo strumento indica su un unico display d la somma dei segnali dei due sistemi sensori. In una m. ibrida di buona qualità che abbia, per es., una portata massima di 3,000 g le masse campione interne coprono l’intervallo 0-2,999 g, mentre le cifre decimali inferiori a 1 mg sono lette dal sistema elettromagnetico con riproducibilità che possono arrivare a 10−7 g. Nelle m. più moderne sono state eliminate anche le masse campione interne e la necessità di intervento dell’operatore che le manovri: in esse la forza peso agente sul campione da pesare è totalmente controbilanciata da una forza elettromagnetica. Lo strumento risponde molto rapidamente alle variazioni di carico con variazioni di intensità di corrente nell’elettromagnete. La conseguenza più importante dell’eliminazione delle masse campione interne, è che lo strumento diviene così una bilancia dinamometrica e come tale richiede di essere tarata mediante masse campione.
Mediante l’impiego di un microprocessore, alcune m. moderne tengono conto delle variazioni di temperatura e distinguono le vibrazioni o le correnti d’aria da una variazione del carico. Poiché le cariche elettriche statiche del campione e delle singole parti dello strumento possono causare notevoli errori in misure di alta precisione, per evitare tali inconvenienti le m. vengono dotate di dispositivi ionizzanti antistatici. Alcune m. più recenti sono a totale levitazione magnetica con conseguente scomparsa di qualsiasi sospensione meccanica. Anche nelle m. la spinta di Archimede, dipendendo dal volume dell’oggetto da pesare, non è compensabile ed è quindi necessario ricorrere alle dovute correzioni.