เครื่องมือวิทยาศาสตร

83

บทที่ 4 : เครื่องชั่ง

(BALANCE) เครื่องชั่งเปนเครื่องมือที่จําเปนชนิดหนึ่งของหองปฏิบัติการวิทยาศาสตร เพราะการวิเคราะห

สวนใหญเปนการวิเคราะหเชิงปริมาณ(quantitative analysis) ที่ตองอาศัยเครื่องชั่งชวยในการวิเคราะหเปรียบเทียบกบัสารมาตรฐานที่ตองทราบปริมาณหรือความเขมขนที่แนนอน

ในเชิงทฤษฎีเครื่องชั่งเปนอุปกรณที่ใชสําหรับหามวล(mass) ของวัตถุ แตในทางปฏิบัติใชเปนอุปกรณสําหรับหาน้ําหนัก(weight)ของวัตถุ เนื่องจากมวลมีความสัมพันธกับน้ําหนักอยางใกลชิดกลาวคือ น้ําหนกัคือแรงที่โลกกระทําตอมวลซึ่งสามารถหาความสัมพันธไดจากสูตร W = k (Me x Mu) r2

เมื่อ W = น้ําหนกั k = Gravitational constant Me = มวลของโลก Mu = มวลของวัตถุ r = ระยะหางระหวางจุดศูนยกลางของโลก และจุดศนูยกลางของวตัถุ น้ําหนกัจะเทากับแรงโนมถวงของโลก(gravitational force, Fg ในหนวย g) เมื่อวัตถุไมมีแรงอ่ืนมากระทํา แตในสภาพความเปนจริงวตัถุบนพื้นโลกมีแรงอื่น ๆ มากระทําอีก ตัวอยางเชน แรงหนีศูนยกลางของวัตถุ(centrifugal force, Fc) ซ่ึงมีมากที่สุดบริเวณเสนศนูยสูตรของโลก(equator line) และมีนอยที่สุดที่บริเวณขั้วโลก แรงอีกชนิดหนึ่งคือ แรงดึงดูดจากดาวเคราะหตาง ๆ ที่อยูใกลโลกโดยเฉพาะดวงจันทร(Fm)(สังเกตจากการขึ้นลงของน้ําทะเล) แรงดงึดูดชนิดนี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา เพราะระยะหางของทางระหวางมวลกับดวงจันทรเปลี่ยนแปลง แตเนื่องจากมวลของวัตถุที่ช่ังมักมีขนาดเล็ก ประกอบกับวัตถุที่ช่ังหางจากดวงจนัทรมาก แรงดึงดูดจากดวงจันทรจึงทําใหน้ําหนักของวัตถุที่ช่ังลดลงนอยมาก เมื่อคิดเฉพาะแรงที่กระทําตอมวลดังกลาวแลวขางตน น้ําหนักจึงมีคาเทากับ Fg-Fc หรือเทากับ Fc-Fm เมื่อ Fm มีคานอยมาก(รูปที่ 4.1 ก)

เครื่องช่ัง

84

ในอีกความหมายหนึ่งน้ําหนักคือแรงที่กระทําตอวัตถุภายใน 1 วินาท ี แลวทําใหวัตถุซ่ึงอยูนิ่งมีความเร็ว 9.81 เมตร/วินาที (รูปที่ 4.1 ข) ดงันั้น

น้ําหนัก (Wu) = มวลของวัตถุ (Mu) x ความเรง เนื่องจากความแรง 1 นิวตัน (Newton) คือแรงที่กระทําตอมวล 1 กิโลกรัม ภายใน 1 วินาที

รูปท่ี 4.1 น้าํหนักในความหมายที่เก่ียวกับแรงโนมถวงของโลก (ก) หรือแรงที่ กระทําตอมวล (ข)

เครื่องมือวิทยาศาสตร

85

แลวทําใหมวลมีความเร็ว 1 เมตร/วินาท ี เพราะฉะนัน้น้ําหนัก 1 กิโลกรัมจึงมีคาเทากับแรง 9.81 นิวตัน ซ่ึงความสัมพันธของมวลและน้ําหนกัดังกลาวจะเปลี่ยนแปลงไดเล็กนอยตามตําแหนงของมวลที่อยูบนพืน้โลก เพราะความเรงโนมถวงของโลก(gravitational acceleration) ที่กระทําตอมวลมคีาแตกตางกนั กลาวคือมีคา 9.83 เมตร/วินาที2 9.81 เมตร/วินาที2 และ 9.78 เมตร/วินาที2 ที่บริเวณขั้วโลก บริเวณกึ่งกลางระหวางขั้วโลกกับเสนศูนยสูตร และบริเวณเสนศูนยสูตรตามลําดับ ดังนัน้ที่บริเวณเสนศนูยสูตรน้ําหนกั 1 กิโลกรัมมีคาเทากับมวล 1 กิโลกรัมพอด ี แตที่บริเวณขั้วโลกน้ําหนกั 1 กิโลกรัมจะมากกวามวล 1 กโิลกรัม

หลักการหาน้ําหนัก การหาน้ําหนกัของวัตถุแบงออกเปน 2 วิธีใหญคือ การเปรียบเทยีบมวลของวัตถุกับมวลมาตรฐาน(mass-mass comparison) โดยใชคานชั่ง(beam) บนจุดหมนุ(falcum) และการเปรียบเทียบแรงที่กระทําตอมวล(mass-force comparison)

1. การเปรียบเทยีบมวล นิยมทาํใน 2 ลักษณะคือ 1.1 แบบคานชั่งมคีวามยาวเทากนั(equal beam type) (รูปที่ 4.2) เปนการเปรียบเทียบ

มวลโดยตรงโดยการแขวนมวลของวัตถุ(Mu) และมวลทีท่ราบน้ําหนักมาตรฐาน(Ms) ไวที่ปลายคานช่ังทั้งสองขางที่ยาวเทากัน(L1 = L2) เมื่อคานชั่งอยูในแนวระนาบขนานกับพืน้โลกเหมือนสภาวะกอนวางมวลทัง้สอง จึงสามารถหาน้ําหนกัของวัตถุไดดังนี้

Mu x g x L1 = Ms x g x L2

จากสมการขางตนจะเห็นไดวาระบบคานชัง่ยาวเทากันสามารถลดอิทธิพลจากแรงอื่น ๆ ไดเนื่องจากมวลทั้งสองไดรับแรงกระทําจากภายนอกเทากนั แตน้ําหนักของวัตถุจะผิดพลาดถาคานชั่งทั้งสองขางยาวไมเทากัน ซ่ึงอาจแกไขโดยการชั่งวัตถุนั้นในจานชั่ง(pan) ขางซาย แลวจึงชั่งในจานช่ังขางขวา หลังจากนั้นหาคาเฉลี่ยของน้ําหนักจากการชัง่ 2 คร้ังดังกลาว(Gauss’s method of double weighing) การชั่งแบบนี้ถามีแรงกดที่จดุหมุนไมเทากนัทําใหความไวในการชั่งเปลี่ยนแปลง กลาวคือถามีแรงกดมากความไว(sensitivity) ในการชั่งจะลดลงมาก การประยกุตใชอาจพบในแบบเครื่องชั่งจานชั่งเดี่ยว(single pan balance) หรือเครื่องชั่งจานชั่งคู(two pan balance)(รูปที่ 4.2) เครื่องชั่งชนิดจานชั่งเดีย่วตองใชน้ําหนักถวง(Wb) ถวงน้ํา หนักของจานชั่ง(Wp) เพื่อใหคานอยูในแนวระนาบ โดยดูจากเข็มชี้อยูที่ขีดศนูยบนสเกลอานคา เมื่อใสวตัถุ (Mu) ลงบนจานชั่ง คานชั่งจะเอยีง เข็มชี้จะชี้ไปบนสเกลอานคาน้ําหนัก ทําใหสามารถหาน้ําหนักของวัตถุไดโดยตรง เพราะสเกลอานคาถูกแบงใหถูกตองโดยคํานวณจากแรงที่กระทําตอมวลมาตรฐานที่ทราบน้ําหนกั(Ms) เมื่อมวลมาตรฐานเคลื่อนที่ออกจากแนวจุดหมุน (L) สวนการชั่งแบบจานชั่งคู หาน้าํหนักของวัตถุ(Mu) โดยการเปรียบเทียบกับมวลมาตรฐาน(Ms1) เมื่อคานชั่งอยูในแนว

เครื่องช่ัง

86

ระนาบหรือไมอยูแนวระนาบได ในกรณีหลังตองบวกน้ําหนักที่อานไดจากสเกลอานคากับน้ําหนักของมวลมาตรฐาน(Ws1)

รูปท่ี 4.2 หลักการชั่งน้ําหนักโดยใชระบบคานชัง่ยาวเทากนั

เครื่องมือวิทยาศาสตร

87

รูปท่ี 4.3 การชั่งน้าํหนักโดยใชการแทนที่น้าํหนักบนคานชั่งท่ียาวไมเทากัน

1.2 แบบคานชั่งยาวไมเทากนั(unequal beam type) นอกจากจะมหีลักการหาน้ําหนกัและ

การประยกุตใชเหมือนกับแบบคานชั่งยาวเทากันแลว ยังมีการประยกุตใชที่แตกตางกันออกไปคือ ใช

เครื่องช่ัง

88

การแทนที่น้ําหนักมาตรฐาน(substitution) เพื่อใหจุดหมุนรับน้ําหนกัคงที่ตลอดเวลา(constant load) วัตถุและน้ําหนักมาตรฐานถกูเปรียบเทยีบบนคานชั่งขางเดียวกัน เปนผลใหลดความผิดพลาดอันเนื่องมาจากความยาวของคานชั่งที่อาจไมเทากัน และทําใหเครื่องชั่งมคีวามไวมากขึน้

รูปที่ 4.3 แสดงหลักการทํางานแบบแทนที่น้ําหนกัมาตรฐาน เมื่อยังไมไดช่ังน้ําหนักคานชั่งจะอยูในแนวระนาบขนานกบัพื้นโลก โดยการถวงคานใหสมดุลดวยตุมน้ําหนัก(Mb) เมื่อวางวตัถุลงในจานชั่ง(Mu) คานชั่งจะเอยีง หลังจากนั้นยกตุมน้ําหนักมาตรฐาน(Ms1, Ms2…..) ที่แขวนอยูเหนือจานชั่งออกจนคานอยูในสมดุลเหมือนสภาวะกอนชั่ง ดังนัน้น้ําหนักของวัตถุบนจานชั่งจึงเทากับน้ําหนกัของตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่ถูกเอาออกไป ถึงแมวาเครื่องชั่งชนิดนี้จะมคีวามถูกตองและความแมนยาํในการชั่งดกีต็าม แตอิทธิพลของความหนาแนนของตุมน้ําหนักมาตรฐาน วัตถุ และอากาศ ทําใหการชัง่น้ําหนกัไดนอยกวาคาจริง ถาตองการหาน้ําหนักสัมบูรณ(absolute weight) ตองบวกน้ําหนักที่หายไปกับน้ําหนกัที่ช่ังได โดยน้ําหนกัที่หายไปสามารถคํานวณไดจากสตูร W1 = n (1x10-5 - da/ds + da/du) โดย W1 = น้ําหนกัที่หายไปในหนวยกรัม n = น้ําหนกัที่ช่ังไดในหนวยกรัม da = ความหนาแนนของอากาศซึ่งมีคาเฉลี่ย ประมาณ 0.0012 กรัม/มล. ds = ความหนาแนนของตุมน้ําหนกัมาตรฐาน (เหล็กกลาไรสนิมมีคาประมาณ 7.85 กรัม/มล.) du = ความหนาแนนของวตัถุที่นํามาชั่ง 2. แบบเปรียบเทียบแรงที่กระทําตอมวลของวัตถุ อาจใชแบบสปริง แบบไฮดรอลิก (hydraulic load cell) แบบนิวมาติก(pneumatic load cell) หรือ แบบสนามแมเหล็กไฟฟา (electromagnetic coil)(รูปที่ 4.4) แบบสนามแมเหล็กไฟฟาอาศัยการเคลื่อนที่ของสารแมเหล็กแลวทําใหเกดิการเปลีย่นแปลงสนามแมเหล็กไฟฟาเปนผลใหมกีระแสไฟฟาไหลในขดลวด

ดังนั้นจึงสามารถหาน้ําหนกัไดจาก โวลตของกระแสไฟฟาที่ถูกเปลี่ยนใหเปนคาน้ําหนักบนสเกลอานคาน้ําหนัก ซ่ึงกําหนดสเกลโดยใชตุมน้ําหนักมาตรฐานเปรียบเทียบ เนื่องจากมีความไวสูงมากจึงเหมาะสําหรับการชั่งวัตถุปริมาณนอย ๆ สวนแบบสปริงใชสําหรับการชั่งน้ําหนักนอย ๆ จนถึงหลายพันกิโลกรัม สวนแบบไฮดรอลิกสามารถชั่งน้ําหนกัไดมากถึง หลายแสนกิโลกรัม

เครื่องมือวิทยาศาสตร

89

รูปท่ี 4.4 การหาน้ําหนักโดยการเปรียบเทียบแรงที่กระทําตอมวลแบบใชสปรงิ (ก,ข) แบบนิวมาติก (ค) แบบไฮดรอลกิ (ง) และแบบสนามแมเหล็กไฟฟา (จ)

เครื่องช่ัง

90

ปจจัยที่ทําใหการชั่งน้ําหนักผิดพลาด การชั่งน้ําหนกัผิดพลาดเกิดจากสาเหตุ 3 ประการคือ วัตถุมีการเปลี่ยนแปลงน้ําหนัก ตุมน้ําหนกัมาตรฐานไมถูกตอง และมแีรงกระทําจากภายนอกทําใหช่ังน้ําหนกัผิดพลาด ซ่ึงจําเปนตองคํานึงถึงปจจัยเหลานี้เสมอเมือ่ทําการชั่งน้ําหนัก

1. น้ําหนกัของสารมีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจาก 1.1 มีความชื้นปนอยู โดยเฉพาะวตัถุที่ไมมีผลึกน้ําอยูในโมเลกุล การไลความชื้นกระทําไดโดยการอบวัตถุในภาชนะ ปลอยใหเย็นในหมอดดูความชื้น(desiccator) หลังจากเย็นนํามาชั่งทนัที

1.2 มีส่ิงสกปรกเจอืปน สารเจือปนอาจจะถูกชั่งรวมกับวตัถุที่ตองการได อาจมีสาเหต ุมาจากการใชสารเคมีที่สกปรก ใชสารเคมีเสื่อมคุณภาพ ใชชอนตกัสารที่สกปรก ใชภารชนะชั่งที่สกปรก จานชัง่สกปรก ฯลฯ.

2. ตุมน้ําหนกัมาตรฐานมีน้ําหนักไมถูกตอง อาจเกิดจากการใชตุมน้ําหนักคุณภาพต่ํา ตุม น้ําหนกัที่สกปรก หรือตุมน้าํหนักที่ถูกกัดกรอน

3. แรงจากภายนอก แรงทีท่ําใหการชั่งน้าํหนักไมถูกตองมีดังนี้ 3.1 แรงยกตวัของอากาศ(air buoyancy) เกดิขึ้นเพราะอากาศมีความหนาแนนประมาณ 1.2 มก./มล. ที่ 20 0ซ เมื่อถูกแทนที่ดวยวตัถุจึงเกิดแรงตานกระทําตอวัตถุนั้น แรงตานจะมีมาก เมื่อวตัถุนั้นมีปริมาตรมาก การแกไขกระทําไดโดยการบวกน้ําหนักที่ช่ังไดกับน้ําหนกัที่เกดิจากผลคูณระหวาง เลข 1.2 กับปริมาตรของอากาศที่ถูกแทนที่ (เทากับปริมาตรของวัตถุ) 3.2 ลมที่เกดิจากวัตถุที่นํามาชั่งรอน ความรอนทําใหอากาศรอนลอยตัวสูงขึ้น และอากาศที่เย็นกวาไหลเขามาแทนที่ กระแสของอากาศเยน็จะดนัวัตถุขึ้น ทําใหช่ังน้ําหนักวัตถุไดนอยกวาคาจริง 3.3 แรงดูดหรือแรงผลักระหวางประจ ุ เกดิขึ้นเมื่อวัตถุมปีระจุไฟฟาและอุปกรณ หรืออากาศรอบ ๆ มีประจุไฟฟา ถามีประจุเหมือนกนัจะเกิดแรงผลักกนั แตถามีประจุตางกนัจะดดูกัน ดังนั้นผลของประจุไฟฟาจึงอาจทําใหช่ังน้าํหนักไดนอยหรือมากกวาน้าํจริง 3.4 แรงหนศีนูยกลาง การหมุนของโลกทําใหวตัถุเกิดแรงหนีศูนยกลาง ถามีแรงดังกลาวมากจะทําใหวตัถุมีน้ําหนักต่าํกวาน้ําหนกัจริง 3.5 แรงดึงดูดจากดาวเคราะหดวงอืน่ แรงที่กระทําตอวัตถุบนพื้นโลกจะมีการแปรผันตามเวลา(chronological variation) เพราะแรงดงึดูดขึ้นอยูกับระยะหางระหวางวัตถุกับดาวเคราะหเหลานั้น ซ่ึงไมคงที่ เนื่องจากมีการโคจรและมีการหมุนรอบตัวเองตลอดเวลา

ชนิดและองคประกอบของเครื่องชั่ง เครื่องชั่งในหองปฏิบัติการอาจแบงตามระบบการชั่งออกเปน 2 ชนดิ คือ เครื่องชั่งแบบกล (mechanical balance) ที่อาศัยคานและจุดหมุน และแบบอิเล็กทรอนิกส (electronic balance) ซ่ึงอาศัย

เครื่องมือวิทยาศาสตร

91

การเปลี่ยนแปลงของสนามแมเหล็กไฟฟา แตอยางไรก็ตามยังสามารถแบงเครื่องชั่งโดยอาศัยความถูกตองในการชั่งออกไดเปน 2 ชนิด คือเครื่องชั่งหยาบ ซ่ึงมีความถูกตองอยูในชวง 0.1 กรัมถึง 0.01 กรัม และเครื่องชั่งละเอียดหรือเครื่องชั่งวิเคราะห(analytical balance) ซ่ึงมีความถูกตองในการชั่งอยูในชวง 0.001 กรัม ถึง 0.00001 กรัม

เนื่องจากเครื่องชั่งแตละแบบมีโครงสราง องคประกอบ และวิธีใชงานที่แตกตางกันจึงใครยกตวัอยางเครือ่งช่ังบางชนิดที่นิยมใชอยูในหองปฏิบัติการวิทยาศาสตร เพื่อใหครอบคลุมหลักการชั่งที่กลาวมาแลวขางตน ดังนี้ 1. เครื่องชั่งแบบคานชั่งยาวเทากัน(equal beam balance) มีความละเอยีดในการชั่งอยูในชวง 0.1 ถึง 0.0001 กรัม ขึ้นอยูกับการออกแบบ มีองคประกอบที่สําคัญดังนี้ (รูปที่ 4.5 ก)

1.1 จานชั่ง(pan) มักทําดวยเหล็กกลาไรสนิม แขวนอยูที่ตัวแขวน(stirrup) ที่ปลายคาน ช่ังทั้งสองขาง

1.2 คานชั่ง beam) ถูกแบงออกเปนสองสวนที่มีความยาวเทากันดวยจุดหมุน(falcum) 1.3 สกรูปรับระดับ(leveling screw) อยูบริเวณฐานเครื่องชัง่ ใชปรับระดับเครื่องชั่งให

อยูในแนวขนานกับพื้นโลก โดยสังเกตระดับจากตาํแหนงของฟองอากาศในชองมองบริเวณฐานเครื่องชั่ง

กลาวคือถาเครื่องชั่งวางขนานกับพื้นโลกฟองอากาศจะอยูตรงกลางชองวัดระดับพอดี ถาฟองอากาศเลื่อนไปอยูทางดานใดดานหนึ่ง แสดงวาดานนั้นมีระดับสูงกวาดานอื่น ๆ ควรลดความสูงดานนั้นลงโดยปรับสกรูปรับระดบัที่ฐานเครื่องชั่ง หรือปรับสกรูปรับระดับที่ฐานเครื่องชั่งดานอื่นเพื่อใหอีกดานหนึ่งสูงขึ้นจนฟองอากาศเคลื่อนมาอยูตรงกลางชองวัดระดับพอด ี 1.4 ปุมตรึงคานและจานชั่ง(beam and pan arrest knob) ใชสําหรับยกคานชั่งขึน้ (คมมีดไมถูกกด) และใชหยุดการแกวงของจานชัง่โดยตัวตรึงจานชั่งที่อยูใตจานชั่ง 1.5 ตัวแขวน(stirrup) เปนตะขอสําหรับแขวนจานชั่ง ติดตั้งอยูบนคมมีด(knife edge) ที่ปลายคานชั่งทั้งสองขาง

2. เครื่องชั่งแบบ 3 คานชั่ง(triple beam balance) มีความถูกตองในการชั่งประมาณ 0.1 กรัม และเหมาะสําหรับการชั่งวัตถุที่มีน้ําหนักมากปานกลาง มีองคประกอบที่สําคัญ ตามรูปที่ 4.5 ข

2.1 จานชั่งวางอยูบนคานชั่งดานซายซึ่งสั้นกวา จํานวน 1 จาน 2.2 สกรูปรับสมดุลซ่ึงอยูที่ปลายของคานชั่งดานสั้น 2.3 คานชั่งดานยาวมี 3 คาน (triple beam) แบงสเกลอานคาน้ําหนกัออกเปนชวง ๆ

ตัวอยางเชน 0-1 กรัม 0-50 กรัม และ 0-100 กรัม เปนตน 2.4 ตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่เคลื่อนที่ได(movable weight) อยูบนคานชั่งคานละ 1 อัน 2.5 เข็มชี้อยูที่ปลายคานชั่งดานยาว ซ่ึงจะชี้เลข 0 บนสเกลเมื่อคานชั่งอยูในสมดุลและ

ขนานกับพืน้โลก

เครื่องช่ัง

92

รูปท่ี 4.5 องคประกอบหลักของเครื่องชั่งแบบคานชั่งยาวเทากัน (ก) และเครื่อง ชั่งแบบ 3 คานชั่ง (ข)

3. เครื่องชั่งแบบแทนที่น้ําหนักมาตรฐาน(substitution balance) เปนเครื่องชั่งที่มีความ

ถูกตองสูง เพราะสามารถแกความผิดพลาดอันเนื่องมาจากคมมีดรับน้าํหนักไมคงที่และความยาวของคานชั่งที่อาจไมเทากันได ดังนั้นจึงเหมาะสําหรับการชั่งสารที่มีปริมาณนอยมากแตตองการความ ถูกตองสูงมาก มีองคประกอบที่สําคัญตาม รูปที่ 4.6

3.1 คานชั่ง วางอยูบนคมมีดซึ่งแบง คานชั่งออกเปน 2 สวนที่ยาวไมเทากนั 3.2 ตุมน้ําหนกัปรับความไว(sensitivity adjustment weight) อยูดานบนคานชั่ง 3.3 ตุมน้ําหนกัปรับสมดุล(counter weight) ใชสําหรับถวงน้ําหนกัเพื่อใหคานทั้งสอง

ขางซึ่งยาวไมเทากัน และมนี้ําหนกัไมเทากันอยูในสมดลุในแนวขนานกับพื้นโลกเมื่อยังไมมีวัตถุวางอยูบนจานชั่ง ใชเมื่อปุมปรบัศูนย(zero adjustment knob) ไมสามารถปรับจออานคาใหอยูที่ตําแหนง 00

เครื่องมือวิทยาศาสตร

93

3.4 ตัวหนวงการเคลื่อนไหวดวยอากาศ(air damper) ใชสําหรับหนวงการเคลื่อนไหวของคานชั่ง โดยใชกระบอกสูบและลูกสูบทําใหเกดิแรงตานของอากาศตอตานการเคลื่อนไหวของคานชั่ง ทําใหคานชั่งอยูในสมดุลเร็วขึ้น และเคลื่อนที่ขึ้นลงนิ่มนวล

3.5 สเกลอานคาของคาน(optical scale) ติดอยูที่ปลายคานชั่งดานยาว แสงจากหลอดไฟจะหกัเหผานสเกลดังกลาว ผานเลนสปรับความชัดและหักเหออกไปปรากฏยังจออานคา ตัวเลขบนสเกลมักเริ่มจาก 00 ถึง 120 มก. (สําหรับเครื่องชั่งที่ช่ังไดละเอียดถึง 0.00001 กรัม) หรือเร่ิมจาก 00 ถึง 1,000 มก. (สําหรับเครื่องชั่งที่ช่ังไดละเอยีดถึง 0.0001 กรัม) โดยตําแหนง 00 ที่จออานคา หมายถึงคานอยูในสภาวะสมดุลและขนานกับพืน้โลก ตัวเลขอื่น ๆ หมายถึงคานชั่งเอียงไปจากสมดุลดวยแรงหรือน้ําหนกัเทาใด ดังนัน้ในการหาน้ําหนักของวัตถุจึงตองบวกตวัเลขเหลานี้เขากับน้ําหนักของตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่ถูกยกออกจากคานชั่งดานสั้น 3.6 ตวัแขวน สวนบนของตัวแขวนวางอยูบนคมมีด สวนลางเปนที่แขวนตุมน้าํหนักมาตรฐานขนาดตาง ๆ 3.7 ตุมน้ําหนักมาตรฐาน แขวนอยูใตคานชั่งดานสั้นมีหลายขนาด สามารถยกออกจากคานไดดวยระบบกล ผานปุมควบคุมน้ําหนัก(weight control knob) ตุมน้ําหนกัมาตรฐานมักทําจากโลหะซึ่งทนตอการกัดกรอนและไมเปนแมเหล็ก(antimagnetic steel) ตัวอยางเชน โลหะผสมของ นิเกิลและโครเมี่ยม อาจมีรูปรางเปนวงแหวนทรงกลม หรือทรงกระบอก 3.8 จานชั่ง มักเปนเหล็กกลาไรสนิมรูปวงกลม แขวนอยูใตตุมน้ําหนกัมาตรฐาน มีเสนผานศูนยกลางประมาณ 8-10 ซม.

3.9 ตัวหยุดจาน(pan brake) เปนแทงโลหะทีเ่ล่ือนขึ้นลงไดอยูใตจานชั่ง มีหนาที่แตะ จานชั่งใหหยุดแกวงอยางรวดเร็ว

3.10 ปุมตรึงคานและจานชั่ง โดยทั่วไปจะหมุนได 3 ตําแหนง คือ 3.10.1 ตําแหนงตรึงคานและจานชั่ง (arrestment) ตําแหนงนีก้ลไกภายในจะยกตัว

หยุดจานชั่งใหแตะจานชั่ง ยกคานชั่งและตวัแขวนใหสูงขึ้น ทําใหคมมดีไมถูกคานกด 3.10.2 ตําแหนงชั่งน้าํหนักคราว ๆ(pre weighing) ตําแหนงนีค้านชั่งและจานชั่งเปนอิสระ คมมีถูกกดดวยน้ําหนัก แตการแกวงของคานชัง่ถูกจํากัดเนื่องจากมีแรงดึงของสปริงที่บริเวณคานชั่งดานยาว ทําใหหาน้ําหนักคราว ๆ ไดจากแรงดึงของสปริงที่ปรับความแรงได

3.10.3 ตําแหนงชั่งน้ําหนักอยางละเอียด (fine weighing) คานชั่งและจานชั่งมีความ อิสระในการเคลื่อนไหวมากที่สุดตามกลไกที่ถูกออกแบบไว จึงใชเมื่อตองการหาน้ําหนักที่ถูกตองมากที่สุด

3.11 ปุมควบคุมน้ําหนัก(weight control knob) ใชสําหรับเลือกยกน้าํหนักมาตรฐานที่อยูเหนือจานชั่งออก โดยทัว่ไปมี 3 ปุม คือ ปุมเลือกยกน้ําหนักชวง 1-9 กรัม 10-90 กรัม และ 100 กรัม สําหรับเครื่องชั่งที่ช่ังไดสูงสุด 200 กรัม

เครื่องช่ัง

94

รูปท่ี 4.6 โครงสรางของเครือ่งชัง่ชนดิแทนที่น้ําหนักมาตรฐาน

3.12 ปุมปรบัศูนย(zero adjustment knob) ใชสําหรับปรับศูนยของสเกลอานคาของคาน

ช่ัง โดยปรับใหเสนชี้ (index line) ของสเกลอานคาใหอยูตรงช องชี้(index fork) หรือเสนชี้ของจออานคาพอดี เมื่อหมุนปุมดังกลาวกลไกภายในจะเปลีย่นมุมของกระจกสะทอนแสง ซ่ึงรับแสงมาจากสเกลอานคาของคานชั่งแลวสะทอนไปยังจออานคา

เครื่องมือวิทยาศาสตร

95

3.13 ปุมวัดละเอียด(micrometer knob) ใชสําหรับวัดสเกลอานคาของคานชั่งโดยละเอียด เนื่องจากในการชั่งน้ําหนักจรงิ ๆ เสนชีข้องสเกลอานคาของคานชั่งอาจอยูในตําแหนงที่ไมตรงกับชองชี้ของจออานคาพอดีจึงตองปรับใหตรงกัน เมื่อหมุนปุมนี้จะเกิดการเลื่อนตําแหนงของชองชี้ของจออานคา 3.14 ปุมหักน้ําหนกัภาชนะชั่งแบบแสง(optical tare knob) อาศัยระบบกลไกดันหรือดึงคานชั่งดานยาวใหเคลื่อนที่ลงเล็กนอย เพื่อใหคานชั่งอยูในสมดุลอีกครั้งหนึ่ง หลังจากที่เสียสมดุลเมื่อวางภาชนะชั่งสารลงบนจานชั่ง โดยระยะทีเ่คลื่อนที่นี้ถูกจํากดัใหอยูในชวงสเกลอานคาของคานช่ังซึ่งแทนคาน้ําหนกัที่นอย ดังนั้นจึงใชสําหรับหักน้ําหนักของภาชนะชั่งที่ม ีน้ําหนักเบา ตัวอยางเชน 0.1 กรัม หรือ 1 กรัม เปนตน 3.15 ปุมหกัน้ําหนักภาชนะชั่งแบบกล(mechanical tare knob) ใชทําใหน้ําหนกัของภาชนะชั่งเปนศูนย ปุมดังกลาวจะยกน้ําหนักมาตรฐานที่อยูเหนือจานชั่งออกจนคานชั่งอยูในสมดุลวิธีนี้มีขอดีที่ชวยลดเวลาในการคํานวณหาน้ําหนกัของวตัถุ แตมีขอเสียที่ทําใหน้าํหนักที่ช่ังไดมากที่สุดลดลง ตัวอยางเชนเครือ่งชั่งที่สามารถชั่งน้ําหนักไดสูงสุด 200 กรัม เมื่อใชปุมหักน้ําหนักภาชนะออกไป 40 กรัม จะสามารถชั่งน้ําหนกัสูงสุดเหลือเพียง 160 กรัม 3.16 ปุมเลือกชนิดการชั่ง(changeover knob) ใชสําหรับเลือกชนิดการชั่งแบบปกติ (normal, N หรือ ใชสัญลักษณ I ในเครื่องชั่งยี่หอ Mettler) หรือการชั่งแบบหกัน้ําหนักภาชนะชั่ง (taring, T) 3.17 สกรูปรับระดับของเครื่องชั่ง มักพบอยูบริเวณฐานเครื่องชัง่ดานหนาทั้งสองขางแตในเครื่องชั่งบางแบบอาจพบที่บริเวณฐานดานหลังดวย การปรับเครื่องชั่งใหไดระดบัตองอาศัยการดูฟองอากาศที่อยูในเครื่องชี้ระดับ (level indicator) ซ่ึงอาจอยูที่ฐานหรือดานบนของเครื่องชั่ง กลาวคือถาฟองอากาศเคลื่อนที่ไปทางดานใด แสดงวาดานนั้นมีความสูงกวาอกีดานหนึง่ แตถาฟองอากาศอยูตรงกลางเครื่องชี้ระดับพอดแีสดงวาเครื่องชั่งตั้งอยูในแนวระดับขนานกับพื้นโลก 3.18 จออานคา ประกอบดวยตัวเลขน้ําหนกัของตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่ถูกเอาออก คา น้ําหนกัของสเกลอานคาของคานชั่ง คาน้าํหนักจากการหมุนปุมวดัละเอียด ชองชี้ เสนชี้ และชองแนะนําการเตมิสาร(filling guide)

4. เครื่องชั่งแบบจานชั่งอยูดานบน (top pan balance หรือ top loading balance) เปนเครือ่ง ช่ังที่ช่ังสารไดมากปานกลาง(หลายกิโลกรัม) มีความถูกตองในการชั่งในชวง 0.001-1 กรัม ใชหลักการชั่งแบบแทนที่น้ําหนักมาตรฐาน โดยคมมีดจะรับน้ําหนักคงที่ตลอดเวลาที่น้ําหนกัของวัตถุที่นํามาชั่งเปลี่ยนแปลง มีองคประกอบ ที่สําคัญตามรูปที่ 4.7

4.1 จานชั่งมี 1 อัน มักทําดวยเหล็กกลาไรสนิม อาจพบในรูปทรงกลมหรือรูปสี่เหล่ียม วางกด อยูบนปลายคานชั่งคานหนึ่งดวยคมมีด

4.2 คานชั่ง มีคมมีดแบงคานชั่งออกเปนสองสวนที่ยาวไมเทากัน

เครื่องช่ัง

96

4.3 สเกลอานคาของคานชั่ง ติดอยูที่ปลายคานชั่งโดยสเกลดงักลาวมีแสงไฟสองผานไป ยังเลนสปรับความชัด กระจกสะทอนแสงซึ่งจะสะทอนแสงไปยังจออานคา

4.4 น้ําหนกัปรับสมดุล ใชสําหรับถวงคานใหอยูในสมดุลในแนวขนานกับพื้นโลกเมือ่

รูปท่ี 4.7 โครงสรางของเครือ่งชัง่แบบจานชั่งอยูบนคานและจุดหมุน

ไมมีวัตถุอยูบนจานชั่ง ในเครื่องบางแบบอาจใชขดลวดสปริง(spring coil) ปรับสมดุลแทนการใชตุมน้ําหนกั

4.5 ตุมน้ําหนกัมาตรฐาน มีหลายขนาดน้ําหนกัแขวนอยูที่คานชั่งดานตรงขามกับจานชั่ง 4.6 ปุมควบคุมน้ําหนัก ใชสําหรับยกน้ําหนักจํานวนที่ตองการออกจากคานชั่ง 4.7 ปุมหักน้ําหนักภาชนะแบบแสง ปุมดังกลาวจะทําหนาทีล่ดหรือเพิ่มแรงดึงของสปริง

ที่ยึดคานชั่งอยู ทําใหสามารถปรับตําแหนงของสเกลอานคาใหเปนศนูยได ถึงแมวาจะมภีาชนะชั่งวางอยูบนจานชั่งก็ตาม

4.8 ปุมวัดละเอยีด ใชสําหรับอานคาของสเกลอานคาของคานชั่งโดยละเอยีด 4.9 ปุมปรับศูนย มักพบอยูบริเวณฐานเครื่องชัง่ใชสําหรับปรับศูนยของสเกลอานคาของ

คานชั่ง ปุมดังกลาวจะควบคมุมุมสะทอนของกระจกสะทอนแสงที่สองมาจากสเกลอานคาของคานชั่ง 4.10 สกรูปรับระดับของเครื่องชั่ง มักพบที่บริเวณขาตั้งดานหนาของเครื่องชั่งทั้งสองขาง

4.11 จออานคา มีองคประกอบเหมือนกับขอ 3.18

เครื่องมือวิทยาศาสตร

97

4.12 ตัวหนวงการเคลื่อนไหวของคานดวยแมเหล็ก(magnetic damper) มีประสิทธิภาพ หนวงการเคลื่อนไหวของคานที่หนกัไดดีกวาแบบอากาศ

5. เครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกส อาจพบอยูในรูปของเครื่องชั่งแบบจานชั่งอยูดานบน หรือ แบบแทนทีน่้ําหนักมาตรฐาน ในปจจุบันนิยมใชมากขึน้เรื่อย ๆ เพราะมีราคาถูกลงเมื่อเทียบกับเครื่องช่ังแบบกล มีความถูกตองในการชั่งสูงถึง 0.00001 กรัม ใชงานงาย และมีระบบไมโครโพรเซสเซอรชวยเสริมประสิทธิภาพในการทํางาน ตัวอยางเชน มีระบบนับจํานวนวัตถุที่ใสลงไปชั่ง มีระบบคํานวณที่สามารถเปลี่ยนหนวยการชั่ง เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกสแบบจานชั่งอยูดานบนและใชหลักของแรงชดเชย (compensating force) มีองคประกอบที่สําคัญดังนี้(รูปที่ 4.8)

5.1 จานชั่งวางอยูบนแกนซึ่งสามารถเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวดิ่งไดอยางอิสระ 5.2 ขดลวดชดเชย(compensating coil) มหีนาที่ตรวจสอบตําแหนงศนูยของแทนรอง

จานชั่ง 5.3 ตัวบงชี้ตําแหนง (position indicator) พันอยูบนแมเหล็กถาวร มีหนาที่ชวยตรวจสอบ

ตําแหนงศนูยของแกนรองจานชั่ง 5.4 ภาคขยายสัญญาณไฟฟา ทํางาน เมื่อมนี้ําหนกักดบนจานชั่งทําใหเกิดการเคลื่อนที่

ของแกนรองจานชั่งตัดสนามแมเหล็ก จงึเกิดกระแสไฟฟา(I1) ไหลในขดลวดชดเชยในปริมาณทีม่ากนอยขึ้นอยูกับระยะทางทีแ่กนรองจานชั่งเคลื่อนที่ วงจรขยายจะขยายกระแสไฟฟาใหมากขึ้น เมื่อกระแสไฟฟาดังกลาว(I2)ไหลกลับเขาไปในขดลวดชดเชย จะเกิดการเหนี่ยวนําใหแทงรองจานชัง่ยกตัวขึ้นเมื่อเคลือ่นที่ถึงตําแหนงศูนย(ตรวจจับโดยตวับงชีต้ําแหนง) จะหยุดการขยายสัญญาณ ดังนั้นปริมาณกระแสไฟฟา(I2) ที่ทําใหแกนจานชั่งยกตัวข้ึนถึงตําแหนงศูนยจึงเปนสัดสวนโดยตรงกับ น้ําหนกัที่กดลงบนจานชั่ง

5.5 มาตรความตางศักย ใชสําหรับวัดปริมาณกระแสไฟฟาที่เกิดขึ้น แตสเกลอานคาจะ ถูกแปลงใหเปนในหนวยของน้ําหนกั

5.6 ภาคแปลงสัญญาณอะนาล็อกเปนสัญญาณเชิงตัวเล (analog to digital converter) เนื่องจากเครื่องชั่งสวนใหญนิยมอานคาแบบตัวเลข จึงจําเปนตองเปลี่ยนสัญญาณไฟฟา ซ่ึงเปนสัญญาณอะนาล็อกใหเปนสญัญาณเชิงตัวเลข โดยใชวงจรนับ(counter circuit)

5.7 ภาคประมวลผล(result evaluation) เปนระบบไมโครโพรเซสเซอรที่สามารถคํานวณ เพื่อหักน้ําหนกัภาชนะ เปลีย่นหนวยน้ําหนัก เลือกชวงการชั่งน้ําหนกั ฯลฯ.

5.8 ภาคแสดงผลระบบตัวเลข 5.9 ขดลวดชดเชยอุณหภูม(ิtemperature compensation coil) พบในเครื่องชัง่บางแบบ ม ี

หนาที่รักษาความเขมของสนามแมเหล็กไฟฟาใหคงทีเ่มือ่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ตัวไวความรอน (thermal sensor) จะควบคุมปริมาณกระแสไฟฟาที่ไหลในขดลวดชดเชยอุณหภูมิ ซ่ึงพันอยูบนแกนแมเหล็ก ทําใหการชั่งน้ําหนักถูกตอง ถึงแมวาอณุหภูมจิะเปลี่ยนแปลง

เครื่องช่ัง

98

5.10 ตัวปองกันน้ําหนักเกิน (overload protection device) เปนกลไกที่ทําหนาที่ปองกนั ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากแกนรองจานชั่งถูกกดใหเคลื่อนทีม่ากเกินขดีจํากัด

รูปท่ี 4.8 โครงสรางของเครือ่งชัง่อิเล็กทรอนิกสชนิดจานชั่งอยูดานบน

5.11 ปุมปรับศูนย ใชสําหรับปรับตัวเลขแสดงผลใหเปนศูนยเมื่อไมมีน้ําหนกับนจานชั่ง

การปรับอาศัยการทํางานของภาคประมวลผล 5.12 ปุมปรับเครื่องใหถูกตอง(calibration knob) ใชสําหรับคาตัวเลขที่อานไดใหเทากับ

เครื่องมือวิทยาศาสตร

99

น้ําหนกัมาตรฐาน อาจทําไดโดยใชตุมน้าํหนักมาตรฐานภายนอก หรือใชตุมน้ําหนักมาตรฐานหรือสปริงที่มีแรงดึงมาตรฐานภายในเครื่องชั่งเอง นอกจากองคประกอบดังกลาวแลวขางตน เครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกสแตละแบบยังมีปุมควบคุมแบบตาง ๆ เพิ่มเตมิแตกตางกนัมาก ผูใชควรศึกษารายละเอียดจากคูมอืการใชงานสาํหรับเครื่องนั้น ๆ เพิ่มเติม

วัสดุอุปกรณที่เกี่ยวกับการชั่งน้ําหนัก 1. ตุมน้ําหนกัมาตรฐาน(standard weight หรือ calibration mass) เปนมวลมาตรฐานที่ใชสําหรับเปรียบเทียบหามวลหรือน้ําหนักของวัตถุตาง ๆ โดยมวลมาตรฐานชุดแรกทีส่รางขึ้นถูกเก็บไวที่ International Bareau of Weight and Measure ที่กรุงปารีส สวนตุมน้ําหนกัมาตรฐานจําลองถูกเก็บไวที่ National Bareau of Standard(NBS) ที่กรุงวอชิงตันประเทศสหรัฐอเมริกา เพื่อใชเปรียบเทียบกับตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่ผลิตออกจําหนาย

ตุมน้ําหนกัมาตรฐานอาจพบในรูปแทงทรงกระบอก รูปหกเหลีย่ม แผนวงกลม แผนส่ีเหล่ียม ฯลฯ. (รูปที่ 4.9) อาจทําดวยทองเหลือง ทองเหลืองเคลือบแลคเคอร(lacqured brass) เหล็กกลาไรสนิม(stainless steel) พลาสติก เหล็ก ฯลฯ. ทั้งนี้ขึ้นอยูกับคณุภาพและราคาของตุมน้ําหนกัมาตรฐาน

ตุมน้ําหนกัมาตรฐานแบงออกเปนหลายชนดิ(class) ตามความถูกตองของน้ําหนกั ซ่ึงเรียงจากชนิดที่มีความถูกตองมากไปหานอยไดดังนี้ J>M>S>S-1>P>Q>T งานหองปฏิบัติการวิทยาศาสตรทั่ว ๆ ไปซึ่งไมตองการความถูกตองสูงมากควรใชตุมน้ําหนกัชนดิ S หรือต่ํากวา

ตามขอกําหนดของ NBS เลขที่ 547 กําหนดความผิดพลาดของตุมน้ําหนักมาตรฐานดังตารางที่ 4.1

2. คีมคีบตุมน้ําหนัก(balance weight forceps) ใชสําหรับคีบตุมน้ําหนกัมาตรฐานเพือ่ปองกันน้ําหนกัของตุมน้ําหนกัมาตรฐานเลี่ยนแปลง เนื่องจากสิ่งสกปรกจากมือติดบนตุมน้าํหนัก หรือกัดกรอนตุมน้ําหนัก ทําดวยเหล็กกลาไรสนิม ทองเหลือง หรือพลาสติก (รูปที่ 4.9)

3. โตะวางเครื่องชั่ง (balance table) การวางเครื่องชั่งบนโตะหรือช้ันวางทั่ว ๆ ไป เครื่องชั่งอาจไดรับแรงสั่นสะเทือนทีม่าจากพื้น หรือฝาผนังไดงาย การใชโตะเครื่องชัง่ที่มีน้ําหนกัมาก ตัวอยางเชนโตะหินออน จะชวยลดแรงสัน่สะเทือนที่มาจากพื้นไดมาก

4. ภาชนะชั่ง มีรูปแบบแตกตางกันตามชนดิและปริมาณของสารที่จะชั่ง (รูปที่ 4.9) 5. ชอนตักสาร(spatula) ทําดวยโลหะ หรือ อโลหะ ในการเลือกใชงานควรคํานึงถึงขนาดที่

เหมาะสม ตลอดจนการทําปฏิกิริยาระหวางชอนตักสารและวัตถุที่จะชั่งดวย (รูปที่ 4.9) 6. ถุงดูดความชื้น(desiccant capsule) ใชปองกันการเกดิสนิมของเครื่องชั่ง โดยทั่วไปถุงดูด

ความชื้นขนาด 4.1 x 1.6 ซม. สามารถดูดความชื้นในอากาศปริมาตรประมาณ 30 ลิตร ขึ้นอยูกับปริมาณไอน้ําในอากาศ

เครื่องช่ัง

100

ตารางที่ 4.1 ความผิดพลาดของตุมน้ําหนกัมาตรฐานตามขอกําหนดของ NBS เลขท่ี 547

น้ําหนัก ความผดิพลาด

S S-1 P Q 10 มก. 0.014 0.030 0.060 0.10 20 มก. 0.014 0.35 0.070 0.12 50 มก. 0.014 0.042 0.085 0.16 100 มก. 0.025 0.050 0.10 0.20 200 มก. 0.025 0.60 0.12 0.26 500 มก. 0.025 0.080 0.16 0.38 1 กรัม 0.054 0.10 0.20 0.50 2 กรัม 0.054 0.13 0.26 0.75 5 กรัม 0.054 0.18 0.36 1.30 10 กรัม 0.074 0.25 0.50 2.00 20 กรัม 0.074 0.35 0.70 3.00 50 กรัม 0.12 0.60 1.20 5.60 100 กรัม 0.25 1.00 2.00 9.00

วิธีใช เครื่องชั่งแตละชนิดมีเทคนคิและวิธีการใชที่แตกตางกนั ซ่ึงในที่นีจ้ะกลาวถึงเฉพาะวิธีการ

พื้นฐานในการใชโดยสังเขปดังนี ้1. เครื่องชั่งแบบคานชั่งยาวเทากัน มีวิธีใชดังนี้

1.1 ปรับเครื่องชั่งใหอยูในแนวระดับขนานกับพื้นโลก โดยการหมุนสกรูปรับระดับที่ฐาน เครื่องชั่ง

1.2 หมุนปุมปลอยคานและจานชัง่ใหเปนอิสระ ถาคานชั่งไมอยูในแนวขนานกับพืน้โลก (เข็มชี้ไมช้ีที่เลขศูนย) ใหปรับสกรูปรับสมดุล

1.3 ตรึงคานและจานชั่ง 1.4 วางขวดชั่งสารในจานชั่งขางซาย ใสตุมน้ําหนกัมาตรฐานในจานชั่งขางขวาจนคานชั่ง

อยูในสมดุล โดยใชคีมจับ(forceps) คีบตุมน้ําหนกั 1.5 ตรึงคานและจานชั่ง 1.6 วางตุมน้ําหนกัมาตรฐานที่มนี้ําหนกัเทากับน้ําหนกัวัตถุทีต่องการชั่งลงในจานชั่งขาง

ขวา

เครื่องมือวิทยาศาสตร

101

รูปท่ี 4.9 รูปรางของอุปกรณตาง ๆ ท่ีเก่ียวกับการชั่งน้ําหนัก

1.7 เติมวัตถุลงในขวดชั่งสารจนคานชั่งอยูในสภาวะสมดุล 1.8 หลังจากใชเสร็จ ตรึงคานและจานชั่ง แลวจึงทําความสะอาดเครื่องชั่งโดยใชพูกัน

เครื่องช่ัง

102

ระบายสีหรือแปรงขนอูฐ 2. เครื่องชั่งแบบสามคานชั่ง มีวิธีใชดังนี ้ 2.1 วางเครือ่งชั่งใหอยูในแนวระดับ

2.2 หมุนสกรูปรับสมดุลเพื่อใหคานชัง่อยูในสมดุลโดยเข็มชี้ช้ีที่เลข 0 หรือเขม็ชี้แกวงหางจากเลข 0 ทั้งสองดานเปนระยะทางเทา ๆ กัน

2.3 วางขวดชั่งสารลงบนจานชั่ง เล่ือนตุมน้าํหนักมาตรฐานจนคานชั่งอยูในสมดุลจดน้ํา หนักขวดชั่งสาร

2.4 เล่ือนตุมน้ําหนักใหมีคาเทากับผลบวกของน้ําหนกัวัตถุ และน้ําหนักขวดชั่งสาร 2.5 เติมวัตถุลงในขวดชั่งสารจนคานอยูในสมดุล จะไดวัตถุหนักเทากับจํานวนที่ตองการ 2.6 หลังจากใชงานเสร็จ ควรทําความสะอาดจานชั่งและเลื่อนตุมน้ําหนักมาตรฐานบนแขน

ทั้งสามใหอยูที่ตําแหนง 0 3. เครื่องชั่งแบบแทนที่น้ําหนักมาตรฐาน การใชเครื่องชั่งแบบแทนที่น้ําหนักมาตรฐานแตละ

แบบมีวิธีการใชที่คลายคลึงกัน จะแตกตางกันอยูบางในสวนของตําแหนงที่อยูของอุปกรณและปุมควบคุมตาง ๆ การชั่งน้ําหนกัอาจกระทําได 3 วิธีคือ การชั่งแบบหาน้ําหนักคราว ๆ กอน การชั่งแบบหักน้ําหนักภาชนะ และการชั่งแบบกําหนดน้ําหนกั

3.1 การเตรียมเครื่องชั่ง กอนใชเครื่องชั่งตองปฏิบัติดังนี้ 3.1.1 ตั้งเครื่องชั่งใหอยูในแนวระดับขนานกับพื้นโลก 3.1.2 หมุนปุมควบคุมน้ําหนกัทุกปุมใหอยูที่เลข 0 3.1.3 หมุนปุมตรงตรึงคานและจานชั่งเพื่อใหคานและจานชั่งเคลื่อนที่ไดอยางอิสระ

3.1.4 ปรับ 00 ที่จออานคาโดยหมนุปุมปรับศูนย ถาปรับไมไดใหปรับที่ตุมน้าํหนัก ปรับศูนยบนคานชั่ง (เสนชี้และชองชี้อยูตรงกันพอด)ี

3.1.5 ตรึงคานและจานชั่งใหนิ่ง 3.2 การชั่งแบบหาน้ําหนกัคราว ๆ กอน กระทําดังนี้

3.2.1 ใสวัตถุลงบนจานชั่ง 3.2.2 ปลอยใหคานอยูในตําแหนงกึ่งอิสระ (pre weighing) อานคาน้ําหนกัโดย

ประมาณ จากจออานคา ถามีตัวเลข 2 แถวใหอานคาตัวเลขแถวลาง 3.2.3 ตรึงคานและจานชั่งใหอยูนิ่ง 3.2.4 หมุนปุมควบคมุน้ําหนกัใหไดคาเทากับน้ําหนักที่อานได 3.2.5 ปลอยคานและจานชั่งใหเปนอิสระอยางเต็มที่ 3.2.6 หมุนปุมวดัคาละเอียดเพื่อใหเสนชี้และชองชี้ตรงกันพอดี 3.2.7 อานผลจากจออานคา โดยตวัเลขตัวแรกเปนหลักรอยในหนวยกรัม 3.2.8 ตรึงคานและจานชั่ง

เครื่องมือวิทยาศาสตร

103

3.3 การชั่งแบบหกัน้ําหนักภาชนะชั่งกระทําดงันี้ 3.3.1 วางภาชนะชั่งบนจานชั่ง 3.3.2 หมุนปุมตรึงคานและจานชั่งเพื่อใหคานอยูในสภาวะกึ่งอสิระ 3.3.3 อานน้ําหนกัโดยประมาณจากจออานคา 3.3.4 หมุนปุมเลือกชนิดการชั่งแบบหักน้ําหนักภาชนะ 3.3.5 ตรึงคานและจานชั่งใหอยูนิ่ง 3.3.6 หมุนปุมหกัน้ําหนักภาชนะแบบกลใหไดเทากับตัวเลขที่อานได 3.3.7 ปลอยใหคานและจานชั่งเคลื่อนไหวอยางอิสระ 3.3.8 ปรับตัวเลขบนจออานคาใหไดเทากับ 00 พอดี ดวยการหมุนปุมหกัน้ําหนกั

ภาชนะชั่งแบบแสง 3.3.9 ตรึงคานและจานชั่ง 3.3.10 หมุนปุมเลือกชนิดการชั่งแบบปกติ (N) 3.3.11 หาน้ําหนักของวัตถุโดยกระทําเหมือนขอ 3.2.1-3.2.8

3.4 การชั่งแบบกําหนดน้ําหนัก กระทําดังนี้ 3.4.1 หมุนปุมเลือกการชั่งแบบปกติ 3.4.2 หมุนปุมควบคมุน้ําหนกั และปุมวดัละเอียดจนตัวเลขเทากับน้ําหนักที่ตอง

การชั่ง 3.4.3 ปลอยคานและจานชั่งใหเปนอิสระ 3.4.4 เติมสารลงบนจานชั่งจนเสนชี้และชองชี้ซอนทับกันพอดี ตรงตําแหนงตัวเลข

ของสเกลอานคาของคานชั่ง การเติมสารควรดูชองแนะนําการเติมสารซึ่ง 1 ชองจะมีคาเทากับ 10 หรือ 100 มก. ขึ้นอยูกับชวงการชั่งของเครื่องชั่ง

3.4.5 กระทําเหมือนขอ 3.2..7-3.2.8 4. เครื่องชั่งแบบจานชั่งอยูดานบน นิยมชั่งแบบหักน้ําหนักภาชนะ เนื่องจากมีความสะดวกและ

รวดเร็ว โดยกระทําดังนี้ 4.1 ปรับเครื่องชั่งใหอยูในแนวระดับขนานกับพื้นโลก 4.2 วางภาชนะชั่งบนจานชั่ง 4.3 หมุนปุมหกัน้ําหนักภาชนะจนเลข 00 ปรากฎบนสเกลอานคา และเสนชี้ตรงชองชี้พอด ี4.4 หมุนปุมควบคมุน้ําหนกัและปุมวัดละเอยีดใหไดตัวเลขเทากับน้ําหนักวัตถุที่ตองการชั่ง 4.5 เติมวัตถุลงในภาชนะชั่งจนปรากฏตัวเลขที่ตองการบนจออานคา และเสนชี้ตรงกบัชองชี้

พอดี จะไดวัตถุที่มีน้ําหนักตามตองการ 4.6 หมุนปุมควบคมุน้ําหนกั ปุมวัดละเอยีด และปุมหักน้ําหนักภาชนะมาที่ตําแหนงศนูย

5. เครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกส มีวิธีการใชงานแบบหกัน้ําหนกัภาชนะดังนี้

เครื่องช่ัง

104

5.1 ปรับเครื่องชั่งใหตั้งอยูในแนวระดับขนานกับพื้นโลก 5.2 เปดกระแสไฟฟาเพื่ออุนเครือ่งชั่งนาน 5-10 นาที 5.3 กดปุมปรับศูนย 5.4 กดปุมปรับเครื่องใหถูกตอง 5.5 วางภาชนะชั่งบนจานชั่ง 5.6 กดปุมหกัน้ําหนักภาชนะ 5.7 ใสวัตถุลงในภาชนะชั่งจนไดน้ําหนกัตามตองการ 5.8 ปดกระแสไฟฟาและทําความสะอาดจานชัง่และบริเวณใตจานชั่ง

ขอควรปฏิบัติในการใชเคร่ืองชั่ง มีดังนี้

1. วางเครื่องชั่งในบริเวณทีแ่ยกจากเครื่องมืออ่ืน ๆ บนโตะที่มีการสั่นสะเทือนนอย ควรอยูในบริเวณที่ไมมีการเดินพลุกพลาน มีแสงสวางพอเพยีง (ควรใชหลอดฟลูออเรสเซนซใหแสงสวาง เพราะใหความรอนนอยกวาหลอดทังสเตน) ไมควรตัง้ชิดหนาตาง เพราะอาจถกูฝนหรือความรอนจากแสงแดด 2. ควรติดตัง้เครื่องควบคุมกระแสไฟฟา(voltage stabilizer) เพิ่มเติมใหกับเครื่องชั่งแบบอิเล็กทรอนิกส 3. เมื่อไมไดใชงานเปนเวลานานควรใสถุงดูดความชืน้ในตูเก็บเครื่องชั่ง เพื่อปองกนัการเกดิสนิมและการเกาะของไอน้ํา 4. หามวางวตัถุที่จะชั่งลงบนจานชั่งโดยตรง โดยเฉพาะวตัถุที่เปนของเหลวหรือเปยกชื้น

5. ไมควรใชมือเปลาจับตุมน้ําหนักมาตรฐาน 6. การชั่งสารเคมีที่สามารถกัดกรอนโลหะตัวอยางเชน ผลึกไอโอดีน(I2) และสารประกอบ

ของไซยาไนด ควรใสในขวดชั่งสารเคมีที่มีฝาปดมิดชิด 7. ควรตรึงคานและจานชั่งทุกครั้งเมื่อใสวัตถุบนจานชั่ง เอาวัตถุออกจากจานชั่ง การหมุน

ปุมควบคุมน้ําหนัก การเคลื่อนยายเครื่องชั่ง ฯลฯ. เพราะถึงแมวาคมมีดจะแข็งเพราะทําจาก sapphire หรือโลหะผสมอะลูมิเนียมกต็าม แตการถูกกระแทกบอย ๆ อาจทําใหเกดิการแตกบิ่น ซ่ึงเปนผลใหความไวของเครื่องชั่งลดลง

8. ควรทําความสะอาดทันทีเมื่อเครื่องชั่งสกปรก โดยเฉพาะสิ่งสกปรกที่เปนของเหลว 9. หลังจากใชงานเสร็จควรตรึงคานและจานชั่ง หมุนปุมควบคุมทุกปุมมาอยูที่ตําแหนงศูนย

การบํารุงรักษา ส่ิงที่ควรปฏิบัติเพื่อการบํารุงรักษาเครื่องชั่งใหมีความถูกตอง แมนยํา และพรอมใชงานคือ

1. การทําความสะอาด การทําความสะอาดโดยทัว่ไปใชแปรงขนอูฐ หรือพูกันระบายสีปลายแบนปดฝุนละอองและสิ่งสกปรกออก ในสวนที่สกปรกมากอาจใชสารละลาย 50% C2H5OH เช็ดทํา

เครื่องมือวิทยาศาสตร

105

ความสะอาด ในการทําความสะอาดควรปฏิบัติดังนี้ 1.1 ถอดปลั๊กไฟฟา ตรึงคานและจานชั่ง หมุนปุมควบคุมทุกปุมใหอยูที่ตําแหนงศนูย ถอดจานชั่ง 1.2 เปดฝาหรือเครื่องชั่งออก ใชแปรงทําความสะอาดหลอดไฟ กระจก คานชั่ง ตุมน้ําหนกั มาตรฐาน สปริง และคมมีด 1.3 หลอล่ืนสวนที่เคลื่อนไหวบางจุด ตัวอยางเชน แกนหมุนของปุมตรึงคานและจานชั่ง ตัวหยุดจานชั่ง ฯลฯ. 2. การปรับศูนยโดยการเลื่อนตุมน้ําหนกัปรับศูนยที่คานชั่ง(รูปที่ 4.6) จะกระทําเมื่อไมสามารถปรับศูนยไดดวยปุมปรับศูนย การปรับ ศูนยที่คานชั่งนี้ไมมีผลตอความไวของเครื่องชั่ง 3. การปรับความไว เปนการปรับความถูกตองของสเกลอานคาตอหนวยน้ําหนกั ซ่ึงอาจผิดพลาดเนื่องจากการแกวงของคานไมถูกตอง หรือเกิดจากการขยายสเกลในระบบแสงผิดพลาด การปรับควรกระทําดังนี้

3.1 ปรับเครื่องชั่งใหอยูในแนวระดับขนานกบัพื้นโลก 3.2 หมุนปุมควบคุมน้ําหนักและปุมวัดคาละเอียดไปที่ตําแหนงศูนย ปรับเครื่องใหเปน

ศูนยพอด ี3.3 ตรึงคานและจานชั่ง 3.4 วางน้ําหนักมาตรฐาน 1.000 กรัมลงบนจานชั่ง 3.5 ปลอยคานและจานชั่งใหเปนอิสระแลวอานคาน้ําหนกัทีป่รากฏ คาเฉลี่ยที่ไดจากการ

ช่ังสามครั้งควรเทากับ 1.000 กรัมพอดี ถาไมไดใหหมนุตุมน้ําหนักปรับความไว(รูปที่ 4.6) ถาตุมน้ําหนกัถูกยกสูงขึ้น ทําใหจดุศูนยกลางของความถวงของคานเพิ่มขึ้น คานจึงมีความไวเพิ่มขึน้

3.6 ปรับเครื่องใหเปนศูนย ดวยปุมปรับศูนย 3.7 กระทําซ้ําอีก 3.3-3.6 จนกวาจะอานน้ําหนักได 1,000 กรัมพอด ี

4. การตรวจสอบความสามารถสูงสุดในการชั่ง(maximum capacity) ตรวจสอบโดยการชั่งตุมน้ําหนกัมาตรฐานขนาดตาง ซ่ึงนอกจากจะไดขอมูลของน้ําหนักสงูสุดที่สามารถชั่งไดแลว ยังไดขอมูลสําหรับตรวจสอบความถูกตองของเครื่องชั่งที่ชวงน้ําหนกัตาง ๆ ดวย 5. การตรวจสอบประสิทธิภาพในการชั่งซ้ํา(repeatability) ของเครื่องชั่ง กระทําไดโดยการช่ังตุมน้ําหนกัมาตรฐานขนาดตาง ๆ ซํ้ากันไมนอยกวา 10 คร้ัง นําขอมูลที่ไดไปคํานวณหาสัมประสิทธิ์ ของความแปรปรวน (% C.V.) 6. การทดสอบผลของการวางน้ําหนกัที่ตําแหนงตาง ๆ บนจานชั่ง(corner loading test) ซ่ึงทํา ไดโดยการวางวัตถุที่มีเสถียรภาพ หรือตุมน้าํหนักมาตรฐานที่ตําแหนงตาง ๆ บนจานชัง่ ถาผลการชั่ง ที่ตําแหนงตาง ๆ มีความแตกตางกันมาก ควรสงเครื่องชั่งไปตรวจสอบและแกไขตอไป 7. การทดสอบการเปลี่ยนคา(drift test) โดยปกติเมื่อทําการชั่งวัตถุอันเดียวกันดวยเครื่องชั่ง

เครื่องช่ัง

106

ตัวเดยีวกันควรจะไดคาเทากนั แตในทางปฏิบัติมักไดคาแตกตางกนั ซ่ึงอาจเกิดจากเทคนิคในการชั่ง การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดลอม และประสิทธิภาพของเครื่องชั่ง ซ่ึงการเปลี่ยนคาที่เกิดจากเครื่องชั่งสามารถตรวจสอบไดโดย

7.1 วางเครื่องชั่งไวในหองที่ควบคุมอุณหภูมิใหคงที่(อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงประมาณ ± 2 องศาเซลเซียส) ปราศจากการสั่นสะเทือน และมีกระแสไฟฟาคงที่

7.2 วางวัตถุไวบนจานชั่ง บันทึกคาน้ําหนักเริ่มที่ช่ังได 7.3 บันทึกคาที่ไดเปนระยะ ๆ 7.4 คํานวณหาคาเฉลี่ยของน้ําหนักที่แตกตางไปจากคาน้ําหนักเริ่มตนตอหนวยเวลา 7.5 นําขอมูลไปเปรียบเทียบกับคุณสมบัติมาตรฐานของเครื่องชั่งนั้น ถามากกวาคาที ่

กําหนดควรสงไปตรวจสอบเพื่อแกไขตอไป 8. การทดสอบความเปนเสนตรง(linearity) ของการชั่ง เครื่องชั่งที่มีคุณภาพดีหรืออยูใน

สภาพสมบูรณจะมีความถูกตองในการชั่งน้าํหนักตลอดชวงของการชั่ง ตั้งแตน้ําหนักต่ําสุดที่ช่ังไดจนถึงน้ําหนักสูงสุดที่ช่ังได แตเมื่อเครื่องชั่งถูกใชงานไปนาน ๆ อาจทําใหความถูกตองของการชั่งในบางชวงเปลี่ยนแปลงไป สําหรับการทดสอบ(ในกรณทีี่มีชวงการชั่ง 0-100 กรัม) มวีิธีการดังนี ้

8.1 จัดเตรียมวัตถุช่ังที่มีน้ําหนกั 30 กรัมเทากนัจํานวน 3 ช้ิน 8.2 ปรับเครื่องชั่งใหเปนศนูย(zero taring) ช่ังน้ําหนกัของวตัถุช้ินที่ 1 บันทึกคาไว 8.3 ใสวัตถุช้ินที่ 2 ปรับเครื่องใหเปนศูนย 8.4 ใสวัตถุช้ินที่ 1 บันทึกคาน้ําหนักที่ช่ังได เอาวัตถุช้ินที่ 1 ออก 8.5 ใสวัตถุช้ินที่ 3 ปรับเครื่องชั่งใหเปนศนูย 8.6 ใสวัตถุช้ินที่ 1 บันทึกคาน้ําหนักที่ช่ังได 8.7 เปรียบเทียบคาน้ําหนกัในขอที่ 8.4 และ 8.6 กับ คาในขอ 8.2 ซ่ึงจะทําใหเห็นวาคาน้าํ

หนักในชวงใดมีแนวโนมผิดพลาดในชวงการชั่งชวงใด 8.8 ในกรณีที่ตองการผลที่ละเอียดมากยิ่งขึ้น อาจแบงวัตถุออกเปนหลาย ๆ ช้ิน แตใหน้าํ

หนักรวมยังอยูในชวงของการชั่ง ตวัอยางเชนอาจใชวัตถุหนัก 20 กรัม 5 ช้ิน หรือใชวตัถุหนัก 10 กรัม 10 ช้ิน เปนตน

การเลือกเครื่องชั่ง การเลือกเครื่องชั่งเพื่อนํามาใชงานในหองปฏิบัติการควรพิจารณาถึงสิ่งตอไปนี ้ 1. ชวงการชัง่และความถูกตอง ควรเลือกใหเหมาะสมกับงานสวนใหญของหองปฏิบัติการตัวอยางเชน ควรใชเครื่องชัง่ชนิด 0-200 กรัม (± 0.0001 กรัม) สําหรับการชั่งวัตถุที่ตองการความถูกตองสูง และใชเครื่องชั่งขนาด 0-2,000 กรัม (± 0.1 กรัม) สําหรับการชั่งวัตถุปริมาณมากและตองการความถูกตองปานกลาง

2. มีประสิทธิภาพในการชั่งซ้ําดี

เครื่องมือวิทยาศาสตร

107

3. ตัวเครื่องชั่งแข็งแรง สามารถปองกันฝุนละอองและความรอนไดด ี4. มีสเกลอานคาที่ละเอียดและชัดเจน 5. มีจานชั่งขนาดใหญ 6. ใชและบํารุงรักษางาย 7. มีระบบปองกนัการเสียหายเมื่อรับน้ําหนักมากเกิน(overload protection system) 8. เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส ควรมีระบบเสริมประสิทธิภาพในการชั่งสาร ตัวอยางเชน ระบบ

กรองสัญญาณสั่นสะเทือน(vibration filter system) ระบบปรับศูนยอัตโนมัติ ระบบปรับน้ําหนักมาตรฐานอัตโนมตัิ มีระบบเลือกเวลาอานคา(integration time system) มีความสามารถในการคํานวณทางสถิติ มีความสามารถในการการพิมพผล มีความสามารถในการเชื่อมตอกับคอมพวิเตอร สามารถใชพลังงานจากแบตเตอรี่แหงได ฯลฯ.

ปญหาและสาเหตุ ปญหาทีมักพบในเครื่องชั่งที่ใชหลักการแทนที่น้ําหนักมาตรฐานมีดังตารางที่ 4.2 ซ่ึงตองใชความระมัดระวัง ความละเอียดรอบคอบในการตรวจหาสาเหตุ เพราะการกระกระแทกที่รุนแรงอาจทําใหเครื่องชัง่อาจเสียหายไดงาย

ตารางที่ 4.2 ปญหาและสาเหตุท่ีอาจเกิดขึ้นกับเคร่ืองชัง่

ปญหา

สาเหตุ

ปรับศูนยดวยปุมปรับศูนยไมได -เครื่องชั่งเอียง -จานชั่งมีน้ําหนักผิดพลาด -กลไกปรับมุมกระจกสะทอนแสงขัดของ

ตัวเลขที่จออานคาไมชัด -เครื่องชั่งเอียง -จานชั่งเอยีงเพราะวางวัตถุไมอยูตรงกลางจานชั่ง -เลนสรวมแสงเคลื่อนที่

ช่ังไดคาไมถูกตอง -วัตถุที่นํามาชัง่สกปรก -มีแรงกระทําจากภายนอก -ใชเครื่องชั่งไมถูกตอง -ตุมน้ําหนักมาตรฐานไมถูกตอง -อานสเกลอานคาไมถูกตอง -เครื่องชั่งเอียง

เครื่องช่ัง

108

ตารางที่ 4.2 ปญหาและสาเหตุท่ีอาจเกิดขึ้นกับเคร่ืองชัง่(ตอ)

ปญหา

สาเหตุ

ตัวเลขไมนิ่ง -มีแรงสั่นสะเทือน หรือมีกระแสลมมาก -วงจรอิเล็กทรอนิกสขัดของ -กระแสไฟฟาไมคงที่ -อุณหภูมิไมคงที่ -วัตถุที่ช่ังมีอุณหภูมิสูง หรือไมมีเสถียรภาพ

ความไวลดลง -คมมีดเสียหาย หรือสกปรก -เครื่องชั่งเอียง -ระบบทางเดนิแสงคลาดเคลื่อน

เคร่ืองชั่งเปนเครื่องมือในหองปฏบิัติการวทิยาศาสตร ท่ีมีความสําคญัตอการตรวจวิเคราะห

เพราะจําเปนตองใชชั่งสารตวัอยาง ใชชัง่สารมาตรฐาน ใชชัง่สารเคมีตาง ๆ ท่ีตองใชในการเตรยีม

น้ํายาตาง ๆ ถาเกิดความผิดพลาดตัง้แตขั้นตอนการชั่งสาร หรือชั่งตัวอยางยอมสงผลตอความ

ผิดพลาดในขัน้ตอนการตรวจวิเคราะหขั้นตอ ๆ ไป ดงันั้นจงึจําเปนท่ีจะตองใชเคร่ืองชัง่ใหถูกวิธี และ

ควรมีการดูแลรักษาอยางสม่าํเสมอ เพือ่รักษาไวซ่ึงความเที่ยงและความถูกตองของเครื่องชัง่แตละ

ชนิดตลอดไป

บรรณานุกรม

1. Buckley T, Keats NG, Roberts J, Wolfenden J, Woolsey GA. Instrument maintenance and operation for laboratory assistants. Canberra : International Development Program of Australian Universities and Colleges Limited, 1985.

2. Hordeski MF. Design of microprocessor sensor and control system. Virginia : Reston Publishing Company Inc, 1985.

3. Nakra BC, Chaudhry KK. Instrumentation measurement and analysis. 2nd ed. New Delhi : Tata Mc Graw-Hill Publishing Company Limited, 1985.

4. Skoog DA, West DM. Principles of instrumental analysis. 2nd ed. Tokyo : Holt-Saunder International Editions, 1980.

เครื่องมือวิทยาศาสตร

109