Balance

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Balance de cuisine numérique, une échelle de jauge de contrainte
Jeu de balances, avec poids
Pour d'autres utilisations, voir Echelle (désambiguïsation).

Les balances (ou balances ou balances) sont des appareils permettant de mesurer le poids. Les balances à ressort ou les balances à ressort calculent le poids qui est le produit de la masse en gravité (9,807 m / s2) sur la force exercée sur un ressort, tandis qu'une balance ou une paire de balances utilisant une poutre d'équilibrage compare les masses en équilibrant le poids dû à la masse d'un objet par rapport au poids d'une ou de plusieurs masses connues. Certains d'entre eux peuvent être calibrés pour lire en unités de force (poids) telles que les newtons au lieu des unités de masse telles que les kilogrammes. La balance ou la paire d'échelles utilisant une poutre d'équilibre traditionnelle pour comparer les masses peuvent être correctement lues pour la masse, même si elles sont déplacées vers un endroit avec une force de champ gravitationnel différente de zéro. De plus, les balances à ressort conçues pour la lecture du poids (force) devraient lire correctement le poids dans une force de champ gravitationnel différente de zéro.

Les balances et les balances sont largement utilisées dans le commerce, car de nombreux produits sont vendus et emballés en masse.

Échelles de mesure de la force (poids)

Histoire

Un équilibre simple du 19ème siècle

Bien que les archives datant des années 1700 fassent référence à des balances à ressort pour mesurer la masse, la conception la plus ancienne pour un tel dispositif date de 1770 et attribue à Richard Salter, un premier fabricant de balances, son mérite.[1] Les balances à ressort sont devenues très répandues au Royaume-Uni après 1840 lorsque R. W. Winfield a mis au point la balance à chandelier pour le pesage des lettres et des colis, nécessaire après l'introduction de l'Uniform Penny Post.[2] Les travailleurs postaux pourraient travailler plus rapidement avec les balances à ressort que les balances car ils peuvent être lus instantanément et ne doivent pas être soigneusement équilibrés avec chaque mesure.

Dans les années 1940, divers dispositifs électroniques étaient attachés à ces conceptions pour rendre les lectures plus précises.[1][3]Les cellules de charge, petits nœuds qui convertissent la pression (ou la force) en un signal numérique, commencent dès la fin du XIXe siècle, mais ce n’est qu’à la fin du XXe siècle qu’elles sont devenues suffisamment précises pour être largement utilisées.[4]

Balances mécaniques

Une balance ou une balance mécanique est utilisée pour décrire un appareil de pesage utilisé pour mesurer la masse, l'effort, la tension et la résistance d'un objet sans nécessiter d'alimentation. Les types de balances mécaniques comprennent les balances à ressort, les balances suspendues, les balances à triple faisceau et les dynamomètres.[5]

Écailles de printemps

Article principal: Balance de printemps

Une échelle printanière mesure la masse en indiquant la distance qu'un printemps dévie sous une charge. Cela contraste avec un équilibre, qui compare le couple sur le bras en raison du poids de l'échantillon au couple sur le bras dû à une masse de référence standard utilisant un levier horizontal. Les balances à ressort mesurent la force, qui est la force de tension de la contrainte agissant sur un objet, opposée à la force de gravité locale.[6] Ils sont généralement calibrés pour que la force mesurée se traduise en masse à la gravité terrestre. L'objet à peser peut être simplement suspendu au ressort ou placé sur une plate-forme pivotante et porteuse.

À l’échelle du printemps, le printemps s’étire (comme dans une balance suspendue dans le rayon des produits d’épicerie) ou des compresses (comme dans un simple pèse-personne). Selon la loi de Hooke, chaque printemps a une constante de proportionnalité qui met en relation la difficulté avec laquelle il s’étire. Les balances de pesage utilisent un ressort avec une constante de ressort connue (voir la loi de Hooke) et mesurent le déplacement du ressort par une variété de mécanismes pour produire une estimation de la force gravitationnelle appliquée par l'objet.[7] Les mécanismes à crémaillère sont souvent utilisés pour convertir le mouvement linéaire du ressort en une lecture à cadran.

Les balances à ressort ont deux sources d'erreur que les balances ne permettent pas: la masse mesurée varie avec la force de gravitation locale (jusqu'à 0,5% à différents endroits de la Terre) et l'élasticité du ressort de mesure peut varier légèrement avec la température . Avec une fabrication et une configuration appropriées, les balances à ressort peuvent être considérées comme légales pour le commerce. Pour éliminer l'erreur de température, une balance à ressorts à commerce doit avoir des ressorts compensés en température ou être utilisée à une température relativement constante. Pour éliminer l'effet des variations de gravité, une balance à ressorts doit être calibrée là où elle est utilisée.

Échelle hydraulique ou pneumatique

Il est également courant dans les applications à grande capacité, telles que les balances à grue, d'utiliser la force hydraulique pour détecter la masse. La force de test est appliquée à un piston ou à un diaphragme et transmise par des conduites hydrauliques à un indicateur à cadran basé sur un tube Bourdon ou un capteur électronique.[8]

Balances numériques

Pèse-personne numérique

Un pèse-personne numérique est un type de pèse-personne électronique utilisé pour mesurer de nombreuses lectures, y compris la graisse corporelle, l’IMC, la masse maigre, la masse musculaire et le rapport de l’eau avec la masse corporelle. Le pèse-personne numérique est une balance intelligente dotée de nombreuses fonctions telles que l’intégration des smartphones, le stockage en nuage, le suivi de la condition physique, etc.[9]

Balance de cuisine numérique

Comme son nom l'indique, ces balances sont utilisées pour mesurer la nourriture dans la cuisine. Ceux-ci sont généralement légers, compactés et d'un prix abordable. Les aliments sont placés sur la plate-forme et l'écran affiche les mesures. Ces fonctionnalités modernes telles que le suivi et l'affichage des portions sont également disponibles dans certaines d'entre elles. La préparation des repas est leur principal principe d'utilisation.[10]

Échelle de jauge de contrainte

Dans les versions électroniques des balances à ressort, la déviation d'un faisceau supportant la masse inconnue est mesurée à l'aide d'une jauge de contrainte, qui est une résistance électrique sensible à la longueur.La capacité de tels dispositifs n'est limitée que par la résistance du faisceau à la déviation. Les résultats provenant de plusieurs emplacements peuvent être ajoutés électroniquement. Cette technique convient donc pour déterminer la masse d'objets très lourds, tels que les camions et les wagons, et est utilisée dans un pont-bascule moderne.

Supermarché et autre balance de détail

Ces balances sont utilisées dans les services de boulangerie, épicerie, épicerie fine, fruits de mer, viande, produits et autres denrées périssables modernes. Les balances de supermarché peuvent imprimer des étiquettes et des reçus, marquer la masse et le nombre, le prix unitaire, le prix total et, dans certains cas, la tare.[11] Certaines balances de supermarché modernes impriment une étiquette RFID qui peut être utilisée pour suivre l’objet à des fins d’altération ou de retour. Dans la plupart des cas, ces types de balances sont étalonnés de manière à ce que la lecture à l'écran soit correcte et ne puisse pas être altérée. Aux États-Unis, les balances sont certifiées par le Programme national d'évaluation de type (NTEP), en Afrique du Sud par le Bureau sud-africain des normes et au Royaume-Uni par l'Organisation internationale de métrologie légale.

Tests et certification

Voir aussi: Vérification et validation
Le Bureau des poids et mesures de la FDACS inspecte les échelles utilisées à des fins commerciales dans l’état de Floride, à cette échelle à la caisse de la cafétéria.

La plupart des pays réglementent la conception et l'entretien des balances utilisées pour le commerce. Cela a eu tendance à faire en sorte que la technologie d'échelle soit à la traîne par rapport aux autres technologies car l'introduction de nouvelles conceptions implique des obstacles réglementaires coûteux. Néanmoins, les «cellules de charge numériques», qui sont en réalité des cellules à jauge de contrainte dotées de convertisseurs analogiques dédiés et de réseaux intégrés à la cellule, ont tendance à se développer. De telles conceptions ont réduit les problèmes de service inhérents à la combinaison et à la transmission d'un nombre de signaux de 20 millivolts dans des environnements hostiles.

La réglementation gouvernementale exige généralement des inspections périodiques par des techniciens agréés, utilisant des masses dont l'étalonnage est traçable à un laboratoire agréé. Des échelles destinées à un usage non commercial, telles que celles utilisées dans les salles de bain, les cabinets médicaux, les cuisines et les prix (mais pas la détermination officielle des prix) peuvent être produites mais doivent être étiquetées s'assurer qu'ils ne sont pas réorientés d'une manière qui compromet l'intérêt commercial. Aux États-Unis, le document décrivant comment les balances doivent être conçues, installées et utilisées à des fins commerciales est le NIST. Manuel 44. La certification Legal For Trade (LFT) approuve généralement la lisibilité en tant que répétabilité / 10 pour assurer une marge d'erreur maximale de 10%.

Étant donné que la gravité varie de plus de 0,5% sur la surface de la terre, la distinction entre la force due à la gravité et la masse est importante pour l'étalonnage précis des balances à des fins commerciales. Généralement, le but est de mesurer la masse de l'échantillon plutôt que sa force en raison de la gravité à cet endroit particulier.

Les balances mécaniques traditionnelles mesurent la masse intrinsèque. Mais les balances électroniques ordinaires mesurent intrinsèquement la force gravitationnelle entre l'échantillon et la terre, c'est-à-dire le poids de l'échantillon, qui varie avec l'emplacement. Une telle échelle doit donc être réétalonnée après l'installation, pour cet emplacement spécifique, afin d'obtenir une indication précise de la masse.

Sources d'erreur

Certaines des sources d'erreur dans la pesée sont:

  • Flottabilité - Les objets dans l'air développent une force de flottabilité directement proportionnelle au volume d'air déplacé. La différence de densité de l'air due à la pression barométrique et à la température crée des erreurs.[12]
  • Erreur de masse du poids de référence
  • Les rafales, même les plus petites, poussent la balance vers le haut ou vers le bas
  • Une friction dans les composants en mouvement provoquant l'équilibre de l'échelle à une configuration différente de celle d'un équilibre sans frottement devrait se produire.
  • Dépollution de la poussière en suspension dans l'air contribuant au poids
  • Mauvais calibrage au fil du temps, en raison de la dérive de la précision du circuit ou du changement de température
  • Composants mécaniques mal alignés en raison de la dilatation ou de la contraction thermique des composants
  • Champs magnétiques agissant sur des composants ferreux
  • Des forces provenant de champs électrostatiques, par exemple, des pieds mélangés sur des tapis par une journée sèche
  • Réactivité chimique entre l'air et la substance pesée (ou la balance elle-même sous forme de corrosion)
  • Condensation d'eau atmosphérique sur des objets froids
  • Evaporation de l'eau des articles humides
  • Convection de l'air provenant d'éléments chauds ou froids
  • Différences gravitationnelles pour une échelle qui mesure la force, mais pas pour une balance.[13]
  • Vibrations et perturbations sismiques

Balances d'équilibre

Histoire

L'ancien égyptien Livre des Morts dépeint une scène dans laquelle le cœur d'un scribe est mis en balance avec la plume de la vérité.

L'échelle de la balance est un dispositif si simple que son utilisation est probablement antérieure à l'évidence. Ce qui a permis aux archéologues de relier les artefacts aux balances sont les pierres qui déterminent la masse absolue. L'échelle d'équilibre elle-même a probablement été utilisée pour déterminer la masse relative longtemps avant la masse absolue.[14]

La plus ancienne preuve de l'existence de balances remonte à c. 2400-1800 av. dans la vallée de l'Indus (Pakistan moderne). Avant cela, aucune opération bancaire n’était effectuée faute de balances. Des cubes de pierre polis et uniformes découverts dans les premiers établissements ont probablement été utilisés comme pierres de mise en masse dans des balances. Bien que les cubes ne portent aucune marque, leurs masses sont des multiples d’un dénominateur commun. Les cubes sont composés de plusieurs types de pierres de densités différentes. De toute évidence, leur masse, pas leur taille ou d'autres caractéristiques, a été un facteur dans la sculpture de ces cubes.[1]

En Egypte, les échelles remontent aux environs de 1878 av. J.-C., mais leur utilisation s'étend probablement beaucoup plus tôt. Des pierres taillées portant des marques de masse et le symbole hiéroglyphique égyptien pour l'or ont été découvertes, ce qui suggère que les marchands égyptiens utilisaient un système établi de mesure de masse pour cataloguer les livraisons d'or ou les rendements des mines d'or. Bien qu'aucune échelle réelle de cette époque n'ait survécu, de nombreux ensembles de pierres ainsi que des peintures murales illustrant l'utilisation d'échelles d'équilibre suggèrent un usage généralisé.[1] En Chine, la plus ancienne balance de pesage extraite de la tombe de l’État de Chu de la période des Royaumes Combattants chinois date du 3ème au 4ème siècle avant JC, sur le mont Zuojiagong près de Changsha, dans le Hunan. La balance était faite de bois et de masses de bronze utilisées.[15][16]

Des variations à l'échelle de la balance, y compris des appareils comme le bon marché et inexact bismar (balances à bras inégaux),[17] a commencé à voir l'usage commun par c. 400 av. par de nombreux petits commerçants et leurs clients. Une pléthore de variétés à l'échelle, dont chacune présente des avantages et des améliorations mutuels, apparaît tout au long de l'histoire, avec de grands inventeurs tels que Leonardo da Vinci, apportant une contribution personnelle à leur développement.[3]

Malgré tous les progrès réalisés dans la conception et le développement des balances, toutes les échelles jusqu’au dix-septième siècle de notre ère étaient des variations à l’échelle. La standardisation des poids utilisés et la garantie que les traders utilisaient les poids corrects constituaient une préoccupation considérable des gouvernements tout au long de cette période.

  • Pesant des plats de l'île de Théra, civilisation minoenne, 2000-1500 avant JC

  • Poids du lion assyrien (8ème siècle avant JC) au British Museum

  • L'empereur Jahangir (règne 1605-1627) pesant son fils Shah Jahan sur une balance par l'artiste Manohar (AD 1615, dynastie moghole, Inde).

Pan Balance finement conçue ou écailles avec un ensemble de masses gramme standardisées.

La forme originale d'une balance consistait en une poutre avec un point d'appui en son centre. Pour une précision maximale, le point d'appui serait constitué d'un pivot en forme de V pointu placé dans un roulement en forme de V moins profond. Pour déterminer la masse de l'objet, une combinaison de masses de référence a été accrochée à une extrémité de la poutre, tandis que l'objet de masse inconnue était suspendu à l'autre extrémité (voir l'équilibre et la balance d'équilibre). Pour un travail de haute précision, tel que la chimie empirique, l’équilibre du faisceau central reste l’une des technologies les plus précises et est couramment utilisé pour étalonner les masses d’essai.

Balances mécaniques

Le premier instrument de mesure de masse inventé est la balance (balance, balance du faisceau et balance de laboratoire).[14] Dans sa forme traditionnelle, il consiste en un levier horizontal pivotant avec des bras de même longueur - la poutre - et un plateau de pesée[18] suspendu à chaque bras (d'où le nom pluriel "Balance"pour un instrument de pesage). La masse inconnue est placée dans un pan et les masses standard sont ajoutées à l'autre pan jusqu'à ce que le faisceau soit le plus proche possible de l'équilibre. Dans les balances de précision, la détermination de la masse est plus précise. position d'une masse glissante déplacée sur une échelle graduée Techniquement, une balance compare le poids plutôt que la masse, mais, dans un champ gravitationnel donné (tel que la gravité terrestre), le poids d'un objet est proportionnel à sa masse utilisés avec des balances sont généralement étiquetés en unités de masse (par exemple g ou kg).

Deux masses de 10 décagrammes
Marché hawker pesant de la viande (à Kati) sur un bilan de faisceau.
Masses de 50, 20, 1, 2, 5 et 10 grammes

Contrairement aux échelles basées sur les ressorts, les balances sont utilisées pour la mesure de précision de la masse car leur précision n'est pas affectée par les variations du champ gravitationnel local. (Sur Terre, par exemple, ils peuvent atteindre ± 0,5% entre les emplacements.[19]) Une modification de la force du champ gravitationnel provoquée par le déplacement de l’équilibre ne modifie pas la masse mesurée, car les moments de force de chaque côté de la poutre sont également affectés. Une balance rendra une mesure précise de la masse à tout endroit connaissant une gravité ou une accélération constante.

Des mesures très précises sont obtenues en veillant à ce que le point d'appui de la balance soit essentiellement exempt de frottement (la solution traditionnelle est une lame de couteau) en fixant un pointeur sur la poutre pour amplifier toute déviation par rapport à une position d'équilibre. et enfin en utilisant le principe du levier, qui permet d'appliquer des masses fractionnaires par déplacement d'une petite masse le long du bras de mesure de la poutre, comme décrit ci-dessus. Pour une plus grande précision, il faut tenir compte de la flottabilité dans l’air, dont l’effet dépend des densités des masses impliquées.

Balance en aluminium fabriquée en série (balance de mesure) vendue et utilisée dans toute la Chine: la balance peut être inversée et maintenue par le grand anneau sous la main droite de l'utilisateur pour produire un effet de levier plus important (province de Hainan, Chine)

Pour réduire le besoin de grandes masses de référence, un faisceau excentré peut être utilisé. Une balance avec un faisceau excentré peut être presque aussi précise qu'une balance avec un faisceau central, mais le faisceau excentré nécessite des masses de référence spéciales et ne peut pas être vérifié intrinsèquement en échangeant simplement le contenu des casseroles comme centre. l'équilibre du faisceau peut. Pour réduire le besoin de petites masses de référence graduées, il est possible d'installer un poids de glissement appelé un pois, de sorte qu'il puisse être positionné sur une échelle calibrée. Un poids ajoute des subtilités à la procédure d’étalonnage, car la masse exacte de l’équilibre doit être ajustée au rapport de levier exact du faisceau.

Pour plus de commodité en plaçant des charges volumineuses et difficiles, une plate-forme peut être flotté sur un système de poutre en porte-à-faux qui amène la force proportionnelle à un arête de nez palier; cela tire sur un

4.2
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