Esquema de la Balanza Analítica

La balanza analítica monoplato

A. González Arias

Dpto. Física Aplicada

Esquema de la balanza mecánica monoplato. El brazo posee un tornillo vertical y otro horizontal para ajustar la sensibilidad y el cero de la balanza respectivamente.

Sistema electromagnético con servomotor simplificado

Balanza analítica híbrida, mecánica-electromagnética

La balanza de celda de fuerza en un chásis clásico

La balanza de platillo superior (top loading). Los modelos más recientes ajustan el cero y la tara electrónicamente.

Referencia: A look at the electronic analytical balance, ANALYTICAL CHEMISTRY, VOL. 54, NO. 8. JULY 1982. Descargar artículo (.pdf)

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Es el instrumento de medición por excelencia para determinar la masa de los cuerpos. Apareció por primera vez en 1946, y superaba en rapidez y comodidad a las antiguas balanzas de dos platillos.

Los primeros modelos poseían un contrapeso regulable en un extremo del brazo y pesas removibles (en realidad masas calibradas) colgadas en el otro extremo, en un soporte unido al platillo. Las pesas se añaden y se quitan del soporte mediante controles externos, sin necesidad de ser manipuladas directamente por el operario.

El brazo se apoya únicamente sobre la arista de una cuchilla (fulcro) en forma de prisma; otra cuchilla se usa para sostener el platillo. Tanto las cuchillas como los soportes están construidos de materiales muy duros, tales como ágata o zafiro. El ajuste grueso del cero de la balanza se logra mediante tuercas horizontales colocadas en el brazo.

Cuando un objeto se coloca sobre el platillo se crea un torque o momento de fuerza que provoca la rotación del brazo; este torque se compensa liberando algunas de las pesas removibles, hasta regresar nuevamente al equilibrio. Una escala transparente colocada en el extremo del brazo y un sistema óptico auxiliar permiten detectar la posición del cero en el frente de la balanza.

Los controles van unidos mecánicamente a un display digital que registra el valor de las pesas removidas. La lectura final, con precisión de 0.1 mg, se logra mediante la imagen de la escala móvil y controles adicionales. La carga máxima de este tipo de balanzas está comprendida entre 160 a 200 g con desviaciones estándar de ± 0.1 mg, aunque existen balanzas capaces de detectar fácilmente variaciones de microgramos. La calibración de la balanza se realiza periódicamente con una masa patrón de 100 mg, ajustando una tuerca vertical que se encuentra adosada a la parte superior del brazo (100 mg a plena escala).

La balanza es un instrumento delicado, de gran precisión, de aquí que durante su manipulación se debe tener gran cuidado de no mover arbitrariamente los tornillos de calibración ni dañar las pesas, la escala o las cuchillas.

Balanzas híbridas y electrónicas

A principios de los años 70 apareció la balanza electrónica híbrida que conservaba el brazo y la cuchilla afilada, pero empleaba un solenoide en lugar de pesas para proporcionar la fuerza equilibrante y hacer regresar el platillo a su posición original.

Posteriormente las pesas se eliminaron totalmente, hasta llegar al diseño de la balanza electrónica moderna.

En las balanzas modernas, el circuito electromagnético está diseñado de forma tal que la corriente en el solenoide es proporcional a la desviación del platillo de su posición de equilibrio, que a su vez también es proporcional al valor de la masa colocada en el mismo. Mediante circuitos electrónicos, esta corriente se utiliza para indicar el valor de la masa en una escala digital.

Inconveniencias

La pesada de materiales ferromagnéticos pueden perturbar el servomotor, introduciendo errores sistemáticos en la pesada. Si el material está magnetizado el riesgo es aún mayor. Se puede comprobar si hay perturbaciones moviendo el material a diferentes lugares del platillo y verificando si la posición del cero varía. La lectura de la balanza también puede ser afectada por la presencia de fuentes cercanas de radiación electromagnética, o la presencia de polvo en el mecanismo servomotor. El polvo de sustancias magnéticas es particularmente dañino y puede hacer la balanza inoperable.

Calibración de la balanza

Usualmente la calibración de una balanza electrónica implica la pesada de una masa patrón de valor conocido y el ajuste de la corriente de modo que el peso del patrón se indique correctamente en el display. Otros modelos incluyen la masa patrón dentro de la balanza, y el procedimiento de calibración se lleva a cabo automáticamente.

Existen diversos procedimientos para detectar el valor de al masa, de acuerdo al fabricante específico. En el método por compensación, la corriente en la bobina (servomecanismo) genera un campo magnético que sostiene el platillo. Cuando éste está vacío, se ajusta la corriente mediante un control externo para que el nivel del brazo indicador esté en la posición cero.

Al colocarse un objeto sobre el platillo se produce un movimiento hacia abajo, que aumenta la radiación luminosa que incide sobre la celda fotoeléctrica del detector de cero. El aumento de la corriente es amplificado y enviado la bobina, aumentando el valor del campo magnético hasta que el platillo vuelve a su posición original. La corriente requerida para mantener el platillo junto al objeto en la posición de cero es proporcional al peso (y a la masa) del objeto. Ese valor se transforma electrónicamente para mostrar el valor de la masa desconocida en una pantalla digital.

Cuando se creó el antiguo Sistema Métrico Decimal, el kilogramo se definió como la masa de 1 dm³ de agua pura a la temperatura en que alcanza su máxima densidad (4.0 °C). Con ese fin se fabricó un cilindro de platino que tuviera la misma masa que dicho volumen de agua en esas condiciones. Sin embargo, más adelante se descubrió que no podía conseguirse una cantidad de agua tan pura ni tan estable como se requería para que el patrón fuera reproducible.

Por esta razón, el patrón primario de masa pasó a ser el cilindro de platino, que en 1889 fue sustituido por un cilindro de platino-iridio de masa similar.

En el actual Sistema Internacional de Unidades, el kilogramo se sigue definiendo como la masa del cilindro de platino-iridio conservado en París. De aquí que, para obtener valores verídicos de la masa, toda balanza debe estar calibrada o comparada indirectamente con ese kilogramo patrón. Esto se logra a través de las Oficinas de Pesas y Medidas que existen en cada país, que poseen patrones fraccionarios que han sido contrastados directa o indirectamente (mediante patrones secundarios) con el kilogramo patrón.