การวัดน้ำหนักสารโดยเครื่องชั่ง

เรียบเรียงโดย เอกดนัย กอกิมพงษ์

       เครื่องชั่งเป็นเครื่องมือพื้นฐานที่ใช้ในการชั่งน้ำหนัก เครื่องชั่งที่ดีจะต้องมีความไวในการตอบสนองและความแม่นยำสูง ดังนั้น ในการใช้งานเครื่องชั่ง จึงควรมีการสอบเทียบและปรับการทำงานอยู่อย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ ปัจจัยภายนอก เช่น ตัวอย่างที่นำมาชั่งและการติดตั้งเครื่องชั่งก็มีสว่ นสำคัญตอ่ ผลการวัดเชน่ กัน ปจั จุบันเครื่องชั่งได้มีการพัฒนาในหลายๆด้าน ทำให้เครื่องชั่งมีความสามารถมากขึ้น และยังใช้งานได้ง่ายขึ้นด้วย

บทนำ
        เครื่องชั่ง (Balance) เป็นเครื่องมือพื้นฐานที่ใช้เพื่อวัดหาน้ำหนักของวัสดุหรือสารในห้องปฏิบัติการการใช้งานเครื่องชั่งควรพิจารณาถึงน้ำหนักของวัสดุที่นำมาชั่งให้เหมาะสมกับช่วงการวัด
ของเครื่องชั่ง และติดตั้งเครื่องในตำแหน่งที่เหมาะสม ส่วนผู้ใช้งานก็ควรเรียนรู้วิธีการใช้งานอย่างถูกต้อง โดยเฉพาะวิธีการอ่านค่าของเครื่องชั่ง รวมทั้งคำนึงถึงคุณสมบัติของตัวอย่าง และมีการปรับและสอบเทียบอยู่อย่างสม่ำเสมอ ทั้งนี้เพื่อความถูกต้องและแม่นยำในการวัด

รูปที่ 1 ส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่องชั่ง

รูปที่ 2 เครื่องชั่งชนิดไม่มีฝาครอบจานชั่ง

ส่วนประกอบของเครื่องชั่ง
       เครื่องชั่งมีองค์ประกอบที่มองเห็นภายนอกหลักๆ ดังต่อไปนี้ Weighing chamber หรือห้องชั่ง มีลักษณะเป็นกล่องใสครอบจานชั่งเพื่อป้องกันลมหรือการไหลของอากาศ ส่วนมากมักจะทำมาจากกระจกหรือพลาสติกใส เพื่อให้สามารถมองเห็นสภาพของตัวอย่างบนจากชั่งได้ ห้องชั่งมีประตูเปิดสำหรับใส่ตัวอย่างอยู่ 3 ด้าน คือด้านบน และด้านข้างซ้าย-ขวา ส่วนด้านหน้าจะไม่มีช่องเปิด ทั้งนี้เพื่อป้องกันตัวอย่างหกใส่บนหน้าจอแสดงผลและหน้าปัดควบคุม Pan หรือจานชั่งเป็นองค์ประกอบเพื่อใช้เป็นที่สำหรับวางตัวอย่าง หรือภาชนะใส่ตัวอย่าง โดยอาจจะมี anti-draft ring เป็นส่วนที่ใช้ป้องกัน
3. เปิดประตูห้องชั่งอีกครั้ง แล้วใส่ตัวอย่างที่ต้องการชั่งลงไปโดยระมัดระวังไม่ให้ตัวอย่างที่จะชั่งหกออกนอกภาชนะ แล้วจึงปิดประตูห้องชั่ง
4. รอจนน้ำหนักที่ขึ้นบนหน้าจอนิ่งสนิทจึงอ่านค่าและบันทึกผลก่อนการใช้งานครั้งแรกควรจะอุ่นเครื่องก่อนใช้งานประมาณ 30 นาที - 6 ชั่วโมง ขึ้นกับความละเอียดของเครื่องชั่ง ซึ่งเวลาที่ใช้ในการอุ่นเครื่องนี้ก็เพื่อให้เครื่องชั่งมีความเสถียร และให้เครื่องชั่งปรับตัวและมีอุณหภูมิเท่ากับสิ่งแวดล้อม และหากมีการเคลื่อนย้ายเมื่อนำเครื่องชั่งไปติดตั้งในที่ใหม่ก็ควรทำการอุ่นเครื่องก่อนใช้งานเช่นเดียวกัน

การติดตั้งเครื่องชั่ง
        เครื่องชั่งควรวางอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม ทั้งนี้เพื่อป้องกันความผิดพลาดต่างๆ และเพื่อให้ผลการชั่งออกมาแม่นยำมากที่สุดโดยข้อปฏิบัติในการติดตั้งเครื่องชั่งให้เหมาะสมมีดังนี้
• ติดตั้งให้ห่างจากบริเวณที่มีแสงแดดส่อง เพราะแสงแดดจะทำให้อากาศภายในห้องชั่งอุ่นขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้การหมุนเวียนอากาศภายในห้องชั่งเปลี่ยนแปลงและทำให้ผลการชั่งคลาดเคลื่อนได้
• ติดตั้งเครื่องชั่งให้ห่างจากเครื่องปรับอากาศ เพราะเครื่องปรับอากาศเป็นเครื่องมือที่มีการไหลเวียนของอากาศอยู่ตลอดเวลา และจะทำให้อุณหภูมิบริเวณเครื่องชั่งเปลี่ยนแปลงซึ่งจะส่งผลทำให้ผลการชั่งไม่เสถียร
• ติดตั้งเครื่องชั่งให้ห่างจากบริเวณที่มีการสั่นไหว เช่นบริเวณใกล้กับเครื่องมือขนาดใหญ่ หรือบริเวณที่มีผู้คนเดินผ่านอยู่ตลอดเวลา เพราะการสั่นไหวเพียงเล็กน้อยก็สามารถส่งผลถึงการชั่งได้ และจะทำให้ผลการชั่งไม่เสถียรเช่นกัน
• ปรับระดับของ Level crew ให้เหมาะสม โดยทั่วไปจะปรับให้มีระดับเท่ากัน แต่หากพื้นที่วางไม่เรียบหรือเอียง อาจปรับให้ต่างกันได้เล็กน้อย และควรปรับระดับให้ฐานของเครื่องชั่ง เป็นแนวระนาบเดียวกันกับพื้นดิน โดยสังเกตุได้จากลูกน้ำภายในเครื่องชั่ง• การเคลื่อนย้ายเครื่องชั่งควรทำอย่างระมัดระวัง โดยใช้มือทั้ง 2 ข้างประคองเครื่องชั่งขณะเคลื่อนย้าย และไม่เอียงหรือหงายเครื่องชั่งขณะขนย้าย และระมัดระวังการกระแทก เพราะจะทำให้เครื่องชั่งเสียหายได้

รูปที่ 3 ตำแหน่งที่ไม่ควรติดตั้งเครื่องชั่ง

รูปที่ 4 ผลของไฟฟ้าสถิตในตัวอย่างต่อการชั่ง

คุณสมบัติของตัวอย่าง
        หนึ่งในปัจจัยหลักที่ส่งผลโดยตรงต่อการชั่งก็คือคุณสมบัติของตัวอย่างที่นำมาชั่ง ซึ่งอาจส่งผลให้ค่าน้ำหนักที่ได้จากการชั่งไม่ถูกต้องหรือคลาดเคลื่อนได้ ซึ่งคุณสมบัติของตัวอย่างที่สามารถส่งผลต่อการชั่งได้มีอยู่ 4 อย่าง คือ
        ไฟฟ้าสถิต หรือประจุไฟฟ้า โดยเฉพาะในสภาวะที่มีความชื้นต่ำ โดยคุณสมบัติเฉพาะตัวของตัวอย่างชนิดนี้ สามารถจะส่งผลทำให้ คานน้ำหนักของตัวอย่า งที่ชั่งเบี่ยงเบนไปจากเดิมได ้ การเกิดไฟฟ้าสถิตนี้ มักจะเกิดขึ้นกับวัตถุที่มีค่าประจุไฟฟ้าต่ำ และสามารถส่งผ่านประจุไฟฟ้าลงสู่สิ่งแวดล้อมอย่างช้าๆได้ ซึ่งไฟฟ้าสถิตนี้อาจเกิดจากการเสียดสีกับอากาศหรือการเสียดสีจากการใส่ตัวอย่างหรือบรรจุ ตัวอย่าง โดยแรงไฟฟ้าสถิตจะสามารถเป็นได้ทั้งแรงดูดและผลักขึ้นกับขั้วไฟฟ้าของประจุอนุภาคที่เกี่ยวข้องซึ่งจะมีผลกระทบต่อแรงกระทำของประจุไฟฟ้าของตัวอย่างในบริเวณที่ตัวอย่างสัมผัสกับจานชั่ง ซึ่งจะทำให้น้ำหนักของวัสดุที่นำมาชั่งเบี่ยงเบนไปจากความเป็นจริง วัสดุที่มีคุณสมบัตินี้ ได้แก่ พลาสติก แก้ว วัสดุกรองชนิดต่างๆ รวมทั้งวัสดุที่เป็นผงและของเหลวปัญหานี้แก้ไขได้โดยป้องกันตัวอย่างโดยใช้ภาชนะโลหะเพิ่มความจุพื้นผิวของตัวอย่างโดยการเพิ่มระดับของความชื้นภายในห้องปฏิบัติการ (ควรเพิ่มเพียงเล็กน้อย) หรือทำให้ประจุของพื้นผิวตัวอย่างเป็นกลางโดยตรงด้วยการใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องกำจัดไฟฟ้าสถิต (Static Electricity Eliminators)
        วัสดุที่มีฤทธิ์เป็นแม่เหล็ก ถ้าตัวอย่างมีความเป็นแม่เหล็กหรือมีฤทธิ์เป็นแม่เหล็ก เช่น มีส่วนประกอบของ เหล็ก นิคเกิล หรือโคบอลต์ หรือตัวอย่างเป็นสารแม่เหล็ก เช่น แท่งกวนแม่เหล็ก (magnetic stirrer) แรงแม่เหล็กนี้จะมีอิทธิพลต่อส่วนประกอบของเครื่องชั่งที่เป็นโลหะหรือแม่เหล็ก ซึ่งอาจจะทำให้เกิดการลบล้างน้ำหนัก หรือเพิ่มน้ำหนักตัวอย่างได้ และอิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่ก็อาจจะส่งผลต่อระบบชดเชยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องชั่งได้ กับจานชั่ง ซึ่งจะทำให้น้ำหนักของวัสดุที่นำมาชั่งเบี่ยงเบนไปจากความเป็นจริง วัสดุที่มีคุณสมบัตินี้ ได้แก่ พลาสติก แก้ว วัสดุกรองชนิดต่างๆ รวมทั้งวัสดุที่เป็นผงและของเหลวปัญหานี้แก้ไขได้โดย ป้องกันตัวอย่างโดยใช้ภาชนะโลหะเพิ่มความจุพื้นผิวของตัวอย่างโดยการเพิ่มระดับของความชื้นภายในห้องปฏิบัติการ (ควรเพิ่มเพียงเล็กน้อย) หรือทำให้ประจุของพื้นผิวตัวอย่างเป็นกลางโดยตรงด้วยการใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เครื่องกำจัดไฟฟ้าสถิต (Static Electricity Eliminators) วัสดุที่มีฤทธิ์เป็นแม่เหล็ก ถ้าตัวอย่างมีความเป็นแม่เหล็กหรือมีฤทธิ์เป็นแม่เหล็ก เช่น มีส่วนประกอบของ เหล็ก นิคเกิล หรือโคบอลต์ หรือตัวอย่างเป็นสารแม่เหล็ก เช่น แท่งกวนแม่เหล็ก (magnetic stirrer) แรงแม่เหล็กนี้จะมีอิทธิพลต่อส่วนประกอบของเครื่องชั่งที่เป็นโลหะหรือแม่เหล็ก ซึ่งอาจจะทำให้เกิดการลบล้างน้ำหนัก หรือเพิ่มน้ำหนักตัวอย่างได้ และอิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่เหลืออยู่ก็อาจจะส่งผลต่อระบบชดเชยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องชั่งได้
        ซึ่งเทคโนโลยี magnetic force restoration จะช่วยทำให้การชั่งมีความละเอียดและไวต่อการตอบสนอง แม้ว่าจะชั่งน้ำหนักตัวอย่างที่มีมวลน้อยก็ตาม ขณะที่เทคโนโลยี single point parallelogramtechnology จะทำให้ผลการชั่งอออกมาอย่างรวดเร็ว และช่วยให้ส่วนของเครื่องมือที่ใช้ในการชั่งมีความทนทานลดการเกิดการงอตัวของฐานชั่งได้ การรวมเทคโนโลยีเหล่านี้เข้าด้วยกันจึงช่วยให้ผลการชั่งมีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้น

       Bluetooth® Wireless Technology ทั้งเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์และเครื่องมือวัดในปัจจุบันได้เติบโตขึ้นอย่างรวดเร็วมากมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น และยังใช้งานได้ง่ายและสะดวกขึ้น โดยเครื่องชั่งสามารถที่จะต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ทาง port RS232 เพื่อใช้สำหรับควบคุมการทำงานและเก็บข้อมูลการชั่งได้ และใน ปัจจุบันที่เทคโนโลยีไร้สายได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว จึงมีการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในนการเชื่อมตอ่ เครื่องชั่งเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์ดว้ยโดยเทคโนโลยีไร้สายที่นำมาใช้กับเครื่องชั่งก็คือ Bluetooth เทคโนโลยีไร้สายแบบ Bluetooth มักใช้กันในเครื่องคอมพิวเตอร์แบบพกพาหรือในโทรศัพท์มือถือ เพราะสามารถส่งผ่านข้อมูลได้อย่างรวดเร็วและมีช่วงของการรับส่งข้อมูลได้ไกลถึง 100 เมตร (Bluetooth class1) ทำให้สามารถลดข้อจำกัดในเรื่องของสายเคเบิลที่เกะกะหรือการวางตำแหน่งของเครื่องมือ ที่สำคัญเทคโนโลยีไร้สายชนิดนี้จะไม่รบกวนต่อผลการวัด หรือสภาวะในห้องปฏิบัติการต่างกับอินฟราเรดที่ใช้กันมาในอดีต เพราะอินฟราเรดจะรบกวนต่อผลการวัดหรือการทำงานอย่างอื่นในห้องปฏิบัติการได้

รูปที่ 5 การชั่งแบบ Below-Balance

รูปที่ 6 การส่งข้อมูลจากเครื่องชั่งสู่คอมพิวเตอร์ผ่าน Bluetooth

การสอบเทียบและการปรับ
       การสอบเทียบ ทำเพื่อตรวจสอบค่าเบี่ยงเบนระหว่างน้ำหนักที่อ่านได้บนเครื่องชั่งกับน้ำหนักมาตรฐาน (ในกลุ่มของเทคโนโลยีเครื่องชั่งตุ้ม น้ำหนักมาตรฐานจะต้องมีขนาดน้ำหนักที่ได้รับการยอมรับเป็นสากล) การสอบเทียบเป็นแหล่งของข้อมูลสำคัญ สำหรับใช้ในการตรวจสอบเครื่องชั่งที่มีความไม่แน่นอนในการวัดน้ำหนักภายใต้สภาวะการปฏิบัติงานปกติ ดังนั้น การสอบเทียบจึงมีบทบาทสำคัญในการควบคุมความแม่นยำของการวัดของเครื่องมือการปรับ เป็นการแทรกแซงอย่างถูกต้องต่อเครื่องชั่ง เพื่อกำจัดความผิดพลาดที่เกิดขึ้นจากการใช้งานโดยระหว่างการปรับนี้น้ำหนักที่อ่านได้จะถูกเปรียบเทียบกับน้ำหนักที่ถูกต้องจากการสอบเทียบ จากนั้นเมื่อปรับจนถูกต้องแล้วก็จะถูกเก็บข้อมูลไว้
ในหน่วยประมวลผล ของเครื่องชั่งจนกระทั่งการปรับครั้งใหม่โดยเครื่องชั่งที่ผ่านการปรับ แล้วจะสามารถใช้ชั่งน้ำหนักได้อย่างถูกต้อง ซึ่งความถี่ของการปรับนี้ขึ้นอยูก่ ับปจั จัยหลายอย่างได้แก่ความถี่ของการใช้งานเครื่องชั่ง สภาวะแวดล้อมในการชั่ง และผลกระทบของสิ่งที่ผิดพลาดต่างๆจากการชั่งการปรับและการสอบเทียบนี้สามารถแบง่ ได้เป็น 2 วิธี ตามลักษณะของเครื่องมือและวิธีการปรับ ได้แก่ การปรับและการสอบเทียบจากภายนอก (external calibration and adjustment) และการปรับและการสอบเทียบจากภายใน (internal calibration and adjustment)

รูปที่ 7 ตุ้มน้ำหนักมาตรฐานที่ใช้ในการสอบเทียบ

รูปที่ 8 Buil-in cabibartion weight

External calibration and adjustment
        กระบวนการปรับและสอบเทียบแบบนี้มักใช้กับเครื่องชั่งรุ่นเก่าหรือเครื่องชั่งที่มีความจุมากๆ ทำโดยเปรียบเทียบความถูกต้องของการชั่งน้ำหนัก โดยใช้ตุ้มน้ำหนักมาตรฐาน ซึ่งอาจใช้ตุ้มน้ำหนักเพียง 1 ค่าหรือหลายค่าก็ได้โดยค่าความคลาดเคลื่อนนี้จะถูกบันทึกเพื่อนำไปใช้ร่วมกับการปรับต่อไปสำหรับตุ้มน้ำหนักมาตรฐานที่นำมาใช้นี้จะต้องเป็นตุ้มน้ำหนักที่ทราบน้ำหนักที่แน่นอนอยู่แล้ว และต้องได้รับการรับรองจากผู้ผลิตและจากห้องปฏิบัติการทดสอบมาตรฐานก่อน จึงจะนำมาใช้ในการสอบเทียบได้ (ต้องมีใบรับประกันจากผู้ผลิต)
Internal calibration and adjustment
       สำหรับการสอบเทียบวิธีนี้นั้น น้ำหนักอ้างอิงที่ใช้สำหรับการสอบเทียบจะถูกผลิตและติดตั้งมาอยู่ภายในเครื่องชั่งเลย (Built-in calibration weights) โดยค่าของน้ำหนักอ้างอิงนี้ ได้ถูกตรวจสอบมาจากโรงงานผลิต และเก็บบันทึกค่านี้ในหน่วยความจำอิเล็กทรอนิกส์ แบบอ่านอย่างเดียว (Electronically Programmable Read-Only Memory; EPROM) ของหน่วยความจำของเครื่องชั่งการสอบเทียบจึงทำเพียงแค่การกดปุ่ม calibration บนเครื่องชั่งเท่านั้น เครื่องชั่งก็จะทำการสอบเทียบและปรับความถูกต้องได้เองโดยอัตโนมัติ (ตุ้มน้ำหนักภายในไม่มีใบรับประกันจากผู้ผลิต) ด้วยการที่น้ำหนักอ้างอิงอยู่ภายในตัวเครื่องชั่งเอง ทำให้ตุ้มน้ำหนักอ้างอิงถูกปกป้องจากความสกปรกและอันตรายอื่นๆได้และยังมีอุณหภูมิระดับเดียวกันกับกันกับเครื่องชั่ง และการสอบเทียบยังทำงานแบบอัตโนมัติทั้งกระบวนการ ทำให้แน่ใจได้ว่า
เครื่องชั่งทำงานได้อย่างถูกต้องตามต้องการ
       คำถามที่มักจะถูกถามเป็นประจำเกี่ยวกับการสอบเทียบของเครื่องชั่งที่มีตัวสอบเทียบอยู่ภายในก็คือ จะสามารถแน่ใจได้อย่างไรว่า ตุ้มน้ำหนักภายในเป็นตุ้มน้ำหนักที่ได้มาตรฐาน ในเรื่องนี้สามารถตรวจสอบได้โดยการทำ External Calibration แล้วเปรียบเทียบกับการใช้ตุ้มน้ำหนักภายใน หากค่าที่อ่านได้ตรงกันก็แสดงว่าเครื่องชั่งยังคงมีประสิทธิภาพดีอยู่ ยังสามารถอ่านค่าได้อย่างถูกต้องแต่หากไม่ตรงอาจส่งคืนผู้ผลิตเพื่อแก้ไขหรือทำการกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนแล้วใช้ประกอบผลการชั่งก็ได้ (ตุ้มน้ำหนักภายในไม่มีใบรับประกันรับรอง)

สรุป
        การชั่งน้ำหนักให้ได้ค่าที่ถูกต้องและแม่นยำนั้น ต้องคำนึงถึงหลายปัจจัย ทั้งจากการติดตั้งเครื่อง การใช้งาน และคุณสมบัติของตัวอย่าง และเมื่อพบว่าเครื่องชั่งให้ผลการชั่งออกมาคลาดเคลื่อนหรือไม่ตรงตามน้ำหนักที่เป็นจริง ก็ควรนำเครื่องชั่งไปสอบเทียบและทำการปรับ เพื่อให้สามารถนำเครื่องชั่งมาใช้งานได้อย่างถูกต้อง และให้ผลการชั่งที่แม่นยำมากที่สุด

เอกสารอ้างอิง
1. Moisture Determination-Thermogravimetric method ตอนที่ 2 เทคโนโลยีของเครื่องวัดความชื้นในปัจจุบัน,
    LAB.TODAY; ปีที่ 4 ฉบับที่ 26 เมษายน 2548, 25-28
2. Handbook of Weighing Applications, SartoriusAG
3. Bluetooth? Wireless Technology, SartoriusAG
4. Shimadzu Analytical Balance Instruction Manual, Shimadzu Corporation
5. http://www.andweighing.com/and.nsf/html/GF+Series
6. http://test-equipment.globalspec.com/LearnMore/Labware_Test_Measurement/
    Analytical_Instruments/Laboratory_Balances
ขอขอบคุณ บริษัท ไซแอนติฟิค โปรโมชั่น จำกัด เอื้อเฟื้อข้อมูล

LAB.TODAY
บทความบางส่วนติดตามได้ในเล่ม
เว็บไซต์ที่เกี่ยวข้อง www.vertichrom.com, www.ligandsci.com