balanza microgramos casera barata

[fidelis]

por Shawn Carlson (Scientific American, junio de 1996) pero tomado de un enlace vespiario. no obstante, ¡¡¡publicaré una versión actualizada en las respuestas!!! ^_^

Las balanzas de microgramos son dispositivos inteligentes que pueden medir masas increíblemente pequeñas. Los modelos de gama alta emplean una ingeniosa combinación de aislamiento mecánico, aislamiento térmico y magia electrónica para producir mediciones repetibles de hasta una décima de millonésima de gramo. Con sus elaboradas carcasas de cristal y sus pulidos accesorios chapados en oro, estas balanzas parecen más obras de arte que instrumentos científicos. Los nuevos modelos pueden costar más de 10.000 dólares y a menudo requieren el toque de un maestro para extraer datos fiables del ruido de fondo.

Sin embargo, a pesar de su coste y complejidad, estos aparatos son, en esencia, bastante sencillos. Un tipo común utiliza una bobina magnética para proporcionar un par que equilibra delicadamente una muestra en el extremo de un brazo de palanca. Al aumentar la corriente eléctrica en la bobina, aumenta el par. La corriente necesaria para compensar el peso de la muestra es, por tanto, una medida directa de su masa. Las bobinas de las balanzas comerciales están montadas sobre pivotes de zafiro azul pulido. Se utilizan zafiros porque su extrema dureza (sólo los diamantes son más duros) evita que los pivotes se desgasten. Sofisticados dispositivos de detección y circuitos controlan la corriente en la bobina, razón por la que las electrobalanzas de microgramos son tan caras.

Y eso es una buena noticia para los aficionados. Si estás dispuesto a sustituir los sensores por tus ojos y los circuitos de control por tus manos, puedes construir una delicada electrobalanza por menos de 30 dólares.

George Schmermund, de Vista, California, me aclaró este hecho. Desde hace más de 20 años, Schmermund dirige una pequeña empresa llamada Science Resources, que compra, repara y personaliza equipos científicos. Aunque puede que sea un profesional austero para sus clientes, sé que es todo un espíritu libre que dedica su tiempo al mundo de los negocios sólo para poder ganar el dinero suficiente para dedicarse a su verdadera pasión: la ciencia amateur.

Schmermund ya posee cuatro costosas balanzas comerciales de microgramos. Pero en su afán por hacer avanzar la ciencia amateur, decidió ver qué tal se le daba con una balanza barata. Su ingeniosa estratagema consistió en combinar una tabla de quesos y un viejo galvanómetro, un aparato que mide la corriente. El resultado fue una electrobalanza capaz de determinar pesos desde unos 10 microgramos hasta 500.000 microgramos (0,5 gramos).

La precisión de las mediciones es impresionante. He comprobado personalmente que su diseño puede medir con una precisión del 1% masas superiores a un miligramo. Además, puede distinguir entre masas en el intervalo de 100 microgramos que difieren en tan sólo dos microgramos. Y los cálculos sugieren que el instrumento puede medir masas individuales tan ligeras como 10 microgramos (no tenía una pesa tan pequeña para probar).

El componente crucial, el galvanómetro, es fácil de conseguir. Estos dispositivos son la pieza central de la mayoría de los antiguos medidores eléctricos analógicos, de los que utilizan una aguja montada en una bobina. La corriente que circula por la bobina crea un campo magnético que desvía la aguja. El diseño de Schmermund prevé que la aguja, montada en el plano vertical, actúe como brazo de palanca: las muestras cuelgan de la punta de la aguja.

Es probable que en las tiendas de electrónica dispongan de varios galvanómetros analógicos. Una buena forma de juzgar la calidad es agitar suavemente el medidor de un lado a otro. Si la aguja se mantiene en su sitio, está sujetando una bobina adecuada. Más allá de esta prueba, un extraño sentido de la estética me guía a la hora de seleccionar un buen medidor. Resulta frustrantemente difícil describir este sentido, pero si cuando lo miro me siento impulsado a decir: "¡Este sí que es un medidor bonito!", lo compro. Esta confusión estética tiene una ventaja práctica. Los medidores finamente elaborados y cuidadosamente diseñados suelen albergar bobinas exquisitas que no tienen nada que envidiar a las bobinas utilizadas en las balanzas electrónicas, con cojinetes de zafiro y todo.Para construir la balanza, libere suavemente la bobina de la carcasa del medidor, con cuidado de no dañar la aguja. Monte la bobina en una chapa de aluminio de desecho [véase la ilustración de la página opuesta]. Si no puede utilizar chapa de aluminio, monte la bobina dentro de una caja de plástico para proyectos. Para aislar la balanza de las corrientes de aire, fije todo el conjunto en una tabla para quesos cubierta de cristal, con la chapa de aluminio en posición vertical para que la aguja se mueva hacia arriba y hacia abajo. Los dos pesados cables de protección canibalizados del medidor se montan en el soporte de aluminio para restringir el rango de movimiento de la aguja.

Pega con epoxi un pequeño tornillo al soporte de aluminio, justo detrás de la punta de la aguja. La aguja debe cruzar justo por delante del perno sin tocarlo. Cubre el perno con un trozo pequeño de cartulina y traza una fina línea horizontal en el centro del papel. Esta línea define la posición cero de la escala.

La bandeja de muestras que cuelga de la aguja no es más que un pequeño marco hecho a mano doblando alambre no aislado. El diámetro exacto del alambre no es crítico, pero debe ser fino: un alambre de calibre 28 funciona bien. En la base del marco de alambre se coloca un pequeño círculo de papel de aluminio que sirve de bandeja. Para evitar la contaminación con aceites corporales, no toque nunca la bandeja (ni la muestra) con los dedos; utilice siempre unas pinzas.

Para energizar la bobina del galvanómetro, necesitará un circuito que suministre cinco voltios estables [consulte el diagrama del circuito a continuación]. No sustituya las pilas por un adaptador de CA a CC a menos que esté dispuesto a añadir filtros que puedan suprimir las fluctuaciones de tensión de baja frecuencia, que pueden filtrarse en el sistema desde el adaptador. Fluctuaciones tan pequeñas como 0,1 milivoltios reducirán drásticamente su capacidad para resolver los pesos más pequeños.

El dispositivo utiliza dos resistencias variables de precisión de 100 kilohmios y 10 vueltas (también llamadas potenciómetros o reóstatos): la primera para ajustar la tensión a través de la bobina y la segunda para proporcionar una referencia cero. Un condensador de 20 microfaradios amortigua la bobina contra cualquier sacudida en la respuesta de las resistencias y ayuda a realizar cualquier ajuste delicado en la posición de la aguja. Para medir la tensión a través de la bobina, necesitará un voltímetro digital que lea hasta 0,1 milivoltios. Radio Shack vende versiones portátiles por menos de 80 dólares. Con una fuente de alimentación de cinco voltios, la báscula de Schmermund puede levantar 150 miligramos. Para pesos mayores, sustituya el chip regulador de tensión de tipo 7805 por un chip 7812. Producirá 12 voltios estables y levantará objetos de casi medio gramo.

Para calibrar la balanza, necesitará un conjunto de pesas de microgramos conocidos. Una sola pesa calibrada de alta precisión de entre uno y 100 microgramos suele costar 75 dólares, y necesitarás al menos dos. Sin embargo, hay una forma más barata. La Society for Amateur Scientists pone a su disposición por 10 dólares juegos de dos pesas calibradas de microgramos adecuadas para este proyecto. Tenga en cuenta que estas dos pesas le permiten calibrar su balanza con cuatro masas conocidas: cero, pesa uno, pesa dos y la suma de las dos pesas.

Para realizar una medición, comience con el platillo de la balanza vacío. Cubra el aparato con la cubierta de cristal. Ahogue la corriente eléctrica ajustando la primera resistencia a su valor máximo. A continuación, ajusta la segunda resistencia hasta que la tensión sea lo más cercana a cero posible. Anota esta tensión y no vuelvas a tocar esta resistencia hasta que hayas terminado toda la serie de mediciones. Suba ahora la primera resistencia hasta que la aguja se hunda hasta el tope inferior y, a continuación, gírela de nuevo para que la aguja vuelva a la marca cero. Anote de nuevo la lectura de tensión. Utilice la media de las tres mediciones de tensión para definir el punto cero de la escala.

A continuación, aumente la resistencia hasta que la aguja se apoye en el soporte de alambre inferior. Coloque un peso en la bandeja y reduzca la resistencia hasta que el inducido vuelva a oscurecer la línea. Registre la tensión. Repita la medición tres veces y saque la media. La diferencia entre estas dos tensiones medias es una medida directa del peso de la probeta.

Una vez que hayas medido los pesos calibrados, representa gráficamente la masa levantada frente a la tensión aplicada. Los datos deben caer sobre una línea recta. La masa correspondiente a cualquier tensión intermedia puede entonces leerse directamente en la curva.

La balanza de Schmermund es extremadamente lineal por encima de 10 miligramos. La pendiente de la línea de calibración disminuyó sólo un 4 por ciento a 500 microgramos, la pesa calibrada más pequeña de que disponíamos. No obstante, le recomiendo encarecidamente que calibre su balanza cada vez que la utilice y que compare siempre sus muestras directamente con sus pesas calibradas.

 

[fidelis]

enlace aquí, mismo tipo, misma revista, pero publicado 4 años después


Vivo para los viernes. Porque suelo pasar ese día de excursión por las tierras baldías de San Diego con una ecléctica asamblea de iconoclastas, entre los que se encuentran varios tecnólogos brillantes y algunos de mis amigos más queridos. Conectamos a través de nuestro amor por la instrumentación y nuestra pasión compartida por desarrollar soluciones baratas a diversos retos experimentales. Este interés común nos lleva a rivalidades amistosas, cuyos resultados alimentan a menudo esta columna.

Tomemos, por ejemplo, el problema de la medición de masas extremadamente pequeñas. George Schmermund desarrolló un método fantástico, que describí en estas páginas en junio de 1996. George extrajo la bobina y el inducido de un galvanómetro desechado y los montó en posición vertical, de modo que la aguja del medidor se moviera en un plano vertical. A continuación, conectó la bobina a una tensión variable y la ajustó hasta que la aguja quedó exactamente horizontal. Una pequeña masa de peso conocido colocada en el extremo de la aguja tiraba de ella hacia abajo. George aumentó entonces el voltaje hasta que el brazo volvió a su posición inicial. Como una masa más pesada requería un aumento proporcionalmente mayor del voltaje para equilibrarla, el cambio de voltaje indicaba el peso de una muestra. La electrobalanza de George era capaz de pesar masas tan pequeñas como 10 microgramos (es decir, 10 millonésimas de gramo).

Ese logro ya me parecía asombroso, pero hace poco el organizador de nuestras salidas semanales, Greg Schmidt, se dio cuenta de que incluso ese asombroso rendimiento podía mejorarse. El diseño de Greg elimina la necesidad de ajustar la aguja manualmente: la balanza se pone automáticamente a cero (o "taras") y se nivela sola, y puede seguir continuamente cómo cambia la masa de un objeto, por ejemplo, la velocidad a la que una hormiga pierde agua al respirar. El resultado es una electrobalanza extremadamente versátil con una sensibilidad de microgramos que puede fabricarse por menos de 100 dólares.

Así es como funciona. Greg tomó el diseño básico de George y le añadió un microcontrolador de bajo coste (un pequeño ordenador con su unidad central de procesamiento y su memoria en un único chip), al que dio instrucciones para que enviara 2.000 impulsos de corriente débil a través de la bobina cada segundo. La inercia de la armadura y la aguja les impide responder a cada impulso corto, por lo que la desviación refleja la corriente media en la bobina. Sin embargo, los pulsos individuales parecen ser lo suficientemente grandes como para hacer vibrar los cojinetes del galvanómetro de Greg. Él cree que esta ligera vibración reduce la "pegajosidad", la tendencia de un cojinete a bloquearse cuando no está en movimiento. Este efecto parece explicar por qué un medidor tan barato como el suyo puede responder al tirón de masas tan pequeñas.

ELCABLEADO ELECTRÓNICO necesario para el proyecto es mínimo porque el microordenador utilizado reside en una placa autónoma. Sólo hay que conectar dos transistores, una resistencia y un diodo, además del sensor óptico integrado (que contiene un fototransistor y un diodo emisor de luz). Aunque el rendimiento del circuito "espejo de corriente" será superior si sus dos transistores residen en el mismo chip de silicio, se pueden utilizar transistores NPN separados si sus carcasas están unidas (como se muestra arriba) para que ambos permanezcan exactamente a la misma temperatura.

Sin embargo, Greg no diseñó su circuito para reducir la pegajosidad. Esta característica resultó ser una ventaja imprevista del uso de la "modulación por ancho de pulso" para controlar la corriente media enviada a través de la bobina. Con este esquema, el tiempo entre impulsos sucesivos se mantiene igual, pero el microcontrolador varía el ciclo de trabajo, es decir, la fracción del ciclo durante la cual la corriente permanece activada. Los trenes de impulsos con ciclos de trabajo cortos sólo dan energía a la bobina durante una pequeña parte del tiempo total, por lo que sólo pueden levantar los pesos más pequeños, mientras que los trenes de impulsos con ciclos de trabajo más largos pueden elevar cargas más pesadas. El microprocesador de Greg puede generar 1.024 valores diferentes para el ciclo de trabajo. Ese número establece el rango dinámico de la balanza. Si la corriente máxima se ajusta para que el aparato pueda levantar hasta un miligramo, por ejemplo, la masa más pequeña detectable será de aproximadamente un microgramo.

Semejante sensibilidad es bastante impresionante. Sin embargo, el microordenador que dirige el aparato no tiene por qué ser nada especial. De hecho, existe una gran variedad de opciones. Pero si no tiene ni idea de cómo seleccionar y programar un microprocesador, no se preocupe: Greg desarrolló su instrumento pensando en los principiantes. Utilizó el kit de evaluación del microcontrolador flash de la serie AT 89/90 de Atmel, que incluye un microordenador totalmente funcional y extremadamente versátil, que se conecta directamente a un ordenador personal. Este kit (modelo STK-200) incluye todo lo necesario para ponerse en marcha y cuesta menos de 50 dólares (consulte Amtel Corporation para obtener una lista de proveedores).

Desgraciadamente para los usuarios de Macintosh, este sistema sólo es compatible con IBM compatibles. En cualquier caso, no tiene que programarlo todo desde cero, porque Greg ha desarrollado todo el software necesario para hacer funcionar el aparato, incluidas las instrucciones que muestran el peso en tiempo real en una pequeña pantalla de cristal líquido (número de catálogo 73-1058-ND de Digi-Key; 800-344-4539). Puede descargarse gratuitamente su código del sitio web de la Society for Amateur Scientists.

Al igual que con el diseño original de George, casi cualquier galvanómetro sacado de un contenedor de excedentes funcionará. Sólo hay que asegurarse de que mide corrientes pequeñas y de que su aguja tiende a permanecer en su sitio cuando la unidad se balancea rápidamente de un lado a otro. Mientras que el prototipo de George requería que el operador mirara la aguja con los ojos entrecerrados, la electrobalanza de Greg detecta la posición de la aguja electrónicamente utilizando un fototransistor y un diodo emisor de luz, que también puedes adquirir en Digi-Key (el número de catálogo QVA11334QT-ND incluye una sola unidad). Perfora un pequeño trozo de papel de aluminio con un alfiler y centra el agujero en el fototransistor, como se muestra en la página 90. Con el papel de aluminio cubriendo la mayor parte del fototransistor, la señal pasará de totalmente encendida a totalmente apagada muy rápidamente cuando la aguja interrumpa la luz del diodo. Coloque una astilla de madera de balsa como se muestra para detener la aguja exactamente en ese punto.

Si hay muy poca corriente en la bobina, la aguja se apoyará en la pieza inferior de balsa y bloqueará la luz. Demasiada corriente levanta la aguja completamente fuera de la trayectoria de la luz. El software de Greg utiliza un sofisticado algoritmo para mantener la aguja equilibrada entre estos dos estados. Una vez que el dispositivo se ha calibrado y tarado correctamente, esta anchura de pulso refleja la masa de la muestra.

ElGRABADO CONTINUO del peso cambiante de una longitud de un centímetro de hilo humedecido demuestra la versatilidad de este económico instrumento.

El circuito de control que ayuda a lograr toda esta magia se muestra arriba. Tendrá que ajustar el valor de R1 para ajustar la corriente máxima a algo que su medidor pueda manejar. La corriente máxima podría estar indicada en el medidor. Si no, utiliza una resistencia variable, una pila de nueve voltios y un medidor de corriente para medirla. Como el galvanómetro de Greg tenía un máximo de cinco miliamperios, programó el microcontrolador para crear una corriente de cinco miliamperios enviando un impulso de cinco voltios a través de una resistencia de un kilohmio.

Sin embargo, esa corriente no se dirige a través de la bobina. En lugar de ello, fluye a través de un circuito llamado espejo de corriente, que fuerza el paso de una corriente idéntica a la bobina. Este truco mejora notablemente la estabilidad a largo plazo de la balanza. ¿Por qué? La resistencia de la bobina depende de su temperatura, que aumenta cada vez que se disipa energía eléctrica en su interior. Pero el circuito espejo mantiene la corriente constante sea cual sea la temperatura de la bobina.

Por supuesto, la propia resistencia de R1 variará algo con la temperatura, lo que podría hacer que la calibración se desviara. Así que querrás usar un componente con un coeficiente de temperatura bajo. Una resistencia de película metálica con una tolerancia del 1 por ciento, por ejemplo, suele variar apenas 50 partes por millón por cada grado centígrado. También tendrá que mantener los dos transistores del espejo de corriente a la misma temperatura para evitar que el circuito se desplace. Lo mejor es utilizar un conjunto de transistores emparejados en un único chip de silicio, como el CA3086 (48 céntimos en Circuit Specialists; 800-528-1417). Si no, conecte dos transistores de conmutación NPN idénticos con sus carcasas tocándose como se muestra arriba.

En el gráfico de la izquierda se muestra una deliciosa demostración de la sensibilidad que alcanza su aparato. Greg empapó un centímetro de hilo fino en agua. A continuación, controló su peso a medida que el agua se evaporaba lentamente. Notable.