halpa kotitekoinen mikrogramma-asteikko

[fidelis]

Shawn Carlson (Scientific American, kesäkuu 1996), mutta otettu vespiary-linkistä. julkaisen kuitenkin päivitetyn version vastauksissa!!! ^_^

Mikrogrammavaa'at ovat nokkelia laitteita, joilla voidaan mitata fantastisen pieniä massoja. Huippumallit käyttävät nerokasta yhdistelmää mekaanista eristystä, lämpöeristystä ja elektronisia niksejä tuottaakseen toistettavia mittauksia gramman miljoonasosan kymmenesosaan asti. Hienostuneine lasikoteloineen ja kiillotettuine kullattuine kiinnikkeineen nämä vaa'at näyttävät pikemminkin taideteoksilta kuin tieteellisiltä instrumenteilta. Uudet mallit voivat maksaa yli 10 000 dollaria ja vaativat usein mestarin kosketusta, jotta taustahälystä saataisiin luotettavia tietoja.

Kalleudestaan ja monimutkaisuudestaan huolimatta nämä laitteet ovat pohjimmiltaan melko yksinkertaisia. Eräässä yleisessä tyypissä käytetään magneettikäämiä vääntömomentin tuottamiseen, joka tasapainottaa näytettä vipuvarren päässä. Kelan sähkövirran lisääminen lisää vääntömomenttia. Näytteen painon tasaamiseen tarvittava virta on siis suora mitta sen massasta. Kaupallisissa vaa'assa olevat käämit liikkuvat kiillotetusta sinisestä safiirista valmistettujen nivelten varassa. Safiireja käytetään, koska niiden äärimmäinen kovuus (vain timantit ovat kovempia) estää nivelten kulumisen. Kehittyneet anturilaitteet ja virtapiirit ohjaavat kelan virtaa, minkä vuoksi mikrogrammaiset sähkövatsaimet ovat niin kalliita.

Ja se on hyvä uutinen harrastajille. Jos olet valmis korvaamaan anturit silmilläsi ja ohjauspiirit käsilläsi, voit rakentaa herkän sähkövaa'an alle 30 dollarilla.

George Schmermund Vistasta, Kaliforniasta, teki tämän minulle selväksi. Schmermund on yli 20 vuoden ajan johtanut Science Resources -nimistä pientä yritystä, joka ostaa, korjaa ja räätälöi tieteellisiä laitteita. Vaikka hän saattaa olla asiakkailleen ankara ammattilainen, tunnen hänet varsin vapaaksi hengeksi, joka viettää aikaa liike-elämässä vain ansaitakseen tarpeeksi rahaa voidakseen harrastaa todellista intohimoaan - harrastajatieteiden harrastamista.

Schmermund omistaa jo neljä kallista kaupallista mikrogrammavaakaa. Amatööritieteen edistämiseksi hän päätti kuitenkin kokeilla, miten hyvin hän pärjäisi halvalla. Hänen nerokas keksintönsä oli yhdistää juustolauta ja vanha galvanometri, laite, joka mittaa virtaa. Tuloksena oli sähkövaaka, jolla voidaan määrittää painot noin 10 mikrogrammasta aina 500 000 mikrogrammaan (0,5 grammaan) asti.

Mittausten tarkkuus on varsin vaikuttava. Vahvistin itse, että hänen mallinsa voi mitata yhden prosentin tarkkuudella massat, jotka ylittävät yhden milligramman. Lisäksi se pystyy erottamaan 100 mikrogramman alueella olevat massat, jotka eroavat toisistaan vain kahden mikrogramman verran. Ja laskelmien mukaan laite voi mitata yksittäisiä massoja, jotka ovat niinkin pieniä kuin 10 mikrogrammaa (minulla ei ollut näin pientä painoa testattavana).

Ratkaiseva komponentti, galvanometri, on helppo hankkia. Nämä laitteet ovat useimpien vanhojen analogisten sähkömittareiden keskipiste, sellaisten, joissa käytetään kelaan kiinnitettyä neulaa. Kelan läpi kulkeva virta luo magneettikentän, joka poikkeuttaa neulaa. Schmermundin suunnittelussa pystytasoon asennettu neula toimii vipuvarrena: näytteet roikkuvat neulan kärjestä.

Elektroniikan ylijäämämyymälöissä on todennäköisesti useita analogisia galvanometrejä. Hyvä tapa arvioida laatua on ravistaa mittaria varovasti puolelta toiselle. Jos neula pysyy paikallaan, kädessäsi on sopiva kela. Tämän testin lisäksi minua ohjaa hyvän mittarin valinnassa outo esteettisyyden taju. Tätä aistia on turhauttavan vaikea kuvailla, mutta jos katsellessani mittaria sanon: "Tämä on kaunis mittari!", ostan sen. Tästä esteettisestä epäselvyydestä on käytännön hyötyä. Hienosti valmistetuissa ja huolellisesti suunnitelluissa mittareissa on yleensä hienoja keloja, jotka ovat aivan yhtä hyviä kuin hienoissa sähkövaakoissa käytetyt kelat, safiirilaakerit ja kaikki. vaa'an rakentamiseksi vapauta kela varovasti mittarin kotelosta varoen vahingoittamasta neulaa. Asenna kela alumiinilevylle [ks. kuva vastakkaisella sivulla]. Jos et voi käyttää alumiinilevyä, asenna kela muovisen projektilaatikon sisään. Eristäaksesi vaa'an ilmavirroista, kiinnitä koko kokoonpano lasilla päällystettyyn juustolautaan siten, että alumiinilevy on pystyssä niin, että neula liikkuu ylös ja alas. Mittarista kannibalisoidut kaksi raskasta suojalankaa asennetaan alumiinitukeen rajoittamaan neulan liikealuetta.

Kiinnitä alumiinitukeen pieni pultti epoksilla heti neulan kärjen takana. Neulan pitäisi ylittää juuri pultin edessä koskematta siihen. Peitä pultti pienellä palalla rakennuspaperia ja piirrä sitten ohut vaakasuora viiva paperin keskelle. Tämä viiva määrittää asteikon nolla-asennon.

Neulasta roikkuva näytetarjotin on vain pieni kehys, joka on valmistettu taivuttamalla eristämätöntä lankaa. Langan tarkka halkaisija ei ole kriittinen, mutta se on pidettävä ohuena: 28-ulotteinen lanka toimii hyvin. Pieni alumiinifolion ympyrä lepää rautalankakehyksen pohjalla ja toimii tarjottimen astiana. Kehon öljyjen aiheuttaman kontaminaation välttämiseksi älä koskaan koske tarjottimeen (tai näytteeseen) sormillasi, vaan käytä aina pinsettejä.

Galvanometrin kelan virransyöttöä varten tarvitaan virtapiiri, joka tuottaa vakaan viiden voltin jännitteen [katso piirikaavio alla]. Älä korvaa paristoja vaihtovirtasovittimella, ellet ole valmis lisäämään suodattimia, jotka voivat vaimentaa matalataajuisia jännitevaihteluita, jotka voivat vuotaa järjestelmään sovittimesta. Niinkin pienet vaihtelut kuin 0,1 millivolttia heikentävät jyrkästi kykyäsi ratkaista pienimmätkin painot.

Laitteessa käytetään kahta tarkkaa, 100 kilohmin, 10-kierroksen, muuttuvaa vastusta (joita kutsutaan myös potentiometreiksi tai reostaateiksi) - ensimmäinen säätää kelan yli olevaa jännitettä ja toinen antaa nollaviitteen. 20 mikrofaradin kondensaattori puskuroi käämiä vastusten vasteessa esiintyvää nykimistä vastaan ja auttaa tekemään neulan asentoa koskevia hienovaraisia säätöjä. Kelan yli tulevan jännitteen mittaamiseen tarvitaan digitaalinen jännitemittari, joka lukee 0,1 millivoltin tarkkuudella. Radio Shack myy kannettavia versioita alle 80 dollarilla. Viiden voltin virtalähteellä Schmermundin vaaka voi nostaa 150 milligrammaa. Suurempia painoja varten vaihda 7805-tyyppinen jännitteensäätimen siru 7812-siruun. Se tuottaa vakaan 12 voltin jännitteen ja nostaa lähes puoli grammaa painavia esineitä.

Vaa'an kalibroimiseksi tarvitset joukon tunnettuja mikrogramman painoja. Yksittäinen korkean tarkkuuden kalibroitu paino, jonka paino on yhdestä 100 mikrogrammaan, maksaa yleensä 75 dollaria, ja tarvitset vähintään kaksi. On kuitenkin olemassa halvempi tapa. Society for Amateur Scientists tarjoaa 10 dollarilla kahta tähän projektiin sopivaa kalibroitua mikrogrammapainosarjaa. Huomaa, että näiden kahden painon avulla voit kalibroida vaa'an neljällä tunnetulla massalla: nolla, paino yksi, paino kaksi ja näiden kahden painon summa.

Mittauksen tekeminen aloitetaan siten, että vaakakaukalo on tyhjä. Peitä laite lasikotelolla. Kurista sähkövirta asettamalla ensimmäinen vastus suurimpaan arvoonsa. Säädä seuraavaksi toista vastusta, kunnes jännite on niin lähellä nollaa kuin voit asettaa. Kirjoita tämä jännite muistiin, äläkä koske tähän vastukseen enää ennen kuin olet saanut koko mittaussarjan valmiiksi. Käännä nyt ensimmäistä vastusta ylöspäin, kunnes neula vajoaa alempaan pysäytykseen, ja käännä sitä sitten takaisin niin, että neula palaa nollamerkkiin. Merkitse jännitelukema uudelleen muistiin. Käytä kolmen jännitemittauksen keskiarvoa asteikon nollapisteen määrittämiseen.

Lisää seuraavaksi vastusta, kunnes neula pysähtyy alempaan johtotukeen. Aseta paino lokeroon ja vähennä vastusta, kunnes ankkuri peittää jälleen kerran viivan. Kirjaa jännite. Toista mittaus jälleen kolme kertaa ja ota keskiarvo. Näiden kahden keskimääräisen jännitteen erotus on näytteen painon suora mitta.

Kun olet mitannut kalibroidut painot, piirrä nostetun massan ja syötetyn jännitteen suhde. Tietojen pitäisi laskea suoralle viivalle. Mitä tahansa välijännitettä vastaava massa voidaan sitten lukea suoraan käyrältä.

Schmermundin vaaka on erittäin lineaarinen yli 10 milligramman painossa. Kalibrointiviivan kaltevuus laski vain 4 prosenttia 500 mikrogramman kohdalla, joka on pienin käytettävissä oleva kalibroitu paino. Suosittelen kuitenkin voimakkaasti, että kalibroitte vaa'anne joka kerta, kun käytätte sitä, ja vertaatte aina näytteitänne suoraan kalibroituihin painoihinne.

 

[fidelis]

linkki tähän, sama kaveri, sama lehti, mutta julkaistu 4 vuotta myöhemmin.


Elän perjantaita varten. Se johtuu siitä, että yleensä vietän tuon päivän patikoiden San Diegon erämaassa monenkirjavan ikonoklastien joukon kanssa, johon kuuluu useita loistavia teknologeja ja joitakin rakkaimpia ystäviäni. Meitä yhdistää rakkaus instrumentointiin ja yhteinen intohimomme kehittää edullisia ratkaisuja erilaisiin kokeellisiin haasteisiin. Tämä yhteinen kiinnostus johtaa ystävälliseen kilpailuun, jonka tulokset usein ruokkivat tätä palstaa.

Otetaan esimerkiksi äärimmäisen pienten massojen mittaamiseen liittyvä ongelma. George Schmermund kehitti fantastisen lähestymistavan, josta kerroin näillä sivuilla kesäkuussa 1996. George irrotti kierukan ja ankkurin käytöstä poistetusta galvanometristä ja asensi ne pystyasentoon niin, että mittarin neula liikkui pystytasossa. Sitten hän kytki kelan muuttuvaan jännitteeseen ja sääteli sitä, kunnes neula oli täsmälleen vaakasuorassa. Neulan päähän sijoitettu pieni, tunnetun painoinen massa veti neulaa alaspäin. George lisäsi sitten jännitettä, kunnes varsi palasi alkuasentoonsa. Koska painavampi massa vaati suhteellisesti suuremman jännitteen lisäyksen tasapainottamaan sitä, jännitteen muutos osoitti näytteen painon. Georgen sähkövaaka pystyi punnitsemaan niinkin pieniä massoja kuin 10 mikrogrammaa (eli 10 gramman miljoonasosaa).

Tuo saavutus oli minusta tarpeeksi hämmästyttävä, mutta hiljattain viikoittaisten retkiemme järjestäjä Greg Schmidt tajusi, että jopa tätä hämmästyttävää suorituskykyä voitaisiin parantaa. Gregin suunnittelema vaaka poistaa tarpeen säätää neulaa manuaalisesti: vaaka nollaa (tai "tervaa") ja tasaa itsensä automaattisesti, ja se pystyy jatkuvasti seuraamaan, miten kohteen massa muuttuu - esimerkiksi nopeutta, jolla yksittäinen muurahainen menettää vettä hengityksen kautta. Tuloksena on erittäin monipuolinen, mikrogramman herkkyydellä varustettu sähkövaaka, jonka voi rakentaa alle 100 dollarilla.

Näin se toimii. Greg otti Georgen perussuunnittelun ja lisäsi siihen edullisen mikrokontrollerin (pieni tietokone, jonka keskusyksikkö ja muisti ovat yhdellä sirulla) ja käski sen lähettää kelan läpi 2000 heikkoa virtapulssia sekunnissa. Ankkurin ja neulan inertia estää niitä reagoimasta jokaiseen lyhyeen pulssiin, joten taipuma heijastaa kelan keskimääräistä virtaa. Yksittäiset pulssit näyttävät kuitenkin olevan riittävän suuria värisyttämään Gregin galvanometrin laakereita. Hän uskoo, että tämä pieni värähtely vähentää "kitkaa" eli laakerin taipumusta lukkiutua paikalleen, kun se ei liiku. Tämä vaikutus näyttää selittävän sen, miksi hänen kaltaisensa edullinen mittari voi reagoida niinkin pienten massojen vetoon.

Hankkeen edellyttämäsähköinen johdotus on minimaalinen, koska käytetty mikrotietokone sijaitsee itsenäisellä piirilevyllä. Integroidun optisen anturin (joka sisältää valotransistorin ja valoa säteilevän diodin) lisäksi on kytkettävä vain kaksi transistoria, vastus ja diodi. Vaikka virran peilipiirin suorituskyky on parempi, jos sen kaksi transistoria sijaitsevat samalla piipiirillä, voidaan käyttää erillisiä NPN-transistoreja, jos niiden kotelot on kiinnitetty (kuten edellä on esitetty) siten, että molemmat pysyvät täsmälleen samassa lämpötilassa.

Greg ei kuitenkaan suunnitellut piiriään vähentämään kitkaa. Tämä ominaisuus osoittautui odottamattomaksi hyödyksi, kun käytetään "pulssinleveysmodulaatiota" kelan läpi lähetettävän keskivirran ohjaamiseen. Tässä järjestelmässä peräkkäisten pulssien välinen aika pysyy samana, mutta mikrokontrolleri muuttaa työjaksoa - sitä osuutta jaksosta, jonka aikana virta pysyy päällä. Lyhyillä sykleillä varustetut pulssijaksot kytkevät kelaan virtaa vain pienen osan kokonaisajasta, joten niillä voidaan nostaa vain pienimpiä painoja, kun taas pidemmillä sykleillä varustetuilla pulssijaksoilla voidaan nostaa raskaampia kuormia. Gregin mikroprosessori voi luoda 1024 eri arvoa käyttöjaksolle. Tämä luku määrittää vaa'an dynaamisen vaihteluvälin. Jos maksimivirta on asetettu niin, että laite voi nostaa esimerkiksi yhden milligramman, pienin havaittava massa on noin yksi mikrogramma.

Tällainen herkkyys on melko vaikuttava. Näytöstä pyörittävän mikrotietokoneen ei kuitenkaan tarvitse olla mitään erikoista. Valinnanvaraa on todellakin huimaava määrä. Mutta jos sinulla ei ole aavistustakaan, miten mikroprosessorin valinta ja ohjelmointi pitäisi tehdä, ei hätää: Greg kehitti laitteensa aloittelijoita ajatellen. Hän käytti Atmel AT 89/90 -sarjan flash-mikrokontrollerin arviointisarjaa, joka sisältää täysin toimivan ja erittäin monipuolisen mikrotietokoneen, joka on suoraan yhteydessä henkilökohtaiseen tietokoneeseen. Tämä kitti (malli STK-200) sisältää kaiken, mitä tarvitset alkuun pääsemiseksi, ja se maksaa alle 50 dollaria (luettelo toimittajista löytyy Amtel Corporationilta).

Macintosh-käyttäjien valitettavasti tämä järjestelmä tukee vain IBM-yhteensopivia tietokoneita. Joka tapauksessa sinun ei tarvitse ohjelmoida kaikkea tyhjästä, koska Greg on kehittänyt kaikki laitteen käyttämiseen tarvittavat ohjelmistot, mukaan lukien ohjeet, jotka näyttävät painon reaaliajassa pienellä nestekidenäytöllä (luettelonumero 73-1058-ND, Digi-Key; 800-344-4539). Voit ladata hänen koodinsa ilmaiseksi Society for Amateur Scientists -järjestön verkkosivuilta.

Kuten Georgen alkuperäisessä mallissa, lähes mikä tahansa ylijäämälokerosta poimittu galvanometri toimii. Varmista vain, että se mittaa pieniä virtoja ja että sen neula pysyy paikallaan, kun laitetta heilutetaan nopeasti puolelta toiselle. Georgen prototyyppi vaati käyttäjää karsastamaan neulaa, mutta Gregin sähkövaaka tunnistaa neulan asennon elektronisesti käyttämällä fototransistoria ja valodiodia, joita voit ostaa myös Digi-Keyltä (luettelonumero QVA11334QT-ND sisältää yhden yksikön). Lävistä pieni pala alumiinifoliota nuppineulalla ja keskitä reikä fototransistorin kohdalle, kuten sivulla 90 on esitetty. Kun folio peittää suurimman osan fototransistoria, signaali siirtyy hyvin nopeasti täydestä päälle täydestä pois päältä, kun neula katkaisee diodin valon. Kiinnitä balsa-puupala kuvan osoittamalla tavalla, jotta neula pysähtyy juuri tähän kohtaan.

Jos kelassa on liian vähän virtaa, neula lepää alimman balsapalan päällä ja estää valon. Liian suuri virta nostaa neulan kokonaan pois valon tieltä. Gregin ohjelmisto käyttää kehittynyttä algoritmia pitämään neulan tasapainossa näiden kahden tilan välillä. Kun laite on kalibroitu ja tervattu asianmukaisesti, pulssin leveys heijastaa näytteen massaa.

JATKUVA TALLENNUS yhden senttimetrin pituisen kostutetun langan muuttuvasta painosta osoittaa tämän edullisen laitteen monipuolisuuden.

Ohjauspiiri, jonka avulla kaikki tämä taika saadaan aikaan, on esitetty edellä. Sinun on säädettävä R1:n arvoa, jotta voit asettaa maksimivirran sellaiseksi, jota mittarisi pystyy käsittelemään. Mittarissa saattaa näkyä täyden asteikon virta. Muussa tapauksessa käytä muuttuvaa vastusta, yhdeksän voltin paristoa ja virtamittaria sen mittaamiseen. Koska Gregin galvanometri ylitti viiden milliampeerin rajan, hän ohjelmoi mikrokontrollerin luomaan viiden milliampeerin virran antamalla viiden voltin pulssin yhden kilohmin vastuksen yli.

Tämä virta ei kuitenkaan ohjaudu kelan läpi. Pikemminkin se kulkee virtapeiliksi kutsutun piirin läpi, joka pakottaa samanlaisen virran kulkemaan kelaan. Tämä temppu parantaa huomattavasti vaa'an pitkän aikavälin vakautta. Miksi? Kelan resistanssi riippuu sen lämpötilasta, joka nousee aina, kun sen sisällä haihtuu sähköenergiaa. Mutta peilipiiri pitää virran vakiona riippumatta siitä, mikä kelan lämpötila on.

R1:n resistanssi vaihtelee tietysti jonkin verran lämpötilan mukaan, mikä voi aiheuttaa kalibroinnin muuttumista. Haluat siis käyttää komponenttia, jonka lämpötilakerroin on alhainen. Esimerkiksi 1 prosentin toleranssilla varustettu metallikalvovastus siirtyy tyypillisesti vain 50 miljoonasosaa jokaista celsiusastetta kohti. Virtapeilin kaksi transistoria on myös pidettävä samassa lämpötilassa, jotta piiri ei ajaudu. On parasta käyttää yhteen sovitettujen transistorien sarjaa yhdellä piisirulla, kuten CA3086 (48 senttiä Circuit Specialistsilta; 800-528-1417). Muussa tapauksessa kytke kaksi identtistä NPN-kytkentätransistoria yhteen siten, että niiden kotelot koskettavat toisiaan, kuten yllä on esitetty.

Vasemmalla olevassa kuvaajassa on ilahduttava osoitus hänen laitteensa saavuttamasta herkkyydestä. Greg liotti vedessä senttimetrin pituista hienoa lankaa. Sitten hän seurasi sen painoa, kun vesi hitaasti haihtui. Huomattavaa.