евтина домашна микрограмна везна

[fidelis]

от Shawn Carlson (Scientific American, юни 1996 г.), но е взето от линк на vespiary. въпреки това ще публикувам актуализирана версия в отговорите!!! ^_^

Микрограмните везни са интелигентни устройства, които могат да измерват фантастично малки маси. Моделите от най-висок клас използват гениална комбинация от механична изолация, топлинна изолация и електронно вълшебство, за да осигурят повторяеми измервания до една десета от милионната част на един грам. Със сложните си стъклени корпуси и полирани позлатени тела тези везни приличат повече на произведения на изкуството, отколкото на научни инструменти. Новите модели могат да струват повече от 10 000 долара и често изискват майсторско докосване, за да се извлекат надеждни данни от фоновия шум.

Но при цялата си цена и външна сложност тези устройства са в основата си съвсем прости. Един често срещан тип използва магнитна намотка за осигуряване на въртящ момент, който деликатно балансира образец в края на лостово рамо. Увеличаването на електрическия ток в намотката увеличава въртящия момент. Следователно токът, необходим за компенсиране на теглото на образеца, е пряка мярка за неговата маса. Намотките в търговските везни се движат върху шарнири от полиран син сапфир. Сапфирите се използват, защото тяхната изключителна твърдост (само диамантите са по-твърди) предпазва шарнирите от износване. Сложни сензорни устройства и вериги контролират тока в намотката - затова микрограмните електротеглилки са толкова скъпи.

И това е добра новина за любителите. Ако сте готови да замените очите си за сензорите и ръцете си за контролните схеми, можете да построите деликатен електробаланс за по-малко от 30 USD.

Джордж Шмермунд от Виста, Калифорния, ми разясни този факт. В продължение на повече от 20 години Шмермунд управлява малка компания, наречена "Научни ресурси", която купува, ремонтира и персонализира научно оборудване. Въпреки че за клиентите си той може да е строг професионалист, аз го познавам като свободен дух, който прекарва времето си в света на бизнеса само за да може да печели достатъчно пари, за да се отдаде на истинската си страст - любителската наука.

Шмермунд вече притежава четири скъпи търговски микрограмни везни. Но в интерес на развитието на любителската наука той реши да провери колко добре може да се справи с евтиния. Изобретателната му хитрост се състои в комбинирането на дъска за сирене и стар галванометър - уред за измерване на ток. Резултатът е електротеглилка, която може да определя тегло от около 10 микрограма до 500 000 микрограма (0,5 грама).

Прецизността на измерванията е доста впечатляваща. Аз лично потвърдих, че неговата конструкция може да измерва с точност до 1 процент маси, надвишаващи един милиграм. Освен това той може да разграничи маси в диапазона от 100 микрограма, които се различават само с два микрограма. А изчисленията сочат, че инструментът може да измерва единични маси, незначителни до 10 микрограма (не разполагах с толкова малка тежест, която да тествам).

Решаващият компонент - галванометърът - се намира лесно. Тези уреди са централната част на повечето стари аналогови електромери, такива, които използват игла, монтирана върху намотка. Токът, протичащ през намотката, създава магнитно поле, което отклонява иглата. Проектът на Шмермунд предвижда иглата, монтирана във вертикалната равнина, да действа като рамо на лоста: образците висят от върха на иглата.

В магазините за електронни излишъци вероятно ще намерите няколко аналогови галванометъра. Добър начин да прецените качеството е да разклатите леко уреда от една страна на друга. Ако иглата остане на място, значи държите подходяща намотка. Освен този тест, при избора на добър галванометър ме води странно чувство за естетика. Трудно е да се опише това усещане, но ако при разглеждането на този уред ми се прииска да кажа: "Това е красив уред!", аз го купувам. Тази естетическа размитост има и практическа полза. Във фино изработените и внимателно проектирани измервателни уреди обикновено се намират изящни бобини, които не отстъпват по качество на бобините, използвани в изящните електротежести, със сапфирени лагери и всичко останало.За да построите везната, внимателно освободете бобината от корпуса на уреда, като внимавате да не повредите иглата. Монтирайте намотката върху изрезка от алуминий [вижте илюстрацията на противоположната страница]. Ако не можете да използвате алуминиева ламарина, монтирайте бобината в пластмасова кутия за проекти. За да изолирате везната от въздушни течения, закрепете цялата сглобка в покрита със стъкло дъска за сирене, като алуминиевият лист стои изправен, така че иглата да се движи нагоре-надолу. Двете тежки защитни жици, канибализирани от измервателния уред, се монтират върху алуминиевата опора, за да ограничат обхвата на движение на иглата.

Залепете с епоксидно лепило малък болт към алуминиевата опора, точно зад върха на иглата. Иглата трябва да премине точно пред болта, без да се докосва. Покрийте болта с малко парче строителна хартия, след което начертайте тънка хоризонтална линия през центъра на хартията. Тази линия определя нулевото положение на скалата.

Таблата за образци, която виси на иглата, е просто малка рамка, изработена в домашни условия чрез огъване на неизолирана тел. Точният диаметър на проводника не е от решаващо значение, но нека той да е тънък: 28-килограмова тел работи добре. В основата на телената рамка се поставя малък кръг от алуминиево фолио, който служи за тава. За да избегнете замърсяване с телесни масла, никога не докосвайте тавата (или образеца) с пръсти; винаги използвайте пинсета.

За да заредите с енергия намотката на галванометъра, ще ви е необходима верига, която да осигурява стабилно напрежение от пет волта [вижте схемата по-долу]. Не замествайте батериите с адаптер за променлив ток, освен ако не сте готови да добавите филтри, които да потискат нискочестотните колебания на напрежението, които могат да изтекат в системата от адаптера. Колебания от 0,1 миливолта ще намалят рязко способността ви да разрешавате най-малките тежести.

Устройството използва два прецизни, 100-километрови, 10-оборотни, променливи резистора (наричани още потенциометри или реостати) - първият за регулиране на напрежението върху намотката, а вторият - за осигуряване на нулева референтна стойност. Кондензатор с капацитет 20 микрофарада предпазва бобината от всякаква нестабилност в реакцията на резисторите и помага при деликатни настройки на позицията на иглата. За измерване на напрежението върху намотката е необходим цифров волтметър, който отчита с точност до 0,1 миливолта. Radio Shack продава ръчни версии за по-малко от 80 USD. С помощта на петволтово захранване везната на Шмермунд може да вдигне 150 милиграма. За по-големи тежести заменете чипа за регулиране на напрежението тип 7805 с чип 7812. Той ще произвежда стабилни 12 волта и ще повдига предмети с тегло почти половин грам.

За да калибрирате везната, ще ви е необходим набор от известни микрограмни тежести. Единична високопрецизна калибрирана тежест с тегло между един и 100 микрограма обикновено струва 75 USD, а на вас ще са ви необходими поне две. Има обаче и по-евтин начин. Дружеството на учените любители предоставя срещу 10 USD комплекти от две калибрирани микрограмни теглилки, подходящи за този проект. Имайте предвид, че тези две тежести ви позволяват да калибрирате везната си с четири известни маси: нула, тежест едно, тежест две и сумата от двете тежести.

За да извършите измерване, започнете с празна везна. Покрийте устройството със стъкления корпус. Задушете електрическия ток, като настроите първия резистор на най-високата му стойност. След това регулирайте втория резистор, докато напрежението се отчете възможно най-близо до нулата, колкото можете да настроите. Запишете това напрежение и не докосвайте повече този резистор, докато не завършите целия набор от измервания. Сега увеличете първия резистор, докато иглата потъне до долния ограничител, след което го върнете обратно, така че иглата да се върне до нулевата стойност. Отбележете отново показанията на напрежението. Използвайте средната стойност от трите измервания на напрежението, за да определите нулевата точка на скалата.

След това увеличете съпротивлението, докато иглата застане на долната опора на проводника. Поставете тежест в таблата и намалете съпротивлението, докато арматурата отново затъмни линията. Запишете напрежението. Отново повторете измерването три пъти и вземете средната стойност. Разликата между тези две средни напрежения е пряка мярка за теглото на образеца.

След като измерите калибрираните тежести, направете графика на повдигнатата маса спрямо приложеното напрежение. Данните трябва да попадат на права линия. След това масата, съответстваща на всяко междинно напрежение, може да се отчете направо от кривата.

Везната на Шмермунд е изключително линейна над 10 милиграма. Наклонът на калибрационната линия намалява само с 4% при 500 микрограма - най-малката калибрирана маса, с която разполагахме. Въпреки това силно ви препоръчвам да калибрирате везната си всеки път, когато я използвате, и винаги да сравнявате образците си директно с калибрираните тежести.

 

[fidelis]

Връзка тук, същият човек, същото списание, но публикувано 4 години по-късно


Живея за петъците. Това е така, защото обикновено прекарвам този ден в походи из пустошта на Сан Диего с еклектична сбирщина от иконоборци, включително няколко брилянтни технолози и някои от най-скъпите ми приятели. Свързва ни любовта към инструментариума и споделената ни страст към разработването на евтини решения на различни експериментални предизвикателства. Този общ интерес води до приятелски съперничества, резултатите от които често захранват тази рубрика.

Да вземем например проблема с измерването на изключително малки маси. Джордж Шмермунд разработи фантастичен подход, който описах на тези страници през юни 1996 г. Джордж извади намотката и арматурата от един изхвърлен галванометър и ги монтира в изправено положение, така че иглата на измервателния уред да се движи във вертикална равнина. След това свърза бобината към променливо напрежение и го регулира, докато иглата не стане точно хоризонтална. Малка маса с известно тегло, поставена в края на иглата, я дърпа надолу. След това Джордж увеличил напрежението, докато ръчката се върне в началното си положение. Тъй като по-тежка маса изискваше пропорционално по-голямо увеличение на напрежението, за да се балансира, промяната в напрежението показваше теглото на пробата. Електротежестта на Джордж можеше да претегля маси с тегло до 10 микрограма (т.е. 10 милионни части от грама).

Това постижение беше достатъчно зашеметяващо за мен, но наскоро организаторът на нашите седмични излети Грег Шмидт осъзна, че дори това невероятно постижение може да бъде подобрено. Дизайнът на Грег премахва необходимостта от ръчно регулиране на иглата: везната автоматично се нулира (или "изравнява") и нивелира и може непрекъснато да следи как даден обект променя масата си - например скоростта, с която една мравка губи вода чрез дишане. Резултатът е изключително универсална електровезна с микрограмна чувствителност, която може да бъде създадена за по-малко от 100 USD.

Ето как работи. Грег взема основния дизайн на Джордж и добавя евтин микроконтролер (малък компютър с централен процесор и памет, разположени на един чип), като го инструктира да изпраща 2000 слаби токови импулса през бобината всяка секунда. Инерцията на арматурата и иглата не им позволява да реагират на всеки кратък импулс, така че отклонението отразява средния ток в намотката. Отделните импулси обаче изглеждат достатъчно големи, за да разклатят лагерите на галванометъра на Грег. Той вярва, че това леко трептене намалява "задръжките", склонността на лагера да се застопорява, когато не се движи. Този ефект изглежда обяснява защо евтин измервателен уред като неговия може да реагира на дърпането на такива малки маси.

ЕЛЕКТРОННОТО ОБОРУДВАНЕ, необходимо за проекта, е минимално, тъй като използваният микрокомпютър е разположен на самостоятелна платка. Необходимо е да се свържат само два транзистора, резистор и диод в допълнение към вградения оптичен сензор (който съдържа фототранзистор и светодиод). Въпреки че работата на схемата "токово огледало" ще бъде по-добра, ако двата й транзистора се намират на един и същ силициев чип, могат да се използват отделни NPN транзистори, ако корпусите им са прикрепени (както е показано по-горе), така че и двата да останат при абсолютно еднаква температура.

Все пак Грег не е проектирал своята схема, за да намали задръжките. Тази функция се оказа непредвидено предимство на използването на "широчинно-импулсна модулация" за контрол на средния ток, изпращан през намотката. При тази схема времето между последователните импулси се запазва едно и също, но микроконтролерът променя работния цикъл - частта от цикъла, през която токът остава включен. Импулсите с кратък работен цикъл захранват намотката само за малка част от общото време и така могат да повдигат само най-малките тежести, докато импулсите с по-дълъг работен цикъл могат да повдигат по-тежки товари. Микропроцесорът на Грег може да генерира 1024 различни стойности за работния цикъл. Това число определя динамичния обхват на везната. Ако максималният ток е зададен така, че апаратът да може да повдига до един милиграм например, най-малката откриваема маса ще бъде около един микрограм.

Такава чувствителност е доста впечатляваща. И все пак не е необходимо микрокомпютърът, който управлява програмата, да е нещо специално. Всъщност човек може да избира от главозамайващ набор от възможности. Но ако нямате представа как да изберете и програмирате микропроцесор, не се притеснявайте: Грег е разработил своя инструмент с мисъл за начинаещите. Той е използвал комплекта за оценка на флаш микроконтролери Atmel AT 89/90 Series, който включва напълно функционален и изключително универсален микрокомпютър, който се свързва директно с персонален компютър. Този комплект (модел STK-200) включва всичко необходимо, за да започнете работа, и струва по-малко от 50 USD (вижте Amtel Corporation за списък на доставчиците).

За съжаление на потребителите на Macintosh, тази система поддържа само съвместими устройства на IBM. Във всеки случай не е необходимо да програмирате всичко от нулата, защото Грег е разработил целия софтуер, необходим за работата на устройството, включително инструкции, които показват теглото в реално време на малък течнокристален дисплей (каталожен номер 73-1058-ND от Digi-Key; 800-344-4539). Можете да изтеглите кода му безплатно от уебсайта на Дружеството на учените любители (Society for Amateur Scientists).

Както и при оригиналния проект на Джордж, почти всеки галванометър, взет от кофата за излишни стоки, ще работи. Само се уверете, че той измерва малки токове и че иглата му е склонна да остане на място, когато устройството се разклаща бързо от една страна на друга. Докато при прототипа на Джордж операторът е трябвало да се взира в иглата, електровалансът на Грег отчита положението на иглата по електронен път с помощта на фототранзистор и светодиод, които също можете да закупите от Digi-Key (каталожен номер QVA11334QT-ND включва един блок). Пробийте малко парче алуминиево фолио с игла и центрирайте отвора върху фототранзистора, както е показано на страница 90. Тъй като фолиото покрива по-голямата част от фототранзистора, сигналът ще преминава от пълно включване към пълно изключване много бързо, когато иглата прекъсне светлината от диода. Прикрепете парче балсово дърво, както е показано, за да спрете иглата точно в този момент.

Ако в намотката тече твърде малък ток, иглата ще легне на долното парче балса и ще блокира светлината. Твърде големият ток извежда иглата напълно извън пътя на светлината. Софтуерът на Грег използва сложен алгоритъм, за да поддържа иглата балансирана между тези две състояния. След като устройството е калибрирано и регулирано правилно, тази широчина на импулса отразява масата на пробата.

ПРОДЪЛЖИТЕЛНОТО ЗАПИСВАНЕ на промяната на теглото на едносантиметрова навлажнена нишка демонстрира гъвкавостта на този евтин инструмент.

Схемата за управление, която помага да се постигне цялата тази магия, е показана по-горе. Ще трябва да коригирате стойността на R1, за да настроите максималния ток на стойност, с която вашият уред може да се справи. На измервателния уред може да бъде показан пълният ток. В противен случай използвайте променлив резистор, деветволтова батерия и токомер, за да го измерите. Тъй като галванометърът на Грег достигна максимална стойност от пет милиампера, той програмира микроконтролера да създаде ток от пет милиампера, като подаде импулс от пет волта през резистор с капацитет един килоом.

Този ток обаче не е насочен през намотката. По-скоро той преминава през верига, наречена токово огледало, която принуждава идентичен ток да преминава в намотката. Този трик значително подобрява дългосрочната стабилност на везната. Защо? Съпротивлението на намотката зависи от нейната температура, която се повишава, когато в нея се разсейва електрическа енергия. Но огледалната верига поддържа тока постоянен, независимо от температурата на намотката.

Разбира се, самото съпротивление на R1 ще варира донякъде с температурата, което може да доведе до отклонение на калибрирането. Затова ще трябва да използвате компонент с нисък температурен коефициент. Например един резистор от метално фолио с толеранс 1 % обикновено се променя само с 50 частици на милион за всеки градус по Целзий. Също така ще трябва да поддържате двата транзистора в токовото огледало при една и съща температура, за да предотвратите дрейфа на тази верига. Най-добре е да използвате набор от съгласувани транзистори върху един силициев чип, като CA3086 (48 цента от Circuit Specialists; 800-528-1417). В противен случай свържете два идентични NPN превключващи транзистора, като корпусите им се допират, както е показано по-горе.

Възхитителна демонстрация на чувствителността, която постига неговият апарат, е показана на графиката вляво. Грег накисва един сантиметър тънък конец във вода. След това следи теглото му, докато водата бавно се изпарява. Забележително.