af Shawn Carlson (Scientific American, juni 1996), men taget fra et vespiary-link. jeg vil dog sende en opdateret version i svarene!!! ^_^
Mikrogramvægte er smarte apparater, der kan måle fantastisk små masser. Topmodellerne anvender en genial kombination af mekanisk isolering, varmeisolering og elektronisk trylleri til at producere gentagelige målinger ned til en tiendedel af en milliontedel af et gram. Med deres kunstfærdige glaskabinetter og polerede guldbelagte armaturer ligner disse vægte mere kunstværker end videnskabelige instrumenter. Nye modeller kan koste mere end 10.000 dollars og kræver ofte en mesters hånd for at lokke pålidelige data ud af baggrundsstøj.
Men på trods af deres pris og ydre kompleksitet er disse enheder i bund og grund ret enkle. En almindelig type bruger en magnetisk spole til at skabe et drejningsmoment, der fint afbalancerer en prøve for enden af en arm. Ved at øge den elektriske strøm i spolen øges drejningsmomentet. Den strøm, der kræves for at udligne vægten af prøven, er derfor et direkte mål for dens masse. Spolerne i kommercielle vægte kører på drejetappe af poleret blå safir. Safirer bruges, fordi deres ekstreme hårdhed (kun diamanter er hårdere) forhindrer, at drejetapperne slides. Sofistikerede sensorenheder og kredsløb styrer strømmen i spolen - det er derfor, mikrogram-elektrovægte er så dyre.
Og det er gode nyheder for amatører. Hvis du er villig til at erstatte sensorerne med dine øjne og kontrolkredsløbene med dine hænder, kan du bygge en delikat elektrovægt for mindre end 30 dollars.
George Schmermund fra Vista i Californien gjorde det klart for mig. I mere end 20 år har Schmermund drevet et lille firma ved navn Science Resources, som køber, reparerer og tilpasser videnskabeligt udstyr. Selv om han måske er en streng professionel over for sine kunder, kender jeg ham som en fri sjæl, der kun bruger tid i forretningsverdenen, så han kan tjene penge nok til at dyrke sin sande passion - amatørvidenskab.
Schmermund ejer allerede fire dyre kommercielle mikrogramvægte. Men for at fremme amatørvidenskaben besluttede han sig for at se, hvor godt han kunne gøre det billigt. Hans geniale trick var at kombinere et ostebræt og et gammelt galvanometer, et apparat, der måler strøm. Resultatet blev en elektrovægt, der kan bestemme vægte fra ca. 10 mikrogram og helt op til 500.000 mikrogram (0,5 gram).
Præcisionen i målingerne er ganske imponerende. Jeg har personligt bekræftet, at hans design kan måle masser på over et milligram med en nøjagtighed på 1 procent. Desuden kan det skelne mellem masser i 100-mikrogramområdet, der adskiller sig med så lidt som to mikrogram. Og beregninger tyder på, at instrumentet kan måle enkeltmasser helt ned til 10 mikrogram (jeg havde ikke så lille en vægt at teste med).
Den afgørende komponent, galvanometeret, er let at få fat i. Disse enheder er midtpunktet i de fleste gamle analoge elektriske målere, den slags, der bruger en nål monteret på en spole. Strømmen, der løber gennem spolen, skaber et magnetfelt, som afbøjer nålen. Schmermunds design kræver, at nålen, der er monteret i det lodrette plan, fungerer som løftestang: Prøverne hænger fra nålens spids.
Elektroniske overskudslagre har sandsynligvis flere analoge galvanometre til rådighed. En god måde at bedømme kvaliteten på er at ryste måleren forsigtigt fra side til side. Hvis nålen bliver på plads, holder du en passende spole. Ud over denne test er det en mærkelig æstetisk fornemmelse, der guider mig, når jeg skal vælge en god måler. Det er frustrerende svært at beskrive denne sans, men hvis jeg får lyst til at sige: "Det er en smuk måler!", når jeg kigger på den, så køber jeg den. Der er en praktisk fordel ved denne æstetiske uklarhed. Fint udformede og omhyggeligt designede målere indeholder normalt udsøgte spoler, der er lige så gode som de spoler, der bruges i fine elektrovægte, safirlejer og det hele. For at bygge vægten skal du forsigtigt frigøre spolen fra målerhuset og være forsigtig med ikke at beskadige nålen. Monter spolen på en aluminiumsplade [se illustrationen på modsatte side]. Hvis du ikke kan bruge en aluminiumsplade, kan du montere spolen i en projektkasse af plast. For at isolere balancen fra luftstrømme skal du fastgøre hele enheden i et glasdækket ostebræt, hvor aluminiumspladen står lodret, så nålen bevæger sig op og ned. De to tunge beskyttelsestråde fra måleren monteres på aluminiumsstøtten for at begrænse nålens bevægelsesområde.
Sæt en lille bolt fast med epoxy på aluminiumsstøtten lige bag nålens spids. Nålen skal krydse lige foran bolten uden at røre den. Dæk bolten med et lille stykke byggepapir, og tegn derefter en tynd vandret linje hen over midten af papiret. Denne linje definerer skalaens nulpunkt.
Prøvebakken, der hænger på nålen, er blot en lille ramme, der er lavet ved at bøje uisoleret ståltråd. Den nøjagtige diameter på tråden er ikke afgørende, men hold den tynd: 28-gauge tråd fungerer godt. En lille cirkel af aluminiumsfolie hviler i bunden af trådrammen og fungerer som bakke. For at undgå forurening med kropsolier må du aldrig røre bakken (eller prøven) med fingrene, men skal altid bruge en pincet.
For at give galvanometerspolen strøm skal du bruge et kredsløb, der leverer en stabil fem volt [se kredsløbsdiagrammet nedenfor]. Erstat ikke batterierne med en AC-til-DC-adapter, medmindre du er villig til at tilføje filtre, der kan undertrykke lavfrekvente spændingsudsving, som kan lække ind i systemet fra adapteren. Udsving så små som 0,1 millivolt vil kraftigt reducere din evne til at opløse de mindste vægte.
Enheden bruger to variable præcisionsmodstande på 100 kilohm med 10 omdrejninger (også kaldet potentiometre eller reostater) - den første til at justere spændingen over spolen og den anden til at give en nulreference. En kondensator på 20 mikrofarad beskytter spolen mod rystelser i modstandenes respons og hjælper med at foretage fine justeringer af nålens position. For at måle spændingen over spolen skal du bruge et digitalt voltmeter, der kan aflæse ned til 0,1 millivolt. Radio Shack sælger håndholdte versioner til under 80 dollars. Med en strømforsyning på fem volt kan Schmermunds vægt løfte 150 milligram. Ved større vægte skal man udskifte spændingsregulatorchippen af typen 7805 med en 7812-chip. Den vil producere en stabil 12 volt og løfte genstande, der vejer næsten et halvt gram.
For at kalibrere vægten skal du bruge et sæt kendte mikrogramvægte. En enkelt kalibreret vægt med høj præcision på mellem et og 100 mikrogram koster typisk 75 dollars, og du skal bruge mindst to. Der er dog en billigere måde. Society for Amateur Scientists stiller sæt med to kalibrerede mikrogramvægte, der er egnede til dette projekt, til rådighed for $10. Bemærk, at disse to vægte giver dig mulighed for at kalibrere din vægt med fire kendte masser: nul, vægt et, vægt to og summen af de to vægte.
For at foretage en måling skal du begynde med at lade vægtskålen være tom. Dæk enheden med glasskabet. Dæmp den elektriske strøm ved at indstille den første modstand til dens højeste værdi. Juster derefter den anden modstand, indtil spændingen er så tæt på nul, som du kan indstille den til. Skriv denne spænding ned, og rør ikke ved denne modstand igen, før du er færdig med alle dine målinger. Skru nu op for den første modstand, indtil nålen synker ned til det nederste stop, og drej den derefter tilbage, så nålen vender tilbage til nulmarkeringen. Noter spændingsaflæsningen igen. Brug gennemsnittet af tre spændingsmålinger til at definere skalaens nulpunkt.
Øg derefter modstanden, indtil nålen hviler på den nederste trådstøtte. Placer en vægt i bakken, og reducer modstanden, indtil ankeret igen skjuler linjen. Registrer spændingen. Gentag igen målingen tre gange, og tag gennemsnittet. Forskellen mellem disse to gennemsnitsspændinger er et direkte mål for prøvens vægt.
Når du har målt de kalibrerede vægte, skal du plotte den løftede masse mod den påførte spænding. Dataene skal falde på en lige linje. Den masse, der svarer til en mellemliggende spænding, kan derefter aflæses direkte på kurven.
Schmermunds balance er ekstremt lineær over 10 milligram. Hældningen på kalibreringslinjen faldt kun med 4 procent ved 500 mikrogram, den mindste kalibrerede vægt, vi havde til rådighed. Ikke desto mindre anbefaler jeg på det kraftigste, at du kalibrerer din vægt, hver gang du bruger den, og altid sammenligner dine prøver direkte med dine kalibrerede vægte.
Mikrogramvægte er smarte apparater, der kan måle fantastisk små masser. Topmodellerne anvender en genial kombination af mekanisk isolering, varmeisolering og elektronisk trylleri til at producere gentagelige målinger ned til en tiendedel af en milliontedel af et gram. Med deres kunstfærdige glaskabinetter og polerede guldbelagte armaturer ligner disse vægte mere kunstværker end videnskabelige instrumenter. Nye modeller kan koste mere end 10.000 dollars og kræver ofte en mesters hånd for at lokke pålidelige data ud af baggrundsstøj.
Men på trods af deres pris og ydre kompleksitet er disse enheder i bund og grund ret enkle. En almindelig type bruger en magnetisk spole til at skabe et drejningsmoment, der fint afbalancerer en prøve for enden af en arm. Ved at øge den elektriske strøm i spolen øges drejningsmomentet. Den strøm, der kræves for at udligne vægten af prøven, er derfor et direkte mål for dens masse. Spolerne i kommercielle vægte kører på drejetappe af poleret blå safir. Safirer bruges, fordi deres ekstreme hårdhed (kun diamanter er hårdere) forhindrer, at drejetapperne slides. Sofistikerede sensorenheder og kredsløb styrer strømmen i spolen - det er derfor, mikrogram-elektrovægte er så dyre.
Og det er gode nyheder for amatører. Hvis du er villig til at erstatte sensorerne med dine øjne og kontrolkredsløbene med dine hænder, kan du bygge en delikat elektrovægt for mindre end 30 dollars.
George Schmermund fra Vista i Californien gjorde det klart for mig. I mere end 20 år har Schmermund drevet et lille firma ved navn Science Resources, som køber, reparerer og tilpasser videnskabeligt udstyr. Selv om han måske er en streng professionel over for sine kunder, kender jeg ham som en fri sjæl, der kun bruger tid i forretningsverdenen, så han kan tjene penge nok til at dyrke sin sande passion - amatørvidenskab.
Schmermund ejer allerede fire dyre kommercielle mikrogramvægte. Men for at fremme amatørvidenskaben besluttede han sig for at se, hvor godt han kunne gøre det billigt. Hans geniale trick var at kombinere et ostebræt og et gammelt galvanometer, et apparat, der måler strøm. Resultatet blev en elektrovægt, der kan bestemme vægte fra ca. 10 mikrogram og helt op til 500.000 mikrogram (0,5 gram).
Præcisionen i målingerne er ganske imponerende. Jeg har personligt bekræftet, at hans design kan måle masser på over et milligram med en nøjagtighed på 1 procent. Desuden kan det skelne mellem masser i 100-mikrogramområdet, der adskiller sig med så lidt som to mikrogram. Og beregninger tyder på, at instrumentet kan måle enkeltmasser helt ned til 10 mikrogram (jeg havde ikke så lille en vægt at teste med).
Den afgørende komponent, galvanometeret, er let at få fat i. Disse enheder er midtpunktet i de fleste gamle analoge elektriske målere, den slags, der bruger en nål monteret på en spole. Strømmen, der løber gennem spolen, skaber et magnetfelt, som afbøjer nålen. Schmermunds design kræver, at nålen, der er monteret i det lodrette plan, fungerer som løftestang: Prøverne hænger fra nålens spids.
Elektroniske overskudslagre har sandsynligvis flere analoge galvanometre til rådighed. En god måde at bedømme kvaliteten på er at ryste måleren forsigtigt fra side til side. Hvis nålen bliver på plads, holder du en passende spole. Ud over denne test er det en mærkelig æstetisk fornemmelse, der guider mig, når jeg skal vælge en god måler. Det er frustrerende svært at beskrive denne sans, men hvis jeg får lyst til at sige: "Det er en smuk måler!", når jeg kigger på den, så køber jeg den. Der er en praktisk fordel ved denne æstetiske uklarhed. Fint udformede og omhyggeligt designede målere indeholder normalt udsøgte spoler, der er lige så gode som de spoler, der bruges i fine elektrovægte, safirlejer og det hele. For at bygge vægten skal du forsigtigt frigøre spolen fra målerhuset og være forsigtig med ikke at beskadige nålen. Monter spolen på en aluminiumsplade [se illustrationen på modsatte side]. Hvis du ikke kan bruge en aluminiumsplade, kan du montere spolen i en projektkasse af plast. For at isolere balancen fra luftstrømme skal du fastgøre hele enheden i et glasdækket ostebræt, hvor aluminiumspladen står lodret, så nålen bevæger sig op og ned. De to tunge beskyttelsestråde fra måleren monteres på aluminiumsstøtten for at begrænse nålens bevægelsesområde.
Sæt en lille bolt fast med epoxy på aluminiumsstøtten lige bag nålens spids. Nålen skal krydse lige foran bolten uden at røre den. Dæk bolten med et lille stykke byggepapir, og tegn derefter en tynd vandret linje hen over midten af papiret. Denne linje definerer skalaens nulpunkt.
Prøvebakken, der hænger på nålen, er blot en lille ramme, der er lavet ved at bøje uisoleret ståltråd. Den nøjagtige diameter på tråden er ikke afgørende, men hold den tynd: 28-gauge tråd fungerer godt. En lille cirkel af aluminiumsfolie hviler i bunden af trådrammen og fungerer som bakke. For at undgå forurening med kropsolier må du aldrig røre bakken (eller prøven) med fingrene, men skal altid bruge en pincet.
For at give galvanometerspolen strøm skal du bruge et kredsløb, der leverer en stabil fem volt [se kredsløbsdiagrammet nedenfor]. Erstat ikke batterierne med en AC-til-DC-adapter, medmindre du er villig til at tilføje filtre, der kan undertrykke lavfrekvente spændingsudsving, som kan lække ind i systemet fra adapteren. Udsving så små som 0,1 millivolt vil kraftigt reducere din evne til at opløse de mindste vægte.
Enheden bruger to variable præcisionsmodstande på 100 kilohm med 10 omdrejninger (også kaldet potentiometre eller reostater) - den første til at justere spændingen over spolen og den anden til at give en nulreference. En kondensator på 20 mikrofarad beskytter spolen mod rystelser i modstandenes respons og hjælper med at foretage fine justeringer af nålens position. For at måle spændingen over spolen skal du bruge et digitalt voltmeter, der kan aflæse ned til 0,1 millivolt. Radio Shack sælger håndholdte versioner til under 80 dollars. Med en strømforsyning på fem volt kan Schmermunds vægt løfte 150 milligram. Ved større vægte skal man udskifte spændingsregulatorchippen af typen 7805 med en 7812-chip. Den vil producere en stabil 12 volt og løfte genstande, der vejer næsten et halvt gram.
For at kalibrere vægten skal du bruge et sæt kendte mikrogramvægte. En enkelt kalibreret vægt med høj præcision på mellem et og 100 mikrogram koster typisk 75 dollars, og du skal bruge mindst to. Der er dog en billigere måde. Society for Amateur Scientists stiller sæt med to kalibrerede mikrogramvægte, der er egnede til dette projekt, til rådighed for $10. Bemærk, at disse to vægte giver dig mulighed for at kalibrere din vægt med fire kendte masser: nul, vægt et, vægt to og summen af de to vægte.
For at foretage en måling skal du begynde med at lade vægtskålen være tom. Dæk enheden med glasskabet. Dæmp den elektriske strøm ved at indstille den første modstand til dens højeste værdi. Juster derefter den anden modstand, indtil spændingen er så tæt på nul, som du kan indstille den til. Skriv denne spænding ned, og rør ikke ved denne modstand igen, før du er færdig med alle dine målinger. Skru nu op for den første modstand, indtil nålen synker ned til det nederste stop, og drej den derefter tilbage, så nålen vender tilbage til nulmarkeringen. Noter spændingsaflæsningen igen. Brug gennemsnittet af tre spændingsmålinger til at definere skalaens nulpunkt.
Øg derefter modstanden, indtil nålen hviler på den nederste trådstøtte. Placer en vægt i bakken, og reducer modstanden, indtil ankeret igen skjuler linjen. Registrer spændingen. Gentag igen målingen tre gange, og tag gennemsnittet. Forskellen mellem disse to gennemsnitsspændinger er et direkte mål for prøvens vægt.
Når du har målt de kalibrerede vægte, skal du plotte den løftede masse mod den påførte spænding. Dataene skal falde på en lige linje. Den masse, der svarer til en mellemliggende spænding, kan derefter aflæses direkte på kurven.
Schmermunds balance er ekstremt lineær over 10 milligram. Hældningen på kalibreringslinjen faldt kun med 4 procent ved 500 mikrogram, den mindste kalibrerede vægt, vi havde til rådighed. Ikke desto mindre anbefaler jeg på det kraftigste, at du kalibrerer din vægt, hver gang du bruger den, og altid sammenligner dine prøver direkte med dine kalibrerede vægte.