billige hausgemachte Mikrogramm-Waage

[fidelis]

von Shawn Carlson (Scientific American, Juni 1996), aber von einem Vespiary-Link übernommen. Ich werde jedoch eine aktualisierte Version in den Antworten posten!!! ^_^

Mikrogramm-Waagen sind clevere Geräte, die fantastisch kleine Massen messen können. Spitzenmodelle verwenden eine ausgeklügelte Kombination aus mechanischer Isolierung, thermischer Isolierung und elektronischer Zauberei, um wiederholbare Messungen bis zu einem Zehntelmillionstel Gramm durchzuführen. Mit ihren aufwändigen Glasgehäusen und polierten, vergoldeten Halterungen sehen diese Waagen eher wie Kunstwerke als wie wissenschaftliche Instrumente aus. Neue Modelle können mehr als 10.000 Dollar kosten und erfordern oft das Fingerspitzengefühl eines Meisters, um zuverlässige Daten aus dem Hintergrundrauschen herauszuholen.

Doch trotz ihrer Kosten und äußeren Komplexität sind diese Geräte im Grunde genommen recht einfach. Ein gängiger Typ verwendet eine Magnetspule, um ein Drehmoment zu erzeugen, das eine Probe am Ende eines Hebelarms fein ausbalanciert. Erhöht man den elektrischen Strom in der Spule, erhöht sich das Drehmoment. Der Strom, der erforderlich ist, um das Gewicht des Probekörpers auszugleichen, ist daher ein direktes Maß für dessen Masse. Die Spulen in handelsüblichen Waagen sitzen auf Drehzapfen aus poliertem blauem Saphir. Saphire werden verwendet, weil ihre extreme Härte (nur Diamanten sind härter) die Zapfen vor Verschleiß schützt. Hochentwickelte Messgeräte und Schaltkreise steuern den Strom in der Spule - deshalb sind Mikrogramm-Elektrowaagen auch so teuer.

Und das ist eine gute Nachricht für Amateure. Wenn Sie bereit sind, die Sensoren durch Ihre Augen und die Steuerschaltungen durch Ihre Hände zu ersetzen, können Sie eine empfindliche Mikrowaage für weniger als 30 Dollar bauen.

George Schmermund aus Vista, Kalifornien, hat mir diese Tatsache deutlich gemacht. Seit mehr als 20 Jahren leitet Schmermund ein kleines Unternehmen namens Science Resources, das wissenschaftliche Geräte kauft, repariert und anpasst. Obwohl er für seine Kunden ein strenger Profi sein mag, kenne ich ihn als einen Freigeist, der seine Zeit in der Geschäftswelt nur deshalb verbringt, um genug Geld zu verdienen, damit er seiner wahren Leidenschaft frönen kann - der Amateurwissenschaft.

Schmermund besitzt bereits vier teure kommerzielle Mikrogramm-Waagen. Aber im Interesse der Förderung der Amateurwissenschaft beschloss er, zu sehen, wie gut er mit billigen Mitteln zurechtkommen würde. Sein genialer Trick bestand darin, ein Käsebrett und ein altes Galvanometer, ein Gerät zur Strommessung, zu kombinieren. Das Ergebnis war eine Elektrowaage, die Gewichte von etwa 10 Mikrogramm bis hin zu 500.000 Mikrogramm (0,5 Gramm) bestimmen kann.

Die Genauigkeit der Messungen ist ziemlich beeindruckend. Ich habe persönlich bestätigt, dass seine Konstruktion Massen von mehr als einem Milligramm auf 1 Prozent genau messen kann. Darüber hinaus kann es zwischen Massen im 100-Mikrogramm-Bereich unterscheiden, die sich nur um zwei Mikrogramm unterscheiden. Und Berechnungen legen nahe, dass das Gerät Einzelmassen von nur 10 Mikrogramm messen kann (ich hatte kein so kleines Gewicht zum Testen).

Das entscheidende Bauteil, das Galvanometer, ist leicht zu beschaffen. Diese Geräte sind das Herzstück der meisten alten analogen elektrischen Messgeräte, bei denen eine Nadel auf eine Spule montiert ist. Strom, der durch die Spule fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das die Nadel auslenkt. Schmermunds Entwurf sieht vor, dass die in der vertikalen Ebene montierte Nadel als Hebelarm fungiert: Die Proben hängen an der Nadelspitze.

Elektronikfachgeschäfte haben wahrscheinlich mehrere analoge Galvanometer auf Lager. Eine gute Möglichkeit, die Qualität zu beurteilen, besteht darin, das Messgerät leicht hin und her zu schütteln. Wenn die Nadel an ihrem Platz bleibt, haben Sie eine geeignete Spule in der Hand. Abgesehen von diesem Test leitet mich bei der Auswahl eines guten Messgeräts ein seltsamer Sinn für Ästhetik. Es ist schwierig, diesen Sinn zu beschreiben, aber wenn ich beim Betrachten eines Messgeräts sagen kann: "Das ist ein schönes Messgerät", dann kaufe ich es. Diese ästhetische Unschärfe hat auch einen praktischen Nutzen. Fein gearbeitete und sorgfältig entworfene Messgeräte enthalten in der Regel exquisite Spulen, die genauso gut sind wie die Spulen, die in feinen Elektrowaagen verwendet werden, mit Saphirlagern und allem Drum und Dran.Um die Waage zu bauen, lösen Sie die Spule vorsichtig aus dem Gehäuse des Messgeräts und achten Sie darauf, die Nadel nicht zu beschädigen. Befestigen Sie die Spule auf einem Stück Aluminium [siehe Abbildung auf der gegenüberliegenden Seite]. Wenn Sie kein Aluminiumblech verwenden können, montieren Sie die Spule in einer Projektbox aus Kunststoff. Um die Waage von Luftströmen zu isolieren, befestigen Sie die gesamte Baugruppe in einem glasbedeckten Käsebrett, wobei das Aluminiumblech aufrecht steht, so dass sich die Nadel auf und ab bewegt. Die beiden schweren Schutzdrähte, die vom Messgerät abgetrennt wurden, werden an der Aluminiumhalterung befestigt, um den Bewegungsbereich der Nadel einzuschränken.

Befestigen Sie einen kleinen Bolzen mit Epoxidharz an der Aluminiumhalterung, direkt hinter der Spitze der Nadel. Die Nadel sollte sich direkt vor dem Bolzen kreuzen, ohne ihn zu berühren. Bedecken Sie den Bolzen mit einem kleinen Stück Bastelpapier und ziehen Sie dann eine dünne horizontale Linie durch die Mitte des Papiers. Diese Linie definiert die Nullposition der Skala.

Das Probentablett, das an der Nadel hängt, ist lediglich ein kleiner Rahmen, der durch Biegen von nicht isoliertem Draht selbst hergestellt wurde. Der genaue Durchmesser des Drahtes ist nicht entscheidend, aber er sollte möglichst dünn sein: 28er-Draht ist gut geeignet. Ein winziger Kreis aus Alufolie liegt an der Basis des Drahtrahmens und dient als Auffangschale. Um eine Kontamination mit Körperölen zu vermeiden, berühren Sie das Tablett (oder die Probe) niemals mit den Fingern, sondern verwenden Sie immer eine Pinzette.

Um die Galvanometerspule mit Strom zu versorgen, benötigen Sie einen Schaltkreis, der eine stabile Spannung von fünf Volt liefert [siehe Schaltplan unten]. Ersetzen Sie die Batterien nicht durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Adapter, es sei denn, Sie sind bereit, Filter hinzuzufügen, die niederfrequente Spannungsschwankungen unterdrücken können, die vom Adapter in das System gelangen können. Schwankungen von nur 0,1 Millivolt verringern die Fähigkeit, kleinste Gewichte aufzulösen, erheblich.

Das Gerät verwendet zwei Präzisionswiderstände mit 100 Kiloohm und 10 Umdrehungen (auch Potentiometer oder Rheostat genannt) - der erste dient zur Einstellung der Spannung an der Spule, der zweite als Nullreferenz. Ein 20-Mikrofarad-Kondensator puffert die Spule gegen ruckartiges Ansprechen der Widerstände und hilft bei der Feineinstellung der Nadelposition. Um die Spannung an der Spule zu messen, benötigen Sie ein Digitalvoltmeter, das bis auf 0,1 Millivolt genau ablesen kann. Radio Shack verkauft tragbare Versionen für weniger als 80 $. Mit einer Fünf-Volt-Stromversorgung kann Schmermunds Waage 150 Milligramm heben. Für größere Gewichte kann der Spannungsregler-Chip vom Typ 7805 durch einen 7812-Chip ersetzt werden. Dieser erzeugt stabile 12 Volt und hebt Objekte mit einem Gewicht von fast einem halben Gramm.

Um die Waage zu kalibrieren, benötigen Sie einen Satz bekannter Mikrogramm-Gewichte. Ein einzelnes hochpräzise geeichtes Gewicht zwischen einem und 100 Mikrogramm kostet normalerweise 75 $, und Sie benötigen mindestens zwei. Es gibt jedoch eine billigere Möglichkeit. Die Society for Amateur Scientists bietet für 10 $ zwei geeichte Mikrogramm-Gewichte an, die für dieses Projekt geeignet sind. Mit diesen beiden Gewichten können Sie Ihre Waage mit vier bekannten Massen kalibrieren: Null, Gewicht eins, Gewicht zwei und die Summe der beiden Gewichte.

Um eine Messung durchzuführen, beginnen Sie mit der leeren Waagschale. Decken Sie das Gerät mit dem Glasgehäuse ab. Drosseln Sie den elektrischen Strom, indem Sie den ersten Widerstand auf seinen höchsten Wert einstellen. Stellen Sie dann den zweiten Widerstand so ein, dass die Spannung so nahe wie möglich bei Null liegt. Notieren Sie diese Spannung und berühren Sie diesen Widerstand erst wieder, wenn Sie alle Messungen durchgeführt haben. Drehen Sie nun den ersten Widerstand auf, bis der Zeiger auf den unteren Anschlag sinkt, und drehen Sie ihn dann zurück, so dass der Zeiger wieder die Nullmarke erreicht. Notieren Sie erneut den Spannungswert. Verwenden Sie den Durchschnitt der drei Spannungsmessungen, um den Nullpunkt der Skala zu bestimmen.

Erhöhen Sie nun den Widerstand, bis die Nadel auf der unteren Drahtauflage zu liegen kommt. Legen Sie ein Gewicht in die Schale und verringern Sie den Widerstand, bis der Anker die Linie wieder verdeckt. Notieren Sie die Spannung. Wiederholen Sie die Messung dreimal und bilden Sie den Durchschnitt. Die Differenz zwischen diesen beiden Durchschnittsspannungen ist ein direktes Maß für das Gewicht des Probekörpers.

Nachdem Sie die kalibrierten Gewichte gemessen haben, tragen Sie die angehobene Masse gegen die angelegte Spannung auf. Die Daten sollten auf einer Geraden verlaufen. Die Masse, die einer beliebigen Zwischenspannung entspricht, kann dann direkt an der Kurve abgelesen werden.

Die Schmermundsche Waage ist oberhalb von 10 Milligramm extrem linear. Die Steigung der Kalibrierungslinie nahm bei 500 Mikrogramm, dem kleinsten uns zur Verfügung stehenden kalibrierten Gewicht, nur um 4 Prozent ab. Dennoch empfehle ich Ihnen dringend, Ihre Waage jedes Mal zu kalibrieren, wenn Sie sie benutzen, und Ihre Proben immer direkt mit den kalibrierten Gewichten zu vergleichen.

 

[fidelis]

Link hier, gleicher Typ, gleiche Zeitschrift, aber 4 Jahre später veröffentlicht


Ich lebe für Freitage. Das liegt daran, dass ich diesen Tag normalerweise damit verbringe, in den Badlands von San Diego mit einer eklektischen Ansammlung von Bilderstürmern zu wandern, darunter einige brillante Technologen und einige meiner besten Freunde. Uns verbindet die Liebe zur Instrumentierung und unsere gemeinsame Leidenschaft für die Entwicklung kostengünstiger Lösungen für verschiedene experimentelle Herausforderungen. Dieses gemeinsame Interesse führt zu freundschaftlichen Rivalitäten, deren Ergebnisse oft in diese Kolumne einfließen.

Nehmen wir zum Beispiel das Problem der Messung extrem kleiner Massen. George Schmermund hat einen fantastischen Ansatz entwickelt, den ich im Juni 1996 auf diesen Seiten beschrieben habe. George baute die Spule und den Anker aus einem ausrangierten Galvanometer aus und montierte sie aufrecht, so dass sich die Nadel des Messgeräts in einer vertikalen Ebene bewegte. Dann schloss er die Spule an eine variable Spannung an und stellte sie so ein, dass die Nadel genau horizontal stand. Eine winzige Masse mit bekanntem Gewicht, die am Ende der Nadel angebracht wurde, zog diese nach unten. George erhöhte dann die Spannung, bis der Arm in seine Ausgangsposition zurückkehrte. Da eine schwerere Masse eine proportional größere Spannungserhöhung erforderte, um sie auszugleichen, zeigte die Spannungsänderung das Gewicht einer Probe an. Georges Elektrowaage war in der Lage, Massen bis zu einer Größe von 10 Mikrogramm (d. h. 10 Millionstel Gramm) zu wiegen.

Diese Leistung war für mich schon verblüffend genug, aber vor kurzem hat der Organisator unserer wöchentlichen Ausflüge, Greg Schmidt, erkannt, dass selbst diese erstaunliche Leistung noch verbessert werden kann. Gregs Konstruktion macht eine manuelle Justierung der Nadel überflüssig: Die Waage stellt sich automatisch auf Null (oder "tariert") und nivelliert sich selbst, und sie kann kontinuierlich verfolgen, wie sich die Masse eines Objekts ändert - zum Beispiel, wie schnell eine einzelne Ameise durch ihre Atmung Wasser verliert. Das Ergebnis ist eine äußerst vielseitige Elektrowaage mit einer Empfindlichkeit im Mikrogrammbereich, die für weniger als 100 Dollar gebaut werden kann.

Und so funktioniert sie. Greg nahm Georges Grundkonstruktion und fügte einen preiswerten Mikrocontroller hinzu (ein kleiner Computer mit zentraler Verarbeitungseinheit und Speicher auf einem einzigen Chip) und wies ihn an, jede Sekunde 2.000 schwache Stromimpulse durch die Spule zu schicken. Die Trägheit des Ankers und der Nadel verhindert, dass sie auf jeden kurzen Impuls reagieren, so dass der Ausschlag den durchschnittlichen Strom in der Spule widerspiegelt. Die einzelnen Impulse scheinen jedoch groß genug zu sein, um die Lager von Gregs Galvanometer in Schwingung zu versetzen. Er glaubt, dass dieses leichte Zittern die "Haftreibung" reduziert, also die Tendenz eines Lagers, zu verharren, wenn es sich nicht bewegt. Dieser Effekt scheint der Grund dafür zu sein, dass ein preiswertes Messgerät wie das seine auf den Zug so kleiner Massen reagieren kann.

Die für das Projekt erforderlicheelektronische Verdrahtung ist minimal, da der verwendete Mikrocomputer auf einer eigenständigen Platine untergebracht ist. Lediglich zwei Transistoren, ein Widerstand und eine Diode müssen angeschlossen werden, zusätzlich zu dem integrierten optischen Sensor (der einen Fototransistor und eine Leuchtdiode enthält). Obwohl die Leistung der "Stromspiegel"-Schaltung besser ist, wenn sich die beiden Transistoren auf demselben Siliziumchip befinden, können auch separate NPN-Transistoren verwendet werden, wenn ihre Gehäuse (wie oben gezeigt) so angebracht werden, dass sie beide genau die gleiche Temperatur haben.

Greg hat seine Schaltung allerdings nicht zur Verringerung der Haftreibung entworfen. Diese Eigenschaft erwies sich als unvorhergesehener Vorteil der "Pulsweitenmodulation" zur Steuerung des durchschnittlichen Stroms, der durch die Spule fließt. Bei diesem Schema bleibt die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen gleich, aber der Mikrocontroller variiert das Tastverhältnis, d. h. den Anteil des Zyklus, in dem der Strom eingeschaltet bleibt. Impulszüge mit kurzen Tastverhältnissen versorgen die Spule nur für einen Bruchteil der Gesamtzeit mit Strom und können daher nur kleinste Gewichte heben, während Impulszüge mit längeren Tastverhältnissen schwerere Lasten heben können. Gregs Mikroprozessor kann 1.024 verschiedene Werte für das Tastverhältnis erzeugen. Diese Zahl legt den dynamischen Bereich der Waage fest. Wenn der maximale Strom so eingestellt ist, dass das Gerät beispielsweise bis zu einem Milligramm heben kann, liegt die kleinste nachweisbare Masse bei einem Mikrogramm.

Eine solche Empfindlichkeit ist ziemlich beeindruckend. Dabei muss der Mikrocomputer, der das Ganze steuert, nichts Besonderes sein. Es gibt sogar eine schwindelerregende Auswahl. Aber wenn Sie keine Ahnung haben, wie man einen Mikroprozessor auswählt und programmiert, machen Sie sich keine Sorgen: Greg hat sein Gerät mit dem Gedanken an den Anfänger entwickelt. Er verwendete das Atmel AT 89/90 Series Flash Microcontroller Evaluation Kit, das einen voll funktionsfähigen und extrem vielseitigen Mikrocomputer enthält, der direkt an einen Personal Computer angeschlossen werden kann. Dieses Kit (Modell STK-200) enthält alles, was Sie brauchen, um loszulegen, und kostet weniger als 50 Dollar (eine Liste der Anbieter finden Sie bei der Amtel Corporation).

Leider unterstützt dieses System für Macintosh-Benutzer nur IBM-kompatible Geräte. Auf jeden Fall müssen Sie nicht alles von Grund auf neu programmieren, denn Greg hat die gesamte Software entwickelt, die zum Betrieb des Geräts erforderlich ist, einschließlich Anweisungen, die das Gewicht in Echtzeit auf einem kleinen Flüssigkristall-Display anzeigen (Katalognummer 73-1058-ND von Digi-Key; 800-344-4539). Sie können seinen Code kostenlos von der Website der Society for Amateur Scientists herunterladen.

Wie bei Georges ursprünglichem Entwurf funktioniert fast jedes Galvanometer, das man aus dem Restpostenmarkt kaufen kann. Man muss nur darauf achten, dass es kleine Ströme misst und dass die Nadel an Ort und Stelle bleibt, wenn das Gerät schnell hin- und hergeschüttelt wird. Während bei Georges Prototyp der Bediener auf die Nadel blinzeln musste, erfasst Gregs Elektrobalance die Position der Nadel elektronisch mit Hilfe eines Fototransistors und einer Leuchtdiode, die Sie auch bei Digi-Key kaufen können (die Katalognummer QVA11334QT-ND umfasst eine einzelne Einheit). Durchstechen Sie ein kleines Stück Aluminiumfolie mit einer Nadel und zentrieren Sie das Loch auf dem Fototransistor, wie auf Seite 90 gezeigt. Wenn die Folie den größten Teil des Fototransistors abdeckt, geht das Signal sehr schnell von voll ein auf voll aus, wenn die Nadel das Licht der Diode unterbricht. Befestigen Sie ein Stück Balsaholz wie gezeigt, um die Nadel genau an diesem Punkt zu stoppen.

Wenn zu wenig Strom in der Spule fließt, liegt die Nadel auf dem unteren Balsaholzstück auf und blockiert das Licht. Zu viel Strom hebt die Nadel vollständig aus dem Lichtweg. Gregs Software verwendet einen ausgeklügelten Algorithmus, um die Nadel zwischen diesen beiden Zuständen im Gleichgewicht zu halten. Nachdem das Gerät ordnungsgemäß kalibriert und tariert wurde, spiegelt diese Impulsbreite die Masse der Probe wider.

Diekontinuierliche Aufzeichnung der Gewichtsveränderung eines ein Zentimeter langen, befeuchteten Fadens zeigt die Vielseitigkeit dieses preiswerten Instruments.

Der Steuerkreis, mit dessen Hilfe all diese Magie erreicht wird, ist oben abgebildet. Sie müssen den Wert von R1 anpassen, um den maximalen Strom auf einen Wert einzustellen, den Ihr Messgerät verarbeiten kann. Der volle Stromwert kann auf dem Messgerät angezeigt werden. Andernfalls verwenden Sie einen variablen Widerstand, eine Neun-Volt-Batterie und ein Strommessgerät, um den Strom zu messen. Da Gregs Galvanometer einen Höchstwert von fünf Milliampere anzeigt, hat er den Mikrocontroller so programmiert, dass er einen Strom von fünf Milliampere erzeugt, indem er einen Fünf-Volt-Impuls über einen Ein-Kilohm-Widerstand abgibt.

Dieser Strom wird jedoch nicht durch die Spule geleitet. Vielmehr fließt er durch eine Schaltung, die als Stromspiegel bezeichnet wird und die einen identischen Strom in die Spule zwingt. Durch diesen Trick wird die Langzeitstabilität der Waage drastisch verbessert. Und warum? Der Widerstand der Spule hängt von ihrer Temperatur ab, die ansteigt, wenn elektrische Energie in ihr verloren geht. Durch die Spiegelschaltung bleibt der Strom jedoch konstant, unabhängig von der Temperatur der Spule.

Natürlich ändert sich auch der Widerstand von R1 mit der Temperatur, was zu einer Abweichung bei der Kalibrierung führen kann. Sie sollten also ein Bauteil mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten verwenden. Ein Metallfilmwiderstand mit einer Toleranz von 1 % ändert sich beispielsweise nur um 50 Teile pro Million für jedes Grad Celsius. Außerdem müssen Sie die beiden Transistoren im Stromspiegel auf der gleichen Temperatur halten, um zu verhindern, dass die Schaltung abdriftet. Am besten verwenden Sie einen Satz aufeinander abgestimmter Transistoren auf einem einzigen Siliziumchip, z. B. den CA3086 (48 Cent von Circuit Specialists; 800-528-1417). Andernfalls verdrahten Sie zwei identische NPN-Schalttransistoren so miteinander, dass sich ihre Gehäuse berühren, wie oben gezeigt.

Eine reizvolle Demonstration der Empfindlichkeit, die sein Gerät erreicht, ist in der Grafik links zu sehen. Greg tränkte einen Zentimeter feinen Faden in Wasser. Dann überwachte er sein Gewicht, während das Wasser langsam verdampfte. Bemerkenswert.