odav kodune mikrogrammi skaala

[fidelis]

Shawn Carlsoni poolt (Scientific American, juuni 1996), kuid võetud vespiary lingilt. aga ma postitan vastustes uuendatud versiooni!!! ^_^

Mikrogrammi kaalud on nutikad seadmed, mis suudavad mõõta fantastiliselt pisikesi massid. Tipptasemel mudelid kasutavad mehaanilise isolatsiooni, soojusisolatsiooni ja elektrooniliste võlurite geniaalset kombinatsiooni, et teha korratavaid mõõtmisi kuni ühe grammi kümnendiku miljondikuni. Oma keerukate klaasist korpuste ja poleeritud kullatud kinnitustega näevad need kaalud pigem välja nagu kunstiteosed kui teaduslikud instrumendid. Uued mudelid võivad maksta rohkem kui 10 000 dollarit ja nõuavad sageli meistri kätt, et saada taustamürast usaldusväärseid andmeid.

Kuid vaatamata oma maksumusele ja välisele keerukusele on need seadmed oma olemuselt üsna lihtsad. Üks levinud tüüp kasutab magnetmähist, mis annab pöördemomendi, mis tasakaalustab õrnalt proovi hoovavarre otsas. Elektrivoolu suurendamine mähises suurendab pöördemomenti. Näidise massi tasakaalustamiseks vajalik vool on seega selle massi otsene mõõtühik. Kaubanduses olevate kaalude mähised paiknevad lihvitud sinisest safiirist pöördtelgedel. Safiire kasutatakse seetõttu, et nende erakordne kõvadus (ainult teemandid on kõvemad) takistab pöördepunktide kulumist. Keerukad andurseadmed ja vooluahelad kontrollivad voolu mähises - seetõttu on mikrogrammide elektrivaažid nii kallid.

Ja see on hea uudis amatööridele. Kui olete valmis asendama oma silmad anduritega ja käed kontrollahelatega, saate ehitada õrna elektribalanssi vähem kui 30 dollariga.

George Schmermund Vistast, Kaliforniast, tegi mulle selle asjaolu selgeks. Schmermund on üle 20 aasta juhtinud väikest ettevõtet Science Resources, mis ostab, parandab ja kohandab teaduslikke seadmeid. Kuigi ta võib oma klientide jaoks olla range professionaal, tean teda üsna vaba vaimuna, kes veedab aega ärimaailmas ainult selleks, et teenida piisavalt raha oma tõelise kire - amatöörteaduse - rahuldamiseks.

Schmermundil on juba neli kallist kaubanduslikku mikrogrammivaaži. Kuid amatöörteaduse edendamise huvides otsustas ta näha, kui hästi ta saab hakkama odava hinnaga. Tema geniaalne võte oli kombineerida juustulaua ja vana galvanomeeter, seade, mis mõõdab voolu. Tulemuseks oli elektriline kaal, mis suudab määrata kaalu alates umbes 10 mikrogrammist kuni 500 000 mikrogrammini (0,5 grammi).

Mõõtmiste täpsus on üsna muljetavaldav. Mina isiklikult kinnitasin, et tema konstruktsioon suudab mõõta 1 protsendi ulatuses massi, mis ületab ühe milligrammi. Lisaks sellele suudab see eristada 100 mikrogrammi vahemikus massid, mis erinevad üksteisest vaid kahe mikrogrammi võrra. Ja arvutused näitavad, et seade suudab mõõta üksikuid massid, mis on nii väikesed kui 10 mikrogrammi (mul ei olnud testimiseks nii väikest massi).

Oluline komponent, galvanomeeter, on kergesti kättesaadav. Need seadmed on enamiku vanade analoogelektrimõõtjate keskmes, sellistes, kus kasutatakse spiraalile kinnitatud nõela. Mähist läbiv vool tekitab magnetvälja, mis lükkab nõela kõrvale. Schmermundi konstruktsioon näeb ette, et vertikaalsesse tasapinda paigaldatud nõel toimib hoovavarrega: proovid ripuvad nõela otsast.

Elektroonika ülejääkide kauplustes on tõenäoliselt olemas mitu analooggalvanomeetrit. Hea viis kvaliteedi hindamiseks on mõõdiku õrnalt küljelt küljele raputamine. Kui nõel püsib paigal, on käes sobiv mähis. Lisaks sellele testile juhatab mind hea mõõtja valimisel kummaline esteetiline tunne. Seda tunnet on tüütult raske kirjeldada, kuid kui ma vaatan seda üle ja ütlen: "See on ilus mõõtja!", siis ma ostan selle. Sellest esteetilisest hägususest on praktilist kasu. Peensusteni viimistletud ja hoolikalt konstrueeritud meetrites on tavaliselt peened mähised, mis on sama head kui peenedes elektribalanssides kasutatavad mähised, safiirist laagrid ja kõik muu. tasakaalu ehitamiseks vabastage mähis ettevaatlikult meetri korpusest, olles ettevaatlik, et nõela mitte kahjustada. Paigaldage mähis alumiiniumilehele [vt joonist vastasküljel]. Kui te ei saa kasutada alumiiniumplekki, paigaldage mähis plastikust projektikarbi sisse. Selleks, et isoleerida kaal õhuvooludest, kinnitage kogu koost klaasiga kaetud juustulauale, kusjuures alumiiniumplekk seisab püsti, nii et nõel liigub üles ja alla. Kaks rasket mõõturist kahjutuks tehtud kaitselõnga paigaldatakse alumiiniumtoele, et piirata nõela liikumisulatust.

Epoksiidiga kinnitatakse väike polt alumiiniumtoele, kohe nõela otsa taha. Nõel peaks ristuma vahetult poldi ees, ilma et see puudutaks. Katke polt väikese tükikese ehituspaberiga, seejärel tõmmake õhuke horisontaalne joon üle paberi keskkoha. See joon määrab skaala nullpunkti.

Proovitaldrik, mis ripub nõela küljes, on lihtsalt väike raam, mis on valmistatud isoleerimata traadi painutamisega. Traadi täpne läbimõõt ei ole kriitiline, kuid see peab olema õhuke: 28-ne traat sobib hästi. Väike alumiiniumfooliumi ring toetub traatraami alusele ja toimib salvipannina. Kehaõlidega saastumise vältimiseks ärge kunagi puudutage kandikut (ega proovi) sõrmedega, vaid kasutage alati pintsette.

Galvanomeetri mähise ergastamiseks on vaja vooluahelat, mis annab stabiilselt viis volti [vt allpool esitatud elektriskeemi]. Ärge asendage patareisid vahelduvvoolu adapteriga, kui te ei ole valmis lisama filtreid, mis suudavad summutada madalsageduslikke pingekõikumisi, mis võivad adapterist süsteemi lekkida. Juba 0,1 millivoldi suurused kõikumised vähendavad järsult teie võimet lahendada väikseimadki kaalud.

Seade kasutab kahte täpset, 100kilohmilist, 10-käigulist muutuvat takistit (mida nimetatakse ka potentsiomeetriteks või reostaatideks) - esimene neist reguleerib pinget mähise kohal ja teine tagab nullreferentsi. 20-mikrofaradine kondensaator pehmendab mähist, et takisti reaktsioon ei muutuks ebastabiilseks, ja aitab teha nõela asendi peenhäälestusi. Pinge mõõtmiseks mähise kohal vajate digitaalset voltmeetrit, mis loeb 0,1 millivoldi täpsusega. Radio Shack müüb käepäraseid versioone vähem kui 80 dollari eest. Kasutades viievoldilist toiteallikat, suudab Schmermundi skaala tõsta 150 milligrammi. Suuremate kaalude puhul asendage 7805 tüüpi pingeregulaatori kiip 7812 kiibiga. See toodab stabiilselt 12 volti ja tõstab ligi poole grammi kaaluvaid esemeid.

Kaalude kalibreerimiseks on vaja teadaolevate mikrogrammiste raskuste komplekti. Üks kõrge täpsusega kalibreeritud kaal vahemikus üks kuni 100 mikrogrammi maksab tavaliselt 75 dollarit ja teil on vaja vähemalt kahte. Siiski on olemas odavam viis. Harrastusteadlaste ühing teeb 10 dollari eest kättesaadavaks kahe kalibreeritud mikrogrammi kaalude komplekti, mis sobivad selle projekti jaoks. Pange tähele, et need kaks raskust võimaldavad kalibreerida oma kaalu nelja teadaoleva massiga: null, kaal üks, kaal kaks ja kahe kaalu summa.

Mõõtmise alustamiseks alustage kaalukaussi tühja kaalukausiga. Katke seade klaasist ümbrisega. Kitsendage elektrivoolu, seades esimese takistuse kõrgeimale väärtusele. Seejärel reguleerige teist takistit, kuni pinge näit on nii lähedal nullile, kui te saate seda seadistada. Kirjutage see pinge üles ja ärge puudutage seda takistit enam enne, kui olete lõpetanud kogu mõõtmise. Nüüd keerake esimest takistit ülespoole, kuni nõel vajub alla alumise peatuse juurde, seejärel keerake seda tagasi, nii et nõel jõuaks tagasi nullile. Pange uuesti tähele pinge näitu. Kasutage kolme pingemõõtmise keskmist, et määrata skaala nullpunkt.

Seejärel suurendage takistust, kuni nõel jõuab alumise traaditoe kohale. Asetage kandikule raskus ja vähendage vastupanu, kuni armatuur taas kord varjab joone. Registreerige pinge. Korrake mõõtmist veel kord kolm korda ja võtke keskmine. Nende kahe keskmise pinge vahe on proovi kaalu otsene mõõtühik.

Kui olete mõõtnud kalibreeritud raskused, joonistage üles tõstetud massi ja rakendatud pinge suhe. Andmed peaksid langema sirgele. Igale vahepealsele pingele vastavat massi saab seejärel lugeda sirgelt kõveralt.

Schmermundi kaal on äärmiselt lineaarne üle 10 milligrammi. Kalibreerimisjoone kalle vähenes ainult 4 protsenti 500 mikrogrammi juures, mis on väikseim kalibreeritud mass, mis meil oli olemas. Sellegipoolest soovitan teil tungivalt kalibreerida oma kaal iga kord, kui te seda kasutate, ja alati võrrelda oma proovid otse kalibreeritud kaaludega.

 

[fidelis]

link siin, sama mees, sama ajakiri, kuid avaldatud 4 aastat hiljem


Ma elan reedeti. Seda sellepärast, et tavaliselt veedan selle päeva matkates läbi San Diego pahupoolsete alade koos eklektilise ikooniklastide koguga, sealhulgas mitme geniaalse tehnoloogiaga ja mõnede minu kõige kallimate sõpradega. Meid ühendab meie armastus mõõteriistade vastu ja meie ühine kirg töötada välja odavaid lahendusi erinevatele eksperimentaalprobleemidele. See ühine huvi toob kaasa sõbraliku rivaalitsemise, mille tulemused toidavad sageli seda veergu.

Võtame näiteks äärmiselt väikeste masside mõõtmise probleemi. George Schmermund töötas välja fantastilise lähenemise, mida ma kirjeldasin neil lehekülgedel 1996. aasta juunis. George eemaldas mähise ja armatuuri kasutuselt kõrvaldatud galvanomeetrist ja paigaldas need püstiselt, nii et mõõtja nõel liikus vertikaalses tasapinnas. Seejärel ühendas ta mähise muutuva pingega ja reguleeris seda, kuni nõel oli täpselt horisontaalne. Nõela otsa paigutatud väike teadaoleva kaaluga mass tõmbas nõela alla. Seejärel suurendas George pinget, kuni nõel pöördus tagasi lähteasendisse. Kuna raskem mass vajas selle tasakaalustamiseks proportsionaalselt suuremat pinge tõusu, näitas pinge muutus proovi kaalu. George'i elektrimõõturiga oli võimalik kaaluda nii väikeseid massid kui 10 mikrogrammi (st 10 miljonikümnendikku grammi).

See saavutus oli minu jaoks piisavalt hämmastav, kuid hiljuti sai meie iganädalaste väljasõitude korraldaja Greg Schmidt aru, et isegi seda hämmastavat jõudlust on võimalik parandada. Gregi disain välistab vajaduse nõela käsitsi reguleerida: kaal nullib (või "tõrvab") ja tasandab end automaatselt ning suudab pidevalt jälgida, kuidas objekti mass muutub - näiteks kiirust, millega üks sipelgas kaotab hingamise kaudu vett. Tulemuseks on äärmiselt mitmekülgne mikrogrammi tundlikkusega elektrimõõtur, mida saab ehitada vähem kui 100 dollariga.

See töötab järgmiselt. Greg võttis George'i põhikonstruktsiooni ja lisas sellele odava mikrokontrolleri (väike arvuti, mille keskprotsessor ja mälu on kõik ühel kiibil), andes sellele korralduse saata igal sekundil 2000 nõrka vooluimpulssi läbi mähise. Armatuuri ja nõela inertsus takistab neid reageerimast igale lühikesele impulsile, seega peegeldab kõrvalekalle keskmist voolu mähises. Üksikud impulsid näivad siiski olevat piisavalt suured, et Gregi galvanomeetri laagrid vibreerida. Ta usub, et see kerge värin vähendab "hõõrdumist", stiction'i, stiction'i, mis on laagri kalduvus lukustuda, kui see ei liigu. See efekt näib seletavat, miks selline odav mõõtur nagu tema oma suudab reageerida nii väikeste masside tõmbamisele.

Projekti jaoks vajalikelektrooniline juhtmestik on minimaalne, sest kasutatav mikroarvuti asub iseseisval plaadil. Lisaks integreeritud optilisele andurile (mis sisaldab fototransistorit ja valgusdioodi) tuleb ühendada ainult kaks transistorit, takisti ja diood. Kuigi "voolu peegli" vooluahela jõudlus on parem, kui selle kaks transistorit asuvad samal ränikiibil, võib kasutada eraldi NPN-transistoreid, kui nende korpused on kinnitatud (nagu eespool näidatud), nii et mõlemad jäävad täpselt samale temperatuurile.

Greg ei projekteerinud oma vooluahelat siiski hõõrdumise vähendamiseks. See omadus osutus ootamatuks eeliseks, mis tuleneb "impulsside laiuse modulatsiooni" kasutamisest, et kontrollida mähise kaudu saadetud keskmist voolu. Selle skeemi puhul jääb järjestikuste impulsside vaheline aeg samaks, kuid mikrokontroller muudab töötsüklit - seda osa tsüklist, mille jooksul vool jääb sisse. Lühikese töötsükliga impulssrongid panevad mähise voolu ainult väheseks ajaks ja suudavad seega tõsta ainult kõige väiksemaid raskusi, samas kui pikema töötsükliga impulssrongid suudavad tõsta suuremaid koormusi. Gregi mikroprotsessor suudab genereerida 1024 erinevat töötsükli väärtust. See arv määrab tasakaalu dünaamilise ulatuse. Kui maksimaalne voolutugevus on seadistatud nii, et seade suudab tõsta näiteks kuni ühe milligrammi, on väikseim tuvastatav mass umbes üks mikrogramm.

Selline tundlikkus on üsna muljetavaldav. Ometi ei pea mikroarvuti, mis seda juhib, olema midagi erilist. Tõepoolest, valida on võimalik peadpööritava hulga valikute vahel. Aga kui teil pole aimugi, kuidas mikroprotsessorit valida ja programmeerida, siis ärge muretsege: Greg töötas oma seadme välja algajat silmas pidades. Ta kasutas Atmel AT 89/90 seeria flash-mikrokontrollerite hindamiskomplekti, mis sisaldab täiesti funktsionaalset ja äärmiselt mitmekülgset mikroarvutit, mis on otse ühendatav personaalarvutiga. See komplekt (mudel STK-200) sisaldab kõike, mida vajate, et alustada ja maksab vähem kui 50 dollarit (tarnijate nimekirja leiate Amtel Corporationist).

Kahjuks Macintoshi kasutajate jaoks toetab see süsteem ainult IBMi ühilduvaid seadmeid. Igal juhul ei pea kõike nullist programmeerima, sest Greg töötas välja kogu seadme käivitamiseks vajaliku tarkvara, sealhulgas juhised, mis näitavad kaalu reaalajas väikesel vedelkristallkuvaril (katalooginumber 73-1058-ND firmalt Digi-Key; 800-344-4539). Tema koodi saab tasuta alla laadida amatöörteadlaste ühingu veebisaidilt.

Nagu George'i originaalkonstruktsiooni puhul, töötab peaaegu iga galvanomeeter, mis on korjatud üleliigsest prügikastist. Lihtsalt veenduge, et see mõõdab väikseid voolusid ja et selle nõel jääb paigale, kui seadet kiiresti küljelt küljele kõigutada. Kui George'i prototüübi puhul pidi operaator nõelale kükitama, siis Greg'i elektribalanss tuvastab nõela asendi elektrooniliselt, kasutades fototransistorit ja valgusdioodi, mida saab osta ka Digi-Key'st (katalooginumber QVA11334QT-ND sisaldab ühte seadet). Torgake väike alumiiniumfooliumi tükk nõelaga läbi ja torgake augu keskele fototransistor, nagu on näidatud leheküljel 90. Kui foolium katab suurema osa fototransistorist, läheb signaal väga kiiresti täis sisselülitamisest täisväljalülitamiseni, kui nõel katkestab valgusdioodi valguse. Kinnitage palsamipuust viil, nagu näidatud, et peatada nõel täpselt selles punktis.

Kui mähises on liiga vähe voolu, toetub nõel alumisele palsamitükile ja blokeerib valguse. Liiga suur vool tõstab nõela täielikult valguse teelt välja. Gregi tarkvara kasutab keerukat algoritmi, et hoida nõel tasakaalus nende kahe seisundi vahel. Pärast seda, kui seade on nõuetekohaselt kalibreeritud ja tarastatud, peegeldab see impulsi laius proovi massi.

Ühe sentimeetri pikkuse niisutatud niidi muutuva massipidev salvestamine näitab selle odava seadme mitmekülgsust.

Ülaltoodud on näidatud kontrollahela, mis aitab kogu seda võlu saavutada. Te peate reguleerima R1 väärtust, et seadistada maksimaalne voolu väärtus selliseks, millega teie mõõteriist saab hakkama. Täisskaala voolu võib olla näidatud mõõturil. Vastasel juhul kasutage selle mõõtmiseks muutuvat takistit, üheksavoldilist patareid ja voolumõõturit. Kuna Gregi galvanomeeter piirdus viie milliamperiga, programmeeris ta mikrokontrolleri nii, et see tekitaks viie milliamperi voolu, andes viievoldilise impulsi üle ühekilohmilise takistuse.

Seda voolu ei suunata siiski läbi mähise. Pigem voolab see läbi voolu peegliks nimetatava vooluahela, mis sunnib samasugust voolu mähisesse voolama. See trikk parandab oluliselt tasakaalu pikaajalist stabiilsust. Miks? Mähise takistus sõltub selle temperatuurist, mis tõuseb, kui selle sees hajub elektrienergia. Kuid peegelahel hoiab voolu konstantsena, olenemata sellest, milline on mähise temperatuur.

Loomulikult muutub R1-i takistus ise mõnevõrra temperatuuri muutudes, mis võib põhjustada kalibreerimise triivimist. Seega soovite kasutada madala temperatuurikoefitsiendiga komponenti. Näiteks 1-protsendilise tolerantsiga metallkile-takisti nihkub tavaliselt vaid 50 miljondikosa iga Celsiuse kraadi kohta. Samuti peate hoidma kaks transistorit voolupeeglis samal temperatuuril, et vältida selle vooluahela triivimist. Kõige parem on kasutada ühele ränikiibile sobitatud transistoride komplekti, nagu näiteks CA3086 (48 senti Circuit Specialists'ilt; 800-528-1417). Vastasel juhul ühendage kaks identset NPN-katkestustransistorit nii, et nende korpused puutuvad kokku, nagu eespool näidatud.

Tema aparaadi saavutatud tundlikkuse meeldiv demonstratsioon on näidatud vasakul oleval graafikul. Greg leotas sentimeetri jagu peenikest niiti vees. Seejärel jälgis ta selle kaalu, kui vesi aeglaselt aurustub. Märkimisväärne.