balance à microgrammes maison bon marché

[fidelis]

par Shawn Carlson (Scientific American, juin 1996) mais tiré d'un lien vespéral. cependant, je posterai une version mise à jour dans les réponses ! ^_^

Les balances de microgrammes sont des appareils astucieux capables de mesurer des masses fantastiquement minuscules. Les modèles haut de gamme utilisent une combinaison ingénieuse d'isolation mécanique, d'isolation thermique et d'électronique pour produire des mesures répétables jusqu'à un dixième de millionième de gramme. Avec leurs boîtiers en verre élaborés et leurs fixations en plaqué or poli, ces balances ressemblent davantage à des œuvres d'art qu'à des instruments scientifiques. Les nouveaux modèles peuvent coûter plus de 10 000 dollars et nécessitent souvent le doigté d'un maître pour extraire des données fiables du bruit de fond.

Malgré leur coût et leur complexité apparente, ces appareils sont en fait très simples. Un type courant utilise une bobine magnétique pour fournir un couple qui équilibre délicatement un spécimen à l'extrémité d'un bras de levier. L'augmentation du courant électrique dans la bobine accroît le couple. Le courant nécessaire pour compenser le poids de l'échantillon est donc une mesure directe de sa masse. Les bobines des balances commerciales reposent sur des pivots en saphir bleu poli. Les saphirs sont utilisés parce que leur extrême dureté (seuls les diamants sont plus durs) empêche les pivots de s'user. Des dispositifs de détection et des circuits sophistiqués contrôlent le courant dans la bobine, ce qui explique le prix élevé des balances microgrammes.

C'est une bonne nouvelle pour les amateurs. Si vous êtes prêt à remplacer les capteurs par vos yeux et les circuits de commande par vos mains, vous pouvez fabriquer une balance électrique délicate pour moins de 30 dollars.

George Schmermund, de Vista, en Californie, m'a clairement expliqué ce fait. Depuis plus de 20 ans, M. Schmermund dirige une petite entreprise appelée Science Resources, qui achète, répare et personnalise du matériel scientifique. Bien qu'il soit un professionnel austère pour ses clients, je le connais comme un esprit libre qui passe du temps dans le monde des affaires uniquement pour gagner assez d'argent pour s'adonner à sa véritable passion : la science amateur.

Schmermund possède déjà quatre balances à microgrammes commerciales très coûteuses. Mais dans l'intérêt de la science amateur, il a décidé de voir s'il pouvait faire mieux à moindre coût. Son ingénieux stratagème a consisté à combiner une planche à fromage et un vieux galvanomètre, un appareil qui mesure le courant. Il en est résulté une balance électrique capable de déterminer des poids allant d'environ 10 microgrammes à 500 000 microgrammes (0,5 gramme).

La précision des mesures est impressionnante. J'ai personnellement confirmé que sa conception peut mesurer à 1 % des masses supérieures à un milligramme. En outre, il peut distinguer des masses de l'ordre de 100 microgrammes dont la différence n'est que de deux microgrammes. Et les calculs suggèrent que l'instrument peut mesurer des masses individuelles aussi faibles que 10 microgrammes (je n'avais pas de poids aussi petit à tester).

Le composant essentiel, le galvanomètre, est facile à trouver. Ces appareils sont la pièce maîtresse de la plupart des anciens compteurs électriques analogiques, ceux qui utilisent une aiguille montée sur une bobine. Le courant qui traverse la bobine crée un champ magnétique qui fait dévier l'aiguille. La conception de Schmermund prévoit que l'aiguille, montée dans le plan vertical, fasse office de bras de levier : les échantillons sont suspendus à la pointe de l'aiguille.

Les magasins de surplus électroniques disposent probablement de plusieurs galvanomètres analogiques. Une bonne façon de juger de la qualité du galvanomètre est de le secouer légèrement d'un côté à l'autre. Si l'aiguille reste en place, vous tenez une bobine appropriée. Au-delà de ce test, un étrange sens de l'esthétique me guide dans le choix d'un bon galvanomètre. Il est frustrant de constater qu'il est difficile de décrire ce sens, mais si j'ai envie de dire "Voilà un beau compteur" en le regardant, je l'achète. Ce flou esthétique présente un avantage pratique. Les compteurs finement fabriqués et conçus avec soin contiennent généralement des bobines exquises qui sont tout aussi bonnes que les bobines utilisées dans les balances électriques de qualité, avec des roulements en saphir et tout le reste.Pour construire la balance, libérez doucement la bobine du boîtier du compteur, en prenant soin de ne pas endommager l'aiguille. Montez la bobine sur une feuille d'aluminium [voir l'illustration ci-contre]. Si vous ne pouvez pas utiliser de feuille d'aluminium, montez la bobine à l'intérieur d'une boîte à projets en plastique. Pour isoler la balance des courants d'air, fixez l'ensemble dans un plateau à fromage recouvert de verre, la feuille d'aluminium se tenant debout de manière à ce que l'aiguille se déplace de haut en bas. Les deux fils de garde lourds cannibalisés à partir du compteur sont montés sur le support en aluminium pour limiter l'amplitude du mouvement de l'aiguille.

Fixez à l'époxy un petit boulon sur le support en aluminium, juste derrière la pointe de l'aiguille. L'aiguille doit passer juste devant le boulon sans le toucher. Recouvrez le boulon d'un petit morceau de papier de construction, puis tracez une fine ligne horizontale au centre du papier. Cette ligne définit la position zéro de la balance.

Le plateau d'échantillons suspendu à l'aiguille n'est qu'un petit cadre fabriqué à la maison en pliant du fil de fer non isolé. Le diamètre exact du fil n'est pas essentiel, mais il doit être fin : un fil de calibre 28 convient parfaitement. Un petit cercle de papier d'aluminium repose à la base du cadre métallique et sert de plateau. Pour éviter toute contamination par les huiles corporelles, ne touchez jamais le plateau (ou l'échantillon) avec vos doigts ; utilisez plutôt une pince à épiler.

Pour alimenter la bobine du galvanomètre, vous aurez besoin d'un circuit fournissant une tension stable de cinq volts [voir le schéma ci-dessous]. Ne remplacez pas les piles par un adaptateur CA/CC, sauf si vous êtes prêt à ajouter des filtres capables de supprimer les fluctuations de tension à basse fréquence, qui peuvent s'infiltrer dans le système à partir de l'adaptateur. Des fluctuations aussi minimes que 0,1 millivolt réduiront fortement votre capacité à résoudre les poids les plus faibles.

L'appareil utilise deux résistances variables (également appelées potentiomètres ou rhéostats) de précision, de 100 kilohms, à 10 tours, la première pour ajuster la tension à travers la bobine et la seconde pour fournir une référence zéro. Un condensateur de 20 microfarads protège la bobine contre toute secousse dans la réponse des résistances et facilite les ajustements délicats de la position de l'aiguille. Pour mesurer la tension aux bornes de la bobine, vous aurez besoin d'un voltmètre numérique d'une précision de 0,1 millivolt. Radio Shack vend des versions portables pour moins de 80 dollars. Avec une alimentation de cinq volts, la balance de Schmermund peut soulever 150 milligrammes. Pour des poids plus importants, remplacez la puce de régulation de tension de type 7805 par une puce 7812. Elle produira une tension stable de 12 volts et soulèvera des objets pesant près d'un demi-gramme.

Pour étalonner la balance, vous aurez besoin d'un ensemble de poids en microgrammes connus. Un seul poids calibré de haute précision entre 1 et 100 microgrammes coûte généralement 75 dollars, et vous en aurez besoin d'au moins deux. Il existe cependant un moyen moins onéreux. La Society for Amateur Scientists met à disposition pour 10 $ des jeux de deux poids calibrés en microgrammes adaptés à ce projet. Notez que ces deux poids vous permettent d'étalonner votre balance avec quatre masses connues : zéro, poids un, poids deux et la somme des deux poids.

Pour effectuer une mesure, commencez par vider le plateau de la balance. Couvrez l'appareil avec le boîtier en verre. Réduisez le courant électrique en réglant la première résistance à sa valeur la plus élevée. Réglez ensuite la deuxième résistance jusqu'à ce que la tension soit aussi proche de zéro que possible. Notez cette tension et ne touchez plus à cette résistance jusqu'à ce que vous ayez terminé votre série de mesures. Augmentez maintenant la première résistance jusqu'à ce que l'aiguille descende jusqu'à la butée inférieure, puis revenez en arrière de manière à ce que l'aiguille revienne au point zéro. Notez à nouveau la tension relevée. Utilisez la moyenne des trois mesures de tension pour définir le point zéro de l'échelle.

Ensuite, augmentez la résistance jusqu'à ce que l'aiguille s'appuie sur le support de fil inférieur. Placez un poids dans le plateau et réduisez la résistance jusqu'à ce que l'armature masque à nouveau la ligne. Enregistrez la tension. Répétez la mesure trois fois et prenez la moyenne. La différence entre ces deux tensions moyennes est une mesure directe du poids de l'échantillon.

Une fois que vous avez mesuré les poids étalonnés, tracez la masse soulevée en fonction de la tension appliquée. Les données doivent se situer sur une ligne droite. La masse correspondant à une tension intermédiaire peut alors être lue directement sur la courbe.

La balance de Schmermund est extrêmement linéaire au-delà de 10 milligrammes. La pente de la ligne d'étalonnage ne diminue que de 4 % à 500 microgrammes, le plus petit poids étalonné dont nous disposions. Néanmoins, je vous conseille vivement de calibrer votre balance chaque fois que vous l'utilisez et de toujours comparer vos échantillons directement avec vos poids calibrés.

 

[fidelis]

lien ici, même type, même magazine, mais publié 4 ans plus tard


Je vis pour les vendredis. C'est parce que je passe généralement cette journée à faire de la randonnée dans les badlands de San Diego avec une assemblée éclectique d'iconoclastes, dont plusieurs technologues brillants et certains de mes amis les plus chers. Nous sommes liés par notre amour de l'instrumentation et notre passion commune pour le développement de solutions peu coûteuses à divers défis expérimentaux. Cet intérêt commun donne lieu à des rivalités amicales, dont les résultats alimentent souvent cette rubrique.

Prenons par exemple le problème de la mesure de masses extrêmement minuscules. George Schmermund a mis au point une approche fantastique, que j'ai décrite dans ces pages en juin 1996. George a extrait la bobine et l'armature d'un galvanomètre mis au rebut et les a montées à la verticale, de sorte que l'aiguille du compteur se déplace dans un plan vertical. Il a ensuite connecté la bobine à une tension variable et l'a ajustée jusqu'à ce que l'aiguille soit exactement horizontale. Une minuscule masse de poids connu placée à l'extrémité de l'aiguille l'a tirée vers le bas. George a ensuite augmenté la tension jusqu'à ce que le bras revienne à sa position initiale. Étant donné qu'une masse plus lourde nécessite une augmentation proportionnellement plus importante de la tension pour l'équilibrer, le changement de tension indique le poids de l'échantillon. La balance électrique de George était capable de peser des masses aussi petites que 10 microgrammes (c'est-à-dire 10 millionièmes de gramme).

Cette prouesse était déjà assez stupéfiante pour moi, mais récemment, l'organisateur de nos sorties hebdomadaires, Greg Schmidt, s'est rendu compte que même cette performance étonnante pouvait être améliorée. La conception de Greg élimine la nécessité d'ajuster l'aiguille manuellement : la balance se met automatiquement à zéro (ou "tare") et à niveau, et elle peut suivre en continu les variations de masse d'un objet - la vitesse à laquelle une simple fourmi perd de l'eau par respiration, par exemple. Le résultat est une balance électrique extrêmement polyvalente, d'une sensibilité de l'ordre du microgramme, qui peut être fabriquée pour moins de 100 dollars.

Voici comment cela fonctionne. Greg a repris la conception de base de George et y a ajouté un microcontrôleur bon marché (un petit ordinateur dont l'unité centrale de traitement et la mémoire se trouvent sur une seule puce), en lui donnant l'ordre d'envoyer 2 000 impulsions de courant faible à travers la bobine chaque seconde. L'inertie de l'armature et de l'aiguille les empêche de répondre à chaque impulsion courte, de sorte que la déviation reflète le courant moyen dans la bobine. Les impulsions individuelles semblent toutefois suffisamment importantes pour faire vibrer les roulements du galvanomètre de Greg. Il pense que cette légère oscillation réduit la "rigidité", c'est-à-dire la tendance d'un roulement à se bloquer lorsqu'il n'est pas en mouvement. Cet effet semble expliquer pourquoi un appareil de mesure bon marché comme le sien peut réagir à la traction de masses aussi minuscules.

LECÂBLAGE ÉLECTRONIQUE requis pour le projet est minimal car le micro-ordinateur utilisé se trouve sur une carte autonome. Seuls deux transistors, une résistance et une diode doivent être branchés, en plus du capteur optique intégré (qui contient un phototransistor et une diode électroluminescente). Bien que les performances du circuit "miroir de courant" soient supérieures si ses deux transistors se trouvent sur la même puce de silicium, des transistors NPN séparés peuvent être utilisés si leurs boîtiers sont attachés (comme illustré ci-dessus) de manière à ce qu'ils restent tous deux exactement à la même température.

Greg n'a pas conçu son circuit pour réduire le frottement. Cette caractéristique s'est avérée être un avantage imprévu de l'utilisation de la "modulation de largeur d'impulsion" pour contrôler le courant moyen envoyé à travers la bobine. Avec ce système, le temps entre les impulsions successives reste le même, mais le microcontrôleur fait varier le rapport cyclique, c'est-à-dire la fraction du cycle pendant laquelle le courant reste actif. Les trains d'impulsions à cycle court n'alimentent la bobine que pendant une infime partie du temps total et ne peuvent donc soulever que les plus petits poids, tandis que les trains d'impulsions à cycle plus long peuvent soulever des charges plus lourdes. Le microprocesseur de Greg peut générer 1 024 valeurs différentes pour le cycle de travail. Ce nombre définit la plage dynamique de la balance. Si le courant maximal est réglé de manière à ce que l'appareil puisse soulever jusqu'à un milligramme, par exemple, la plus petite masse détectable sera d'environ un microgramme.

Une telle sensibilité est assez impressionnante. Pourtant, le micro-ordinateur qui dirige l'appareil n'a pas besoin d'être spécial. En effet, il existe une gamme de choix étourdissante. Mais si vous n'avez aucune idée de la manière de sélectionner et de programmer un microprocesseur, ne vous inquiétez pas : Greg a conçu son instrument en pensant aux novices. Il a utilisé le kit d'évaluation Atmel AT 89/90 Series flash Microcontroller, qui comprend un micro-ordinateur entièrement fonctionnel et extrêmement polyvalent, qui se connecte directement à un ordinateur personnel. Ce kit (modèle STK-200) comprend tout ce dont vous avez besoin pour démarrer et coûte moins de 50 dollars (voir Amtel Corporation pour une liste de fournisseurs).

Malheureusement pour les utilisateurs de Macintosh, ce système ne supporte que les compatibles IBM. Quoi qu'il en soit, vous n'avez pas besoin de tout programmer à partir de zéro, car Greg a développé tous les logiciels nécessaires au fonctionnement de l'appareil, y compris les instructions qui affichent le poids en temps réel sur un petit écran à cristaux liquides (numéro de catalogue 73-1058-ND de Digi-Key ; 800-344-4539). Vous pouvez télécharger gratuitement son code sur le site web de la Society for Amateur Scientists.

Comme pour la conception originale de George, presque n'importe quel galvanomètre récupéré dans une poubelle de surplus fonctionnera. Il suffit de s'assurer qu'il mesure de faibles courants et que son aiguille a tendance à rester en place lorsque l'appareil est secoué rapidement d'un côté à l'autre. Alors que le prototype de George exigeait que l'opérateur regarde l'aiguille, l'électrobalance de Greg détecte la position de l'aiguille électroniquement à l'aide d'un phototransistor et d'une diode électroluminescente, que vous pouvez également acheter chez Digi-Key (le numéro de catalogue QVA11334QT-ND comprend une seule unité). Percez un petit morceau de feuille d'aluminium avec une épingle et centrez le trou sur le phototransistor, comme indiqué à la page 90. La feuille recouvrant la majeure partie du phototransistor, le signal passera très rapidement de l'état allumé à l'état éteint lorsque l'aiguille interrompra la lumière de la diode. Fixez un morceau de balsa comme indiqué pour arrêter l'aiguille exactement à ce point.

Si le courant est trop faible dans la bobine, l'aiguille repose sur le morceau de balsa inférieur et bloque la lumière. Si le courant est trop élevé, l'aiguille sort complètement du trajet de la lumière. Le logiciel de Greg utilise un algorithme sophistiqué pour maintenir l'aiguille en équilibre entre ces deux états. Une fois l'appareil correctement calibré et taré, cette largeur d'impulsion reflète la masse de l'échantillon.

L'ENREGISTREMENT CONTINU de l'évolution du poids d'une longueur d'un centimètre de fil humidifié démontre la polyvalence de cet instrument peu coûteux.

Le circuit de contrôle qui permet d'accomplir toute cette magie est illustré ci-dessus. Vous devrez ajuster la valeur de R1 pour régler le courant maximum à un niveau que votre appareil de mesure peut supporter. Le courant à pleine échelle peut être indiqué sur le compteur. Sinon, utilisez une résistance variable, une pile de neuf volts et un ampèremètre pour le mesurer. Comme le galvanomètre de Greg plafonnait à cinq milliampères, il a programmé le microcontrôleur pour créer un courant de cinq milliampères en envoyant une impulsion de cinq volts à travers une résistance d'un kilohm.

Ce courant n'est cependant pas dirigé à travers la bobine. Il traverse plutôt un circuit appelé miroir de courant, qui force un courant identique à passer dans la bobine. Cette astuce améliore considérablement la stabilité à long terme de la balance. Pourquoi ? La résistance de la bobine dépend de sa température, qui augmente chaque fois que de l'énergie électrique est dissipée à l'intérieur. Mais le circuit miroir maintient le courant constant quelle que soit la température de la bobine.

Bien entendu, la résistance de R1 varie elle-même quelque peu en fonction de la température, ce qui peut entraîner une dérive de l'étalonnage. Vous devez donc utiliser un composant ayant un faible coefficient de température. Une résistance à couche métallique ayant une tolérance de 1 %, par exemple, ne varie généralement que de 50 parties par million pour chaque degré Celsius. Vous devrez également maintenir les deux transistors du miroir de courant à la même température pour éviter que le circuit ne dérive. Il est préférable d'utiliser un jeu de transistors appariés sur une seule puce de silicium, comme le CA3086 (48 cents chez Circuit Specialists ; 800-528-1417). Sinon, il faut câbler deux transistors de commutation NPN identiques, dont les boîtiers se touchent, comme illustré ci-dessus.

Le graphique ci-contre illustre parfaitement la sensibilité de l'appareil. Greg a trempé un centimètre de fil fin dans de l'eau. Il a ensuite surveillé son poids pendant que l'eau s'évaporait lentement. Remarquable.