Shawn Carlson által (Scientific American, 1996. június), de egy vespiary linkről vettem. azonban a válaszokban fel fogok tenni egy frissített változatot!!! ^_^
A mikrogrammmérlegek olyan okos eszközök, amelyek fantasztikusan apró tömegek mérésére képesek. A csúcsmodellek a mechanikai szigetelés, a hőszigetelés és az elektronikus varázslatok zseniális kombinációját alkalmazzák, hogy megismételhető méréseket végezzenek az egy gramm milliomod részének tizedrészéig. Kidolgozott üvegburkolatukkal és csiszolt, aranyozott szerelvényeikkel ezek a mérlegek inkább műalkotásoknak, mint tudományos műszereknek tűnnek. Az új modellek ára meghaladhatja a 10 000 dollárt, és gyakran mesterfogást igényel, hogy a háttérzajból megbízható adatokat csalogassanak ki.
De minden költségük és külső bonyolultságuk ellenére ezek a készülékek lényegében nagyon egyszerűek. Az egyik gyakori típus egy mágneses tekercset használ, amely egy kar végén lévő mintát finoman egyensúlyba hoz egy nyomatékkal. A tekercsben folyó elektromos áram növelésével nő a nyomaték. A minta súlyának ellensúlyozásához szükséges áram tehát a minta tömegének közvetlen mérőszáma. A kereskedelmi mérlegek tekercsei csiszolt kék zafírból készült forgókarokon mozognak. A zafírokat azért használják, mert rendkívüli keménységük (csak a gyémánt keményebb) megakadályozza a csapok kopását. A tekercsben folyó áramot bonyolult érzékelő eszközök és áramkörök szabályozzák - ezért olyan drágák a mikrogrammos elektromérlegek.
És ez jó hír az amatőröknek. Ha hajlandó a szemét az érzékelőkkel és a kezét a vezérlőáramkörökkel helyettesíteni, akkor 30 dollárnál kevesebbért is megépíthet egy finom elektromérleg.
George Schmermund a kaliforniai Vistából világossá tette számomra ezt a tényt. Schmermund több mint 20 éve vezeti a Science Resources nevű kis céget, amely tudományos berendezéseket vásárol, javít és testre szab. Bár ügyfelei számára szigorú szakembernek tűnhet, én úgy ismerem, hogy meglehetősen szabad szellem, aki csak azért tölti idejét az üzleti életben, hogy elég pénzt keressen ahhoz, hogy hódolhasson igazi szenvedélyének - az amatőr tudománynak.
Schmermundnak már négy drága, kereskedelmi forgalomban kapható mikrogrammmérleg van a tulajdonában. De az amatőr tudomány előmozdítása érdekében úgy döntött, hogy megnézi, milyen jól megy neki olcsón. Zseniális trükkje az volt, hogy egy sajtdeszkát és egy régi galvanométert, egy áramot mérő készüléket kombinált. Az eredmény egy olyan elektromérleg lett, amely körülbelül 10 mikrogrammtól egészen 500 000 mikrogrammig (0,5 gramm) képes a súlyok meghatározására.
A mérések pontossága egészen lenyűgöző. Személyesen is megerősítettem, hogy az általa tervezett szerkezet 1 százalékos pontossággal képes mérni az egy milligrammot meghaladó tömegeket. Sőt, a 100 mikrogrammos tartományban akár két mikrogrammnyi különbségű tömegeket is meg tud különböztetni. A számítások pedig arra utalnak, hogy a műszer akár 10 mikrogrammnyi egyedi tömegeket is képes mérni (ilyen kicsi súlyt nem tudtam tesztelni).
A döntő fontosságú alkatrész, a galvanométer könnyen beszerezhető. Ezek az eszközök a legtöbb régi analóg elektromos mérőműszer központi elemei, olyanoké, amelyek egy tekercsre szerelt tűt használnak. A tekercsen átfolyó áram mágneses mezőt hoz létre, amely eltéríti a tűt. Schmermund tervezése szerint a függőleges síkban elhelyezett tű a kar szerepét tölti be: a minták a tű hegyéről lógnak le.
Az elektronikai feleslegek boltjaiban valószínűleg több analóg galvanométer is megtalálható. A minőség megítélésének jó módja, ha a mérőt óvatosan ide-oda rázzuk. Ha a tű a helyén marad, akkor megfelelő tekercset tartunk a kezünkben. Ezen a teszten túl egy furcsa esztétikai érzék vezérel a jó mérő kiválasztásában. Elkeserítően nehéz leírni ezt az érzéket, de ha azt mondom, hogy "Ez egy gyönyörű mérőműszer!", amikor megnézem, akkor megveszem. Ennek az esztétikai homályosságnak gyakorlati haszna is van. A finoman megmunkált és gondosan megtervezett mérőműszerek általában olyan kiváló tekercseket tartalmaznak, amelyek mindenben olyan jók, mint a finom elektromérlegekben használt tekercsek, zafírcsapágyakkal és mindennel együtt. a mérleg felépítéséhez óvatosan szabadítsa ki a tekercset a mérőházból, ügyelve arra, hogy a tűt ne sértse meg. Szerelje fel a tekercset egy alumíniumlapra [lásd az ábrát a túloldalon]. Ha nem tud alumíniumlemezt használni, szerelje a tekercset egy műanyag projektdoboz belsejébe. A mérleg légáramlástól való elszigetelése érdekében rögzítse az egész szerelvényt egy üveggel borított sajttáblába, úgy, hogy az alumíniumlap függőlegesen álljon, hogy a tű fel-le mozogjon. A mérőből kannibalizált két nehéz védőhuzal az alumínium tartóra van szerelve, hogy korlátozza a tű mozgástartományát.
Az alumíniumtartóhoz, közvetlenül a tű hegye mögött, egy kis csavart epoxival rögzítsünk. A tűnek éppen a csavar előtt kell kereszteznie a tűt anélkül, hogy hozzáérne. Fedje le a csavart egy kis darab építőpapírral, majd rajzoljon egy vékony vízszintes vonalat a papír közepére. Ez a vonal határozza meg a skála nulla helyzetét.
A tűről lelógó mintatálca csupán egy kis keret, amelyet nem szigetelt drót meghajlításával házilag készítettünk. A drót pontos átmérője nem kritikus, de legyen vékony: a 28-as drót jól működik. A drótkeret alján egy apró kör alakú alumíniumfólia található, amely a tálca tálcájaként szolgál. A testolajokkal való szennyeződés elkerülése érdekében soha ne érintse meg a tálcát (vagy a mintát) az ujjaival; inkább mindig használjon csipeszt.
A galvanométer-tekercs feszültség alá helyezéséhez olyan áramkörre lesz szüksége, amely stabil öt voltot szolgáltat [lásd az alábbi áramköri rajzot]. Ne helyettesítse AC-DC adapterrel az elemeket, hacsak nem hajlandó olyan szűrőket hozzáadni, amelyek képesek elnyomni az alacsony frekvenciájú feszültségingadozásokat, amelyek az adapterből szivároghatnak a rendszerbe. Az akár 0,1 millivoltnyi ingadozás erősen csökkenti a legkisebb súlyok felbontásának képességét.
A készülék két precíziós, 100 kilohmos, 10 fordulatos, változtatható ellenállást (más néven potenciométert vagy reosztátot) használ - az első a tekercsen átmenő feszültség beállítására, a második pedig a nulla referencia biztosítására szolgál. Egy 20 mikrofarádos kondenzátor puffereli a tekercset az ellenállások reakciójának rángása ellen, és segít a tű helyzetének finom beállításában. A tekercsen mért feszültség méréséhez egy digitális feszültségmérőre van szükség, amely 0,1 millivoltig leolvasható. A Radio Shack kevesebb mint 80 dollárért árul kézi változatokat. Ötvoltos tápegységgel a Schmermund mérlege 150 milligrammot képes felemelni. Nagyobb súlyok esetén a 7805-ös típusú feszültségszabályozó chipet 7812-es chipre kell cserélni. Ez stabil 12 voltot fog termelni, és közel fél gramm súlyú tárgyakat fog megemelni.
A mérleg kalibrálásához szüksége lesz egy sor ismert mikrogrammos súlyra. Egyetlen nagy pontosságú, egy és 100 mikrogramm közötti kalibrált súly általában 75 dollárba kerül, és legalább kettőre lesz szüksége. Van azonban egy olcsóbb megoldás is. A Society for Amateur Scientists 10 dollárért két, ehhez a projekthez alkalmas, kalibrált mikrogrammos súlyokból álló készletet bocsát rendelkezésre. Vegyük észre, hogy ez a két súly lehetővé teszi, hogy a mérlegünket négy ismert tömeggel kalibráljuk: a nullával, az egyes tömeggel, a kettes tömeggel és a két tömeg összegével.
A mérés elvégzéséhez kezdje üres mérlegelőtállal. Fedje le a készüléket az üvegburkolattal. Fojtja le az elektromos áramot az első ellenállás legnagyobb értékre állításával. Ezután állítsa be a második ellenállást, amíg a feszültség a lehető legközelebb nem lesz a nullához. Írja le ezt a feszültséget, és ne nyúljon többé ehhez az ellenálláshoz, amíg be nem fejezte a teljes mérési sorozatot. Most tekerje feljebb az első ellenállást, amíg a tű le nem süllyed az alsó megállóig, majd fordítsa vissza, hogy a tű visszatérjen a nulla jelhez. Jegyezze fel ismét a feszültségértéket. A skála nullpontjának meghatározásához használja a három feszültségmérés átlagát.
Ezután növelje az ellenállást, amíg a tű meg nem áll az alsó vezetéktartón. Helyezzen egy súlyt a tálcába, és csökkentse az ellenállást, amíg az armatúra ismét eltakarja a vonalat. Jegyezze fel a feszültséget. Ismételje meg a mérést háromszor, és vegye fel az átlagot. A két átlagos feszültség közötti különbség a minta súlyának közvetlen mérőszáma.
Miután megmérte a kalibrált súlyokat, ábrázolja a felemelt tömeget az alkalmazott feszültséggel szemben. Az adatoknak egy egyenes vonalra kell esniük. Ezután bármely közbenső feszültségnek megfelelő tömeg egyenesen leolvasható a görbéről.
A Schmermund mérleg 10 milligramm felett rendkívül lineáris. A kalibrációs egyenes meredeksége mindössze 4 százalékkal csökkent 500 mikrogrammnál, a rendelkezésünkre álló legkisebb kalibrált tömegnél. Ennek ellenére erősen javaslom, hogy minden alkalommal, amikor használja a mérlegét, kalibrálja azt, és mindig hasonlítsa össze a mintákat közvetlenül a kalibrált súlyokkal.
A mikrogrammmérlegek olyan okos eszközök, amelyek fantasztikusan apró tömegek mérésére képesek. A csúcsmodellek a mechanikai szigetelés, a hőszigetelés és az elektronikus varázslatok zseniális kombinációját alkalmazzák, hogy megismételhető méréseket végezzenek az egy gramm milliomod részének tizedrészéig. Kidolgozott üvegburkolatukkal és csiszolt, aranyozott szerelvényeikkel ezek a mérlegek inkább műalkotásoknak, mint tudományos műszereknek tűnnek. Az új modellek ára meghaladhatja a 10 000 dollárt, és gyakran mesterfogást igényel, hogy a háttérzajból megbízható adatokat csalogassanak ki.
De minden költségük és külső bonyolultságuk ellenére ezek a készülékek lényegében nagyon egyszerűek. Az egyik gyakori típus egy mágneses tekercset használ, amely egy kar végén lévő mintát finoman egyensúlyba hoz egy nyomatékkal. A tekercsben folyó elektromos áram növelésével nő a nyomaték. A minta súlyának ellensúlyozásához szükséges áram tehát a minta tömegének közvetlen mérőszáma. A kereskedelmi mérlegek tekercsei csiszolt kék zafírból készült forgókarokon mozognak. A zafírokat azért használják, mert rendkívüli keménységük (csak a gyémánt keményebb) megakadályozza a csapok kopását. A tekercsben folyó áramot bonyolult érzékelő eszközök és áramkörök szabályozzák - ezért olyan drágák a mikrogrammos elektromérlegek.
És ez jó hír az amatőröknek. Ha hajlandó a szemét az érzékelőkkel és a kezét a vezérlőáramkörökkel helyettesíteni, akkor 30 dollárnál kevesebbért is megépíthet egy finom elektromérleg.
George Schmermund a kaliforniai Vistából világossá tette számomra ezt a tényt. Schmermund több mint 20 éve vezeti a Science Resources nevű kis céget, amely tudományos berendezéseket vásárol, javít és testre szab. Bár ügyfelei számára szigorú szakembernek tűnhet, én úgy ismerem, hogy meglehetősen szabad szellem, aki csak azért tölti idejét az üzleti életben, hogy elég pénzt keressen ahhoz, hogy hódolhasson igazi szenvedélyének - az amatőr tudománynak.
Schmermundnak már négy drága, kereskedelmi forgalomban kapható mikrogrammmérleg van a tulajdonában. De az amatőr tudomány előmozdítása érdekében úgy döntött, hogy megnézi, milyen jól megy neki olcsón. Zseniális trükkje az volt, hogy egy sajtdeszkát és egy régi galvanométert, egy áramot mérő készüléket kombinált. Az eredmény egy olyan elektromérleg lett, amely körülbelül 10 mikrogrammtól egészen 500 000 mikrogrammig (0,5 gramm) képes a súlyok meghatározására.
A mérések pontossága egészen lenyűgöző. Személyesen is megerősítettem, hogy az általa tervezett szerkezet 1 százalékos pontossággal képes mérni az egy milligrammot meghaladó tömegeket. Sőt, a 100 mikrogrammos tartományban akár két mikrogrammnyi különbségű tömegeket is meg tud különböztetni. A számítások pedig arra utalnak, hogy a műszer akár 10 mikrogrammnyi egyedi tömegeket is képes mérni (ilyen kicsi súlyt nem tudtam tesztelni).
A döntő fontosságú alkatrész, a galvanométer könnyen beszerezhető. Ezek az eszközök a legtöbb régi analóg elektromos mérőműszer központi elemei, olyanoké, amelyek egy tekercsre szerelt tűt használnak. A tekercsen átfolyó áram mágneses mezőt hoz létre, amely eltéríti a tűt. Schmermund tervezése szerint a függőleges síkban elhelyezett tű a kar szerepét tölti be: a minták a tű hegyéről lógnak le.
Az elektronikai feleslegek boltjaiban valószínűleg több analóg galvanométer is megtalálható. A minőség megítélésének jó módja, ha a mérőt óvatosan ide-oda rázzuk. Ha a tű a helyén marad, akkor megfelelő tekercset tartunk a kezünkben. Ezen a teszten túl egy furcsa esztétikai érzék vezérel a jó mérő kiválasztásában. Elkeserítően nehéz leírni ezt az érzéket, de ha azt mondom, hogy "Ez egy gyönyörű mérőműszer!", amikor megnézem, akkor megveszem. Ennek az esztétikai homályosságnak gyakorlati haszna is van. A finoman megmunkált és gondosan megtervezett mérőműszerek általában olyan kiváló tekercseket tartalmaznak, amelyek mindenben olyan jók, mint a finom elektromérlegekben használt tekercsek, zafírcsapágyakkal és mindennel együtt. a mérleg felépítéséhez óvatosan szabadítsa ki a tekercset a mérőházból, ügyelve arra, hogy a tűt ne sértse meg. Szerelje fel a tekercset egy alumíniumlapra [lásd az ábrát a túloldalon]. Ha nem tud alumíniumlemezt használni, szerelje a tekercset egy műanyag projektdoboz belsejébe. A mérleg légáramlástól való elszigetelése érdekében rögzítse az egész szerelvényt egy üveggel borított sajttáblába, úgy, hogy az alumíniumlap függőlegesen álljon, hogy a tű fel-le mozogjon. A mérőből kannibalizált két nehéz védőhuzal az alumínium tartóra van szerelve, hogy korlátozza a tű mozgástartományát.
Az alumíniumtartóhoz, közvetlenül a tű hegye mögött, egy kis csavart epoxival rögzítsünk. A tűnek éppen a csavar előtt kell kereszteznie a tűt anélkül, hogy hozzáérne. Fedje le a csavart egy kis darab építőpapírral, majd rajzoljon egy vékony vízszintes vonalat a papír közepére. Ez a vonal határozza meg a skála nulla helyzetét.
A tűről lelógó mintatálca csupán egy kis keret, amelyet nem szigetelt drót meghajlításával házilag készítettünk. A drót pontos átmérője nem kritikus, de legyen vékony: a 28-as drót jól működik. A drótkeret alján egy apró kör alakú alumíniumfólia található, amely a tálca tálcájaként szolgál. A testolajokkal való szennyeződés elkerülése érdekében soha ne érintse meg a tálcát (vagy a mintát) az ujjaival; inkább mindig használjon csipeszt.
A galvanométer-tekercs feszültség alá helyezéséhez olyan áramkörre lesz szüksége, amely stabil öt voltot szolgáltat [lásd az alábbi áramköri rajzot]. Ne helyettesítse AC-DC adapterrel az elemeket, hacsak nem hajlandó olyan szűrőket hozzáadni, amelyek képesek elnyomni az alacsony frekvenciájú feszültségingadozásokat, amelyek az adapterből szivároghatnak a rendszerbe. Az akár 0,1 millivoltnyi ingadozás erősen csökkenti a legkisebb súlyok felbontásának képességét.
A készülék két precíziós, 100 kilohmos, 10 fordulatos, változtatható ellenállást (más néven potenciométert vagy reosztátot) használ - az első a tekercsen átmenő feszültség beállítására, a második pedig a nulla referencia biztosítására szolgál. Egy 20 mikrofarádos kondenzátor puffereli a tekercset az ellenállások reakciójának rángása ellen, és segít a tű helyzetének finom beállításában. A tekercsen mért feszültség méréséhez egy digitális feszültségmérőre van szükség, amely 0,1 millivoltig leolvasható. A Radio Shack kevesebb mint 80 dollárért árul kézi változatokat. Ötvoltos tápegységgel a Schmermund mérlege 150 milligrammot képes felemelni. Nagyobb súlyok esetén a 7805-ös típusú feszültségszabályozó chipet 7812-es chipre kell cserélni. Ez stabil 12 voltot fog termelni, és közel fél gramm súlyú tárgyakat fog megemelni.
A mérleg kalibrálásához szüksége lesz egy sor ismert mikrogrammos súlyra. Egyetlen nagy pontosságú, egy és 100 mikrogramm közötti kalibrált súly általában 75 dollárba kerül, és legalább kettőre lesz szüksége. Van azonban egy olcsóbb megoldás is. A Society for Amateur Scientists 10 dollárért két, ehhez a projekthez alkalmas, kalibrált mikrogrammos súlyokból álló készletet bocsát rendelkezésre. Vegyük észre, hogy ez a két súly lehetővé teszi, hogy a mérlegünket négy ismert tömeggel kalibráljuk: a nullával, az egyes tömeggel, a kettes tömeggel és a két tömeg összegével.
A mérés elvégzéséhez kezdje üres mérlegelőtállal. Fedje le a készüléket az üvegburkolattal. Fojtja le az elektromos áramot az első ellenállás legnagyobb értékre állításával. Ezután állítsa be a második ellenállást, amíg a feszültség a lehető legközelebb nem lesz a nullához. Írja le ezt a feszültséget, és ne nyúljon többé ehhez az ellenálláshoz, amíg be nem fejezte a teljes mérési sorozatot. Most tekerje feljebb az első ellenállást, amíg a tű le nem süllyed az alsó megállóig, majd fordítsa vissza, hogy a tű visszatérjen a nulla jelhez. Jegyezze fel ismét a feszültségértéket. A skála nullpontjának meghatározásához használja a három feszültségmérés átlagát.
Ezután növelje az ellenállást, amíg a tű meg nem áll az alsó vezetéktartón. Helyezzen egy súlyt a tálcába, és csökkentse az ellenállást, amíg az armatúra ismét eltakarja a vonalat. Jegyezze fel a feszültséget. Ismételje meg a mérést háromszor, és vegye fel az átlagot. A két átlagos feszültség közötti különbség a minta súlyának közvetlen mérőszáma.
Miután megmérte a kalibrált súlyokat, ábrázolja a felemelt tömeget az alkalmazott feszültséggel szemben. Az adatoknak egy egyenes vonalra kell esniük. Ezután bármely közbenső feszültségnek megfelelő tömeg egyenesen leolvasható a görbéről.
A Schmermund mérleg 10 milligramm felett rendkívül lineáris. A kalibrációs egyenes meredeksége mindössze 4 százalékkal csökkent 500 mikrogrammnál, a rendelkezésünkre álló legkisebb kalibrált tömegnél. Ennek ellenére erősen javaslom, hogy minden alkalommal, amikor használja a mérlegét, kalibrálja azt, és mindig hasonlítsa össze a mintákat közvetlenül a kalibrált súlyokkal.