Shawn Carlson (Scientific American, 1996. gada jūnijs), bet ņemts no vespiary saites. tomēr atbildēs ievietoju atjauninātu versiju!!! ^_^
Mikrogramu svari ir gudras ierīces, ar kurām var izmērīt fantastiski mazas masas. Augstākā līmeņa modeļos tiek izmantota atjautīga mehāniskās izolācijas, siltumizolācijas un elektronisko ierīču kombinācija, lai veiktu atkārtojamus mērījumus līdz pat vienai desmitdaļmiljondaļai no viena grama. Šie svari ar izsmalcinātiem stikla korpusi un pulētiem, apzeltītiem stiprinājumiem vairāk atgādina mākslas darbus nekā zinātniskus instrumentus. Jauni modeļi var maksāt vairāk nekā 10 000 ASV dolāru, un bieži vien ir nepieciešama meistara pieskāriena prasme, lai no fona trokšņiem izvilinātu ticamus datus.
Taču, neraugoties uz to cenu un ārējo sarežģītību, šīs ierīces būtībā ir pavisam vienkāršas. Vienā no izplatītākajiem tipiem izmanto magnētisko spoli, lai nodrošinātu griezes momentu, kas smalki līdzsvaro paraugu sviras sviras gala galā. Palielinot elektrisko strāvu spolē, griezes moments palielinās. Tādējādi strāva, kas vajadzīga, lai kompensētu parauga svaru, ir tieša tā masas mērvienība. Komerciālo svaru spoles atrodas uz pulēta zila safīra šarnīriem. Safīrus izmanto tāpēc, ka to ārkārtīgā cietība (cietāki ir tikai dimanti) neļauj šarnīriem nodilt. Sarežģītas sensoru ierīces un shēmas kontrolē strāvu spolē, tāpēc mikrogramu elektrosvari ir tik dārgi.
Un tā ir laba ziņa amatieriem. Ja esat gatavs aizstāt acis ar sensoriem un rokas ar vadības shēmām, jūs varat uzbūvēt smalku elektrobalansu par mazāk nekā 30 dolāriem.
Džordžs Šmermunds (George Schmermund) no Vistas, Kalifornijas štatā, man to paskaidroja. Jau vairāk nekā 20 gadus Šmermunds vada nelielu uzņēmumu Science Resources, kas iepērk, remontē un pielāgo zinātnisko aprīkojumu. Lai gan klientiem viņš var būt stingrs profesionālis, es viņu pazīstu kā brīvdomātāju, kurš laiku biznesa pasaulē pavada tikai tāpēc, lai varētu nopelnīt pietiekami daudz naudas un ļauties savai patiesajai kaislībai - amatieru zinātnei.
Šmermundam jau pieder četras dārgas komerciālas mikrogramu svariņas. Taču, lai veicinātu amatieru zinātnes attīstību, viņš nolēma pārbaudīt, cik labi viņš var darboties ar lētu svaru. Viņa atjautīgais paņēmiens bija apvienot siera dēlīti un vecu galvanometru - ierīci, ar ko mēra strāvu. Rezultātā radās elektrosvari, ar kurām var noteikt svaru no aptuveni 10 mikrogramiem līdz pat 500 000 mikrogramiem (0,5 gramiem).
Mērījumu precizitāte ir diezgan iespaidīga. Es personīgi pārliecinājos, ka viņa konstrukcija var izmērīt ar precizitāti līdz 1 procentam masu, kas pārsniedz vienu miligramu. Turklāt tā var atšķirt masas 100 mikrogramu diapazonā, kas atšķiras tikai par diviem mikrogramiem. Un aprēķini liecina, ka instruments var izmērīt atsevišķas masas, kas ir tik niecīgas kā 10 mikrogrami (man nebija līdzi tik maza svara, lai to pārbaudītu).
Svarīgākais komponents - galvanometrs - ir viegli pieejams. Šīs ierīces ir lielākās daļas veco analogo elektrības mērītāju centrālais elements, tādu, kuros izmanto adatu, kas piestiprināta pie spoles. Strāva, kas plūst cauri spolei, rada magnētisko lauku, kas novirza adatu. Šmermunda projektā paredzēts, ka vertikālā plaknē uzstādītajai adatai jādarbojas kā sviras rokturim: paraugi karājas no adatas gala.
Elektronikas pārpalikumu veikalos, iespējams, ir pieejami vairāki analogie galvanometri. Labs veids, kā novērtēt kvalitāti, ir viegli pakratīt mērītāju no vienas puses uz otru. Ja adata paliek savā vietā, jūs turat rokās piemērotu spoli. Papildus šim testam, izvēloties labu mērītāju, mani vada dīvaina estētikas izjūta. Šo izjūtu ir apbēdinoši grūti aprakstīt, bet, ja, apskatot skaitītāju, es saku: "Šis ir skaists skaitītājs!", es to nopērku. Šai estētiskajai neskaidrībai ir arī praktisks ieguvums. Smalki darinātos un rūpīgi izstrādātajos mērinstrumentos parasti ir izsmalcinātas spoles, kas ir tikpat labas kā spoles, ko izmanto smalkajos elektrobalansos, ar safīra gultņiem un visu pārējo. lai uzbūvētu svarus, uzmanīgi atbrīvojiet spoles no mērinstrumenta korpusa, uzmanoties, lai nesabojātu adatu. Uzstādiet spoli uz alumīnija atgriezuma [sk. attēlu pretējā lappusē]. Ja nevarat izmantot alumīnija loksni, iemontējiet spoli plastmasas projekta kastē. Lai izolētu balansu no gaisa plūsmām, nostipriniet visu mezglu ar stiklu apvilktā siera plāksnē, alumīnija loksnei stāvot vertikāli, lai adata kustētos uz augšu un uz leju. Divus smagos aizsargtīklus, kas noņemti no skaitītāja, uzmontē uz alumīnija balsta, lai ierobežotu adatas kustības diapazonu.
Pie alumīnija balsta, tieši aiz adatas gala, ar epoksīdu piestiprina nelielu skrūvi. Adatai jāšķērso tieši skrūves priekšā, neskaroties ar to. Noklājiet skrūvi ar nelielu celtniecības papīra gabaliņu, pēc tam novelciet plānu horizontālu līniju pāri papīra centram. Šī līnija nosaka skalas nulles pozīciju.
Parauga paliktnis, kas karājas uz adatas, ir tikai neliels rāmītis, kas izgatavots, saliekot neizolētu stiepli. Precīzs stieples diametrs nav izšķirošs, bet tā nedrīkst būt plāna: labi der 28 collu stieple. Neliels alumīnija folijas riņķis atrodas stiepļu rāmja pamatnē un kalpo kā paplātes paliktnis. Lai izvairītos no piesārņojuma ar ķermeņa eļļām, nekad nepieskarieties paplātītei (vai paraugam) ar pirkstiem; vienmēr izmantojiet pinceti.
Lai galvanometra spolei pievadītu enerģiju, ir vajadzīga ķēde, kas nodrošina stabilu piecu voltu spriegumu [sk. shēmas shēmu zemāk]. Neaizstājiet baterijas ar maiņstrāvas līdzstrāvas adapteri, ja vien neesat gatavs pievienot filtrus, kas slāpē zemas frekvences sprieguma svārstības, kuras var iekļūt sistēmā no adaptera. Tik niecīgas svārstības kā 0,1 milivolts krasi samazinās jūsu spēju noteikt vismazākos svarus.
Ierīcē izmanto divus precīzus, 100 kilomu, 10 apgriezienu mainīgus rezistorus (tos sauc arī par potenciometriem vai reostatiem) - pirmo, lai regulētu spriegumu pāri spolei, un otro, lai nodrošinātu nulles atskaites punktu. 20 mikrofaradu kondensators buferē spole pret jebkādām pretestības koeficientu reakcijas svārstībām un palīdz veikt jebkādas smalkas adatas stāvokļa korekcijas. Lai izmērītu spriegumu uz spoles, ir nepieciešams ciparu voltmetrs, kas nolasa līdz 0,1 milivoltam. Radio Shack pārdod rokas versijas par mazāk nekā 80 dolāriem. Izmantojot piecu voltu barošanas avotu, Šmermunda svari var pacelt 150 miligramus. Lielākiem svariem 7805 tipa sprieguma regulatora mikroshēmu nomainiet pret 7812 mikroshēmu. Tā nodrošinās stabilu 12 voltu spriegumu un pacels gandrīz pusgramu smagus priekšmetus.
Lai kalibrētu svarus, jums būs nepieciešams zināmu mikrogramu svaru komplekts. Viens augstas precizitātes kalibrēts atsvars no viena līdz 100 mikrogramiem parasti maksā 75 dolārus, un jums būs vajadzīgi vismaz divi. Tomēr ir arī lētāks veids. Zinātnieku amatieru biedrība (Society for Amateur Scientists) par 10 ASV dolāriem piedāvā divu šim projektam piemērotu kalibrētu mikrogramu atsvaru komplektus. Ņemiet vērā, ka šie divi atsvari ļauj kalibrēt svarus ar četrām zināmām masām: nulli, pirmo atsvaru, otro atsvaru un abu atsvaru summu.
Lai veiktu mērījumu, sāciet ar tukšu svaru pannu. Aizklājiet ierīci ar stikla apvalku. Dusiniet elektrisko strāvu, iestatot pirmo rezistoru uz augstāko vērtību. Pēc tam noregulējiet otro rezistoru, līdz spriegums ir tik tuvu nullei, cik vien iespējams iestatīt. Pierakstiet šo spriegumu un nepieskarieties šim rezistoram, līdz esat pabeidzis visu mērījumu kopumu. Tagad pagrieziet pirmo rezistoru uz augšu, līdz adata nogrimst līdz apakšējam punktam, pēc tam pagrieziet to atpakaļ, lai adata atgrieztos pie nulles atzīmes. Vēlreiz atzīmējiet sprieguma rādījumu. Lai noteiktu skalas nulles punktu, izmantojiet trīs sprieguma mērījumu vidējo vērtību.
Pēc tam palieliniet pretestību, līdz adata pietuvojas apakšējam stieples balstam. Ievietojiet paplātē atsvaru un samaziniet pretestību, līdz armatūra atkal aizsedz līniju. Reģistrējiet spriegumu. Vēlreiz atkārto mērījumu trīs reizes un iegūst vidējo vērtību. Starpība starp šiem diviem vidējiem spriegumiem ir tieša parauga svara mērvienība.
Kad esat izmērījis kalibrētos svarus, uzzīmējiet pacelto masu pret pielikto spriegumu. Datiem jāiekrīt taisnā līnijā. Tad no līknes var nolasīt masu, kas atbilst jebkuram starpposma spriegumam.
Šmermunda svari ir ļoti lineāri virs 10 miligramiem. Kalibrēšanas līnijas slīpums samazinājās tikai par 4 procentiem pie 500 mikrogramiem, kas ir mazākais pieejamais kalibrētais svars. Neskatoties uz to, es noteikti iesaku kalibrēt svarus katru reizi, kad tos izmantojat, un vienmēr salīdzināt paraugus tieši ar kalibrētajiem svariem.
Mikrogramu svari ir gudras ierīces, ar kurām var izmērīt fantastiski mazas masas. Augstākā līmeņa modeļos tiek izmantota atjautīga mehāniskās izolācijas, siltumizolācijas un elektronisko ierīču kombinācija, lai veiktu atkārtojamus mērījumus līdz pat vienai desmitdaļmiljondaļai no viena grama. Šie svari ar izsmalcinātiem stikla korpusi un pulētiem, apzeltītiem stiprinājumiem vairāk atgādina mākslas darbus nekā zinātniskus instrumentus. Jauni modeļi var maksāt vairāk nekā 10 000 ASV dolāru, un bieži vien ir nepieciešama meistara pieskāriena prasme, lai no fona trokšņiem izvilinātu ticamus datus.
Taču, neraugoties uz to cenu un ārējo sarežģītību, šīs ierīces būtībā ir pavisam vienkāršas. Vienā no izplatītākajiem tipiem izmanto magnētisko spoli, lai nodrošinātu griezes momentu, kas smalki līdzsvaro paraugu sviras sviras gala galā. Palielinot elektrisko strāvu spolē, griezes moments palielinās. Tādējādi strāva, kas vajadzīga, lai kompensētu parauga svaru, ir tieša tā masas mērvienība. Komerciālo svaru spoles atrodas uz pulēta zila safīra šarnīriem. Safīrus izmanto tāpēc, ka to ārkārtīgā cietība (cietāki ir tikai dimanti) neļauj šarnīriem nodilt. Sarežģītas sensoru ierīces un shēmas kontrolē strāvu spolē, tāpēc mikrogramu elektrosvari ir tik dārgi.
Un tā ir laba ziņa amatieriem. Ja esat gatavs aizstāt acis ar sensoriem un rokas ar vadības shēmām, jūs varat uzbūvēt smalku elektrobalansu par mazāk nekā 30 dolāriem.
Džordžs Šmermunds (George Schmermund) no Vistas, Kalifornijas štatā, man to paskaidroja. Jau vairāk nekā 20 gadus Šmermunds vada nelielu uzņēmumu Science Resources, kas iepērk, remontē un pielāgo zinātnisko aprīkojumu. Lai gan klientiem viņš var būt stingrs profesionālis, es viņu pazīstu kā brīvdomātāju, kurš laiku biznesa pasaulē pavada tikai tāpēc, lai varētu nopelnīt pietiekami daudz naudas un ļauties savai patiesajai kaislībai - amatieru zinātnei.
Šmermundam jau pieder četras dārgas komerciālas mikrogramu svariņas. Taču, lai veicinātu amatieru zinātnes attīstību, viņš nolēma pārbaudīt, cik labi viņš var darboties ar lētu svaru. Viņa atjautīgais paņēmiens bija apvienot siera dēlīti un vecu galvanometru - ierīci, ar ko mēra strāvu. Rezultātā radās elektrosvari, ar kurām var noteikt svaru no aptuveni 10 mikrogramiem līdz pat 500 000 mikrogramiem (0,5 gramiem).
Mērījumu precizitāte ir diezgan iespaidīga. Es personīgi pārliecinājos, ka viņa konstrukcija var izmērīt ar precizitāti līdz 1 procentam masu, kas pārsniedz vienu miligramu. Turklāt tā var atšķirt masas 100 mikrogramu diapazonā, kas atšķiras tikai par diviem mikrogramiem. Un aprēķini liecina, ka instruments var izmērīt atsevišķas masas, kas ir tik niecīgas kā 10 mikrogrami (man nebija līdzi tik maza svara, lai to pārbaudītu).
Svarīgākais komponents - galvanometrs - ir viegli pieejams. Šīs ierīces ir lielākās daļas veco analogo elektrības mērītāju centrālais elements, tādu, kuros izmanto adatu, kas piestiprināta pie spoles. Strāva, kas plūst cauri spolei, rada magnētisko lauku, kas novirza adatu. Šmermunda projektā paredzēts, ka vertikālā plaknē uzstādītajai adatai jādarbojas kā sviras rokturim: paraugi karājas no adatas gala.
Elektronikas pārpalikumu veikalos, iespējams, ir pieejami vairāki analogie galvanometri. Labs veids, kā novērtēt kvalitāti, ir viegli pakratīt mērītāju no vienas puses uz otru. Ja adata paliek savā vietā, jūs turat rokās piemērotu spoli. Papildus šim testam, izvēloties labu mērītāju, mani vada dīvaina estētikas izjūta. Šo izjūtu ir apbēdinoši grūti aprakstīt, bet, ja, apskatot skaitītāju, es saku: "Šis ir skaists skaitītājs!", es to nopērku. Šai estētiskajai neskaidrībai ir arī praktisks ieguvums. Smalki darinātos un rūpīgi izstrādātajos mērinstrumentos parasti ir izsmalcinātas spoles, kas ir tikpat labas kā spoles, ko izmanto smalkajos elektrobalansos, ar safīra gultņiem un visu pārējo. lai uzbūvētu svarus, uzmanīgi atbrīvojiet spoles no mērinstrumenta korpusa, uzmanoties, lai nesabojātu adatu. Uzstādiet spoli uz alumīnija atgriezuma [sk. attēlu pretējā lappusē]. Ja nevarat izmantot alumīnija loksni, iemontējiet spoli plastmasas projekta kastē. Lai izolētu balansu no gaisa plūsmām, nostipriniet visu mezglu ar stiklu apvilktā siera plāksnē, alumīnija loksnei stāvot vertikāli, lai adata kustētos uz augšu un uz leju. Divus smagos aizsargtīklus, kas noņemti no skaitītāja, uzmontē uz alumīnija balsta, lai ierobežotu adatas kustības diapazonu.
Pie alumīnija balsta, tieši aiz adatas gala, ar epoksīdu piestiprina nelielu skrūvi. Adatai jāšķērso tieši skrūves priekšā, neskaroties ar to. Noklājiet skrūvi ar nelielu celtniecības papīra gabaliņu, pēc tam novelciet plānu horizontālu līniju pāri papīra centram. Šī līnija nosaka skalas nulles pozīciju.
Parauga paliktnis, kas karājas uz adatas, ir tikai neliels rāmītis, kas izgatavots, saliekot neizolētu stiepli. Precīzs stieples diametrs nav izšķirošs, bet tā nedrīkst būt plāna: labi der 28 collu stieple. Neliels alumīnija folijas riņķis atrodas stiepļu rāmja pamatnē un kalpo kā paplātes paliktnis. Lai izvairītos no piesārņojuma ar ķermeņa eļļām, nekad nepieskarieties paplātītei (vai paraugam) ar pirkstiem; vienmēr izmantojiet pinceti.
Lai galvanometra spolei pievadītu enerģiju, ir vajadzīga ķēde, kas nodrošina stabilu piecu voltu spriegumu [sk. shēmas shēmu zemāk]. Neaizstājiet baterijas ar maiņstrāvas līdzstrāvas adapteri, ja vien neesat gatavs pievienot filtrus, kas slāpē zemas frekvences sprieguma svārstības, kuras var iekļūt sistēmā no adaptera. Tik niecīgas svārstības kā 0,1 milivolts krasi samazinās jūsu spēju noteikt vismazākos svarus.
Ierīcē izmanto divus precīzus, 100 kilomu, 10 apgriezienu mainīgus rezistorus (tos sauc arī par potenciometriem vai reostatiem) - pirmo, lai regulētu spriegumu pāri spolei, un otro, lai nodrošinātu nulles atskaites punktu. 20 mikrofaradu kondensators buferē spole pret jebkādām pretestības koeficientu reakcijas svārstībām un palīdz veikt jebkādas smalkas adatas stāvokļa korekcijas. Lai izmērītu spriegumu uz spoles, ir nepieciešams ciparu voltmetrs, kas nolasa līdz 0,1 milivoltam. Radio Shack pārdod rokas versijas par mazāk nekā 80 dolāriem. Izmantojot piecu voltu barošanas avotu, Šmermunda svari var pacelt 150 miligramus. Lielākiem svariem 7805 tipa sprieguma regulatora mikroshēmu nomainiet pret 7812 mikroshēmu. Tā nodrošinās stabilu 12 voltu spriegumu un pacels gandrīz pusgramu smagus priekšmetus.
Lai kalibrētu svarus, jums būs nepieciešams zināmu mikrogramu svaru komplekts. Viens augstas precizitātes kalibrēts atsvars no viena līdz 100 mikrogramiem parasti maksā 75 dolārus, un jums būs vajadzīgi vismaz divi. Tomēr ir arī lētāks veids. Zinātnieku amatieru biedrība (Society for Amateur Scientists) par 10 ASV dolāriem piedāvā divu šim projektam piemērotu kalibrētu mikrogramu atsvaru komplektus. Ņemiet vērā, ka šie divi atsvari ļauj kalibrēt svarus ar četrām zināmām masām: nulli, pirmo atsvaru, otro atsvaru un abu atsvaru summu.
Lai veiktu mērījumu, sāciet ar tukšu svaru pannu. Aizklājiet ierīci ar stikla apvalku. Dusiniet elektrisko strāvu, iestatot pirmo rezistoru uz augstāko vērtību. Pēc tam noregulējiet otro rezistoru, līdz spriegums ir tik tuvu nullei, cik vien iespējams iestatīt. Pierakstiet šo spriegumu un nepieskarieties šim rezistoram, līdz esat pabeidzis visu mērījumu kopumu. Tagad pagrieziet pirmo rezistoru uz augšu, līdz adata nogrimst līdz apakšējam punktam, pēc tam pagrieziet to atpakaļ, lai adata atgrieztos pie nulles atzīmes. Vēlreiz atzīmējiet sprieguma rādījumu. Lai noteiktu skalas nulles punktu, izmantojiet trīs sprieguma mērījumu vidējo vērtību.
Pēc tam palieliniet pretestību, līdz adata pietuvojas apakšējam stieples balstam. Ievietojiet paplātē atsvaru un samaziniet pretestību, līdz armatūra atkal aizsedz līniju. Reģistrējiet spriegumu. Vēlreiz atkārto mērījumu trīs reizes un iegūst vidējo vērtību. Starpība starp šiem diviem vidējiem spriegumiem ir tieša parauga svara mērvienība.
Kad esat izmērījis kalibrētos svarus, uzzīmējiet pacelto masu pret pielikto spriegumu. Datiem jāiekrīt taisnā līnijā. Tad no līknes var nolasīt masu, kas atbilst jebkuram starpposma spriegumam.
Šmermunda svari ir ļoti lineāri virs 10 miligramiem. Kalibrēšanas līnijas slīpums samazinājās tikai par 4 procentiem pie 500 mikrogramiem, kas ir mazākais pieejamais kalibrētais svars. Neskatoties uz to, es noteikti iesaku kalibrēt svarus katru reizi, kad tos izmantojat, un vienmēr salīdzināt paraugus tieši ar kalibrētajiem svariem.