door Shawn Carlson (Scientific American, juni 1996), maar overgenomen van een vespiary link. ik zal echter een bijgewerkte versie plaatsen in de reacties!!! ^_^
Microgram-balansen zijn slimme apparaten die fantastisch kleine massa's kunnen meten. De beste modellen maken gebruik van een ingenieuze combinatie van mechanische isolatie, thermische isolatie en elektronische tovenarij om herhaalbare metingen te produceren tot op een tiende van een miljoenste van een gram. Met hun uitgebreide glazen behuizingen en gepolijste vergulde armaturen lijken deze balansen meer op kunstwerken dan op wetenschappelijke instrumenten. Nieuwe modellen kunnen meer dan $10.000 kosten en vereisen vaak een meesterhand om betrouwbare gegevens uit achtergrondruis te krijgen.
Maar ondanks hun kosten en uiterlijke complexiteit zijn deze apparaten in wezen heel eenvoudig. Eén veelgebruikt type maakt gebruik van een magnetische spoel om een koppel te leveren dat een monster aan het einde van een hefboomarm in balans houdt. Het verhogen van de elektrische stroom in de spoel verhoogt het koppel. De stroom die nodig is om het gewicht van het proefstuk te compenseren is daarom een directe maat voor zijn massa. De spoelen in commerciële balansen draaien op draaipunten van gepolijste blauwe saffier. Saffieren worden gebruikt omdat hun extreme hardheid (alleen diamant is harder) voorkomt dat de draaipunten slijten. Geavanceerde sensoren en schakelingen regelen de stroom in de spoel - daarom zijn microgram elektrobalansen zo prijzig.
En dat is goed nieuws voor amateurs. Als je bereid bent je ogen te vervangen door de sensoren en je handen door de regelcircuits, kun je voor minder dan $30 een gevoelige elektrobalans bouwen.
George Schmermund uit Vista, Californië, maakte me dit duidelijk. Schmermund heeft al meer dan 20 jaar een klein bedrijf genaamd Science Resources, dat wetenschappelijke apparatuur koopt, repareert en op maat maakt. Hoewel hij voor zijn klanten een strenge professional mag zijn, ken ik hem als een vrije geest die zijn tijd alleen in de zakenwereld doorbrengt om genoeg geld te verdienen om zich te kunnen wijden aan zijn ware passie - amateurwetenschap.
Schmermund bezit al vier dure commerciële microgram balansen. Maar om de amateurwetenschap vooruit te helpen, besloot hij te kijken hoe goed hij het goedkoop kon doen. Zijn ingenieuze truc was het combineren van een kaasplank en een oude galvanometer, een apparaat dat stroom meet. Het resultaat was een elektrobalans die gewichten kan bepalen van ongeveer 10 microgram tot 500.000 microgram (0,5 gram).
De precisie van de metingen is behoorlijk indrukwekkend. Ik heb persoonlijk bevestigd dat zijn ontwerp tot op 1% nauwkeurig massa's van meer dan een milligram kan meten. Bovendien kan het onderscheid maken tussen massa's in het 100-microgramgebied die slechts twee microgram verschillen. En berekeningen suggereren dat het instrument afzonderlijke massa's van slechts 10 microgram kan meten (ik had geen gewichtje van deze grootte om te testen).
Aan het cruciale onderdeel, de galvanometer, is gemakkelijk te komen. Deze apparaten vormen het middelpunt van de meeste oude analoge elektrische meters, het soort dat gebruik maakt van een naald op een spoel. Stroom die door de spoel loopt, creëert een magnetisch veld dat de naald doet afbuigen. In het ontwerp van Schmermund fungeert de naald, die in het verticale vlak is gemonteerd, als hefboomarm: exemplaren hangen aan de punt van de naald.
Elektronicawinkels hebben waarschijnlijk verschillende analoge galvanometers in voorraad. Een goede manier om de kwaliteit te beoordelen is door de meter zachtjes heen en weer te schudden. Als de naald op zijn plaats blijft, heb je een geschikte spoel in handen. Naast deze test laat een vreemd gevoel voor esthetiek me leiden bij het selecteren van een goede meter. Het is frustrerend moeilijk om dit gevoel te beschrijven, maar als ik geroerd ben om te zeggen: "Dit is een mooie meter!" als ik hem bekijk, dan koop ik hem. Er is een praktisch voordeel aan deze esthetische vaagheid. Fijn vervaardigde en zorgvuldig ontworpen meters hebben meestal prachtige spoelen die net zo goed zijn als de spoelen die gebruikt worden in fijne elektrobalansen, met saffieren lagers en al.Om de balans op te bouwen, maak je de spoel voorzichtig los van de behuizing van de meter en let je op dat je de naald niet beschadigt. Monteer de spoel op een stuk aluminium [zie illustratie op de pagina hiernaast]. Als je geen aluminium plaat kunt gebruiken, monteer de spoel dan in een plastic projectdoos. Om de balans te isoleren van luchtstromen, zet je de hele assemblage vast in een met glas beklede kaasplank, waarbij de aluminium plaat rechtop staat zodat de naald op en neer beweegt. De twee zware beschermdraden die uit de meter zijn gekannibaliseerd worden op de aluminium steun gemonteerd om het bewegingsbereik van de naald te beperken.
Epoxy een kleine bout op de aluminium steun, net achter de punt van de naald. De naald moet vlak voor de bout kruisen zonder hem te raken. Bedek de bout met een klein stukje bouwpapier en trek dan een dunne horizontale lijn over het midden van het papier. Deze lijn bepaalt de nulpositie van de schaalverdeling.
Het preparatenbakje dat aan de naald hangt is slechts een klein frame dat zelf is gemaakt door niet-geïsoleerd draad te buigen. De exacte diameter van het draad is niet kritisch, maar houd het dun: 28-gauge draad werkt goed. Een kleine cirkel aluminiumfolie rust op de basis van het draadframe en dient als bakje. Om besmetting met lichaamsolie te voorkomen, mag je nooit met je vingers het bakje (of het preparaat) aanraken; gebruik in plaats daarvan altijd een pincet.
Om de galvanometerspoel van stroom te voorzien, is een circuit nodig dat een stabiele vijf volt levert [zie onderstaand schema]. Vervang de batterijen niet door een wisselstroomadapter, tenzij je bereid bent om filters toe te voegen die laagfrequente spanningsfluctuaties kunnen onderdrukken. Schommelingen zo klein als 0,1 millivolt zullen je vermogen om de kleinste gewichten op te lossen sterk verminderen.
Het apparaat gebruikt twee precisie 100kilohm, 10-omwentelingen, variabele weerstanden (ook potentiometers of reostaten genoemd) - de eerste om de spanning over de spoel aan te passen en de tweede om een nulreferentie te leveren. Een condensator van 20 microfarad buffert de spoel tegen eventuele schokken in de respons van de weerstanden en helpt bij het maken van delicate aanpassingen aan de positie van de naald. Om de spanning over de spoel te meten heb je een digitale voltmeter nodig die tot op 0,1 millivolt afleest. Radio Shack verkoopt handheld versies voor minder dan $80. Met een voeding van vijf volt kan de weegschaal van Schmermund 150 milligram tillen. Voor grotere gewichten vervang je de spanningsregelaarchip van het type 7805 door een 7812 chip. Deze produceert een stabiele 12 volt en kan voorwerpen met een gewicht van bijna een halve gram optillen.
Om de weegschaal te kalibreren heb je een set bekende microgramgewichten nodig. Een enkel zeer nauwkeurig gekalibreerd gewicht tussen 1 en 100 microgram kost meestal $75, en je hebt er minstens twee nodig. Er is echter een goedkopere manier. De Society for Amateur Scientists stelt voor $10 sets van twee gekalibreerde microgram gewichten beschikbaar die geschikt zijn voor dit project. Met deze twee gewichten kun je je balans kalibreren met vier bekende massa's: nul, gewicht één, gewicht twee en de som van de twee gewichten.
Om een meting uit te voeren, begin je met een lege schaal. Dek het apparaat af met de glazen behuizing. Smoor de elektrische stroom af door de eerste weerstand op zijn hoogste waarde in te stellen. Pas vervolgens de tweede weerstand aan totdat de spanning zo dicht mogelijk bij nul komt te liggen. Noteer deze spanning en raak deze weerstand niet meer aan totdat je klaar bent met je hele meetreeks. Draai nu de eerste weerstand omhoog totdat de naald naar de onderste stop zakt en draai hem dan terug zodat de naald weer op de nul staat. Noteer de spanningswaarde opnieuw. Gebruik het gemiddelde van drie spanningsmetingen om het nulpunt van de schaal te bepalen.
Verhoog vervolgens de weerstand totdat de naald op de onderste draadsteun rust. Plaats een gewicht in de schaal en verlaag de weerstand totdat het anker de lijn weer verduistert. Noteer de spanning. Herhaal de meting drie keer en neem het gemiddelde. Het verschil tussen deze twee gemiddelde spanningen is een directe maat voor het gewicht van het proefstuk.
Nadat u de gekalibreerde gewichten hebt gemeten, zet u de opgetilde massa uit tegen de aangelegde spanning. De gegevens moeten op een rechte lijn vallen. De massa die overeenkomt met een tussenliggende spanning kan dan direct van de curve worden afgelezen.
De balans van Schmermund is extreem lineair boven 10 milligram. De helling van de kalibratielijn nam met slechts 4% af bij 500 microgram, het kleinste gekalibreerde gewicht dat we beschikbaar hadden. Toch raad ik je sterk aan om je balans elke keer dat je hem gebruikt te kalibreren en je preparaten altijd direct te vergelijken met je gekalibreerde gewichten.
Microgram-balansen zijn slimme apparaten die fantastisch kleine massa's kunnen meten. De beste modellen maken gebruik van een ingenieuze combinatie van mechanische isolatie, thermische isolatie en elektronische tovenarij om herhaalbare metingen te produceren tot op een tiende van een miljoenste van een gram. Met hun uitgebreide glazen behuizingen en gepolijste vergulde armaturen lijken deze balansen meer op kunstwerken dan op wetenschappelijke instrumenten. Nieuwe modellen kunnen meer dan $10.000 kosten en vereisen vaak een meesterhand om betrouwbare gegevens uit achtergrondruis te krijgen.
Maar ondanks hun kosten en uiterlijke complexiteit zijn deze apparaten in wezen heel eenvoudig. Eén veelgebruikt type maakt gebruik van een magnetische spoel om een koppel te leveren dat een monster aan het einde van een hefboomarm in balans houdt. Het verhogen van de elektrische stroom in de spoel verhoogt het koppel. De stroom die nodig is om het gewicht van het proefstuk te compenseren is daarom een directe maat voor zijn massa. De spoelen in commerciële balansen draaien op draaipunten van gepolijste blauwe saffier. Saffieren worden gebruikt omdat hun extreme hardheid (alleen diamant is harder) voorkomt dat de draaipunten slijten. Geavanceerde sensoren en schakelingen regelen de stroom in de spoel - daarom zijn microgram elektrobalansen zo prijzig.
En dat is goed nieuws voor amateurs. Als je bereid bent je ogen te vervangen door de sensoren en je handen door de regelcircuits, kun je voor minder dan $30 een gevoelige elektrobalans bouwen.
George Schmermund uit Vista, Californië, maakte me dit duidelijk. Schmermund heeft al meer dan 20 jaar een klein bedrijf genaamd Science Resources, dat wetenschappelijke apparatuur koopt, repareert en op maat maakt. Hoewel hij voor zijn klanten een strenge professional mag zijn, ken ik hem als een vrije geest die zijn tijd alleen in de zakenwereld doorbrengt om genoeg geld te verdienen om zich te kunnen wijden aan zijn ware passie - amateurwetenschap.
Schmermund bezit al vier dure commerciële microgram balansen. Maar om de amateurwetenschap vooruit te helpen, besloot hij te kijken hoe goed hij het goedkoop kon doen. Zijn ingenieuze truc was het combineren van een kaasplank en een oude galvanometer, een apparaat dat stroom meet. Het resultaat was een elektrobalans die gewichten kan bepalen van ongeveer 10 microgram tot 500.000 microgram (0,5 gram).
De precisie van de metingen is behoorlijk indrukwekkend. Ik heb persoonlijk bevestigd dat zijn ontwerp tot op 1% nauwkeurig massa's van meer dan een milligram kan meten. Bovendien kan het onderscheid maken tussen massa's in het 100-microgramgebied die slechts twee microgram verschillen. En berekeningen suggereren dat het instrument afzonderlijke massa's van slechts 10 microgram kan meten (ik had geen gewichtje van deze grootte om te testen).
Aan het cruciale onderdeel, de galvanometer, is gemakkelijk te komen. Deze apparaten vormen het middelpunt van de meeste oude analoge elektrische meters, het soort dat gebruik maakt van een naald op een spoel. Stroom die door de spoel loopt, creëert een magnetisch veld dat de naald doet afbuigen. In het ontwerp van Schmermund fungeert de naald, die in het verticale vlak is gemonteerd, als hefboomarm: exemplaren hangen aan de punt van de naald.
Elektronicawinkels hebben waarschijnlijk verschillende analoge galvanometers in voorraad. Een goede manier om de kwaliteit te beoordelen is door de meter zachtjes heen en weer te schudden. Als de naald op zijn plaats blijft, heb je een geschikte spoel in handen. Naast deze test laat een vreemd gevoel voor esthetiek me leiden bij het selecteren van een goede meter. Het is frustrerend moeilijk om dit gevoel te beschrijven, maar als ik geroerd ben om te zeggen: "Dit is een mooie meter!" als ik hem bekijk, dan koop ik hem. Er is een praktisch voordeel aan deze esthetische vaagheid. Fijn vervaardigde en zorgvuldig ontworpen meters hebben meestal prachtige spoelen die net zo goed zijn als de spoelen die gebruikt worden in fijne elektrobalansen, met saffieren lagers en al.Om de balans op te bouwen, maak je de spoel voorzichtig los van de behuizing van de meter en let je op dat je de naald niet beschadigt. Monteer de spoel op een stuk aluminium [zie illustratie op de pagina hiernaast]. Als je geen aluminium plaat kunt gebruiken, monteer de spoel dan in een plastic projectdoos. Om de balans te isoleren van luchtstromen, zet je de hele assemblage vast in een met glas beklede kaasplank, waarbij de aluminium plaat rechtop staat zodat de naald op en neer beweegt. De twee zware beschermdraden die uit de meter zijn gekannibaliseerd worden op de aluminium steun gemonteerd om het bewegingsbereik van de naald te beperken.
Epoxy een kleine bout op de aluminium steun, net achter de punt van de naald. De naald moet vlak voor de bout kruisen zonder hem te raken. Bedek de bout met een klein stukje bouwpapier en trek dan een dunne horizontale lijn over het midden van het papier. Deze lijn bepaalt de nulpositie van de schaalverdeling.
Het preparatenbakje dat aan de naald hangt is slechts een klein frame dat zelf is gemaakt door niet-geïsoleerd draad te buigen. De exacte diameter van het draad is niet kritisch, maar houd het dun: 28-gauge draad werkt goed. Een kleine cirkel aluminiumfolie rust op de basis van het draadframe en dient als bakje. Om besmetting met lichaamsolie te voorkomen, mag je nooit met je vingers het bakje (of het preparaat) aanraken; gebruik in plaats daarvan altijd een pincet.
Om de galvanometerspoel van stroom te voorzien, is een circuit nodig dat een stabiele vijf volt levert [zie onderstaand schema]. Vervang de batterijen niet door een wisselstroomadapter, tenzij je bereid bent om filters toe te voegen die laagfrequente spanningsfluctuaties kunnen onderdrukken. Schommelingen zo klein als 0,1 millivolt zullen je vermogen om de kleinste gewichten op te lossen sterk verminderen.
Het apparaat gebruikt twee precisie 100kilohm, 10-omwentelingen, variabele weerstanden (ook potentiometers of reostaten genoemd) - de eerste om de spanning over de spoel aan te passen en de tweede om een nulreferentie te leveren. Een condensator van 20 microfarad buffert de spoel tegen eventuele schokken in de respons van de weerstanden en helpt bij het maken van delicate aanpassingen aan de positie van de naald. Om de spanning over de spoel te meten heb je een digitale voltmeter nodig die tot op 0,1 millivolt afleest. Radio Shack verkoopt handheld versies voor minder dan $80. Met een voeding van vijf volt kan de weegschaal van Schmermund 150 milligram tillen. Voor grotere gewichten vervang je de spanningsregelaarchip van het type 7805 door een 7812 chip. Deze produceert een stabiele 12 volt en kan voorwerpen met een gewicht van bijna een halve gram optillen.
Om de weegschaal te kalibreren heb je een set bekende microgramgewichten nodig. Een enkel zeer nauwkeurig gekalibreerd gewicht tussen 1 en 100 microgram kost meestal $75, en je hebt er minstens twee nodig. Er is echter een goedkopere manier. De Society for Amateur Scientists stelt voor $10 sets van twee gekalibreerde microgram gewichten beschikbaar die geschikt zijn voor dit project. Met deze twee gewichten kun je je balans kalibreren met vier bekende massa's: nul, gewicht één, gewicht twee en de som van de twee gewichten.
Om een meting uit te voeren, begin je met een lege schaal. Dek het apparaat af met de glazen behuizing. Smoor de elektrische stroom af door de eerste weerstand op zijn hoogste waarde in te stellen. Pas vervolgens de tweede weerstand aan totdat de spanning zo dicht mogelijk bij nul komt te liggen. Noteer deze spanning en raak deze weerstand niet meer aan totdat je klaar bent met je hele meetreeks. Draai nu de eerste weerstand omhoog totdat de naald naar de onderste stop zakt en draai hem dan terug zodat de naald weer op de nul staat. Noteer de spanningswaarde opnieuw. Gebruik het gemiddelde van drie spanningsmetingen om het nulpunt van de schaal te bepalen.
Verhoog vervolgens de weerstand totdat de naald op de onderste draadsteun rust. Plaats een gewicht in de schaal en verlaag de weerstand totdat het anker de lijn weer verduistert. Noteer de spanning. Herhaal de meting drie keer en neem het gemiddelde. Het verschil tussen deze twee gemiddelde spanningen is een directe maat voor het gewicht van het proefstuk.
Nadat u de gekalibreerde gewichten hebt gemeten, zet u de opgetilde massa uit tegen de aangelegde spanning. De gegevens moeten op een rechte lijn vallen. De massa die overeenkomt met een tussenliggende spanning kan dan direct van de curve worden afgelezen.
De balans van Schmermund is extreem lineair boven 10 milligram. De helling van de kalibratielijn nam met slechts 4% af bij 500 microgram, het kleinste gekalibreerde gewicht dat we beschikbaar hadden. Toch raad ik je sterk aan om je balans elke keer dat je hem gebruikt te kalibreren en je preparaten altijd direct te vergelijken met je gekalibreerde gewichten.