tania domowa waga mikrogramowa

[fidelis]

autorstwa Shawna Carlsona (Scientific American, czerwiec 1996), ale zaczerpnięte z linku vespiary. jednak w odpowiedziach zamieszczę zaktualizowaną wersję!!! ^_^

Wagi mikrogramowe to sprytne urządzenia, które mogą mierzyć fantastycznie małe masy. Modele z najwyższej półki wykorzystują pomysłowe połączenie izolacji mechanicznej, izolacji termicznej i elektroniki, aby uzyskać powtarzalne pomiary z dokładnością do jednej dziesiątej milionowej części jednego grama. Dzięki wyszukanym szklanym obudowom i polerowanym pozłacanym elementom, wagi te wyglądają bardziej jak dzieła sztuki niż instrumenty naukowe. Nowe modele mogą kosztować ponad 10 000 USD i często wymagają mistrzowskiego dotyku, aby wydobyć wiarygodne dane z szumów tła.

Jednak pomimo swojej ceny i zewnętrznej złożoności, urządzenia te są w istocie dość proste. Jeden z popularnych typów wykorzystuje cewkę magnetyczną do zapewnienia momentu obrotowego, który delikatnie równoważy próbkę na końcu ramienia dźwigni. Zwiększenie natężenia prądu elektrycznego w cewce zwiększa moment obrotowy. Prąd wymagany do zrównoważenia ciężaru próbki jest zatem bezpośrednią miarą jej masy. Cewki w komercyjnych wagach poruszają się na czopach z polerowanego niebieskiego szafiru. Szafiry są używane, ponieważ ich ekstremalna twardość (tylko diamenty są twardsze) zapobiega zużyciu czopów. Wyrafinowane urządzenia czujnikowe i obwody kontrolują prąd w cewce - dlatego mikrogramowe wagi elektroniczne są tak drogie.

To dobra wiadomość dla amatorów. Jeśli jesteś skłonny zastąpić oczy czujnikami, a ręce obwodami sterującymi, możesz zbudować delikatną wagę elektryczną za mniej niż 30 USD.

George Schmermund z Vista w Kalifornii wyjaśnił mi ten fakt. Od ponad 20 lat Schmermund prowadzi małą firmę o nazwie Science Resources, która kupuje, naprawia i dostosowuje sprzęt naukowy. Chociaż dla swoich klientów może być surowym profesjonalistą, znam go jako wolnego ducha, który spędza czas w świecie biznesu tylko po to, aby zarobić wystarczająco dużo pieniędzy, aby oddać się swojej prawdziwej pasji - amatorskiej nauce.

Schmermund posiada już cztery drogie komercyjne wagi mikrogramowe. Jednak w interesie rozwoju amatorskiej nauki postanowił sprawdzić, jak dobrze poradzi sobie tanim kosztem. Jego pomysłowy plan polegał na połączeniu deski do serów i starego galwanometru, urządzenia mierzącego natężenie prądu. Rezultatem była waga elektryczna, która może określać wagę od około 10 mikrogramów aż do 500 000 mikrogramów (0,5 grama).

Precyzja pomiarów jest imponująca. Osobiście potwierdziłem, że jego konstrukcja może mierzyć z dokładnością do 1 procenta masy przekraczające jeden miligram. Co więcej, jest w stanie rozróżnić masy w zakresie 100 mikrogramów, które różnią się zaledwie o dwa mikrogramy. Obliczenia sugerują, że instrument może mierzyć pojedyncze masy tak małe jak 10 mikrogramów (nie miałem tak małej wagi do przetestowania).

Kluczowy element, galwanometr, jest łatwy do zdobycia. Urządzenia te są centralnym elementem większości starych analogowych mierników elektrycznych, które wykorzystują igłę zamontowaną na cewce. Prąd przepływający przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które odchyla igłę. Projekt Schmermunda zakłada, że igła zamontowana w płaszczyźnie pionowej działa jak ramię dźwigni: próbki zwisają z końcówki igły.

Sklepy z nadwyżkami elektronicznymi prawdopodobnie będą miały pod ręką kilka analogowych galwanometrów. Dobrym sposobem na ocenę jakości jest delikatne potrząsanie miernikiem z boku na bok. Jeśli igła pozostaje na swoim miejscu, mamy do czynienia z odpowiednią cewką. Poza tym testem, przy wyborze dobrego miernika kieruję się dziwnym poczuciem estetyki. Opisanie tego zmysłu jest frustrująco trudne, ale jeśli po obejrzeniu miernika jestem w stanie powiedzieć: "To jest piękny miernik!", to go kupuję. Istnieje praktyczna korzyść z tego estetycznego rozmycia. Precyzyjnie wykonane i starannie zaprojektowane mierniki zwykle zawierają znakomite cewki, które są tak samo dobre jak cewki stosowane w doskonałych elektrobalansach, szafirowe łożyska i wszystko inne. Aby zbudować wagę, delikatnie uwolnij cewkę z obudowy miernika, uważając, aby nie uszkodzić igły. Zamontuj cewkę na kawałku blachy aluminiowej [patrz ilustracja na drugiej stronie]. Jeśli nie możesz użyć blachy aluminiowej, zamontuj cewkę wewnątrz plastikowego pudełka projektowego. Aby odizolować wagę od prądów powietrza, zabezpiecz cały zespół w pokrytej szkłem desce serowej, z aluminiową blachą stojącą pionowo, tak aby igła poruszała się w górę iw dół. Dwa ciężkie druty ochronne pochodzące z miernika są zamontowane na aluminiowym wsporniku, aby ograniczyć zakres ruchu igły.

Do aluminiowego wspornika, tuż za czubkiem igły, należy przykleić niewielką śrubę. Igła powinna przechodzić tuż przed śrubą, nie dotykając jej. Przykryj śrubę małym kawałkiem papieru budowlanego, a następnie narysuj cienką poziomą linię na środku papieru. Linia ta definiuje pozycję zerową skali.

Tacka na próbki, która zwisa z igły, jest jedynie małą ramką wykonaną domowym sposobem poprzez zginanie nieizolowanego drutu. Dokładna średnica drutu nie jest krytyczna, ale powinien on być cienki: dobrze sprawdza się drut o średnicy 28 mm. Mały okrąg z folii aluminiowej spoczywa u podstawy drucianej ramy i służy jako taca. Aby uniknąć zanieczyszczenia olejami z ciała, nigdy nie dotykaj tacy (ani próbki) palcami; raczej zawsze używaj pęsety.

Aby zasilić cewkę galwanometru, potrzebny jest obwód, który dostarcza stabilne napięcie pięciu woltów [patrz schemat obwodu poniżej]. Nie zastępuj baterii zasilaczem AC-DC, chyba że chcesz dodać filtry, które mogą tłumić wahania napięcia o niskiej częstotliwości, które mogą wyciekać do systemu z zasilacza. Wahania tak małe, jak 0,1 miliwolta, znacznie zmniejszą zdolność do rozwiązywania najmniejszych obciążeń.

Urządzenie wykorzystuje dwa precyzyjne, 100-kiloomowe, 10-obrotowe, zmienne rezystory (zwane również potencjometrami lub reostatami) - pierwszy do regulacji napięcia na cewce, a drugi do zapewnienia zerowego odniesienia. Kondensator o pojemności 20 mikrofaradów buforuje cewkę przed wszelkimi szarpnięciami w odpowiedzi rezystorów i pomaga w dokonywaniu delikatnych regulacji położenia igły. Aby zmierzyć napięcie na cewce, potrzebny będzie woltomierz cyfrowy z dokładnością do 0,1 miliwolta. Radio Shack sprzedaje wersje ręczne za mniej niż 80 USD. Używając zasilania o napięciu pięciu woltów, waga Schmermunda może podnieść 150 miligramów. W przypadku większych ciężarów należy zastąpić układ regulatora napięcia typu 7805 układem 7812. Wytworzy on stabilne napięcie 12 V i podniesie przedmioty ważące prawie pół grama.

Aby skalibrować wagę, potrzebny będzie zestaw znanych mikrogramowych odważników. Pojedynczy precyzyjnie skalibrowany odważnik o wadze od jednego do 100 mikrogramów kosztuje zazwyczaj 75 dolarów, a potrzebne będą co najmniej dwa. Istnieje jednak tańszy sposób. Society for Amateur Scientists udostępnia za 10 dolarów zestawy dwóch skalibrowanych mikrogramowych odważników odpowiednich do tego projektu. Należy pamiętać, że te dwa odważniki umożliwiają skalibrowanie wagi z czterema znanymi masami: zero, odważnik pierwszy, odważnik drugi i suma dwóch odważników.

Aby wykonać pomiar, zacznij od opróżnienia szalki wagi. Przykryj urządzenie szklaną obudową. Zdław prąd elektryczny, ustawiając pierwszy rezystor na najwyższą wartość. Następnie wyreguluj drugi rezystor, aż napięcie będzie tak bliskie zeru, jak to możliwe. Zapisz to napięcie i nie dotykaj ponownie tego rezystora, dopóki nie zakończysz całego zestawu pomiarów. Teraz podkręć pierwszy rezystor, aż igła opadnie do dolnego ogranicznika, a następnie przekręć go z powrotem tak, aby igła powróciła do znaku zerowego. Ponownie zanotuj odczyt napięcia. Użyj średniej z trzech pomiarów napięcia, aby określić punkt zerowy skali.

Następnie zwiększ opór, aż igła spocznie na dolnym wsporniku drutu. Umieść obciążnik w zasobniku i zmniejsz opór, aż zwora ponownie przesłoni linię. Zapisz napięcie. Ponownie powtórz pomiar trzy razy i wyciągnij średnią. Różnica między tymi dwoma średnimi napięciami jest bezpośrednią miarą masy próbki.

Po zmierzeniu skalibrowanych odważników, wykreśl masę podniesioną względem przyłożonego napięcia. Dane powinny znajdować się na linii prostej. Masę odpowiadającą dowolnemu napięciu pośredniemu można następnie odczytać bezpośrednio z krzywej.

Waga Schmermunda jest niezwykle liniowa powyżej 10 miligramów. Nachylenie linii kalibracji zmniejszyło się tylko o 4 procent przy 500 mikrogramach, najmniejszej skalibrowanej masie, jaką dysponowaliśmy. Niemniej jednak zdecydowanie sugeruję, aby kalibrować wagę za każdym razem, gdy jej używasz i zawsze porównywać próbki bezpośrednio ze skalibrowanymi odważnikami.

 

[fidelis]

link tutaj, ten sam facet, ten sam magazyn, ale opublikowany 4 lata później


Żyję dla piątków. To dlatego, że zazwyczaj spędzam ten dzień na wędrówkach po złych terenach San Diego z eklektyczną grupą obrazoburców, w tym kilkoma genialnymi technologami i niektórymi z moich najdroższych przyjaciół. Łączy nas zamiłowanie do oprzyrządowania i wspólna pasja do opracowywania niedrogich rozwiązań dla różnych wyzwań eksperymentalnych. To wspólne zainteresowanie prowadzi do przyjaznej rywalizacji, której wyniki często zasilają tę kolumnę.

Weźmy na przykład problem pomiaru bardzo małych mas. George Schmermund opracował fantastyczne podejście, które opisałem na tych stronach w czerwcu 1996 roku. George wyjął cewkę i armaturę z wyrzuconego galwanometru i zamontował je pionowo, tak aby igła miernika poruszała się w płaszczyźnie pionowej. Następnie podłączył cewkę do zmiennego napięcia i wyregulował je tak, aby igła znajdowała się dokładnie poziomo. Niewielka masa o znanej masie umieszczona na końcu igły pociągnęła ją w dół. Następnie George zwiększył napięcie, aż ramię powróciło do pozycji wyjściowej. Ponieważ cięższa masa wymagała proporcjonalnie większego wzrostu napięcia, aby ją zrównoważyć, zmiana napięcia wskazywała masę próbki. Elektrowaga George'a była w stanie ważyć masy tak małe jak 10 mikrogramów (czyli 10 milionowych części grama).

To osiągnięcie było dla mnie wystarczająco oszałamiające, ale ostatnio organizator naszych cotygodniowych wycieczek, Greg Schmidt, zdał sobie sprawę, że nawet tę niesamowitą wydajność można poprawić. Projekt Grega eliminuje potrzebę ręcznej regulacji igły: waga automatycznie zeruje (lub "taruje") i poziomuje się, a także może stale śledzić, jak obiekt zmienia swoją masę - na przykład tempo, w jakim pojedyncza mrówka traci wodę podczas oddychania. Rezultatem jest niezwykle wszechstronna waga elektroniczna o czułości mikrogramów, którą można zbudować za mniej niż 100 USD.

Oto jak to działa. Greg wziął podstawowy projekt George'a i dodał niedrogi mikrokontroler (mały komputer z jednostką centralną i pamięcią na jednym chipie), nakazując mu wysyłanie 2000 słabych impulsów prądu przez cewkę w każdej sekundzie. Bezwładność armatury i igły uniemożliwia im reagowanie na każdy krótki impuls, więc odchylenie odzwierciedla średni prąd w cewce. Poszczególne impulsy wydają się być jednak wystarczająco duże, aby wprawić w drgania łożyska galwanometru Grega. Uważa on, że to niewielkie drganie zmniejsza "stiction", czyli tendencję łożyska do blokowania się w miejscu, gdy się nie porusza. Efekt ten wydaje się wyjaśniać, dlaczego niedrogi miernik, taki jak jego, może reagować na przyciąganie tak małych mas.

OKABLOWANIE ELEKTRONICZNE wymagane w projekcie jest minimalne, ponieważ zastosowany mikrokomputer znajduje się na samodzielnej płytce. Oprócz zintegrowanego czujnika optycznego (zawierającego fototranzystor i diodę elektroluminescencyjną) należy podłączyć tylko dwa tranzystory, rezystor i diodę. Chociaż wydajność obwodu "lustra prądowego" będzie lepsza, jeśli jego dwa tranzystory znajdują się na tym samym układzie krzemowym, można użyć oddzielnych tranzystorów NPN, jeśli ich obudowy są przymocowane (jak pokazano powyżej), tak aby oba pozostawały w dokładnie tej samej temperaturze.

Greg nie zaprojektował jednak swojego obwodu w celu zmniejszenia oporu. Funkcja ta okazała się być nieprzewidzianą korzyścią z zastosowania "modulacji szerokości impulsu" do kontrolowania średniego prądu przesyłanego przez cewkę. W tym schemacie czas między kolejnymi impulsami jest taki sam, ale mikrokontroler zmienia cykl pracy - ułamek cyklu, podczas którego prąd pozostaje włączony. Ciągi impulsów z krótkimi cyklami pracy zasilają cewkę tylko przez niewielką część całkowitego czasu, a zatem mogą podnosić tylko najmniejsze ciężary, podczas gdy ciągi impulsów z dłuższymi cyklami pracy mogą podnosić cięższe ładunki. Mikroprocesor Grega może wygenerować 1024 różne wartości cyklu pracy. Liczba ta określa zakres dynamiczny wagi. Jeśli maksymalny prąd jest ustawiony tak, że urządzenie może podnieść do jednego miligrama, na przykład, najmniejsza wykrywalna masa będzie wynosić około jednego mikrograma.

Taka czułość jest imponująca. Jednak mikrokomputer, który obsługuje program, nie musi być niczym specjalnym. W rzeczywistości mamy do wyboru oszałamiający wachlarz możliwości. Ale jeśli nie masz pojęcia, jak wybrać i zaprogramować mikroprocesor, nie martw się: Greg opracował swój instrument z myślą o nowicjuszach. Wykorzystał on zestaw ewaluacyjny mikrokontrolera flash Atmel AT 89/90 Series, który zawiera w pełni funkcjonalny i niezwykle wszechstronny mikrokomputer, który łączy się bezpośrednio z komputerem osobistym. Zestaw ten (model STK-200) zawiera wszystko, czego potrzeba do rozpoczęcia pracy i kosztuje mniej niż 50 USD (lista dostawców znajduje się w Amtel Corporation).

Niestety dla użytkowników komputerów Macintosh, system ten obsługuje tylko komputery IBM. W każdym razie nie musisz programować wszystkiego od zera, ponieważ Greg opracował całe oprogramowanie potrzebne do uruchomienia urządzenia, w tym instrukcje, które pokazują wagę w czasie rzeczywistym na małym wyświetlaczu ciekłokrystalicznym (numer katalogowy 73-1058-ND od Digi-Key; 800-344-4539). Kod można pobrać za darmo ze strony internetowej Society for Amateur Scientists.

Podobnie jak w przypadku oryginalnego projektu George'a, prawie każdy galwanometr wyciągnięty z kosza z nadwyżkami będzie działał. Wystarczy upewnić się, że mierzy on małe prądy, a jego igła ma tendencję do pozostawania w miejscu, gdy urządzenie jest gwałtownie kołysane z boku na bok. Podczas gdy prototyp George'a wymagał od operatora mrużenia oczu, elektrobalans Grega wykrywa pozycję igły elektronicznie za pomocą fototranzystora i diody elektroluminescencyjnej, które można również kupić w Digi-Key (numer katalogowy QVA11334QT-ND obejmuje pojedynczą jednostkę). Przebij szpilką mały kawałek folii aluminiowej i wyśrodkuj otwór na fototranzystorze, jak pokazano na stronie 90. Ponieważ folia zakrywa większą część fototranzystora, sygnał przejdzie od pełnego włączenia do pełnego wyłączenia bardzo szybko, gdy igła przerwie światło z diody. Przymocuj kawałek drewna balsa, jak pokazano na rysunku, aby zatrzymać igłę dokładnie w tym punkcie.

Jeśli w cewce jest zbyt mało prądu, igła spocznie na dolnym kawałku balsy i zablokuje światło. Zbyt duży prąd podnosi igłę całkowicie ze ścieżki światła. Oprogramowanie Grega wykorzystuje zaawansowany algorytm, aby utrzymać igłę w równowadze między tymi dwoma stanami. Po prawidłowym skalibrowaniu i wytarowaniu urządzenia, szerokość impulsu odzwierciedla masę próbki.

CIĄGŁE NAGRYWANIE zmieniającej się masy jednocentymetrowej długości zwilżonej nici demonstruje wszechstronność tego niedrogiego urządzenia.

Obwód sterujący, który pomaga osiągnąć całą tę magię, pokazano powyżej. Będziesz musiał dostosować wartość R1, aby ustawić maksymalny prąd na coś, co może obsłużyć twój miernik. Prąd w pełnej skali może być wskazany na mierniku. W przeciwnym razie do pomiaru należy użyć rezystora zmiennego, baterii 9 V i miernika prądu. Ponieważ galwanometr Grega osiągnął maksymalną wartość pięciu miliamperów, zaprogramował on mikrokontroler tak, aby wytworzył prąd o natężeniu pięciu miliamperów poprzez dostarczenie impulsu o napięciu pięciu woltów przez rezystor o wartości jednego kilooma.

Prąd ten nie jest jednak kierowany przez cewkę. Przepływa on raczej przez obwód zwany lustrem prądowym, który wymusza przepływ identycznego prądu do cewki. Ta sztuczka znacznie poprawia długoterminową stabilność wagi. Dlaczego? Rezystancja cewki zależy od jej temperatury, która wzrasta, gdy rozpraszana jest w niej energia elektryczna. Ale obwód lustrzany utrzymuje prąd na stałym poziomie bez względu na temperaturę cewki.

Oczywiście rezystancja R1 będzie się nieco różnić w zależności od temperatury, co może spowodować dryf kalibracji. Warto więc użyć komponentu o niskim współczynniku temperaturowym. Na przykład rezystor metalowo-powłokowy o tolerancji 1% zazwyczaj zmienia się o zaledwie 50 części na milion na każdy stopień Celsjusza. Konieczne będzie również utrzymywanie dwóch tranzystorów w lustrze prądowym w tej samej temperaturze, aby zapobiec dryfowaniu obwodu. Najlepiej jest użyć zestawu dopasowanych tranzystorów na pojedynczym układzie krzemowym, takim jak CA3086 (48 centów od Circuit Specialists; 800-528-1417). W przeciwnym razie należy podłączyć dwa identyczne tranzystory przełączające NPN razem z ich obudowami, jak pokazano powyżej.

Zachwycająca demonstracja czułości, jaką osiąga jego aparat, jest pokazana na wykresie po lewej stronie. Greg namoczył centymetr cienkiej nici w wodzie. Następnie monitorował jej wagę, gdy woda powoli odparowywała. Niezwykłe.