cântar de micrograme de casă ieftin

[fidelis]

de Shawn Carlson (Scientific American, iunie 1996) dar preluat de pe un link vespiar. cu toate acestea, voi posta o versiune actualizată în răspunsuri!!! ^_^

Balanțele de micrograme sunt dispozitive inteligente care pot măsura mase fantastic de mici. Modelele de top folosesc o combinație ingenioasă de izolare mecanică, izolare termică și magie electronică pentru a produce măsurători repetabile până la o zecime de milionime de gram. Cu carcasele lor elaborate din sticlă și corpurile placate cu aur șlefuit, aceste balanțe arată mai mult ca opere de artă decât ca instrumente științifice. Noile modele pot costa mai mult de 10 000 de dolari și necesită adesea o atingere de maestru pentru a extrage date fiabile din zgomotul de fond.

Dar, cu toate costurile și complexitatea lor exterioară, aceste dispozitive sunt în esență destul de simple. Un tip obișnuit utilizează o bobină magnetică pentru a furniza un cuplu care echilibrează delicat un specimen la capătul unui braț de pârghie. Creșterea curentului electric în bobină mărește cuplul. Curentul necesar pentru a compensa greutatea specimenului este, prin urmare, o măsură directă a masei acestuia. Bobinele din balanțele comerciale se deplasează pe pivoți din safir albastru lustruit. Safirele sunt utilizate deoarece duritatea lor extremă (doar diamantele sunt mai dure) împiedică uzura pivoților. Dispozitive de detecție și circuite sofisticate controlează curentul din bobină - acesta este motivul pentru care electrobalanțele de micrograme sunt atât de scumpe.

Și aceasta este o veste bună pentru amatori. Dacă sunteți dispuși să vă înlocuiți ochii cu senzorii și mâinile cu circuitele de control, puteți construi o electrobalanță delicată pentru mai puțin de 30 de dolari.

George Schmermund din Vista, California, mi-a explicat clar acest lucru. Timp de peste 20 de ani, Schmermund a condus o mică companie numită Science Resources, care cumpără, repară și personalizează echipamente științifice. Deși poate fi un profesionist auster pentru clienții săi, eu îl știu ca fiind un spirit liber care își petrece timpul în lumea afacerilor doar pentru a putea face suficienți bani pentru a-și satisface adevărata pasiune - știința amatoare.

Schmermund deține deja patru balanțe de micrograme comerciale scumpe. Dar, în interesul promovării științei de amatori, a decis să vadă cât de bine se poate descurca și ieftin. Stratagema sa ingenioasă a fost să combine o placă de brânză și un galvanometru vechi, un dispozitiv care măsoară curentul. Rezultatul a fost o electrobalanță care poate determina greutăți de la aproximativ 10 micrograme până la 500.000 de micrograme (0,5 grame).

Precizia măsurătorilor este destul de impresionantă. Am confirmat personal că modelul său poate măsura cu 1% masele care depășesc un miligram. În plus, poate distinge între mase din intervalul de 100 de micrograme care diferă cu doar două micrograme. Calculele sugerează că instrumentul poate măsura mase individuale de până la 10 micrograme (nu am avut o greutate atât de mică pentru testare).

Componenta esențială, galvanometrul, este ușor de obținut. Aceste dispozitive sunt piesa centrală a majorității contoarelor electrice analogice vechi, de tipul celor care folosesc un ac montat pe o bobină. Curentul care trece prin bobină creează un câmp magnetic care deviază acul. Proiectul lui Schmermund prevede ca acul, montat în plan vertical, să acționeze ca braț de pârghie: specimenele atârnă de vârful acului.

Magazinele de surplusuri electronice vor avea probabil la îndemână mai multe galvanometre analogice. O modalitate bună de a judeca calitatea este să scuturați ușor galvanometrul dintr-o parte în alta. Dacă acul rămâne pe loc, țineți în mână o bobină potrivită. Dincolo de acest test, un ciudat simț al esteticii mă ghidează în selectarea unui metru bun. Este frustrant de dificil să descriu acest simț, dar dacă, atunci când mă uit peste el, mă simt îndemnat să spun "Acesta este un aparat de măsură frumos!", îl cumpăr. Există un beneficiu practic al acestei neclarități estetice. Contoarele fin lucrate și proiectate cu atenție adăpostesc de obicei bobine rafinate care sunt la fel de bune ca bobinele utilizate în electrobalanțele fine, cu rulmenți de safir și toate cele.Pentru a construi balanța, eliberați ușor bobina din carcasa contorului, având grijă să nu deteriorați acul. Montați bobina pe o foaie de aluminiu vechi [a se vedea ilustrația de pe pagina alăturată]. Dacă nu puteți utiliza tablă de aluminiu, montați bobina în interiorul unei cutii de proiect din plastic. Pentru a izola balanța de curenții de aer, fixați întregul ansamblu într-o placă de brânză acoperită cu sticlă, cu foaia de aluminiu stând în poziție verticală, astfel încât acul să se miște în sus și în jos. Cele două sârme de protecție grele canibalizate de la contor sunt montate pe suportul de aluminiu pentru a limita amplitudinea de mișcare a acului.

Lipiți cu epoxid un șurub mic pe suportul de aluminiu, chiar în spatele vârfului acului. Acul trebuie să treacă chiar prin fața șurubului, fără să se atingă. Acoperiți șurubul cu o bucată mică de hârtie de construcție, apoi trasați o linie orizontală subțire în centrul hârtiei. Această linie definește poziția zero a cântarului.

Tava pentru specimene care atârnă de ac este doar un mic cadru confecționat artizanal prin îndoirea sârmei neizolate. Diametrul exact al sârmei nu este critic, dar păstrați-o subțire: sârma de calibru 28 funcționează bine. Un cerc mic de folie de aluminiu se sprijină la baza cadrului de sârmă și servește drept tavă. Pentru a evita contaminarea cu uleiuri corporale, nu atingeți niciodată tava (sau specimenul) cu degetele; folosiți întotdeauna o pensetă.

Pentru a energiza bobina galvanometrului, veți avea nevoie de un circuit care să furnizeze o tensiune stabilă de cinci volți [a se vedea schema de mai jos]. Nu înlocuiți bateriile cu un adaptor AC-DC decât dacă sunteți dispuși să adăugați filtre care pot suprima fluctuațiile de tensiune de joasă frecvență, care se pot scurge în sistem de la adaptor. Fluctuațiile mici de 0,1 milivolți vă vor reduce drastic capacitatea de a rezolva cele mai mici greutăți.

Dispozitivul utilizează două rezistențe variabile de precizie, de 100 kilohm, cu 10 ture (numite și potențiometre sau reostate) - prima pentru a regla tensiunea prin bobină, iar a doua pentru a furniza o referință zero. Un condensator de 20 de microfarad amortizează bobina împotriva oricăror sacadări în răspunsul rezistențelor și ajută la efectuarea oricăror ajustări delicate ale poziției acului. Pentru a măsura tensiunea pe bobină, veți avea nevoie de un voltmetru digital care citește până la 0,1 milivolți. Radio Shack vinde versiuni portabile pentru mai puțin de 80 de dolari. Folosind o sursă de alimentare de cinci volți, cântarul lui Schmermund poate ridica 150 de miligrame. Pentru greutăți mai mari, înlocuiți cipul regulator de tensiune de tip 7805 cu un cip 7812. Acesta va produce o tensiune stabilă de 12 volți și va ridica obiecte care cântăresc aproape o jumătate de gram.

Pentru a calibra cântarul, veți avea nevoie de un set de greutăți cunoscute de micrograme. O singură greutate calibrată de înaltă precizie între 1 și 100 de micrograme costă de obicei 75 de dolari și veți avea nevoie de cel puțin două. Există, totuși, o modalitate mai ieftină. Society for Amateur Scientists pune la dispoziție, la prețul de 10 $, seturi de două greutăți calibrate pentru micrograme, potrivite pentru acest proiect. Rețineți că aceste două greutăți vă permit să vă calibrați balanța cu patru mase cunoscute: zero, greutatea unu, greutatea doi și suma celor două greutăți.

Pentru a efectua o măsurătoare, începeți cu vasul balanței gol. Acoperiți dispozitivul cu carcasa de sticlă. Înăbușiți curentul electric prin reglarea primei rezistențe la valoarea sa cea mai mare. Apoi, reglați a doua rezistență până când tensiunea este cât mai aproape de zero. Notați această tensiune și nu mai atingeți această rezistență până când nu ați terminat întregul set de măsurători. Acum măriți prima rezistență până când acul se scufundă până la opritorul inferior, apoi rotiți-o înapoi astfel încât acul să revină la semnul zero. Notați din nou citirea tensiunii. Utilizați media celor trei măsurători de tensiune pentru a defini punctul zero al scalei.

Apoi, creșteți rezistența până când acul ajunge să se sprijine pe suportul inferior al firului. Puneți o greutate în tavă și reduceți rezistența până când armătura întunecă din nou linia. Înregistrați tensiunea. Din nou, repetați măsurarea de trei ori și luați media. Diferența dintre aceste două tensiuni medii este o măsură directă a greutății specimenului.

După ce ați măsurat greutățile calibrate, reprezentați grafic masa ridicată în funcție de tensiunea aplicată. Datele ar trebui să cadă pe o linie dreaptă. Masa corespunzătoare oricărei tensiuni intermediare poate fi apoi citită direct de pe curbă.

Balanța lui Schmermund este extrem de liniară peste 10 miligrame. Panta liniei de calibrare a scăzut cu numai 4 % la 500 de micrograme, cea mai mică greutate calibrată pe care o aveam la dispoziție. Cu toate acestea, vă sugerez insistent să vă calibrați balanța de fiecare dată când o utilizați și să comparați întotdeauna eșantioanele direct cu greutățile calibrate.

 

[fidelis]

link aici, același tip, aceeași revistă, dar publicată 4 ani mai târziu


Trăiesc pentru zilele de vineri. Asta pentru că, de obicei, îmi petrec acea zi făcând drumeții prin San Diego cu o adunare eclectică de iconoclaști, inclusiv câțiva tehnologi geniali și unii dintre cei mai dragi prieteni ai mei. Suntem conectați prin dragostea noastră pentru instrumentație și pasiunea noastră comună pentru dezvoltarea de soluții ieftine la diverse provocări experimentale. Acest interes comun conduce la rivalități amicale, ale căror rezultate alimentează adesea această rubrică.

Să luăm ca exemplu problema măsurării maselor extrem de mici. George Schmermund a dezvoltat o abordare fantastică, pe care am descris-o în aceste pagini în iunie 1996. George a extras bobina și armătura de la un galvanometru aruncat și le-a montat în poziție verticală, astfel încât acul contorului să se deplaseze într-un plan vertical. El a conectat apoi bobina la o tensiune variabilă și a reglat-o până când acul a fost exact orizontal. O mică masă cu greutate cunoscută, plasată la capătul acului, l-a tras în jos. George a mărit apoi tensiunea până când brațul a revenit la poziția inițială. Deoarece o masă mai grea necesită o creștere proporțional mai mare a tensiunii pentru a o echilibra, modificarea tensiunii a indicat greutatea unei probe. Electrobalanța lui George a fost capabilă să cântărească mase atât de mici precum 10 micrograme (adică 10 milionimi dintr-un gram).

Această realizare a fost suficient de uimitoare pentru mine, dar recent organizatorul ieșirilor noastre săptămânale, Greg Schmidt, a realizat că și această performanță uimitoare poate fi îmbunătățită. Designul lui Greg elimină necesitatea ajustării manuale a acului: balanța se resetează și se nivelează automat și poate urmări în permanență modul în care un obiect își modifică masa - de exemplu, rata la care o singură furnică pierde apă prin respirație. Rezultatul este o electrobalanță extrem de versatilă, cu o sensibilitate de micrograme, care poate fi construită pentru mai puțin de 100 de dolari.

Iată cum funcționează. Greg a preluat proiectul de bază al lui George și a adăugat un microcontroler ieftin (un mic computer cu unitatea centrală de procesare și memoria pe un singur cip), instruindu-l să trimită 2 000 de impulsuri de curent slab prin bobină în fiecare secundă. Inerția armăturii și a acului le împiedică să răspundă la fiecare impuls scurt, astfel încât deviația reflectă curentul mediu din bobină. Cu toate acestea, impulsurile individuale par să fie suficient de mari pentru a face să vibreze rulmenții galvanometrului lui Greg. El crede că această ușoară vibrație reduce "aderența", tendința unui rulment de a se bloca în loc atunci când nu este în mișcare. Acest efect pare să explice de ce un galvanometru ieftin ca al său poate răspunde la forța unor mase atât de mici.

CABLAJUL ELECTRONIC necesar pentru proiect este minim, deoarece microcomputerul utilizat se află pe o placă autonomă. Pe lângă senzorul optic integrat (care conține un fototransistor și o diodă emițătoare de lumină), trebuie conectate doar două tranzistoare, o rezistență și o diodă. Deși performanța circuitului "oglindă de curent" va fi superioară dacă cele două tranzistoare ale sale se află pe același cip de siliciu, se pot utiliza tranzistoare NPN separate dacă carcasele lor sunt atașate (așa cum se arată mai sus) astfel încât ambele să rămână exact la aceeași temperatură.

Totuși, Greg nu și-a proiectat circuitul pentru a reduce aderența. Această caracteristică s-a dovedit a fi un beneficiu neprevăzut al utilizării "modulării lățimii impulsurilor" pentru a controla curentul mediu trimis prin bobină. Cu această schemă, timpul dintre impulsurile succesive rămâne același, dar microcontrolerul variază ciclul de funcționare - fracțiunea din ciclu în timpul căreia curentul rămâne activ. Trenurile de impulsuri cu cicluri de funcționare scurte energizează bobina doar pentru o mică parte din timpul total și astfel pot ridica doar cele mai mici greutăți, în timp ce trenurile de impulsuri cu cicluri de funcționare mai lungi pot ridica sarcini mai grele. Microprocesorul lui Greg poate genera 1 024 de valori diferite pentru ciclul de funcționare. Acest număr stabilește gama dinamică a balanței. Dacă curentul maxim este setat astfel încât aparatul să poată ridica până la un miligram, de exemplu, cea mai mică masă detectabilă va fi de aproximativ un microgram.

O astfel de sensibilitate este destul de impresionantă. Cu toate acestea, microcomputerul care conduce spectacolul nu trebuie să fie ceva special. Într-adevăr, există o gamă amețitoare de opțiuni din care se poate alege. Dar dacă nu aveți nici cea mai vagă idee despre cum să alegeți și să programați un microprocesor, nu vă faceți griji: Greg și-a dezvoltat instrumentul cu gândul la începători. El a folosit kitul de evaluare a microcontrolerului flash Atmel AT 89/90 Series, care include un microcomputer complet funcțional și extrem de versatil, unul care se conectează direct la un computer personal. Acest kit (modelul STK-200) include tot ce aveți nevoie pentru a porni și costă mai puțin de 50 de dolari (consultați Amtel Corporation pentru o listă de furnizori).

Din păcate pentru utilizatorii de Macintosh, acest sistem suportă numai compatibile IBM. În orice caz, nu trebuie să programați totul de la zero, deoarece Greg a dezvoltat tot software-ul necesar pentru a utiliza dispozitivul, inclusiv instrucțiunile care arată greutatea în timp real pe un mic afișaj cu cristale lichide (număr de catalog 73-1058-ND de la Digi-Key; 800-344-4539). Codul său poate fi descărcat gratuit de pe site-ul web al Society for Amateur Scientists.

La fel ca în cazul proiectului original al lui George, aproape orice galvanometru luat dintr-un coș de gunoi va funcționa. Trebuie doar să vă asigurați că acesta măsoară curenți mici și că acul său tinde să rămână pe loc atunci când unitatea este oscilată rapid de pe o parte pe alta. În timp ce prototipul lui George necesita ca operatorul să se holbeze la ac, electrobalanța lui Greg detectează electronic poziția acului folosind un fototransistor și o diodă emițătoare de lumină, pe care le puteți achiziționa și de la Digi-Key (numărul de catalog QVA11334QT-ND cuprinde o singură unitate). Înțepați o bucată mică de folie de aluminiu cu un ac și centrați gaura pe fototransistor, așa cum se arată la pagina 90. Cu folia care acoperă cea mai mare parte a fototransistorului, semnalul va trece foarte rapid de la total pornit la total oprit atunci când acul întrerupe lumina de la diodă. Atașați o așchie de lemn de balsa așa cum se arată pentru a opri acul exact în acel punct.

Dacă în bobină este prea puțin curent, acul se va sprijini pe bucata inferioară de balsa și va bloca lumina. Prea mult curent ridică acul complet din calea luminii. Software-ul lui Greg utilizează un algoritm sofisticat pentru a menține acul echilibrat între aceste două stări. După ce dispozitivul a fost calibrat și reglat corespunzător, această lățime a impulsului reflectă masa probei.

ÎNREGISTRAREA CONTINUĂ a modificării greutății unei lungimi de un centimetru de fir umezit demonstrează versatilitatea acestui instrument ieftin.

Circuitul de control care ajută la realizarea acestei magii este prezentat mai sus. Va trebui să reglați valoarea lui R1 pentru a seta curentul maxim la o valoare pe care contorul dvs. o poate suporta. Curentul la scară maximă ar putea fi indicat pe contor. În caz contrar, utilizați un rezistor variabil, o baterie de nouă volți și un curentmetru pentru a-l măsura. Deoarece galvanometrul lui Greg a atins maximul de cinci miliamperi, acesta a programat microcontrolerul să creeze un curent de cinci miliamperi prin transmiterea unui impuls de cinci volți printr-un rezistor de un kilohm.

Cu toate acestea, acest curent nu este direcționat prin bobină. Acesta trece mai degrabă printr-un circuit numit oglindă de curent, care forțează un curent identic să treacă în bobină. Acest truc îmbunătățește dramatic stabilitatea pe termen lung a balanței. De ce? Rezistența bobinei depinde de temperatura acesteia, care crește ori de câte ori energia electrică este disipată în interiorul ei. Dar circuitul în oglindă menține curentul constant indiferent de temperatura bobinei.

Bineînțeles, rezistența lui R1 va varia ea însăși în funcție de temperatură, ceea ce ar putea face ca calibrarea să devieze. Deci, veți dori să utilizați o componentă cu un coeficient de temperatură scăzut. De exemplu, un rezistor cu peliculă metalică cu o toleranță de 1%, de obicei, variază cu doar 50 de părți pe milion pentru fiecare grad Celsius. De asemenea, va trebui să mențineți cele două tranzistoare din oglinda de curent la aceeași temperatură pentru a preveni derapajul circuitului. Cel mai bine este să utilizați un set de tranzistoare potrivite pe un singur cip de siliciu, cum ar fi CA3086 (48 de cenți de la Circuit Specialists; 800-528-1417). În caz contrar, conectați două tranzistoare de comutare NPN identice împreună, cu carcasele lor atingându-se, așa cum se arată mai sus.

În graficul din stânga este prezentată o demonstrație încântătoare a sensibilității pe care o atinge aparatul său. Greg a înmuiat un centimetru de ață fină în apă. A monitorizat apoi greutatea acestuia pe măsură ce apa se evapora încet. Remarcabil.