дешевые самодельные микрограммовые весы

[fidelis]

Шон Карлсон (Scientific American, июнь 1996), но взято с веспиаровской ссылки. однако я выложу обновленную версию в ответах!!! ^_^

Микрограммовые весы - это умные устройства, способные измерять фантастически крошечные массы. В лучших моделях используется хитроумное сочетание механической изоляции, теплоизоляции и электронных хитростей, позволяющее производить воспроизводимые измерения вплоть до одной десятой миллионной доли грамма. Со сложными стеклянными корпусами и полированными позолоченными креплениями эти весы больше похожи на произведения искусства, чем на научные приборы. Новые модели могут стоить более 10 000 долларов, и часто требуется прикосновение мастера, чтобы выудить достоверные данные из фонового шума.

Но при всей своей дороговизне и внешней сложности эти приборы, по сути, довольно просты. Один из распространенных типов использует магнитную катушку для создания крутящего момента, который деликатно уравновешивает образец на конце рычага. Увеличение электрического тока в катушке увеличивает крутящий момент. Таким образом, сила тока, необходимая для компенсации веса образца, является прямой мерой его массы. Катушки в коммерческих весах установлены на шарнирах из полированного синего сапфира. Сапфиры используются потому, что их исключительная твердость (тверже только алмазы) не позволяет шарнирам изнашиваться. Сложные сенсорные устройства и схемы контролируют ток в катушке - вот почему микрограммовые электровесы так дороги.

И это хорошая новость для любителей. Если вы готовы заменить свои глаза на датчики, а руки - на схемы управления, вы сможете собрать тонкий электробаланс менее чем за 30 долларов.

Джордж Шмермунд из Висты, штат Калифорния, разъяснил мне этот факт. Более 20 лет Шмермунд руководит небольшой компанией Science Resources, которая занимается покупкой, ремонтом и настройкой научного оборудования. Хотя для своих клиентов он может быть строгим профессионалом, я знаю его как свободную душу, которая проводит время в мире бизнеса только для того, чтобы заработать достаточно денег для потакания своей истинной страсти - любительской науки.

Шмермунд уже владеет четырьмя дорогими коммерческими микрограммовыми весами. Но в интересах развития любительской науки он решил проверить, насколько хорошо он сможет работать по дешевке. Его гениальная уловка заключалась в том, чтобы соединить сырную доску и старый гальванометр - прибор, измеряющий силу тока. В результате получились электровесы, способные определять вес от 10 микрограммов до 500 000 микрограммов (0,5 грамма).

Точность измерений впечатляет. Я лично убедился, что его конструкция может измерять с точностью до 1 процента массу, превышающую один миллиграмм. Более того, он может различать массы в 100-микрограммовом диапазоне, которые отличаются всего на два микрограмма. А расчеты показывают, что прибор может измерять отдельные массы до 10 микрограммов (у меня не было таких маленьких весов для тестирования).

Важнейший компонент - гальванометр - легко найти. Эти устройства являются центральным элементом большинства старых аналоговых электроизмерительных приборов, в которых используется игла, закрепленная на катушке. Ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле, которое отклоняет иглу. В конструкции Шмермунда игла, установленная в вертикальной плоскости, выступает в роли рычага: образцы свисают с кончика иглы.

В магазинах электронных излишков наверняка найдется несколько аналоговых гальванометров. Хороший способ оценить качество - слегка покачать прибор из стороны в сторону. Если игла останется на месте, значит, вы держите подходящую катушку. Помимо этого теста, при выборе хорошего измерительного прибора я руководствуюсь странным чувством эстетики. Описать это чувство довольно сложно, но если при взгляде на прибор я говорю: "Вот это красивый прибор!", то я его покупаю. В этой эстетической нечеткости есть и практическая польза. В тонко сделанных и тщательно спроектированных измерительных приборах обычно используются изысканные катушки, которые ничуть не хуже катушек, используемых в прекрасных электробалансах, с сапфировыми подшипниками и всем остальным. Чтобы собрать баланс, аккуратно освободите катушку из корпуса измерительного прибора, стараясь не повредить иглу. Установите катушку на лист алюминия [см. рисунок на противоположной странице]. Если вы не можете использовать алюминиевый лист, установите катушку в пластиковую коробку. Чтобы изолировать баланс от воздушных потоков, закрепите весь узел в покрытой стеклом доске для сыра, причем алюминиевый лист должен стоять вертикально, чтобы игла двигалась вверх и вниз. Два тяжелых защитных провода, снятых с измерительного прибора, крепятся к алюминиевой опоре, чтобы ограничить диапазон движения иглы.

Прикрепите эпоксидной смолой небольшой болт к алюминиевой опоре, сразу за кончиком иглы. Игла должна проходить прямо перед болтом, не касаясь его. Накройте болт небольшим листом строительной бумаги, затем проведите тонкую горизонтальную линию через центр бумаги. Эта линия определяет нулевое положение шкалы.

Лоток для образцов, который подвешивается к игле, - это всего лишь небольшая рамка, изготовленная в домашних условиях путем сгибания неизолированной проволоки. Точный диаметр проволоки не имеет значения, но пусть она будет тонкой: 28 калибров вполне подойдет. Маленький кружок алюминиевой фольги лежит в основании проволочного каркаса и служит поддоном. Чтобы избежать загрязнения телесными маслами, никогда не прикасайтесь к подносу (или образцу) пальцами; лучше всегда используйте пинцет.

Чтобы запитать катушку гальванометра, вам понадобится схема, обеспечивающая стабильное напряжение 5 вольт [см. схему ниже]. Не заменяйте батареи адаптером переменного тока на постоянный, если вы не готовы добавить фильтры, подавляющие низкочастотные колебания напряжения, которые могут просочиться в систему из адаптера. Колебания величиной всего 0,1 милливольта резко снижают вашу способность определять самые малые веса.

В устройстве используются два прецизионных 10-оборотных переменных резистора (называемых также потенциометрами или реостатами) сопротивлением 100 кОм - первый для регулировки напряжения на катушке, а второй - для установки нуля. 20-микрофарадный конденсатор предохраняет катушку от любых рывков в реакции резисторов и помогает в тонкой настройке положения иглы. Чтобы измерить напряжение на катушке, вам понадобится цифровой вольтметр с точностью до 0,1 милливольта. В магазине Radio Shack продаются портативные версии по цене менее 80 долларов. Используя пятивольтовый источник питания, весы Шмермунда могут поднимать 150 миллиграммов. Для больших весов замените микросхему-регулятор напряжения типа 7805 на микросхему 7812. Она будет выдавать стабильные 12 вольт и поднимать предметы весом почти в полграмма.

Чтобы откалибровать весы, вам понадобится набор известных микрограммовых гирь. Одна высокоточная калиброванная гиря весом от одного до 100 микрограммов обычно стоит 75 долларов, а вам понадобится как минимум две. Однако есть и более дешевый способ. Общество ученых-любителей предлагает за 10 долларов наборы из двух калиброванных микрограммовых гирь, подходящих для этого проекта. Обратите внимание, что эти две гири позволят вам откалибровать весы по четырем известным массам: нулю, первой гире, второй гире и сумме двух гирь.

Чтобы провести измерение, начните с пустой чаши весов. Накройте прибор стеклянным корпусом. Подавите электрический ток, установив первый резистор на максимальное значение. Затем установите второй резистор так, чтобы напряжение было максимально близко к нулю. Запишите это напряжение и больше не трогайте этот резистор, пока не закончите весь набор измерений. Теперь подкрутите первый резистор, пока игла не опустится до нижнего упора, затем поверните его обратно, чтобы игла вернулась к нулевой отметке. Снова запишите показания напряжения. Используйте среднее значение трех измерений напряжения для определения нулевой точки шкалы.

Далее увеличивайте сопротивление, пока игла не упрется в нижнюю проволочную опору. Поместите груз в лоток и уменьшайте сопротивление до тех пор, пока якорь снова не заслонит линию. Запишите напряжение. Повторите измерение три раза и возьмите среднее значение. Разница между этими двумя средними значениями напряжения является прямым показателем веса образца.

После измерения калиброванных весов постройте график зависимости поднятой массы от приложенного напряжения. Данные должны лежать на прямой линии. Масса, соответствующая любому промежуточному напряжению, может быть считана прямо с кривой.

Весы Шмермунда чрезвычайно линейны в диапазоне выше 10 миллиграммов. Наклон калибровочной линии уменьшился всего на 4 процента при 500 микрограммах - наименьшей калиброванной массе, которая была в нашем распоряжении. Тем не менее, я настоятельно рекомендую калибровать весы при каждом использовании и всегда сравнивать образцы непосредственно с калиброванными гирями.

 

[fidelis]

Ссылка здесь, тот же парень, тот же журнал, но опубликованный 4 года спустя


Я живу по пятницам. Потому что обычно я провожу этот день в походах по пустошам Сан-Диего с эклектичной компанией иконоборцев, включая нескольких блестящих технологов и некоторых из моих самых дорогих друзей. Нас объединяет любовь к приборам и общая страсть к разработке недорогих решений для различных экспериментальных задач. Этот общий интерес приводит к дружескому соперничеству, результаты которого часто становятся основой для этой колонки.

Возьмем, к примеру, проблему измерения сверхмалых масс. Джордж Шмермунд разработал фантастический подход, который я описал на этих страницах в июне 1996 года. Джордж извлек катушку и якорь из выброшенного гальванометра и установил их вертикально, так что игла измерительного прибора двигалась в вертикальной плоскости. Затем он подключил катушку к переменному напряжению и регулировал его до тех пор, пока игла не стала точно горизонтальной. Крошечная масса известной массы, помещенная на конце иглы, потянула ее вниз. Джордж увеличивал напряжение до тех пор, пока рычаг не возвращался в исходное положение. Поскольку для уравновешивания более тяжелой массы требовалось пропорционально большее увеличение напряжения, изменение напряжения указывало на вес образца. Электровесы Джорджа могли взвешивать образцы массой до 10 микрограммов (то есть 10 миллионных долей грамма).

Это достижение было достаточно ошеломляющим для меня, но недавно организатор наших еженедельных выездов Грег Шмидт понял, что даже эту потрясающую производительность можно улучшить. Конструкция Грега избавляет от необходимости вручную настраивать иглу: весы автоматически обнуляются (или "обнуляются") и выравниваются, и они могут непрерывно отслеживать изменение массы объекта - например, скорость, с которой один муравей теряет воду в процессе дыхания. В результате получился чрезвычайно универсальный электробаланс с микрограммовой чувствительностью, который можно собрать менее чем за 100 долларов.

Вот как это работает. Грег взял базовую конструкцию Джорджа и добавил недорогой микроконтроллер (маленький компьютер с центральным процессором и памятью на одном чипе), поручив ему посылать через катушку 2 000 слабых импульсов тока каждую секунду. Инерция якоря и иглы не позволяет им реагировать на каждый короткий импульс, поэтому отклонение отражает среднее значение тока в катушке. Однако отдельные импульсы кажутся достаточно большими, чтобы колебать подшипники гальванометра Грега. Он считает, что это небольшое дрожание уменьшает "заедание" - тенденцию подшипника фиксироваться на месте, когда он не движется. Этот эффект, похоже, объясняет, почему такой недорогой измерительный прибор, как его, может реагировать на тягу таких крошечных масс.

ЭЛЕКТРОННАЯ СВЯЗЬ, необходимая для проекта, минимальна, поскольку используемый микрокомпьютер расположен на автономной плате. Необходимо подключить только два транзистора, резистор и диод в дополнение к встроенному оптическому датчику (который содержит фототранзистор и светодиод). Хотя производительность схемы "токового зеркала" будет выше, если два транзистора будут находиться на одном кремниевом чипе, можно использовать и отдельные NPN-транзисторы, если закрепить их корпуса (как показано выше) так, чтобы они оба находились при одинаковой температуре.

Однако Грег не разрабатывал свою схему для уменьшения заедания. Эта особенность оказалась непредвиденным преимуществом использования "широтно-импульсной модуляции" для управления средним током, проходящим через катушку. При такой схеме время между последовательными импульсами остается неизменным, но микроконтроллер изменяет рабочий цикл - долю цикла, в течение которой ток остается включенным. Импульсы с коротким рабочим циклом подают напряжение на катушку лишь на малую часть общего времени и поэтому могут поднимать только самые маленькие грузы, в то время как импульсы с более длинным рабочим циклом могут поднимать более тяжелые грузы. Микропроцессор Грега может генерировать 1024 различных значения рабочего цикла. Это число определяет динамический диапазон баланса. Если максимальный ток установлен таким образом, что прибор может поднять, например, один миллиграмм, то наименьшая обнаруживаемая масса составит около одного микрограмма.

Такая чувствительность впечатляет. При этом микрокомпьютер, управляющий работой прибора, не должен быть чем-то особенным. В самом деле, на выбор предлагается головокружительное множество вариантов. Но если вы понятия не имеете, как выбрать и запрограммировать микропроцессор, не волнуйтесь: Грег разработал свой прибор с расчетом на новичков. Он использовал оценочный набор флэш-микроконтроллеров Atmel серии AT 89/90, который включает в себя полнофункциональный и чрезвычайно универсальный микрокомпьютер, подключаемый непосредственно к персональному компьютеру. Этот набор (модель STK-200) включает все необходимое для начала работы и стоит менее 50 долларов (список поставщиков см. на сайте Amtel Corporation).

К сожалению для пользователей Macintosh, эта система поддерживает только IBM-совместимые компьютеры. В любом случае, вам не придется программировать все с нуля, потому что Грег разработал все программное обеспечение, необходимое для работы устройства, включая инструкции, которые показывают вес в реальном времени на небольшом жидкокристаллическом дисплее (номер по каталогу 73-1058-ND от Digi-Key; 800-344-4539). Вы можете бесплатно загрузить его код с веб-сайта Общества ученых-любителей.

Как и в случае с оригинальной разработкой Джорджа, подойдет практически любой гальванометр, взятый из мусорного ведра. Только убедитесь, что он измеряет малые токи и что его игла остается на месте, когда прибор быстро раскачивается из стороны в сторону. В то время как прототип Джорджа требовал, чтобы оператор смотрел на иглу, электробаланс Грега определяет положение иглы электронным способом с помощью фототранзистора и светоизлучающего диода, которые вы также можете приобрести в Digi-Key (каталожный номер QVA11334QT-ND включает в себя один блок). Проткните небольшой кусок алюминиевой фольги булавкой и отцентрируйте отверстие на фототранзисторе, как показано на стр. 90. Поскольку фольга закрывает большую часть фототранзистора, сигнал будет быстро переходить от полного включения к полному выключению, когда игла прерывает свет от диода. Прикрепите кусочек бальзы, как показано на рисунке, чтобы остановить иглу именно в этой точке.

Если в катушке слишком мало тока, игла будет упираться в нижний кусочек бальзы и блокировать свет. Слишком большой ток полностью убирает иглу со светового пути. Программное обеспечение Грега использует сложный алгоритм для поддержания баланса между этими двумя состояниями. После правильной калибровки и настройки прибора ширина импульса отражает массу образца.

Постоянная запись изменения массы сантиметрового отрезка увлажненной нити демонстрирует универсальность этого недорогого прибора.

Схема управления, которая помогает осуществить все это волшебство, показана выше. Вам нужно будет отрегулировать значение R1, чтобы установить максимальный ток, который может выдержать ваш измерительный прибор. Полномасштабный ток может быть указан на приборе. В противном случае для его измерения используйте переменный резистор, девятивольтовую батарейку и измеритель тока. Так как гальванометр Грега показывал максимум пять миллиампер, он запрограммировал микроконтроллер на создание пятимиллиамперного тока путем подачи пятивольтового импульса через резистор сопротивлением один кОм.

Однако этот ток не проходит через катушку. Вместо этого он проходит через цепь, называемую токовым зеркалом, которое заставляет идентичный ток проходить в катушку. Этот трюк значительно повышает долговременную стабильность баланса. Почему? Сопротивление катушки зависит от ее температуры, которая повышается, когда в ней рассеивается электрическая энергия. Но зеркальная цепь поддерживает ток постоянным, независимо от температуры катушки.

Конечно, сопротивление R1 само по себе будет несколько меняться в зависимости от температуры, что может привести к смещению калибровки. Поэтому лучше использовать компонент с низким температурным коэффициентом. Например, резистор из металлической пленки с допуском 1 процент обычно изменяется на 50 частей на миллион при каждом градусе Цельсия. Чтобы предотвратить дрейф цепи, необходимо также поддерживать одинаковую температуру двух транзисторов в токовом зеркале. Лучше всего использовать набор согласованных транзисторов на одном кремниевом чипе, например CA3086 (48 центов от Circuit Specialists; 800-528-1417). В противном случае соедините два одинаковых NPN-переключающих транзистора вместе так, чтобы их корпуса соприкасались, как показано выше.

Восхитительная демонстрация чувствительности, которой достигает его прибор, показана на графике слева. Грег намочил сантиметровый отрезок тонкой нити в воде. Затем он следил за ее весом, пока вода медленно испарялась. Замечательно.