Shawn Carlson (Scientific American, jún 1996), ale prevzaté z odkazu na vespiary. v odpovediach však uverejním aktualizovanú verziu!!! ^_^
Mikrogramové váhy sú šikovné zariadenia, ktoré dokážu merať fantasticky malé hmotnosti. Špičkové modely využívajú dômyselnú kombináciu mechanickej izolácie, tepelnej izolácie a elektronického kúzla na dosiahnutie opakovateľných meraní s presnosťou na jednu desatinu milióntiny jedného gramu. Tieto váhy s prepracovanými sklenenými krytmi a lešteným pozláteným príslušenstvom vyzerajú skôr ako umelecké diela než ako vedecké prístroje. Nové modely môžu stáť viac ako 10 000 dolárov a často si vyžadujú majstrovský prístup, aby sa z okolitého šumu vylúčili spoľahlivé údaje.
Ale napriek svojej cene a vonkajšej zložitosti sú tieto prístroje v podstate celkom jednoduché. Jeden z bežných typov využíva magnetickú cievku na vytvorenie krútiaceho momentu, ktorý jemne vyvažuje vzorku na konci pákového ramena. Zvyšovaním elektrického prúdu v cievke sa zvyšuje krútiaci moment. Prúd potrebný na vyváženie hmotnosti vzorky je teda priamou mierou jej hmotnosti. Cievky v komerčných váhach sú na čapoch z lešteného modrého zafíru. Zafíry sa používajú preto, lebo ich extrémna tvrdosť (tvrdšie sú len diamanty) zabraňuje opotrebovaniu čapov. Dômyselné snímacie zariadenia a obvody riadia prúd v cievke - preto sú mikrogramové elektrováhy také drahé.
A to je dobrá správa pre amatérov. Ak ste ochotní nahradiť oči za snímače a ruky za riadiace obvody, môžete si postaviť jemnú elektrováhu za menej ako 30 dolárov.
Túto skutočnosť mi objasnil George Schmermund z kalifornskej Visty. Schmermund už viac ako 20 rokov vedie malú spoločnosť Science Resources, ktorá nakupuje, opravuje a upravuje vedecké zariadenia. Aj keď je pre svojich klientov prísnym profesionálom, poznám ho ako slobodného ducha, ktorý trávi čas vo svete podnikania len preto, aby mohol zarobiť dosť peňazí a venovať sa svojej skutočnej vášni - amatérskej vede.
Schmermund už vlastní štyri drahé komerčné mikrogramové váhy. Ale v záujme rozvoja amatérskej vedy sa rozhodol zistiť, ako dobre si dokáže poradiť s lacnými váhami. Jeho dômyselný trik spočíval v kombinácii syrovej dosky a starého galvanometra, prístroja na meranie prúdu. Výsledkom boli elektrováhy, ktoré dokážu určiť hmotnosť od približne 10 mikrogramov až po 500 000 mikrogramov (0,5 gramu).
Presnosť meraní je celkom pôsobivá. Osobne som potvrdil, že jeho konštrukcia dokáže merať s presnosťou na 1 % hmotnosti presahujúce jeden miligram. Okrem toho dokáže rozlíšiť hmotnosti v rozsahu 100 mikrogramov, ktoré sa líšia len o dva mikrogramy. A výpočty naznačujú, že prístroj dokáže merať jednotlivé hmotnosti už od 10 mikrogramov (nemal som na testovanie takú malú hmotnosť).
Rozhodujúca súčasť, galvanometer, sa dá ľahko zohnať. Tieto prístroje sú ústredným prvkom väčšiny starých analógových elektromerov, takých, ktoré používajú ihlu namontovanú na cievke. Prúd pretekajúci cievkou vytvára magnetické pole, ktoré vychýli ihlu. Schmermundova konštrukcia vyžaduje, aby ihla namontovaná vo vertikálnej rovine fungovala ako rameno páky: vzorky visia zo špičky ihly.
V obchodoch s elektronickými prebytkami je pravdepodobne k dispozícii niekoľko analógových galvanometrov. Dobrým spôsobom, ako posúdiť kvalitu, je jemne zatriasť meradlom zo strany na stranu. Ak ihla zostane na mieste, držíte vhodnú cievku. Okrem tohto testu ma pri výbere dobrého meracieho prístroja vedie zvláštny zmysel pre estetiku. Je frustrujúco ťažké opísať tento zmysel, ale ak si pri pohľade na merač poviem: "Tak toto je krásny merač!", kúpim ho. Táto estetická roztopašnosť má aj praktický prínos. V jemne vyrobených a starostlivo navrhnutých meračoch sa zvyčajne nachádzajú vynikajúce cievky, ktoré sú rovnako dobré ako cievky používané v jemných elektrovážkach, so zafírovými ložiskami a všetkým." Ak chcete zostaviť váhu, opatrne uvoľnite cievku z puzdra merača, pričom dávajte pozor, aby ste nepoškodili ihlu. Namontujte cievku na kus hliníka [pozri obrázok na opačnej strane]. Ak nemôžete použiť hliníkový plech, namontujte cievku do plastovej projektovej krabice. Aby ste izolovali váhu od vzdušných prúdov, upevnite celú zostavu do sklenenej dosky na syr, pričom hliníkový plech musí stáť vzpriamene, aby sa ihla pohybovala hore a dole. Dva ťažké ochranné drôty kanibalizované z meracieho prístroja sa pripevnia na hliníkovú podložku, aby sa obmedzil rozsah pohybu ihly.
Na hliníkovú podperu, tesne za špičkou ihly, pripevnite epoxidom malú skrutku. Ihla by mala prechádzať tesne pred skrutkou bez toho, aby sa jej dotýkala. Skrutku zakryte malým kúskom stavebného papiera a potom cez stred papiera nakreslite tenkú vodorovnú čiaru. Táto čiara určuje nulovú polohu stupnice.
Zásobník na vzorky, ktorý visí z ihly, je len malý rámček podomácky vyrobený ohnutím neizolovaného drôtu. Presný priemer drôtu nie je rozhodujúci, ale nech je tenký: dobre funguje drôt s priemerom 28 mm. Na základni drôteného rámu je malý kruh z hliníkovej fólie, ktorý slúži ako podnos. Aby ste sa vyhli kontaminácii telesnými olejmi, nikdy sa nedotýkajte podnosu (alebo vzorky) prstami; vždy radšej použite pinzetu.
Na napájanie cievky galvanometra budete potrebovať obvod, ktorý dodáva stabilných päť voltov [pozri schému zapojenia nižšie]. Nenahradzujte batérie adaptérom striedavého prúdu na jednosmerný, pokiaľ nie ste ochotní pridať filtre, ktoré dokážu potlačiť nízkofrekvenčné výkyvy napätia, ktoré môžu do systému z adaptéra unikať. Kolísanie už od 0,1 milivoltu prudko zníži vašu schopnosť rozlíšiť najmenšie závažia.
Zariadenie používa dva presné, 100kilohmové, 10-otáčkové, premenlivé rezistory (nazývané aj potenciometre alebo reostaty) - prvý na nastavenie napätia na cievke a druhý na zabezpečenie nulovej referencie. Kondenzátor s kapacitou 20 mikrofaradov vyrovnáva cievku proti akémukoľvek trhaniu v odozve rezistorov a pomáha pri jemných úpravách polohy ihly. Na meranie napätia na cievke budete potrebovať digitálny voltmeter s presnosťou na 0,1 milivoltu. Spoločnosť Radio Shack predáva ručné verzie za menej ako 80 USD. Pri použití päťvoltového zdroja dokáže Schmermundova váha zdvihnúť 150 miligramov. Pri väčších hmotnostiach nahraďte čip regulátora napätia typu 7805 čipom 7812. Ten bude produkovať stabilných 12 voltov a zdvihne predmety s hmotnosťou takmer pol gramu.
Na kalibráciu váhy budete potrebovať sadu známych mikrogramových závaží. Jedno vysoko presné kalibrované závažie s hmotnosťou od jedného do 100 mikrogramov zvyčajne stojí 75 dolárov a budete potrebovať aspoň dve. Existuje však aj lacnejší spôsob. Spoločnosť pre amatérskych vedcov dáva k dispozícii za 10 dolárov sady dvoch kalibrovaných mikrogramových závaží vhodných na tento projekt. Všimnite si, že tieto dve závažia vám umožnia kalibrovať váhy so štyrmi známymi hmotnosťami: nula, závažie jedna, závažie dva a súčet týchto dvoch závaží.
Ak chcete vykonať meranie, začnite s prázdnou miskou váh. Zakryte zariadenie skleneným krytom. Tlmte elektrický prúd nastavením prvého rezistora na najvyššiu hodnotu. Potom nastavte druhý rezistor, až kým sa napätie nebude čítať čo najbližšie k nule, ako ho dokážete nastaviť. Toto napätie si zapíšte a tohto rezistora sa už nedotýkajte, kým neukončíte celú sadu meraní. Teraz zvyšujte prvý rezistor, kým ručička neklesne na spodný doraz, a potom ho vráťte späť tak, aby sa ručička vrátila na nulovú hodnotu. Opäť si zapíšte údaj o napätí. Na určenie nulového bodu stupnice použite priemer troch meraní napätia.
Potom zvyšujte odpor, kým sa ihla nezastaví na spodnej opierke drôtu. Umiestnite do zásobníka závažie a znižujte odpor, kým kotva opäť nezakryje čiaru. Zaznamenajte napätie. Opäť meranie zopakujte trikrát a urobte priemer. Rozdiel medzi týmito dvoma priemernými napätiami je priamou mierou hmotnosti vzorky.
Po zmeraní kalibrovaných hmotností zostrojte graf závislosti zdvihnutej hmotnosti od priloženého napätia. Údaje by mali ležať na priamke. Hmotnosť zodpovedajúca akémukoľvek medziproduktu napätia sa potom môže odčítať priamo z krivky.
Schmermundove váhy sú mimoriadne lineárne nad 10 miligramov. Sklon kalibračnej priamky klesol len o 4 % pri 500 mikrogramoch, čo je najmenšia kalibrovaná hmotnosť, ktorú sme mali k dispozícii. Napriek tomu dôrazne odporúčam, aby ste váhu kalibrovali pri každom použití a vždy porovnávali vzorky priamo s kalibrovanými závažiami.
Mikrogramové váhy sú šikovné zariadenia, ktoré dokážu merať fantasticky malé hmotnosti. Špičkové modely využívajú dômyselnú kombináciu mechanickej izolácie, tepelnej izolácie a elektronického kúzla na dosiahnutie opakovateľných meraní s presnosťou na jednu desatinu milióntiny jedného gramu. Tieto váhy s prepracovanými sklenenými krytmi a lešteným pozláteným príslušenstvom vyzerajú skôr ako umelecké diela než ako vedecké prístroje. Nové modely môžu stáť viac ako 10 000 dolárov a často si vyžadujú majstrovský prístup, aby sa z okolitého šumu vylúčili spoľahlivé údaje.
Ale napriek svojej cene a vonkajšej zložitosti sú tieto prístroje v podstate celkom jednoduché. Jeden z bežných typov využíva magnetickú cievku na vytvorenie krútiaceho momentu, ktorý jemne vyvažuje vzorku na konci pákového ramena. Zvyšovaním elektrického prúdu v cievke sa zvyšuje krútiaci moment. Prúd potrebný na vyváženie hmotnosti vzorky je teda priamou mierou jej hmotnosti. Cievky v komerčných váhach sú na čapoch z lešteného modrého zafíru. Zafíry sa používajú preto, lebo ich extrémna tvrdosť (tvrdšie sú len diamanty) zabraňuje opotrebovaniu čapov. Dômyselné snímacie zariadenia a obvody riadia prúd v cievke - preto sú mikrogramové elektrováhy také drahé.
A to je dobrá správa pre amatérov. Ak ste ochotní nahradiť oči za snímače a ruky za riadiace obvody, môžete si postaviť jemnú elektrováhu za menej ako 30 dolárov.
Túto skutočnosť mi objasnil George Schmermund z kalifornskej Visty. Schmermund už viac ako 20 rokov vedie malú spoločnosť Science Resources, ktorá nakupuje, opravuje a upravuje vedecké zariadenia. Aj keď je pre svojich klientov prísnym profesionálom, poznám ho ako slobodného ducha, ktorý trávi čas vo svete podnikania len preto, aby mohol zarobiť dosť peňazí a venovať sa svojej skutočnej vášni - amatérskej vede.
Schmermund už vlastní štyri drahé komerčné mikrogramové váhy. Ale v záujme rozvoja amatérskej vedy sa rozhodol zistiť, ako dobre si dokáže poradiť s lacnými váhami. Jeho dômyselný trik spočíval v kombinácii syrovej dosky a starého galvanometra, prístroja na meranie prúdu. Výsledkom boli elektrováhy, ktoré dokážu určiť hmotnosť od približne 10 mikrogramov až po 500 000 mikrogramov (0,5 gramu).
Presnosť meraní je celkom pôsobivá. Osobne som potvrdil, že jeho konštrukcia dokáže merať s presnosťou na 1 % hmotnosti presahujúce jeden miligram. Okrem toho dokáže rozlíšiť hmotnosti v rozsahu 100 mikrogramov, ktoré sa líšia len o dva mikrogramy. A výpočty naznačujú, že prístroj dokáže merať jednotlivé hmotnosti už od 10 mikrogramov (nemal som na testovanie takú malú hmotnosť).
Rozhodujúca súčasť, galvanometer, sa dá ľahko zohnať. Tieto prístroje sú ústredným prvkom väčšiny starých analógových elektromerov, takých, ktoré používajú ihlu namontovanú na cievke. Prúd pretekajúci cievkou vytvára magnetické pole, ktoré vychýli ihlu. Schmermundova konštrukcia vyžaduje, aby ihla namontovaná vo vertikálnej rovine fungovala ako rameno páky: vzorky visia zo špičky ihly.
V obchodoch s elektronickými prebytkami je pravdepodobne k dispozícii niekoľko analógových galvanometrov. Dobrým spôsobom, ako posúdiť kvalitu, je jemne zatriasť meradlom zo strany na stranu. Ak ihla zostane na mieste, držíte vhodnú cievku. Okrem tohto testu ma pri výbere dobrého meracieho prístroja vedie zvláštny zmysel pre estetiku. Je frustrujúco ťažké opísať tento zmysel, ale ak si pri pohľade na merač poviem: "Tak toto je krásny merač!", kúpim ho. Táto estetická roztopašnosť má aj praktický prínos. V jemne vyrobených a starostlivo navrhnutých meračoch sa zvyčajne nachádzajú vynikajúce cievky, ktoré sú rovnako dobré ako cievky používané v jemných elektrovážkach, so zafírovými ložiskami a všetkým." Ak chcete zostaviť váhu, opatrne uvoľnite cievku z puzdra merača, pričom dávajte pozor, aby ste nepoškodili ihlu. Namontujte cievku na kus hliníka [pozri obrázok na opačnej strane]. Ak nemôžete použiť hliníkový plech, namontujte cievku do plastovej projektovej krabice. Aby ste izolovali váhu od vzdušných prúdov, upevnite celú zostavu do sklenenej dosky na syr, pričom hliníkový plech musí stáť vzpriamene, aby sa ihla pohybovala hore a dole. Dva ťažké ochranné drôty kanibalizované z meracieho prístroja sa pripevnia na hliníkovú podložku, aby sa obmedzil rozsah pohybu ihly.
Na hliníkovú podperu, tesne za špičkou ihly, pripevnite epoxidom malú skrutku. Ihla by mala prechádzať tesne pred skrutkou bez toho, aby sa jej dotýkala. Skrutku zakryte malým kúskom stavebného papiera a potom cez stred papiera nakreslite tenkú vodorovnú čiaru. Táto čiara určuje nulovú polohu stupnice.
Zásobník na vzorky, ktorý visí z ihly, je len malý rámček podomácky vyrobený ohnutím neizolovaného drôtu. Presný priemer drôtu nie je rozhodujúci, ale nech je tenký: dobre funguje drôt s priemerom 28 mm. Na základni drôteného rámu je malý kruh z hliníkovej fólie, ktorý slúži ako podnos. Aby ste sa vyhli kontaminácii telesnými olejmi, nikdy sa nedotýkajte podnosu (alebo vzorky) prstami; vždy radšej použite pinzetu.
Na napájanie cievky galvanometra budete potrebovať obvod, ktorý dodáva stabilných päť voltov [pozri schému zapojenia nižšie]. Nenahradzujte batérie adaptérom striedavého prúdu na jednosmerný, pokiaľ nie ste ochotní pridať filtre, ktoré dokážu potlačiť nízkofrekvenčné výkyvy napätia, ktoré môžu do systému z adaptéra unikať. Kolísanie už od 0,1 milivoltu prudko zníži vašu schopnosť rozlíšiť najmenšie závažia.
Zariadenie používa dva presné, 100kilohmové, 10-otáčkové, premenlivé rezistory (nazývané aj potenciometre alebo reostaty) - prvý na nastavenie napätia na cievke a druhý na zabezpečenie nulovej referencie. Kondenzátor s kapacitou 20 mikrofaradov vyrovnáva cievku proti akémukoľvek trhaniu v odozve rezistorov a pomáha pri jemných úpravách polohy ihly. Na meranie napätia na cievke budete potrebovať digitálny voltmeter s presnosťou na 0,1 milivoltu. Spoločnosť Radio Shack predáva ručné verzie za menej ako 80 USD. Pri použití päťvoltového zdroja dokáže Schmermundova váha zdvihnúť 150 miligramov. Pri väčších hmotnostiach nahraďte čip regulátora napätia typu 7805 čipom 7812. Ten bude produkovať stabilných 12 voltov a zdvihne predmety s hmotnosťou takmer pol gramu.
Na kalibráciu váhy budete potrebovať sadu známych mikrogramových závaží. Jedno vysoko presné kalibrované závažie s hmotnosťou od jedného do 100 mikrogramov zvyčajne stojí 75 dolárov a budete potrebovať aspoň dve. Existuje však aj lacnejší spôsob. Spoločnosť pre amatérskych vedcov dáva k dispozícii za 10 dolárov sady dvoch kalibrovaných mikrogramových závaží vhodných na tento projekt. Všimnite si, že tieto dve závažia vám umožnia kalibrovať váhy so štyrmi známymi hmotnosťami: nula, závažie jedna, závažie dva a súčet týchto dvoch závaží.
Ak chcete vykonať meranie, začnite s prázdnou miskou váh. Zakryte zariadenie skleneným krytom. Tlmte elektrický prúd nastavením prvého rezistora na najvyššiu hodnotu. Potom nastavte druhý rezistor, až kým sa napätie nebude čítať čo najbližšie k nule, ako ho dokážete nastaviť. Toto napätie si zapíšte a tohto rezistora sa už nedotýkajte, kým neukončíte celú sadu meraní. Teraz zvyšujte prvý rezistor, kým ručička neklesne na spodný doraz, a potom ho vráťte späť tak, aby sa ručička vrátila na nulovú hodnotu. Opäť si zapíšte údaj o napätí. Na určenie nulového bodu stupnice použite priemer troch meraní napätia.
Potom zvyšujte odpor, kým sa ihla nezastaví na spodnej opierke drôtu. Umiestnite do zásobníka závažie a znižujte odpor, kým kotva opäť nezakryje čiaru. Zaznamenajte napätie. Opäť meranie zopakujte trikrát a urobte priemer. Rozdiel medzi týmito dvoma priemernými napätiami je priamou mierou hmotnosti vzorky.
Po zmeraní kalibrovaných hmotností zostrojte graf závislosti zdvihnutej hmotnosti od priloženého napätia. Údaje by mali ležať na priamke. Hmotnosť zodpovedajúca akémukoľvek medziproduktu napätia sa potom môže odčítať priamo z krivky.
Schmermundove váhy sú mimoriadne lineárne nad 10 miligramov. Sklon kalibračnej priamky klesol len o 4 % pri 500 mikrogramoch, čo je najmenšia kalibrovaná hmotnosť, ktorú sme mali k dispozícii. Napriek tomu dôrazne odporúčam, aby ste váhu kalibrovali pri každom použití a vždy porovnávali vzorky priamo s kalibrovanými závažiami.