poceni domača mikrogramska tehtnica

[fidelis]

Shawn Carlson (Scientific American, junij 1996), vendar vzeto z vesparijeve povezave. vendar bom v odgovorih objavil posodobljeno različico!!! ^_^

Mikrogramske tehtnice so pametne naprave, ki lahko merijo fantastično majhne mase. Vrhunski modeli uporabljajo domiselno kombinacijo mehanske izolacije, toplotne izolacije in elektronskih čarovnij, ki omogočajo ponovljive meritve do ene desetine milijoninke enega grama. Te tehtnice so s svojimi dovršenimi steklenimi ohišji in poliranimi pozlačenimi nastavki bolj podobne umetniškim delom kot znanstvenim instrumentom. Novi modeli lahko stanejo več kot 10.000 dolarjev in pogosto zahtevajo mojstrski dotik, da iz šuma ozadja izluščijo zanesljive podatke.

Vendar so te naprave kljub vsej svoji ceni in zunanji zapletenosti v bistvu zelo preproste. Ena od običajnih vrst uporablja magnetno tuljavo za zagotavljanje navora, ki nežno uravnoteži vzorec na koncu ročice. S povečanjem električnega toka v tuljavi se poveča navor. Tok, ki je potreben za izravnavo teže vzorca, je torej neposredno merilo njegove mase. Tuljave v komercialnih tehtnicah so na tečajih iz poliranega modrega safirja. Safir se uporablja zato, ker zaradi svoje izjemne trdote (trši so le diamanti) preprečuje obrabo čepov. Prefinjene senzorske naprave in vezje nadzorujejo tok v tuljavi - zato so mikrogramske elektrotehtnice tako drage.

To je dobra novica za amaterje. Če ste pripravljeni zamenjati oči za senzorje in roke za krmilna vezja, lahko občutljivo elektrotehtnico sestavite za manj kot 30 dolarjev.

George Schmermund iz Viste v Kaliforniji mi je to pojasnil. Schmermund že več kot 20 let vodi majhno podjetje Science Resources, ki kupuje, popravlja in prilagaja znanstveno opremo. Čeprav je za svoje stranke morda strog strokovnjak, ga poznam kot svobodnega duha, ki se ukvarja s poslovnim svetom samo zato, da lahko zasluži dovolj denarja za svojo pravo strast - ljubiteljsko znanost.

Schmermund ima v lasti že štiri drage komercialne mikrogramske tehtnice. Vendar se je v želji po napredku ljubiteljske znanosti odločil, da bo preveril, kako dobro se lahko odreže s poceni tehtnico. Njegova iznajdljiva poteza je bila, da je združil desko za sir in star galvanometer, napravo za merjenje električnega toka. Rezultat je bila elektrotehtnica, s katero je mogoče določiti težo od približno 10 mikrogramov pa vse do 500 000 mikrogramov (0,5 grama).

Natančnost meritev je zelo impresivna. Osebno sem potrdil, da lahko njegova zasnova do 1 odstotka izmeri mase, ki presegajo en miligram. Poleg tega lahko razlikuje med masami v razponu 100 mikrogramov, ki se razlikujejo le za dva mikrograma. In izračuni kažejo, da lahko instrument meri posamezne mase že pri 10 mikrogramih (za preizkus nisem imel tako majhne uteži).

Ključni sestavni del, galvanometer, ni težko dobiti. Te naprave so osrednji del večine starih analognih električnih merilnikov, ki uporabljajo iglo, nameščeno na tuljavo. Tok, ki teče skozi tuljavo, ustvarja magnetno polje, ki odklanja iglo. Schmermundova zasnova zahteva, da igla, nameščena v navpični ravnini, deluje kot ročica: vzorci visijo s konice igle.

V trgovinah z elektronskimi presežki je verjetno na voljo več analognih galvanometrov. Kakovost lahko ocenite tako, da merilnik rahlo stresete z ene strani na drugo. Če igla ostane na mestu, imate v rokah primerno tuljavo. Poleg tega preizkusa me pri izbiri dobrega merilnika vodi še nenavaden občutek za estetiko. Ta občutek je zelo težko opisati, vendar če ob pogledu na merilnik rečem: "To je lep merilnik!", ga kupim. Ta estetska negotovost ima tudi praktično korist. V fino izdelanih in skrbno zasnovanih merilnikih so običajno nameščene izvrstne tuljave, ki so enako dobre kot tuljave, uporabljene v finih elektrotehtnicah, s safirnimi ležaji in vsem ostalim.Če želite sestaviti tehtnico, nežno osvobodite tuljavo iz ohišja merilnika in pazite, da ne poškodujete igle. Tuljavo pritrdite na odpadno aluminijasto pločevino [glejte sliko na nasprotni strani]. Če ne morete uporabiti aluminijaste pločevine, namestite tuljavo v plastično projektno škatlo. Da bi tehtnico izolirali od zračnih tokov, celoten sklop pritrdite v stekleno desko za sir, pri čemer naj aluminijasta pločevina stoji navpično, tako da se igla premika navzgor in navzdol. Dve težki zaščitni žici, ki sta bili odrezani od merilnika, sta nameščeni na aluminijasto podlago, da omejujeta območje gibanja igle.

Na aluminijasto podlago, tik za konico igle, z epoksidom pritrdite majhen vijak. Igla se mora križati tik pred vijakom, ne da bi se ga dotaknila. Vijak prekrijte z majhnim kosom gradbenega papirja, nato pa čez sredino papirja narišite tanko vodoravno črto. Ta črta določa ničelni položaj lestvice.

Pladenj za vzorce, ki visi na igli, je le majhen okvir, ki ga doma naredimo z upogibanjem neizolirane žice. Natančen premer žice ni bistvenega pomena, vendar naj bo tanka: 28-žična žica se dobro obnese. Majhen krog aluminijaste folije leži na dnu žičnega okvirja in služi kot pladenj. Da bi se izognili kontaminaciji s telesnimi olji, se nikoli ne dotikajte pladnja (ali vzorca) s prsti, temveč vedno uporabite pinceto.

Za napajanje galvanometrske tuljave potrebujete vezje, ki zagotavlja stabilnih pet voltov [glejte spodnjo shemo vezja]. Baterij ne zamenjajte z adapterjem za izmenični tok, razen če ste pripravljeni dodati filtre, ki lahko zavirajo nizkofrekvenčna nihanja napetosti, ki lahko iz adapterja uhajajo v sistem. Že 0,1 milivolta majhna nihanja močno zmanjšajo vašo zmožnost razločevanja najmanjših uteži.

Naprava uporablja dva natančna, 100-kiloohmska, 10-obratna spremenljiva upora (imenovana tudi potenciometri ali reostati) - prvega za prilagajanje napetosti na tuljavi, drugega pa za zagotavljanje referenčne ničle. Kondenzator z 20 mikrofaradi blaži tuljavo pred kakršnim koli nihanjem v odzivu uporov in pomaga pri občutljivem prilagajanju položaja igle. Za merjenje napetosti na tuljavi potrebujete digitalni voltmeter z natančnostjo do 0,1 milivolta. Podjetje Radio Shack prodaja ročne različice za manj kot 80 dolarjev. Schmermundova tehtnica lahko s petvoltnim napajanjem dvigne 150 miligramov. Za večje uteži zamenjajte čip regulatorja napetosti tipa 7805 s čipom 7812. Ta bo proizvedel stabilnih 12 voltov in bo dvignil predmete, ki tehtajo skoraj pol grama.

Za umerjanje tehtnice boste potrebovali niz znanih mikrogramskih uteži. Posamezna zelo natančna kalibrirana utež med enim in 100 mikrogrami običajno stane 75 USD, zato boste potrebovali vsaj dve. Vendar obstaja tudi cenejši način. Društvo znanstvenikov amaterjev daje za 10 USD na voljo kompleta dveh umerjenih mikrogramskih uteži, ki sta primerna za ta projekt. Upoštevajte, da ti dve uteži omogočata umerjanje tehtnice s štirimi znanimi masami: ničlo, utež 1, utež 2 in vsoto obeh uteži.

Meritev začnite s prazno posodo za tehtnico. Napravo pokrijte s steklenim ohišjem. Električni tok dušite tako, da prvi upor nastavite na najvišjo vrednost. Nato nastavite drugi upor, dokler se napetost ne približa ničli, kolikor jo lahko nastavite. To napetost si zapišite in se tega upora ne dotikajte več, dokler ne končate celotnega sklopa meritev. Zdaj povečajte prvi upor, dokler se igla ne potopi do spodnje postaje, nato pa ga obrnite nazaj, da se igla vrne na oznako nič. Ponovno zabeležite odčitano napetost. Uporabite povprečje treh meritev napetosti za določitev ničelne točke lestvice.

Nato povečajte upor, dokler se igla ne ustavi na spodnji žični opori. Na pladenj namestite utež in zmanjšajte upor, dokler armatura ponovno ne zakrije črte. Zapišite napetost. Meritev ponovite trikrat in izračunajte povprečje. Razlika med tema dvema povprečnima napetostma je neposredna mera teže vzorca.

Ko ste izmerili umerjene uteži, narišite diagram dvignjene mase glede na uporabljeno napetost. Podatki morajo biti na ravni črti. Maso, ki ustreza kateri koli vmesni napetosti, lahko nato odčitate naravnost s krivulje.

Schmermundova tehtnica je nad 10 miligramov zelo linearna. Naklon kalibracijske premice se je pri 500 mikrogramih, najmanjši kalibrirani uteži, ki smo jo imeli na voljo, zmanjšal le za 4 odstotke. Kljub temu močno priporočam, da tehtnico umerite vsakič, ko jo uporabljate, in vedno primerjate svoje vzorce neposredno z umerjenimi utežmi.

 

[fidelis]

povezava tukaj, isti človek, ista revija, vendar objavljena štiri leta pozneje


Živim za petke. To pa zato, ker ta dan običajno preživim na pohodu po puščavah San Diega z eklektično druščino ikonoklastov, med katerimi je nekaj briljantnih tehnologov in nekaj mojih najdražjih prijateljev. Povezujeta nas ljubezen do instrumentov in skupna strast do razvijanja poceni rešitev za različne eksperimentalne izzive. To skupno zanimanje vodi v prijateljsko rivalstvo, katerega rezultati se pogosto znajdejo v tej kolumni.

Vzemimo na primer problem merjenja izjemno majhnih mas. George Schmermund je razvil fantastičen pristop, ki sem ga na teh straneh opisal junija 1996. George je iz zavrženega galvanometra izvlekel tuljavo in armaturo ter ju namestil pokonci, tako da se je igla merilnika premikala v navpični ravnini. Nato je tuljavo priključil na spremenljivo napetost in jo nastavljal, dokler ni bila igla natančno vodoravna. Majhna masa z znano težo, nameščena na koncu igle, jo je potegnila navzdol. George je nato povečal napetost, dokler se roka ni vrnila v začetni položaj. Ker je težja masa zahtevala sorazmerno večje povečanje napetosti, da se je uravnotežila, je sprememba napetosti pokazala težo vzorca. Georgeova tehtnica je lahko tehtala mase, majhne kot 10 mikrogramov (to je 10 milijonink grama).

Ta dosežek je bil zame dovolj osupljiv, vendar je pred kratkim organizator naših tedenskih izletov, Greg Schmidt, ugotovil, da je tudi to neverjetno zmogljivost mogoče izboljšati. Gregova zasnova odpravlja potrebo po ročnem nastavljanju igle: tehtnica se samodejno izniči (ali "izravna") in izravna ter lahko neprekinjeno spremlja, kako se spreminja masa predmeta - na primer hitrost, s katero ena sama mravlja izgublja vodo z dihanjem. Rezultat je izjemno vsestranska elektrotehtnica z mikrogramsko občutljivostjo, ki jo je mogoče izdelati za manj kot 100 USD.

Deluje takole. Greg je vzel Georgeovo osnovno zasnovo in dodal poceni mikrokrmilnik (majhen računalnik s centralno procesno enoto in pomnilnikom na enem čipu) ter mu naročil, naj vsako sekundo pošlje 2 000 šibkih tokovnih impulzov skozi tuljavo. Zaradi vztrajnosti armature in igle se ne moreta odzvati na vsak kratek impulz, zato odklon odraža povprečni tok v tuljavi. Vendar se zdi, da so posamezni impulzi dovolj veliki, da lahko razgibajo ležaje Gregovega galvanometra. Po njegovem mnenju to rahlo tresenje zmanjšuje t. i. "zatikanje", težnjo ležaja, da se zaskoči na mestu, ko se ne premika. Zdi se, da ta učinek pojasnjuje, zakaj se lahko poceni merilnik, kot je njegov, odziva na pritisk tako majhnih mas.

ELEKTRONSKA OŽICA, potrebna za projekt, je minimalna, saj je uporabljeni mikroračunalnik nameščen na samostojni plošči. Poleg integriranega optičnega senzorja (ki vsebuje fototranzistor in svetlečo diodo) je treba priključiti le dva tranzistorja, upor in diodo. Čeprav bo delovanje vezja "tokovnega zrcala" boljše, če bosta oba tranzistorja na istem silicijevem čipu, lahko uporabimo ločena tranzistorja NPN, če sta njuni ohišji pritrjeni (kot je prikazano zgoraj), tako da imata oba popolnoma enako temperaturo.

Vendar pa Greg svojega vezja ni zasnoval za zmanjšanje drsenja. Ta funkcija se je izkazala za nepredvideno prednost uporabe "pulznoširinske modulacije" za nadzor povprečnega toka, ki se pošilja skozi tuljavo. Pri tej shemi je čas med zaporednimi impulzi enak, mikrokrmilnik pa spreminja delovni cikel - del cikla, v katerem je tok vklopljen. Impulzni vlaki s kratkimi delovnimi ciklusi dajejo energijo tuljavi le za majhen del celotnega časa, zato lahko dvignejo le najmanjše uteži, medtem ko lahko impulzni vlaki z daljšimi delovnimi ciklusi dvignejo težja bremena. Gregov mikroprocesor lahko ustvari 1 024 različnih vrednosti delovnih ciklov. To število določa dinamično območje tehtnice. Če je največji tok nastavljen tako, da lahko naprava dvigne na primer do enega miligrama, bo najmanjša zaznavna masa približno en mikrogram.

Takšna občutljivost je precej impresivna. Vendar pa mikroračunalniku, ki vodi program, ni treba biti nič posebnega. Pravzaprav je na voljo vrtoglava paleta izbir. Če nimate pojma, kako izbrati in programirati mikroprocesor, ne skrbite: Greg je svoj instrument razvil z mislijo na začetnike. Uporabil je komplet za ocenjevanje bliskovnih mikrokrmilnikov serije Atmel AT 89/90, ki vključuje popolnoma funkcionalen in izjemno vsestranski mikroračunalnik, ki je neposredno povezan z osebnim računalnikom. Ta komplet (model STK-200) vsebuje vse, kar potrebujete za začetek delovanja, in stane manj kot 50 USD (seznam dobaviteljev najdete pri podjetju Amtel Corporation).

Na žalost uporabnikov računalnikov Macintosh ta sistem podpira samo IBM-ove združljive računalnike. Vsekakor vam ni treba programirati vsega od začetka, saj je Greg razvil vso programsko opremo, potrebno za delovanje naprave, vključno z navodili, ki prikazujejo težo v realnem času na majhnem zaslonu s tekočimi kristali (kataloška številka 73-1058-ND podjetja Digi-Key; 800-344-4539). Njegovo programsko kodo lahko brezplačno prenesete s spletne strani Društva za ljubiteljske znanstvenike (Society for Amateur Scientists).

Tako kot pri Georgeovi izvirni zasnovi bo deloval skoraj vsak galvanometer, ki ga najdete v košari za presežke. Prepričajte se le, da meri majhne tokove in da njegova igla ostane na mestu, ko napravo hitro zibamo z ene strani na drugo. Medtem ko je Georgeov prototip zahteval, da mora upravljavec migniti na iglo, Gregova elektrotehtnica zaznava položaj igle elektronsko z uporabo fototranzistorja in svetleče diode, ki ju prav tako lahko kupite pri Digi-Key (kataloška številka QVA11334QT-ND vključuje eno enoto). Z iglo prebodite majhen kos aluminijaste folije in izostrite luknjo na fototranzistorju, kot je prikazano na strani 90. Ker folija prekriva večji del fototranzistorja, bo signal zelo hitro prešel iz polnega vklopa v popoln izklop, ko igla prekine svetlobo iz diode. Pritrdite košček balzovega lesa, kot je prikazano, da se igla ustavi točno na tej točki.

Če je v tuljavi premajhen tok, se bo igla oprla na spodnji kos balze in blokirala svetlobo. Prevelik tok dvigne iglo popolnoma izven poti svetlobe. Gregova programska oprema uporablja zapleten algoritem, ki ohranja iglo v ravnovesju med tema dvema stanjema. Ko je naprava ustrezno umerjena in prilagojena, ta širina impulza odraža maso vzorca.

Nenehno snemanje spreminjanja mase enocentimetrske navlažene niti kaže na vsestranskost tega poceni instrumenta.

Krmilno vezje, ki pomaga pri izvajanju vseh teh čarovnij, je prikazano zgoraj. Vrednost R1 boste morali prilagoditi, da nastavite največji tok na vrednost, ki jo vaš merilnik lahko prenese. Na merilniku je lahko prikazan polni tok. V nasprotnem primeru uporabite spremenljiv upor, devetvoltno baterijo in merilnik toka, da ga izmerite. Ker je Gregov galvanometer dosegel največjo vrednost pet miliamperov, je mikrokrmilnik programiral tako, da je ustvaril tok pet miliamperov, tako da je dal petvoltni impulz čez enokilogramski upor.

Vendar ta tok ni usmerjen skozi tuljavo. Namesto tega teče skozi vezje, imenovano tokovno zrcalo, ki prisili identičen tok, da teče v tuljavo. Ta trik bistveno izboljša dolgoročno stabilnost tehtnice. Zakaj? Upornost tuljave je odvisna od njene temperature, ki se poveča, kadar koli se v njej razprši električna energija. Zrcalni tokokrog pa ohranja tok konstanten ne glede na temperaturo tuljave.

Seveda se tudi upornost R1 nekoliko spreminja s temperaturo, kar lahko povzroči odstopanje kalibracije. Zato boste želeli uporabiti komponento z nizkim temperaturnim koeficientom. Na primer, upor iz kovinske folije s toleranco 1 % se običajno premakne le za 50 delov na milijon na vsako stopinjo Celzija. Tudi oba tranzistorja v tokovnem zrcalu morata imeti enako temperaturo, da preprečite, da bi se to vezje premaknilo. Najbolje je uporabiti niz usklajenih tranzistorjev na enem silicijevem čipu, kot je CA3086 (48 centov pri Circuit Specialists; 800-528-1417). V nasprotnem primeru povežite dva enaka preklopna tranzistorja NPN, tako da se njuni ohišji dotikata, kot je prikazano zgoraj.

Čudovit prikaz občutljivosti, ki jo doseže njegova naprava, je prikazan v grafu na levi strani. Greg je centimeter tanke niti namočil v vodo. Nato je spremljal njeno težo, ko je voda počasi izhlapevala. Izjemno.