av Shawn Carlson (Scientific American, juni 1996) men hämtad från en vespiary-länk. dock kommer jag att publicera en uppdaterad version i svaren !!! ^_^
Mikrogrambalanser är smarta enheter som kan mäta fantastiskt små massor. Toppmodellerna använder en genialisk kombination av mekanisk isolering, värmeisolering och elektronisk trollkonst för att producera repeterbara mätningar ner till en tiondels miljondels gram. Med sina genomarbetade glashöljen och polerade guldpläterade armaturer ser dessa vågar mer ut som konstverk än vetenskapliga instrument. Nya modeller kan kosta mer än 10.000 dollar och kräver ofta en mästares fingertoppskänsla för att få fram tillförlitliga data ur bakgrundsbruset.
Men trots alla kostnader och den yttre komplexiteten är dessa enheter i grund och botten ganska enkla. En vanlig typ använder en magnetspole för att skapa ett vridmoment som balanserar en provkropp i slutet av en hävarm. Genom att öka den elektriska strömmen i spolen ökar vridmomentet. Den ström som krävs för att kompensera för provets vikt är därför ett direkt mått på dess massa. Spolarna i kommersiella vågar sitter på pivoter av polerad blå safir. Safirer används eftersom deras extrema hårdhet (endast diamanter är hårdare) förhindrar att svängtapparna slits. Sofistikerade avkänningsanordningar och kretsar styr strömmen i spolen - vilket är anledningen till att mikrogramelektrovågar är så dyra.
Och det är goda nyheter för amatörer. Om du är villig att byta ut dina ögon mot sensorerna och dina händer mot styrkretsarna, kan du bygga en känslig elektrovåg för mindre än 30 dollar.
George Schmermund i Vista, Kalifornien, gjorde detta faktum klart för mig. I mer än 20 år har Schmermund drivit ett litet företag som heter Science Resources, som köper, reparerar och anpassar vetenskaplig utrustning. Även om han kanske är ett strikt proffs för sina kunder, så känner jag honom som en fri själ som tillbringar tid i affärsvärlden bara för att tjäna tillräckligt med pengar för att kunna ägna sig åt sin verkliga passion - amatörvetenskap.
Schmermund äger redan fyra dyra kommersiella mikrogrambalanser. Men för att främja amatörvetenskapen bestämde han sig för att se hur bra han kunde göra det billigt. Hans geniala knep var att kombinera en ostbräda och en gammal galvanometer, en apparat som mäter ström. Resultatet blev en elektrovåg som kan bestämma vikter från ca 10 mikrogram ända upp till 500.000 mikrogram (0,5 gram).
Precisionen i mätningarna är ganska imponerande. Jag har personligen bekräftat att hans konstruktion med 1 procents noggrannhet kan mäta massor som överstiger ett milligram. Dessutom kan den skilja mellan massor i 100-mikrogramområdet som skiljer sig åt med så lite som två mikrogram. Och beräkningar tyder på att instrumentet kan mäta enskilda massor som är så små som 10 mikrogram (jag hade inte en så liten vikt att testa).
Den avgörande komponenten, galvanometern, är lätt att få tag på. Dessa enheter är kärnan i de flesta gamla analoga elektriska mätare, den typ som använder en nål monterad på en spole. Strömmen som flyter genom spolen skapar ett magnetfält som avleder nålen. Schmermunds design innebär att nålen, som är monterad i det vertikala planet, fungerar som hävstångsarm: prover hänger från nålens spets.
Elektroniska överskottsbutiker kommer förmodligen att ha flera analoga galvanometrar till hands. Ett bra sätt att bedöma kvaliteten är att skaka mätaren försiktigt från sida till sida. Om nålen stannar på plats håller du i en lämplig spole. Utöver detta test är det en märklig känsla för estetik som vägleder mig när jag ska välja en bra mätare. Det är frustrerande svårt att beskriva denna känsla, men om jag när jag tittar på en mätare känner att jag säger: "Det här är en vacker mätare!" så köper jag den. Det finns en praktisk fördel med denna estetiska flummighet. Välgjorda och omsorgsfullt designade mätare innehåller vanligtvis utsökta spolar som är precis lika bra som de spolar som används i fina elektrobalanser, safirlager och allt.För att bygga balansen frigör du försiktigt spolen från mätarhuset, var försiktig så att du inte skadar nålen. Montera spolen på en aluminiumskiva [se illustrationen på motstående sida]. Om du inte kan använda aluminiumplåt kan du montera spolen i en projektlåda av plast. För att isolera balansen från luftströmmar kan du fästa hela enheten i en glastäckt ostbräda, med aluminiumplåten stående upprätt så att nålen rör sig upp och ner. De två tunga skyddsledningarna från mätaren monteras på aluminiumstödet för att begränsa nålens rörelseomfång.
Epoxifäst en liten bult på aluminiumstödet, strax bakom nålens spets. Nålen ska korsa precis framför bulten utan att vidröra den. Täck över bulten med en liten bit byggpapper och dra sedan en tunn horisontell linje över mitten av papperet. Denna linje definierar skalans nollposition.
Provbrickan som hänger från nålen är bara en liten ram som tillverkats genom att böja oisolerad tråd. Trådens exakta diameter är inte avgörande, men håll den tunn: 28-gauge tråd fungerar bra. En liten cirkel av aluminiumfolie vilar vid basen av trådramen och fungerar som brickan. För att undvika kontaminering med kroppsoljor ska du aldrig röra brickan (eller provet) med fingrarna, utan alltid använda en pincett.
För att ge galvanometerspolen ström behöver du en krets som levererar en stabil spänning på fem volt [se kretsschemat nedan]. Byt inte ut batterierna mot en AC/DC-adapter om du inte är beredd att lägga till filter som kan dämpa lågfrekventa spänningsvariationer som kan läcka in i systemet från adaptern. Fluktuationer så små som 0,1 millivolt kommer att kraftigt minska din förmåga att lösa upp de minsta vikterna.
Enheten använder två variabla precisionsmotstånd på 100 kilohm med 10 varv (även kallade potentiometrar eller reostater) - det första för att justera spänningen över spolen och det andra för att tillhandahålla en nollreferens. En kondensator på 20 mikrofarad buffrar spolen mot eventuella ryck i resistansernas respons och hjälper till att göra känsliga justeringar av nålens position. För att mäta spänningen över spolen behöver du en digital voltmeter som läser av ned till 0,1 millivolt. Radio Shack säljer handhållna versioner för mindre än $80. Med en strömförsörjning på fem volt kan Schmermunds våg lyfta 150 milligram. För större vikter byter man ut spänningsregleringschipet av typ 7805 mot ett 7812-chip. Det ger en stabil 12 volt och kan lyfta föremål som väger nästan ett halvt gram.
För att kalibrera vågen behöver du en uppsättning kända mikrogramvikter. En enda kalibrerad vikt med hög precision mellan ett och 100 mikrogram kostar vanligtvis 75 dollar, och du behöver minst två. Det finns dock ett billigare sätt. Society for Amateur Scientists tillhandahåller för 10 dollar uppsättningar med två kalibrerade mikrogramvikter som är lämpliga för detta projekt. Observera att dessa två vikter gör att du kan kalibrera din balans med fyra kända massor: noll, vikt ett, vikt två och summan av de två vikterna.
För att göra en mätning, börja med att vågskålen är tom. Täck apparaten med glashöljet. Dämpa den elektriska strömmen genom att ställa in det första motståndet på sitt högsta värde. Justera sedan det andra motståndet tills spänningen är så nära noll som du kan ställa in den. Skriv ner denna spänning och rör inte detta motstånd igen förrän du är klar med hela mätningen. Vrid nu upp det första motståndet tills nålen sjunker ner till det nedre stoppet och vrid sedan tillbaka det så att nålen återgår till nollmarkeringen. Notera spänningsavläsningen igen. Använd medelvärdet av tre spänningsmätningar för att definiera skalans nollpunkt.
Öka därefter motståndet tills nålen stannar på det nedre trådstödet. Placera en vikt i tråget och minska motståndet tills ankaret återigen skymmer linjen. Registrera spänningen. Upprepa mätningen tre gånger och ta medelvärdet. Skillnaden mellan dessa två genomsnittsspänningar är ett direkt mått på provkroppens vikt.
När du har mätt de kalibrerade vikterna, plottar du den lyfta massan mot den applicerade spänningen. Data ska falla på en rak linje. Den vikt som motsvarar en mellanliggande spänning kan sedan avläsas rakt av från kurvan.
Schmermunds balans är extremt linjär över 10 milligram. Kalibreringslinjens lutning minskade med endast 4 procent vid 500 mikrogram, den minsta kalibrerade vikt som vi hade tillgänglig. Jag rekommenderar ändå starkt att du kalibrerar din balans varje gång du använder den och alltid jämför dina prover direkt med dina kalibrerade vikter.
Mikrogrambalanser är smarta enheter som kan mäta fantastiskt små massor. Toppmodellerna använder en genialisk kombination av mekanisk isolering, värmeisolering och elektronisk trollkonst för att producera repeterbara mätningar ner till en tiondels miljondels gram. Med sina genomarbetade glashöljen och polerade guldpläterade armaturer ser dessa vågar mer ut som konstverk än vetenskapliga instrument. Nya modeller kan kosta mer än 10.000 dollar och kräver ofta en mästares fingertoppskänsla för att få fram tillförlitliga data ur bakgrundsbruset.
Men trots alla kostnader och den yttre komplexiteten är dessa enheter i grund och botten ganska enkla. En vanlig typ använder en magnetspole för att skapa ett vridmoment som balanserar en provkropp i slutet av en hävarm. Genom att öka den elektriska strömmen i spolen ökar vridmomentet. Den ström som krävs för att kompensera för provets vikt är därför ett direkt mått på dess massa. Spolarna i kommersiella vågar sitter på pivoter av polerad blå safir. Safirer används eftersom deras extrema hårdhet (endast diamanter är hårdare) förhindrar att svängtapparna slits. Sofistikerade avkänningsanordningar och kretsar styr strömmen i spolen - vilket är anledningen till att mikrogramelektrovågar är så dyra.
Och det är goda nyheter för amatörer. Om du är villig att byta ut dina ögon mot sensorerna och dina händer mot styrkretsarna, kan du bygga en känslig elektrovåg för mindre än 30 dollar.
George Schmermund i Vista, Kalifornien, gjorde detta faktum klart för mig. I mer än 20 år har Schmermund drivit ett litet företag som heter Science Resources, som köper, reparerar och anpassar vetenskaplig utrustning. Även om han kanske är ett strikt proffs för sina kunder, så känner jag honom som en fri själ som tillbringar tid i affärsvärlden bara för att tjäna tillräckligt med pengar för att kunna ägna sig åt sin verkliga passion - amatörvetenskap.
Schmermund äger redan fyra dyra kommersiella mikrogrambalanser. Men för att främja amatörvetenskapen bestämde han sig för att se hur bra han kunde göra det billigt. Hans geniala knep var att kombinera en ostbräda och en gammal galvanometer, en apparat som mäter ström. Resultatet blev en elektrovåg som kan bestämma vikter från ca 10 mikrogram ända upp till 500.000 mikrogram (0,5 gram).
Precisionen i mätningarna är ganska imponerande. Jag har personligen bekräftat att hans konstruktion med 1 procents noggrannhet kan mäta massor som överstiger ett milligram. Dessutom kan den skilja mellan massor i 100-mikrogramområdet som skiljer sig åt med så lite som två mikrogram. Och beräkningar tyder på att instrumentet kan mäta enskilda massor som är så små som 10 mikrogram (jag hade inte en så liten vikt att testa).
Den avgörande komponenten, galvanometern, är lätt att få tag på. Dessa enheter är kärnan i de flesta gamla analoga elektriska mätare, den typ som använder en nål monterad på en spole. Strömmen som flyter genom spolen skapar ett magnetfält som avleder nålen. Schmermunds design innebär att nålen, som är monterad i det vertikala planet, fungerar som hävstångsarm: prover hänger från nålens spets.
Elektroniska överskottsbutiker kommer förmodligen att ha flera analoga galvanometrar till hands. Ett bra sätt att bedöma kvaliteten är att skaka mätaren försiktigt från sida till sida. Om nålen stannar på plats håller du i en lämplig spole. Utöver detta test är det en märklig känsla för estetik som vägleder mig när jag ska välja en bra mätare. Det är frustrerande svårt att beskriva denna känsla, men om jag när jag tittar på en mätare känner att jag säger: "Det här är en vacker mätare!" så köper jag den. Det finns en praktisk fördel med denna estetiska flummighet. Välgjorda och omsorgsfullt designade mätare innehåller vanligtvis utsökta spolar som är precis lika bra som de spolar som används i fina elektrobalanser, safirlager och allt.För att bygga balansen frigör du försiktigt spolen från mätarhuset, var försiktig så att du inte skadar nålen. Montera spolen på en aluminiumskiva [se illustrationen på motstående sida]. Om du inte kan använda aluminiumplåt kan du montera spolen i en projektlåda av plast. För att isolera balansen från luftströmmar kan du fästa hela enheten i en glastäckt ostbräda, med aluminiumplåten stående upprätt så att nålen rör sig upp och ner. De två tunga skyddsledningarna från mätaren monteras på aluminiumstödet för att begränsa nålens rörelseomfång.
Epoxifäst en liten bult på aluminiumstödet, strax bakom nålens spets. Nålen ska korsa precis framför bulten utan att vidröra den. Täck över bulten med en liten bit byggpapper och dra sedan en tunn horisontell linje över mitten av papperet. Denna linje definierar skalans nollposition.
Provbrickan som hänger från nålen är bara en liten ram som tillverkats genom att böja oisolerad tråd. Trådens exakta diameter är inte avgörande, men håll den tunn: 28-gauge tråd fungerar bra. En liten cirkel av aluminiumfolie vilar vid basen av trådramen och fungerar som brickan. För att undvika kontaminering med kroppsoljor ska du aldrig röra brickan (eller provet) med fingrarna, utan alltid använda en pincett.
För att ge galvanometerspolen ström behöver du en krets som levererar en stabil spänning på fem volt [se kretsschemat nedan]. Byt inte ut batterierna mot en AC/DC-adapter om du inte är beredd att lägga till filter som kan dämpa lågfrekventa spänningsvariationer som kan läcka in i systemet från adaptern. Fluktuationer så små som 0,1 millivolt kommer att kraftigt minska din förmåga att lösa upp de minsta vikterna.
Enheten använder två variabla precisionsmotstånd på 100 kilohm med 10 varv (även kallade potentiometrar eller reostater) - det första för att justera spänningen över spolen och det andra för att tillhandahålla en nollreferens. En kondensator på 20 mikrofarad buffrar spolen mot eventuella ryck i resistansernas respons och hjälper till att göra känsliga justeringar av nålens position. För att mäta spänningen över spolen behöver du en digital voltmeter som läser av ned till 0,1 millivolt. Radio Shack säljer handhållna versioner för mindre än $80. Med en strömförsörjning på fem volt kan Schmermunds våg lyfta 150 milligram. För större vikter byter man ut spänningsregleringschipet av typ 7805 mot ett 7812-chip. Det ger en stabil 12 volt och kan lyfta föremål som väger nästan ett halvt gram.
För att kalibrera vågen behöver du en uppsättning kända mikrogramvikter. En enda kalibrerad vikt med hög precision mellan ett och 100 mikrogram kostar vanligtvis 75 dollar, och du behöver minst två. Det finns dock ett billigare sätt. Society for Amateur Scientists tillhandahåller för 10 dollar uppsättningar med två kalibrerade mikrogramvikter som är lämpliga för detta projekt. Observera att dessa två vikter gör att du kan kalibrera din balans med fyra kända massor: noll, vikt ett, vikt två och summan av de två vikterna.
För att göra en mätning, börja med att vågskålen är tom. Täck apparaten med glashöljet. Dämpa den elektriska strömmen genom att ställa in det första motståndet på sitt högsta värde. Justera sedan det andra motståndet tills spänningen är så nära noll som du kan ställa in den. Skriv ner denna spänning och rör inte detta motstånd igen förrän du är klar med hela mätningen. Vrid nu upp det första motståndet tills nålen sjunker ner till det nedre stoppet och vrid sedan tillbaka det så att nålen återgår till nollmarkeringen. Notera spänningsavläsningen igen. Använd medelvärdet av tre spänningsmätningar för att definiera skalans nollpunkt.
Öka därefter motståndet tills nålen stannar på det nedre trådstödet. Placera en vikt i tråget och minska motståndet tills ankaret återigen skymmer linjen. Registrera spänningen. Upprepa mätningen tre gånger och ta medelvärdet. Skillnaden mellan dessa två genomsnittsspänningar är ett direkt mått på provkroppens vikt.
När du har mätt de kalibrerade vikterna, plottar du den lyfta massan mot den applicerade spänningen. Data ska falla på en rak linje. Den vikt som motsvarar en mellanliggande spänning kan sedan avläsas rakt av från kurvan.
Schmermunds balans är extremt linjär över 10 milligram. Kalibreringslinjens lutning minskade med endast 4 procent vid 500 mikrogram, den minsta kalibrerade vikt som vi hade tillgänglig. Jag rekommenderar ändå starkt att du kalibrerar din balans varje gång du använder den och alltid jämför dina prover direkt med dina kalibrerade vikter.