- Language
- 🇺🇸
- Joined
- Mar 1, 2024
- Messages
- 315
- Reaction score
- 375
- Points
- 63
Shawn Carlson (Scientific American, kesäkuu 1996), mutta otettu vespiary-linkistä. julkaisen kuitenkin päivitetyn version vastauksissa!!! ^_^
Mikrogrammavaa'at ovat nokkelia laitteita, joilla voidaan mitata fantastisen pieniä massoja. Huippumallit käyttävät nerokasta yhdistelmää mekaanista eristystä, lämpöeristystä ja elektronisia niksejä tuottaakseen toistettavia mittauksia gramman miljoonasosan kymmenesosaan asti. Hienostuneine lasikoteloineen ja kiillotettuine kullattuine kiinnikkeineen nämä vaa'at näyttävät pikemminkin taideteoksilta kuin tieteellisiltä instrumenteilta. Uudet mallit voivat maksaa yli 10 000 dollaria ja vaativat usein mestarin kosketusta, jotta taustahälystä saataisiin luotettavia tietoja.
Kalleudestaan ja monimutkaisuudestaan huolimatta nämä laitteet ovat pohjimmiltaan melko yksinkertaisia. Eräässä yleisessä tyypissä käytetään magneettikäämiä vääntömomentin tuottamiseen, joka tasapainottaa näytettä vipuvarren päässä. Kelan sähkövirran lisääminen lisää vääntömomenttia. Näyt***** painon tasaamiseen tarvittava virta on siis suora mitta sen massasta. Kaupallisissa vaa'assa olevat käämit liikkuvat kiillotetusta sinisestä safiirista valmistettujen nivelten varassa. Safiireja käytetään, koska niiden äärimmäinen kovuus (vain timantit ovat kovempia) estää nivelten kulumisen. Kehittyneet anturilaitteet ja virtapiirit ohjaavat kelan virtaa, minkä vuoksi mikrogrammaiset sähkövatsaimet ovat niin kalliita.
Ja se on hyvä uutinen harrastajille. Jos olet valmis korvaamaan anturit silmilläsi ja ohjauspiirit käsilläsi, voit rakentaa herkän sähkövaa'an alle 30 dollarilla.
George Schmermund Vistasta, Kaliforniasta, teki tämän minulle selväksi. Schmermund on yli 20 vuoden ajan johtanut Science Resources -nimistä pientä yritystä, joka ostaa, korjaa ja räätälöi tieteellisiä laitteita. Vaikka hän saattaa olla asiakkailleen ankara ammattilainen, tunnen hänet varsin vapaaksi hengeksi, joka viettää aikaa liike-elämässä vain ansaitakseen tarpeeksi rahaa voidakseen harrastaa todellista intohimoaan - harrastajatieteiden harrastamista.
Schmermund omistaa jo neljä kallista kaupallista mikrogrammavaakaa. Amatööritie***** edistämiseksi hän päätti kuitenkin kokeilla, miten hyvin hän pärjäisi halvalla. Hänen nerokas keksintönsä oli yhdistää juustolauta ja vanha galvanometri, laite, joka mittaa virtaa. Tuloksena oli sähkövaaka, jolla voidaan määrittää painot noin 10 mikrogrammasta aina 500 000 mikrogrammaan (0,5 grammaan) asti.
Mittausten tarkkuus on varsin vaikuttava. Vahvistin itse, että hänen mallinsa voi mitata yhden prosentin tarkkuudella massat, jotka ylittävät yhden milligramman. Lisäksi se pystyy erottamaan 100 mikrogramman alueella olevat massat, jotka eroavat toisistaan vain kahden mikrogramman verran. Ja laskelmien mukaan laite voi mitata yksittäisiä massoja, jotka ovat niinkin pieniä kuin 10 mikrogrammaa (minulla ei ollut näin pientä painoa testattavana).
Ratkaiseva komponentti, galvanometri, on helppo hankkia. Nämä laitteet ovat useimpien vanhojen analogisten sähkömittareiden keskipiste, sellaisten, joissa käytetään kelaan kiinnitettyä neulaa. Kelan läpi kulkeva virta luo magneettikentän, joka poikkeuttaa neulaa. Schmermundin suunnittelussa pystytasoon asennettu neula toimii vipuvarrena: näytteet roikkuvat neulan kärjestä.
Elektroniikan ylijäämämyymälöissä on todennäköisesti useita analogisia galvanometrejä. Hyvä tapa arvioida laatua on ravistaa mittaria varovasti puolelta toiselle. Jos neula pysyy paikallaan, kädessäsi on sopiva kela. Tämän testin lisäksi minua ohjaa hyvän mittarin valinnassa outo esteettisyyden taju. Tätä aistia on turhauttavan vaikea kuvailla, mutta jos katsellessani mittaria sanon: "Tämä on kaunis mittari!", ostan sen. Tästä esteettisestä epäselvyydestä on käytännön hyötyä. Hienosti valmistetuissa ja huolellisesti suunnitelluissa mittareissa on yleensä hienoja keloja, jotka ovat aivan yhtä hyviä kuin hienoissa sähkövaakoissa käytetyt kelat, safiirilaakerit ja kaikki. vaa'an rakentamiseksi vapauta kela varovasti mittarin kotelosta varoen vahingoittamasta neulaa. Asenna kela alumiinilevylle [ks. kuva vastakkaisella sivulla]. Jos et voi käyttää alumiinilevyä, asenna kela muovisen projektilaatikon sisään. Eristäaksesi vaa'an ilmavirroista, kiinnitä koko kokoonpano lasilla päällystettyyn juustolautaan siten, että alumiinilevy on pystyssä niin, että neula liikkuu ylös ja alas. Mittarista kannibalisoidut kaksi raskasta suojalankaa asennetaan alumiinitukeen rajoittamaan neulan liikealuetta.
Kiinnitä alumiinitukeen pieni pultti epoksilla heti neulan kärjen takana. Neulan pitäisi ylittää juuri pultin edessä koskematta siihen. Peitä pultti pienellä palalla rakennuspaperia ja piirrä sitten ohut vaakasuora viiva paperin keskelle. Tämä viiva määrittää asteikon nolla-asennon.
Neulasta roikkuva näytetarjotin on vain pieni kehys, joka on valmistettu taivuttamalla eristämätöntä lankaa. Langan tarkka halkaisija ei ole kriittinen, mutta se on pidettävä ohuena: 28-ulotteinen lanka toimii hyvin. Pieni alumiinifolion ympyrä lepää rautalankakehyksen pohjalla ja toimii tarjottimen astiana. Kehon öljyjen aiheuttaman kontaminaation välttämiseksi älä koskaan koske tarjottimeen (tai näytteeseen) sormillasi, vaan käytä aina pinsettejä.
Galvanometrin kelan virransyöttöä varten tarvitaan virtapiiri, joka tuottaa vakaan viiden voltin jännit***** [katso piirikaavio alla]. Älä korvaa paristoja vaihtovirtasovittimella, ellet ole valmis lisäämään suodattimia, jotka voivat vaimentaa matalataajuisia jännitevaihteluita, jotka voivat vuotaa järjestelmään sovittimesta. Niinkin pienet vaihtelut kuin 0,1 millivolttia heikentävät jyrkästi kykyäsi ratkaista pienimmätkin painot.
Laitteessa käytetään kahta tarkkaa, 100 kilohmin, 10-kierroksen, muuttuvaa vastusta (joita kutsutaan myös potentiometreiksi tai reostaateiksi) - ensimmäinen säätää kelan yli olevaa jännitettä ja toinen antaa nollaviit*****. 20 mikrofaradin kondensaattori puskuroi käämiä vastusten vasteessa esiintyvää nykimistä vastaan ja auttaa tekemään neulan asentoa koskevia hienovaraisia säätöjä. Kelan yli tulevan jännit***** mittaamiseen tarvitaan digitaalinen jännitemittari, joka lukee 0,1 millivoltin tarkkuudella. Radio Shack myy kannettavia versioita alle 80 dollarilla. Viiden voltin virtalähteellä Schmermundin vaaka voi nostaa 150 milligrammaa. Suurempia painoja varten vaihda 7805-tyyppinen jännit*****säätimen siru 7812-siruun. Se tuottaa vakaan 12 voltin jännit***** ja nostaa lähes puoli grammaa painavia esineitä.
Vaa'an kalibroimiseksi tarvitset joukon tunnettuja mikrogramman painoja. Yksittäinen korkean tarkkuuden kalibroitu paino, jonka paino on yhdestä 100 mikrogrammaan, maksaa yleensä 75 dollaria, ja tarvitset vähintään kaksi. On kuitenkin olemassa halvempi tapa. Society for Amateur Scientists tarjoaa 10 dollarilla kahta tähän projektiin sopivaa kalibroitua mikrogrammapainosarjaa. Huomaa, että näiden kahden painon avulla voit kalibroida vaa'an neljällä tunnetulla massalla: nolla, paino yksi, paino kaksi ja näiden kahden painon summa.
Mittauksen tekeminen aloitetaan siten, että vaakakaukalo on tyhjä. Peitä laite lasikotelolla. Kurista sähkövirta asettamalla ensimmäinen vastus suurimpaan arvoonsa. Säädä seuraavaksi toista vastusta, kunnes jännite on niin lähellä nollaa kuin voit asettaa. Kirjoita tämä jännite muistiin, äläkä koske tähän vastukseen enää ennen kuin olet saanut koko mittaussarjan valmiiksi. Käännä nyt ensimmäistä vastusta ylöspäin, kunnes neula vajoaa alempaan pysäytykseen, ja käännä sitä sitten takaisin niin, että neula palaa nollamerkkiin. Merkitse jännitelukema uudelleen muistiin. Käytä kolmen jännitemittauksen keskiarvoa asteikon nollapis***** määrittämiseen.
Lisää seuraavaksi vastusta, kunnes neula pysähtyy alempaan johtotukeen. Aseta paino lokeroon ja vähennä vastusta, kunnes ankkuri peittää jälleen kerran viivan. Kirjaa jännite. Toista mittaus jälleen kolme kertaa ja ota keskiarvo. Näiden kahden keskimääräisen jännit***** erotus on näyt***** painon suora mitta.
Kun olet mitannut kalibroidut painot, piirrä nostetun massan ja syötetyn jännit***** suhde. Tietojen pitäisi laskea suoralle viivalle. Mitä tahansa välijännitettä vastaava massa voidaan sitten lukea suoraan käyrältä.
Schmermundin vaaka on erittäin lineaarinen yli 10 milligramman painossa. Kalibrointiviivan kaltevuus laski vain 4 prosenttia 500 mikrogramman kohdalla, joka on pienin käytettävissä oleva kalibroitu paino. Suosittelen kuitenkin voimakkaasti, että kalibroitte vaa'anne joka kerta, kun käytätte sitä, ja vertaatte aina näytteitänne suoraan kalibroituihin painoihinne.
Mikrogrammavaa'at ovat nokkelia laitteita, joilla voidaan mitata fantastisen pieniä massoja. Huippumallit käyttävät nerokasta yhdistelmää mekaanista eristystä, lämpöeristystä ja elektronisia niksejä tuottaakseen toistettavia mittauksia gramman miljoonasosan kymmenesosaan asti. Hienostuneine lasikoteloineen ja kiillotettuine kullattuine kiinnikkeineen nämä vaa'at näyttävät pikemminkin taideteoksilta kuin tieteellisiltä instrumenteilta. Uudet mallit voivat maksaa yli 10 000 dollaria ja vaativat usein mestarin kosketusta, jotta taustahälystä saataisiin luotettavia tietoja.
Kalleudestaan ja monimutkaisuudestaan huolimatta nämä laitteet ovat pohjimmiltaan melko yksinkertaisia. Eräässä yleisessä tyypissä käytetään magneettikäämiä vääntömomentin tuottamiseen, joka tasapainottaa näytettä vipuvarren päässä. Kelan sähkövirran lisääminen lisää vääntömomenttia. Näyt***** painon tasaamiseen tarvittava virta on siis suora mitta sen massasta. Kaupallisissa vaa'assa olevat käämit liikkuvat kiillotetusta sinisestä safiirista valmistettujen nivelten varassa. Safiireja käytetään, koska niiden äärimmäinen kovuus (vain timantit ovat kovempia) estää nivelten kulumisen. Kehittyneet anturilaitteet ja virtapiirit ohjaavat kelan virtaa, minkä vuoksi mikrogrammaiset sähkövatsaimet ovat niin kalliita.
Ja se on hyvä uutinen harrastajille. Jos olet valmis korvaamaan anturit silmilläsi ja ohjauspiirit käsilläsi, voit rakentaa herkän sähkövaa'an alle 30 dollarilla.
George Schmermund Vistasta, Kaliforniasta, teki tämän minulle selväksi. Schmermund on yli 20 vuoden ajan johtanut Science Resources -nimistä pientä yritystä, joka ostaa, korjaa ja räätälöi tieteellisiä laitteita. Vaikka hän saattaa olla asiakkailleen ankara ammattilainen, tunnen hänet varsin vapaaksi hengeksi, joka viettää aikaa liike-elämässä vain ansaitakseen tarpeeksi rahaa voidakseen harrastaa todellista intohimoaan - harrastajatieteiden harrastamista.
Schmermund omistaa jo neljä kallista kaupallista mikrogrammavaakaa. Amatööritie***** edistämiseksi hän päätti kuitenkin kokeilla, miten hyvin hän pärjäisi halvalla. Hänen nerokas keksintönsä oli yhdistää juustolauta ja vanha galvanometri, laite, joka mittaa virtaa. Tuloksena oli sähkövaaka, jolla voidaan määrittää painot noin 10 mikrogrammasta aina 500 000 mikrogrammaan (0,5 grammaan) asti.
Mittausten tarkkuus on varsin vaikuttava. Vahvistin itse, että hänen mallinsa voi mitata yhden prosentin tarkkuudella massat, jotka ylittävät yhden milligramman. Lisäksi se pystyy erottamaan 100 mikrogramman alueella olevat massat, jotka eroavat toisistaan vain kahden mikrogramman verran. Ja laskelmien mukaan laite voi mitata yksittäisiä massoja, jotka ovat niinkin pieniä kuin 10 mikrogrammaa (minulla ei ollut näin pientä painoa testattavana).
Ratkaiseva komponentti, galvanometri, on helppo hankkia. Nämä laitteet ovat useimpien vanhojen analogisten sähkömittareiden keskipiste, sellaisten, joissa käytetään kelaan kiinnitettyä neulaa. Kelan läpi kulkeva virta luo magneettikentän, joka poikkeuttaa neulaa. Schmermundin suunnittelussa pystytasoon asennettu neula toimii vipuvarrena: näytteet roikkuvat neulan kärjestä.
Elektroniikan ylijäämämyymälöissä on todennäköisesti useita analogisia galvanometrejä. Hyvä tapa arvioida laatua on ravistaa mittaria varovasti puolelta toiselle. Jos neula pysyy paikallaan, kädessäsi on sopiva kela. Tämän testin lisäksi minua ohjaa hyvän mittarin valinnassa outo esteettisyyden taju. Tätä aistia on turhauttavan vaikea kuvailla, mutta jos katsellessani mittaria sanon: "Tämä on kaunis mittari!", ostan sen. Tästä esteettisestä epäselvyydestä on käytännön hyötyä. Hienosti valmistetuissa ja huolellisesti suunnitelluissa mittareissa on yleensä hienoja keloja, jotka ovat aivan yhtä hyviä kuin hienoissa sähkövaakoissa käytetyt kelat, safiirilaakerit ja kaikki. vaa'an rakentamiseksi vapauta kela varovasti mittarin kotelosta varoen vahingoittamasta neulaa. Asenna kela alumiinilevylle [ks. kuva vastakkaisella sivulla]. Jos et voi käyttää alumiinilevyä, asenna kela muovisen projektilaatikon sisään. Eristäaksesi vaa'an ilmavirroista, kiinnitä koko kokoonpano lasilla päällystettyyn juustolautaan siten, että alumiinilevy on pystyssä niin, että neula liikkuu ylös ja alas. Mittarista kannibalisoidut kaksi raskasta suojalankaa asennetaan alumiinitukeen rajoittamaan neulan liikealuetta.
Kiinnitä alumiinitukeen pieni pultti epoksilla heti neulan kärjen takana. Neulan pitäisi ylittää juuri pultin edessä koskematta siihen. Peitä pultti pienellä palalla rakennuspaperia ja piirrä sitten ohut vaakasuora viiva paperin keskelle. Tämä viiva määrittää asteikon nolla-asennon.
Neulasta roikkuva näytetarjotin on vain pieni kehys, joka on valmistettu taivuttamalla eristämätöntä lankaa. Langan tarkka halkaisija ei ole kriittinen, mutta se on pidettävä ohuena: 28-ulotteinen lanka toimii hyvin. Pieni alumiinifolion ympyrä lepää rautalankakehyksen pohjalla ja toimii tarjottimen astiana. Kehon öljyjen aiheuttaman kontaminaation välttämiseksi älä koskaan koske tarjottimeen (tai näytteeseen) sormillasi, vaan käytä aina pinsettejä.
Galvanometrin kelan virransyöttöä varten tarvitaan virtapiiri, joka tuottaa vakaan viiden voltin jännit***** [katso piirikaavio alla]. Älä korvaa paristoja vaihtovirtasovittimella, ellet ole valmis lisäämään suodattimia, jotka voivat vaimentaa matalataajuisia jännitevaihteluita, jotka voivat vuotaa järjestelmään sovittimesta. Niinkin pienet vaihtelut kuin 0,1 millivolttia heikentävät jyrkästi kykyäsi ratkaista pienimmätkin painot.
Laitteessa käytetään kahta tarkkaa, 100 kilohmin, 10-kierroksen, muuttuvaa vastusta (joita kutsutaan myös potentiometreiksi tai reostaateiksi) - ensimmäinen säätää kelan yli olevaa jännitettä ja toinen antaa nollaviit*****. 20 mikrofaradin kondensaattori puskuroi käämiä vastusten vasteessa esiintyvää nykimistä vastaan ja auttaa tekemään neulan asentoa koskevia hienovaraisia säätöjä. Kelan yli tulevan jännit***** mittaamiseen tarvitaan digitaalinen jännitemittari, joka lukee 0,1 millivoltin tarkkuudella. Radio Shack myy kannettavia versioita alle 80 dollarilla. Viiden voltin virtalähteellä Schmermundin vaaka voi nostaa 150 milligrammaa. Suurempia painoja varten vaihda 7805-tyyppinen jännit*****säätimen siru 7812-siruun. Se tuottaa vakaan 12 voltin jännit***** ja nostaa lähes puoli grammaa painavia esineitä.
Vaa'an kalibroimiseksi tarvitset joukon tunnettuja mikrogramman painoja. Yksittäinen korkean tarkkuuden kalibroitu paino, jonka paino on yhdestä 100 mikrogrammaan, maksaa yleensä 75 dollaria, ja tarvitset vähintään kaksi. On kuitenkin olemassa halvempi tapa. Society for Amateur Scientists tarjoaa 10 dollarilla kahta tähän projektiin sopivaa kalibroitua mikrogrammapainosarjaa. Huomaa, että näiden kahden painon avulla voit kalibroida vaa'an neljällä tunnetulla massalla: nolla, paino yksi, paino kaksi ja näiden kahden painon summa.
Mittauksen tekeminen aloitetaan siten, että vaakakaukalo on tyhjä. Peitä laite lasikotelolla. Kurista sähkövirta asettamalla ensimmäinen vastus suurimpaan arvoonsa. Säädä seuraavaksi toista vastusta, kunnes jännite on niin lähellä nollaa kuin voit asettaa. Kirjoita tämä jännite muistiin, äläkä koske tähän vastukseen enää ennen kuin olet saanut koko mittaussarjan valmiiksi. Käännä nyt ensimmäistä vastusta ylöspäin, kunnes neula vajoaa alempaan pysäytykseen, ja käännä sitä sitten takaisin niin, että neula palaa nollamerkkiin. Merkitse jännitelukema uudelleen muistiin. Käytä kolmen jännitemittauksen keskiarvoa asteikon nollapis***** määrittämiseen.
Lisää seuraavaksi vastusta, kunnes neula pysähtyy alempaan johtotukeen. Aseta paino lokeroon ja vähennä vastusta, kunnes ankkuri peittää jälleen kerran viivan. Kirjaa jännite. Toista mittaus jälleen kolme kertaa ja ota keskiarvo. Näiden kahden keskimääräisen jännit***** erotus on näyt***** painon suora mitta.
Kun olet mitannut kalibroidut painot, piirrä nostetun massan ja syötetyn jännit***** suhde. Tietojen pitäisi laskea suoralle viivalle. Mitä tahansa välijännitettä vastaava massa voidaan sitten lukea suoraan käyrältä.
Schmermundin vaaka on erittäin lineaarinen yli 10 milligramman painossa. Kalibrointiviivan kaltevuus laski vain 4 prosenttia 500 mikrogramman kohdalla, joka on pienin käytettävissä oleva kalibroitu paino. Suosittelen kuitenkin voimakkaasti, että kalibroitte vaa'anne joka kerta, kun käytätte sitä, ja vertaatte aina näytteitänne suoraan kalibroituihin painoihinne.