- Language
- 🇺🇸
- Joined
- Mar 1, 2024
- Messages
- 315
- Reaction score
- 375
- Points
- 63
autorstwa Shawna Carlsona (Scientific American, czerwiec 1996), ale zaczerpnięte z linku vespiary. jednak w odpowiedziach zamieszczę zaktualizowaną wersję!!! ^_^
Wagi mikrogramowe to sprytne urządzenia, które mogą mierzyć fantastycznie małe masy. Modele z najwyższej półki wykorzystują pomysłowe połączenie izolacji mechanicznej, izolacji termicznej i elektroniki, aby uzyskać powtarzalne pomiary z dokładnością do jednej dziesiątej milionowej części jednego grama. Dzięki wyszukanym szklanym obudowom i polerowanym pozłacanym elementom, wagi te wyglądają bardziej jak dzieła sztuki niż instrumenty naukowe. Nowe modele mogą kosztować ponad 10 000 USD i często wymagają mistrzowskiego dotyku, aby wydobyć wiarygodne dane z szumów tła.
Jednak pomimo swojej ceny i zewnętrznej złożoności, urządzenia te są w istocie dość proste. Jeden z popularnych typów wykorzystuje cewkę magnetyczną do zapewnienia momentu obrotowego, który delikatnie równoważy próbkę na końcu ramienia dźwigni. Zwiększenie natężenia prądu elektrycznego w cewce zwiększa moment obrotowy. Prąd wymagany do zrównoważenia ciężaru próbki jest zatem bezpośrednią miarą jej masy. Cewki w komercyjnych wagach poruszają się na czopach z polerowanego niebieskiego szafiru. Szafiry są używane, ponieważ ich ekstremalna twardość (tylko diamenty są twardsze) zapobiega zużyciu czopów. Wyrafinowane urządzenia czujnikowe i obwody kontrolują prąd w cewce - dlatego mikrogramowe wagi elektroniczne są tak drogie.
To dobra wiadomość dla amatorów. Jeśli jesteś skłonny zastąpić oczy czujnikami, a ręce obwodami sterującymi, możesz zbudować delikatną wagę elektryczną za mniej niż 30 USD.
George Schmermund z Vista w Kalifornii wyjaśnił mi ten fakt. Od ponad 20 lat Schmermund prowadzi małą firmę o nazwie Science Resources, która kupuje, naprawia i dostosowuje sprzęt naukowy. Chociaż dla swoich klientów może być surowym profesjonalistą, znam go jako wolnego ducha, który spędza czas w świecie biznesu tylko po to, aby zarobić wystarczająco dużo pieniędzy, aby oddać się swojej prawdziwej pasji - amatorskiej nauce.
Schmermund posiada już cztery drogie komercyjne wagi mikrogramowe. Jednak w interesie rozwoju amatorskiej nauki postanowił sprawdzić, jak dobrze poradzi sobie tanim kosztem. Jego pomysłowy plan polegał na połączeniu deski do serów i starego galwanometru, urządzenia mierzącego natężenie prądu. Rezultatem była waga elektryczna, która może określać wagę od około 10 mikrogramów aż do 500 000 mikrogramów (0,5 grama).
Precyzja pomiarów jest imponująca. Osobiście potwierdziłem, że jego konstrukcja może mierzyć z dokładnością do 1 procenta masy przekraczające jeden miligram. Co więcej, jest w stanie rozróżnić masy w zakresie 100 mikrogramów, które różnią się zaledwie o dwa mikrogramy. Obliczenia sugerują, że instrument może mierzyć pojedyncze masy tak małe jak 10 mikrogramów (nie miałem tak małej wagi do przetestowania).
Kluczowy element, galwanometr, jest łatwy do zdobycia. Urządzenia te są centralnym elementem większości starych analogowych mierników elektrycznych, które wykorzystują igłę zamontowaną na cewce. Prąd przepływający przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które odchyla igłę. Projekt Schmermunda zakłada, że igła zamontowana w płaszczyźnie pionowej działa jak ramię dźwigni: próbki zwisają z końcówki igły.
Sklepy z nadwyżkami elektronicznymi prawdopodobnie będą miały pod ręką kilka analogowych galwanometrów. Dobrym sposobem na ocenę jakości jest delikatne potrząsanie miernikiem z boku na bok. Jeśli igła pozostaje na swoim miejscu, mamy do czynienia z odpowiednią cewką. Poza tym testem, przy wyborze dobrego miernika kieruję się dziwnym poczuciem estetyki. Opisanie tego zmysłu jest frustrująco trudne, ale jeśli po obejrzeniu miernika jestem w stanie powiedzieć: "To jest piękny miernik!", to go kupuję. Istnieje praktyczna korzyść z tego estetycznego rozmycia. Precyzyjnie wykonane i starannie zaprojektowane mierniki zwykle zawierają znakomite cewki, które są tak samo dobre jak cewki stosowane w doskonałych elektrobalansach, szafirowe łożyska i wszystko inne. Aby zbudować wagę, delikatnie uwolnij cewkę z obudowy miernika, uważając, aby nie uszkodzić igły. Zamontuj cewkę na kawałku blachy aluminiowej [patrz ilustracja na drugiej stronie]. Jeśli nie możesz użyć blachy aluminiowej, zamontuj cewkę wewnątrz plastikowego pudełka projektowego. Aby odizolować wagę od prądów powietrza, zabezpiecz cały zespół w pokrytej szkłem desce serowej, z aluminiową blachą stojącą pionowo, tak aby igła poruszała się w górę iw dół. Dwa ciężkie druty ochronne pochodzące z miernika są zamontowane na aluminiowym ws*****iku, aby ograniczyć zakres ruchu igły.
Do aluminiowego ws*****ika, tuż za czubkiem igły, należy przykleić niewielką śrubę. Igła powinna przechodzić tuż przed śrubą, nie dotykając jej. Przykryj śrubę małym kawałkiem papieru budowlanego, a następnie narysuj cienką poziomą linię na środku papieru. Linia ta definiuje pozycję zerową skali.
Tacka na próbki, która zwisa z igły, jest jedynie małą ramką wykonaną domowym sposobem poprzez zginanie nieizolowanego drutu. Dokładna średnica drutu nie jest krytyczna, ale powinien on być cienki: dobrze sprawdza się drut o średnicy 28 mm. Mały okrąg z folii aluminiowej spoczywa u podstawy drucianej ramy i służy jako taca. Aby uniknąć zanieczyszczenia olejami z ciała, nigdy nie dotykaj tacy (ani próbki) palcami; raczej zawsze używaj pęsety.
Aby zasilić cewkę galwanometru, potrzebny jest obwód, który dostarcza stabilne napięcie pięciu woltów [patrz schemat obwodu poniżej]. Nie zastępuj baterii zasilaczem AC-DC, chyba że chcesz dodać filtry, które mogą tłumić wahania napięcia o niskiej częstotliwości, które mogą wyciekać do systemu z zasilacza. Wahania tak małe, jak 0,1 miliwolta, znacznie zmniejszą zdolność do rozwiązywania najmniejszych obciążeń.
Urządzenie wykorzystuje dwa precyzyjne, 100-kiloomowe, 10-obrotowe, zmienne rezystory (zwane również potencjometrami lub reostatami) - pierwszy do regulacji napięcia na cewce, a drugi do zapewnienia zerowego odniesienia. Kondensator o pojemności 20 mikrofaradów buforuje cewkę przed wszelkimi szarpnięciami w odpowiedzi rezystorów i pomaga w dokonywaniu delikatnych regulacji położenia igły. Aby zmierzyć napięcie na cewce, potrzebny będzie woltomierz cyfrowy z dokładnością do 0,1 miliwolta. Radio Shack sprzedaje wersje ręczne za mniej niż 80 USD. Używając zasilania o napięciu pięciu woltów, waga Schmermunda może podnieść 150 miligramów. W przypadku większych ciężarów należy zastąpić układ regulatora napięcia typu 7805 układem 7812. Wytworzy on stabilne napięcie 12 V i podniesie przedmioty ważące prawie pół grama.
Aby skalibrować wagę, potrzebny będzie zestaw znanych mikrogramowych odważników. Pojedynczy precyzyjnie skalibrowany odważnik o wadze od jednego do 100 mikrogramów kosztuje zazwyczaj 75 dolarów, a potrzebne będą co najmniej dwa. Istnieje jednak tańszy sposób. Society for Amateur Scientists udostępnia za 10 dolarów zestawy dwóch skalibrowanych mikrogramowych odważników odpowiednich do tego projektu. Należy pamiętać, że te dwa odważniki umożliwiają skalibrowanie wagi z czterema znanymi masami: zero, odważnik pierwszy, odważnik drugi i suma dwóch odważników.
Aby wykonać pomiar, zacznij od opróżnienia szalki wagi. Przykryj urządzenie szklaną obudową. Zdław prąd elektryczny, ustawiając pierwszy rezystor na najwyższą wartość. Następnie wyreguluj drugi rezystor, aż napięcie będzie tak bliskie zeru, jak to możliwe. Zapisz to napięcie i nie dotykaj ponownie tego rezystora, dopóki nie zakończysz całego zestawu pomiarów. Teraz podkręć pierwszy rezystor, aż igła opadnie do dolnego ogranicznika, a następnie przekręć go z powrotem tak, aby igła powróciła do znaku zerowego. Ponownie zanotuj odczyt napięcia. Użyj średniej z trzech pomiarów napięcia, aby określić punkt zerowy skali.
Następnie zwiększ opór, aż igła spocznie na dolnym ws*****iku drutu. Umieść obciążnik w zasobniku i zmniejsz opór, aż zwora ponownie przesłoni linię. Zapisz napięcie. Ponownie powtórz pomiar trzy razy i wyciągnij średnią. Różnica między tymi dwoma średnimi napięciami jest bezpośrednią miarą masy próbki.
Po zmierzeniu skalibrowanych odważników, wykreśl masę podniesioną względem przyłożonego napięcia. Dane powinny znajdować się na linii prostej. Masę odpowiadającą dowolnemu napięciu pośredniemu można następnie odczytać bezpośrednio z krzywej.
Waga Schmermunda jest niezwykle liniowa powyżej 10 miligramów. Nachylenie linii kalibracji zmniejszyło się tylko o 4 procent przy 500 mikrogramach, najmniejszej skalibrowanej masie, jaką dysponowaliśmy. Niemniej jednak zdecydowanie sugeruję, aby kalibrować wagę za każdym razem, gdy jej używasz i zawsze porównywać próbki bezpośrednio ze skalibrowanymi odważnikami.
Wagi mikrogramowe to sprytne urządzenia, które mogą mierzyć fantastycznie małe masy. Modele z najwyższej półki wykorzystują pomysłowe połączenie izolacji mechanicznej, izolacji termicznej i elektroniki, aby uzyskać powtarzalne pomiary z dokładnością do jednej dziesiątej milionowej części jednego grama. Dzięki wyszukanym szklanym obudowom i polerowanym pozłacanym elementom, wagi te wyglądają bardziej jak dzieła sztuki niż instrumenty naukowe. Nowe modele mogą kosztować ponad 10 000 USD i często wymagają mistrzowskiego dotyku, aby wydobyć wiarygodne dane z szumów tła.
Jednak pomimo swojej ceny i zewnętrznej złożoności, urządzenia te są w istocie dość proste. Jeden z popularnych typów wykorzystuje cewkę magnetyczną do zapewnienia momentu obrotowego, który delikatnie równoważy próbkę na końcu ramienia dźwigni. Zwiększenie natężenia prądu elektrycznego w cewce zwiększa moment obrotowy. Prąd wymagany do zrównoważenia ciężaru próbki jest zatem bezpośrednią miarą jej masy. Cewki w komercyjnych wagach poruszają się na czopach z polerowanego niebieskiego szafiru. Szafiry są używane, ponieważ ich ekstremalna twardość (tylko diamenty są twardsze) zapobiega zużyciu czopów. Wyrafinowane urządzenia czujnikowe i obwody kontrolują prąd w cewce - dlatego mikrogramowe wagi elektroniczne są tak drogie.
To dobra wiadomość dla amatorów. Jeśli jesteś skłonny zastąpić oczy czujnikami, a ręce obwodami sterującymi, możesz zbudować delikatną wagę elektryczną za mniej niż 30 USD.
George Schmermund z Vista w Kalifornii wyjaśnił mi ten fakt. Od ponad 20 lat Schmermund prowadzi małą firmę o nazwie Science Resources, która kupuje, naprawia i dostosowuje sprzęt naukowy. Chociaż dla swoich klientów może być surowym profesjonalistą, znam go jako wolnego ducha, który spędza czas w świecie biznesu tylko po to, aby zarobić wystarczająco dużo pieniędzy, aby oddać się swojej prawdziwej pasji - amatorskiej nauce.
Schmermund posiada już cztery drogie komercyjne wagi mikrogramowe. Jednak w interesie rozwoju amatorskiej nauki postanowił sprawdzić, jak dobrze poradzi sobie tanim kosztem. Jego pomysłowy plan polegał na połączeniu deski do serów i starego galwanometru, urządzenia mierzącego natężenie prądu. Rezultatem była waga elektryczna, która może określać wagę od około 10 mikrogramów aż do 500 000 mikrogramów (0,5 grama).
Precyzja pomiarów jest imponująca. Osobiście potwierdziłem, że jego konstrukcja może mierzyć z dokładnością do 1 procenta masy przekraczające jeden miligram. Co więcej, jest w stanie rozróżnić masy w zakresie 100 mikrogramów, które różnią się zaledwie o dwa mikrogramy. Obliczenia sugerują, że instrument może mierzyć pojedyncze masy tak małe jak 10 mikrogramów (nie miałem tak małej wagi do przetestowania).
Kluczowy element, galwanometr, jest łatwy do zdobycia. Urządzenia te są centralnym elementem większości starych analogowych mierników elektrycznych, które wykorzystują igłę zamontowaną na cewce. Prąd przepływający przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które odchyla igłę. Projekt Schmermunda zakłada, że igła zamontowana w płaszczyźnie pionowej działa jak ramię dźwigni: próbki zwisają z końcówki igły.
Sklepy z nadwyżkami elektronicznymi prawdopodobnie będą miały pod ręką kilka analogowych galwanometrów. Dobrym sposobem na ocenę jakości jest delikatne potrząsanie miernikiem z boku na bok. Jeśli igła pozostaje na swoim miejscu, mamy do czynienia z odpowiednią cewką. Poza tym testem, przy wyborze dobrego miernika kieruję się dziwnym poczuciem estetyki. Opisanie tego zmysłu jest frustrująco trudne, ale jeśli po obejrzeniu miernika jestem w stanie powiedzieć: "To jest piękny miernik!", to go kupuję. Istnieje praktyczna korzyść z tego estetycznego rozmycia. Precyzyjnie wykonane i starannie zaprojektowane mierniki zwykle zawierają znakomite cewki, które są tak samo dobre jak cewki stosowane w doskonałych elektrobalansach, szafirowe łożyska i wszystko inne. Aby zbudować wagę, delikatnie uwolnij cewkę z obudowy miernika, uważając, aby nie uszkodzić igły. Zamontuj cewkę na kawałku blachy aluminiowej [patrz ilustracja na drugiej stronie]. Jeśli nie możesz użyć blachy aluminiowej, zamontuj cewkę wewnątrz plastikowego pudełka projektowego. Aby odizolować wagę od prądów powietrza, zabezpiecz cały zespół w pokrytej szkłem desce serowej, z aluminiową blachą stojącą pionowo, tak aby igła poruszała się w górę iw dół. Dwa ciężkie druty ochronne pochodzące z miernika są zamontowane na aluminiowym ws*****iku, aby ograniczyć zakres ruchu igły.
Do aluminiowego ws*****ika, tuż za czubkiem igły, należy przykleić niewielką śrubę. Igła powinna przechodzić tuż przed śrubą, nie dotykając jej. Przykryj śrubę małym kawałkiem papieru budowlanego, a następnie narysuj cienką poziomą linię na środku papieru. Linia ta definiuje pozycję zerową skali.
Tacka na próbki, która zwisa z igły, jest jedynie małą ramką wykonaną domowym sposobem poprzez zginanie nieizolowanego drutu. Dokładna średnica drutu nie jest krytyczna, ale powinien on być cienki: dobrze sprawdza się drut o średnicy 28 mm. Mały okrąg z folii aluminiowej spoczywa u podstawy drucianej ramy i służy jako taca. Aby uniknąć zanieczyszczenia olejami z ciała, nigdy nie dotykaj tacy (ani próbki) palcami; raczej zawsze używaj pęsety.
Aby zasilić cewkę galwanometru, potrzebny jest obwód, który dostarcza stabilne napięcie pięciu woltów [patrz schemat obwodu poniżej]. Nie zastępuj baterii zasilaczem AC-DC, chyba że chcesz dodać filtry, które mogą tłumić wahania napięcia o niskiej częstotliwości, które mogą wyciekać do systemu z zasilacza. Wahania tak małe, jak 0,1 miliwolta, znacznie zmniejszą zdolność do rozwiązywania najmniejszych obciążeń.
Urządzenie wykorzystuje dwa precyzyjne, 100-kiloomowe, 10-obrotowe, zmienne rezystory (zwane również potencjometrami lub reostatami) - pierwszy do regulacji napięcia na cewce, a drugi do zapewnienia zerowego odniesienia. Kondensator o pojemności 20 mikrofaradów buforuje cewkę przed wszelkimi szarpnięciami w odpowiedzi rezystorów i pomaga w dokonywaniu delikatnych regulacji położenia igły. Aby zmierzyć napięcie na cewce, potrzebny będzie woltomierz cyfrowy z dokładnością do 0,1 miliwolta. Radio Shack sprzedaje wersje ręczne za mniej niż 80 USD. Używając zasilania o napięciu pięciu woltów, waga Schmermunda może podnieść 150 miligramów. W przypadku większych ciężarów należy zastąpić układ regulatora napięcia typu 7805 układem 7812. Wytworzy on stabilne napięcie 12 V i podniesie przedmioty ważące prawie pół grama.
Aby skalibrować wagę, potrzebny będzie zestaw znanych mikrogramowych odważników. Pojedynczy precyzyjnie skalibrowany odważnik o wadze od jednego do 100 mikrogramów kosztuje zazwyczaj 75 dolarów, a potrzebne będą co najmniej dwa. Istnieje jednak tańszy sposób. Society for Amateur Scientists udostępnia za 10 dolarów zestawy dwóch skalibrowanych mikrogramowych odważników odpowiednich do tego projektu. Należy pamiętać, że te dwa odważniki umożliwiają skalibrowanie wagi z czterema znanymi masami: zero, odważnik pierwszy, odważnik drugi i suma dwóch odważników.
Aby wykonać pomiar, zacznij od opróżnienia szalki wagi. Przykryj urządzenie szklaną obudową. Zdław prąd elektryczny, ustawiając pierwszy rezystor na najwyższą wartość. Następnie wyreguluj drugi rezystor, aż napięcie będzie tak bliskie zeru, jak to możliwe. Zapisz to napięcie i nie dotykaj ponownie tego rezystora, dopóki nie zakończysz całego zestawu pomiarów. Teraz podkręć pierwszy rezystor, aż igła opadnie do dolnego ogranicznika, a następnie przekręć go z powrotem tak, aby igła powróciła do znaku zerowego. Ponownie zanotuj odczyt napięcia. Użyj średniej z trzech pomiarów napięcia, aby określić punkt zerowy skali.
Następnie zwiększ opór, aż igła spocznie na dolnym ws*****iku drutu. Umieść obciążnik w zasobniku i zmniejsz opór, aż zwora ponownie przesłoni linię. Zapisz napięcie. Ponownie powtórz pomiar trzy razy i wyciągnij średnią. Różnica między tymi dwoma średnimi napięciami jest bezpośrednią miarą masy próbki.
Po zmierzeniu skalibrowanych odważników, wykreśl masę podniesioną względem przyłożonego napięcia. Dane powinny znajdować się na linii prostej. Masę odpowiadającą dowolnemu napięciu pośredniemu można następnie odczytać bezpośrednio z krzywej.
Waga Schmermunda jest niezwykle liniowa powyżej 10 miligramów. Nachylenie linii kalibracji zmniejszyło się tylko o 4 procent przy 500 mikrogramach, najmniejszej skalibrowanej masie, jaką dysponowaliśmy. Niemniej jednak zdecydowanie sugeruję, aby kalibrować wagę za każdym razem, gdy jej używasz i zawsze porównywać próbki bezpośrednio ze skalibrowanymi odważnikami.