- Language
- 🇺🇸
- Joined
- Mar 1, 2024
- Messages
- 315
- Reaction score
- 375
- Points
- 63
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.
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.