pigios naminės mikrogramų svarstyklės

[fidelis]

Shawn Carlson (Scientific American, 1996 m. birželis), bet paimta iš vespiary nuorodos. tačiau atsakymuose paskelbsiu atnaujintą versiją!!! ^_^

Mikrograminės svarstyklės - tai įmantrūs prietaisai, kuriais galima išmatuoti fantastiškai mažas mases. Aukščiausios klasės modeliuose naudojamas išradingas mechaninės izoliacijos, šiluminės izoliacijos ir elektronikos gudrybių derinys, leidžiantis atlikti pakartojamus matavimus iki vienos dešimtosios milijoninės gramo dalies. Šios svarstyklės su įmantriais stikliniais korpusais ir poliruotais paauksuotais laikikliais labiau primena meno kūrinius nei mokslinius prietaisus. Nauji modeliai gali kainuoti daugiau nei 10 000 JAV dolerių ir dažnai reikalauja meistro rankos, kad iš foninio triukšmo būtų galima išgauti patikimus duomenis.

Tačiau, nepaisant jų kainos ir išorinio sudėtingumo, šie prietaisai iš esmės yra gana paprasti. Viename iš įprastų prietaisų naudojama magnetinė ritė, sukurianti sukimo momentą, kuris subtiliai subalansuoja bandinį, esantį svirties svirties gale. Didinant elektros srovę ritėje, didėja sukimo momentas. Todėl srovė, kurios reikia bandinio svoriui kompensuoti, yra tiesioginis jo masės matas. Komercinių svarstyklių ritės yra ant poliruoto mėlynojo safyro ašių. Safyrai naudojami todėl, kad jų ypatingas kietumas (kietesni yra tik deimantai) neleidžia šarnyrams susidėvėti. Sudėtingi jutikliai ir grandinės valdo srovę ritėje, todėl mikrogramų elektrovaros yra tokios brangios.

Ir tai yra gera žinia mėgėjams. Jei norėsite jutiklius pakeisti akimis, o valdymo grandines - rankomis, subtilias elektronines svarstykles galite pasigaminti už mažiau nei 30 JAV dolerių.

Džordžas Šmermundas (George Schmermund) iš Vistos, Kalifornijoje, man tai paaiškino. Daugiau kaip 20 metų G. Šmermundas vadovauja nedidelei įmonei "Science Resources", kuri perka, remontuoja ir pritaiko mokslinę įrangą. Nors savo klientams jis gali būti griežtas profesionalas, aš jį pažįstu kaip laisvos dvasios žmogų, kuris laiką verslo pasaulyje leidžia tik tam, kad galėtų uždirbti pakankamai pinigų ir atsiduoti savo tikrajai aistrai - mėgėjiškam mokslui.

Šmermundas jau turi keturias brangias komercines mikrogramines svarstykles. Tačiau norėdamas tobulinti mėgėjišką mokslą, jis nutarė patikrinti, kaip gerai jis gali dirbti pigiai. Jo išradinga gudrybė buvo sujungti sūrio lentą ir seną galvanometrą - prietaisą, kuriuo matuojama srovė. Taip buvo sukurtos elektrovaros, kuriomis galima nustatyti svorį nuo maždaug 10 mikrogramų iki 500 000 mikrogramų (0,5 gramo).

Matavimų tikslumas gana įspūdingas. Aš asmeniškai patvirtinčiau, kad jo konstrukcija gali 1 proc. tikslumu išmatuoti masę, viršijančią vieną miligramą. Be to, jis gali atskirti 100 mikrogramų intervale esančias mases, kurios skiriasi vos dviem mikrogramais. O skaičiavimai rodo, kad prietaisas gali matuoti pavienes mases, kurių dydis siekia vos 10 mikrogramų (neturėjau tokio mažo svorio, kurį galėčiau išbandyti).

Svarbiausią komponentą - galvanometrą - nesunku įsigyti. Šie prietaisai yra daugelio senų analoginių elektros skaitiklių, kuriuose naudojama ant ritės pritvirtinta adata, pagrindinė dalis. Pro ritę tekanti srovė sukuria magnetinį lauką, kuris nukreipia adatėlę. Pagal Šmermundo projektą vertikalioje plokštumoje sumontuota adata turi veikti kaip svirtis: pavyzdžiai kabo ant adatos galo.

Elektronikos pertekliaus parduotuvėse tikriausiai rasite keletą analoginių galvanometrų. Geras būdas įvertinti kokybę - švelniai pakratyti matuoklį iš vienos pusės į kitą. Jei adata lieka vietoje, vadinasi, laikote tinkamą ritę. Be šio bandymo, rinkdamasis gerą matuoklį vadovaujuosi keistu estetikos jausmu. Apibūdinti šį pojūtį labai sunku, bet jei apžiūrėdamas matuoklį pajuntu, kad jis yra gražus, jį perku. Šis estetinis neaiškumas turi praktinės naudos. Puikiai pagamintuose ir kruopščiai suprojektuotuose matuokliuose paprastai būna puikios ritės, kurios nė kiek nenusileidžia ritėms, naudojamoms puikiose elektrovaros svarstyklėse, su safyriniais guoliais ir visa kita.Norėdami pastatyti svarstykles, atsargiai išlaisvinkite ritę iš matuoklio korpuso, stengdamiesi nepažeisti adatos. Sumontuokite ritę ant aliuminio lapo [žr. iliustraciją kitame puslapyje]. Jei negalite naudoti aliuminio lakšto, ritę sumontuokite plastikinėje projekto dėžutėje. Norėdami izoliuoti svarstykles nuo oro srovių, visą mazgą pritvirtinkite prie stiklu dengtos sūrio lentos, o aliuminio lakštą pastatykite vertikaliai, kad adata judėtų aukštyn ir žemyn. Du sunkūs apsauginiai laidai, paimti iš matuoklio, pritvirtinami prie aliuminio atramos, kad būtų apribotas adatos judėjimo diapazonas.

Prie aliuminio atramos, iškart už adatos galo, epoksidiniu būdu pritvirtinkite nedidelį varžtą. Adata turi kirsti prieš pat varžtą, bet nesiliesti. Uždenkite varžtą nedideliu statybinio popieriaus gabalėliu, tada nubrėžkite ploną horizontalią liniją per popieriaus vidurį. Ši linija apibrėžia nulinę skalės padėtį.

Bandinių dėklas, kabantis ant adatos, tėra nedidelis rėmelis, pagamintas lenkiant neizoliuotą vielą. Tikslus vielos skersmuo nėra labai svarbus, tačiau ji turi būti plona: tinka 28 storio viela. Ant vielinio rėmelio pagrindo padėtas nedidelis aliuminio folijos apskritimas, kuris naudojamas kaip padėklas. Kad išvengtumėte užteršimo kūno aliejais, niekada nelieskite padėklo (arba mėginio) pirštais; visada naudokite pincetą.

Galvanometro ritei įjungti reikia grandinės, kuri užtikrintų stabilią penkių voltų įtampą [žr. toliau pateiktą grandinės schemą]. Nepakeiskite baterijų kintamosios srovės adapteriu, nebent esate pasiruošę pridėti filtrus, galinčius slopinti žemo dažnio įtampos svyravimus, kurie gali patekti į sistemą iš adapterio. Jau 0,1 milivolto dydžio svyravimai smarkiai sumažins jūsų gebėjimą nustatyti mažiausius svorius.

Prietaise naudojami du tikslūs, 100 kiloomų, 10 apsisukimų kintamieji rezistoriai (dar vadinami potenciometrais arba reostatais) - pirmasis reguliuoja įtampą ritėje, o antrasis - nulinę atskaitą. 20 mikrofaradų kondensatorius apsaugo ritę nuo bet kokio rezistorių reakcijos trūkčiojimo ir padeda subtiliai reguliuoti adatos padėtį. Norint išmatuoti įtampą ritėje, reikia skaitmeninio voltmetro, rodančio 0,1 milivolto tikslumu. "Radio Shack" pardavinėja rankines versijas už mažiau nei 80 JAV dolerių. Naudojant penkių voltų maitinimo šaltinį, Šmermundo svarstyklės gali pakelti 150 miligramų. Jei norite sverti didesnius svorius, 7805 tipo įtampos reguliatoriaus mikroschemą pakeiskite 7812 mikroschema. Ji gamins stabilią 12 voltų įtampą ir pakels beveik pusę gramo sveriančius daiktus.

Svarstyklėms kalibruoti reikės žinomų mikrograminių svorių rinkinio. Vienas didelio tikslumo kalibruotas svoris nuo vieno iki 100 mikrogramų paprastai kainuoja 75 JAV dolerius, o jums reikės bent dviejų. Tačiau yra pigesnis būdas. Mokslininkų mėgėjų draugija už 10 JAV dolerių parduoda dviejų kalibruotų mikrograminių svarsčių rinkinius, tinkamus šiam projektui. Atkreipkite dėmesį, kad šie du svarstyklės leidžia kalibruoti svarstykles su keturiomis žinomomis masėmis: nuliu, pirmuoju svoriu, antruoju svoriu ir dviejų svorių suma.

Norėdami atlikti matavimą, pradėkite nuo tuščio svarstyklių indo. Uždenkite prietaisą stikliniu gaubtu. Dusinkite elektros srovę nustatydami didžiausią pirmojo rezistoriaus vertę. Tada reguliuokite antrąjį rezistorių, kol įtampos rodmenys bus kuo artimesni nuliui. Užsirašykite šią įtampą ir daugiau nelieskite šio rezistoriaus, kol nebaigsite viso matavimų rinkinio. Dabar didinkite pirmąjį rezistorių, kol adata nusileis iki apatinio ribotuvo, tada pasukite jį atgal, kad adata grįžtų prie nulinės žymos. Vėl užrašykite įtampos rodmenis. Naudokite trijų įtampos matavimų vidurkį skalės nuliniam taškui nustatyti.

Toliau didinkite varžą, kol adata atsirems į apatinę vielinę atramą. Į dėklą įdėkite svorį ir mažinkite varžą, kol armatūra vėl užtemdys liniją. Užregistruokite įtampą. Vėl pakartokite matavimą tris kartus ir išveskite vidurkį. Skirtumas tarp šių dviejų vidutinių įtampų yra tiesioginis bandinio svorio matas.

Išmatavę kalibruotus svorius, nubraižykite pakeltos masės grafiką, priklausomai nuo įtampos. Duomenys turėtų būti tiesės formos. Tada iš kreivės galima tiesiai nuskaityti bet kurią tarpinę įtampą atitinkančią masę.

Šmermundo svarstyklės yra labai tiesinės, kai viršija 10 miligramų. Kalibravimo tiesės nuolydis sumažėjo tik 4 proc., esant 500 mikrogramų - mažiausiam mūsų turimam kalibruotam svoriui. Nepaisant to, primygtinai siūlau kalibruoti svarstykles kiekvieną kartą, kai jomis naudojatės, ir visada tiesiogiai lyginti mėginius su kalibruotais svoriais.

 

[fidelis]

nuoroda čia, tas pats vaikinas, tas pats žurnalas, bet išleistas po 4 metų


Gyvenu dėl penktadienių. Taip yra todėl, kad paprastai tą dieną praleidžiu žygiuodamas per San Diego dykumas su eklektišku ikonoklastų sambūriu, tarp kurių yra keletas puikių technologų ir keletas mano brangiausių draugų. Mus sieja meilė prietaisams ir bendra aistra kurti nebrangius įvairių eksperimentinių iššūkių sprendimus. Dėl šio bendro intereso kyla draugiškos varžybos, kurių rezultatai dažnai pasitarnauja šiai skilčiai.

Pavyzdžiui, paimkime itin mažų masių matavimo problemą. Džordžas Šmermundas (George Schmermund) sukūrė fantastišką metodą, kurį aprašiau šiuose puslapiuose 1996 m. birželio mėn. Džordžas išėmė ritę ir armatūrą iš nebenaudojamo galvanometro ir pritvirtino juos vertikaliai, kad matuoklio rodyklė judėtų vertikalioje plokštumoje. Tada jis prijungė ritę prie kintamos įtampos ir reguliavo ją tol, kol adata buvo tiksliai horizontalioje padėtyje. Maža žinomo svorio masė, padėta ant adatos galo, traukė ją žemyn. Tada Džordžas didino įtampą, kol rankena grįžo į pradinę padėtį. Kadangi sunkesnei masei subalansuoti reikėjo proporcingai labiau padidinti įtampą, įtampos pokytis rodė bandinio svorį. Džordžo elektrovaros galėjo pasverti net 10 mikrogramų (t. y. 10 milijoninių gramo dalių) masę.

Šis pasiekimas man buvo pakankamai stulbinantis, tačiau neseniai mūsų kassavaitinių išvykų organizatorius Gregas Šmitas (Greg Schmidt) suprato, kad net ir šį nuostabų rezultatą galima patobulinti. Grego sukurtame projekte nebereikia rankiniu būdu reguliuoti adatėlės: svarstyklės automatiškai nulioja (arba "išlygina") ir išlygina save, be to, jos gali nuolat stebėti, kaip kinta objekto masė, pavyzdžiui, kokiu greičiu viena skruzdėlė praranda vandenį kvėpuodama. Rezultatas - itin universalios mikrogramų jautrumo elektrovaros, kurias galima pasigaminti už mažiau nei 100 JAV dolerių.

Štai kaip jis veikia. Gregas panaudojo pagrindinę Džordžo konstrukciją ir pridėjo nebrangų mikrovaldiklį (nedidelį kompiuterį, kurio centrinis procesorius ir atmintis yra vienoje mikroschemoje), nurodydamas jam kas sekundę per ritę siųsti 2 000 silpnos srovės impulsų. Armatūros ir adatos inercija neleidžia jiems reaguoti į kiekvieną trumpą impulsą, todėl išlinkis atspindi vidutinę srovę ritėje. Tačiau atrodo, kad atskiri impulsai yra pakankamai dideli, kad suvirpintų Grego galvanometro guolius. Jis mano, kad šis nedidelis virpėjimas sumažina "strigimą", t. y. guolio polinkį užsifiksuoti, kai jis nejuda. Atrodo, kad šis efektas paaiškina, kodėl toks nebrangus matuoklis, kaip jo, gali reaguoti į tokių mažų masių trauką.

Projektui reikalingiELEKTRONINIAI laidai yra minimalūs, nes naudojamas mikrokompiuteris yra savarankiškoje plokštėje. Be integruoto optinio jutiklio (kuriame yra fototranzistorius ir šviesos diodas), reikia prijungti tik du tranzistorius, rezistorių ir diodą. Nors "srovės veidrodžio" grandinės veikimas bus geresnis, jei du jos tranzistoriai bus toje pačioje silicio mikroschemoje, galima naudoti atskirus NPN tranzistorius, jei jų korpusai bus pritvirtinti (kaip parodyta pirmiau), kad abiejų temperatūra būtų lygiai tokia pati.

Tačiau Gregas nesukūrė savo grandinės, kad sumažintų strigimą. Paaiškėjo, kad ši savybė yra nenumatytas privalumas naudojant "impulsų pločio moduliaciją" vidutinei per ritę siunčiamai srovei valdyti. Pagal šią schemą laikas tarp vienas po kito einančių impulsų išlieka toks pat, tačiau mikrovaldiklis keičia darbo ciklą - ciklo dalį, per kurią srovė išlieka įjungta. Impulsų traukiniai su trumpais darbo ciklais ritę maitina tik nedidelę dalį viso laiko, todėl gali pakelti tik mažiausius svorius, o impulsų traukiniai su ilgesniais darbo ciklais gali pakelti sunkesnius krovinius. Grego mikroprocesorius gali sukurti 1024 skirtingas darbo ciklo vertes. Šis skaičius nustato dinaminį svarstyklių diapazoną. Pavyzdžiui, jei didžiausia srovė nustatyta taip, kad aparatas galėtų pakelti iki vieno miligramo, mažiausia aptinkama masė bus apie vieną mikrogramą.

Toks jautrumas gana įspūdingas. Tačiau mikrokompiuteris, kuris valdo šį prietaisą, neturi būti kažkuo ypatingas. Iš tiesų, galima rinktis iš svaiginančios gausybės variantų. Tačiau jei neturite nė menkiausio supratimo, kaip išsirinkti ir suprogramuoti mikroprocesorių, nesijaudinkite: Gregas savo prietaisą sukūrė galvodamas apie naujokus. Jis naudojo "Atmel AT 89/90" serijos "flash" mikrovaldiklių įvertinimo rinkinį, kuriame yra visiškai funkcionalus ir itin universalus mikrokompiuteris, tiesiogiai sujungiamas su asmeniniu kompiuteriu. Šiame rinkinyje (STK-200 modelis) yra viskas, ko reikia darbui pradėti, ir jis kainuoja mažiau nei 50 JAV dolerių (tiekėjų sąrašą rasite "Amtel Corporation").

Deja, "Macintosh" vartotojams ši sistema palaiko tik IBM suderinamus kompiuterius. Bet kuriuo atveju jums nereikės visko programuoti iš naujo, nes Gregas sukūrė visą programinę įrangą, reikalingą įrenginiui paleisti, įskaitant instrukcijas, kurios rodo svorį realiuoju laiku mažame skystųjų kristalų ekrane (katalogo numeris 73-1058-ND, Digi-Key; 800-344-4539). Jo kodą galite nemokamai atsisiųsti iš Mokslininkų mėgėjų draugijos interneto svetainės.

Kaip ir originalioje Džordžo konstrukcijoje, tinka beveik bet koks galvanometras, paimtas iš pertekliaus dėžės. Tik įsitikinkite, kad jis matuoja nedideles sroves ir kad jo adatėlė išlieka vietoje, kai prietaisas greitai svyruoja iš vienos pusės į kitą. Džordžo prototipas reikalavo, kad operatorius žvilgtelėtų į adatą, o Grego elektrovaros adatos padėtį nustato elektroniniu būdu, naudodamos fototranzistorių ir šviesos diodą, kuriuos taip pat galite įsigyti iš "Digi-Key" (katalogo numeriu QVA11334QT-ND yra vienas įrenginys). Smeigtuku pradurkite nedidelį aliuminio folijos gabalėlį ir išcentruokite skylutę fototranzistoriuje, kaip parodyta 90 puslapyje. Kai folija uždengia didžiąją fototranzistoriaus dalį, signalas nuo visiško įjungimo iki visiško išjungimo pereis labai greitai, kai adata nutrauks diodo šviesą. Pritvirtinkite balzos medžio gabalėlį, kaip parodyta paveikslėlyje, kad adata sustotų būtent tame taške.

Jei ritėje bus per maža srovė, adata atsirems į apatinį balzos gabalėlį ir blokuos šviesą. Per didelė srovė pakelia adatėlę visiškai iš šviesos kelio. Grego programinė įranga naudoja sudėtingą algoritmą, kad išlaikytų adatos pusiausvyrą tarp šių dviejų būsenų. Tinkamai sukalibravus ir suderinus prietaisą, šis impulso plotis atspindi mėginio masę.

Nuolatinis vieno centimetro ilgio sudrėkinto siūlo masės kitimoregistravimas rodo šio nebrangaus prietaiso universalumą.

Valdymo grandinė, padedanti atlikti visus šiuos stebuklus, pavaizduota aukščiau. Reikės pakoreguoti R1 vertę, kad maksimali srovė būtų tokia, kokią gali išlaikyti jūsų matuoklis. Matuoklyje gali būti nurodyta visa skalės srovė. Priešingu atveju jai matuoti naudokite kintamąjį rezistorių, devynių voltų bateriją ir srovės matuoklį. Kadangi Grego galvanometro maksimali srovės vertė buvo penki miliamperai, jis užprogramavo mikrovaldiklį taip, kad šis sukurtų penkių miliamperų srovę, perduodamas penkių voltų impulsą per vieno kilohmo rezistorių.

Tačiau ši srovė nėra nukreipta per ritę. Ji teka per grandinę, vadinamą srovės veidrodžiu, kuris priverčia identišką srovę tekėti į ritę. Šis triukas labai pagerina ilgalaikį svarstyklių stabilumą. Kodėl? Ritės varža priklauso nuo jos temperatūros, kuri didėja, kai joje išsklaidoma elektros energija. Tačiau veidrodinė grandinė išlaiko pastovią srovę, kad ir kokia būtų ritės temperatūra.

Žinoma, R1 varža pati šiek tiek kinta priklausomai nuo temperatūros, todėl kalibravimas gali pakisti. Todėl norėsite naudoti komponentą, kurio temperatūrinis koeficientas yra mažas. Pavyzdžiui, 1 proc. tolerancijos metalo plėvelės rezistorius paprastai pasislenka vos 50 milijoninių dalių kiekvienam laipsniui pagal Celsijų. Taip pat reikės palaikyti vienodą dviejų srovės veidrodžio tranzistorių temperatūrą, kad ši grandinė nesvyruotų. Geriausia naudoti suderintų tranzistorių rinkinį vienoje silicio mikroschemoje, pavyzdžiui, CA3086 (48 centai iš "Circuit Specialists"; 800-528-1417). Kitu atveju, kaip parodyta pirmiau, laidais sujungkite du vienodus NPN perjungimo tranzistorius, kurių korpusai liečiasi.

Kairėje pusėje esančiame grafike pavaizduotas puikus jo prietaiso pasiekto jautrumo demonstravimas. Gregas į vandenį įmerkė centimetrą plono siūlo. Tada jis stebėjo jo svorį, kai vanduo lėtai garavo. Įsidėmėtina.