Kendin Yap Yüksek Hassasiyetli Terazi: 0.0001 g / 0.1 mg Ölçüm

Giriş

Hassas tartım, özellikle biyokimyasal ve laboratuvar uygulamalarında kritik öneme sahiptir. Ticari olarak temin edilen teraziler bazen istenilen hassasiyeti sağlayamayabilir. Bu nedenle, yüksek hassasiyetli bir terazinin kendin yap yöntemiyle geliştirilmesi, ölçüm doğruluğunu artırmak isteyenler için önemli bir çözüm sunar. Bu makalede, elektromanyetik kuvvet geri besleme prensibine dayanan ve 0.1 mg hassasiyetle ölçüm yapabilen bir terazi projesi teknik detaylarıyla incelenmektedir.

Terazinin Çalışma Prensibi

Terazide kullanılan temel prensip elektromanyetik kuvvet geri beslemedir. 110 Ω dirençli bir bobin, bir kolun ucunda asılıdır ve bu bobin, neodimyum halka mıknatısın üzerinde konumlanmıştır. Kolu sabit bir yükseklikte tutmak için bir geri besleme döngüsü kullanılır; bu döngüde, bir IR fotointerrupter (kızılötesi ışık kesici) sensörü kolun konumunu algılar.

Kolu sabit pozisyonda tutmak için bobinden geçen akım, tartılan kütle ile doğru orantılıdır. Yani, ölçülen akım değeri kütle ile ilişkilendirilerek hassas tartım yapılır.

Kullanılan Bileşenler ve Devre Tasarımı

• Bobin: 110 Ω dirençli, yaklaşık 20 g kaldırma kapasitesine sahip.

• Neodimyum mıknatıs: En pahalı bileşen, yüksek manyetik alan sağlar.

• Akım Ölçümü: 10 Ω şönt direnç (RJ711, 5 ppm/°C TCR) ve 24-bit ADC (ADS1232) kullanılmıştır.

• Mikrodenetleyici: Arduino Nano, ADC'den gelen veriyi işleyip LCD ekranda gösterir.

• Sensör: IR LED ve IR fotodiyot kullanılarak oluşturulan fotointerrupter, kolun konumunu algılar.

• Referans Gerilim: Düşük sürüklenmeli 2.0 V referans (REF5020) ADC ve fotodiyot için sabit gerilim sağlar.

• Bobin Akım Kontrolü: IRF540N N-kanal güç MOSFET, bobin akımını düşük taraftan sürer.

• Op-Amp: OPA187 sıfır sürüklenmeli op-amp'lar, referans voltajlarını tamponlar, fotointerrupter sürer ve bobin akımını kontrol eder.

• Tare Fonksiyonu: Kapasitif dokunmatik buton ile tartım sıfırlanabilir, doğrudan terazinin üzerine dokunmaya gerek kalmaz.

Devre tasarımı, op-amp ağırlıklı görünse de oldukça basittir. LED sabit akımla sürülürken, fotodiyot hızlı tepki için ters biaslanmıştır.

Performans ve Hassasiyet

Terazinin hassasiyeti oldukça yüksektir; kullanıcı terazi yakınında otururken kalp atışını bile sinyalde görebilir. Farklı bir katta yürüyen bir kişi bile ölçümde dalgalanmaya neden olabilir. Bu durum, terazinin çevresel titreşimlere ve diğer dış etkenlere karşı çok hassas olduğunu gösterir.

Referans ağırlıklarla yapılan testlerde ±0.1 mg doğruluk sağlanmıştır. Ölçüm stabilizasyonu için yaklaşık 5 saniye gereklidir ve Arduino üzerinde düşük geçiren filtreler ile sinyal işlenir.

Karşılaşılan Zorluklar ve İyileştirme Önerileri

• Kol Salınımı: Kolun rezonans frekansının yüksek olması için daha hafif ve sert malzemeler kullanılması önerilir. Bu, geri besleme döngüsünün daha hızlı ve stabil çalışmasını sağlar.

• Sıcaklık ve Çevresel Etkiler: Tüm geri besleme yolundaki bileşenlerin düşük sıcaklık katsayısına sahip olması gerekir. Ayrıca, bobin, fotointerrupter ve ortam sıcaklığı, nem ve basıncının izlenip kompanzasyonu gereklidir.

• Paralel Kılavuz Sistemi: Ölçümün, ağırlığın kol üzerindeki konumundan bağımsız olması için paralel kılavuz sistemleri (flexure) kullanılabilir. Bu sistemler, ölçüm doğruluğunu artırır ancak üretimi daha karmaşıktır.

Ticari Hassas Terazilerle Karşılaştırma

Ticari hassas teraziler genellikle aynı prensipte çalışır ancak strain gauge (gerinim ölçer) tabanlı olanlar yüksek gürültü ve sürüklenme nedeniyle miligram altı hassasiyete ulaşmakta zorlanır. Elektromanyetik kuvvet geri besleme terazileri, daha stabil ve hassas sonuçlar verir.

Ticari laboratuvar terazileri, genellikle ağır granit tabanlar üzerinde, titreşimden izole edilmiş odalarda ve kontrollü ortamda kullanılır. Bazı modellerde tartım odası otomatik kapılarla izole edilir. Ayrıca, hava akımları, manyetik etkiler ve yerçekimi değişimleri gibi çevresel faktörler dikkate alınır.

Çevresel Faktörlerin Önemi

Yüksek hassasiyetli tartımlarda, çevresel etkiler ölçüm doğruluğunu büyük ölçüde etkiler. Titreşimler, hava akımları, manyetik alanlar ve sıcaklık değişimleri gibi faktörler, terazinin sinyalinde gürültü ve sürüklenmeye neden olur. Bu nedenle, hassas teraziler genellikle özel laboratuvarlarda, titreşim yalıtımlı masalarda ve çevresel kontrol altında kullanılır.

Sonuç

Elektromanyetik kuvvet geri besleme prensibine dayanan bu kendin yap terazi, 0.1 mg hassasiyetle ölçüm yapabilir. Tasarımında kullanılan bileşenler ve devre yapısı, yüksek hassasiyet için optimize edilmiştir. Ancak, çevresel faktörlerin etkisini minimize etmek ve ölçüm doğruluğunu artırmak için ileri düzey iyileştirmeler gereklidir. Bu proje, elektronik ve ölçüm sistemleri konusunda deneyimli kullanıcılar için uygundur ve yüksek hassasiyetli tartım teknolojilerine dair önemli bilgiler sunar.

"Bir adamın yüksek hassasiyetli terazisi, başka birinin düşük hassasiyetli sismografıdır."

Bu ifade, projenin ne denli hassas ve çevresel etkilerden kolayca etkilendiğini özetler niteliktedir.

Kaynaklar

• Reddit /r/electronics: DIY Precision Scale – 0.0001 g / 0.1 mg

• Reddit /r/soldering: DIY Precision Scale Crosspost