АКВАРИУМ ПОД КОНТРОЛЕМ

Аквариумисты обычно определяют замутненность воды в аквариуме визуальным способом («на глазок»), а начинающие не меняют ее до тех пор, пока она не станет источать запах. Однако с помощью электронного устройства, которое несложно собрать за пару свободных вечеров, можно контролировать пригодность воды в аквариуме для дальнейшего использования с высокой точностью, исключающей пресловутый «человеческий фактор». Выиграют от такого подхода все — и люди, и их питомцы в аквариуме.

Электронное устройство контроля прозрачности жидкости основано на принципе изменения характеристик светового потока при его прохождении через жидкость. Замутнение воды происходит из-за образования в ней различных органических тонкодисперсных нерастворимых (коллоидных) минеральных веществ.

Мутность раствора измеряют фотометрическим (отсюда название прибора — см ниже) способом, сравнивая интенсивность пропускаемого ею света с этим показателем заведомо прозрачного (стандартного) раствора. Прототипами фотометра являются промышленные приборы — фотокалориметры (например КФК-2 и КФК-3), предназначенные для измерения коэффициентов пропускания света и оптической плотности растворов.

Однако эти промышленные устройства либо сложны в исполнении и настройке (требуют специальных измерительных приборов), либо малопригодны в домашних условиях. Поэтому для решения конкретной задачи(определения степени прозрачности воды в аквариуме) был разработан фотоколориметр, принцип действия которого основан на преобразовании светового потока в электрическое напряжение.

Коэффициент пропускания Z определяется по формуле

Z — (U — U_t)/(U₀ — U_t) х 100%, где U — напряжение на выходе при исследовании раствора, В,

U₀ — напряжение на выходе при исследовании дистиллированной воды, В,

U_t — напряжение на выходе при затемнении фоточувствительного датчика, которое характеризуется темповым током. Согласно паспортным данным для ФД-24К, примененного в качестве фотодатчика, он составляет 2,5 мкА.

Такой же ток должен быть и в цепи R1V1. Полное затемнение фотодиода VD1 предусматривает нанесение на фоточувствительную поверхность черной полихлорвиниловой изоленты. Именно такой эксперимент, проведенный мною при создании устройства, подтвердил паспортные данные фотодиода ФД-24К. Соответственно напряжение на выходе устройства прямо пропорционально току VD1.

Функциональная схема устройства представлена на рисунке 1.

Электрические характеристики фотодиода ФД-24К. Область спектральной чувствительности — 0,47 0,12 мкм. Длина волны максимальной спектральной чувствительности — 0,75 0,85 мкм. Максимальное рабочее напряжение — 27 В. Темновой ток — 2,5 мкА. Сопротивление «корпус — вывод» фотодиода — не менее 100 МОм. Предельная рабочая освещенность — 1100 лк.

Электрические характеристики фотодиода ФД-24К позволили включить его в схему с операционным усилителем (ОУ) общего назначения с высоким входным сопротивлением. На входе ОУ КР140УД1208 реализован дифференциальный каскад с согласованной парой полевых транзисторов. Усилитель на микросхеме КР140УД1208 выбран для устройства благодаря своим оптимальным электрическим характеристикам (сопротивление нагрузки на выходе ОУ Rh >- 2 кОм и высокая чувствительность по входу).

Рассмотрим электрическую схему фотоколориметра, представленную на рисунке 2. Операционный усилитель DA1 — усилитель постоянного тока, на вход которого подключен фотодиод VD1, который работает в этой схеме в режиме автогенератора, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию (фото ЭДС) Фотодиод подключен на инвертирующий вход ОУ (вывод 2 DA1) как генератор тока ОУ преобразовывает ток в напряжение на выходе (вывод 6 DA1) Выход ОУ нагружен на портативный цифровой вольтметр PV1 типа М-830-В, индицирующий значения напряжения, зависящие от прозрачности (замутнения) воды.

Рис. 1. Функциональная схема устройства для определения прозрачности воды в аквариуме

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема фотоколориметра

Резистор R6 шунтирует вольтметр PV1 для защиты ОУ в случае обрыва контактов с этим прибором (при отключении вольтметра). На выходе ОУ максимальное напряжение 10 В окажется при максимальном фототоке фотодиода VD1, то есть при проецировании светового потока от светодиодной лампы (или лампы накаливания) через кювету с чистой дистиллированной водой.

На фото представлена действующая установка для тестирования на прозрачность 3%-ного раствора соли. При данном эксперименте показания вольтметра составили 8,91 В. Это очень близкая к идеальной прозрачности жидкость. Таким образом, максимальное показание прибора РV1, включенного в режим измерения напряжения (около 10 В), соответствует чистой воде. А минимальное, соответственно, — раствору определенной мутности Запись показаний вольтметра осуществляют опытным путем при различных значениях коэффициента пропускания, которые фиксируют при разной мутности воды в аквариуме, в одно и то же световое время.

Световой поток в данном случае поступает от светодиодной лампы, которая уже снабжена линзой Лампа освещения и устройство фотоколориметра зафиксированы тисками и струбциной на одном уровне Это важно для точности измерения Аналогично исследуют мутность воды в аквариуме.

Налаживание

Налаживание сводится к установке устройства «в нуль», то есть к максимальным показаниям вольтметра РV1 при исследовании заведомо прозрачного раствора дистиллированной воды, помещенного в 3-литровую банку (или иную подходящую кювету) объемом 0,5 3 л. Эта корректировка осуществляется подбором сопротивления резистора R1.

Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25 МР-125. Оксидный конденсатор С2 сглаживает пульсации источника питания. Вместо вольтметра М830-В можно применить любой вольтметр (желательно цифровой) с пределом измерения постоянного напряжения 10—20 В.

Монтаж частей устройства

Светодиодную лампу ЕL1 закрепляют в корпусе портативного фонаря с отражателем, а сам фонарь жестко монтируют в миниатюрных тисках (струбцинах) напротив фотодатчика Фотодатчик закрепляют в тисках с другой стороны аквариума (кюветы с раствором) в любом подходящем компактном корпусе с линзой Корпус фотодатчика устанавливают напротив источника света, выравнивая горизонтальную плоскость линейкой или строительным уровнем.

Альтернативный вариант фотокалориметра

Кроме снятия показаний с помощью вольтметра РV1, можно использовать и другие средства параметрической сигнализации, как-то световую или звуковую индикацию, что расширит возможности устройства. Это несложно осуществить, собрав простую схему фотодатчика, представленную на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная электросхема фотодатчика на транзисторах

Фототранзистор VТ1 в данной схеме является фотодатчиком, принимающим световой сигнал к выходу А подключают любое устройство звуковой или световой сигнализации с соблюдением полярности подключения, например капсюль со встроенным генератором ЗЧ типа КРI-4332. При чрезмерной мутности контролируемого раствора включится звуковой капсюль. Порог срабатывания устройства теперь устанавливают регулировкой входного делителя напряжения или первого усилительного каскада параметрического сигнализатора.

После такой доработки нет необходимости в проведении постоянных физикохимических опытов, а замутнение воды сверх установленного порога вызовет немедленное срабатывание сигнализации (например, звуковой, которую хозяева услышат даже с кухни).

Принцип работы устройства

Световой поток от светодиодной лампы проходит параллельно окну фототранзистора VТ1. Регулировка чувствительности устройства осуществляется переменным резистором R2. В нижнем (по схеме) положении движка переменного резистора R2 чувствительность устройства минимальная.

При абсолютно чистой воде фототранзистор VТ 1 полностью открыт (сопротивление перехода эмиттер — коллектор минимально), соответственно транзистор VТ2 (включенный по схеме усилителя тока) заперт. Когда вода в аквариуме мутнеет, световой поток, приходящий к рабочей поверхности фототранзистора VТ1 от светодиодной лампы сквозь загрязненную естественными отходами воду, пропорционально уменьшается. В зависимости от сопротивления в средней точке делителя напряжения, реализованного с помощью R1 и переменного резистора R2, фототранзистор VТ1 может находиться в открытом, частично открытом или закрытом состоянии. Соответственно транзистор VТ2 будет в запертом, частично запертом или открытом состоянии. Таким образом, при замутнении воды естественными отложениями световой поток к фототранзистору VТ1 уменьшается, он плавно закрывается, через резистор R3 и диод VD1 ток поступает в базу транзистора VТ2, последний частично приоткрывается (поскольку вода, даже мутная, не может не пропускать свет), и между точкой А и общим проводом появляется разница потенциалов (тем больше, чем мутнее вода в аквариуме).

Установка для тестирования на прозрачность 3%-ного раствора соли

К точке А в данной схеме может подключаться устройство усиления сигнала на операционном усилителе или иное устройство индикации состояния. Например, параметрический сигнализатор, или (если требуется большая точность измерения) устройство АЦП, или миллиамперметр Все они подключаются с соблюдением полярности параллельно постоянному резистору R4.

О деталях

Вместо фототранзистора ФТ-1 допускается применение его зарубежного аналога ОСР-70 без какой-либо переделки схемы. Если такого аналога нет, почему бы не изготовить фототранзистор самому аккуратно отпилив шляпку обыкновенного полупроводникового транзистора типа МП39-МП42 (или аналогичных). Или например, заменить VТ1 фотодиодом ФД-7 (или аналогичным), включив его в соответствии с полярностью (катод к «+» Uп) вместо перехода «эмиттер—коллектор» транзистора VТ1. При этом вместо ограничительного резистора RЗ включают делитель напряжения R1R2.

А. КАШКАРОВ