AM Саволюк, м. Київ

Пропонується схема простого вимірювального приладу, що дозволяє контролювати як якість цукру, так і якість проміжних продуктів цукрового виробництва. Схема має широкі функціональними можливостями і може використовуватися для контролю питомої електропровідності інших речовин. Діапазон вимірюваних значень – від 0,1 до 2000 мкСм / см.

 

 

 

 

Розроблений прилад призначений для використання при виробництві цукру. Одним з найважливіших показників якості проміжних продуктів і товарного цукру є вміст у них домішок (або зольності). Встановлено, що чистий дистильована вода та розчини чистого цукру майже не проводять електричного струму. Однак найменші домішки солей, кислот і лугів, які дисоціюють у воді на іони, збільшують електропровідність води. Тому електропровідність водних розчинів цукру пропорційна концентрації в них іонів і залежить від ступеня чистоти цукру.

Електропровідність є величиною, обернено пропорційною опору R. Відомо, що електропровідність прямо пропорційна площі перерізу провідного середовища і обернено пропорційна її довжині. Для вимірювання електропровідності використовують так звану кондуктометричну клітинку. Вона являє собою датчик, що вміщає в себе певний заданий обсяг досліджуваної речовини, і має два електроди.

На рис.1 показана консрукція такого датчика. Один з електродів являє собою зігнуту мідну пластину товщиною не менше 2 мм, яка одночасно є теплоотводом потужного транзистора VT2. Навіщо це потрібно? Справа в тому, що електропровідність водних розчинів має велику залежність від температури середовища (до 2,5% на 1 ° С). Для усунення цього небажаного впливу у відомих серійно випускаються приладах (наприклад, КЛЗ-1) використовують додатковий блок для вимірювання температури та введення поправок до вимірюваної величини. В даному приладі застосований терморегулятор, тобто система, містить чутливий температурний елемент (терморезистор R2) і нагрівач VT2 (рис.2). Підбором опору резистора R1 встановлюють струм, що протікає через колектор складеного транзистора VT1, VT2. Збільшення струму призводить до підвищення температури колекторного переходу потужного транзистора VT2 і підвищенню температури контрольованого розчину. Однак зі зростанням температури зменшується опір терморезистора R2. Таким чином, ця система здатна підтримувати певну температуру водного розчину. Як показали експерименти, даний терморегулятор здатний підтримувати температуру з точністю до 0,2-0,3 ° С.

Недоліком регулятора є його інерційність,

так як необхідний час для прогріву водного розчину, проте для умов цукрового виробництва це неістотно. Температуру нагрівання вибирають такий, щоб приладом можна було користуватися і в теплу, і в холодну пору року (наприклад, при 30 ° С). Температуру встановлюють підбором резистора R1. Терморезистор R2 (22 кОм) у металевому корпусі. Щоб корпус резистора не мав електричного контакту з водним розчином, його покривають декількома шарами лаку водостійкого (наприклад, уретанових-го). Осередок виготовляють із пластмаси (бажано термостійкої). Клеїти її не потрібно, а стики краще "Зварити" паяльником. Електроди можна приклеїти до корпусу осередку клеєм "Суперцемент". Обидві пластини повинні бути мідними, їх краще нічим не покривати, так як використовуються для покриття метали (олово, нікель, хром та інші) з електрохімічним властивостям гірше міді і будуть швидше руйнуватися. Якщо є можливість, можна зробити срібне покриття. Зразкові розміри осередку 6x2x2 см.

Червоний світлодіод VD1 буде світитися під час нагрівання розчину. У міру нагрівання споживаний струм і падіння напруги на резисторі R3 будуть зменшуватися, і через деякий час світлодіод згасне, що буде сигналізувати про готовність приладу до вимірювання. Час прогріву залежить від початкової температури розчину, і в середньому

 

 

становить близько 7-10 хв. Якщо необхідно проводити вимірювання з похибкою меншою 1-2%, час нагрівання можна збільшити до 15 хв. Це можна зробити підбором опору резистора R3. Транзистор VT2 краще брати в металевому корпусі і кріпити його на пластині без ізолюючої прокладки. Тут же можна встановити і транзистор VT1.

Для приготування робочого розчину застосовують тільки дистильовану воду. В даний час застосовуються розчини з концентрацією 28% сухих речовин (для цукру-піску) і 5% (для цукру-сирцю). Для приготування розчину цукру-піску з вмістом 28% сухих речовин в колбу на 200 см3 насипають 63 г цукру і доливають водою до риски. Для визначення зольності користуються відомими розрахунковими величинами, наведеними в [1].

Розглянемо, як здійснюється процес вимірювання в даному приладі. Власне вимірювальної ланцюгом приладу є каскад на мікросхемі DA1 (рис.2), де Rк кон-дуктометріческая осередок з контрольованим розчином. Один з її електродів (верхній за схемою) з'єднаний з колектором потужного транзистора VT2 (див. рис.2). Електропровідність вимірюють генераторним методом. Мікросхема DA1 – це звичайний широко поширений таймер серії 555 (вітчизняний аналог КР1006ВІ1), що працює в режимі автогенератора. Заряд і розряд конденсатора С5 відбувається по ланцюжку R ^ 5. Як відомо, частота генеруються коливань при цьому назад пропорційна ємності конденсатора С5 та опору осередки Rк

f = К / ^ КС5) = (Квк) / С5, де Ок – електропровідність розчину; К – константа.

Ключ на польовому транзисторі VT5 – з малим опором переходу Rоткр = 0,1 Ом (використовують один з транзисторів збірки IRF7105). Резистор R10 і осередок Rк утворюють ланцюг заряду конденсатора С5. Розряд відбувається через внутрішній ключ таймера DA1, який виводиться на висновок 7 мікросхеми та через осередок R ^ Таким чином, на електродах осередку формується змінна напруга, тому що при однополярному (Через явищ поляризації) вимірювання зазвичай не проводять. Як показує практика, найбільш оптимальним діапазоном робочих частот таймера DA1 є діапазон до 10 кГц. На більш високих частотах ми

кросхема може працювати нестабільно. Це необхідно враховувати при налагодженні пристрою. Транзистор VT4 використовується для забезпечення противофазно роботи внутрішнього ключа таймера і ключа на транзисторі VT5.

Так як температура нагрівача стабілізована, то для підвищення точності вимірювань корпус таймера і корпус конденсатора С5 бажано приклеїти до несмочен-ної частини вигнутого мідного електрода (будь конденсатор має певну температурну нестабільність). Генератор, нагрівач і осередок датчика виконані у вигляді окремого блоку, який з'єднується з пристроєм п'яти-штирьовим роз'ємом (підійде роз'єм від магнітофона). Для живлення нагрівача і генератора використовують два окремих гальванічно розв'язаних стабілізатора (рис.3).

Обмотки 2 і 3 трансформатора TV1 розраховані на робочий струм до 0,2 А. Мікросхеми DA1 і DA2 стабілізаторів встановлені на окремі тепловідвід площею 8-10 см2. Можна використовувати і один пятнадцатівольтовий стабілізатор (з'єднати висновки a і c, b і e роз'єму). Однак у такому випадку транзистор VT2 потрібно встановлювати через ізолюючу слюдяну прокладку, що збільшить інерційність нагрівача.

На рис.4 показана схема блоку обчислень та індикації. Вона складається з формувача вхідного сигналу, виконаного на транзисторі VT1, де діоди VD1 і VD2 – обмежувальні; мікропроцесора DD1, що виконує функції обчислення розрахункових величин, вибору режиму роботи та управління динамічною індикацією (мікросхеми DD2, HG1, HG2); пятівольтового стабілізатора DA1.

Мікропроцесор працює в два такту. У першому за частотою автогенератора вимірюється питома електропровідність розчину. Потім, у другому такті, з урахуванням обраного режиму роботи проводяться обчислення згідно виразами [1]. Вимірювання частоти автогенератора здійснюється за відомими алгоритмами, описаним в [2, 3].

У пристрої застосовані два трехразрядного світлодіодних індикатора підвищеної яскравості червоного свічення від АОНів типу TOT3361. При їх відсутності можна взяти будь-які інші світлодіодні індикатори на необхідне число розрядів. Аноди індикаторів через струмообмежувальні резистори R6-R13 підключені до порту B мікроконтролера. Катоди з'єднані з виходами дешифратора DD2 (555ІД10), вихідний струм яких може досягати 20 мA. При використанні індикаторів зеленого і жовтого свічення опору резисторів R6-R13 потрібно зменшити (можна підібрати дослідним шляхом за бажаною яскравості світіння). Проте в даному пристрої можна використовувати тільки індикатори із загальним катодом.

Під час роботи пристрою на індикаторі періодично відображається значення питомої електропровідності робочого розчину (в мкСм / см). При цьому в першому розряді зліва висвічується буква "П", а потім – значення розрахункової величини в%. Потрібну розрахункову величину (зольність)

 

 

вибирають з таблиці і встановлюють перемикачами S3 і S4 (при цьому перемикачі S1 і S2 повинні бути включені).

У приладі передбачена можливість самокалібрування по зразковому розчину (цієї функції немає в серійно випускаються приладах). Для проведення самокалібрування розчин [1] заливають у кондуктометричну клітинку, нагрівають до обраної температури (чекаємо, поки згасне червоний світлодіод) і на 15-20 с вимикають перемикач S1 (в початковому стані він замкнутий), потім його назад включають. Після проведення калібрування на індикаторі має висвітитися показання "П 1020,7" або близьке до нього значення. Самокалібрування можна проводити один раз на кілька місяців.

У приладі також передбачена можливість вимірювання електропровідності використовуваної для приготування розчинів води. Для цього воду заливають у клітинку, нагрівають і на 15-20 с вимикають перемикач S2, і потім його знову включають (S1 і S2 зазвичай включені. S1 вимикають тільки для проведення калібрування, а S2 вимикають тільки для вимірювання провідності води). Виміряне значення записується в енергонезалежну пам'ять процесора і використовується в подальшому при обчисленнях.

Деталі. Стабілізатор DA1 (рис.4) встановлюють на тепловідвід розміром 8-10 см2. Кварц може бути будь-який (3 … 4 МГц). Як S1-S4 краще використовувати здвоєні перемикачі типу П2К, а через другу половину вільних контактів живити світлодіоди, які б сигналізували про режим роботи пристрою (на схемі не показані). Конденсатор С5 типу К73-9, К73-17 або аналогічний імпортний. Решта резистори й кондесатори звичайні. Дросель Др (див. рис.2) містить 100 витків дроту діаметром 0,3 мм на феритових кільцях середніх розмірів.

Для приготування зразкового розчину використовують хімічно чистий хлористий калій KCl. Кондуктометричну клітинку після проведення вимірів потрібно промивати водою і витирати насухо. Найменші залишки розчинів від попередніх вимірювань спотворять поточний результат.

Оригінальний текст програми conduct.asm та коди con-duct.hex для прошивки мікроконтролера, а також методика приготування зразкового розчину знаходяться на сайті редакції за адресою www.ra-publish.com.ua. Програмувати мікросхему зручно за методикою, докладно описаної в [2]. Там же приведена і схема найпростішого програматора. Література

1. Герасименко О.А., Хвалковській Т.П. Методи аналiзу i контролю у віробніцтвi цукри. – К.: Вища шк., – 1992.

2. Денисов А. Частотомір на процесорі PIC16Р84 / / Радіо-хобі. – 2000. – № 1. – С.42-43.

3. Яблоков Д., Ульріх В. Частотомір на PIC-контролле-ре / / Радіо. – 2001. – № 1. – С.21-22.