4.1. Прозрачна ли вода в аквариуме?

Аквариумисты привыкли контролировать замутненность воды в аквариуме визуальным способом («на глаз»). Начинающие аквариумисты не меняют воду в аквариуме до тех пор, пока она не станет выделять запах. Однако с помощью несложного электронного устройства, собранного за пару свободных вечеров на рабочем столе, можно придать процессу контроля воды в аквариуме высокую точность, исключающую пресловутый «человеческий фактор». Выиграют от такого подхода все – и люди, и их питомцы в аквариуме. Электронное устройство контроля прозрачности воды основано на принципе контроля пропускания светового потока через раствор (воду).

Прозрачность (или светопропускание) воды обусловливается ее мутностью, то есть содержанием различных окрашенных и минеральных веществ. В свою очередь мутность раствора зависит от тонкодисперсных примесей, обусловленных наличием нерастворимых (коллоидных) неорганических веществ.

Мутность раствора измеряют фотометрическим способом, фиксируя интенсивность пропускаемого света и сравнивая этот показатель с показателем мутности заведомо прозрачного (стандартного) раствора. Прототипами фотометра являются промышленные приборы для измерения мутности раствора – фотоколориметры, например, КФК-2 и КФК-3, предназначенные для измерения коэффициентов пропускания света и оптической плотности растворов на отдельных участках диапазона 315–980 нм.

Однако эти промышленные устройства либо сложны в исполнении и настройке (требуют специальных измерительных приборов), либо мало пригодны для измерения относительной прозрачности растворов в домашних условиях. Поэтому для относительных измерений было разработано устройство фотоэлектрического фотометра (фотоколориметра), принцип действия которого основан на преобразовании светового потока в электрическую величину – напряжение.

Коэффициент пропускания ? определяется по формуле:

? = (U – Ut): (U0 – Ut) * 100 %,

где U – напряжение на выходе устройства при исследовании раствора, В;

U0 – напряжение на выходе прибора при исследовании раствора дистиллированной воды, В;

Ut – напряжение на выходе при затемнении фоточувствительного датчика, В.

Функциональная схема прибора

Функциональная схема устройства представлена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1. Функциональная схема устройства:

1 – осветительный прибор, совмещенный с объективом (линзой);

2 – аквариум с водой;

3 – фотодатчик, реализованный на фотодиоде ФД-24К;

4 – электронный усилитель с измерительным прибором;

5 – стабилизированный источник питания (выходное напряжение 12 В)

Электрические характеристики фотодиода ФД-24К:

? область спектральной чувствительности – 0,47– ОД 2 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 Rn > 2 кОм и высокая чувствительность по входу).

Рассмотрим электрическую схему устройства фотоколориметра на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Электрическая схема устройства фотоколориметра

Операционный усилитель DA1 – усилитель постоянного тока, на вход которого подключен фотодиод VD1. Фотодиод 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.

Резистор R6 шунтирует вольтметр PV1 для защиты ОУ в случае обрыва контактов с вольтметром (при отключении вольтметра).

Выходное напряжение на выводе 6 DA1 рассчитывают по формуле:

Uвых = Iфд· R1 · J.

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 рисунке 4.3 представлено действующее устройство, где исследуется прозрачность раствора соли 3 %.

Рис. 4.3. Готовое устройства в действии

При этом эксперименте показания вольтметра составляют 8,91 В. Это почти прозрачная, но не самая прозрачная жидкость. Таким образом, максимальное значение прибора PV1, включенного в режим измерения напряжения (~ 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 дня.

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.

По той же аналогии исследуют мутность воды в аквариуме.

Налаживание. Налаживание сводится к установке устройства «в нуль», то есть к максимальным показаниям вольтметра (PV1) 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.

О деталях. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25, MF-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 EL1 закрепляют в корпусе портативного фонаря с отражателем, а сам фонарь жестко закрепляют 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. Внешний вид закрепленных частей конструкции показан на рисунке 4.3.

Перспектива применения. Кроме рассмотренного варианта контроля мутности аквариумной воды предложенным способом можно эффективно измерять мутность и оптическую светопроницаемость любых других растворов.

Альтернативный вариант фотоколориметра. Кроме снятия показаний с помощью вольтметра PV1 можно использовать и другие средства параметрической сигнализации, например световую или звуковую индикацию, что расширит возможности устройства. Это несложно осуществить, собрав простую схему фотодатчика, представленную на рисунке 4.4.

Рис. 4.4. Электрическая схема фотодатчика на транзисторах

Фототранзистор VT1 в данной схеме является фотодатчиком, принимающим световой сигнал. К точке А подключают любое устройство звуковой сигнализации (или световой) с соблюдением полярности подключения, например, капсюль со встроенным генератором 34 типа KPI-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 физико-химических опытов, а замутнение воды сверх установленного порога вызовет немедленную сигнализацию (например, звуковую), которую хозяева услышат даже из кухни. В этом направлении остается большой простор для творческой активности радиолюбителей.

Принцип работы устройства. Световой поток от светодиодной лампы HL1 проходит параллельно окну фототранзистора VT1. Регулировка чувствительности устройства осуществляется переменным резистором R2. В нижнем (по схеме) положении движка переменного резистора R2 чувствительность устройства минимальная.

При абсолютно чистой воде фототранзистор VT1 полностью открыт (сопротивление перехода эмиттер-коллектор минимально), соответственно, транзистор VT2 (включенные по схеме усилителя тока) заперт. Когда вода в аквариуме мутнеет, световой поток, приходящий к рабочей поверхности фототранзистора VT1 от светодиодной лампы HL1 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 VT1 находится в открытом, частично открытом или закрытом состоянии. Соответственно состоянию фототранзистора VT1, транзистор VT2 находится в запертом, частично запертом или открытом состоянии. Таким образом, при замутнении воды естественными отложениями световой поток к фототранзистору VT1 уменьшается, он плавно закрывается, через резистор R3 и диод VD1 ток поступает в базу транзистора VT2, он частично приоткрывается (поскольку вода, даже мутная, не может не пропускать свет), и между точкой А и общим проводом присутствует разница потенциалов (тем больше, чем мутнее вода в аквариуме).

К точке А в данной схеме может подключать устройство усиления сигнала на операционном усилителе или иное устройство индикации состояния. Таким устройством может быть даже параметрический сигнализатор или (если требуется большая точность измерения) устройство АЦП или миллиамперметр. Все эти устройства подключаются (с соблюдением полярности) параллельно постоянному резистору R4.

О деталях. Вместо фототранзистора ФТ-1 можно включить зарубежный фототранзистор ОСР-70 без какой-либо переделки схемы. Если такого аналога нет, можно изготовить фототранзистор самому, аккуратно отпилив шляпку обыкновенного полупроводникового транзистора типа МП39-МП42 (или аналогичных). Или, например, заменить VT1 фотодиодом ФД-7 (или аналогичным), включив его в соответствии с полярностью (катод к «+» Uп) вместо перехода эмиттер-коллектор транзистора VT1. При этом вместо ограничительного резистора R3 включают делитель напряжения R1R2.