Прибор для контроля качества сахара
Предлагается схема простого измерительного прибора, позволяющего контролировать как качество сахара, так и качество промежуточных продуктов сахарного производства. Схема обладает широкими функциональными возможностями и может использоваться для контроля удельной электропроводности других веществ. Диапазон измеряемых значений - от 0,1 до 2000 мкСм/см.
Разработанный прибор предназначен для использования при производстве сахара. Одним из важнейших показателей качества промежуточных продуктов и товарного сахара является содержание в них примесей (или зольности). Установлено, что чистая дистиллированная вода и растворы чистого сахара почти не проводят электрического тока. Однако наименьшие примеси солей, кислот и щелочей, которые диссоциируют в воде на ионы, увеличивают электропроводность воды. Поэтому электропроводность водных растворов сахара пропорциональна концентрации в них ионов и зависит от степени чистоты сахара.
Электропроводность является величиной, обратно пропорциональной сопротивлению R. Известно, что электропроводность прямо пропорциональна площади сечения проводящей среды и обратно пропорциональна ее длине. Для измерения электропроводности используют так называемую кондуктометрическую ячейку. Она представляет собой датчик, вмещающий в себя определенный заданный объем исследуемого вещества, и имеет два электрода.
На рис.1 показана консрукция такого датчика. Один из электродов представляет собой согнутую медную пластину толщиной не менее 2 мм, которая одновременно является теплоотводом мощного транзистора VT2. Зачем это нужно? Дело в том, что электропроводность водных растворов имеет большую зависимость от температуры среды (до 2,5% на 1°С). Для устранения этого нежелательного воздействия в известных серийно выпускаемых приборах (например, КЛЗ-1) используют дополнительный блок для измерения температуры и введения поправок к измеряемой величине. В данном приборе применен терморегулятор, т.е. система, содержащая чувствительный температурный элемент (терморезистор R2) и нагреватель VT2 (рис.2). Подбором сопротивления резистора R1 устанавливают ток, протекающий через коллектор составного транзистора VT1, VT2. Увеличение тока приводит к повышению температуры коллекторного перехода мощного транзистора VT2 и повышению температуры контролируемого раствора. Однако с ростом температуры уменьшается сопротивление терморезистора R2. Таким образом, эта система способна поддерживать определенную температуру водного раствора. Как показали эксперименты, данный терморегулятор способен поддерживать температуру с точностью до 0,2-0,3°С.
Недостатком регулятора является его инерционность, так как необходимо время для прогрева водного раствора, однако для условий сахарного производства это несущественно. Температуру нагрева выбирают такой, чтобы прибором можно было пользоваться и в теплое, и в холодное время года (например, при 30°С). Температуру устанавливают подбором резистора R1. Терморезистор R2 (22 кОм) в металлическом корпусе. Чтобы корпус резистора не имел электрического контакта с водным раствором, его покрывают несколькими слоями водостойкого лака (например, уретаново-го). Ячейку изготавливают из пластмассы (желательно термостойкой). Клеить ее не нужно, а стыки лучше "сварить" паяльником. Электроды можно приклеить к корпусу ячейки клеем "Суперцемент". Обе пластины должны быть медными, их лучше ничем не покрывать, так как используемые для покрытия металлы (олово, никель, хром и др.) по электрохимическим свойствам хуже меди и будут скорее разрушаться. Если есть возможность, можно сделать серебряное покрытие. Примерные размеры ячейки 6x2x2 см.
Красный светодиод VD1 будет светиться во время нагрева раствора. По мере нагревания потребляемый ток и падение напряжения на резисторе R3 будут уменьшаться, и через некоторое время светодиод погаснет, что будет сигнализировать о готовности прибора к измерению. Время прогрева зависит от исходной температуры раствора, и в среднем составляет около 7-10 мин.
Если необходимо проводить измерения с погрешностью меньшей 1-2%, время нагрева можно увеличить до 15 мин. Это можно сделать подбором сопротивления резистора R3. Транзистор VT2 лучше брать в металлическом корпусе и крепить его на пластине без изолирующей прокладки. Здесь же можно установить и транзистор VT1.
Для приготовления рабочего раствора применяют только дистиллированную воду. В настоящее время применяются растворы с концентрацией 28% сухих веществ (для сахара-песка) и 5% (для сахара-сырца). Для приготовления раствора сахара-песка с содержанием 28% сухих веществ в колбу на 200 см3 насыпают 63 г сахара и доливают водой до риски. Для определения зольности пользуются известными расчетными величинами, приведенными в [1].
Рассмотрим, как осуществляется процесс измерения в данном приборе. Собственно измерительной цепью прибора является каскад на микросхеме DA1 (рис.2), где Rк кон-дуктометрическая ячейка с контролируемым раствором. Один из ее электродов (верхний по схеме) соединен с коллектором мощного транзистора VT2 (см. рис.2). Электропроводность измеряют генераторным методом. Микросхема DA1 - это обычный широко распространенный таймер серии 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1), работающий в режиме автогенератора. Заряд и разряд конденсатора С5 происходит по цепочке R^5. Как известно, частота генерируемых колебаний при этом обратно пропорциональна емкости конденсатора С5 и сопротивлению ячейки Rк
f = К/^кС5) = (Квк)/С5, где Ок - электропроводность раствора; К - константа.
Ключ на полевом транзисторе VT5 - с малым сопротивлением перехода Rоткр=0,1 Ом (используют один из транзисторов сборки IRF7105). Резистор R10 и ячейка Rк образуют цепь заряда конденсатора С5. Разряд происходит через внутренний ключ таймера DA1, который выводится на вывод 7 микросхемы и через ячейку R^ Таким образом, на электродах ячейки формируется переменное напряжение, так как при однополярном (из-за явлений поляризации) измерения обычно не проводят. Как показывает практика, наиболее оптимальным диапазоном рабочих частот таймера DA1 является диапазон до 10 кГц. На более высоких частотах микросхема может работать неустойчиво. Это необходимо учитывать при наладке устройства. Транзистор VT4 используется для обеспечения противофазной работы внутреннего ключа таймера и ключа на транзисторе VT5.
Так как температура нагревателя стабилизирована, то для повышения точности измерений корпус таймера и корпус конденсатора С5 желательно приклеить к несмочен-ной части изогнутого медного электрода (любой конденсатор имеет определенную температурную нестабильность). Генератор, нагреватель и ячейка датчика выполнены в виде отдельного блока, который соединяется с устройством пяти-штыревым разъемом (подойдет разъем от магнитофона). Для питания нагревателя и генератора используют два отдельных гальванически развязанных стабилизатора (рис.3).
Обмотки 2 и 3 трансформатора TV1 рассчитаны на рабочий ток до 0,2 А. Микросхемы DA1 и DA2 стабилизаторов установлены на отдельные теплоотводы площадью 8-10 см2. Можно использовать и один пятнадцативольтовый стабилизатор (соединить выводы a и c, b и e разъема). Однако в таком случае транзистор VT2 нужно устанавливать через изолирующую слюдяную прокладку, что увеличит инерционность нагревателя.
На рис.4 показана схема блока вычислений и индикации. Она состоит из формирователя входного сигнала, выполненного на транзисторе VT1, где диоды VD1 и VD2 - ограничительные; микропроцессора DD1, выполняющего функции вычисления расчетных величин, выбора режима работы и управления динамической индикацией (микросхемы DD2, HG1, HG2); пятивольтового стабилизатора DA1.
Микропроцессор работает в два такта. В первом по частоте автогенератора измеряется удельная электропроводность раствора. Затем, во втором такте, с учетом выбранного режима работы проводятся вычисления согласно выражениям [1]. Измерение частоты автогенератора осуществляется по известным алгоритмам, описанным в [2, 3].
В устройстве применены два трехразрядных светодиодных индикатора повышенной яркости красного свечения от АОНов типа TOT3361. При их отсутствии можно взять любые другие светодиодные индикаторы на необходимое число разрядов. Аноды индикаторов через токоограничительные резисторы R6-R13 подключены к порту B микроконтроллера. Катоды соединены с выходами дешифратора DD2 (555ИД10), выходной ток которых может достигать 20 мA. При использовании индикаторов зеленого и желтого свечения сопротивления резисторов R6-R13 нужно уменьшить (можно подобрать опытным путем по желаемой яркости свечения). Однако в данном устройстве можно использовать тлько индикаторы с общим катодом.
Во время работы устройства на индикаторе периодически отображается значение удельной электропроводности рабочего раствора (в мкСм/см). При этом в первом разряде слева высвечивается буква "П", а затем - значение расчетной величины в %. Нужную расчетную величину (зольность) выбирают из таблицы и устанавливают переключателями S3 и S4 (при этом переключатели S1 и S2 должны быть включены).
В приборе предусмотрена возможность самокалибровки по образцовому раствору (этой функции нет в серийно выпускаемых приборах). Для проведения самокалибровки раствор [1] заливают в кондуктометрическую ячейку, нагревают до выбранной температуры (ждем, пока погаснет красный светодиод) и на 15-20 с выключают переключатель S1 (в исходном состоянии он замкнут), затем его обратно включают. После проведения калибровки на индикаторе должно высветиться показание "П 1020,7" или близкое к нему значение. Самокалибровку можно проводить один раз в несколько месяцев.
В приборе также предусмотрена возможность измерения электропроводности используемой для приготовления растворов воды. Для этого воду заливают в ячейку, нагревают и на 15-20 с выключают переключатель S2, и затем его снова включают (S1 и S2 обычно включены. S1 выключают только для проведения калибровки, а S2 выключают только для измерения проводимости воды). Измеренное значение записывается в энергонезависимую память процессора и используется в дальнейшем при вычислениях.
Детали. Стабилизатор DA1 (рис.4) устанавливают на теплоотводе размером 8-10 см2. Кварц может быть любой (3...4 МГц). В качестве S1-S4 лучше использовать сдвоенные переключатели типа П2К, а через вторую половину свободных контактов запитать светодиоды, которые бы сигнализировали о режиме работы устройства (на схеме не показаны). Конденсатор С5 типа К73-9, К73-17 или аналогичный импортный. Остальные резисторы и кондесаторы обычные. Дроссель Др (см. рис.2) содержит 100 витков провода диаметром 0,3 мм на ферритовом кольце средних размеров.
Для приготовления образцового раствора используют химически чистый хлористый калий KCl. Кондуктометрическую ячейку после проведения измерений нужно промывать водой и вытирать насухо. Малейшие остатки растворов от предыдущих измерений исказят текущий результат.
Исходный текст программы conduct.asm и коды con-duct.hex для прошивки микроконтроллера, а также методика приготовления образцового раствора находятся на сайте редакции по адресу www.ra-publish.com.ua. Программировать микросхему удобно по методике, подробно описанной в [2]. Там же приведена и схема простейшего программатора.
Автор: A.M. Саволюк, г. Киев
Литература:
1. Герасименко О.А., Хвалковський Т.П. Методи аналiзу i контролю у виробництвi цукру. - К.: Вища шк., - 1992.
2. Денисов А. Частотомер на процессоре PIC16Р84//Радио-хобби. - 2000. - №1. - С.42-43.
3. Яблоков Д., Ульрих В. Частотомер на PIC- контролле-ре//Радио. - 2001. - №1. - С.21-22.