Индикатор концентрации солей позволяет сравнить дистиллированную воду с дождевой, водопроводной или речной по степени минерализации. Точно знать количество содержащихся в воде солей необходимо владельцам аквариумов, энтузиастам гидропоники или здорового образа жизни. Они пользуются недешевыми измерительными приборами, которые называются TDS-метрами. А для удовлетворения интереса и расширения кругозора можно воспользоваться предлагаемым здесь индикатором.
Исчерпывающая информация о воде и ее качестве есть на многих сайтах, я, например, много пользовался сайтом o8ode.ru. Чтобы не заниматься копирайтом, направляю добросовестных и любознательных туда. Считая, что основные сведения прочитаны, приступлю к описанию конструкции индикатора (не касаясь химических процессов).
Поскольку прибор электрический, то, при сравнении концентрации солей, будем рассматривать измерения УЭП, удельной электропроводности воды, она выражается в мкСм/см (микросимменс на сантиметр). УЭП связана с концентрацией примесей, 1 мг/л соответствует 0,65 х 1мСм/см (усреднено, для разных солей). Оценить величину УЭП можно любым электрическим тестером среднего качества,- опустите кончики щупов в жидкость в режиме измерения сопротивления и вы без ошибки отличите дистиллированную воду от водопроводной. Но хороший тестер требуется в другом месте - на рабочем столе. Для индикатора использован игрушечный тестер SUNWA YX-1000A; все его скромные функции сохранены и добавлен режим измерения УЭП.
Перед изготовлением индикатора полезно провести простейшие измерения по схеме на рис.1.
Это макет большинства измерителей концентрации солей, измеряющих величину протекающего через жидкость тока. Меняя частоту, напряжение и полярность напряжения можно заметить, что:
- величина тока не зависит от частоты (наводки на цепь измерения пренебрежимо малы),
- полярность или направления тока (постоянный/переменный) тоже не имеют значения (потому что электролиз из-за ничтожного тока незаметен),
- ток не сильно зависит от площади, материала датчика и напряжения (что тоже понятно - все свободные ионы задействованы для переноса заряда, а сопротивление перехода металл-вода в любом случае много меньше сопротивления собственно жидкости).
Поэтому, если достаточно не измерять, а сравнивать концентрацию солей и довольствоваться плохой точностью, то для изготовления индикатора к старому тестеру можно добавить только усилительный каскад на одном транзисторе. Схема измерителя показана на рис.2.
Из-за низкого напряжения питания тестера, 1,5В, использован германиевый транзистор ГТ309Е. Датчик тока включен между коллектором и базой, эта ООС и сопротивление в эмиттере увеличивает динамический диапазон каскада. Электролиты обеспечивают низкочастотный срез АЧХ, чтобы ослабить броски стрелки тестера. Диод между базой и эмиттером защищает переход от обратного напряжения, термистор компенсирует температурные изменения (если считать, что температура проверяемой жидкости и корпуса прибора не сильно отличаются). Амплитудная характеристика от 0 до 0,3В нелинейная, напоминает логарифмическую; дальше напряжение ограничивается диодом, включенным в прямом направлении параллельно измерительной головке. Вид навесного монтажа схемы и переключателя в тестере (внутри корпуса) показаны на рис.3.
Датчик изготовлен из двухстороннего фольгированного текстолита (фторопласт подошел бы лучше, но его не нашлось). Его форма и размеры показаны на рис.4.
Поворачивая пластинку датчика можно выдвигать его или убирать на заднюю сторону корпуса тестера. Одна обкладка соединяется со схемой через винт (ось датчика), вторая,- через медную фольгу, приклеенную к корпусу прибора, рис.3, 5 и 6. Тестер с развернутым датчиком показан на рис.7. Думаю, что материал датчика может быть разным,- концы щупа можно сделать из посеребренных контактов ВЧ разъемов
( если не жалко).
Поскольку мы измеряем УЭП, то для градуировки индикатора надо снять зависимость отклонения стрелки прибора от сопротивления между выводами датчика. Она показана в первом и втором столбце слева таблицы на рис.8. Для расширения пределов измерения амплитудная характеристика сделана похожей на логарифмическую,- при изменения положения стрелки от 0,5 до 10 делений (в 20 раз) измеряемое сопротивление меняется в 50 раз. УЭП- это величина, обратная сопротивлению. Значит, чтобы привязать шкалу сопротивлений к значениям концентрации, достаточно выполнить измерение известной засоленности в одной точке, а отклонения стрелки для других концентраций будут пропорциональны отношению сопротивлений из таблицы на рисунке 8 .
Жидкость с известной концентрацией солей получена при растворении 1 грамма поваренной соли в ведре (8 литров) дождевой воды. Тратить в таких количествах дистиллированную воду расточительно, а дождевая вода (по предварительным измерениям) дает очень малое отклонение стрелки. Известно, что при концентрации соли 1 грамм в одном литре воды УЭП (удельная электропроводность) жидкости составляет 2 мСм/см. Значит, один грамм соли в восьми литрах жидкости создаст проводимость 250 мкСм/см. Чувствительность индикатора подобрана так, что при такой проводимости стрелка прибора отклоняется на 8 делений. Вот мы и провели калибровку датчика и индикатора. Другие значения УЭП (в третьем столбце таблицы) вычисляются из отношения сопротивлений соответствующих строк. Например, при отклонении стрелки на 6 делений
УЭП(6)=250 х 12/17=176 ; округляя, получаем 180 мкСм/см. Чтобы получилась концентрация солей в ppm (миллионных долях), умножаем на 0,65
ppm(6)=180 х 0,65=117 или 120. И так все другие значения.
Получилось, что индикатор различает концентрации от 6 до 260 ppm примесей солей. Результаты измерений оказались похожими на данные из интернета,
- дистиллированная вода- 1-2 ppm,
- дождевая вода - 10 ppm,
- вода из реки или колодца - 80 ppm,
- водопроводная вода -200 ppm.
Между прочим, по санитарным нормам общая минерализация воды не должна превышать 1000 ppm,- вот, что может оказаться в водопроводном кране. Но не следует огорчаться, мы еще не знаем чем дышим)).
