Po dvou minulých dílech máme v epoxidu zalité uhlíky z baterky alias konduktometrickou celu a sadu kalibračních roztoků vyrobených rozpouštěním NaCl nebo KCl ve vodě, nebo alepoň ocet z Kauflandu, který by teda měl mít 1700 us/cm.
Zbývá poslední věc a to je samotná elektronika. Musím přiznat, že za svou vidláckou kariéru jsem vyrobil několik konduktometrů od úplně prasáckých - kde střídavý signál generovala NE555 a ani mi nevadilo že nemá přesně 50% střídu a tím nulový DC offset - po pokusy o "vědu elektronickou" a tedy různé monstrózní konstrukce s "DC servem" aby ten offset byl nulový.
Konduktometr na obrázku je "přistroj střední složitosti", který za málo peněz poskytne dostatečné množství muziky. Takže postupujeme zleva první operační zesilovač je oscilátor, který vyrábí pravoúhlý signál na frekvenci kolem 5 kHz - konduktometrie střídavým proudem se obvykle dělá na jedné ze 3 frekvencí 1, 2, nebo 5 kHZ - z důvodu rychlé odezvy pro připadnou digitalizaci procesorem jsem vždy používal 5 kHz.
Amplitudu oscilátoru omezují a vlastně celou přesnost přístroje garantují dvě diody 1N4148 - které zajišťují, že rozkmit výstupního napětí je asi od +750 mV do -750 mV. Zdánlivě se toto řešení jeví jako hrubě nespolehlivé, protože napěťový spád na diodě klesá o 2 mV na stupeň celsia. Ve skutečnosti konduktivita roztoků se mění ještě rychleji u většiny iontů o 2% na stupeň - takže měření mimo "referenční teplotu" 25 stupňů je stejně hrubě orientační a diody za to nemohou. Jenom taková poznámka - jelikož jsou 1N4148 ve skleněném pouzdře - je výhodné umístit je do tmy a navíc do míst kde nesálá zdroj, nejdou horké dráty a tak....
Pak už je celé zapojení jednoduché jako facka. OZ 2 je předzesilovač a OZ3a 4 jsou "precizní dvoucestný usměrňovač" na konci je nějaká ta ochrana a filtrace před digitalizací pinem MCU. Jako obvykle zbývá pár otázek - proč není elektroda oddělena od zbytků DC offsetu generátoru kondenzátorem ? V nad minulým článkem se rozvinula diskuse jestli než konduktometrická cela z baterek by nebylo lepší rozloupnout kondenzátor a ten použít jako elektrodu.
Tedy asi nikoliv - moje zkušenosti s kondenzátory "před" nebo "za" měřící celou - jsou vyloženě špatné - pokud vezmete dostatečně velkou kapacitu - má takový kondenzátor nezanedbatelný svod a pokud vezmete keramiku malé kapacity - měl jsem často nepříjemný pocit že v rámci ferroelektrických vlastností hmoty kondenzátoru byl tento sám zdrojem DC offsetu většího než offset operačního zesilovače.
Zbývá poslední avšak nejsložitější část konduktometru - a to je volba odporů označených R5, 6, 13. Volba tohoto odporu souvisí s kalibrací konduktometru a tím souvisí i s tím jaký chceme mít výstup. Osobně jsem vždy jako výstup používal multimetr kde 0-1999 mV napěťového rozsahu bylo 0-1999 uS/cm. Takže nejednodušší způsob jak "kalibrovat" konduktometr - je ponořit vaši celu do octa a měnit odpor ve zpětné vazbě tak až multimetr ukazuje 1,7V.
Tento postup je však příliš vidlácký i na vidláka - takže mám nutkání rozebrat otázku kalibrace podrobněji. Pro naši úvahu nyní ignorujme, že jsem tam nakreslil více přepínacích rozsahů a soustřeďme se jenom na hodnotu R5.
Napětí na výstupu je dáno vztahem
U_out = 0,75V * R5 * G_cell
kde G_cell je vodivost konduktometrické cely. Jak už jsme zmiňovali v minulých dílech - vodivost roztoku se zjistí podle vzorečku
g = G_cell * l / S
Kde tedy S je plocha elektrod a l je vzdálenost elektrod. Jelikož konstrukce celly není tak jednoduhá aby se S nebo l dalo měřit pravítkem - výrobci to většinou řeší tak, že dodávají cely, ke kterým udávají podíl l/S jako tzv "konstantnu konduktometrické cely" obvyklé hodnoty jsou samozřejmě pěkně kulaté 1 cm-1, 0,1 cm-1 atd...
Vtip je v tom, že cela s nejoblíbenější konstantou 1 cm-1 má při 1 uS/cm odpor 1 megaohm. Takže nejjednodušší je tento postup - místo cely zapojit "nasucho" odpor známé hodnoty třeba 100 K což odpovídá 10 us/cm. Jako R5 dát taky 100k a pozorovat jestli na výstupu bude přibližně 0,75 V (spád na diodách diodového limiteru)
Pokud tento "suchý test" projde je vhodné připravit si roztok té vodivosti, kterou budete nejčastěji měřit (podle tabulek z minula) - namočit do něj celu a zkusmo měnit R5 až nás hodnota napětí na výstupu uspokojuje - pokud bude vaše cela mít -+ autobus taky -cm-1 a budete při této vodivosti chtít mít na výstupu 1mV - bude R5 přibližně 1K2 - což je hodnota od které se můžete odrazit při ladění vašeho konduktometru.
Při přechodu od méně vodvého roztoku k vodivějšímu - stačí celu nechat okapat. Pokud ale postupujete opačně je třeba celu velice pečlivě a mnohokrát oplachovat super-čistou destilovanou vodou jinak vám zbytky koncentrovaného roztoku zkazí nízkou vodivost méně koncentrovaného.
Nepatrná poznámka na závěr - toto je zapojení, které přímo prosí o použití záporného napájení operačních zesilovačů - generovaných třeba nábojovou pumpou - nikoliv o podvod s "virtuálními zeměmi".
To by pro dnešek bylo vše - jako obvykle si vyhrazuju právo na 2-3 méně závažné a 1 hrubou chybu - zejména ve vzorečcích. Zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - našla jste v šuplíku robotické pracovny rozestavěný konduktometr ? Udělala jste scénu, že platina na elektrody se kupovat nebude ? Divíte se, že místo 4 platinových prstenů jste dostala 4 zinkouhlíkové velké monočlánky na domácí výrobu konduktometrické cely ?
petr-kubac | 6. listopadu 2014 v 10:14
Hola hola, tady věčný rejpal. Nějak se mi nezdá ten "precizní usměrňovač", přesně ji jeho symetrie. Ne že by vůbec nefungoval, to určitě bude, ale z hlediska symetrie má v každé půlvlně jiný zisk a to mi moc precizní nepřipadá, ty by z "precizního usměrňovače" byl jen "usměrňovač". Ve chvíli kdy je otevřena dioda D3 pracuje X4 jako invertující zesilovač a má zesílení 1 určené odpory R9, R10. V druhé půlvlně, kdy je otevřena D4 však pracuje X4 jako neinvertující zesilovač, zesílení je určeno odpory R7, R9, R10 a jeho velikost je 1,5. Usměrňovač tedy "kulhá", což sice v tomto zapojení nevadí (stačil by podle mně i jednocestný), ale precizním bych jej nenazval. Doporučil bych "zesymetrizování" buď změnou hodnoty R7, R9, R10 na 15k, nebo ještě lépe vřazením děliče s dělicím poměrem 1,5 mezi D4 a neinvertující vstup X4. Neberte prosím moje rejpání jako kritiku, ale spíš jako podnět k diskuzi, ať je o čem "pokecat".