Измерение плотности воды кондуктометрическим методом

[Starcomputer]

В настоящее время подавляющее количество аквариумистов пользуется двумя приборами для определение плотности / солености воды:
- ареометр;
- рефрактометр,
однако это достаточно устаревшие и неточные методы.
Океаногрофы всего мира, начиная с 1978 года, пользуются шкалой практической солености (Practical Salinity Scale 1978, PSS-78), в которой соленость рассчитывается исходя из электропроводности воды. Отклонение от измерений в массовых долях (PPT) заметно только при измерениях с точностью выше 0,01 PSU или если солевой состав не соответствует стандартному составу океанической воды.
Что годится для профессиональных океанографов, то годится и для аквариумистов К сожалению подобных приборов по приемлемой цене промышленность не выпускает (по крайней мере я не встречал). Однако любому мало-мальски грамотному радиолюбителю вполне по силам сделать такой прибор самостоятельно, т.к. электропроводность воды является величиной, обратной ее удельному сопротивлению. Таким образом, чтобы узнать электропроводность воды достаточно замерить ее сопротивление. А вот тут возникают сложности:
- во-первых мерять нужно на переменном токе, чтобы избежать электролиза воды, который все наши измерения сделает "погодой на Марсе";
- во-вторых, учитывая что электропроводность морской воды достаточно высока (44-46 mS), то придется измерять сопротивление около 20 Ом с точностью до 0,1 Ом
Однако и это вполне осуществимо (раз сделали для океанографов, то почему не можем сделать мы ?! ).
Схема прибора:



Измеритель выполнен на двух двухканальных операционниках TL062, но для минимизации конструкции можно применить один счетверенный TL064.
На первом каскаде собран генератор с частотой 700-800 Hz.
Второй каскад является буферным, чтобы исключить влияние измеряемого сопротивления на работу генератора.
Между каскадами включен резистивный делитель, который понижает напряжение сигнала с 4 до 0,1 В.
После буфера сигнал подается на один из электродов (электроды представляют собой отрезки карбонового стержня длиной 2 см, расстояние между электродами - 0,5 см) и снимается со второго электрода, попадая на вход третьего каскада, который усиливает его примерно до 2-х вольт. Четвертый каскад является буферным. В принципе он и не нужен, но не пропадать же добру .
Далее стоит однополупериодный выпрямитель.
Питание схемы двуполярное, но чтобы не городить двуполярный блок питания, можно воспользоваться преобразователем +5В -> -5В:



Что же мы получим в результате ?
В результате на выходе измерителя мы получим напряжение, пропорциональное .... какой-то солености / плотности воды.
Насколько оно пропорционально меняется при изменении солености ?
Была сделана небольшая лабораторная работа и получены следующие результаты:



Как видим напряжение на выходе измерителя практически прямопропорционально плотности воды (учитывая погрешности измеренией, особенно ареометра).
Таким образом прибор можно откалибровать по двум точкам, с плотностью 1,02 и 1,03.
Как этим пользоваться ?
Есть несколько вариантов:
1. Подключить прибор к обычному цифровому мультиметру и построить таблицу или график перевода величин.
2. Использовать микроконтроллер, имеющий АЦП (практически все современные Atmega имеют на борту АЦП). Этот способ лучше, к тому-же позволяет наряду с электропроводностью измерять температуру воды и вносить поправки (электропроводность воды зависит от темрературы).
3. Ждать когда появится готовый девайс

Ну вот вроде и все.

[VVo]

Есть ещё бесконтактные способы измерения, емкостной и индуктивный. Индуктивный довольно легко реализуется на МК с двумя встроенными компараторами, получается автогенератор зависимый от индуктивности. Год назад собрал макетку для тестирования и даже запустил программу на МК. Тогда не успел протестировать на стабильность и точность с разными солёностями, навалилось много жизненных проблем. Мне кажется контактный способы измерения опасно использовать как постоянный контроль солёности для автодолива пресной воды.

[Sem]

VVo,Оффтоп

простите от индуктивности ЧЕГО?

[VVo]

SemОффтоп

Воду пропускаем через центр катушки на которую намотана медная проволока. Меряем индуктивность этой катушки, она зависит от солёности воды. Другой способ, вода пропускается через две катушки, получается своеобразный трансформатор. Коэффициент трансформации зависит от проводимости воды.

[MIhail]

Тема очень интересная! Возникла такая мысль, совместить автодолив с измерениями солености. Причем мерить с электродов от автодолива. В таком случаи можно реализовать функцию оценки качества осмоса, соленость, а также возможность регулировать соленость (ну как переспектива) ну и конечно температура

[Акваман]

Сообщение от Starcomputer

3. Ждать когда появится готовый девайс

Ну вот вроде и все.

Оффтоп

На правах АПа для темы....

Так появился ли девайс?

[mirashic]

Привет!
Пытаюсь воплотить в жизнь схему. В начале собрал её на монтажной плате - сильно плывут показания при малейшем дребезге контактов...
Пропаял на плате - все отлично, показания держатся... В качестве датчика два электрода из нержавейки.
Осталось правильно откалибровать (у меня поплавок с ним плохо получается). Выход обрабатывает ARDUINO.

[mozg]

А как его калибровать?

[mirashic]

А как его калибровать?

В двух словах...
Выходное напряжение зависит от геометрических параметров ваших электродов.
Делаем раствор соли плотностью 1.020 и 1.030 (темпер.=25) и замеряем напряжение, зависимость выходного напряжения линейная.
Подаем его на вход АЦП процессора, обрабатываем программно и на дисплей...

[mozg]

А можно прошивку и исходник вашего девайса?

[Maxgoldmark]

Сообщение от Starcomputer

В настоящее время подавляющее количество аквариумистов пользуется двумя приборами для определение плотности / солености воды:
- ареометр;
- рефрактометр,
однако это достаточно устаревшие и неточные методы.
Океаногрофы всего мира, начиная с 1978 года, пользуются шкалой практической солености (Practical Salinity Scale 1978, PSS-78), в которой соленость рассчитывается исходя из электропроводности воды. Отклонение от измерений в массовых долях (PPT) заметно только при измерениях с точностью выше 0,01 PSU или если солевой состав не соответствует стандартному составу океанической воды.
Что годится для профессиональных океанографов, то годится и для аквариумистов К сожалению подобных приборов по приемлемой цене промышленность не выпускает (по крайней мере я не встречал). Однако любому мало-мальски грамотному радиолюбителю вполне по силам сделать такой прибор самостоятельно, т.к. электропроводность воды является величиной, обратной ее удельному сопротивлению. Таким образом, чтобы узнать электропроводность воды достаточно замерить ее сопротивление. А вот тут возникают сложности:
- во-первых мерять нужно на переменном токе, чтобы избежать электролиза воды, который все наши измерения сделает "погодой на Марсе";
- во-вторых, учитывая что электропроводность морской воды достаточно высока (44-46 mS), то придется измерять сопротивление около 20 Ом с точностью до 0,1 Ом
Однако и это вполне осуществимо (раз сделали для океанографов, то почему не можем сделать мы ?! ).
Схема прибора:



Измеритель выполнен на двух двухканальных операционниках TL062, но для минимизации конструкции можно применить один счетверенный TL064.
На первом каскаде собран генератор с частотой 700-800 Hz.
Второй каскад является буферным, чтобы исключить влияние измеряемого сопротивления на работу генератора.
Между каскадами включен резистивный делитель, который понижает напряжение сигнала с 4 до 0,1 В.
После буфера сигнал подается на один из электродов (электроды представляют собой отрезки карбонового стержня длиной 2 см, расстояние между электродами - 0,5 см) и снимается со второго электрода, попадая на вход третьего каскада, который усиливает его примерно до 2-х вольт. Четвертый каскад является буферным. В принципе он и не нужен, но не пропадать же добру .
Далее стоит однополупериодный выпрямитель.
Питание схемы двуполярное, но чтобы не городить двуполярный блок питания, можно воспользоваться преобразователем +5В -> -5В:



Что же мы получим в результате ?
В результате на выходе измерителя мы получим напряжение, пропорциональное .... какой-то солености / плотности воды.
Насколько оно пропорционально меняется при изменении солености ?
Была сделана небольшая лабораторная работа и получены следующие результаты:



Как видим напряжение на выходе измерителя практически прямопропорционально плотности воды (учитывая погрешности измеренией, особенно ареометра).
Таким образом прибор можно откалибровать по двум точкам, с плотностью 1,02 и 1,03.
Как этим пользоваться ?
Есть несколько вариантов:
1. Подключить прибор к обычному цифровому мультиметру и построить таблицу или график перевода величин.
2. Использовать микроконтроллер, имеющий АЦП (практически все современные Atmega имеют на борту АЦП). Этот способ лучше, к тому-же позволяет наряду с электропроводностью измерять температуру воды и вносить поправки (электропроводность воды зависит от темрературы).
3. Ждать когда появится готовый девайс

Ну вот вроде и все.

Я попытался написать вам в ЛС, но что-то пошло не так. Как с вами связаться? Очень нужна помощь со схемой

[Maxgoldmark]

Что за блок TDS слева в самом начале +5V U DQ GND? Простите, не понимаю

[Maxgoldmark]

Что не так с моей схемой? Вот скрин https://imgur.com/a/nOCjctD