Но как сделать заботу об аквариуме оптимальной, как автоматизировать процессы жизнедеятельности аквариума дома и в офисе – об этом четвертая глава книги.

Электроника может многое. В этой главе представлены электронные семы, позволяющие практически создать автоматические устройства, обеспечивающий бесперебойный цикл работы аквариумов. Все электрические схемы разработаны автором (имеющим дома 4 аквариума) и неоднократно проверены на практике. По сути, эта глава написана для того, чтобы поделиться практическим опытом с теми, кто также неравнодушен к аквариумистике и электронике.

Повторить приведенные в книге схемы может, пожалуй, каждый желающий, настолько они просты. Для этого нужно иметь дома паяльник и посетить магазин радиотоваров для приобретения недорогих радиокомпонентов.

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 – U_t): (U₀ – U_t) * 100 %,

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

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

U_t – 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 R_n > 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:

U_вых = I_фд· 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.