П3

П3.1.9. Программируемый ионатор

Схема ионатора с программируемым таймером на микроконтроллере (МК) ATtiny 2313 показана на рис. П3.1.30. В качестве источника сигнала для двухэлектродной системы ЭC1-ЭC2 используется порт РВ3 (вывод 15), выходные сигналы которого формируются таймер-счетчиком Т1 МК и с помощью ключей на Т1 и Т4 преобразуются в парафазные для управления коммутатором (Т2, Т3, Т5, Т7), аналогичным показанному на рис. П3.1.28. При замкнутом ключе S7 ток электролиза для электродов ЭС1-ЭС2 составляет 16 мА, при разомкнутом — 1,6 мА. Значения тока устанавливаются подбором сопротивления резисторов R12 и R13 с учетом падения напряжения на открытом ключе Т8, который управляется сигналом с порта РВ1 (вывод 13). Запуск ионатора производится после замыкания одного из ключей S1—S6, определяющих время серебрения. При этом на выходе РВ1 формируется сигнал высокого уровня (ключ на Т8 открывается), а на выходе РВ3 — сигнал «серебрения», наличие которого индицируется также звуковым сигналом пьезоизлучателя В. Визуально процесс серебрения проявляется в появляющейся голубизне воды при малом токе (1,6 мА) и помутнении при большом (16 мА) По истечении заданного времени серебрения частота сигнала повышается в 64 раза (срабатывает «аудиосигнализация»), на выходе РВ1 формируется сигнал низкого уровня и ключ на Т8 закрывается. При этом ток электролиза уменьшается до 0,1 мА.

Поскольку в ионаторе использована та же система спиральных электродов, что и в предыдущей конструкции, то при токе 1,6 мА, объеме воды V = 1 л и концентрации с = 0,05 мг/л, согласно формуле (П3.1.4), время серебрения t = 0,05×1/1,6×10^-3 » 31,2 с. Если принять, что серебрение выполняется за два периода или за два переключения каждого электрода, то с учетом четырех переходных процессов (см. разд. П3.1.8) время серебрения целесообразно увеличить до 40 с. При этом частота сигнала переключения составит 1/20 = 0,05 Гц при ориентировочном значении производительности 40×1,6×10^-3 (1– 4/е^40/3) = 0,064 мг/л. При токе токе 16 мА и V = 1 л за это же время концентрация составит около 0,64 мг/л.

Рис. П3.1.30. Схема программируемого ионатора

В качестве электродов ЭС-ЭНС был использован сменный картридж ионатора ГЕОРГИЙ, который продается в виде законченной конструкции в фирменном магазине завода ДИОД (Москва, Ленинский пр., д. 33) за 310 руб (с учетом 10%-ной скидки для пенсионеров). Картридж выполнен в виде поплавка, в нижней части которого расположен наружный съемный электрод ЭНС (см. рис. П3.1.30 и П3.1.31) в виде тонкостенной трубки диаметром 13 мм из нержавеющей стали длиной 50 мм и отверстием посредине диаметром 3 мм. Внутри ЭНС располагается серебряный электрод ЭС диаметром 3 мм и длиной 30 мм. Согласно данным завода ДИОД (см. diod.ru), картридж аппарата ГЕОРГИЙ содержит около трех грамм серебра марки Ср 99,99 (99,99 % Ag) по ГОСТ 6836-80, т. е. его ресурс по питьевой воде в идеальном случае (при полном «износе» электрода) составляет 3/50×10^–6 = 60000 л (по вполне понятным причинам заводом гарантируется ресурс в этом режиме 40000 л).

Согласно паспортным данным аппарата ГЕОРГИЙ, в режиме подготовки питьевой воды (режим 1) ток электролиза равен 3,35 мА при времени серебрения 30 с, т. е. производительность картриджа составляет М = I×t = 0,0035×30 = 0,105 мг, что при «мерной» емкости 2 л как раз и обеспечивает допустимую концентрацию с учетом отмеченных в разд. П3.1.8 переходных процессов (по паспорту с = 47 мкг/л). В режиме подготовки концентрата (режим 2) ток электролиза равен 6,8 мА при времени серебрения 150 с, т. е. производительность картриджа в этом режиме составляет М = I×t = 0,0068×150 = 1,02 мг, что при «мерной» емкости 2 л обеспечивает концентрацию 0,51 мг/л (по паспорту 470 мкг/л). Увеличение концентрации в ионаторе ГЕОРГИЙ достигается повторными включениями прибора.

Как видно из схемы на рис. П3.1.30, картридж включен последовательно со стабилизатором тока на полевом транзисторе Т9, при выборе которого основным параметром является начальный ток стока (для КП302ВМ — не менее 33 мА). По этому параметру подходящими являются также транзисторы КП302Б, Г, КП302А и КП303Е с индивидуальным подбором, поскольку для них этот параметр нормируется в пределах 4…24 мА (для КП302А) и 5…20 мА (для КП303Е). При замкнутом ключе S8 ток стабилизации составляет 16 мА, при разомкнутом — 1,6 мА, при закрытом Т8 — близок к нулю. Сопротивления резисторов R14, R15 подбираются при настройке из условия обеспечения указанных токов стабилизации, что может быть проконтролировано путем измерения падения напряжения на них или непосредственно миллиамперметром в цепи электродов ЭС-ЭНС.

Рис. П3.1.31. Фотография программируемого ионатора

На первый взгляд по простоте схемной реализации наилучшим вариантом является ионатор на постоянном токе, т. е. с использованием системы электродов ЭС-ЭНС. Однако в этом случае несколько хуже выход по току, о чем говорилось в начале этого раздела, и, кроме того, возможно наличие в воде ионов железа и легирующих присадок нержавеющей стали.

В качестве управляющей программы для рассматриваемого ионатора используем программу из разд. П3.1.4 со следующими отличиями:

1. Перед программированием в окне на рис. П3.1.21 устанавливаем следующие биты конфигурации (предварительно выполнить чтение кнопкой Read!):

1.1. CKDIV8 = 0 — коэффициент предделения тактовой частоты равен 8.

1.2. CKSEL3…CKSEL0 = 0010 — включаем внутренний RC-генератор частотой 4 МГц.

2. Строку 32 меняем на «ldi temp, 0x00» — установка 50-процентного значения тактовой частоты, т. е. ее значение будет равно 2 МГц.

3. Строки 46—58 убираем.

4. Строку 59 меняем на «ldi temp, 0x0D» (включаем режим CTC с предделением Кд = 1024).

5. Строку 81 меняем на «cpi countp, 0x02» (меняем количество повторов).

6. Строки 91—97 меняем на

91. andi temp, 0x1F ; Выделяем код частоты

92. mov freq, temp ; Записываем его в регистр freq

93. lpm temp, Z+ ; Еще раз берем суммарный код

94. rol temp ; Сдвигаем его так, чтобы три

95. rol temp ; старших разряда стали младшими

95a. rol temp

95b. rol temp

96. andi temp, 0x07 ; Извлекаем код длительности

97. mov dfreq, temp ; и помещаем его в регистр dfreq

Из приведенного фрагмента видно, что для кодировки частот используются пять младших разрядов байта, а для кодировки длительности — три старших разряда байта. Это означает, что мы можем задать 32 частоты и 8 длительностей.

7. Строки 100—107 исключаем, а строку 110 меняем на «cbi PORTB, 1» — сброс РВ.1 в ноль, чтобы закрыть транзистор Т8 (см. рис. П3.1.30) через заданное время.

8. Исключаем строки 123, 124.

9. В строке 135 исключаем метку nt1:.

10. Исключаем строку 139.

Перейдем к расчетам. В качестве исходных данных примем:

1. Время серебрения при c = 50 мкг/л, V = 1 л и I = 1,6 мА примем равным 40 с для электродов ЭС1-ЭС2 и 30 с — для ЭС-ЭНС.

2. Частота следования импульсов на входе таймера Т1 Fт = 2000/Кд´CKDIV8 = 2000/1024´8 = 244 Гц, а на входе формирователя задержки (строки 157—161) Fз = 2000/256´8 = 977 Гц.

3. Число проходов программы (число повторов) — 2 (см. строку 81).

Рассчитываем:

1. Коэффициент деления для системы ЭС1-ЭС2 из условия, что процесс серебрения должен закончиться за два периода, т. е. F1 = 1/20 = 0,05 Гц. Согласно (П3.1.2) получаем КД1 = Fт/2F1 – 1 = 244/0,1 – 1 = 2439 и записываем его в табл. tabf на первое место, т. е. с нулевым кодом. Очевидно, что для этого случая коэффициент задержки, определяющий длительность воспроизведения F1, должен быть пропорционален КД1, т. е. КЗ1 ³ КД1×Fз/Fт = 2439×977/244 = 9766. Записываем это значение в табл. tabd на первое место, т. е. с нулевым кодом.

2. Для системы ЭС-ЭНС примем F2 = 3 Гц (разрешение по времени Dt =0,33 с), тогда КД2 = Fт/2F2 – 1 = 244/4 – 1 = 60 (второе место в табл. tabf, код 0000 0001); коэффициент задержки, определяемый из условия обеспечения 30-секундного интервала, КЗ2 = 30×Dt× Fз = 30×0,33× 980 = 9702. Принимаем КЗ2 = 10000.

Поскольку для каждой системы электродов у нас имеется возможность выбора еще двух режимов по времени серебрения (ключами S1—S6), то для приготовления растворов концентрацией 0,05-0,1-0,2 мг/л достаточно увеличить значения КЗ1 и КЗ2 в 2 и 4 раза соответственно. При этом ключи S7 и S8 выполняют функции множителей на 10 и фрагмент программы для КЗ, КД и кода частот принимает вид:

;*********************************

;* Таблица КЗ *

;*********************************

tabd:

.dw 9766,19532, 39064, 10000, 20000,40000

;**********************

;* Таблица КД *

;**********************

tabf:

.dw 2439, 60

;***********************************

;* Адреса начала таблиц частот *

;***********************************

tabp: .dw p1*2,p2*2,p3*2,p4*2,p5*2,p6*2

;*********************************

;* Таблица частот *

;*********************************

; ЭС-ЭС, 40 cек

p1: .db 0,255

; ЭС-ЭС, 80 cек

p2: .db 32,255

; ЭС-ЭС, 160 cек

p3: .db 64,255

; ЭС-ЭНС, 30 cек

p4: .db 97,255

; ЭС-ЭНС, 60 cек

p5: .db 129,255

; ЭС-ЭНС, 120 cек

p6: .db 161,255

Из приведенного фрагмента видно, что для системы ЭС1-ЭС2 КД находится на нулевом месте таблицы tabf (код 0000 0000), поэтому:

— для 40-секундного интервала суммарный код равен нулю, т. к. для него КЗ также находится на нулевом месте таблицы tabd;

— для 80-секундного интервала суммарный код равен 0010 0000 (десятичное 32), т. к. КЗ находится на первом месте (код 0010 0000);

— для 160-секундного интервала суммарный код равен 0100 0000 (десятичное 64), т. к. КЗ находится на втором месте (код 0100 0000).

Для системы ЭС-ЭНС КД находится на первом месте таблицы tabf (код 0000 0001), поэтому:

— для 30-секундного интервала суммарный код равен 0110 0001 (десятичное 97), т. к. КЗ находится на третьем месте таблицы tabd (код 0110 0000);

— для 60-секундного интервала суммарный код равен 1000 0001 (десятичное 129), т. к. КЗ находится на четвертом месте (код 1000 0000);

— для 120-секундного интервала суммарный код равен 1010 0001 (десятичное 161), т. к. КЗ находится на пятом месте (код 1010 0000).

Проверка времени серебрения, как и в случае прибора МагЦвет, осуществлялась с помощью программы PonyProg и секундомера: пуск — по команде Command/Reset, а останов — с помощью пъезоизлучателя В при изменении частоты сигнала. Проверка показала, что для приготовления растворов концентрацией 0,05-0,1-0,2 мг/л действительное время серебрения составляет 38-76-152 с для ЭС1-ЭС2 и 29-58-116 с для ЭС-ЭНС.

Визуальное наблюдение за процессом серебрения в случае электродов ЭС1-ЭС2 при I = 16 мА и t = 152 с показало, что наибольшая интенсивность выделения наночастиц серебра наблюдается в нижней части электродов с постепенным ее уменьшением до полного исчезновения в верхней. Этот факт вносит дополнительную неопределенность в оценку производительности такого ионатора.