1.3.1 Модуль «Электрохимия»
Модуль «Электрохимия» учебно-лабораторного комплекса «Химия» разработан с целью осуществления лабораторных работ по кондуктометрии, потенциометрии, электролизу с учащимися высших, средних специальных учебных заведений, а также в высших и средних специальных учебных учреждениях и специализированных лабораториях. Данный модуль управляется через центральный контроллер (в автономном режиме или с помощью специального программного обеспечения, установленного на ПК). В модуле имеется высокоомный буферный усилитель для измерения потенциала стеклянного электрода, ряд гнезд выходов источников тока и потенциала.
Использование модуля осуществляется в условиях согласно ГОСТ 15150, категория УХЛ 4.2, при температуре воздуха от плюс 10 °С до плюс 30 °С, относительной влажности окружающего воздуха до (80 ± 3) %, давлении от 84 кПа до 106,7 кПа, (630–800) мм. рт. ст. и отсутствии в окружающей атмосфере токопроводящей пыли и паров химически активных веществ, разрушающих изоляцию проводов.
Производится в соответствии с ТУ 9667-042-02069303-2003.
Рисунок 3. Общий вид модуля «Электрохимия» УЛК «Химия» и маркировка гнезд для подключения электродов.
1.3.2 Универсальный контроллер
Универсальный контроллер подключается непосредственно к персональному компьютеру через RS-232 вход и управляет всеми модулями. В универсальный контроллер встроен источник тока и напряжения, что позволяет измерять температуру, давление, разность потенциалов, силу тока, сопротивление и pH (с помощью стеклянного электрода).
Центральный контроллер УЛК «Химия» служит для осуществления управления модулями учебно-лабораторного комплекса «Химия», автоматической или полуавтоматической регистрации данных, передачи данных в специализированную программу персонального компьютера.
Использование модуля осуществляется в стационарных условиях согласно ГОСТ 15150, категория УХЛ 4.2 при температуре окружающего воздуха от плюс 10 до плюс 30 °С, относительной влажности окружающего воздуха до (80 ± 3) %, давлении от 84 до 106,7 кПа, (630–800) мм. рт. ст. и отсутствии в окружающей атмосфере токопроводящей пыли и паров химически активных веществ, разрушающих изоляцию проводов.
Производится в соответствии с ТУ 9667-042-02069303-2003.
Контроллер выполнен на основе микропроцессорного устройства фирмы «ANALOG DEVICES» AduC 824 BS ,© Analog Devices,Inc.,2001. В состав микропроцессорного устройства входят:
24-разрядный аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения и программируемым усилителем;
16-разрядный аналого-цифровой преобразователь с входным коммутатором;
12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с выходным коммутатором;
датчик температуры;
микропроцессорное ядро, совместимое с серией Intel8051;
последовательный порт;
три таймера;
таймер-часы реального времени;
Используемое в контроллере микропроцессорное устройство дополнено блоками:
входной коммутатор-преобразователь уровня на 8 каналов с входным фильтром;
преобразователь ток – напряжение;
усилитель переменного напряжения с детектором;
выходной буферный усилитель напряжения с интегратором, подключенный к выходу ЦАП;
два программно управляемых стабилизатора частоты вращения коллекторных электродвигателей постоянного тока;
три выходных ключа и три входа ТТЛ;
источник питания +5, +/- 12 В;
источник силового питания 4 ВА 12 В;
четырехстрочный символьный индикатор и восьмикнопочная клавиатура;
блок энергонезависимой памяти объемом 16 Кбайт.
Внешняя форма контроллера - параллелепипед. Корпус изготовлен из пластмассы. На верхней панели корпуса расположены четырех строчный алфавитно-цифровой дисплей и клавиатура управления. На боковой левой панели корпуса расположен тумблер включения питания. На задней панели корпуса размещены ввод сетевого кабеля, 9-контактный разъем подключения контроллера к СОМ-порту персонального компьютера и унифицированный 25-контактный разъем для подключения модулей.
Управлять контроллером можно двумя способами:
1)при помощи клавиатуры управления;
2) дистанционно с помощью специализированного программного обеспечения, установленного на ПК.
Результаты измерений выводятся на экран алфавитно-цифрового дисплея.
Микропроцессорное устройство контроллера позволяет управлять тремя дискретными каналами, считывать состояние трех дискретных входов, устанавливать скорость вращения двух коллекторных двигателей, измерять постоянный и переменный входной ток, измерять входные напряжения в диапазоне +/- 5 В с разрешением 20 двоичных разрядов, формировать выходное переменное напряжение, формировать постоянный ток внешней цепи +\- 9.9 мА.
Специализированное встроенное программное обеспечение позволяет регулировать температуру внешнего нормализованного датчика при помощи ПИ регулятора с дискретным временным управлением мощностью нагревателя с дискретностью 1.5 % мощности.
Рисунок 4. Общий, вид центрального контроллера УЛК Химия
Кабель питания, 2- дисплей, 3- корпус контроллера, 4- тумблер включения/выключения, 5 - клавиатура
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Датчик
Для нашего исследования был разработан датчик электропроводности из легкодоступного подручного материала:
- стальные пластинки - специально покрытые антикоррозийным слоем никеля, разрезанные на две полоски.
Никелирование – это сложный процесс нанесение на поверхность цветного металла или стальной детали никелевого покрытия. Толщина покрытия составляет от 1 до 50 мкм. Детали, покрытые никелем, приобретают блестящую или матовую черную поверхность. Обе поверхности обеспечивают гарантийную стойкость металла в кислых и щелочных средах, а также при высоких температурах.
Перед тем как начать сам процесс пластины нужно подготовить. Для этого их обрабатывают растворителем (использовался растворитель марки Reoflex D520), протирают щеткой, промывают водой, обезжиривают.
Никелирование широко распространено в различных отраслях промышленности, а особенно в машиностроении. Технологию никелирования используют для восстановления изношенных автозапчастей и деталей машин, покрытия химической аппаратуры, медицинского инструмента, измерительных инструментов, предметов домашнего обихода, деталей, что эксплуатируются с небольшими нагрузками в условии сухого трения или воздействия крепких щелочей.
Существует два вида никелирования - электролитическое и химическое.
Мы использовали электролитическое никелирование.
Чтобы его осуществить нам понадобился раствор электролита. Для этого мы взяли 30 грамм NiSO4, 3,5 грамма NiCl2 и 3 грамма H3BO3 на 100 миллилитров воды, все это смешали в одной емкости. Для никелирования стали также необходимы никелевые аноды, которые были опущены в электролит.
Между никелевыми электродами подвесили на проволочке пластины. Проволочки, идущие от никелевых пластинок, соединили вместе. Пластины подключили к отрицательному полюсу источнику тока, а проволочки - к положительному. Затем включили реостат в цепь для регулировки тока и миллиамперметр. Выбрали источник постоянного тока, который имеет напряжение не больше 6 В.
Ток подключили на двадцать минут. Затем вынули пластины, промыли и высушили. Пластины покрылись слоем никеля матово-серого цвета.
Толщина нанесенного слоя 40 мкм. Измерение толщины проводились с помощью прибора ELCOMETER 456 NEW.
Таким образом, никелирование является самым популярным гальванотехническим процессом. Покрытие никеля имеют большую твердость, хорошую коррозионную стойкость, доступную цену, хорошую отражательную способность и самое важное для нас – прекрасное удельное электрическое сопротивление.
На концах стальных пластин оставили квадрат площадью 1 см2.Остальную часть стальной пластинки заизолировали канифолью. На другой конец пластинки припаяли провода в соответствии со схемой №1.
- Трубка для поддержки пластин, эпоксидный клей
Рисунок
5. Общий вид разработанного датчика
Пластинки закрепили на специальной трубке. В качестве нее была использована пластиковая трубка из-под шариковой ручки. Рассчитано расстояние, чтобы часть, которая будет фиксировать сигнал имела площадь 1 см2, а остальную часть приклеили к ручке двухосновным эпоксидным клеем. Через час клей высыхает, а через сутки можно проводить эксперименты. Был выбран именно двухосновной эпоксидный клей из-за своей устойчивости к различным растворам.
- Провода медные изолированные
- Подключение вели по следующей схеме
Рисунок 6. Схема подключения
Изм. эл. - измерительный элемент, L.o. линейный выход, R.s – последовательный резистор, L.i.левый — линейный вход левый канал, L.i. правый — линейный вход правый канал.
Согласно схеме, были соединены все провода и подключены к штекерам разъема линейного входа и наушника. Использовались два штекера mini-jack. 3,5 мм. Mini jack является распространенным TRS (англ. Tip, Ring, Sleeve, переводится как кончик, кольцо, гильза;) разъёмом для передачи аудио сигнала. Один моно, имеющий только левый канал и землю, и один стерео, имеющий левый канал, землю, а также правый канал.
Рисунок 7. Общий вид стерео и моно штекеров