CC BY
38
УДК 621.049
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДАТЧИКА КОНТРОЛЯ
ПРОТЕЧКИ ВОДЫ
Умрихин Владимир Васильевич, к.ф.-м.н, доцент (e-mail: uvv744004@yandex.ru) Тубольцев Александр Сергеевич, студент (e-mail: smokergo@gmail.com) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной статье рассматриваются особенности выбора параметров конструкции датчика с учетом электропроводности водопроводной воды
Ключевые слова: система защиты от протечек воды, датчик контроля протечки воды, электропроводность воды
Системы отвода стоков, отопление и водоснабжение неотъемлемой частью любого эксплуатируемого здания, независимо от его назначения. Каждая из таких систем имеет наличие воды в агрегатах и трубных магистралях. В результате аварии или разгерметизации оборудования вода может попасть в помещение и привести к затоплению с последующей порчей имущества и, в ряде случаев, возникновению ситуаций опасных для человеческой жизни (поражение от удара током, при контакте жидкости с оголенными проводами под напряжением). Такие события носят случайный характер и могут произойти в отсутствии человека. Поэтому среди инструментальных систем контроля окружающей среды центральное место занимают системы защиты от протечек воды, составной частью которых являются датчики протечки воды.
В основе работы датчика лежит измерение электрических свойств воды, попавшей на контакты датчика. В большинстве случаев удельная электрическая проводимость поверхностных вод суши [1] является приблизительной характеристикой концентрации в воде неорганических электролитов -+ + 2i 21 2 катионов Na , К , Са^, Mg и анионов С1 , SO4 , НС03 . Присутствие дру-
_ 2_
гих ионов, например Fe(II), Fe(III), Mn(II), N03 , HP04 обычно мало сказывается на величине удельной электрической проводимости, так как эти ионы редко встречаются в воде в значительных количествах. Одним из параметров качества воды является жесткость.
Жесткостью воды называется совокупность свойств, обусловленных
концентрацией в ней щелочноземельных элементов, преимущественно ио-
2i 2i
нов кальция (Са ) и магния (Mg ). Жесткость воды выражается в градусах жесткости (°Ж) [2]. Градус жесткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в
3 3
мг/дм (г/м ). Соотношения национальных единиц жесткости воды, принятых в других странах, приведены в таблице 1.
Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с жесткостью ме-
3 3
нее 4 мг-экв/дм считается мягкой, от 4 до 8 мг-экв/дм - средней жестко-
33
сти, от 8 до 12 мг-экв/дм - жесткой и выше 12 мг-экв/дм - очень жесткой.
Таблица 1
Страна Обозначение единицы жесткости Россия Германия Франция США Великобритания
Россия оЖ 1 2.804 5.005 50.04 5 3.511
Германия °БИ 0.3566 1 1.785 17.84 7 1.253
Франция 0.1998 0.560 1 10,00 0 0.702
США °РРт 0.0200 0.056 0.100 1 0.070
Великобритания °С1агк 0.2848 0.799 1.426 14.25 3 1
П р и м е ч а н и е
оЖ = 20,04 мг Са2+ или 12,15 ]^2+ в 1 дм3 воды; °БИ = 10 мг СаО в 1 дм3 воды; Т = 10 мг СаСО3 в 1 дм3 воды; °ррт = 1 мг СаСО3 в 1 дм3 воды; °С1агк = 10 мг СаСО3 в 0,7 дм3 воды.
Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен мг-экв/дм , причем карбонатная жесткость составляет до 70-80% от общей жесткости. Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 10,0 мг-экв/дм . Существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. В табл.2 приведены два примера классификации.
Таблица 2. Классификация воды по жесткости
Жесткость воды в
Жесткость воды, мг-экв/дм3 пересчете на немецкий градус жесткости, °БИ в России в Германии
0-1,6 0-4,5 Мягкая
1,6-2,4 4,5-6,7 Средней жесткости
2,4-3,0 6,7-8,4 Мягкая Достаточно жесткая
3,0-3,6 8,4-10,0
3,6-4,0 10,0-11,2 Жесткая
4,0-6,0 11,2-16,8 Средней жесткости
6,0-8,0 16,8-22,4
8,0-9,0 22,4-25,2 Жесткая Очень жесткая
9,0-12,0 25,2-33,6
Свыше 12,0 Свыше 33,6 Очень жесткая
По значениям электропроводности природной воды можно приближенно судить о минерализации воды, в том числе о жесткости воды, с помощью предварительно установленных зависимостей. Приборы для измерения электропроводности жидкостей называют кондуктометрами.
Принцип действия кондуктометра основан на прямой зависимости электропроводности раствора (силы тока в постоянном электрическом поле, создаваемом электродами прибора) от количества растворенных в воде веществ.
Для определения общей жесткости измеряется электропроводность и полученное значение сопоставляется с графиком, составленным на основе анализа образцов природных вод. На рис.1 представлен график зависимости удельной электропроводности от жесткости воды для кондуктометра СОМ-100.
600
500
400
& и
А 300
о
а
е 200
100
15
20
О 2 5 10
Рис.1. Зависимость удельной электропроводности от общей
жесткости воды
Вертикальная ось значений обозначает показания удельной электропроводности мкСм/см, полученные в результате измерения прибором. Горизонтальная ось - немецкие градусы БЫ общей жесткости.
Предельно допустимый норматив жесткости питьевой воды 7о Ж [3], что соответствует примерно 20о БЫ или удельной электропроводности порядка 600 мкСм/см.
С учетом вышеизложенного, электрическое сопротивление датчика будет зависеть от электропроводности водопроводной воды и геометрических размеров зазора между контактами. Топология датчика приведена на рис.2.
Форма непроводящего зазора между контактами выполнена в виде меандра. Общая длина непроводящего участка датчика = Н'(п 1) + п' ^;
п = Ь / ?.
В случае квадратной формы датчика соотношения между параметрами Н, Ь и ? равны: Н + 2 = Ь . Сопротивление датчика определяется из выражения:
1 1
Я
ст Ь2Н
где о - электропроводность водопроводной воды; И - толщина водяной пленки, покрывающей контакты.
Конструктивные параметры датчика должны обеспечивать безопасность работы и малое энергопотребление, поэтому питающее напряжение выбрано 5 В.
Зазор непр ов одяцц ш
Контакт 1 Контакт 2
Рис.2. Топология датчика протечки воды: а - ширина контакта; й - ширина непроводящего зазора; ? - шаг одного звена меандра, равный ? = а + й; Ь -длина контура меандра; Н - ширина контура меандра; п - число звеньев
меандра
На рис.3 представлена зависимость тока через датчик от ширины непроводящего зазора при следующих параметрах: толщина водяной пленки - 1 мм; удельная электропроводность воды - 600 мкСм/см, что соответствует предельно допустимому нормативу жесткости водопроводной воды; шаг одного звена меандра 1 = 10 мм; число звеньев меандра п = 5; напряжение питания 5 В; размеры датчика 50 ммх50 мм.
б==10" 5x10" ^ 4x10"
О,
нн 3x10" 2x10" 1x10"
1х10"3 2х10"3 ЗхЮ"3 4х10"3 5х10"3
а. м
Рис.2. Зависимость тока через датчик от ширины зазора между контактами
Из рис.3 следует, что изменение зазора от 1 мм до 5 мм вызывает уменьшение потребляемого тока от 0,5 мА до 0,1 мА, что соответствует увеличению сопротивлению датчика с 10 кОм до 50 кОм.
Датчик изготовлен в двух вариантах. В первом варианте - изготовлен на основе одностороннего фольгированного стеклотекстолита по субтрактив-ной технологии с гальваническим золочением контактов [4,5]. Во втором варианте - методом магнетронного напыления [6] меди через маску на подложку из поликора с подслоем хрома, затем медь гальванически наращивали до толщины 50 мкм. Для защиты медных контактов от окисления, как и в первом варианте, применяли гальваническое золочение.
Список литературы
1. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды: справочные материалы /под ред. Т В. Гусевой. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007.
2. ГОСТ Р 52029-2003. Вода. Единицы жесткости.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения
4. Умрихин В.В., Захаров И. С. Физико-химические основы технологии электронных средств/Курск: КГТУ, 2003 - Ч.1.
5. Умрихин В.В., Захаров И.С. Физико-химические основы технологии электронных средств/Курск: КГТУ, 2003 - Ч.2.
6. Умрихин В.В. Особенности изготовления прозрачных проводящих слоев методом магнетронного реактивного распыления сплава индий-олово. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2012. № 2-2. С. 187-190.
Umrikhin Vladimir Vasilievich, candidate of Phys.-M. N., associate Professor
(e-mail: uvv744004@yandex.ru)
Southwest state university, Kursk, Russia
Tuboltsev Alexander Sergeevich, student
(e-mail: smokergo@gmail.com)
Southwest state university, Kursk, Russia
THE DESIGN FEATURES OF THE SENSOR WATER LEAKAGE Abstract. This article discusses the particular choice of design parameters of the sensor taking into account the conductivity of tap water
Keywords: system of protection against water leaks, a sensor control water leakage, the electrical conductivity of water.
