CC BY
11УДК 535.8, 621.38
ПРОЕКТ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ФОТОКОЛОРИМЕТРОВ КФК-2, КФК-2МП
Циба Эмиль Валерьевич, студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: realist.99@mail.ru
Научный руководитель: Бакаев Антон Алексеевич, ассистент кафедры медико-биологической техники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: bakaev56@yandex.ru
Аннотация. Целью статьи является разработка составных частей устройства, необходимого для модернизации фотоколориметра КФК-2. Важность темы подтверждается наличием интереса у исследователей к вопросу модернизации фотоколориметров; уникальность данного проекта заключается в отсутствии примеров усовершенствования конкретно КФК-2.
В работе было проведено сравнение фотоколориметров КФК-2 и КФК-2МП, на основе которого составлена блок-схема модернизирующего устройства. Согласно схеме проведены разработка, расчет, описание и моделирование схемы блока питания и схем измерительных и вычислительных блоков; на языке С написана программа для AVR-микроконтроллера.
Разработанный проект позволяет провести цифровую модернизацию фотоколориметров. В дальнейшем планируется разработка приложения для компьютера, которое позволит автоматизировать работу за аппаратом.
Ключевые слова: фотоколориметр, фотометрия, КФК-2, КФК-2МП, проектирование, усовершенствование.
Для цитирования: Циба Э. В. Проект усовершенствования фотоколориметров КФК-2, КФК-2МП // Шаг в науку. - 2021. - № 2. - С. 44-47.
IMPROVEMENT PROJECT OF PHOTOCOLORIMETERS KFK-2, KFK-2MP
Tsiba Emil Valerievich, student, training program 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg State University, Orenburg e-mail: realist.99@mail.ru
Research advisor: Bakaev Anton Alekseevich, assistant of the Department of Biomedical Engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: bakaev56@yandex.ru
Abstract. The purpose of the article is to develop the components of the device required for the modernization of the KFK-2 photocolorimeter. The importance of the topic is confirmed by the interest of researchers in the issue of modernizing photocolorimeters; the uniqueness of this project lies in the absence of examples of improvement specifically for KFK-2.
The paper compared the KFK-2 and KFK-2MP photocolorimeters, on the basis of which a block diagram of the modernizing device was drawn up. According to the scheme, the development, calculation, description and modeling of the power supply circuit and circuits of measuring and computing units were carried out; a program for the AVR microcontroller is written in the C language.
The developed project allows for digital modernization of photocolorimeters. In the future, it is planned to develop an application for a computer, which will automate work at the device.
Key words: photocolorimeter, photometry, KFK-2, KFK-2MP, design, improvement.
Cite as: Tsiba, E. V (2021) [Improvement project of photocolorimeters KFK-2, KFK-2MP]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 2, рр. 44-47.
Актуальность рассматриваемого вопроса можно обосновать наличием интереса исследователей к похожим темам. В последнее время были опубликованы работы, направленные на разработку новых узкоспециализированных колориметров и усовер-
шенствование имеющихся, в частности, В. Л. Гренков провел модернизацию кюветного отделения [3, 4, 8].
На сегодняшний день из семейства КФК производится и широко применяется в различных ис-
следованиях аппарат КФК-3 [2, 7]. Несмотря на то, что фотоколориметры КФК-2 и КФК-2МП сняты с производства, на этом оборудовании и по сей день проводятся исследования в разных сферах [1, 5, 6].
Однако существует тенденция отказа от прибора - прибор надежный, но морально устарел. Целью задуманного проекта является разработка составных частей устройства, необходимого для модернизации фотоколориметра КФК-2.
Задачи, необходимые для реализации цели.
1. Сравнить аппараты КФК-2 и КФК-2МП;
2. Разработать структурную блок-схему предполагаемого устройства модернизации;
3. Разработать блок питания для цифрового устройства;
4. Разработать измерительно-вычислительный блок;
5. Разработать программный код для вычислительного блока.
Фотоколоритметр - оптический прибор для измерения концентрации веществ в растворах. Действие колориметра основано на свойстве окрашенных растворов поглощать проходящий через них свет тем сильнее, чем выше концентрация окрашивающего вещества.
Подбирают кювету, светофильтр: проводят замеры для одного образца с разными фильтрами. Дальнейшие исследования проводят с фильтром, при котором наблюдается наибольшее поглощение. После этого строят градуировочный график, готовят растворы определенных концентраций, замеря-
ют их оптическую плотность. И, наконец, измеряют оптическую плотность исследуемого раствора -и по графику находят его концентрацию.
Измерительные блоки в обычном фотоколориметре - аналоговый микроамперметр, градуированный под оптическую плотность и коэффициент пропускания, в модернизированной версии - цифровой блок. Принцип работы обоих аппаратов основан на законах светопоглощения. Оптические блоки одинаковые. Используются фотоприемники, работающие в разных диапазонах:
1. Фотоэлемент Ф-26 - в области спектра 315540 нм1;
2. Фотодиод ФД-24К - в области спектра 590980 нм2.
Блоки питания схожи:
1. 6В - для питания осветительной лампы КГМН 6,3-15;
2. ±15В - для питания аналоговых микросхем КФК-2МП или ±18 В - для КФК-2, и 60В - для питания фотоэлемента Ф26 на КФК-2МП или 45 В -для подачи напряжения на фотоэлемент в КФК-2;
3. 5В - 0,6А - для питания цифровых микросхем КФК-2МП и цепей световой индикации вычислителя.
Согласно разработанной блок-схеме (рисунок 1) для модернизации КФК-2 на аппарат необходимо установить цифровой измерительно-вычислительный блок. В модернизированной версии для питания цифровой части используется напряжения 5В; 0,6А.
Рисунок 1. Структурная блок-схема устройства цифровой модернизации колориметра КФК-2
Источник: разработано автором
П р и м е ч а н и е: ВБ(1) - входной блок амперметра; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БВ -блок вывода, индикации; БП - блок питания.
Для цифрового измерительно-вычислительного устройства на микроконтроллере был разработан трансформаторный блок питания (рисунок 2) со стабилизатором напряжения KIA7805API-U/PF, имеющим выходное напряжение 5В.
В качестве процессора для разрабатываемого устройства был выбран А\^микроконтроллер ATmega 8. Функционала контроллера (таймеры, счетчики, количество портов, встроенный АЦП) на данный момент разработки достаточно.
1 Медицинская техника для профессионалов: Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.profmt.ru (дата обращения 06.04.2021).
2 Медицинская техника для профессионалов: Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.profmt.ru (дата обращения 06.04.2021).
Рисунок 2. Принципиальная схема блока питания 5В
Источник: разработано автором в программе «Proteus»
Измерение тока осуществляется с помощью усилителем токового шунта MAX4372FEUK+T токового шунта, который включается в разрыв на- (рисунок 3) с коэффициентом усиления 100. грузки. Затем падение напряжения преобразуется
Рисунок 3. Принципиальная схема входного токоизмерительного блока
Источник: разработано автором в программе «Proteus»
Программный код написан на высокоуровневом языке С(Си). Микроконтроллер ATmega8 является 8-битным. Он распознает двоичные, десятичные и шестнадцатиричные числа. Чаще всего в программе используется десятичная и бинарная система.
На данный момент планируется разработка импульсного блока для питания вычислительной схемы с целью уменьшения габаритов БП, так как трансформатор довольно габаритный. Будет разработан еще один вариант измерительного узла - пе-
реход от измерения тока к измерению напряжения с целью уменьшения потерь при преобразованиях. И будет предпринята попытка создания приложения для компьютера, в котором автоматически на основе приходящих от фотоколориметра по ^В-порту данных строились бы градуировочные графики.
Разработанный проект, в частности, с предстоящими доработками, позволяет сделать прибор более современным и повысить его привлекательность в глазах лаборантов и студентов.
Литература
1. Архипов В. С. Распределение марганца в торфяных залежах Томской области // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326. - № 7. - С. 27-35.
2. Арчакова Р. Д. [и др.] Влияние загрязненности почв на урожайность сельскохозяйственных культур // Биологическое разнообразие Кавказа и Юга России: Материалы XXI Международной научной конференции, Магас, 2019. - С. 22-26.
3. Гренков В. Л. Автоматизация анализа биорастворов в фармакологии // Оптические технологии, материалы и системы (2018). - 2018. - С.160-163. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. mirea.ru. (дата обращения: 06.04.2021).
4. Жбанова В. Л. Разработка и исследование цифрового фотоколориметра // Оптический журнал. -2020. - № 9 (Том 87). - С. 24-32. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.opticjoum.ru. (дата обращения: 06.04.2021).
5. Залинян С. А. Содержание некоторых тяжелых металлов в водах хвостохранилища Ванадзорского химического комбината и в реках, протекающих по городу Ванадзор // Universum: химия и биология. -2021. - № 3-1 (81). - С. 9-12. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature. (дата обращения: 06.04.2021).
6. Коковкина Т. К. Применение фотоколометрического метода анализа для измерения концентрации исследуемого вещества // Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития (2019). - 2019. - С. 256258. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://radio.tstu.ru. (дата обращения: 06.04.2021).
7. Костоева А. И. Фотометрическое определение общего железа в родниковой воде «сув-Хьаст» // Вестник науки. - 2018. - Т. 2. - № 9(9). - С. 226-229.
8. Ракутько С. А. Листовой фотоколориметр //Инновации в сельском хозяйстве. - 2020. - № 1 (34). -С. 15-24. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://journal.viesh.ru. (дата обращения: 06.04.2021).
Статья поступила в редакцию: 15.04.2021; принята в печать: 21.05.2021.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
