Индикатор концентрации нитратов в продуктах

 

1.2. Анализ существующих приборов

 

Сравним нитрат-тестер “СОЭКС” НУК-019-2 ( Произведено в России) и VITATEST VD 2007 (Произведено в Китае).

Как выяснилось в ходе изучения предложений нитрат-тестеров в Интернете, на российском рынке представлена продукция  двух основных производителей измерителей  нитратов, предназначенных для широкого круга потребителей. Более известный  – российская фирма «СОЭКС», выпустившая  модельный ряд из 3 приборов, в  которых реализована функция  измерения нитратов. Две первые - модели «СОЭКС» НУК-019-1 и «СОЭКС» НУК-019-2 на момент закупки отличались лишь наличием Li-Ion аккумулятора и подарочным дизайном у «СОЭКС» НУК-019-2. Позже, уже после поведения испытаний 2010 г, появился прибор, который совмещает в себе функции измерения нитратов и радиации. Так как принцип измерения нитратов в моделях одинаков, то для проведения теста мы выбрали лишь одну из них - нитрат-тестер «СОЭКС».

Рисунок 1. Прибор «СОЭКС» НУК-019-2

Аналогично “СОЭКСу” в разработан прибор ATmega32.

Рисунок 2. Прибор ATmega32.

Основные характеристики:

• пределы измерения проводимости, мкСм............................15,3÷3846;
• индикация.........................................................графический ЖКИ (48x84);
• число продуктов в памяти.....................................30+6 пользовательских;
• таймер выключения.....................................................1, 2, 3, 5 мин, Выкл.;
• таймер подсветки............................................10,15,20,30,45,60 сек, Выкл.;
• напряжение питания, В.................................3,0÷4,2 (Li-Ion аккумулятор);
• потребляемый ток без подсветки, мА.....................................................2,4;
• потребляемый ток с максимальной яркостью подсветки, мА...............14;
• звуковое сопровождение нажатия кнопок............................отключаемое;
• габаритные размеры, мм...............................................................90х50х16;
• вес вместе с аккумулятором, г..................................................................65.

 

Выяснилось, что  данный прибор представляет из себя кондуктометр, т.е. измеритель электропроводности. Никаких ионоселективных электродов в нём нет. Разработчики прибора, измеряя проводимость овощей и фруктов, пришли к заключению, что отношение количества нитрат-ионов к общему количеству ионов имеет постоянную пропорцию. С увеличением нитратов увеличивается содержание и других ионов, с уменьшением – уменьшается. Но в среднем эта пропорция примерно постоянна и для каждого овоща или фрукта она своя. Основываясь на данном принципе, и был разработан “СОЭКС” – прибор, который просто измеряет электропроводность. Но с учётом коэффициентов для разных овощей, внесенных в память прибора, он показывает количество нитратов. Ему не нужны нитратоселективные электроды, потому что он рассчитан лишь на овощи, фрукты и сырое мясо. Если проводимость низкая, то в продукте мало всех ионов, в том числе и нитратов. Поэтому для бытового применения он вполне себя оправдывает, чего не скажешь о явно завышенной цене, хотя разработчикам следует отдать должное за проделанную огромную работу по сопоставлению содержания нитратов в каждом продукте (а их больше 30) его проводимости.

Еще один производитель нитрат-тестеров - это китайский VITATEST, выпускающий модель VD 2007. Остальные приборы не рассчитаны на бытовое использование, они предназначены для профессионалов и сложны в использовании. В частности, подразумевают градуировку прибора по предварительно подготовленному контрольному раствору с известной концентрацией нитрат-ионов перед каждым измерением, что в домашних условиях сделать довольно сложно, а при покупке на рынке – просто невозможно. Так что пришлось сравнивать между собой всего два образца нитрат-тестеров. В ходе теста были проведены потребительские и лабораторные испытания.

 

Рисунок 3. Прибор «VITATEST»

Таблица 2. Сравнительные характеристики.

 

1.3. Потребительские испытания нитрат-тестеров

 

В процессе потребительских  испытаний нитрат-тестеров практически  сразу бросилась в глаза разница  в конструкции и удобстве использования  приборов. У «СОЭКС» очень продуманное, интуитивно понятное меню с пошаговым инструкциями, яркий наглядный дисплей с крупными буквами и цветовым выделением. Показания выдаются прибором в виде точной цифры и сопутствующего комментария. Прибор имеет собственную аккумуляторную батарею, заряда которой хватает надолго.

 Единственный минус,  который был отмечен у этой  модели, – перелистывать позиции  в списке продуктов можно только  в одну сторону. В более поздних  выпусках модели 2010 и 2011 годов  этот недостаток был устранен.

А вот нитрат-тестер VITATEST вызвал у экспертов массу нареканий. Своего аккумулятора у него нет, поэтому  периодически придется покупать батарейки. Отсутствует индикация заряда батарей  и индикация работы прибора (непонятно  включен он или выключен). Этим нитрат-тестером сложно пользоваться даже в домашних условиях, а уж на рынке, держа в  одной руке сумку, а в другой нитрат-тестер, справиться с управлением просто невозможно. Но даже если овладеть этим искусством, то определить, что именно показывает прибор и истолковывать  его показания, будет еще сложнее.

В нитрат-тестере «СОЭКС»  список продуктов состоит из 25-33 пунктов (в их число входит даже мясо). Если нужно измерить нитраты в продукте, которого в списке нет, можно воспользоваться позицией «прочее».

Нитрат-тестер VITATEST позволяет  измерить нитраты только в 11 овощах и фруктах. Перед каждым измерением прибор придется настраивать, а сделать  это довольно сложно. Например, вам  необходимо узнать количество нитратов в огурце. Для этого нужно сначала  провести калибровку: одной рукой  держать нажатой кнопку, рядом  с которой написано «огурец», а  второй рукой крутить колесико сбоку  корпуса, чтобы стрелка на дисплее  оказалась между оранжевой и  красной зоной. Проблема в том, что  даже при самом медленном и  осторожном обращении стрелка смещается  скачками, оказываясь то на одном, то на другом краю шкалы. Так что установить ее в необходимое положение удается далеко не с первого раза. А если у человека к тому же не очень хорошее зрение, то разглядеть стрелку и отметку, напротив которой она должна стоять, будет довольно сложно. При втыкании щупа прибора в продукт колесико калибровки может легко сместиться и стрелка окажется совсем не там где нужно, об этом даже есть предупреждение в инструкции. Причем проверить – сместилось оно или нет нельзя, поэтому не остается уверенности в том, что полученный при измерении результат соответствует предварительно проведенной калибровке.

Диапазоны концентраций на табло нитрат-тестера отмечены цветами: зеленым, желтым, оранжевым и красным. Когда смотришь на них, возникает  почти автоматическая реакция, как  на цвета светофора: если стрелка  в зеленом или желтом диапазоне  – значит, есть можно. Увы, на поверку  этот принцип использовать нельзя. В зеленый диапазон из измеренных нами продуктов не попал ни один, а в желтом, соответствующем примерно 200-750 мг/кг оказываются практически  все. Но, как говорится, что для  кабачка хорошо, то для груши –  смерть. Оба продукта, как правило, попадают в желтый диапазон, но если для кабачка (ПДК=400 мг/кг) это означает норму, то для груши (ПДК=60 мг/кг) это  опасная концентрация, многократно  превышающая ее естественное содержание. Поэтому в походе по рынку с  собой нудно носить прилагаемую  к прибору таблицу с нормами  ПДК и сверять с ней каждый полученный результат.

Но, предположим, вам повезло: овощ или фрукт оказался в списке, со стрелкой вы справились и таблицу  взять с собой не забыли. Однако не спешите радоваться! Сложности  на этом не кончаются - понять какую  концентрацию показывает стрелка не так-то легко. На табло через неравномерные  расстояния нанесены цифры 0, 500, 1, 3, 5. Учитывая, что ПДК нитратов в продуктах, как правило, находится в диапазоне 60 – 2000 мг/кг, определить по этой шкале, насколько содержание нитратов превышает  норму,дело очень непростое. Цифры 2, соответствующей 2000 мг/кг просто нет. При  этом расстояния между цифрами непропорциональны  их значениям - например, расстояние от «0» до «1» в два раза больше, чем расстояние от «1» до «3» Так что предположить, где на табло должна быть концентрация 2000 можно ну очень приблизительно. Так что если вы захотите протестировать, например, редиску, у которой ПДК=1500 мг/кг, то по положению стрелки на табло сможете понять лишь, что содержание нитратов где-то между 1000 и 3000 мг/кг.

Даже обладая острым зрением  и хорошим пространственным воображением, определить сколько нитратов содержится в купленной вами редиске удастся  лишь с точностью 500 мг/кг. Напомним читателям, что суточная доза нитратов для взрослого человека составляет 325 мг. Выводы о том, насколько можно  доверять точности таких показаний, легко может сделать каждый.

 

1.4. Лабораторные испытания нитрат-тестеров.

 

Нитраты и образующиеся из них нитриты вызывают у человека кислородное голодание, отрицательно влияют на нервную и сердечно-сосудистую системы. Известно, что нитраты снижают  содержание витаминов в пище. Их частое поступление в организм человека даже в небольших дозах уменьшает  количество йода, что приводит к  увеличению щитовидной железы. Установлено, что нитраты могут быть причиной возникновения опухолей в желудочно-кишечном тракте и способствуют развитию вредной  кишечной микрофлоры, которая выделяет в организм токсины.

Допустимая суточная норма  нитратов для человека – 325 мг. Концентрация нитратов в продуктах, особенно выращенных с применением удобрений, довольно высока. Поэтому превысить норму  очень легко, например, съев 300 г. салата из ранней капусты с зеленью. И  это даже в том случае, если содержание нитратов в них будет в пределах нормы.

Но все эти обнаруженные в процессе потребительских испытаний  нитрат-тестеров недостатки модели VITATEST, или, наоборот, удобства в пользовании «СОЭКС» - потеряли какое-либо значение, когда мы провели лабораторные испытания. Они показали, что оба прибора не выполняют свою главную задачу – они не отражают реальное содержание нитратов.

Лабораторные исследования нитрат-тестеров проводились в два  этапа. На первом этапе образцом «СОЭКС»  измеряли содержание нитратов в готовых  растворах с известной концентрацией  нитратов. В этом случае нитрат-тестер показал значения концентраций в  десятки раз меньше реальных. Затем  измерили концентрацию нитратов в обычном  томатном соке, а потом в том  же соке, но после того, как его  подсолили аналогом обычной пищевой  соли - высокоочищенным хлоридом натрия, в котором, естественно не было нитратов. В первом случае прибор показал, что  содержание нитратов в соке более  чем в два раза превышает норму, а во втором случае показания нитрат-тестера  «СОЭКС» выросли в 3 раза, хотя концентрация нитратов не изменилась! Такой же эффект наблюдался и при подсаливании арбуза: показания взлетали в несколько  раз и на экране прибора появлялось красное предупреждение об опасности.

То же самое произошло  и с нитрат-тестером VITATEST: когда  огурец посолили, стрелка на аналоговой шкале сразу сдвинулась из желтой (безопасной) зоны в опасную красную. Кстати, те читатели, у кого уже есть эти приборы, могут провести такой  эксперимент дома. И вы убедитесь, что прибор реагирует именно на соль, а не на нитраты.

 

1.5. Вывод о необходимости разработки

 

Лабораторные исследования нитрат-тестеров, проведенные в июле 2012 года полностью подтвердили полученные ранее результаты. При измерении  концентрации нитрат-ионов в свежих помидорах показания прибора  «СОЭКС» или в нашем случае  ATmega32, отличались от точных лабораторных результатов в 120 раз, а показания VITATEST – в 250 раз.

Результаты проведенных  исследований свидетельствуют, что  максимальная погрешность измерения  содержания нитрат-ионов в пищевых  продуктах растительного происхождения  с использованием электронного нитрат-тестера  НУК-019-2 составляет не более 5% относительно результатов измерения проведенных  в соответствии с ГОСТ 29270-95 с использованием комбинированного нитрат-селективного электрода.

 

2. Разработка структурной схемы прибора

 

Нитрат-тестер представляет собой прибор весом 105 грамм, легко  и

 удобно помещающийся  в руке.

 Прибор оснащен черно-белым дисплеем, позволяющим легко, без

напряжения глаз, рассмотреть  информацию, как в темном помещении, так и при ярком освещении. Разрешение дисплея 160x128 точек. На экране размещается до 8 текстовых строк.

   Графический ЖКИ H1 от дисплея Nokia-3310 подключен к линиям аппаратного интерфейса SPI МК PB5(MOSI). Питается ЖКИ напряжением +3В через резистор R19. Для подсветки ЖКИ использованы четыре отдельных белых светодиода HL1…HL4.

 Под дисплеем расположены  пять кнопок. Кнопки тактовые SB1…SB5 – 4-х выводные размерами 6х6х7,5мм.

           Для подключения щупов использован  разъём X2 CKX-3.5-05 – под стандартный  аудио штекер.  С нижней (обратной) стороны расположен батарейный или аккумуляторный отсек. Питание нитрат-тестера осуществляется от аккумуляторной батареи.  Аккумулятор GB1 - фирмы TDT ёмкостью 380  мА·ч.

В нижней части расположен съемный колпачок, защищающий пользователя от случайных соприкосновений с  острым измерительным зондом.

 Контакт с анализируемым  продуктом производится с помощью

измерительного зонда, расположенного под колпачком.

В комплект поставки входит зарядное устройство.

 Структурная схема  прибора представлена на рисунке  4.

 

 

Клавиатура

Микроконтроллер

Датчик

нитратов

Усилитель

сигнала

АЦП

Блок

калибровки

ЖК-индикатор

 

Рисунок 4. Структурная схема прибора

 

 

3. Разработка электрической принципиальной схемы.

3.1 Питание

Клавиатура

Микроконтроллер

Датчик

нитратов

Усилитель

сигнала

АЦП

Блок

калибровки

ЖК-индикатор

Клавиатура

Микроконтроллер

Датчик

нитратов

Усилитель

сигнала

АЦП

Блок

калибровки

ЖК-индикатор

 Питание схемы осуществляется  от литиевого аккумулятора GB1 через  ключ на транзисторах VT4, VT5 и стабилизатор +3В DA1 TPS76330. При нажатии кнопки  включения SB1 открывается транзистор VT4 и напряжение питания через  DA1 поступает на микроконтроллер  DD3 ATmega32A, который выставляет лог.1 на линии PA2. Открывшийся транзистор VT5 удерживает VT4 в открытом состоянии после отпускания кнопки SB1. Эта же кнопка через диод VD4 подключена к линии PB2 МК, сконфигурированной как вход с подтягивающим резистором. При отжатой кнопке SB1 на линии PB2 МК будет присутствовать лог.1, а при нажатии кнопки SB1 – лог.0, служащий сигналом о необходимости выключения питания. МК снимает отпирающее транзистор VT5 напряжение с линии PA2, после чего VT5 закрывается. После отпускания кнопки SB1 закрывается и VT4, полностью обесточивая схему.