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化学反応式CO2発生装置、運転ノウハウなど

 マイコン制御の水槽用CO2ガス添加装置は順調に動いています。自分へのメモを兼ねて、ここまでの運転を通じて判ったことなどをまとめておきます。

1.配管の注意点
1) 水槽の水の逆流防止
逆流防止トラップ
 夜間の停止時などに、水槽からガス発生装置への水の逆流を防止するために逆止弁を設置しているのですが、少しリークがあるようで水槽の水が吸い上げられる現象が発生しています。リークはガスだけで、水は逆止弁のところで止まっていて重曹タンクまで入ることはありませんが、ちょっと気持ち悪い状態です。なお使っている逆止弁は、比較的高級品です(たぶんスドー製)

 対策としてこの写真のようなアンテナ状のステーを立て、途中の配管を持ち上げるようにしました。たとえ負圧で水が吸い上げられたとしても、この高さを超える(約100mmAq)圧力がなければ逆流しないはずです。ただ残念なことに、実際にはこの高さを上回る負圧が発生することがあるようで、対策としては不十分でした。でもやらないよりはましでしょう。もちろん、配管をもっと高く持ち上げればいいのですが、あまり目立つことは出来ません。

2) 重曹タンクからの飛沫混入防止
 重曹タンク内で、CO2ガスと共に発生する溶液の飛沫が配管に飛び込んで、チューブの中に薬品が析出する現象が発生しました。液面を下げて使えばいいのですが、小さなタンクで出来るだけ長時間運転したいという事情もあるのでそういう対策は難しいです。
 ということで、ボトルのキャップの内側、ガスの取り出し口に小さなプラ板で作ったバッフルを取り付けました。これで配管への薬液の混入はほぼ無くなりました。
▼飛沫飛込防止バッフル
CO2取り出し口の液ハネ除け
 ボトルのキャップの内側を見た写真です。黄色のプラ板の裏にガスの取り出し配管があります。

2.ガスの発生量
 重曹とクエン酸を反応させてCO2ガスを発生させますが、その量の関係について再度整理します。

◆反応式
 クエン酸 + 炭酸水素ナトリウム → クエン酸3ナトリウム + 水 +炭酸ガス
 C6H8O7 + 3NaHCO3      → Na3C6H5O7     + 3H2O +3CO3

 1モル当たりの質量(グラム)で表すと
 192   + 252          → 258         + 54 + 132

 この装置では重曹は充分な量を用意しておき、クエン酸で反応量を決めています。つまり上の式で言うと、クエン酸192gから炭酸ガスが132g得られることだけに着目し、他は無視しても良いことになります。

 クエン酸は溶解量36g/100ccの水溶液の状態で供給し、120秒間隔で、1ショット15msに相当する量を供給します。1ショットの液量は0.0135ccで、この中のクエン酸の量は0.00405gなので、0.00278gのCO2が発生することになります。
 炭酸ガスの比重は 0.001977g/ccなので、0.00278gはガスの容積に換算すると1.4ccになります。つまりこの条件である1ショット15msで1.4ccのCO2ガスが発生することになります。

 クエン酸のタンクの容積は200ccなので、ショット可能な回数は13333回(200/0.00278)で、ガス量は18.6ℓ(13333*1.4cc)ということになります。これは重量に換算すると37gです。ところで、液化炭酸ガスカートリッジには74gのCO2が入っているので、この約半分の量が発生出来るということになります。これが多いと思うかどうかは、人によって違うと思うので、ここでは議論しません。

3.薬液のチャージ量
 前項の計算でガスの発生量が判りました。実際の薬液のセットアップは以下のようにしています
▼薬液タンク (緑矢印が液面、赤矢印が重曹スラリー表面)
CO2発生装置の薬液タンク
・クエン酸
 右側がクエン酸のタンクで容積は200ccです。こちらにはクエン酸を60g入れ、その後水を容器いっぱいになるまで入れることで、溶解量36g/100ccの水溶液にしています。(クエン酸(比重1.67)60gの容積は36cc、水は164cc(200-34))
 なお別の大きなボトルを使って、所定の濃度のクエン酸の水溶液をまとめて作っておくと便利です。

・重曹
 左が重曹のタンクで容積は450ccです。このタンクには重曹を底から約4cmの深さになるまで入れています。(重曹の溶解度は小さく、ほとんど水に溶けません)水は底から5.5cmくらいまで入れます。

 この状態で運転すると、重曹のスラリーの底まで突っ込んだJ字型のパイプから出るクエン酸でCO2の泡が発生し、その結果として重曹スラリーの表面がお椀型に凹みます。この時、J字型のパイプ先端がスラリーの底から露出しない量の重曹を入れておくと、反応が安定しましたす。つまり、パイプの先が重曹に埋まるようにしておくと具合が良いみたいです。もしパイプの先が露出させると、未反応のクエン酸が残り、これが後でじわじわと反応するため制御性が悪くなるのだと思います。但し、この仮説にはあまり自信がありません。

 このように重曹は過剰にチャージしているため、いわゆる死に容量になっています。でも反応を安定化させるためには仕方がありません。

 なお、重曹は入れ替える必要は無く、減った分を補充するだけで大丈夫です。その場合、上澄み液にはクエン酸3ナトリウムが大量に含まれているので、これを流して捨ててしまいます。念のために、水を入れてちょっと待って沈殿させ、その後上澄み液を捨てるという操作を2-3回繰り返すといいでしょう。この時重曹が少し流れてしまいますが、安いので気にしないことにします。

4.CO2の圧力変化
 タンクの圧力計を付けたので運転状態の把握が楽になりました。圧力の値は液晶以外にシリアルにも流しているので、これを記録して一日の変化をグラフにしてみました。

▼タブレットにデーターを記録
圧力変化記録中
 シリアルデーターをタブレットに取り込んでファイルに記録しているところです。記録したデーターをPCに移すには色々な方法がありますが、今回はDropbox を使いました。ファイルをPCに移した後は、そのままではデーター量が多すぎるので適当に1/10に間引いて(windows のコマンドで findstr ,1 )エクセルでグラフにしたのが次の図です。

▼圧力の変化グラフ
圧力変化
 14時から翌日の14時あたりまでの、24時間の圧力変化グラフです。

 昼間は約800mmAqで安定しています。17時過ぎに夜間信号が入ったのでCO2の添加を夜間モードに変更したため、圧力が急降下しています。水槽内へのCO2のバブリングはこの時点で止まったはずです。

 圧力は22時頃にはゼロになり、その後負圧になっても圧力の低下は続き、明け方には -300mmAq まで下がっています。この原因は気温の低下による圧力低下とCO2の水への溶解量の増加だと思います。ひょっとしたら、CO2が吸収される化学反応が起こっているのかも知れません。なお、負圧になるまで変化しているので、単なるリークではなさそうです。

 朝の6時頃に急に圧力が上がっているのはモーニングショットの効果だと思いますが、もっと入れておいた方が良かったようです。ちなみにこの時のショット数は6でした。

 その後2時間以上かかって圧力は上昇し、8時半頃の圧力の急減のタイミングでバブリングが始まったようです。ストーンに染み込んだ水を追い出すのに少しい高い圧力が必要だったということでしょう。(その後のグラフで平坦部があるのはデーターの欠測です)

◆まとめ
 運用のノウハウめいたことを記録するために記事にまとめてみました。たぶん後で見て、自分にも参考になる情報だと思います。

 圧力の変化グラフは今回初めて作ったのですが、こんなに高い負圧になっているとは思いませんでした。夜間の冷え込み具合で結果が変わるのでしょうが、圧力維持のための夜間の反応量をもっと増やさないといけないようです。

 この記事のような圧力の変化グラフを作るのは大変なので、最大と最低圧力だけでもプログラムで記録しておいて、液晶画面から参照できるようにすると便利かも知れません。

LEDをパルス点灯させた場合の見掛けの明るさ、実験3

 LEDをパルス点灯させると明るくなるか?という話の3回目です。

 前回の実験ではLEDの電流を変えた場合の挙動の変化を調べました。詳しくはその記事を見たいただくとして、結果をかいつまんで言うと、流す電流によってデューティーを絞った時の明るさの変化の様子がかなり違っていました。こうなると、LEDを変えた場合に結果がどう変わるのかが知りたくなります。

 LEDの発光効率はここ数年でものすごく良くなったので、昔の物を測定すると面白そうです。そんなことで、ちょうど入手したばかりの暗い赤色LEDがあるので、これを測定することにしました。

▼昔のLEDが入っていたキット
LOLシールドキット
 これ、チャーリープレクシングの応用例を試してみたくてAliExpressで買った、Arduino用のLOL(Lot Of LEDs)シールドのキットです。このキットについては機会があれば紹介したいと思いますが、添付されていた赤色をテストしてみるとえらく暗い物でした。

 ということでこのLED中から一つ選んで、データーを取ってみました。以下は測定結果です。

▼電流小 (0.3326mA)
電流小、結果

電流小、グラフ
 デューティ1% なら平均電流がDC点灯の32% でも同じ明るさになっています。これはもう無視できないというか、えらいことです。

▼電流中 (0.9601mA)
電流中、結果

電流中、グラフ
 グラフの底が右上に上がってきた感じです。

▼電流大 (3.093mA)
電流大、結果

電流大、グラフ
 更にグラフの底が右上に移動し、パルス駆動による明るさの違いは最大で15%程度に留まっています。

◆まとめ
 この結果を見ると、もっと電流が少ない場合の特性を知りたくなります。ということでやりかけたのですが、LEDがかなり暗くなってしまって、明るさの変化を正確に見分ける自信が無かったのでやめました。周囲を暗くして目を慣らせばいいのでしょうが、今回はここまでとしました。

 このLEDをデューティ1%でダイナミック点灯させた場合、平均電流を30%まで絞ってもDC点灯と同じ明るさになることがある訳で、これはちょっとすごいことです。別の言い方をすると、デューティー1%で点灯した場合、見掛けの明るさは100分の1までは減らず、30分の1で済んでいます。これが 「LEDは同じ電流でもダイナミック点灯した方が明るく見える」 という現象なのかも知れません。

 こうなると他の色のLEDも試してみたくなります。実は、緑色のLEDでちょっとやってみたのですが、ピーク電流が変わる影響で色も変わってしまい、目で見て同じ明るさであるのかどうかを判断するのが難しくなってしまいました。
 ここまでの実験では赤色のLEDを使いましたが、このあたりの波長では微妙な色の変化(波長の変化)は人間には検知出来なかったのかも知れません。

 今回の一連の実験は、パルス点灯と言っても人間にはフリッカーを感じない領域の話です。もっと点灯周期を長くすると、ブロッカ・ザルツァー (Broca - Sulzer) 効果の領域に入り、様相は変わってくるものと思われます。
 このあたりの領域の実験は、マイコンとLEDで簡単に実験できるので、やってみると面白いかも知れません。ちなみに、Lチカの点灯時間を削っていくと、20msあたりから急に暗くなる(ような気がする)のはこの効果かな、と思っています。
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