Мощенский АЮ Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля параметров воды установки замкнутого водоснабжения

Мощенский Андрей Юрьевич

Факультет: Компьютерных информационных технологий и автоматики

Специальность: Электронные системы

Тема выпускной работы: Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля параметров воды установки замкнутого водоснабжения.

Руководитель: Коренев Валентин Дмитриевич

Реферат по теме выпускной работы

Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля параметров воды установки замкнутого водоснабжения

Введение

Открытые хозяйства по разведению рыбы (прудовые и садковые) подвергаются воздействию климатических и других внешних условий и непригодны в суровом климате.

УЗВ представляет собой замкнутую систему, предназначенную для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности водных организмов [1]. Применение УЗВ в промышленном рыбоводстве дает ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с классическими методами, такими как выращивание рыбы в прудах.

Использование замкнутых по воде рыбоводных установок позволяет избежать сезонных колебаний температуры и непредвиденных скачков расхода и температуры воды. Это достигается техническими средствами и оснащением приборами автоматического управления [1]. Как правило, выращивание рыбы в замкнутых установках ведется при оптимальной температуре и концентрации кислорода.

Актуальность

Украинский рынок рыбы и морепродуктов импортозависим. Собственная же сырьевая база с каждым годом все более угасает, а показатели производства не вселяют оптимизма. Выходом из данного положения может стать возрождение сырьевой базы и создание собственной аквакультуры. Одним из таких выходов может стать использование установок замкнутого водоснабжения для разведения рыбы.

Качество поверхностных вод не всегда соответствует нормам, принятым для рыбоводства из-за их загрязненности продуктами жизнедеятельности человека, сельскохозяйственных животных и производства. Кроме того, качество поверхностных вод непостоянно, так как на него влияют разливы, шторма, незапланированные выбросы предприятий и т.п. Таким образом приходится все чаще обращаться к независимым к этим факторам установкам [2].

В последнее время использование УЗВ в промышленном рыбоводстве – наиболее перспективная мировая тенденция. При выращивании в замкнутых установках все параметры технологического процесса (кондиционирование воды, кормление, контроль и т. д.) осуществляются с помощью автоматизированных устройств, действие которых может программироваться. Влияние природных факторов на ход технологического процесса становится минимальным.

Одним из важных параметров, влияющих на процесс развития и выращивания рыбы в целом являются такие параметры, как температура и концентрация растворенного кислорода в воде.

Цель и задачи работы

Разработать, обосновать и исследовать структуру электронной системы, которая бы оповещала от отклонения от норм концентрации кислорода для своевременного внедрения различных факторов.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

обоснование и исследование установки замкнутого водоснабжения на контролируемые параметры и процессы, происходящие внутри;
анализ существующих методов и средств контроля концентрации растворенного кислорода в воде;
исследование метода измерения концентрации растворенного кислорода в воде с использованием люминесцентного датчика;
исследование различных факторов на погрешность измерения люминесцентного датчика и построение градуировочных зависимостей;
обоснование и разработка структурны электронной схемы контроля параметров воды в УЗВ.

Новизна

Имеющиеся на данный момент методы контроля таких параметров, как концентрация растворенного кислорода в воде, имеют ряд недостатков различного вида, что сводит к невозможности достаточно своевременного и точного определения концентрации кислорода в воде. На данный момент происходит процесс внедрения установок замкнутого водоснабжения для разведения рыбы. Таким образом внедрение люминесцентного метода для измерения концентрации кислорода является необходимым для максимального эффекта использования таких установок.

Основное содержание

УЗВ представляет собой замкнутую систему, предназначенную для поддержания оптимальных условий жизнедеятельности водных организмов.

Рис. 1 – Структурная схема УЗВ

Описание блоков:

Бассейн. Представляет собой одну или несколько емкостей для содержания рыбы. Бассейн должен обеспечивать возможность быстрого удаления отходов жизнедеятельности организмов, свободного обзора, а также исключать травмы рыб из-за шероховатостей поверхности или углов конструкции.

Механический фильтр. Служит для грубой очистки воды от нерастворимых примесей крупной и средней фракции. Механический фильтр не только очищает воду, но и служит защитным барьером для биофильтра.

Биологический фильтр. Применяется для создания среды обитания микроорганизмов, участвующих в природном круговороте веществ водоема. Биофильтр представляет собой каскад проточных емкостей, наполненных камешками, полимерной крошкой или другими видами нейтральных к воде частиц неправильной формы. На поверхности этих частиц живут микроорганизмы, активно поглощающие и разлагающие продукты жизнедеятельности рыб, растворенные в воде, в первую очередь нитриты.

Промежуточный бак. Cлужит для подмешивания свежей воды, компенсирующей испарение. Различные химические добавки, применяемые для поддержания гидрохимического баланса воды, также вводятся на этом узле.

Водяной насос. Создает напор воды в системе, обеспечивая ее круговорот. Он необходим также для работы наиболее производительных установок насыщения кислородом.

Установка насыщения кислородом. Монтируется непосредственно перед бассейном, чтобы обеспечить требуемый уровень насыщения О2. При высокой плотности посадки рыбы в бассейне дополнительное насыщение кислородом - один из важнейших аспектов работы УЗВ.

Содержание кислорода в бассейнах УЗВ является одним из важнейших непрерывно измеряемых параметров. Традиционная технология электрохимических измерений основана на использовании полярографической или гальванической измерительной ячейки. Характерной особенностью данной измерительной технологии является значительный расход электролита или износ анода в процессе измерения [8]. Оба этих эффекта неизбежно приводят к дрейфу получаемого сигнала, который можно удерживать в допустимых пределах только путем регулярной калибровки датчика. [10]

Поскольку для возбуждения существующих в то время люминофоров требовались источники в ультрафиолетовой области, а подобных светодиодов не существовало, использовались лазерные излучатели [6].

За последнее время были созданы люминофоры с различным диапазоном возбуждения вплоть до видимого света. Согласно закону люминесценции длина волны свечения люминофоров отличается от длины волны возбуждающего излучения – она всегда больше. Это видно из примеров, применяемых в зарубежных фирмах датчиков кислорода по опубликованным данным в конце 90-х годов (табл. 1) [5] .

Таблица 1

Тип	Длина волны возбуждения, nm	Длина волны эмиссии, nm
JM6277	418	530
JM6280	283	501
[Ru(d_PP)₃]²⁺	460	613,627

, где
I₀ и τ₀ – интенсивность и время флуоресценции, измеренные при нулевом содержании кислорода; I и τ – интенсивность и время флуоресценции, измеренные при парциальном давлении Р_o2 кислорода; k_SV – константа тушения Штерна-Волмера

Новая оптическая технология измерения растворенного кислорода разрабатывалась с учетом недостатков, присущих традиционным электрохимическим методам измерения. Новый метод измерения основывается на физическом явлении люминесценции. Данное явление определяется как способность определенных материалов (люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, в результате возбуждения иного рода. В методе LDO в качестве источника возбуждения используется свет. Подобрав подходящий материал и длину волны возбуждающего света, удалось добиться пропорциональности, как интенсивности, так и степени затухания люминесцентного излучения концентрации кислорода в окружающем люминофор растворе [4].

Износ материала влияет только на интенсивность излучения.

При этом датчик работает как в жидкой, так и в воздушной среде. Это дает большое преимущество в калибровке – отсутствует необходимость в приготовлении растворов.

Такой важный параметр, как быстродействие (время релаксации) τ_R определяется толщиной слоя нанесенного полимера h и коэффициентом диффузии кислорода в полимер D:

Датчик Lange LDO включает два основных компонента (см. рис. 2):

Крышка датчика со слоем люминофора, нанесенным на прозрачную подложку.

Корпус датчика с синим и красным СИД (светоизлучающие диоды), фотодиодом и электронным преобразователем сигнала (анализатором).

В рабочем положении крышка накручивается на датчик и погружается в воду. Молекулы кислорода в анализируемом образце вступают в непосредственный контакт с люминофором.

Рис. 2 - LDO датчик

В процессе измерения синий СИД испускает импульс света, который проходит через прозрачную подложку и частично поглощается слоем люминофора. Электроны в молекулах люминофора при этом переходят на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние). В течение нескольких микросекунд электроны возвращаются в исходное состояние через несколько промежуточных энергетических уровней, испуская разницу в энергиях в виде более длинноволнового (красного) излучения [3].

Под действием молекул кислорода в среде происходит спад свечения (рис. 3).

Рис. 3 - Кривые интенсивности возбуждающего синего излучения и красного излучения люминесценции.

Анимация процесса измерения концентрации растворенного кислорода

Рис. 4 - Анимация процесса измерения концентрации растворенного кислорода. Основные параметры анимации: количество кадров - 10; объем - 145 КВ; количество циклов повторения - 5.

Обзор исследований и методика проведения исследований

В процессе исследования данного метода и нескольких конкретных датчиков было выявлено, что данный метод подвергается воздействию различных веществ, состоящих в воде УЗВ, и чувствителен к физико-химическим параметрам воды УЗВ.

Для примера приведена разработанная методика проведения исследований влияния температуры.

Настоящая программа исследований распространяется на датчик, предназначенный для измерения концентрации кислорода в водной среде, основанный на люминесцентном принципе работы.

1 Операции исследования

1.1 Внешний осмотр

1.2 Определение метрологических характеристик

1.3 Определение погрешности люминесцентного датчика.

2 Средства для проведения

2.1 При проведении исследований должны применяться средства измерения (СИ) и оборудование, указанное в перечне.

2.2 Перечень используемых средств:

люминесцентный датчик растворенного кислорода;
анализатор кислорода в воде АНКАТ-7645(электрохимический);
анализатор температуры в воде АНКАТ-7645;
бак с перемешивающим устройством объемом 40 л;
водный раствор с нулевыми коцентрациями…
водные растворы с концентрацией цинка 0,0005; 0,005; 0,1; 0,02; 0,05 мг/л;
водный нагреватель;
анализатор вольтамперометрический АКВ-07МК.

2.3 Используемые средства должны иметь действующие документы о поверке или аттестации.

3 Условия исследования

3.1 При проведении исследования должны быть соблюдены следующие условия:

температура окружающего воздуха (20+--2) С;
влажность воздуха

4 Подготовка к исследованию

4.1 Перед проведением исследований должны быть выполнены следующие подготовительные работы:

4.1.1 Подготовьте к работе люминесцентный датчик растворенного кислорода.

4.1.2 Подготовьте к работе оборудование, применяемое при исследовании, в соответствии с их эксплуатационной документацией.

4.1.3 Протрите и обезжирьте внутреннюю поверхность бака.

4.1.4 Заполнить бак водным раствором с концентрацией цинка 0,0005 мг/л, температурой 16 С и концентрацией нитрита 0,0008 мг/л.

4.1.5 Поместите в бак люминесцентный датчик растворенного кислорода и прибор АНКАТ-7645 в качестве эталонного показателя концентрации кислорода и температуры воды.

4.1.6 Тепмература воды измеряется с помощью прибора АНКАТ-7645.

5 Проведение эксперимента

5.1 Внешний осмотр.

5.2 Определение метрологических характеристик.

5.2.1 Включите перемешивающее устройство бака.

5.2.2 Через 2-3 мин после включения перемешивающего устройства произведите не менее пяти синхронных отсчетов концентрации кислорода люминесцентным датчиком и электрохимическим прибором АНКАТ-7645(в качестве эталонного показателя).

5.2.2 Включите водный нагреватель.

5.2.3 Нагревая воду до 18, 20, 22, 25 и 30 С повторите п.5.2.2 при 5 разных температурах воды.

5.2.5 При этом концентрации цинка(0,0005 мг/л) и нитрита (0,0008 мг/л) остаются неизменными и контролируются с помощью приборов АКВ-07МК и Микон-2.

5.2.4 Выключите измерительные устройства, извлеките из бака и промойте проточной водой.

Аналогичные исследования были проведены и для влияния концентрации цинка в воде и концентрации нитритов в воде (NO₂).

Была проведена обработка полученных результатов измерений.

На основании количества измерений в одной серии рассчитано среднее значение величины концентрации растворенного кислорода.

, где

n – кол-во измерений; x_i- полученные величины исследований концентрации.

Рассчитано среднее квадратичное отклонение для каждой серии опытов.

Рассчитан доверительный интервал для результатов метода LDO и для результатов эталонного прибора, с учетом коэффициента Стьюдента ( ).

В таблице 2 приведены данные одной из серий исследования для изучения влияния температуры (t = 25°C)

Таблица 2

№ опыта	1	2	3	4	5	Среднее	СКО
Растворенный кислород (в мг/л) LDO	7.662	7.671	7.671	7.671	7.658	7.6582	9.876*E-3
АНКАТ-7645	7.6607	7.6602	7.659	7.6592	7.6599	7.6598	2.909*E-4

Построены зависимости изменения точности показания измерения концентрации растворенного кислорода используемым люминесцентным датчиком и этелонным датчиком:

Рис. 5 – Зависимость изменения концентрации кислорода от температуры

Рис. 6 – Зависимость изменения концентрации кислорода от концентрации цинка

Рис. 7 – Зависимость изменения концентрации кислорода от концентрации нитрита

(С1- полученные средние значения люминесцентным датчиком; С2- полученные средние значения эталонным датчиком; С01, С02- интервал допустимых значений концентрации кислорода; С11, С10 – границы доверительного интервала для люминесцентного датчика; С21, С20 – доверительные границы для эталонного датчика).

Выводы

На основании полученных данных исследования, а также исходя из построенных градуировочных зависимостей можно сделать вывод, что данный люминесцентный датчик нестабилен к изменениям температуры, концентрации цинка в воде, и в меньшей мере зависим от концентрации нитритов воде. Для данного датчика нужно вводить блок температурной коррекции и блок коррекции от изменения концентрации цинка. Таким образом можно значительно улучшить его погрешность измерения.

Примечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Литература

наверх ↑

Проскуренко И.В. Замкнутые рыбоводные установки. – М.; ВНИРО 2003. 143 с.
Спотт С. Содержание рыбы в замкнутых системах. – М.; "Легкая и пищевая промышленность" 1983. 180 с.
ЭкоИнструмент [Електронний ресурс]: «ЭкоИнструмент». – Електронні дані. – Режим доступу: http://bit.ly/jq4vWc– Дата доступу: березень 2011. – Загл. з екрану.
edboe [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.edboe.ru/products/kislorod_dat.htm– Дата доступу: март 2011. – Загл. з екрану.
aquaplus [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа: http://www.aquaplus.ru/catalog/1/42– Дата доступу: февраль 2011. – Загл. з екрану.
infomarcompany [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа http://www.infomarcompany.com/OxygenOpt3830.pdf. – Дата доступа: март 2011. – Загл. с экрана.
Чернякова А.М. , Максимова М.П. , Конник Э.И. Методы определения содержания кислорода и его растворимости в морской воде. // Обзорная информация Рыбного хозяйства. М. 1970г., сер. 1 (Промысловая ихтиология и океанология), вып. 3.
ГОСТ 22018-84 Анализаторы растворенного в воде кислорода. Амперометрические ГСП. Общие технические требования (СТ СЭВ 6130-87).
ИСО 5814-84. Определение растворенного кислорода. Метод электрохимического датчика.
erudition [Электронный ресурс]: – Электронные данные. – Режим доступа http://www.erudition.ru/referat/ref/id.24280_1.html. – Дата доступа: апрель 2011. – Загл. с экрана.