Відкриті господарства по розведенню риби піддаються впливу кліматичних й інших зовнішніх умов і непридатні в суворому кліматі.
УЗВ являє собою замкнуту систему, призначену для підтримки оптимальних умов життєдіяльності водних організмів [1].
Застосування УЗВ у промисловому рибництві дає ряд незаперечних переваг у порівнянні із класичними методами, такими як вирощування риби в ставках.
Використання замкнутих по воді установок для риби дозволяє уникнути сезонних коливань.
Це досягається технічними засобами й оснащенням приладами автоматичного керування [1]. Як правило, вирощування риби в замкнутих установках ведеться при оптимальній температурі й концентрації кисню.
Український ринок риби й морепродуктів імпортозалежний. Власна ж сировинна база з кожним роком усе більше згасає, а показники виробництва не вселяють оптимізму. Виходом з даного положення може стати відродження сировинної бази й створення власної аквакультури. Одним з таких виходів може стати використання установок замкнутого водопостачання для розведення риби.
Якість поверхневих вод не завжди відповідає нормам, прийнятим для рибництва через їхнє забруднення продуктами життєдіяльності людини, сільськогосподарських тварин і виробництва. Крім того, якість поверхневих вод мінливо, тому що на нього впливають розливи, шторми, незаплановані викиди підприємств і т.п. У такий спосіб доводиться всі частіше звертатися до незалежного до цих факторів установкам [2].
Останнім часом використання УЗВ у промисловому рибництві – найбільш перспективна світова тенденція. При вирощуванні в замкнутих установках всі параметри технологічного процесу (кондиціонування води, годівля, контроль і т.д.) здійснюються за допомогою автоматизованих пристроїв, дія яких може програмуватися. Вплив природних факторів на хід технологічного процесу стає мінімальним.
Одним з важливих параметрів, що впливають на процес розвитку й вирощування риби в цілому є такі параметри, як температура й концентрація розчиненого кисню у воді.
Розробити, обґрунтувати й досліджити структуру електронної системи, яка б сповіщала від відхилення від норм концентрації кисню для своєчасного впровадження різних факторів.
Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
- обґрунтування й дослідження установки замкнутого водопостачання на контрольовані параметри й процеси, що відбуваються усередині;
- аналіз існуючих методів і засобів контролю концентрації розчиненого кисню у воді;
- дослідження методу виміру концентрації розчиненого кисню у воді з використанням люмінесцентного датчика;
- дослідження різних факторів на погрішність виміру люмінесцентного датчика й побудова градувальних залежностей;
- обґрунтування й розробка структури електронної схеми контролю параметрів води в УЗВ.
Наявні на даний момент методи контролю таких параметрів, як концентрація розчиненого кисню у воді, мають ряд недоліків різного виду, що зводить до неможливості досить своєчасного й точного визначення концентрації кисню у воді. На даний момент відбувається процес впровадження установок замкнутого водопостачання для розведення риби. У такий спосіб впровадження люмінесцентного методу для виміру концентрації кисню є необхідним для максимального ефекту використання таких установок.
УЗВ являє собою замкнуту систему, призначену для підтримки оптимальних умов життєдіяльності водних організмів.
Рис. 1 – Структурная схема УЗВ
Опис блоків:
Басейн. Являє собою одну або кілька ємностей для змісту риби. Басейн повинен забезпечувати можливість швидкого видалення відходів життєдіяльності організмів, вільного огляду, а також виключати травми риб через шорсткості поверхні або кутів конструкції.
Механічний фільтр. Служить для грубого очищення води від нерозчинних домішок великої й середньої фракції. Механічний фільтр не тільки очищає воду, але й служить захисним бар'єром для біофільтра.
Біологічний фільтр. Застосовується для створення середовища перебування мікроорганізмів, що беруть участь у природному круговороті речовин водойми. Біофільтр являє собою каскад проточних ємностей, наповнених камінчиками, полімерною крихтою або іншими видами нейтральних до води часток неправильної форми. На поверхні цих часток живуть мікроорганізми, що активно поглинають і розкладають продукти життєдіяльності риб, розчинені у воді, у першу чергу нітрити.
Проміжний бак служить для підмішування свіжої води, що компенсує випар. Різні хімічні добавки, застосовувані для підтримки гідрохімічного балансу води, також уводяться на цьому вузлі.
Водяной насос створює напір води в системі, забезпечуючи її круговорот. Він необхідний також для роботи найбільш продуктивних установок насичення киснем.
Установка насичення киснем монтується безпосередньо перед басейном, щоб забезпечити необхідний рівень насичення ПРО2. При високій щільності посадки риби в басейні додаткове насичення киснем - один з найважливіших аспектів роботи УЗВ.
Зміст кисню в басейнах УЗВ є одним з найважливіших безупинно вимірюваних параметрів. Традиційна технологія електрохімічних вимірів заснована на використанні полярографічної або гальванічної вимірювальної комірки [8]. Характерною рисою даної вимірювальної технології є значна витрата електроліту або зношування анода в процесі виміру. Обоє цих ефекту неминуче приводять до дрейфу одержуваного сигналу, якому можна втримувати в припустимих межах тільки шляхом регулярного калібрування датчика [10].
Оскільки для порушення існуючих у той час люмінофорів були потрібні джерела в ультрафіолетовій області, а подібних світлодіодів не існувало, використалися лазерні випромінювачі.
За останнім часом були створені люмінофори з різним діапазоном збудження аж до видимого світла. Відповідно до закону люмінесценції довжина хвилі світіння люмінофорів відрізняється від довжини хвилі збудливого випромінювання - вона завжди більше. Це видно із прикладів, застосовуваних у закордонних фірмах датчиків кисню за опублікованим даними наприкінці 90-х років (табл. 1) [5].
Таблица 1
| Тип | Длина волны возбуждения, nm | Длина волны эмиссии, nm |
| JM6277 | 418 | 530 |
| JM6280 | 283 | 501 |
| [Ru(dPP)3]2+ | 460 | 613,627 |
, гдеде I0 й τ0 – інтенсивність і час флуоресценції, обмірювані при нульовому змісті кисню; I й τ – інтенсивність і час флуоресценції, обмірювані при парціальному тиску РО2 кисні; kSV – константа гасіння Штерна-Волмера.
Нова оптична технологія виміру розчиненого кисню розроблялася з урахуванням недоліків, властивим традиційним електрохімічним методам виміру. Новий метод виміру ґрунтується на фізичному явищі люмінесценції. Дане явище визначається як здатність певних матеріалів (люмінофорів) випускати випромінювання не в результаті нагріву, а у результаті збудження іншого роду. У методі LDO як джерело збудження використається світло. Підібравши підходящий матеріал і довжину хвилі збудливого світла, удалося домогтися пропорційності, як інтенсивності, так і ступеня загасання люмінесцентного випромінювання концентрації кисню в навколишній люмінофор розчині [4].
Зношування матеріалу впливає тільки на інтенсивність випромінювання.
При цьому датчик працює як у рідкої, так й у повітряному середовищі. Це дає велику перевагу в калібруванні - відсутня необхідність у готуванні розчинів.
Такий важливий параметр, як швидкодія (час релаксації) τR визначається товщиною шаруючи нанесеного полімеру h і коефіцієнтом дифузії кисню в полімер D:
Датчик Lange LDO включає два основних компоненти (див. рис. 2):
Кришка датчика із шаром люмінофора, нанесеним на прозору підкладку.
Корпус датчика із синім і червоним СИД (світлодіоди), фотодіодом й електронним перетворювачем сигналу (аналізатором).
У робочому положенні кришка накручується на датчик і поринає у воду. Молекули кисню в аналізованому зразку вступають у безпосередній контакт із люмінофором.
Рис. 2 - LDO датчик
У процесі виміру синій СИД випускає імпульс світла, що проходить через прозору підкладку й частково поглинається шаром люмінофора. Електрони в молекулах люмінофора при цьому переходять на більше високий енергетичний рівень (збуджений стан). Протягом декількох мікросекунд електрони повертаються у вихідний стан через кілька проміжних енергетичних рівнів, випускаючи різницю в енергіях у вигляді більше довгохвильового (червоного) випромінювання [3].
Під дією молекул кисню в середовищі відбувається спад світіння (рис. 3).
Рис. 3 - Криві інтенсивності збудливого синього випромінювання й
червоного випромінювання люмінесценції.
Рис. 4 -
Анімація
процесу вимірювання
концентрації
розчиненого кисню.
Основні параметри анімації: кількість
кадрів - 10;
обсяг - 145 КВ; кількість циклів повторення - 5.
У процесі дослідження даного методу й декількох конкретних датчиків було виявлено, що даний метод піддається впливу різних речовин, що складаються у воді УЗВ, і чутливий до фізико-хімічних параметрів води УЗВ.
Для приклада наведена розроблена методика проведення досліджень впливу температури.
Дійсна програма досліджень поширюється на датчик, призначений для виміру концентрації кисню у водному середовищі, заснований на люмінесцентному принципі роботи.
1 Операції дослідження
1.1 Зовнішній огляд
1.2 Визначення метрологічних характеристик
1.3 Визначення погрішності люмінесцентного датчика.
2 Засоби для проведення
2.1 При проведенні досліджень повинні застосовуватися засобу виміру (СВ) і встаткування, зазначене в переліку.
2.2 Перелік використовуваних засобів:
- люмінесцентний датчик розчиненого кисню;
- аналізатор кисню у воді АНКАТ-7645(електрохімічний);
- аналізатор температури у воді АНКАТ-7645;
- бак із пристроєм, що перемішує, обсягом 40 л;
- водяний розчин з нульовими концентраціями...
- водяні розчини з концентрацією цинку 0,0005; 0,005; 0,1; 0,02; 0,05 мг/л;
- водний нагрівач;
- аналізатор вольтамперометричний АКВ-07МК.
2.3 Використовувані засоби повинні мати діючі документи про перевірку або атестацію.
3 Умови дослідження
3.1 При проведенні дослідження повинні бути дотримані наступні умови:
- температура навколишнього повітря (20+-2);
- вологість повітря 60-75%.
4 Підготовка до дослідження
4.1 Перед проведенням досліджень повинні бути виконані наступні підготовчі роботи:
4.1.1 Підготуйте до роботи люмінесцентний датчик розчиненого кисню.
4.1.2 Підготуйте до роботи встаткування, застосовуване при дослідженні, відповідно до їхньої експлуатаційної документації.
4.1.3 Протріть і знежирте внутрішню поверхню бака.
4.1.4 Заповнити бак водяним розчином з концентрацією цинку 0,0005 мг/л, температурою 16 С и концентрацією нітриту 0,0008 мг/л.
4.1.5 Помістите в бак люмінесцентний датчик розчиненого кисню й прилад АНКАТ-7645 як еталонний показник концентрації кисню й температури води.
4.1.6 Тепмература води виміряється за допомогою приладу АНКАТ-7645.
5 Проведення експерименту
5.1 Зовнішній огляд.
5.2 Визначення метрологічних характеристик.
5.2.1 Включити пристрій, що перемішує, бака.
5.2.2 Через 2-3 хв послу включення пристрою, що перемішує, зробіть не менш п'яти синхронних заліків концентрації кисню люмінесцентним датчиком й електрохімічним приладом АНКАТ-7645(як еталонний показник).
5.2.3 Включите водний нагрівач.
5.2.4 Нагріваючи воду до 18, 20, 22, 25 й 30 С повторите п.5.2.2 при 5 різних температурах води.
5.2.5 При цьому концентрації цинку(0,0005 мг/л) і нітриту (0,0008 мг/л) залишаються незмінними й контролюються за допомогою приладів АКВ-07МК і Мікон-2.
5.2.4 Вимкните вимірювальні пристрої, витягніть із бака й промийте проточною водою.
Аналогічні дослідження були проведені й для впливу концентрації цинку у воді й концентрації нітритів у воді (NO2).
Була проведена обробка отриманих результатів вимірів.
1. На підставі кількості вимірів в одній серії розраховане середнє значення величини концентрації розчиненого кисню.
де n – кількість вимірів; xi- отримані величини досліджень концентрації.
2. Розраховано середнє квадратичне відхилення для кожної серії досвідів
Розраховано довірчий інтервал для результатів методу LDO і для
результатів еталонного
приладу,
з урахуванням коефіцієнта Стьюдента
(
).
У таблиці 2 наведені дані однієї із серій дослідження для вивчення впливу температури (t= 25 0C).
Таблиця 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 |
Побудовані залежності зміни точності показання виміру концентрації розчиненого кисню використовуваним люмінесцентним датчиком і еталонним датчиком:
Рис. 5 – Залежність зміни концентрації кисню від температури
Рис. 6 – Залежність зміни концентрації кисню від концентрації
цинку
Рис. 7 – Залежність зміни концентрації кисню від концентрації
нітриту
(С1- отримані середні значення люмінесцентним датчиком; C2- отримані середні значення еталонним датчиком; C01, C02- межі зміни концентрації кисню; C11, C10 - довірчі границі для люмінесцентного датчика; C21, C20 - довірчі границі для еталонного датчика)
На підставі отриманих дані дослідження, а також виходячи з побудованих залежностей можна зробити висновок, що даний люмінесцентний датчик нестабільний до змін температури, концентрації цинку у воді, і в меншій мері залежимо від концентрації нітритів воді. Для даного датчика потрібно вводити блок температурної корекції й блок корекції від зміни концентрації цинку. У такий спосіб можна значно поліпшити його погрішність виміру.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 1 грудня 2011 р. Повний текст роботи й матеріали по темі роботи можуть бути отримані в автора або його наукового керівника після зазначеної дати.