ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме: «Обоснование структуры прибора для измерения концентрации растворенного кислорода в природных водах»

 

Содержание

 

Конец ХХ века характеризуется мощным рывком научно – технического прогресса, ростом социальных противоречий, резким демографическим взрывом , ухудшением состояния окружающей среды. Вода характеризуется физически химическими свойствами, одним из которых является кислород. Природная вода всегда содержит растворенные в ней соли различных химических элементов, большое количество взвешенных веществ минерального и органического происхождения, от которых зависит степень ее прозрачности.

Современное состояние водной среды не соответствует санитарно – гигиеническим нормам. Но уровень автоматизации современных приборов позволяет обеспечить оперативный контроль этих параметров в различных средах. Также существует проблема и необходимость контроля растворенного кислорода в реках, озерах, а также в водах, не пригодных для использования.

1. Актуальность темы

Кислород является одним из важнейших растворенных газов, постоянно присутствующих в поверхностных водах, режим которого в значительной степени определяет химико – биологическое состояние водоемов. Доказано, что в атмосфере, воде и доступной непосредственному химическому исследованию части твердой земной коры, то окажется, что на долю кислорода приходится примерно 50% их общей массы. Главными источниками поступления кислорода в поверхностных водах являются процессы абсорбции его из атмосферы. Растворенный кислород в поверхностных водах находится в виде молекул О2. Его растворимость возрастает с понижением температуры минерализации и повышением давления.

Разностороннее использование кислорода обусловлено его свойствами: нетоксичен, не взрывоопасен, не горит, не имеет цвета, вкуса и запаха, относится к окислителям, обеспечивая тем самым горения различных материалов. Высокая прочность химической связи между атомами в молекуле О2 приводит к тому, что при комнатной температуре газообразный кислород химически довольно малоактивен. Концентрация кислорода определяет величину окислительно – восстановительного потенциала и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений [1]. Как правило, изменение концентрации кислорода при сбросе вызывается его расходованием на окисление легкоокисляемых веществ, присутствующих в водах. Однако, нерастворимые в воде маслянистые вещества, нефтепродукты создают на поверхности воды пленку, которая препятствует растворению кислорода, вызывая снижение его концентрации. В связи с этим, вся вода, которая участвует в технологическом процессе, проходит очистку [2].

Процесс очистки любых вод сопровождается постоянным контролем концентрации растворенного кислорода, так как он является одним из показателей качества воды. В результате разнообразных процессов окисления кислород постоянно переходит из свободного состояния в связанное. Однако количество свободного кислорода остается практически неизменным, так как его количестов компенсируется жизнедеятельностью растений. С целью определения растворенного кислорода в воде разработаны специальные приборы – анализаторы кислорода (оксиметры), предназначенные для измерения концентрации растворенного кислорода. Не все, но большинство из них имеют небольшой диапазон измерений и малый порог чувствительности, поэтому основной задачей магистерской работы является разработка прибора для измерения растворенного кислорода, который будет кметь низкую стоимостью и улучшенные показатели точности. Важным параметром является продолжительность анализа, линейность и повторяемость в процентах от диапазона измерений. 

2. Цели и задачи

Некоторые анализаторы кислорода имеют элементы, вступающие в реакцию с кислородом, и препятствуют точной оценке его концентрации в данной субстанции. Поэтому спроектированный прибор будет  соответствовать современным требованиям технологической эстетики и эргономики, а также будет удобным и простым в обслуживании, иметь малый вес и габариты, которые должны позволять эксплуатировать его в различных сложных условиях. Таким образом, в процессе выполнения дипломной работы будут рассмотрены существующие прототипы приборов для измерения кислорода в воде, проведен анализ преимуществ и недостатков этих прототипов и сделаны выводы по совершенствованию процессов измерения и обработки полученных результатов. Также будет разработана структурная схема прибора для измерения концентрации растворенного кислорода в водах. 

2.1 Планируемые практические результаты

Все оксиметры смогут формировать унифицированные сигналы с последующей их передачей по стандартизированным протоколам к контролеру и на операторские пульты, будут разрабатываться  микропроцессоры для реализации передачи записей в память результатов измерений, связи с другими устройствами, а также мониторинга и анализа процесса.

2.2 Предполагаемая научная новизна

Несмотря на то, что существует огромное количество методов определения концентрации растворенного кислорода в воде, используются только некоторые из них. Это методы, которые не требуют громоздкой аппаратуры и высококвалифицированного персонала. Датчики на основе люминесцентный метода имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными электрохимическими датчиками. Это:
– избирательность к кислороду, что позволяет измерять сверхнизкие концентрации кислорода в присутствии неизвестных примесей;
–  отсутствие потребления кислорода во время работы;
–  высокое быстродействие и небольшая температурная зависимость;
–  малое время отклика, более высока механическая устойчивость;
–  не нуждается в замене мембраны и электролита;
–  не нужна кали бровка;
–  нет необходимости в потоке;

3. Обзор исследований и разработок по теме

3.1 На глобальном уровне:

Американская компанія Teledyne Analytical Instruments  является мировым лидером в разработке и производстве высококачественных качества газа и жидкостных анализаторов. Ассортимент Teledyne включает в себя электрохимические датчики, анализаторы в области электроники, химии и машиностроения.  Анализаторы кислорода используют парамагнитный оксид циркония, который по конфигурации является одни из самых легких, портативных и наиболее прочных. Также производит кислородные датчики медицинского назначения [3].

3.2 На национальном уровне:

Российская  научно – производственная компания «Аквилон» более десяти лет успешно работает на рынке аналитического и лабораторного оборудования. Основное направление деятельности компании – разработка и производство современных аналитических приборов, предназначенных для контроля безопасности и качества продукции, сырья, технологических процессов, мониторинга загрязнений окружающей среды, обеспечивают информационную, методическую и сервисную поддержку. Компания «Аквилон» обладает многолетним опытом оснащения и комплектации лабораторий современным аналитическим и лабораторным оборудованием, как собственного производства, так и производства ведущих отечественных и зарубежных компаний. Наши постоянные заказчики – Центры стандартизации и метрологии, Центры Госсанэпиднадзора, Центры контроля качества лекарственных средств и фармацевтические предприятия, хлебные инспекции и предприятия пищевой промышленности, предприятия тепловой и атомной энергетики, организации мониторинга и контроля окружающей среды, производственные лаборатории различных отраслей промышленности, научные, медицинские и исследовательские лаборатории.

Приборы, производимые компанией «Аквилон», прошли испытания на утверждение типа и внесены в Государственный реестр средств измерений РФ. Все МВИ включены в Федеральный реестр методик выполнения измерений, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора. Компания «Аквилон» совместно с другими компаниями, членами Ассоциации производителей аналитического оборудования, является учредителем учебно-методического центра «Аналитические технологии», успешно осуществляющего программы обучения и повышения квалификации специалистов Центров стандартизации и метрологии, Госсаэпиднадзора, Агрохимслужб, Центров контроля качества лекарственных средств, Служб ветеринарного контроля, Экологических служб, Научных и заводских лабораторий, Отделов технического контроля и т.д. [4].

Еще одним российским представителем  газоаналитического приборостроения является компания ФГУП СПО «Аналитприбор». На предприятии производится более 200 модификаций газоанализаторов, хроматографов, от самых простых, используемых в коммунальном хозяйстве, до сложных, применяемых в нефтяной и газовой отраслях, в химической и угольной промышленности, в металлургии и энергетике, и служащих для охраны труда и безопасности, экологического и технологического мониторинга. Предприятие, имея свои лаборатории по разработке и изготовлению датчиков (сенсоров) различного действия, газовую станцию, научную и производственную базу, постоянно занимается модернизацией, усовершенствованием и созданием новых приборов и систем в соответствии с нормативными документами и технологическими регламентами заказчика [5].

ООО «ЛабСтар» успешно работает на российском рынке с 2004 года.  Направление деятельности – оснащение лабораторий различных уровней и направлений широким спектром лабораторного и аналитического оборудования, расходных материалов и химических реактивов, лабораторной посуды и лабораторной мебели собственного производства [6]

3.3 На локальном уровне:

1. Пилипенко Дмитрий Вадимович
http://www.masters.donntu.ru/2009/kita/pilipenko/diss/index.htm        
Тема выпускной работы:
«Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений».

2. Прокофьева (Платонова) Елена Викторовна
http://www.masters.donntu.ru/2011/fkita/prokof'eva/diss/index.htm
Тема выпускной работы:
«Обоснование и исследование структуры прибора для измерения концентрации растворенного кислорода в сточных водах».

4. Текущие результаты

В настоящее время электрохимические методы потеряли свое лидерство в определении растворенного кислорода, так как имеют много недостатков: невысокая избирательность и точность измерения; небольшой срок службы чувствительных элементов, подверженных влиянию агрессивных примесей; дрейф выходного сигнала; частое калибровки датчика; проникновение газообразного сероводорода через мембрану электрохимической ячейки, вследствие чего он вступает в реакцию с серебряным анодом с образованием слоя сульфида серебра, который очень сложно удалить (повреждается датчик); большое время установления стабильной разности потенциалов между катодом и анодом. Люминесцентный метод  измерения растворенного кислорода является последним и самым дорогим методом, который требует менее  частой калибровки в отличии от полярографического. Тонкая пленка из люминесцентного материала  (люминофора) стимулируется синим светоизлучающим диодом (LED). Люминофор возвращается в свое невозбужденное состояние, испуская красный свет с длиной волны от 620 до 740 нанометров.

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. Константа (1) зависит от химического состава люминесцентного покрытия:

  ;                                  (1)

 и – интенсивность и время флуоресценции, измеренные при нулевом содержании кислорода;  и   – интенсивность и время флуоресценции, измеренные при парциальном давлении  кислорода;  – константа тушения Штерна – Фолмера. [7]

Этот оптический метод полностью лишен недостатков традиционных методов измерения, которые приводили к искажению результатов, особенно заметных при нерегулярном обслуживании электрохимических датчиков, обеспечивает максимальную достоверность анализов при самых минимальных требованиях к обслуживанию датчика [8]. Сущность люминесцентного метода заключается в следующем. Энергия, приобретается веществом, когда оно поглощает электромагнитное излучение, обычно превращается в тепло, но в некоторых случаях большая часть энергии может обратно излучаться в виде флуоресценции или фосфоресценции. Флуоресценция часто угасает (то есть ее интенсивность ослабевает) в присутствии кислорода. Степень угасания зависит от возможности столкновения молекул кислорода с флуоресцирующими молекулами в их возбужденном состоянии, и та энергия, которая излучалась в виде флуоресценции, передается молекуле кислорода. Затухание, как флуоресценции, так и фосфоресценции, в первом приближении подчиняется экспоненциальному закону:

;                                                  (2)
де  и  – интенсивность свечения в начальный момент и через некоторое время  соответственно; – среднее время жизни излучающей молекулы. [9]

Согласно этому методу концентрацию молекулярного кислорода определяют по интенсивности люминесценции. Квантовый выход люминесценции и высокая чувствительность современной светореагирующей аппаратуры позволяют наблюдать за процессом достаточно долго. Способность фосфорировать обнаружена у большинства органических соединений. Взаимодействие возбужденных молекул кислорода с такими веществами снижает концентрацию возбужденных молекул кислорода и приводит к тушению фосфоресценции, т.е. интенсивность фосфоресценции является функцией концентрации возбужденных молекул кислорода.

Анимация принципа работы датчика измерения концентрации растворенного кислорода (количество кадров 
Рисунок 1 – Анимация принципа работы датчика измерения концентрации растворенного кислорода (количество кадров – 3, объем – 48 КВ, количество циклов повторения – 10, задержка между кадрами – 1 с)

Импульс света, посылаемый  синим СИД в момент времени t=0 попадает на слой люминофора, который в последствии выпускает красное излучение. Максимальная интенсивность  () и время затухания красного излучения зависят от окружающей концентрации кислорода (время гашения определяется временем  между началом возбуждения и падением уровня красного излучения до величины  от максимальной интенсивности) [10].

Структурная схема проэктируемого прибора для измерения концентрации растворенного кислорода имеет вид:

Структурная схема прибора измерения концентрации растворенного кислорода

Рисунок 2 – Структурная схема прибора измерения концентрации растворенного кислорода

На схеме обозначено:

УОП – устройство отбора проб;

УПП –  устройство подготовки проб;

ФП – фотоприемник;

ГМ – генератор меток;

ИП – источник питания;

ГПИ –  генератор прямоугольных импульсов;

НП – нормирующий преобразователь;

УПИ  – устройство передачи инфомации;

УГ – управление интегратором;

К – компаратор;

ЭК – электрический ключ;

Взаимодействие с рассматриваемой средой выполняется в измерительной кювете. Туда, с помощью системы отбора и подготовки проб, подается анализируемое среда (естественная загрязненная вода). Датчик измерения растворенного кислорода погружают непосредственно в измерительную кювету, в которой люминофор взаимодействует с молекулами кислорода. Необходимо измерить преобразования, получив в результате концентрацию кислорода. 

Для этой цели структурной схемы добавляется нормирующий преобразователь, который подает сигнал на компаратор. С помощью генератора меток заполняется счетчик за время .  После окончания подсчета числа импульсов счетчика, которые получает фотоприемник, с выхода АЦП, кодовые комбинации поступают в микропроцессор, где вычисляется значение концентрации кислорода, и освобождает память для последующих измерений. Время выпуска люминесценции составляет доли микросекунд. При этом изменяется длительность импульса путем заполнения метками времени. Нужно, чтобы частота следования меток времени для обеспечения погрешности измерения при С=1% была V=2ГГц.  Для этого нужны СВЧ – элементы.  Принимается другой метод измерения длительности этих импульсов – нужно измерять длительность не одного импульса, а  N=4096. Импульсы должны поступать на интегратор, после подсчета числа импульсов получаем прямой ход интегратора Tпрх. Время обратного хода к нулю зависит от концентрации кислорода.

При этом концентрация превращается в часовой итервал Tобх. Двенадцатиразрядный счетчик подсчитывает импульсы и после подсчета N=4096, счетчик сбрасывается. Обратный ход осуществляется с помощью компаратора–переход через ноль. Используется генератор прямоугольных импульсов с кварцевой стабилизацией частоты. То есть измерение концентрации  кислорода сводится к чисто физическому измерению времени. 

Отзыв сенсора постоянно регулируется с помощью красного СВД, вмонтированного в датчик. Перед каждым измерением он выпускает луч света с известными характеристиками, который отражается от люминофора и попадает в оптическую систему. Благодаря этому, без задержки происходит определение и компенсация любых изменений измерительной системы.

Выводы

При дальнейшей разработке данного прибора планируется:

– выбрать нужную микропроцессорную систему;

– учесть  дестабилизирующие факторы для оценки действительных метрологических параметров и характеристик.

– разработать  алгоритмическое и программное обеспечение функционирования измерительного прибора.

В алгоритме обеспечения функционирования предусмотреть методы и средства повышения надежности метрологического средства измерения: периодическое устранения систематической и мультипликативной погрешности  [10].

Список литературы

  1. Муравйов А.Г. Керівництво з визначення показників якості води польовими методами. 2 – е вид., Перераб. і доповн. СПб.:Крісмас 1999. – 232с.
  2. Степанюк І.А. Океанологічні вимірювальні перетворювачі / І.А. Степанюк – Л.: Гідрометеовидавн, 1986. – 269 с.
  3. Компания Teleyne Analytical Instruments [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.teledyne-ai.com/
  4. Компания «Аквилон» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.akvilon.su/ru/
  5. Предприятие ФГУП СПО «Аналитприбор».  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.analitpribor-smolensk.ru/?idc=1
  6. ООО «ЛабСтар» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.labstar.ru/
  7. Оптические датчики кислорода [Электронныйресурс]. – Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/...
  8. Промышленный оксиметр LDO [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eurolab.ru/promyshlennyy_oksimetr_ldo
  9. Методы определения концентрации растворённого кислорода в воде [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://xreferat.ru/......
  10. LDO – люминесцентный метод измерения растворенного кислорода в воде, оптический датчик кислорода [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ecoinstrument.com.ua/....

Примечание: при написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.