Быдаш Анастасия Романовна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра электронной техники

Специальность Приборостроение

Исследование и разработка электронной системы для измерения растворенного кислорода в водоеме

Научный руководитель: к.т.н., доц. Винниченко Николай Григорьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА РАЗРАБОТКУ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
• 2.АНАЛИЗ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫБРАННЫХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ
• 2.1. Общие сведения о существующих методах измерения растворенного кислорода в воде
• 2.1.1 Титриметрический метод измерения
• 2.1.2 Иодометрический метод измерения
• 2.1.3 Пирофосфатный метод измерения
• 2.1.4 Фотометрический метод измерения
• 2.1.5 Люминисцентный метод измерения
• 2.2 Устройства для измерения растворенного кислорода в воде
• 2.2.1 Милливольтметр pH-420
• 2.2.2 Милливольтметр pH-150М
• 2.2.3 Датчик растворенного кислорода LDO sc
• 3. ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЛЮМИНИСЦЕНТНОГО КИСЛОРОДОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
• 4. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
• 4.1 Функции процессорной системы
• 4.2 Выбор микроконтроллера
• 4.3 Выбор среды проектирования
• 4.4 Разработка программы
• 4.5 Моделирование работы схемы и программы
• ВЫВОД
• СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

С учетом возникшего дефицита рыбы, для Донбасса актуален путь улучшения существующей рыбной промышленности. Один из самых первых критериев с которым встречаются рабочие, это определение растворенного кислорода в искусственных водоемах для нормальной жизнедеятельности рыб. В свою очередь точность определения растворенного кислорода на прямую зависит от используемого прибора.

Датчики для определения растворенного кислорода работают в сложных условиях. Так как любое загрязнение сказывается на точности измерений и несет за собой такие последствия как замор рыб, или перенасыщения их газами, что тоже приводит к летальному исходу.Проводя контроль в необходимый период, возможно исключить критическое состояние здоровья рыб, что даст возможность избежать их массовую гибель.

Люминесцентный метод для определения растворенного кислорода в воде, наиболее практичен как по качеству производимых измерений, так и в отношении его обслуживания. Он дает возможность сократить как период контроля,так и время взятия образца, что в свою очередность может стать определяющим фактором для быстрого решения возникшей проблемы.

На основании вышеизложенного поставлена задача проанализировать существующие методы для измерения количества растворенного кислорода в водоёме, и описать оптимальный вариант получения кислородочувтсвительного элемента для метода при котором будет достигнут наилучший результат измерения. А также разработать программу для микропроцессорной системы,для которой при разных значениях счетчика будет вывод в терминал.

1. ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА РАЗРАБОТКУ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Широкоиспользуемые на сегодняшний день датчики растворенного кислорода основанны на электрохимических методах измерения имеют ряд недостатков. Таких как: деградация анода и расход электролита в результате того, что для каждой восстановленной на катоде молекулы имеет место соответствующая окислительная реакция на аноде, а это является причиной дрейфа показаний и занижения результатов. Такие погрешности можно удерживать в определенных пределах путем регулярной калибровки датчика и замены электролита. За основу, взят оптический метод контроля содержания кислорода в воде, усовершенствованный за счет измерения концентрации кислорода при помощи не только длительности времени, за которое происходил процесс флуоресценции как его аналоги, а также за счет интенсивности с которой она происходила. Усовершенствованный оптический датчик позволит еще точнее определять концентрацию кислорода в воде. Таких как высокая чувствительность к низким концентрациям кислорода, отсутствие необходимости в калибровке, отсутствие к потоку и устойчивость к загрязнениям.

Проанализировав устройства, основанные на различных методах измерения, можно сделать выводы, что более всего пригодны для измерения растворенного кислорода в водоемах устройства, которые в своей основе имеют люминесцентный метод. Но, существующие приборы имеют ошибки измерения. Усовершенствование за счет измерения концентрации кислорода при помощи не только длительности времени, а также за счет интенсивности с которой происходила флуоресценция, позволит значительно увеличить точность измерений данного прибора

2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ. ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫБРАННЫХ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

2.1. Общие сведения о существующих методах измерения растворенного кислорода в воде

2.1.1 Титриметрический метод измерения

Среди всех методов по определению растворенного кислорода в воде, одним из первых является метод титрировaния по Винклеру. Хоть этот метод и считается одним из старейших методов, однако до сих пор он не потерял свою актуальность. Суть этого метода состоит в том, что взятый образец воды проходит обработку гидроксидом калия, йодидом калия, и сульфатом марганца с образованием гидроксида марганца.

Кислород находящийся в воде, реагирует с Mn(II), преобразуя его в Mn(III). Неустойчивый Mn(III) затем реагирует с другой молекулой кислорода и его валентность становится равной (IV). Для того, чтобы зафиксировать реакции в раствор, добавляют серную или соляную кислоту, что в свою очередь переводит осадок в сульфат марганца, при этом действует на йод как окисляющее. Полученный йод далее определяется титрированием фениларсиноксида с крахмалом, в качестве индикатора.

При использовании данного способа в естественных водах, было установлено что он имеет многочисленные помехи. Ниже рассмотрим какие трудности, могут возникать при проведении анализа методом титрирования при синхронном наличии в воде часто встречающихся примесей.

Двух и трехвалентные иоды железа: Соединения двухвалентного железа на начальной стадии крепления кислорода могут выполнять роль конкурентов по отношению к марганцу. После полученной реакции с кислородом, получается гидроксид Fe(III), его кинетика с иодидом в кислой среде замедлена. Таким образом, если концентрация железа будет превышать 25мг/л, использование метода титрирования будет приводить к занижению результатов определений. Чтобы устранить данную проблему, было предложено элиминировать воздействие Fe(III), добавив фторид, или фосфорную кислоту при подкислении пробы. Полученный комплекс никак не предоставляет железу возможность взаимодействовать с ионами иодида. Однако этот способ не дает элиминировать влияние Fe(II)

Ионы нитрита: Как правило наличие нитритов в воде обуславливается микробиологическим трансформированием аммония в нитрат. Нитриты в кислой среде могут окислять иодид ионы, что будет приводить к завышению результатов определений. Однако, если концентрация в воде не будет превышать 0.05—0.1 мг/л, стоит применять прямой метод титрирования.

2.1.2 Иодометрический метод измерения

Иодометрический метод применим для всех типов вод, свободных от мешающих веществ и содержащих растворенный кислород в концентрации более чем 0,2 мг/л вплоть до двойного насыщения кислородом (приблизительно 20 мг/л). Легко окисляемые органические вещества, такие как танины, гуминовые кислоты и лигнины, оказывают мешающие влияния. Окисляемые соединения серы, такие как сульфиды и тиомочевинна, также оказывают мешающее влияние. В присутствии этих веществ предпочтительно использовать метод электрохимического датчика по ИСО 5814. Нитриты в концентрации до 15 мг/л не оказывают мешающего воздействия при определении, потому что их связывают добавлением азида натрия в ходе анализа. В присутствии окисляющих или восстанавливающих веществ необходимо применять модифицированные методы. В присутствии взвешенных веществ, способных фиксировать или поглощать иод, можно использовать модифицированный метод, описанный ниже.

Сущность метода заключается в реакции растворенного в воде кислорода пробы со свежеосажденной гидроокисью Mn(II), которая образуется при добавлении гидроксида натрия или калия к сульфату марганца. Подкисление и окисление иодида соединением марганца более высокой валентности приводит к выделению иода в эквивалентных кислороду количествах. Выделенный иод определяют титрованием тиосульфатом натрия.

2.1.3 Пирофосфатный метод измерения

В предлагаемом методе использована та же реакция окисления Mn(II) растворенным кислородом до Mn(III) в щелочной среде, которая послужила основой для метода Винклера. Однако вследствие присутствия в растворе пирофосфата натрия выпавший осадок растворяется, поскольку пирофосфатные комплексы Mn(II) и Mn(III) растворимы в воде. Комплекс Мn (III) имеет яркую красно—фиолетовую окраску. Его концентрацию определяют титрованием раствором восстановителя в кислой среде, добавляя к концу титрования индикатор — дифениламин или N—фенилантраниловую кислоту.

Главным преимуществом этого метода является то, что он может быть использован в присутствии многих веществ, реагирующих с иодом или иодид-ионами, в частности — в присутствии нитритов, и тем мешающих определению кислорода по Винклеру. Если проба содержит «активный хлор», его надо определить и найденное количество в пересчете на кислород вычесть из результата определения кислорода.

2.1.4 Фотометрический метод измерения

Фотометрические методы определения концентрации молекулярного кислорода в видимой области спектра основаны на реакциях окисления органических и неорганических веществ. Из органических веществ, которые взаимодействуют с кислородом и применяются для его фотометрического определения, используют следующие окислительно—восстановительные индикаторы: индигокармин в лейкоформе, антрахинон—а—сульфокислоту, сафранин Т, метиленовый голубой.

Концентрацию кислорода определяют с помощью индигокармина, представляющего собой мелкокристаллический порошок, раствор которого в воде окрашен в интенсивный синий цвет. При восстановлении индигокармина образуется бледно—желтое лейкооснование, которое при взаимодействии с кислородом окисляется до индигокармина, и раствор окрашивается снова в синий цвет. Отбирают измеренный объем восстановленного индигокармина,смешивают с пробой и помещают в кювету спектрофотометра. Измеряют оптическую плотность и по градировочному графику находят концентрацию молекулярного кислорода в пробе.

Основные недостатки окислительно-восстановительных индикаторов — небольшая чувствительность (0,1 мг/л), неустойчивость аналитических форм и не всегда достаточная избирательность. Пирогаллол, пирокатехин, 2,4 — диаминофенол и другие ароматические окси— и диоксисоединения взаимодействуют с кислородом с образованием окрашенных продуктов реакции. Определение концентрации молекулярного кислорода с раствором пирогаллола основано на способности кислорода окрашивать щелочной раствор пирогаллола. Окраску раствора сравнивают с раствором йода определенной концентрации. Минимальная концентрация кислорода, которую определяют с помощью пирогаллола, составляет 0,01 мг/л.

Фотометрический метод, основанный на окислении иона одновалентной меди в ион двухвалентной меди кислородом, содержащимся в пробе, рекомендован для определения концентрации молекулярного кислорода при аттестации поверочных растворов. Ион двухвалентной меди образует с аммиаком комплексное соединение, окрашенное в синий цвет. Интенсивность полученной окраски сравнивают с окраской стандартных растворов,содержащих аммиак и различные известные концентрации иона двухвалентной меди. Относительная погрешность определения концентрации молекулярного кислорода не превышает ±5–10%.

Фотометрические методы определения концентрации молекулярного кислорода смесях имеют следующие преимущества: высокую чувствительность и избирательность; возможность создания универсальных конструкций анализаторов с несколькими индикаторными растворами для одновременного определения ряда микропримесей. Недостатки фотометрического метода определения концентрации молекулярного кислорода — громоздкость аппаратурного оформления и невысокая надежность.

2.1.5 Люминисцентный метод измерения

Сущность люминесцентного метода заключается в следующем. Энергия, приобретаемая 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 (т.е. 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 бы излучалась в виде флуоресценции, передается молекуле кислорода. Концентрацию кислорода определяют при смешивании пробы, с раствором флуоресцирующего вещества, подверженного возбуждающему излучению, а также измерением интенсивности флуоресценции. Однако помимо практических трудностей такой способ отличается большой инерционностью.Чувствительность определения концентрации молекулярного кислорода увеличивается при сочетании кинетического метода анализа (метод анализа состава, в котором используется зависимость между скоростью реакции и концентрацией реагирующих веществ) и люминесцентного.

Такое сочетание методов анализа получило название люминесцентно-кинетического. Согласно этому методу концентрацию молекулярного кислорода определяют по интенсивности люминесценции. Большой квантовый выход люминесценции и высокая чувствительность современной светорегистрирующей аппаратуры позволяют наблюдать за процессом достаточно долго. Способность фосфоресцировать обнаружена у большинства органических соединений. Взаимодействие возбужденных молекул кислорода с такими веществами уменьшает концентрацию возбужденных молекул кислорода и приводит к тушению наблюдаемой фосфоресценции, т.е. интенсивность фосфоресценции является функцией концентрации возбужденных молекул кислорода.

2.2.Устройства для измерения растворенного кислорода в воде

2.2.1 Милливольтметр pH-420

Является портативным прибором с сетевым и автономным питанием и предназначен для измерения pH, ЭДС (Eh) и температуры исследуемых сред. Отображение значений измеряемой величины (pH, мВ, °С) производится в цифровой форме на жидкокристаллическом дисплее. Он может решать простые одноуровневые задачи автоматизации без значительных затрат и без подключения дополнительных модулей. Имеет независимый разъем для подключения датчика, значения которого отображаются на экране

1.2.2 Милливольтметр pH-150М

Предназначен для оперативного измерения активности ионов водорода (pH), окислительно—восстановительных потенциалов (Eh), ЭДС электродной системы и температуры технологических растворов, природных и сточных вод. У прибора удобная и быстрая калибровка. Применяются в лабораториях промышленных предприятий и научно-исследовательских учреждений в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в лабораториях предприятий хлебопекарной и мясной промышленности, а также в полевых условиях.

1.2.3 Датчик растворенного кислорода LDO sc

В основе принципа работы датчика LDO лежит оптическая технология. Уникальность этого метода состоит в том, что крышка сенсора со слоем люминофора заменяет электролит, электроды и газопроницаемую мембрану традиционных электрохимических ячеек. Калибровка датчика делается на заводе под конкретную крышку с прочным и стабильным покрытием, так что последующая перекалибровка не требуется. В отличие от электрохимических датчиков, при оптическом измерении не происходит поглощения растворенного кислорода и потому LDO не чувствителен к загрязнениям, а скорость потока не оказывает влияние на результаты измерений. У датчика Hach—Lange LDO абсолютная невосприимчивость к таким растворенным газам как H2S или CO2, которые способны отравить и даже вывести из строя традиционные полярографический кислородные датчики. Сразу же после включения датчик готов к проведению измерений, потому как не требует времени для поляризации.

3. ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЛЮМИНИСЦЕНТНОГО КИСЛОРОДОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

Процесс получения такой пленки т.е. процесс получения люминесцентного кислородочувствительного элемента имеет два этапа:

1) Получение пористой матрицы;

2) Иммобилизация индикатора в матрицу.

Бывают случаи, когда эти процессы объединяют. Каждый из этапов процесса влияет на свойства чувствительного элемента в целом. Матрицами чувствительного элемента, в которые адсорбируется люминесцентный индикатор, могут быть или тонкие пленки (при зольгельных и зольных процессах), либо объемно—пористые элементы. На данный момент наиболее перспективным направлением в развитии люминесцентных чувствительных элементов сенсоров кислорода, является использование зольгельных технологий. По сравнению с уже существующими технологиями, полученная матрица при помощи зольгельной технологии обладает целым рядом преимуществ. Таким как: большой площадью поверхности, заданной шероховатостью, высокой химической, фотохимической и температурной стабильностью.

Возможность использования зольгельного процесса синтеза при нормальных(низких) температурах, позволяет создать благоприятные условия для иммобилизации органических молекул в неорганической стеклянной структуре. Также при помощи зольгельного процесса, облегчает получение заданных свойств покрытия, которые определяют критические параметры сенсора — чувствительность и время отклика. Не самой последней из особенностей зольгельной технологии, является возможность минютиаризации чувствительного элемента сенсора вплоть до микроразмеров. Этот процесс может быть использован при создании пленок толщиной до 0.2 мкм, обеспечивающих малые времена отклика сенсора. Одним из самых больших преимуществ данной технологии изготовления пленки, является ее способность минютиаризации чувствительного элемента сенсора до микроразмеров. Важной характеристикой кислородочувствительного элемента, является его свойство стабильно переносить процесс эксплуатации и хранения.

Однако именно способность люминесцентных сенсоров сохранять метрологические характеристики чувствительного элемента, при длительном хранении и эксплуатации, помогло им стать популярными и составить конкуренцию, до этого широко используемым электрохимическим детекторам. Особенность расположения чувствительного элемента относительно фотоприемника и источника возбуждения, имеет не менее важную роль, чем выбор технологии и метода для проведения анализа. В какой—то степени, это определяет выбор метода и схемы регистрации тушения флуорисценции. Выбор схемы зависит от сенсора и от условий его эксплуатации. Чаще всего, сигнал при котором происходит измерение флуорисценции регистрируется в проходящем и отраженном свете, под углом 90 градусов к возбуждающему излучению.

В настоящее время можно выделить следующие основные направления развития люминесцентных сенсоров:

• синтез новых стабильных индикаторов, имеющих высокие квантовые выходы;

• создание ЧЭ со слабозависимыми (в идеале — независимыми) от температуры параметрами;

• получение ЧЭ, обладающих гидрофобными свойствами;

• создание материалов со стабильными характеристиками люминесценции, не зависящими от влияния окружающей среды, которые могут быть использованы для получения опорных элементов;

• разработка новых методик устойчивого внедрения индикаторов в матрицу в целях повышения временной стабильности сенсора;

• введение компонентов, повышающих чувствительность и время отклика сенсора в рабочем диапазоне концентраций кислорода;

• создание высокоселективных ЧЭ.

Кроме того, перспективным является разработка линеек ЧЭ. Такие сенсоры могут быть созданы с использованием:

• люминесцирующих индикаторов с различными свойствами для разных аналитов, иммобилизованных в одну матрицу;

• покрытий с различной проницаемостью для разных аналитов;

• набора селективных сенсоров (сенсорная линейка) на основе современных микротехнологий.

Направление создания люминесцентных сенсоров кислорода, несомненно, является перспективным, так как при всех сопутствующих проблемах отражает тенденцию развития современного приборостроения, направленного на создание микросенсоров и сенсорных мультисистем на основе передовых наукоемких технологий.

4. РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ

4.1 Функции процессорной системы

Использование микропроцессорной системы в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (надежность, потребляемая мощность, габаритные размеры), но и позволяет сократить время разработки устройств и делает их модифицированными, адаптивными, а также позволяет уменьшить их стоимость. Использование микроконтроллера в системах управления обеспечивает достижение высоких показаний эффективности и низкой стоимости.

Микроконтроллер служит для того, чтобы на основе информации датчиков делать расчет концентрации кислорода в данном образце, передавать вычисленные данные на ПК, а также выводить полученные значения на устройстве отображения.

4.2 Выбор микроконтроллера

Для сокращения времени, стоимости разработки, и повышения уровня унификации решено использовать плату Arduino. Для нее существует множество удобных и проверенных библиотек, что делает программный код более структурированным и надежным. На данный момент Arduino самый надежный и удобный способ моделирования на микроконтроллерах. Arduino Uno — это устройство на основе микроконтроллера ATmega328 (datasheet). В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ—выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC—адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB—кабеля. В отличие от всех предыдущих плат Ардуино, Uno в качестве преобразователя интерфейсов USB—UART использует микроконтроллер ATmega16U2 вместо микросхемы FTDI.

Arduino Uno может быть запитан от USB либо от внешнего источника питания — тип источника выбирается автоматически. Arduino Uno предоставляет ряд возможностей для осуществления связи с компьютером, еще одним Ардуино или другими микроконтроллерами. Чтобы каждый раз перед загрузкой программы не требовалось нажимать кнопку сброса, Arduino Uno спроектирован таким образом, который позволяет осуществлять его сброс программно с подключенного компьютера.

4.3 Выбор среды проектирования

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста(консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino. Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста(консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Позволяют работать с несколькими файлами скетчей (каждый открывается в отдельной закладке)

4.4 Разработка программы

Для реализации аппроксимирующего полинома,требуется разработать процессорное устройство в среде Arduino, по которому будет вычисляться концентрация кислорода. Разработанная программа приведена ниже: