Бидаш Анастасія Романівна

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра електронної техніки

Спеціальність Приладобудування

Дослідження і розробка електронної системи для вимірювання розчиненного кисню у водоймі

Науковий керівник: к.т.н., доц. Винниченко Микола Григорович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• ВСТУП
• 1. ПЕРЕДБАЧУВАНА НАУКОВА НОВІЗНА.ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ НА РОЗРОБКУ ЗАСОБА ВИМІРЮВАННЯ
• 2.АНАЛІЗ ОБ'ЄКТА КОНТРОЛЮ. ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ОБРАНИХ КОНТРОЛЬОВАНИХ ПАРАМЕТРІВ
• 2.1. Загальні відомості про існуючі методи вимірювання розчиненого кисню у воді
• 2.1.1 Титриметричний метод вимірювання
• 2.1.2 Іодометрічний метод вимірювання
• 2.1.3 Пірофосфатний метод вимірювання
• 2.1.4 Фотометричний метод вимірювання
• 2.1.5 Люмінісцентний метод вимірювання
• 2.2 Пристрої для вимірювання розчиненого кисню у воді
• 2.2.1 Мілівольтметр pH-420
• 2.2.2 Мілівольтметр pH-150М
• 2.2.3 Датчик розчиненого кисню LDO sc
• 3. ПРОЦЕС ОТРИМАННЯ ЛЮМІНІСЦЕНТНОГО КИСНЮЧУТЛИВОГО ЕЛЕМЕНТА
• 4. РОЗРОБКА МІКРОПРОЦЕССОРНОЇ СИСТЕМИ
• 4.1 Функції процесорної системи
• 4.2 Вибір мікроконтролера
• 4.3 Вибір середовища проектування
• 4.4 Розробка програми
• 4.5 Моделювання роботи схеми і програми
• ВИСНОВОК
• ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ВСТУП

З урахуванням виниклого дефіциту риби, для Донбасу актуальний шлях поліпшення існуючої рибної промисловості. Один з найперших критеріїв з яким зустрічаються робітники, це визначення розчиненого кисню в штучних водоймах для нормальної життєдіяльності риб. У свою чергу точність визначення розчиненого кисню на пряму залежить від використовуваного приладу.

Датчики для визначення розчиненого кисню працюють в складних умовах. Так як будь-яке забруднення позначається на точності вимірювань і несе за собою такі наслідки як замор риб, або перенасичення їх газами, що теж призводить до летального ісходу.Проводя контроль в необхідний період, можливо виключити критичний стан здоров'я риб, що дасть можливість уникнути їх масову загибель.

Люмінесцентний метод для визначення розчиненого кисню у воді, найбільш практичний як за якістю вироблених вимірювань, так і по відношенню до його обслуговування. Він дає можливість скоротити як період контролю, так і час взяття зразка, що в свою чергу може стати визначальним фактором для швидкого вирішення виниклої проблеми.

На підставі вищевикладеного поставлена ??задача проаналізувати існуючі методи для вимірювання кількості розчиненого кисню у водоймі, і описати оптимальний варіант отримання кіслородочувтсвітельного елемента для методу при якому буде досягнутий найкращий результат вимірювання. А також розробити програму для мікропроцесорної системи, для якої при різних значеннях лічильника буде висновок в термінал.

1. ПЕРЕДБАЧУВАНА НАУКОВА НОВІЗНА.ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ НА РОЗРОБКУ ЗАСОБА ВИМІРЮВАННЯ

Широковживаних на сьогоднішній день датчики розчиненого кисню основані на електрохімічних методах вимірювання мають ряд недоліків. Таких як: деградація анода і витрата електроліту в результаті того, що для кожної відновленої на катоді молекули має місце відповідна окислювальна реакція на аноді, а це є причиною дрейфу показів і заниження результатів. Такі похибки можна утримувати в певних межах шляхом регулярної калібрування датчика і заміни електроліту. За основу, взято оптичний метод контролю вмісту кисню в воді, вдосконалений за рахунок вимірювання концентрації кисню за допомогою не тільки тривалості часу, протягом якого відбувався процес флуоресценції як його аналоги, а також за рахунок інтенсивності з якою вона відбувалася. Вдосконалений оптичний датчик дозволить ще точніше визначати концентрацію кисню в воді. Таких як висока чутливість до низьких концентрацій кисню, відсутність необхідності в калібрування, відсутність до потоку і стійкість до забруднень.

Проаналізувавши пристрої, засновані на різних методах вимірювання, можна зробити висновки, що найбільше придатні для вимірювання розчиненого кисню в водоймах пристрої, які в своїй основі мають люмінесцентний метод. Але, існуючі прилади мають помилки вимірювання. Удосконалення за рахунок вимірювання концентрації кисню за допомогою не тільки тривалості часу, а також за рахунок інтенсивності з якою відбувалася флуоресценція, дозволить значно збільшити точність вимірювань даного приладу.

2. АНАЛІЗ ОБ'ЄКТА КОНТРОЛЮ. ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ОБРАНИХ КОНТРОЛЬОВАНИХ ПАРАМЕТРІВ

2.1. Загальні відомості про існуючі методи вимірювання розчиненого кисню у воді

2.1.1 Титриметричний метод вимірювання

Серед усіх методів по визначенню розчиненого кисню у воді, одним з перших є метод тітріровaнія по Вінклер. Хоч цей метод і вважається одним з найстаріших методів, проте до цих пір він не втратив свою актуальність. Суть цього методу полягає в тому, що взятий зразок води проходить обробку гідроксидом калію, йодидом калію, і сульфатом марганцю з утворенням гідроксиду марганцю.

Кисень знаходиться в воді, реагує з Mn (II), перетворюючи його в Mn (III). Нестійкий Mn (III) потім реагує з іншою молекулою кисню і його валентність стає рівною (IV). Для того, щоб зафіксувати реакції в розчин, додають сірчану або соляну кислоту, що в свою чергу переводить осад в сульфат марганцю, при цьому діє на йод як окисляє. Отриманий йод далі визначається тітрірованіе феніларсіноксіда з крохмалем, як індикатор.

При використанні даного способу в природних водах, було встановлено що він має численні перешкоди. Нижче розглянемо які труднощі, можуть виникати при проведенні аналізу методом титрування при синхронному наявності у воді часто зустрічаються домішок.

Двох і тривалентні іоди заліза: З'єднання двовалентного заліза на початковій стадії кріплення кисню можуть виконувати роль конкурентів по відношенню до марганцю. Після отриманої реакції з киснем, виходить гідроксид Fe (III), його кінетика з йодидом в кислому середовищі сповільнена. Таким чином, якщо концентрація заліза буде перевищувати 25мг / л, використання методу титрування буде приводити до заниження результатів визначень. Щоб усунути цю проблему, було запропоновано елімінувати вплив Fe (III), додавши фторид, або фосфорну кислоту при підкисленні проби. Отриманий комплекс ніяк не надає залозу можливість взаємодіяти з іонами йодиду. Однак цей спосіб не дає елімінувати вплив Fe (II)

Іони нітриту: Як правило наявність нітритів у воді обумовлюється мікробіологічними трансформацією амонію в нітрат. Нітрити в кислому середовищі можуть окисляти йодид іони, що буде призводити до завищення результатів визначень. Однак, якщо концентрація у воді не буде перевищувати 0.05—0.1 мг/л, варто застосовувати прямий метод титрування

2.1.2 Іодометрічний метод вимірювання

Іодометріческій метод можна застосовувати для всіх типів вод, вільних від заважають речовин і містять розчинений кисень в концентрації більше ніж 0,2 мг / л аж до подвійного насичення киснем (приблизно 20 мг / л). Легко окислюються органічні речовини, такі як таніни, гумінові кислоти і лігніни, надають заважають впливу. Окислюються сполуки сірки, такі як сульфіди і тіосечовина, також надають заважає вплив. У присутності цих речовин переважно використовувати метод електрохімічного датчика по ІСО 5814. Нітрити в концентрації до 15 мг / л не роблять заважає, при визначенні, тому що їх пов'язують додаванням азиду натрію в ході аналізу. У присутності окислюють або відновлюють речовин необхідно застосовувати модифіковані методи. У присутності зважених речовин, здатних фіксувати або поглинати йод, можна використовувати модифікований метод, описаний нижче.

Суть методу полягає в реакції розчиненого у воді кисню проби зі свежеосажденной гидроокисью Mn (II), яка утворюється при додаванні гідроксиду натрію або калію до сульфату марганцю. Підкислення і окислення йодиду з'єднанням марганцю більш високою валентності призводить до виділення йоду в еквівалентних кисню кількостях. Виділений йод визначають титруванням тиосульфатом натрію.

2.1.3 Пірофосфатний метод вимірювання

У пропонованому методі використана та ж реакція окислення Mn (II) розчиненим киснем до Mn (III) в лужному середовищі, яка послужила основою для методу Вінклера. Однак внаслідок присутності в розчині пірофосфату натрію випав осад розчиняється, оскільки пірофосфатних комплекси Mn (II) і Mn (III) розчинні у воді. Комплекс Мn (III) має яскраву червоно— фіолетове забарвлення. Його концентрацію визначають титруванням розчином відновника в кислому середовищі, додаючи до кінця титрування індикатор — дифениламин або N— фенілантранілова кислоту.

Головною перевагою цього методу є те, що він може бути використаний в присутності багатьох речовин, що реагують з йодом або йодид-іонами, зокрема в присутності нітритів, і тим заважають визначенню кисню по Вінклер. Якщо проба містить «активний хлор», його треба визначити і знайдене кількість в перерахунку на кисень відняти від результату визначення кисню.

Фотометричний метод вимірювання

Фотометричні методи визначення концентрації молекулярного кисню в видимій ділянці спектра засновані на реакціях окислення органічних і неорганічних речовин. З органічних речовин, які взаємодіють з киснем і застосовуються для його фотометричного визначення, використовують такі окислювально-відновні індикатори: індигокармін в лейкоформе, Антрахінон-сульфокислоту, сафранін Т, метиленовий блакитний.

Концентрацію кисню визначають за допомогою индигокармина, що представляє собою дрібнокристалічний порошок, розчин якого в воді забарвлений в інтенсивний синій колір. При відновленні индигокармина утворюється блідо-жовте лейкооснованіе, яке при взаємодії з киснем окислюється до индигокармина, і розчин забарвлюється знову в синій колір. Відбирають виміряний обсяг відновленого индигокармина, змішують з пробою і поміщають в кювету спектрофотометра. Вимірюють оптичну щільність і по градіровочному графіку знаходять концентрацію молекулярного кисню в пробі.

Основні недоліки окисно-відновних індікаторовнебольшая чутливість (0,1 мг / л), нестійкість аналітичних форм і не завжди достатня вибірковість. Пирогаллол, пирокатехин, 2,4 діамінофенол і інші ароматичні оксіі діоксісоедіненія взаємодіють з киснем з утворенням забарвлених продуктів реакції. Визначення концентрації молекулярного кисню з розчином пирогаллола засноване на здатності кисню фарбувати лужний розчин пирогаллола. Забарвлення розчину порівнюють з розчином йоду певної концентрації. Мінімальна концентрація кисню, яку визначають за допомогою пирогаллола, становить 0,01 мг / л.

Фотометричний метод, заснований на окисленні іона одновалентних міді в іон двухвалентной міді киснем, що містяться в пробі, рекомендований для визначення концентрації молекулярного кисню при атестації повірочних розчинів. Іон двухвалентной міді утворює з аміаком комплексне з'єднання, забарвлене в синій колір. Інтенсивність отриманої забарвлення порівнюють із забарвленням стандартних розчинів, що містять аміак і різні відомі концентрації іона двухвалентной міді. Відносна похибка визначення концентрації молекулярного кисню не перевищує ± 5-10%.

Фотометричні методи визначення концентрації молекулярного кисню сумішах мають наступні переваги: високу чутливість і вибірковість; можливість створення універсальних конструкцій аналізаторів з декількома індикаторними розчинами для одночасного визначення ряду мікродомішок. Недоліки фотометричного методу визначення концентрації молекулярного кисню громіздкість апаратурного оформлення і невисока надійність.

2.1.5 Люмінісцентний метод вимірювання

Сутність люмінесцентного методу полягає в наступному. Енергія, що купується речовиною, коли воно поглинає електромагнітне випромінювання, зазвичай перетворюється в тепло, але в деяких випадках велика частина енергії може назад випромінюватися у вигляді флуоресценції або фосфоресценції. Флуоресценція часто згасає (тобто її інтенсивність слабшає) в присутності кисню. Ступінь згасання залежить від можливості зіткнення молекул кисню з флуоресціюючими молекулами в їх збудженому стані, і та енергія, яка б випромінювалася у вигляді флуоресценції, передається молекулі кисню. Концентрацію кисню визначають при змішуванні проби, з розчином флуоресціюючого речовини, підданого збудливій випромінювання, а також виміром інтенсивності флуоресценції. Однак крім практичних труднощів такий спосіб відрізняється великою інерціонностью.Чувствітельность визначення концентрації молекулярного кисню збільшується при поєднанні кінетичного методу аналізу (метод аналізу складу, в якому використовується залежність між швидкістю реакції та концентрацією реагуючих речовин) і люмінесцентного.

Таке поєднання методів аналізу отримало назву люмінесцентно-кінетичного. Відповідно до цього методу концентрацію молекулярного кисню визначають за інтенсивністю люмінесценції. Великий квантовий вихід люмінесценції та висока чутливість сучасної светорегістрірующей апаратури дозволяють спостерігати за процесом досить довго. Здатність фосфоресцировать виявлена ??у більшості органічних сполук. Взаємодія порушених молекул кисню з такими речовинами зменшує концентрацію збуджених молекул кисню і призводить до гасіння спостерігається фосфоресценції, тобто інтенсивність фосфоресценції є функцією концентрації порушених молекул кисню.

2.2 Пристрої для вимірювання розчиненого кисню у воді

2.2.1 Мілівольтметр pH-420

Є портативним приладом з мережевим і автономним живленням і призначений для вимірювання pH, ЕРС (Eh) і температури досліджуваних середовищ. Відображення значень вимірюваної величини (pH, мВ, ° С) проводиться в цифровій формі на рідкокристалічному дисплеї. Він може вирішувати прості однорівневі завдання автоматизації без значних витрат і без підключення додаткових модулів. Має незалежний роз'єм для підключення датчика, значення якого відображаються на екрані.

2.2.2 Мілівольтметр pH-150М

Призначений для оперативного вимірювання активності іонів водню (pH), окислювально-відновних потенціалів (Eh), ЕРС електродної системи і температури технологічних розчинів, природних і стічних вод. У приладу зручна і швидка калібрування. Застосовуються в лабораторіях промислових підприємств і науково-дослідних установ у різних галузях народного господарства, в тому числі в лабораторіях підприємств хлібопекарської та м'ясної промисловості, а також в польових умовах.

2.2.3 Датчик розчиненого кисню LDO sc

В основі принципу роботи датчика LDO лежить оптична технологія. Унікальність цього методу полягає в тому, що кришка сенсора із шаром люмінофора замінює електроліт, електроди і газопроникних мембрану традиційних електрохімічних осередків. Калібрування датчика робиться на заводі під конкретну кришку з міцним і стабільним покриттям, так що подальша перекалібровка не потрібно. На відміну від електрохімічних датчиків, при оптичному вимірі не відбувається поглинання розчиненого кисню і тому LDO не чутливий до забруднень, а швидкість потоку не впливає на результати вимірювань. У датчика Hach-Lange LDO абсолютна несприйнятливість до таких розчиненим газам як H2S або CO2, які здатні отруїти і навіть вивести з ладу традиційні полярографический кисневі датчики. Відразу ж після включення датчик готовий до проведення вимірювань, тому що не вимагає часу для поляризації.

3. ПРОЦЕС ОТРИМАННЯ ЛЮМІНІСЦЕНТНОГО КИСНЮЧУТЛИВОГО ЕЛЕМЕНТА

Процес отримання такої плівки тобто процес отримання люмінесцентного кіслородочувствітельного елемента має два етапи:

1) Отримання пористої матриці;

2) Іммобілізація індикатора в матрицю.

Бувають випадки, коли ці процеси об'єднують. Кожен з етапів процесу впливає на властивості чутливого елемента в цілому. Матрицями чутливого елемента, в які адсорбується люмінесцентний індикатор, можуть бути або тонкі плівки (при зольгельних і зольних процесах), або об'ємно-пористі елементи. На даний момент найбільш перспективним напрямком в розвитку люмінесцентних чутливих елементів сенсорів кисню, є використання зольгельних технологій. У порівнянні з вже існуючими технологіями, отримана матриця за допомогою зольгельной технології має цілу низку переваг. Таким як: великою площею поверхні, заданої шорсткістю, високу хімічну, фотохімічної і температурною стабільністю.

Можливість використання зольгельного процесу синтезу при нормальних (низьких) температурах, дозволяє створити сприятливі умови для іммобілізації органічних молекул в неорганічної скляній структурі. Також за допомогою зольгельного процесу, полегшує отримання заданих властивостей покриття, які визначають критичні параметри сенсора - чутливість і час відгуку. Не останньою з особливостей зольгельной технології, є можливість мінютіарізаціі чутливого елемента сенсора аж до мікророзмір. Цей процес може бути використаний при створенні плівок товщиною до 0.2 мкм, що забезпечують малі часи відгуку сенсора. Одним з найбільших переваг даної технології виготовлення плівки, є її здатність мінютіарізаціі чутливого елемента сенсора до мікророзмір. Важливою характеристикою кіслородочувствітельного елемента, є його властивість стабільно переносити процес експлуатації та зберігання.

Однак саме здатність люмінесцентних сенсорів зберігати метрологічні характеристики чутливого елемента, при тривалому зберіганні і експлуатації, допомогло їм стати популярними і скласти конкуренцію, до цього широко використовуваним електрохімічним детекторів. Особливість розташування чутливого елемента щодо фотоприймача і джерела збудження, має не менш важливу роль, ніж вибір технології і методу для проведення аналізу. В якійсь мірі, це визначає вибір методу і схеми реєстрації гасіння флуорисценцией. Вибір схеми залежить від сенсора і від умов його експлуатації. Найчастіше, сигнал при якому відбувається вимір флуорисценцией реєструється в прохідному і відбитому світлі, під кутом 90 градусів до збудливій випромінювання.

В даний час можна виділити наступні основні напрямки розвитку люмінесцентних сенсорів:

• синтез нових стабільних індикаторів, що мають високі квантові виходи;

• створення ЧЕ з слабозавісімимі (в ідеалі - незалежними) від температури параметрами;

• отримання ЧЕ, що володіють гідрофобними властивостями;

• створення матеріалів зі стабільними характеристиками люмінесценції, що не залежать від впливу навколишнього середовища, які можуть бути використані для отримання опорних елементів;

• розробка нових методик сталого впровадження індикаторів в матрицю з метою підвищення тимчасової стабільності сенсора;

• введення компонентів, що підвищують чутливість і час відгуку сенсора в робочому діапазоні концентрацій кисню;

• створення високоселективних ЧЕ.

Крім того, перспективним є розробка лінійок ЧЕ. Такі сенсори можуть бути створені з використанням:

• люминесцирующих індикаторів з різними властивостями для різних аналітів, іммобілізованих в одну матрицю;

• покриттів з різною проникністю для різних аналітів;

• набору селективних сенсорів (сенсорна лінійка) на основі сучасних мікротехнологій.

Напрям створення люмінесцентних сенсорів кисню, безсумнівно, є перспективним, так як при всіх супутніх проблемах відображає тенденцію розвитку сучасного приладобудування, спрямованого на створення мікросенсорів і сенсорних мультисистем на основі передових наукомістких технологій.

4. РОЗРОБКА МІКРОПРОЦЕССОРНОЇ СИСТЕМИ

4.1 Функції процесорної системи

Використання мікропроцесорної системи у виробах не тільки приводить до підвищення техніко-економічних показників (надійність, споживана потужність, габаритні розміри), але і дозволяє скоротити час розробки пристроїв і робить їх модифікованими, адаптивними, а також дозволяє зменшити їх вартість. Використання мікроконтролера в системах управління забезпечує досягнення високих показників ефективності та низької вартості.

Микроконтроллер служить для того, щоб на основі інформації датчиків робити розрахунок концентрації кисню в даному зразку, передавати обчислені дані на ПК, а також виводити отримані значення на пристрої відображення.

4.2 Вибір мікроконтролера

Для скорочення часу, вартості розробки, і підвищення рівня уніфікації вирішено використовувати плату Arduino. Для неї існує безліч зручних і перевірених бібліотек, що робить програмний код більш структурованим і надійним. На даний момент Arduino самий надійний та зручний спосіб моделювання на мікроконтролерах. Arduino Uno - це пристрій на основі мікроконтролера ATmega328 (datasheet). У його склад входить все необхідне для зручної роботи з мікро контролером: 14 цифрових входів / виходів (з них 6 можуть використовуватися в якості ШІМ-виходів), 6 аналогових входів, кварцовий резонатор на 16 МГц, роз'єм USB, роз'єм живлення, роз'єм для внутрисхемного програмування (ICSP) і кнопка скидання. Для початку роботи з пристроєм досить просто подати живлення від AC / DC-адаптера або батарейки, або підключити його до комп'ютера за допомогою USB-кабелю. На відміну від всіх попередніх плат Ардуіно, Uno в якості перетворювача інтерфейсів USB-UART використовує мікроконтролер ATmega16U2 замість мікросхеми FTDI.

Arduino Uno може бути живиться від USB або від зовнішнього джерела живлення-тип джерела вибирається автоматично. Arduino Uno надає ряд можливостей для здійснення зв'язку з комп'ютером, ще одним Ардуіно або іншими микроконтроллерами. Щоб кожен раз перед завантаженням програми не було потрібно натискати кнопку скидання, Arduino Uno спроектований таким чином, що дозволяє здійснювати його скидання програмно з підключеного комп'ютера.

4.3 Вибір середовища проектування

Середовище розробки Arduino складається з вбудованого текстового редактора програмного коду, області повідомлень, вікна виведення тексту (консолі), панелі інструментів з кнопками часто використовуваних команд і декількох меню. Для завантаження програм і зв'язку середовище розробки підключається до апаратної частини Arduino. Програма, написана в середовищі Arduino, називається скетч. Скетч пишеться в текстовому редакторі, що має інструменти вирізки / вставки, пошуку / заміни тексту. Під час збереження і експорту проекту в області повідомлень з'являються пояснення, також можуть відображатися виникли помилки. Вікно виведення тексту (консоль) показує повідомлення Arduino, що включають повні звіти про помилки та іншу інформацію. Дозволяють працювати з декількома файлами скетчів (кожен відкривається в окремій закладці)

4.4 Розробка програми Моделювання роботи схеми и програми

Для реалізації аппроксимирующего полінома, потрібно розробити процесорний пристрій в середовищі Arduino, за яким буде обчислюватися концентрація кисню. Розроблена програма наведена нижче: