Време на неочаквани аналогии раци и сензори за проводимост
Уважаеми експерти, внимание, въпрос:
За каква инженерна задача се използват едновременно раци (да, с мустаци и нокти) и сензори за електрическа проводимост?Със сигурност някой вече е разбрал какъв е въпросът, но няма да измъчвам други читатели дълго време.
За наблюдение на качеството на водата се използват както сензори за раци, така и сензори за електропроводимост.
В продължение на много години раците работят върху пречиствателните системи на водоснабдяването на Санкт Петербург - те живеят в аквариуми на водоприемници и контролират нивото на токсичност на водите на Нева. Сензорите за проводимост се използват и за контрол на състава на водни разтвори, тъй като способността на течността да провежда ток е един от параметрите за определяне на количеството примеси.
В статията говоря за Невския рак (благодарение на уебсайта на водоснабдителната компания) и за сензорите за електропроводимост. Ние нямаме нищо общо с раците, но доставяме сензори от швейцарската фирма IST.
Раците се използват от водоснабдяването на Санкт Петербург като биосензори. Тези животни са много чувствителни към замърсяването на техните местообитания и затова се използват за контрол на качеството на водата. Принципът на работа на биомониторинга е ясно описан на сайта на ВиК:
Оптичен сензор е залепен за черупката на рак, който седи в аквариум, което позволява да се регистрира сърдечния му ритъм незабелязано от животното за дълго време. Вече обработените резултати от индикаторите за сърдечен ритъм и индекса на стреса на раците се показват непрекъснато на екрана на компютъра на мениджъра на смяната под формата на система „светофар“: червени, жълти или зелени светлинни сигнали. Нормален сърдечен ритъм на ненарушен рак (съответстващ на зелен сигнал),варира в зависимост от температурата на водата от 30 до 60 удара в минута, а индексът на стрес обикновено е близо до нула. В случай на опасност сърдечната честота се повишава рязко с поне 50%, а индексът на стрес се повишава до няколко хиляди. Когато токсичните вещества попаднат във водата, раците реагират в рамките на 1,5-2 минути (това време подлежи на обработка на данни). Пулсът им се учестява, апаратите подават аларма (червен сигнал на монитора на началник смяната), по която автоматично се вземат водни проби за последващ подробен лабораторен анализ на водата по химични и биологични методи и се уведомяват всички служби на ВиК. За щастие, през цялото време, докато раците работят във Водоканал, не е имало извънредни ситуации и специалистите от Санкт Петербургския изследователски център за екологична безопасност на Българската академия на науките, които са разработили този метод за биомониторинг на качеството на водата, получават такива „индикатори за висок стрес“ само по време на седмични профилактични тестови прегледи на раци.
В допълнение към станцията за биомониторинг, към Главния водопровод има и ферма, чиято основна задача е да отглеждат собствени раци, адаптирани към индустриалния шум и хората. Така че животните от раждането свикват с комуникацията с хората, естествените колебания в качеството на водата на Нева, шума на помпите на станцията. Раците реагират и на дразнители, които не са свързани със замърсяването на водата - например на шума от включено оборудване. За да пресекат фалшивите аларми на системата (фалшиви по отношение на токсикологичната опасност на водата), учените са създали специална аналитична станция, която измерва редица характеристики на водата - алкалност, температура, мътност, а също така е оборудвана със сензори за шум и вибрации. Ако оборудването регистрира вибрации, сигналът за опасност е включенконтролната зала няма да пристигне, тъй като сензорите фиксират момента, в който увеличаването на сърдечната честота на рака съвпада с шумовия ефект, и го прекъсват като несвързан с токсикологична опасност. Най-често срещаните раци се приемат за обслужване във Vodokanal. Това са доста добре проучени животни от гледна точка на физиологията и токсикологията. Въпреки това, за да влязат в службата на Vodokanal, раците преминават през задълбочено биохимично и физиологично здраве. Работят само мъжки на възраст 3-5 години, три дни след шест. Техният експлоатационен живот е около една година. Факт е, че според тяхната физиология раците трябва да спят зимен сън, изпадайки в състояние на „хибернация“ през този студен период и лишаването им от изобретеното от природата естествено отслабва животното. А на дежурство се допускат само здрави лица в добро функционално състояние.
В края на 2010 г. беше подобрена системата за биомониторинг на раците. Ако по-рано два раци „излязоха“ на работна смяна, сега те са шест. Модернизацията на системата за биомониторинг обаче не е само количествени промени. След стартирането на биомониторинга учените от Санкт Петербургския изследователски център за екологична безопасност на Руската академия на науките имат нови разработки. И през 2010 г. Водоканал внедри тези разработки във ВиК. Модернизацията на системата за биомониторинг включва нови алгоритми за обработка на сигнала. Всичко това заедно - по-усъвършенствана система за обработка на данни, увеличаване на броя на дежурните раци - повишава надеждността на биомониторинга, предоставя нови възможности за оперативно управление на системата за пречистване на водата.
Сред животните-биоиндикатори - не само раците. Качеството на водата също се контролира от риби и двучерупчести, докато охлювите наблюдават въздуха в района.инсталация за изгаряне на утайки от отпадъчни води.
Разбира се, биомониторингът не е заместител на класическите методи за инструментален и лабораторен контрол. Оценяването на качеството на водата е доста сложна задача, за която винаги се използва набор от непреки характеристики. Сред такива признаци са водородният индекс (pH), окисляемостта, солеността, електропроводимостта и много други показатели. По-долу ще говорим за измерване на проводимостта.
Относно сензорите
Сензорите за проводимост (те също са кондуктометри) са устройства за измерване на способността на разтвора да провежда електрически ток. Тази способност се определя от броя на йоните, съдържащи се в разтвора, а броят на йоните е един от параметрите, който се използва за определяне на количеството примеси в течността.
Принцип на действие
В разтвора се поставя двойка токови електроди, към които се прилага променливо напрежение. Йоните, съдържащи се в разтвора, започват да се движат, възниква електрически ток i.
Има две схеми за измерване на проводимостта: 2-електродна и 4-електродна. В първия случай спадът на напрежението Uout се измерва между токовите електроди, а в 4-електродната верига за измервания се използва допълнителна двойка потенциални електроди.
Падането на напрежение Uout е индикатор за проводимостта на разтвора:
Електрическата проводимост σ се определя като реципрочната стойност на съпротивлението в дадена клетка. Клетката е обем, ограничен от токови електроди, които имат площ S и са разделени един от друг на разстояние d. Стойностите на S и d се определят от геометрията на сензора, следователно те са постоянни и се изразяват чрез константата на клетката k:
k = d / S – клетъчна константа, cm-1
Така проводимостта се изчислява по формулата
σ = k / R или σ = (k * i) / Uout, където променливата е напрежението Uout.
Проводимостта се определя както от концентрацията на йони, съдържащи се в разтвора, така и от тяхната подвижност. И двата параметъра зависят от температурата на разтвора, така че измерването на електрическата проводимост трябва да се извършва заедно с наблюдение на температурата на течността.
Структура на сензора за проводимост
Започвайки разговор за конкретна серия от сензори, нека изясним самата концепция за "сензор". на български език значението на тази дума се е размило и се използва за обозначаване на всички устройства от първичния преобразувател до готовата измервателна единица. Бих искал да обърна внимание на читателя, че в тази статия сензорът означава именно чувствителен елемент - преобразувател, на базата на който се изграждат различни устройства.
Швейцарският производител на сензори IST е компания, специализирана в производството на тънкослойни сензори. За сензорите за дебит, например, вече е описано на Habré.
Технологията за производство на тънкослойни компоненти произхожда от полупроводниковата индустрия: върху керамична подложка се нанася тънък слой метал, от който се формират проводими пътеки (резистори) или подложки (електроди). Използвани са фотолитографски техники за оформяне на геометричната структура на елементите, а максималната точност на нанасянето се постига чрез лазерно изрязване. Металните елементи са покрити с изолационен (пасивиращ) слой стъкло, устойчиво на температурни и химически въздействия. За фиксиране на изводите е използвана и специално подбрана стъклена композиция.
С помощта на такъв сензор е възможно да се измери проводимостта в диапазона от 100 µS/cm до 200 mS/cm. ориентировъчни стойностипроводимост за различни разтвори са дадени в таблицата.
| Решение | Електрическа проводимост (µS/cm) | Препоръчителна електрическа схема |
| Пречистена вода | 0,05–0,1 | 2 проводник |
| вода от чешмата | 300-800 | 2-жилен / 4-жилен |
| Разтвор на NaCl (0,2 g/литър) | 4000 | 4 проводник |
| Разтвор на NaCl (2 g/литър) | 38 600 | 4 проводник |
| Морска вода | 56 000 | 4 проводник |
| Сребро [за сравнение] | 62 500 000 | - |
Произвеждат се два вида сензори за проводимост - LFS155 и LFS117, техните характеристики можете да намерите на нашия уебсайт.
Заключение
В заключение, традиционно благодаря на читателя за вниманието и ви напомням, че въпроси относно използването на продукти, за които пишем на Habré, също могат да бъдат задавани на имейл адреса, посочен в моя профил.