Час несподіваних аналогій: річкові раки і датчики електропровідності

Шановні знавці, увага, питання:

Для якої інженерної задачі одночасно використовуються річкові раки (так-так, з вусами і клішнями) і датчики електропровідності?
Напевно хтось вже зрозумів у чому справа, але я не буду довго мучити і інших читачів.

І раки, і датчики електричної провідності використовуються для контролю якості води.

Річкові раки вже багато років працюють на системах очищення петербурзького водоканалу — вони живуть в акваріумах на водозаборах та контролюють рівень токсичності невських вод.
Датчики електропровідності також використовуються для контролю складу водних розчинів, адже здатність рідини проводити струм є одним з параметрів для визначення кількості домішок.



У статті розповідаю і про невських раків (спасибі сайту водоканалу), і про датчики електричної провідності. До ракам ми ніякого відношення не маємо, а от датчики швейцарської компанії IST цілком собі поставляємо.


Про раків
Раки використовуються петербурзьким водоканалом як біодатчики. Ці тварини дуже чутливі до забруднень середовища їх існування, тому і використовуються для контролю якості води. Принцип роботи біомоніторингу доступно описано на сайті водоканалу:

До панцира раку, що сидить в акваріумі, приклеюється волоконно-оптичний датчик, який дозволяє непомітно для тварини протягом тривалого часу реєструвати його серцебиття. На екран комп'ютера диспетчера зміни безперервно виводяться вже оброблені результати показників серцевого ритму і стрес-індексу раків у вигляді системи «світлофор»: червоний, жовтий або зелений світлові сигнали. Нормальний серцевий ритм нічим не стурбованого раку (відповідний зеленому сигналу), що коливається, в залежності від температури води від 30 до 60 ударів в хвилину, а стрес-індекс зазвичай близький до нуля. У разі небезпеки частота серцевих скорочень різко підвищується не менш ніж на 50%, а стрес-індекс зростає до кількох тисяч. При попаданні у воду токсичних речовин раки реагують протягом 1,5-2 хвилин (це час з урахуванням обробки даних). Їх кардиоритм частішає, прилади дають сигнал тривоги (червоний сигнал на моніторі диспетчера зміни), за яким автоматично відбираються проби води для подальшого детального лабораторного аналізу води хімічними і біологічними методами, і сповіщаються всі служби водопровідної станції. На щастя, за весь час роботи раків у Водоканалі нештатних ситуацій не виникало, а такі «високі стресові показники» фахівці Санкт-Петербурзького науково-дослідного центру екологічної безпеки Російської академії наук, які розробили цей метод біомоніторингу якості води, отримують тільки при щотижневих профілактичних тест-обстеженнях раків.



Крім станції біомоніторингу, на Головній водопровідної станції є ще і ферма, основне завдання якої – розведення своїх, адаптованих до виробничого шуму і людям раків. Так тварини з народження звикають до спілкування з людьми, природним коливанням якості невської води, шуму насосів станції. Раки реагують і на подразники, не пов'язані із забрудненням води – наприклад на шум включається обладнання. Щоб відсікти помилкові спрацьовування системи (помилкові з точки зору токсикологічної небезпеки води), вчені створили спеціальну аналітичну станцію, яка вимірює ряд характеристик води — лужність, температуру, каламутність, а також оснащена датчиками шуму та вібрації. Якщо апаратура зареєструє вібрацію, то сигнал небезпеки в диспетчерську не вчинить, тому що датчики фіксують момент, коли почастішання серцебиття раку збігається з шумовим ефектом, і відсікають його, як не пов'язаного з токсикологічної небезпекою. На службу в Водоканал приймають самих звичайних раків. Це досить добре вивчені тварини з точки зору фізіології та токсикології. Однак для того, щоб потрапити на службу в Водоканал, раки проходять ретельне біохімічне і фізіологічне обстеження здоров'я. Працюють тільки самці у віці 3-5 років, три дні через шість. Термін їх служби складає приблизно рік. Справа в тому, що по своїй фізіології раки повинні зимувати, впадаючи в цей холодний період в стан «сплячки», а позбавлення їх того, що придумано природою, природно, послаблює тварина. А до чергування допускаються тільки здорові особини в хорошому функціональному стані.

В кінці 2010 року система біомоніторингу з використанням раків була вдосконалена. Якщо раніше на робочу зміну «виходили» за два раку, то тепер їх – шість. Однак модернізація системи біомоніторингу полягає не тільки в кількісних змінах. З моменту запуску біомоніторингу у вчених з Санкт-Петербурзького науково-дослідного центру екологічної безпеки РАН з'явилися нові розробки. І в 2010 році ці розробки Водоканал впровадив на водопровідних станціях. Модернізація системи біомоніторингу включає нові алгоритми обробки сигналів. Все це разом – більш досконала система обробки даних, збільшення числа чергують раків – підвищує надійність біомоніторингу, дає нові можливості для оперативного управління системою водопідготовки.
Серед тварин-біоіндикаторів — не тільки раки. Якість води контролюється рибками і двостулковими молюсками, а равлики стежать за станом повітря в районі заводу зі спалювання осаду стічних вод.

Звичайно, біомоніторинг не є заміною класичних методів приладового та лабораторного контролю.
Оцінка якості води — це досить складна задача, для вирішення якої завжди застосовується набір непрямих ознак. Серед таких ознак — водневий показник (pH), окислюваність, мінералізація, електрична провідність і багато інші показники. Нижче мова піде про вимірювання провідності.

Про датчики
Датчики електропровідності (вони ж кондуктометри) — це пристрої для вимірювання здатності розчину проводити електричний струм. Ця здатність визначається кількістю іонів, що містяться в розчині, а кількість іонів є одним з параметрів, який використовується для визначення кількості домішок у рідині.

Принцип роботи
У розчин поміщається пара струмових електродів, на яку подається змінна напруга. Містяться в розчині іони починають переміщатися, виникає електричний струм i.

Існує дві схеми вимірювання провідності: 2-електродна і 4-електродна. У першому випадку падіння напруги Uвих вимірюється між струмовими електродами, а в 4-електродної схемою для вимірювань використовують додаткову пару потенційних електродів.



Падіння напруги Uвих є індикатором провідності розчину:

Електропровідність σ визначається як величина, зворотна опору в заданій комірці. Осередком називають об'єм, обмежений струмовими електродами, які мають площу S і віддалені один від одного на відстань d. Значення S і d визначаються геометрією датчика, тому є незмінними і виражаються через константу осередку k:

k = d / S – константа клітинки, см-1

Таким чином, питома провідність обчислюється за формулою

σ = k / R або σ = (k * i) / Uвих, де змінної і є напруга Uвих.

Провідність визначається концентрацією іонів, що містяться в розчині, так і їх мобільністю. Обидва ці параметра залежать від температури розчину, тому вимірювання електричної провідності повинно проводитися спільно з контролем температури рідини.



Структура датчика провідності
Починаючи розмову про конкретної серії датчиків, уточнимо поняття «датчик». У російській мові значення цього слова розмилося і використовується для позначення всіх пристроїв починаючи з первинного перетворювача і до готового вимірювального вузла.
Звертаю увагу читача, що в даній статті під датчиком мається на увазі саме чутливий елемент — перетворювач, на базі якого будуються різні пристрої.

Швейцарський виробник датчиків IST — це компанія, що спеціалізується на виробництві тонкоплівкових датчиків. Про датчики швидкості потоку, наприклад, вже було розказано на хабре.

Технологія виготовлення тонкоплівкових компонентів бере початок в напівпровідникової промисловості: на керамічну підкладку напилюється тонкий шар металу, з якого формуються струмопровідні доріжки (резистори) або майданчика (електроди).
Для формування геометричній структури елементів використовуються методи фотолітографії, а максимальна точність нанесення досягається завдяки лазерній підгонці. Металеві елементи покриваються ізолюючим (пассивационным) шаром з скла, стійкого до температурного і хімічного впливу. Спеціально підібраний склад скла також використовується для фіксації висновків.



З використанням такого датчика можна вимірювати провідність в діапазоні від 100 мкСм/см до 200 мСм/див. Орієнтовні значення провідності для різних розчинів приведені в таблиці.









Розчин Електропровідність (мкСм/см) Рекомендована схема включення Очищена вода 0.05–0.1 2-дротова Водопровідна вода 300-800 2-дротова / 4-дротова Розчин NaCl (0.2 г/літр) 4 000 4-дротова Розчин NaCl (2 г/літр) 38 600 4-дротова Морська вода 56 000 4-дротова Срібло [для порівняння] 62 500 000 -


Випускається два типи датчиків провідності – LFS155 і LFS117, з їх характеристиками можна ознайомитися на нашому сайті.



Висновок
У висновку традиційно дякую за увагу читача і нагадую, що питання щодо застосування продукції, про яку ми пишемо на хабре, можна також задавати на email, вказаний в моєму профілі.

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.