Датчик концентрации нитрат ионов

Автоматический анализатор нитрат-ионов в потоке воды, стоков и канализации

Инновационный Интеллектуальный Спектральный Анализатор (ИСА) представляет собой компактный УФ-визионный спектрометр, который позволяет одновременно получать множество параметров с помощью одного датчика. В дополнение к традиционным параметрам качества воды, этот оптический датчик позволяет одновременно анализировать множество других ингредиентов и свойств воды с помощью хемометрических методов. Версия системы состоит из сенсорной головки, которая непосредственно соединена с контроллером BlueBox через оптоволокно.

Доступные параметры

УФ-визионный спектрометр всегда калибруется на месте с использованием лабораторных значений. Эта специфическая для заказчика калибровка обеспечивает высокую точность измерений и выбор правильных длин волн.

Система может быть откалибрована по следующим параметрам:

Функции и особенности

Индивидуальная калибровка

Состав воды отличается от применения к применению, например, оптическое поведение воды из двух озер в одном и том же регионе может существенно отличаться. Такое поведение можно объяснить различным органическим составом, который также отвечает за поглощение в воде. Поэтому необходимо выполнить калибровку, специфичную для каждого состава воды. После установки УФ-визионного спектрометра, эталонные образцы отбираются и анализируются в лаборатории. Основываясь на спектрах поглощения, определенных спектрометром, и лабораторных значениях, GO Systemelektronik рассчитывает калибровку, специально оптимизированную для вашего состава воды.

Контроль калибровки

Функция контроля калибровки обеспечивает оценку достоверности показаний измерений в режиме реального времени с помощью спектрального индекса качества (SQI). SQI указывает на правильность калибровки. Таким образом, можно определить, насколько хорошо калибровка соответствует текущей матрице воды, и автоматически выбрать наиболее подходящую калибровку в любое время. Благодаря этой уникальной функции можно получить оперативное качественное определение результатов спектрометра и обеспечить надлежащую работоспособность системы.

Регулируемая длина оптического пути

Измерительная головка УФ-визионного спектрометра позволяет бесступенчато регулировать длину оптического пути от 0,5 до 20 мм, что является уникальной особенностью спектрометра ИСА. Длина пути может быть изменена непосредственно в полевых условиях с помощью простой отвертки. Регулировка измерительного тракта является необходимой характеристикой для оптимальной адаптации к местной специфической водной матрице. Кроме того, возможность открытия измерительного зазора облегчает возможность выполнения ручной очистки.

Внешняя электроника

Все электронные компоненты спектрометра ИСА встроены не в головку датчика, а во внешний модуль или соответствующий BlueBox. Это позволяет обслуживать электрические компоненты в полевых условиях и заменять их без необходимости отправлять систему на ремонт.

Термоустойчивость до 110 °С

Измерительная головка ИСА отличается чрезвычайно высокой термостойкостью до +80 °C (в течение коротких периодов времени – до +110 °C). Это существенно расширяет область применения, особенно для промышленных целей. Нечувствительность спектрометра к температуре является преимуществом для очистки и стерилизации головки датчика. Поскольку в измерительной головке отсутствуют электронные компоненты, температурные воздействия (дрейф) на электронику, УФ-визионную лампу и блок спектрометра исключаются.

Сертификация АТЕХ

Измерительная головка УФ-визионной спектрометрической системы ИСА сертифицирована ATEX, что позволяет устанавливать её в потенциально взрывоопасных средах. Измерительная головка соответствует стандарту ATEX класса III. Опционально доступен класс ATEX II.

Автоматическая очистка

УФ-визионные спектрометры ИСА имеют встроенную и автоматически управляемую промывку сжатым воздухом для очистки оптических окон. Никакие механические детали не выступают из измерительной головки, что облегчает установку на каркасе и предотвращает оседание частиц грязи на оптических окнах. При промывке сжатым воздухом расходы на обслуживание могут быть значительно снижены.

Никаких расходных материалов

УФ-визионные спектрометры не требуют никаких реагентов или иных расходных материалов и могут эксплуатироваться без технического обслуживания, за исключением необходимой очистки на месте (в зависимости от установки). Расчетный срок службы вспышки составляет более 10 лет. В случае возникновения дефекта, возможно обслуживание на месте, поскольку все электронные компоненты находятся вне погружного зонда.

Функция контроля

УФ-визионные спектрометрические системы способны одновременно обнаруживать несколько параметров. С помощью соответствующих калибровочных формул можно рассчитать до 99 различных параметров. Это стандартная функция спектрометрических систем GO Systemelektronik.

Интеллектуальная обработка событий

С помощью гибких коммуникационных возможностей BlueBox-системы можно быстро и надежно передавать события локально или по телефону, сети, мобильной сети и спутнику, если требуется, по резервным путям. Для передачи данных доступны все обычные сервисы, такие как SMS, электронная почта, факс и сетевые протоколы. Таким образом, время отклика на сигналы тревоги и события может быть сведено к минимуму, а надежность работы может быть оптимизирована.

Удалённый доступ и управление

Подключение через интернет или мобильные сети облегчает передачу измерительных данных и результатов в любое время и позволяет осуществлять удаленный доступ и управление системой. Таким образом, можно изменять настройки или передавать калибровки удаленно.

Технические данные контроллера

Контроллер входит в комплект поставки: BlueBox TS

• Сенсорная панель, цветной ЖК-дисплей с разрешением 480×272 пикселя и 65 536 цветами
• Алюминиевый корпус (ДхШхВ): 280 мм x 90 мм x 170 мм, IP 65
• Цвет: синий (RAL 5010, порошковое покрытие)
• Вес: 2,9 кг
• Температура окружающей среды: -10 °C … +50 °C
• Диапазон рабочих температур: -20 °C … +45 °C
• Источник питания: 24 В постоянного тока, 3,2 А
• Размер памяти: опционально
• Количество виртуальных датчиков опционально. С помощью виртуальных датчиков дальнейшие параметры и расчеты могут быть выполнены непосредственно на BlueBox

Межфазные границы:

• 1x последовательный интерфейс (пример протоколов: RS232/RS485 (Modbus RTU), IEC 60870-5-104; для других см. список протоколов)
• 1х шина CAN
• 1x Ethernet 10/100 Мбит
• 1x USB
• 2х входных импульса
• 2x токовый выход 4-20мА
• 2x реле 48V AC/DC 0.5 A
• 1x 12V 6W интегрированный источник питания для датчиков/модулей с RS232/485

Технические данные спектрометра ИСА

Спектрометр ИСА соединен с модулем спектрометра или BlueBox через оптоволокно.

• Принцип измерения: УФ-видимый спектр в диапазоне от 200 до 720 Нм
• Разрешение: 256 пикселей
• Интервал измерения мин.: 3 секунды
• Источник света: ксеноновый фонарик
• Встроенный электромагнитный клапан для автоматической очистки сжатым воздухом оптических окон
• Доступ ко всем спектрам поглощения и всем необработанным спектрам

Сенсорная головка:

• Материал: нержавеющая сталь (1.4404), опционально титан
• Размеры: длина прибл. 230 мм (в зависимости от измерительного зазора), диаметр 44 мм
• Вес: около 1,5 кг
• Диапазон температур: 0 °C … +110 °C
• Класс защиты: IP68, ATEX категория 3 (опционально категория 2)
• Длина оптического пути свободно регулируется от 0,5 до 20 мм
• Длина волоконно-оптического кабеля: опционально.

Источник

Проблемные аспекты использования датчика нитрат-ионов цифровой лаборатории «Архимед» во внеурочном химическом эксперименте

первой квалификационной категории

ГБОУ СОШ № 000 Невского района

Проблемные аспекты использования датчика нитрат-ионов цифровой лаборатории «Архимед» во внеурочном химическом эксперименте.

В условиях современного общества основой всех сфер жизни стало использование информационных технологий. Особое значение, в связи с реализацией принятой Правительством РФ «Концепции модернизации российского образования», приобрела информатизация сферы образования. Использование информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в учебном процессе стало одной из приоритетных задач. Проект «Информатизация системы образования», разработанный Федеральным агентством РФ по образованию, призван создать условия для системного внедрения и активного использования ИКТ и современных образовательных ресурсов в работе школы.

Одним из примеров реализации данной идеи в естественнонаучном образовании является поставка в школы цифровых лабораторий для проведения экспериментов, которые позволят перевести школьный практикум по химии, физике и биологии на качественно новый уровень.

Цифровая лаборатория «Архимед» — оборудование для проведения широкого спектра исследований, демонстраций опытов, регистрации данных лабораторных работ. Сегодня цифровые лаборатории «Архимед» используются во многих школах. Материалы по применению цифровых лабораторий, результаты, полученные с применением данных лабораторий, всё чаще появляются в трудах образовательных конференций, в публикациях, разработках учителей.

Использование лаборатории помогает подготовить учащихся к самостоятельной творческой работе в любой области знаний, осуществить приоритет деятельностного подхода к процессу обучения, развить у учащихся широкий комплекс общих учебных и предметных умений, овладеть способами деятельности, формирующими познавательную, информационную, коммуникативную компетенции.

Высокую эффективность имеет использование цифровой лаборатории в курсе естествознания на уроках физики, биологии, химии, а также во внеурочной деятельности по данным предметам.

В химическом эксперименте наиболее активно и часто применяют датчики измерения температуры, уровня кислорода, давления, рН-метр. Процесс их использования предполагает несложную методику подготовки и довольно простое устройство самих датчиков, поэтому регистрация данных с их помощью не представляет для учителя или ученика больших затруднений.

Однако, существует несколько датчиков использование которых эпизодическое (только для отдельных, специфических опытов). Примерами являются датчики мутности, нитрат-ионов, калия, колориметр. Работа с ними может сопровождаться определенными затруднениями, связанными со спецификой действия самого датчика, его техническим обслуживанием и обработкой получаемых данных.

Датчик нитрат-ионов (Nitrate Electode) AC017 – ионоселективный электрод, измеряющий концентрацию нитратных ионов (NO3-) в водных растворах. С необходимостью его использования можно столкнуться при исследованиях качества воды, выявлении уровня накопления нитратов в почве, растительном организме, пищевом продукте.

«Динамика роста и развития ростков овса при внесении разных доз аммиачной селитры» — пример исследования, данные которого получены с помощью именно этого датчика.

Экспериментальная часть работы включала в себя ряд опытов по внесению в почву азотного удобрения — аммиачной селитры (NH4NO3) в дозах от 150 мг до 9 г, высаживание проростков овса и их выращивание. В ходе эксперимента проводился промер уровня содержания нитрат-ионов в образцах почвенной вытяжки, а также водной растительной вытяжки.

Подготовка датчика к работе, а также технология замеров проводились на основании инструкции №25 в справочном пособии к цифровой лаборатории (на русском языке) и инструктивной карточки, прилагаемой к электроду (на английском языке).

Именно в ходе работы с инструкциями, учитель может столкнуться с рядом проблем, невнимание к которым приведет к искажению получаемых результатов. Одна из них — неоднозначность обозначений и единиц измерения, допущенная в справочном пособии.

В инструкции заявлено, что датчик нитрат-ионов измеряет концентрацию в промилле. Согласно принятой международной системы мер «промилле» — одна тысячная доля (1/10 процента). Если основываться на данном условии, то при приготовлении необходимых для работы растворов (по методике пособия), потребуется концентрация 1000 промилле (что соответствует 100%). С химической точки зрения, данная концентрация не может быть правильной.

Если обратиться к инструкции аналогичного датчика (калия) то в ней, после обозначения «промилле» в скобках указывают ч/млн. (т. е. частей на миллион). Однако, известно, что миллионная часть это пропромилле, а, следовательно, 1 пропромилле в 1000 раз меньше, чем 1 промилле.

Ppm – правильное обозначение концентрации (пропромилле), используется только в инструктивной карточке, вложенной в коробку с самим электродом.

На основании данного анализа, можно сделать вывод о наличии ошибок перевода в русифицированном справочном пособии и необходимости использования термина «пропромилле» для обозначения концентрации вместо ошибочного «промилле».

Данная ошибка приводит к проблеме нестыковки заявленных в инструкциях пределов измерения. Например, в инструктивной карточке – от 1М до 7х10-6М (14,000 – 0,1 ppm), а в справочном пособии – от 1М до 7х10-7М или 0,1 до 14000 промилле. Если не провести соответствующую терминологическую замену, то пределы концентрации могут иметь значения от 0,01% до 1400%.

Не менее важным аспектом применения датчика, является ограничение срока годности эталонных растворов, входящих в комплект поставки. Использование раствора в течение 1 года подразумевает ежегодное, самостоятельное приготовление свежих растворов.

В инструктивной карточке к электроду дана методика приготовления трех необходимых растворов в форме таблицы. В справочном пособии пошагово выделены шесть пунктов. При этом каждый второй пункт должен служить разъяснением к первому, однако все шесть определены как отдельные и равнозначные.

Особое внимание следует обратить на рецептуру приготовления раствора с концентрацией 1000 ppm, так как в инструкции справочного пособия предлагается растворить в 1л воды 1,63 кг нитрата калия. В данном случае, имеет место явная ошибка, т. к. в инструкции к электроду указано g (граммы).

Эти недочеты в переводе, а, возможно, и типографские, могут привести к негативным последствиям – искажение результатов, психологический дискомфорт, напрасная трата ценных химических веществ и реактивов.

Сложность вызывает также обработка данных, получаемых при проведении измерений. Описанная в разделе «Измерения» справочного пособия (для датчика нитрат-ионов) методика прямой калибровки предполагает построение на полулогарифмической шкале прямолинейного графика, на линейной оси которого находятся электродные потенциалы, а на логарифмической шкале — концентрация ионов.

Отсутствие примера данной шкалы в пособии значительно затрудняет ее построение, а отсутствие соответствующего навыка может привести к получению искаженных данных. Внимание учителей следует обратить на наличие аналогичного калибровочного графика именно в инструктивной карточке к электроду.

Считывание данных с регистратора также может вызвать определенные проблемы.

При измерении концентрации ионов в водных вытяжках, регистратор, подключенный к электроду через датчик, чаще показывает отрицательные значения (величины) электродного потенциала (мВ). Данная величина, у максимально-концентрированного раствора значительно меньше, нежели у минимально-концентрированного. Логическое несоответствие затрудняет построение калибровочной кривой и дальнейший анализ получаемых значений, особенно в условиях отсутствия примера, визуально подтверждающего получаемые значения.

При всем кажущемся обилии проблем, использование датчика нитрат-ионов имеет значительный интерес, как для учителя, так и для обучающихся, позволяет расширить спектр объектов исследования, работать за пределами школьной программы, открывает новые перспективы для проведения исследовательских работ.

, учитель химии первой квалификационной категории,

место работы: Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 000 Невского района г. Санкт-Петербурга

Данная статья рассматривает некоторые проблемы, с которыми столкнулся автор при использовании датчика нитрат-ионов цифровой лаборатории «Архимед» для получения данных в научно-исследовательской работе.

Исследовательская деятельность, цифровая лаборатория «Архимед», практическая работа, датчик нитрат-ионов.

Источник