Прибор для измерения оптической плотности раствора

Состав команды

Михаил Чумерин
Лидер команды, техник и дизайнер
Марк Ренькас
Программист и техник

Проблематика проекта

Для измерения концентрации некоторых растворов, мониторинга загрязнения сточных вод нередко используют приборы, в которых в основе работы лежит оптический метод. Одним из таких приборов является денситометр

Аналоги и прототипы

Денситометр DEN-1

Цена: от 27810 рублей

Денситометр DEN-1B

Цена: от 44437 рублей

Денситометр ДНС - 2

Цена: от 34800 рублей

Актуальность проекта

В аналитике и контроле денситометры являются эффективными, но дорогими приборами. На рынке не было найдено более экономичных аналогов

Потенциальные заказчики и стейкхолдеры

Компании, базирующиеся на пищевой, фармацевтической, химической и т.д. промышленностях

Цель

Создать экономичный аналог денситометра

Задачи

Написать код программы и собрать схему

Разработать дизайн прибора

Проверить эффективность работы прибора на практике

Этапы выполнения

Схема построена на базе микроконтроллера Freeduino 2009 (см. фотографию), который является полным аналогом Arduino Duemilanove. Она состоит из: фоторезистора GL5516, светодиода, ЖК-дисплея

Программа для работы прибора была написана на языке С++ в среде разработки Arduino IDE.

Первая строчка программы вводит новую константу, которая говорит о том, что в любом месте программы, где будет написано "PIN_PHOTO_SENSOR", там будут браться показания с аналогового порта А0. Далее, две следующие строки кода предназначены для подключения двух библиотек. Библиотека Wire.h используется для связи микроконтроллера с устройствами и модулями через интерфейс I2C. Следующая библиотека LiquidCrystal_I2C.h нужна для подключения ЖК-дисплея к Arduino через модуль I2С. Этот модуль нужен для того, что бы уменьшить кол-во подключаемых выходов. Он позволяют подключить символьный дисплей к плате по двум сигнальным проводам. Далее идут строчки функции void setup, команды в которой микроконтроллер выполняет только один раз при загрузке программы, а потом "забывает" про них. Внутри этой функции происходит инициализация LCD (ЖК) монитора, включение подсветки и установка курсора в начальное положение. Затем командой lcd.print("Renkas Mark") выводится на экран соответствующий текст. Затем в бесконечном цикле создаем переменную val, которая равна показаниям с фоторезистора, устанавливаем курсор в начальное положение и выводим на экран показания переменной. Далее происходит задержка на 0,5 секунды перед выводом следующего показания

Для измерения оптической плотности раствора была сделана прозрачная колба, куда заливается сам раствор. Свет, исходящий от светодиода, проходит через колбу с раствором и попадает на фоторезистор. В зависимости от того, какую оптическую плотность имеет раствор, на фоторезистор попадает разное количество света, которое в количественном соотношении выводится на дисплей (см. фотографию)

Для удобства и исключения любых внешних источников света была сделана коробка с крышкой из фанеры, куда помещается схема и колба (рис.2.)

В процессе сборки и использования прибора были выявлены следующие проблемы: дисплей выводит значения в условных единицах, которых нет в СИ; диапазон показаний прибора зависит от цвета окраски раствора.
Первая проблема решалась путём измерения различных концентраций одного раствора и сравнение показаний с показаниями чистой воды.
Для решения второй проблемы планируется сделать разъём, куда будут вставляться светодиоды с разной цветовой палитрой

Для проверки эффективности и правильности работы прибора был взят раствор медного купороса с разной концентрацией. В серии экспериментов было выявлено, что зависимость показаний прибора от концентрации является линейной (см. фотографию). Это позволяет выявить разность в концентрациях там, где этого не увидит человеческий глаз

Результаты проекта

Следующие заключения позволяют сделать вывод, что прибор является эффективным и экономичным аналогом денситометра:
1. Прибор способен выявить разность между близкими по значениям концентрациями раствора
2. Прибор в несколько раз дешевле своих аналогов
Перспективы: прибор позволяет быстро и точно фиксировать изменение концентрации, исходя из окраски раствора, что позволяет его применять для контроля концентрации в пищевой, химической, фармацевтической и т.д. промышленностях. Также его можно использовать в школах для обучения основам аналитической химии

Экономика проекта

Микроконтроллер
Цена: 700 рублей
Фоторезистор GL5516
Цена: 83 рубля
Светодиод
Цена: 17 рублей
ЖК-дисплей
Цена: 500 рублей
Фанера 4 мм
Цена: 250 рублей
Материалы ( клей, провода и т.д. )
Цена: 100 рублей
Итого: 1650 рублей

Продвижение проекта

Участие в конференциях