Время неожиданных аналогий: речные раки и датчики электропроводности
Уважаемые знатоки, внимание, вопрос:
Для какой инженерной задачи одновременно используются речные раки (да-да, с усами и клешнями) и датчики электропроводности?
Наверняка кто-то уже сообразил в чем дело, но я не буду долго томить и остальных читателей.
И раки, и датчики электрической проводимости используются для контроля качества воды.
Речные раки уже много лет трудятся на системах очистки петербургского водоканала — они живут в аквариумах на водозаборах и контролируют уровень токсичности невских вод.
Датчики электропроводности также используются для контроля состава водных растворов, ведь способность жидкости проводить ток является одним из параметров для определения количества примесей.
В статье рассказываю и про невских раков (спасибо сайту водоканала), и про датчики электрической проводимости. К ракам мы никакого отношения не имеем, а вот датчики швейцарской компании IST вполне себе поставляем.
Про раков
Раки используются петербургским водоканалом как биодатчики. Эти животные очень чувствительны к загрязнениям среды их обитания, поэтому и используются для контроля качества воды. Принцип работы биомониторинга доступно описан на сайте водоканала:
К панцирю рака, сидящего в аквариуме, приклеивается волоконно-оптический датчик, который позволяет незаметно для животного в течение длительного времени регистрировать его сердцебиение. На экран компьютера диспетчера смены непрерывно выводятся уже обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков в виде системы «светофор»: красный, желтый или зеленый световые сигналы. Нормальный сердечный ритм ничем не обеспокоенного рака (соответствующий зеленому сигналу), колеблется, в зависимости от температуры воды от 30 до 60 ударов в минуту, а стресс-индекс обычно близок к нулю. В случае опасности частота сердечных сокращений резко повышается не менее чем на 50%, а стресс-индекс возрастает до нескольких тысяч. При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1,5–2 минут (это время с учетом обработки данных). Их кардиоритм учащается, приборы дают сигнал тревоги (красный сигнал на мониторе диспетчера смены), по которому автоматически отбираются пробы воды для последующего подробного лабораторного анализа воды химическими и биологическими методами, и оповещаются все службы водопроводной станции. К счастью, за все время работы раков в Водоканале нештатных ситуаций не возникало, а столь «высокие стрессовые показатели» специалисты Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук, разработавшие этот метод биомониторинга качества воды, получают только при еженедельных профилактических тест-обследованиях раков.
Кроме станции биомониторинга, на Главной водопроводной станции есть еще и ферма, основная задача которой — разведение своих, адаптированных к производственному шуму и людям раков. Так животные с рождения привыкают к общению с людьми, природным колебаниям качества невской воды, шуму насосов станции. Раки реагируют и на раздражители, не связанные с загрязнением воды — например на шум включаемого оборудования. Чтобы отсечь ложные срабатывания системы (ложные с точки зрения токсикологической опасности воды), ученые создали специальную аналитическую станцию, которая измеряет ряд характеристик воды — щелочность, температуру, мутность, а также снабжена датчиками шума и вибрации. Если аппаратура зарегистрирует вибрацию, то сигнал опасности в диспетчерскую не поступит, потому что датчики фиксируют момент, когда учащение сердцебиения рака совпадает с шумовым эффектом, и отсекают его, как не связанного с токсикологической опасностью. На службу в Водоканал принимают самых обычных раков. Это достаточно хорошо изученные животные с точки зрения физиологии и токсикологии. Однако для того, чтобы попасть на службу в Водоканал, раки проходят тщательное биохимическое и физиологическое обследование здоровья. Работают только самцы в возрасте 3–5 лет, три дня через шесть. Срок их службы составляет примерно год. Дело в том, что по своей физиологии раки должны зимовать, впадая в этот холодный период в состояние «спячки», а лишение их того, что придумано природой, естественно, ослабляет животное. А к дежурству допускаются только здоровые особи в хорошем функциональном состоянии.
В конце 2010 года система биомониторинга с использованием раков была усовершенствована. Если раньше на рабочую смену «выходили» по два рака, то теперь их — шесть. Однако модернизация системы биомониторинга заключается не только в количественных изменениях. С момента запуска биомониторинга у ученых из Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН появились новые разработки. И в 2010 году эти разработки Водоканал внедрил на водопроводных станциях. Модернизация системы биомониторинга включает новые алгоритмы обработки сигналов. Все это вместе — более совершенная система обработки данных, увеличение числа дежурящих раков — повышает надежность биомониторинга, дает новые возможности для оперативного управления системой водоподготовки.
Среди животных-биоиндикаторов — не только раки. Качество воды также контролируется рыбками и двустворчатыми моллюсками, а улитки следят за состоянием воздуха в районе завода по сжиганию осадка сточных вод.
Конечно, биомониторинг не является заменой классических методов приборного и лабораторного контроля.
Оценка качества воды — это довольно сложная задача, для решения которой всегда применяется набор косвенных признаков. Среди таких признаков — водородный показатель (pH), окисляемость, минерализация, электрическая проводимость и многие другие показатели. Ниже речь пойдет об измерении проводимости.
Про датчики
Датчики электропроводности (они же кондуктометры) — это устройства для измерения способности раствора проводить электрический ток. Эта способность определяется количеством ионов, содержащихся в растворе, а количество ионов является одним из параметров, который используется для определения количества примесей в жидкости.
Принцип работы
В раствор помещается пара токовых электродов, на которую подается переменное напряжение. Содержащиеся в растворе ионы начинают перемещаться, возникает электрический ток i.
Существует две схемы измерения проводимости: 2-электродная и 4-электродная. В первом случае падение напряжения Uвых измеряется между токовыми электродами, а в 4-электродной схеме для измерений используют дополнительную пару потенциальных электродов.
Падение напряжения Uвых является индикатором проводимости раствора:
Электропроводность σ определяется как величина, обратная сопротивлению в заданной ячейке. Ячейкой называют объем, ограниченный токовыми электродами, которые имеют площадь S и удалены друг от друга на расстояние d. Значения S и d определяются геометрией датчика, поэтому являются неизменными и выражаются через константу ячейки k:
k = d / S — константа ячейки, см-1
Таким образом, удельная проводимость вычисляется по формуле
σ = k / R или σ = (k * i) / Uвых, где переменной и является напряжение Uвых.
Проводимость определяется как концентрацией ионов, содержащихся в растворе, так и их мобильностью. Оба эти параметра зависят от температуры раствора, поэтому измерение электрической проводимости должно проводиться совместно с контролем температуры жидкости.
Структура датчика проводимости
Начиная разговор о конкретной серии датчиков, уточним само понятие «датчик». В русском языке значение этого слова размылось и используется для обозначения всех устройств начиная с первичного преобразователя и до готового измерительного узла.
Обращаю внимание читателя, что в данной статье под датчиком подразумевается именно чувствительный элемент — преобразователь, на базе которого строятся различные устройства.
Швейцарский производитель датчиков IST — это компания, специализирующаяся на производстве тонкопленочных датчиков. О датчиках скорости потока, например, уже было рассказано на хабре.
Технология изготовления тонкопленочных компонентов берет начало в полупроводниковой промышленности: на керамическую подложку напыляется тонкий слой металла, из которого формируются токопроводящие дорожки (резисторы) или площадки (электроды).
Для формирования геометрической структуры элементов используются методы фотолитографии, а максимальная точность нанесения достигается благодаря лазерной подгонке. Металлические элементы покрываются изолирующим (пассивационным) слоем из стекла, устойчивого к температурному и химическому воздействию. Специально подобранный состав стекла также используется для фиксации выводов.
С использованием такого датчика можно измерять проводимость в диапазоне от 100 мкСм/см до 200 мСм/см. Ориентировочные значения проводимости для различных растворов приведены в таблице.
| Раствор | Электропроводимость (мкСм/см) | Рекомендуемая схема включения |
| Очищенная вода | 0.05–0.1 | 2-проводная |
| Водопроводная вода | 300–800 | 2-проводная / 4-проводная |
| Раствор NaCl (0.2 г/литр) | 4 000 | 4-проводная |
| Раствор NaCl (2 г/литр) | 38 600 | 4-проводная |
| Морская вода | 56 000 | 4-проводная |
| Серебро [для сравнения] | 62 500 000 | - |
Выпускается два типа датчиков проводимости — LFS155 и LFS117, с их характеристиками можно ознакомиться на нашем сайте.
Заключение
В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.
