Игнатьев А.А.
РАЗРАБОТКА ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВАЛОЧНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ARDUINO *
Аннотация:
в работе рассмотрено вредное воздействие компонентов свалочного газа. Рассмотрен рынок газоаналитической техники и установлены недостатки современных газоанализаторов. Описан процесс разработки газоанализатора портативного типа на основе платформы Arduino.
Ключевые слова:
свалочный газ, газоанализатор, датчики газа, микроконтроллер, концентрация
Есть технологические процессы, которые приводят к загрязнению воздуха в местах нахождения людей. Токсичные, горючие и взрывоопасные вещества могут выбрасываться в результате аварийных ситуаций. Деятельность некоторых предприятий и организаций связана с изучением состава газовых сред. В этих и прочих случаях эксплуатация газоанализаторов – возможность сделать необходимый анализ.Газоанализатор – это специальное устройство, с помощью которого определяют количественный (какие газы присутствуют) и качественный (сколько каждого газа) состав газовой смеси.Практически все современные газоанализаторы работают в автоматическом режиме и конструктивно состоят из блока обработки информации и измерительной части (газочувствительный сенсор), на которую подаётся газовая смесь: диффузионным (естественная подача) или принудительным способом. Принцип работы заключается в формировании газочувствительным сенсором электрического сигнала напряжения, пропорционального содержанию концентрации газа в контролируемой среде, и передачи его на блок обработки информации для оцифровки и ретрансляции полученных измерительных данных.Как правило, на каждый контролируемый газ в газоанализаторе физически устанавливается соответствующий газочувствительный сенсор. Поэтому, к великому сожалению, невозможно одним прибором измерять все известные химические вещества. Даже для контроля одних и тех же газов, но с разными диапазонами измерений, понадобятся сенсоры с отличными друг от друга принципами измерений. К примеру: для контроля довзрывных концентраций углеводородов используются сенсоры с термокаталитическим или инфракрасным (оптическим) принципом измерений, а для контроля предельно допустимых концентраций углеводородов подойдёт фотоионизационный или полупроводниковый метод измерений. Соответственно даже серийно производимые газоанализаторы, как правило, изготавливаются под заказ в соответствии с конкретной аналитической задачей покупателя [1].Cвалочный газ.Свалочный газ (СГ) - газ, образующийся в результате анаэробного брожения отходов в теле полигона. Основными компонентами свалочного газа являются парниковые газы диоксид углерода и метан. Кроме того, свалочный газ содержит множество токсических органических соединений, являющихся источниками неприятного запаха.Свободное распространение СГ в окружающей среде вызывает ряд негативных эффектов как локального, так и глобального масштабов, обусловленных его специфическими свойствами.Некоторые последствия воздействия свалочного газа на людей:Ухудшение здоровья. У людей, живущих возле полигонов, увеличивается риск появления серьёзных проблем со здоровьем, таких как врождённые дефекты, маленький вес при рождении, рак. Также наблюдаются сонливость, головные боли и усталость, развиваются лёгочные и сердечные заболевания.Демографические проблемы. Воздействие свалочного газа может отражаться на демографической напряжённости, что выражается в уменьшении численности и плотности населения.Пожароопасность и взрывоопасность. Свалочный газ служит источником взрывов и возгораний [2].Некоторые компоненты свалочного газа и их влияние на человека:Метан. Обладает способностью накапливаться до концентраций, вызывающих удушье.Углекислый газ. Концентрация 10% может привести к потере сознания или летальному исходу. Концентрация менее 10% может вызвать головную боль, потливость, учащённое дыхание, учащённое сердцебиение, одышку, головокружение, психическую депрессию, нарушения зрения или дрожь.Сероводород. Оказывает влияние на нервную систему, органы обоняния.Органические сернистые соединения (меркаптаны и сульфиды), аммиак. У некоторых людей может возникнуть тошнота или головная боль, сильные запахи считаются основным триггером астмы.Газоанализатор.Для измерения концентрации компонентов свалочного газа используют портативные или стационарные газоанализаторы. Но современные модели имеют высокую стоимость и сложную схему эксплуатации [3]. Для измерения концентрации СГ в населённых районах было принято решение создать газоанализатор портативного типа, который отличается простотой использования и не требует значительных финансовых вложений.Электронные компоненты.ArduinoArduino— аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются плата ввода-вывода и среда разработки. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере [4].Преимущество плат Arduino перед аналогичными платформами — относительно невысокая цена и практически массовое распространение среди любителей и профессионалов робототехники и электротехники (см. рис. 1).Рис. 1. Плата Arduino UNO.Датчики серии MQ.Задумавшись о необходимости контролировать наличие или появление определенных газов или паров жидкостей, в первую очередь в поле зрения будут именно датчики серии MQ. Это бюджетно, проверено, надежно и просто в исполнении [4].На рис. 2 представлены датчики, необходимые для измерения концентрации основных компонентов свалочного газа [5]. Характеристики данных датчиков указаны в таблице 1.Рис. 2. Модели датчиков серии MQ.Таблица 1. Характеристики датчиков газа серии MQ.Основные электронные компоненты.1.Плата Arduino UNO.2.USB-Кабель.3.Провода.4.Макетная плата.5.Датчик газа MQ-46.Датчик газа MQ-1357.Датчик газа MQ-1368.LCD дисплей 1602 с шиной I2C9. Аккумулятор 9 ВПрограммирование микроконтроллера осуществлялось в среде разработки Arduino IDE, которая находится в свободном доступе (см. рис. 3).Рис. 3. Интерфейс Arduino IDE.Для проектирования электронной схемы газоанализатора использовалась программа Fritzing [5]. Она позволяет не только создавать классическую принципиальную схему (см. рис. 5), но и смоделировать соединения всех электронных компонентов (см. рис. 4).Рис. 4. Схема-модель газоанализатора.Рис. 5. Электрическая принципиальная схема газоанализатора.Корпус.Корпус устройства был разработан в программе T-Flex CAD (см. рис. 6). В дальнейшем данная модель была распечатана с помощью 3D-принтера [6].Рис. 6. 3D-модель корпуса.При первом включении датчики могут показывать некорректные значения (см. рис. 7). Перед работай с датчиками их нужно прогреть не менее 12-24 часов. Для этого необходимо подать питание и оставить датчики на указанное время. Только после этого датчики будут показывать корректные значение.Рис. 7. Первый запуск газоанализатора.Заключение.Таким образом, разработанный газоанализатор способен производить как количественный, так и качественный анализ не только компонентов свалочного газа, но и других соединений, входящих в перечень измеряемых компонентов данных датчиков серии MQ.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 2
Ссылка для цитирования:
Игнатьев А.А. РАЗРАБОТКА ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВАЛОЧНОГО ГАЗА НА ОСНОВЕ ARDUINO // Вестник науки №6 (87) том 2. С. 1907 - 1917. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/24114 (дата обращения: 12.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+