Дипломная работа по электронике на тему Устройство контроля параметров воздушной среды

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в мире и, в частности, в России существует немало устройств для контроля параметров воздушной среды. Занимаясь вопросами самостоятельной разработки такого устройства, следует для начала определиться с тремя векторами работы.
Первый вектор. Какой или какие параметры воздушной среды мы собираемся контролировать. То есть, какова будет направленность нашего будущего устройства. Возможно, это будет контроль концентрации метана в воздухе, углекислого газа или озона и т.п.
Второй вектор. Проанализировать рынок производителей серийных устройств контроля выбранного параметра воздушной среды. То есть, понять, какие аналоги нашей разработки существуют и эксплуатируются уже сегодня.
Третий вектор. Подумать над целесообразностью разработки. Ведь, если уже существуют приборы контроля концентрации, например, озона, то какой смысл разрабатывать точно такой же? Возможно, стоит рассмотреть недочёты в уже существующих моделях и предложить какое-то, если уж не революционное, то более технологичное «более лучшее» решение.
Вышеописанные направления являются основными в плане продумки проекта создания устройства контроля параметров воздушной среды. Помимо этих направлений существует ещё масса вопросов, которые подлежат рассмотрению. К примеру, на базе какого предприятия будет проходить тестирование устройства, какими принципами стоит руководствоваться при разработке, какие будут экономические показатели внедрения аппарата в работу какого-либо цеха и прочее.
В данной работе будет предложена разработка устройства по контролю концентрации углекислого газа. Данное направление выбрано не просто так. Триггером к разработке устройства по контролю именно углекислого газа стало поступление большого количества жалоб от сотрудников птицефабрики АО «Лаголово», находящейся в г. Санкт-Петербург. Сотрудники птицефабрики писали жалобы в вышестоящие инстанции. Суть жалоб заключалась в недостаточном количестве датчиков СО2 в птичниках. Как выяснилось, проблемы с закупкой датчиков связаны с высокой их стоимостью.
Мы отреагировали на данную проблему. И решили посвятить данную работу разработке устройства по контролю концентрации углекислого газа в воздухе.
В связи со всем вышеизложенным, была сформулирована цель работы – разработать устройство контроля концентрации углекислого газа.
Для достижения данной цели, мы поставили перед собой следующие задачи:
Проанализировать основные параметры воздушной среды и способы их регистрации;
Дать оценку ныне существующим устройствам контроля концентрации углекислого газа
На основании анализа пункта 2, разработать устройство ничем не уступающее серийным аналогам
Подобрать базы для конструирования опытной модели и собрать устройство
Провести тесты на базе птицефабрики АО «Лаголово»
Актуальность работы заключается в разработке простейшего устройства контроля концентрации СО2, которое по своим характеристикам не будет уступать дорогим серийным моделям.






 
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ

1.1 Основные характеристики воздушной среды

Для начала разберемся, почему настолько важно контролировать параметры воздушной среды.
Контроль параметров воздушной среды на производствах жизненно важен по нескольким причинам:
1. Здоровье и безопасность работников:
Защита от вредных веществ: Воздух на производстве может содержать пыль, пары, газы, аэрозоли и другие вредные вещества, которые могут вызывать различные заболевания, от респираторных проблем до онкологических.
Предотвращение несчастных случаев: Недостаток кислорода, скопление горючих газов или взрывоопасных паров может привести к несчастным случаям.
Соблюдение санитарных норм: Определенные параметры воздушной среды (температура, влажность, освещенность) необходимы для комфортных и безопасных условий работы.
2. Качество продукции:
Контроль параметров воздуха: Некоторые производственные процессы требуют определенных параметров воздуха для достижения высокого качества продукции.
Предотвращение брака: Загрязнение воздуха может повредить продукцию, свести на нет результаты производства и привести к браку.
3. Эффективность производства:
Создание комфортных условий труда: Благоприятные параметры воздуха повышают производительность и уменьшают усталость работников.
Снижение потерь: Контроль за воздушной средой позволяет избегать потерь материалов, оборудования и времени из-за повреждений или остановки производства.
4. Соблюдение законодательства:
Нормативно-правовые акты: В России существуют строгие нормы и правила по контролю параметров воздушной среды на производствах. Несоблюдение этих норм может привести к штрафам и другим негативным последствиям. К примеру, существует СП 2.1.3678-20, несоблюдение которого карается законом.
Прежде чем переходить к рассмотрению конкретного вопроса контроля концентрации именно углекислого газа, поговорим о параметрах воздушной среды в целом. Какие они бывают и как их контролировать.
1. Температура:
Измеряется в градусах Цельсия (°C) или Фаренгейта (°F).
Определяет тепловое состояние воздуха, влияя на теплообмен организма с окружающей средой.
Оптимальная температура для человека - 18-22 °C.
2. Влажность:
Измеряется в процентах (%) - отношение количества водяного пара в воздухе к максимальному возможному при данной температуре.
Влияет на скорость испарения влаги с поверхности кожи, что влияет на ощущение тепла или холода.
Оптимальная влажность для человека - 40-60%.
3. Скорость движения воздуха:
Измеряется в метрах в секунду (м/с).
Влияет на скорость охлаждения организма, а также на распространение запахов и загрязнений.
Оптимальная скорость движения воздуха для человека - 0,1-0,3 м/с.
4. Атмосферное давление:
Измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) или в гектопаскалях (гПа).
Влияет на работу органов дыхания, особенно на высоте.
Нормальное атмосферное давление на уровне моря - 760 мм рт. ст.
5. Состав воздуха:
Основные компоненты: азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%), углекислый газ (0,04%).
Содержание кислорода важно для дыхания.
Уровень углекислого газа влияет на парниковый эффект.
6. Загрязнение:
Присутствие в воздухе вредных веществ: пыль, дым, газы, аэрозоли.
Влияет на здоровье человека, приводя к различным заболеваниям, а также на климат и экосистему.
7. Электромагнитное излучение:
Создается антропогенными источниками (радиоволны, микроволны) и естественными явлениями (солнечная радиация).
В больших дозах может оказывать вредное влияние на организм.
8. Шумовое загрязнение:
Влияет на психическое состояние человека, вызывает стресс, нарушение сна.
Контроль характеристик воздушной среды важен для обеспечения здоровья и комфорта человека, а также для защиты окружающей среды.
Углекислый газ (СО2) является важнейшим параметром воздушной среды – особенно на птицефабрике – и нуждается в постоянном мониторинге специальными устройствами. Контролировать данный параметр можно как и на открытом воздухе, так и в замкнутых пространствах (помещениях), как в нашем случае.
Контроль уровня CO2 на птицефабриках является критически важным для обеспечения благополучия птицы и эффективности производства.
Почему CO2 на птицефабриках нужно контролировать:
- Здоровье птицы: Высокий уровень CO2 в птичнике может привести к ухудшению дыхания, снижению иммунитета, повышенной восприимчивости к болезням, а также к гибели птицы.
- Производительность: Повышенный уровень CO2 может негативно влиять на рост и развитие птицы, снижая ее продуктивность (несучесть, набор веса).
- Качество продукции: Изменения в составе воздуха, вызванные повышенным уровнем CO2, могут повлиять на качество яиц или мяса птицы.
- Безопасность персонала: Высокая концентрация CO2 может стать опасной и для работников птицефабрики, вызывая головокружение, тошноту и другие симптомы.
Поговорив с ответственными за микроклимат помещений птичников сотрудником, нам удалось получить от него несколько советов по контролю СО2 на птицефабрике.
Оптимальный уровень CO2: В птичниках рекомендуется поддерживать уровень CO2 в пределах 0,1-0,2% (1000-2000 ppm).
Регулярный мониторинг: Необходимо регулярно проводить измерения CO2 и отслеживать его динамику в зависимости от плотности посадки птицы, ее возраста и других факторов.
Настройка систем вентиляции: Системы вентиляции нужно правильно настроить и регулярно обслуживать, чтобы обеспечить эффективное удаление избытка CO2.
Обучение персонала: Работники птицефабрики должны быть обучены правилам безопасной работы в условиях повышенной концентрации CO2 и знать признаки отравления.
Контроль CO2 на птицефабриках является неотъемлемой частью современных технологий птицеводства. Он позволяет создать благоприятные условия для птицы, повысить ее продуктивность и обеспечить безопасность работы персонала.
Превышение нормального уровня углекислого газа (CO2) в птичнике может негативно сказаться на здоровье и благополучии птиц. Углекислый газ выделяется при дыхании птиц, а также может образовываться из-за неправильного обращения с пометом и недостаточной вентиляции. Ранее мы уже называли причины, почему так важно следить за уровнем углекислого газа в птичнике. Сейчас хотим добавить еще несколько пунктов, связанных напрямую с птицей.
Повышение смертности: В крайних случаях, при очень высоких концентрациях CO2, возможна повышенная смертность среди птиц.
Ухудшение качества воздуха в птичнике: Избыток CO2 может сигнализировать и о наличии других вредных газов, таких как аммиак, что дополнительно ухудшит условия содержания птиц.
Для поддержания оптимального уровня CO2 и обеспечения адекватного воздухообмена в птичнике важно обеспечить эффективную систему вентиляции. Регулярное техническое обслуживание вентиляционных систем, а также контроль за чистотой и сухостью помещений играют ключевую роль в поддержании здоровой атмосферы в птичнике.
Далее следует поговорить именно о свойствах воздуха на Земле в целом. Без данного обзора будет бессмысленно вести дальнейшую риторику.
Воздух — это газообразная смесь, окружающая земной шар, состоящая преимущественно из азота и кислорода, а также содержащая аргон, углекислый газ, водяные пары и небольшие количества других газов. Воздух также может включать различные загрязнители, как природные, так и антропогенные. Его свойства можно классифицировать на физические, химические и биологические.
Физические свойства воздуха:
1. Плотность: На уровне моря и при температуре 15°C в среднем составляет около 1.225 кг/м³. Плотность воздуха может меняться в зависимости от высоты, температуры и влажности.
2. Теплоемкость: Воздух имеет специфическую теплоемкость, которая позволяет ему поглощать и хранить тепло.
3. Теплопроводность: Низкая теплопроводность делает воздух хорошим изолятором.
4. Звукопроводность: Воздух является средой для распространения звуковых волн, их скорость при стандартных условиях составляет около 343 м/с.
5. Прозрачность: в нормальных условиях воздух прозрачен для видимого света, но может рассеивать коротковолновой синий свет, создавая голубое небо.

Химические свойства воздуха:
1. Реакционная способность: Кислород воздуха активно участвует в процессах окисления, поддерживая горение и жизнедеятельность организмов.
2. Устойчивость состава: Несмотря на биологические и антропогенные процессы, химический состав воздуха относительно стабилен.
3. Абсорбционные свойства: Воздух может поглощать и удерживать различные загрязняющие вещества и газы.
Биологические свойства воздуха:
1. Содержание микроорганизмов: В воздухе могут находиться споры грибов, бактерии, вирусы, пыльца растений и другие микроорганизмы.
2. Транспортная функция: Воздух играет ключевую роль в распространении пыльцы и семян растений, а также в передаче ароматов и феромонов.
3. Влияние на здоровье: Очистка воздуха от вирусов, бактерий и других загрязнителей важна для предотвращения заболеваний, связанных с дыханием и аллергиями.
Понимание этих свойств воздуха помогает в разработке методов оценки и контроля качества атмосферного воздуха, а также в планировании мер по защите окружающей среды.
Для лучшей наглядности, следует обратить внимание на рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 – Свойства воздушной среды
Сотрудники птицефабрики АО «Лаголово» нередко жаловались на утомляемость и общее чувство дискомфорта. Разберемся, как СО2 влияет на общее состояние человека – сотрудника птицефабрики.
Углекислый газ (CO2) естественным образом присутствует в атмосфере Земли, однако его повышенные концентрации в воздухе помещений могут негативно сказаться на здоровье и работоспособности человека. Воздействие CO2 зависит от его концентрации:
1. Нормальные уровни (около 400-1000 ppm): Обычно не оказывают заметного влияния на здоровье и самочувствие человека.
2. Умеренно повышенные уровни (1000-2000 ppm): Могут начать вызывать утомляемость, снижение внимания и ухудшение когнитивных функций. Люди могут ощущать ухудшение качества воздуха и чувство дискомфорта.
3. Высокие уровни (2000-5000 ppm): Могут привести к значительному снижению концентрации, ухудшению способности принимать решения, головным болям, сонливости и увеличению частоты сердцебиения. Эти уровни чаще встречаются в плохо проветриваемых помещениях и могут серьезно снижать продуктивность и работоспособность.
4. Очень высокие уровни (более 5000 ppm): Могут вызывать серьезные здоровье-вредные эффекты, такие как усиление токсичности, угнетение сознания и даже асфиксию.
Углекислый газ влияет на работоспособность, уменьшая доступ кислорода к органам и тканям и изменяя химический состав крови, что отражается на работе мозга и других важных функций организма. Это легко заметно в офисах, аудиториях и других замкнутых пространствах, где много людей и недостаточно эффективная вентиляция.
Для поддержания оптимальной работоспособности и здоровья необходимо обеспечить хорошую вентиляцию рабочих и жилых пространств, а также регулярно проводить мониторинг качества воздуха.
Повышение уровня углекислого газа (CO2) в птичниках может быть результатом нескольких процессов, включая естественную деятельность особей, условия содержания и управления вентиляцией. Вот основные факторы, влияющие на уровень CO2 в птичниках:
1. Дыхание птиц: Птицы, как и другие животные, в процессе дыхания поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Чем больше птиц содержится в замкнутом пространстве, тем больше CO2 они производят.
2. Разложение органических материалов: В птичниках накапливается органический материал, такой как помет, кормовые остатки и перья. Микроорганизмы разлагают эти материалы, при этом также выделяется углекислый газ.
3. Недостаточная вентиляция: Плохая или неадекватная вентиляция не позволяет достаточно эффективно удалять углекислый газ и другие загрязняющие вещества из воздуха птичника. Это часто приводит к накоплению CO2.
4. Высокая плотность посадки: Чем плотнее расположены птицы, тем больше органических отходов и выделяемого углекислого газа на единицу площади, что способствует повышению концентрации CO2.
5. Температура и влажность: Высокие температуры и влажность могут усилить процессы метаболизма у птиц и микробиологическую активность в помете, ускоряя выделение CO2.
6. Особенности пород: Некоторые породы птиц могут иметь более высокий уровень обмена веществ, что также может влиять на количество производимого углекислого газа.
Для контроля уровня CO2 в птичниках важно регулярно проверять и обслуживать систему вентиляции, а также соблюдать рекомендации по плотности размещения птиц и управлению органическими отходами. Это поможет поддерживать здоровый микроклимат в птичнике и обеспечит благополучие птиц.
Далее дадим уже чёткие цифры о концентрации СО2 в воздушной среде помещений простых жилых и помещений птичника.
Допустимая концентрация углекислого газа находится в пределах 1000–1400 ppm. Концентрация свыше этих показателей говорит о низком качестве воздуха, что негативно влияет на организм человека. Согласно ГОСТ, допускается превышение нормы СО2 до 1400 ppm, но физиологи рекомендуют считать верхние допустимые значения в 800–1000 ppm.
Далее сошлёмся на ГОСТ 30494-2011 и приведем данные о нормальных и ненормальных уровнях концентрации углекислого газа в помещениях. Для понимания картины происходящего, обратите внимание на таблицу 1.1.

Таблица 1.1 – Классификация воздуха в помещениях по уровню концентрации СО2
Класс Качество воздуха в помещении Допустимое содержание СО2, 〖см〗^3/м^3
1 Высокое - 400 и менее
2 Среднее - 400-600
3 - Допустимое 600-1000
4 - Низкое 1000 и более

Говоря о жилых помещениях, куда по своему классу входят и помещения птичника, где расположены кабинеты для персонала, то ГОСТ рекомендует не допускать превышение концентрации углекислого газа выше значения 400 ррm.

1.2 Анализ существующих моделей приборов для контроля параметров воздушной среды

В данном разделе будет проведен комплексный мониторинг устройств, которые к эксплуатации предлагает серийная промышленность Российской Федерации и страны ближнего зарубежья, входящие в состав стран СНГ.
Естественно, заострим внимание именно на устройствах контроля концентрации углекислого газа (СО2), однако не оставим без внимания и приборы смежной направленности.
Анализ существующих моделей приборов для контроля параметров воздушной среды подразумевает рассмотрение различных устройств, предназначенных для измерения и мониторинга качества воздуха. Эти устройства могут контролировать различные параметры, такие как уровни CO2, концентрации других газов (например, аммиака, сероводорода), влажность, температуру, наличие взвешенных частиц (пыли) и даже биологические загрязнители. Вот несколько примеров моделей и их характеристики:
1. Автономные мониторы качества воздуха
IQAir AirVisual Pro – устройство, которое измеряет PM2.5, уровни CO2, температуру, влажность и предоставляет данные в реальном времени. Оно также может подключаться к Wi-Fi и следить за данными на глобальном уровне.
Awair Element – монитор, измеряющий CO2, PM2.5, температуру, влажность и уровни летучих органических соединений (VOCs). Подходит для использования