Актуальность темы обусловлена тем, что в процессе добычи углеводородного сырья вода, закаченная в пласты, вытесняет нефть к добывающим скважинам. Для этих целей используют воду из окружающих водоемов. Вода должна соответствовать определённым требованиям, в том числе и по прозрачности. Для определения прозрачности воды используют разные методы: диск Секки, по кресту, по шрифту. Все эти методы имеют высокую погрешность, так как влияет человеческий фактор.
Введение
Актуальность темы обусловлена тем, что в процессе добычи углеводородного сырья вода, закаченная в пласты, вытесняет нефть к добывающим скважинам. Для этих целей используют воду из окружающих водоемов. Вода должна соответствовать определённым требованиям, в том числе и по прозрачности. Для определения прозрачности воды используют разные методы: диск Секки, по кресту, по шрифту. Все эти методы имеют высокую погрешность, так как влияет человеческий фактор. В силу географического положения ЯНАО собрать и исследовать пробы воды бывает затруднительно из-за большого количества болотистой местности. Поэтому использование автоматизированных лабораторий являлось, и будет являться актуальным. Автоматизация процесса определения прозрачности воды позволит снизить вероятность погрешности и облегчить труд человека. Внедрение таких лабораторий позволит облегчить выполнение поставленных задач. Для анализа соответствия воды используем робота исследователя определяющего прозрачность воды водоемов.
Объект исследования: процесс оценки прозрачности воды.
Предмет исследования: робот – исследователь оценивающий прозрачность воды в открытом водоёме.
Цель исследования: создать робота – исследователя, который служит для оценки прозрачности воды в водоёме.
Гипотеза: Использование автоматизированных систем позволит снизить погрешность исследований известными методами.
Задачи:
1. Изучить способы определения прозрачности водоемов.
2. Изучить возможности датчиков.
3. сконструировать робота, разработать программу.
4. Протестировать робота.
3. Проанализировать полученные результаты.
4. Выявить эффективность.
Метод исследования: моделирование, конструирование и программирование нашей модели с помощью конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 и дополнительных датчиков.
Практическая значимость состоит в том, что робот – исследователь может быть использован как прототип промышленного выпуска подобных устройств.
Теоретическая часть
ТЕХНИЧЕСКАЯ ВОДА — вода, пригодная по содержанию примесей (твёрдых взвесей, эмульсий и растворённых веществ) для использования в технологические процессах, но непригодная для питья. Получается, как правило, в результате неполной очистки промышленных и бытовых стоков, из солёных морских или других природных и шахтных вод, из систем водооборота на нефтедобывающих, металлургических и других производствах.
Требования к технической воде регламентируются условиями её использования в соответствующих технологических процессах и эксплуатации водного хозяйства. В технической воде контролируются содержание твёрдых взвешенных веществ, солей жёсткости, pH и др. в зависимости от направления использования [1].
Использование воды в нефтяной и газовой промышленности имеет широчайший спектр как по применению, так и по требованиям к качеству очищенной воды. В этих отраслях следует обращать внимание на очистку воды как при непосредственной добыче нефти и газа, так и при их переработке.
Непосредственно на месторождениях задачами водоподготовки являются получение из близлежащих источников, питьевой воды, технической воды, воды для питания мобильных котельных, подготовка воды для получения пара с целью закачки в пласт и увеличения нефтеотдачи, очистка пластовых вод.
Практически во всех случаях системы водоподготовки для этих целей изготавливаются в блочно-модульном исполнении с большим уровнем автоматизации и минимизацией обслуживающего персонала [2].
Мутность и прозрачность
Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей – нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения.
Мутность воды обусловливают и некоторые другие характеристики воды – такие, как:
– наличие осадка, который может отсутствовать, быть незначительным, заметным, большим, очень большим, измеряясь в миллиметрах;
– взвешенные вещества, или грубодисперсные примеси, – определяются гравиметрически после фильтрования пробы, по привесу высушенного фильтра. Этот показатель обычно малоинформативен и имеет значение, главным образом, для сточных вод;
– прозрачность, измеряется как высота столба воды, при взгляде сквозь который можно различать узнаваемый знак (отверстия на диске, стандартный шрифт, крестообразная метка и т.п.).
Мутность определяют фотометрически (турбидиметрически – по ослаблению проходящего света или нефелометрически – по светорассеянию в отраженном свете), а также визуально – по степени мутности столба высотой 10–12 см в мутномерной пробирке. В последнем случае пробу описывают качественно следующим образом: прозрачная; слабо опалесцирующая; опалесцирующая; слабо мутная; мутная; очень мутная (ГОСТ 1030). Указанный метод мы и приводим далее в качестве наиболее простого в полевых условиях.
Метод Секки
Международный стандарт ИСО 7027 описывает также полевой метод определения мутности (а также прозрачности) воды с использованием специального диска, известного как диск Секки (рис. 1). Этот метод благодаря своей простоте получил распространение в образовательных учреждениях нашей страны. Диск Секки представляет собой диск, отлитый из бронзы (или другого металла с большим удельным весом), покрытый белым пластиком или белой краской и прикрепленный к цепи (стержню, нерастягивающемуся шнуру и т.п.). Диск обычно имеет диаметр 200 мм с шестью отверстиями, каждое диаметром 55 мм, расположенными по кругу диаметром 120 мм. При определении мутности с помощью диска его опускают в воду настолько, чтобы он был едва заметен. Измеряют максимальную длину погруженной цепи (шнура), при которой диск еще заметен. Измерения повторяют несколько раз, т.к. возможно мешающее влияние отражения света от водной поверхности. Для значений, меньших 1 м, результат приводят с точностью до 1 см; для значений больших, чем 1 м, – с точностью до 0,1 м. Данный метод удобен тем, что позволяет использовать для анализа мосты, наклоненные над водой деревья, обрывистые берега и др. В некоторых случаях анализ можно проводить и с берега, привязав шнур к длинной палке. Следует отметить, что некоторые детские коллективы при обследовании водоемов таким методом с успехом использовали вместо диска Секки белую эмалированную крышку от кастрюли соответствующего диаметра.
Рис. 1.
Метод качественного определения мутности
Оборудование
Пробирка стеклянная высотой 10–12 см, лист темной бумаги (в качестве фона).
Выполнение анализа
|
|
1. Заполните пробирку водой до высоты 10–12 см. |
||||||
|
|
2. Определите мутность воды, рассматривая пробирку сверху на темном фоне при достаточном боковом освещении (дневном, искусственном). Выберите подходящее из приведенных в табл. 1. Таблица 1 Мутность воды
|
Метод количественного определения мутности и прозрачности
Метод количественного определения прозрачности основан на определении высоты водяного столба, при которой еще можно визуально различить (прочесть) черный шрифт высотой 3,5 мм и шириной линии 0,35 мм на белом фоне или увидеть юстировочную метку (например, черный крест на белой бумаге).
Используемый метод является унифицированным и соответствует ИСО 7027.
Проведению анализа могут мешать вещества, окрашивающие воду, а также пузырьки воздуха.
Оборудование:
Ламинированный образец щрифта (высота 3,5 мм, ширина линии 0,35 мм) или юстировочная метка (2 шт.).
Пипетка для отбора воды, трубка для определения прозрачности (длина 600 мм; диаметр 25 мм), экран для трубки, шприц с соединительной трубкой.
Примечание. Для устойчивости трубку для определения прозрачности лучше закреплять в штативе.
Описанные выше методы я считаю приблизительными, так как в основном они все заключаться в вуальном определении светопропускания [5].
Lego EV3
Робот EV3 снабжен прогрессивным микропроцессором с расширенной памятью и поддержкой беспроводного соединения, датчиками расстояния, касания, цвета, мощным мотором, аккумуляторной батареей, строительными деталями, колесами, соединительными кабелями (рис. 2).
|
|
|
Рис. 2
Датчик света Lego EV3
Рассмотрим режим работы датчика цвета, который называется «Яркость отраженного света». В этом режиме датчик цвета направляет поток красного света на близкорасположенный предмет или поверхность и измеряет количество отраженного света. Более темные предметы будут поглощать световой поток, поэтому датчик будет показывать меньшее значение, по сравнению с более светлыми поверхностями. Диапазон значений датчика измеряется от 0 (очень темный) до 100 (очень яркий). При использовании этого режима рекомендуется располагать датчик таким образом, чтобы расстояние от него до исследуемой поверхности составляло примерно 1 см (рис. 3). Эти данные пригодятся нам при исследовании воды на прозрачность.
Рис. 3.
Перейдем к практическим измерениям: датчик цвета уже установлен на нашем роботе и направлен вниз к поверхности покрытия, по которому будет передвигаться наш робот. Расстояние между датчиком и полом соответствует рекомендуемому. Датчик цвета уже подключен к порту "2" модуля EV3. Загрузив среду программирования, подключим робота к среде и для проведения замеров воспользуемся полем с цветными полосами, изготовленным нами для выполнения заданий. Установим робота, таким образом, чтобы датчик цвета расположился над белой поверхностью. «Страницу аппаратных средств» среды программирования переключим в режим «Просмотр портов» (Рис. 4 поз. 1). В этом режиме мы можем наблюдать все выполненные нами подключения. На отображено подключение к портам "B" и "C" двух больших моторов, а к порту "2" - датчика цвета.
Рис.4 Рис.5
Для выбора варианта отображения показаний датчиков необходимо нажать на изображение датчика и выбрать нужный режим (рис. 5).
На рисунке 4 мы видим, что значение показания датчика цвета над белой поверхностью равно 84. В вашем случае может получиться другое значение, ведь оно зависит от материала поверхности и освещения внутри помещения: часть освещения, отражаясь от поверхности, попадает на датчик и влияет на его показания. Установив робота таким образом, чтобы датчик цвета расположился над черной полосой, зафиксировали показания равное 6. (рис. 6).
Рис. 6.
Вывод: Мы получили, что чем темнее поверхность, тем показания датчика выше, чем светлее, тем ниже.
Продумав все конструкционные элементы, мы приступили к конструированию модели.
Для создания модели робота – лаборанта мы использовали:
LEGO Mindstorms EV3
программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3
В таблице приведены основные блоки и их использование в проекте.
|
Изображение |
Название |
Для чего используется |
|
|
Модуль EV3
|
Служит центром управления и энергетической станцией для робота
|
|
|
Датчик цвета |
Датчик цвета — это цифровой датчик, который может работать в трех разных режимах: в режиме «Цвет», в режиме «Яркость отраженного света» и в режиме «Яркость внешнего освещения». В режиме «Яркость отраженного света» датчик цвета определяет яркость света, отраженного от лампы, излучающей красный свет. Датчик использует шкалу от 0 (очень темный) до 100 (очень светлый). Это означает, что ваш робот может быть запрограммирован таким образом, чтобы он двигался по белой поверхности до тех пор, пока не будет обнаружена черная линия, или чтобы он интерпретировал идентификационную карточку с цветовым кодом. |
|
|
Большой мотор
|
Позволяет запрограммировать точные и мощные действия робота
|
Сборку робота мы начали с части, которая нам нужна, для того чтобы робот был устойчив. Далее мы прикрепили датчик цвета к основному модулю EV3. Сорбали червячный спуск приспособления с чёрным квадратом. С этого квадрата робот будет считывать данные сквозь воду. У нас получилась вот такая модель робота – исследователя (рис. 7).
Рис. 7
Далее мы создали программу определения прозрачности воды в среде программирования LEGO MINDSTORMS EV3
Проведение замеров с помощью робота - исследователя
Я рассмотрел воду с пяти разных вод Пуровского района. Проведя замеры роботом, получили следующие результаты (таблица 2).
Таблица 2
Результаты оценки прозрачности воды в водоёмах
|
Объект |
№1 |
№2 |
№3 |
№4 |
№5 |
Среднее значение |
Вывод |
|
Река Пяко Пур |
58 |
97 |
60 |
73 |
56 |
68,8 |
Мутная |
|
Река Вынга Пур |
25 |
30 |
25 |
20 |
21 |
24,2 |
Средней прозрачности |
|
Река Пурпе |
15 |
14 |
15 |
16 |
17 |
15,4 |
Прозрачная |
|
Голубое Озеро |
18 |
13 |
13 |
14 |
11 |
13,8 |
Прозрачная |
|
Река Харампур |
14 |
15 |
14 |
17 |
17 |
15,4 |
Прозрачная |
Вывод
По полученным данным могу сделать следующий вывод, что чем значение датчика выше, тем вода мутнее.
Заключение
На основании полученных результатов оказалось, что вода в реках нашего региона более или менее прозрачная. А значит, что экологическое состояние рек на момент проведенного исследования было более не таким уж и плохим. Задача человека использовать воду и ее свойства в свое благо, не создавая проблем в водной экосистеме, которые могут привести к катастрофе – загрязнению и сокращению объемов пресных вод и вод морей и океанов. Наиболее опасно является загрязнение водной среды. Прозрачность – это не только один из показателей, но есть ещё и другие. При сохранении такой экологической ситуации можно рассчитывать на то, что прозрачность воды сохранится в исходном состоянии ещё не один год.
Итак, использование автоматизированного процесса определения прозрачности воды позволило получить более точные данные, уменьшив тем самым себестоимость и временные затраты лабораторных исследований.
Робот – исследователь может быть использован как прототип промышленного выпуска подобных устройств.
Литература:
- Горная энциклопедия. Техническая вода. http://www.mining-enc.ru/t/texnicheskaya-voda/
- Водоподготовка в нефтяной и газовой промышленности. Альтаир. http://www.altair-aqua.ru/napravlenija-dejatelnosti/vodopodgotovka/neftegazodobycha/
- LEGO Mindstorms 45544 Образовательный набор EV3 + зарядное устройство. ROBO 3.https://robo3.ru/categories/lego/komplekt_lego_education_osnovy_robototekhniki/?utm_source=yandex.direct&utm_medium=cpc&utm_campaign=13687171&utm_term=mindstorms%20ev3&yclid=1454684111728810978
- Датчик цвета – режим "Яркость отраженного света". Robot-help.ru Помощь начинающим робототехникам. https://robot-help.ru/lessons/lesson-6.html
- Мутность и прозрачность. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. Российский химико-аналитический портал ANCHEM.RU http://www.anchem.ru/literature/books/muraviev/020.asp
