CC BY
11
УДК 681.785.582
Даниловских М.Г.
к. с/х. н. преподаватель высшей категории, НовГУ,
Великий Новгород, РФ
Винник Л.И.
к. с/х. н. доцент, НовГУ, Великий Новгород, РФ
СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ МИНИ-СПЕКТРОГРАФ/СМАРТФОН ДЛЯ ЭКСПРЕС-АНАЛИЗА
Аннотация
Рассматривается вопрос создания системы мини-спектрограф/смартфон с целью визуализации спектров излучения, поглощения, отражения с отображением их на экране смартфона, позволяющей проводить экспресс-анализ в реальном режиме времени в полевых условиях.
Ключевые слова:
оптический акрил, схема Черни-Тернера, входная щель, призма полного внутреннего отражения,
дифракционная решетка, ПЗС-детектор.
В современных экологических условиях информация о состоянии окружающей среды становится наиболее важной, так как она необходима людям для планирования своей деятельности [1, 2]. Мониторинг природной среды, природных ресурсов, флоры и фауны становится все более сложным и мониторинг ее состояния должен обеспечиваться постоянно в режиме реального времени. Одним из методов экологического мониторинга является оптический метод. Без знания химического состава флоры и фауны невозможно оценить состояние сельскохозяйственных угодий; поэтому были разработаны специальные методы определения химического состава растений, в том числе метод спектрального анализа [3].
Быстрый и точный анализ используется в сельском хозяйстве и пищевой промышленности — это анализ физико-химических и биологических показателей сельскохозяйственных культур, и почвы, пищевых продуктов на наличие примесей токсичных элементов и тяжелых металлов, прикладных юридических наук, таких как судебная медицина, токсикология, геммология; в химическом и органическом синтезе новых соединений, в экологии, промышленности и т.д. и позволяет точно и быстро изучать элементный состав вещества [4]. На (рис. 1) изображено лабораторное оборудование для спектрального анализа.
Введение
Искролайн 100 спектрограф для онализа металлов и сплавов
лих:
спектрограф для анализа горных порол
Рисунок 1 - Лабораторные измерительные спектрометры различного назначения
Но все чаще приходится проводить спектральный анализ, так сказать, в «поле» (то есть в том месте, где находится анализируемый объект). Поэтому для спектрального «экспресс-анализа» нельзя использовать дорогостоящее, громоздкое и сложное лабораторное измерительное оборудование, требующее квалифицированного персонала.
Спектральный «экспресс-анализ» чаще всего используется для разовой оценки, а также в экстренных ситуациях (пожары, взрывы, катастрофы и т. д.).
Основным преимуществом спектрального «экспресс-анализа» является простота, доступность, скорость и мобильность оборудования, используемого для применения этих методов в полевых условиях, т.е. непосредственно на месте анализируемого объекта [5, 6].
В настоящее время для экспресс-анализа в полевых условиях используются либо простые оптические мини-спектрометры, либо мини-спектрографы, которыми могут пользоваться только специалисты [7, 8]. Это отдельные устройства, некоторые из них имеют возможность подключения к смартфону для передачи данных о собранных спектрах в общую базу данных (рис. 2).
Современное развитие электронной промышленности позволяет решить эту проблему на основе новых технологий. Решение данной проблемы видится в применении смартфонов, на базе которых возможно создать комбинированную автономную систему для выполнения спектроскопических измерений в режиме реального времени в полевых условиях.
Конструкции системы мини-спектрограф/смартфон
Смартфон — это своеобразный компьютер и как всякое вычислительное устройство обладает процессором для обработки данных, ЖК-экраном для отображения информации, портом USB для подключения периферийных устройств, операционной средой и системой, поддерживающей беспроводную связь с возможностью подключения к другим мобильным телефонам и Интернету. Все это делает смартфон идеальной платформой для поддержки приложений, связанных со спектральной обработкой данных, полученных со спектрографа. Но спектрограф — это габаритное устройство поэтому для создания системы спектрограф/смартфон был создан мини-спектрограф с возможностью подключения его к смартфону.
Созданная система мини-спектрограф/смартфон состоит из двух частей это сам мини-спектрограф и работающий с ним в купе смартфон. Мини-спектрограф, работающий в первом и втором порядке длин волн, в диапазоне 400-700 нм и имеющий минимальные размеры [10]. Смартфон, предназначенный для регистрации, первичной обработки спектра, хранения и передачи информации о полученных спектрах на базовую станцию.
Мини-спектрограф предназначен для подключения к смартфону через модуль Bluetooth-HC-05. Монолитный оптический элемент в виде цельного куска изготовлен из акрила (ПММА) с показателем преломления около 1,49 и оптической схемой Черни-Тернера (рис. 3).
Мини-ПЗС спектрограф
Мини-спектрограф С-13560
Рисунок 2 - Примеры мини-спектрографов различного назначения
Вых. зеркало Вх. зеркало
Рисунок 3 - Оптическая схема Черни-Тернера
Входная щель, входное зеркало с радиусом Я, дифракционная решетка, сферическое выходное зеркало с радиусом Я и линейный ПЗС-приемник расположены на твердой поверхности моноблока и обеспечивают дифракцию первого и второго порядков с фокусированным спектром на выходной поверхности моноблока, на которой укреплен ПЗС-детектор. (рис. 4).
Рисунок 4 - Монолитный акриловый корпус
Изготовление мини-спектрографа из монолитного акрилового корпуса исключает необходимость подгонки и юстировки внешних монтажных элементов при его изготовлении. Неиспользуемые поверхности монолитного корпуса покрыты черным эпоксидным клеем с показателем преломления, примерно равным показателю преломления акрилового корпуса.
Мини-спектрограф конструктивно состоит (рис. 5)
i
* mir I
'"Li
а
Рисунок 5 - Конструкция мини-спектрограф
Из оптической призмы для сбора света и направления его на входную щель спектрографа (рис. 6),
Рисунок 6 - Призмы полного внутреннего отражения с держателем Пластиковой щели (рис. 7),
Рисунок 7 - Пластиковая входная щель
Оптической решетки дифракционной (рис. 8), вклеенной в специальное посадочное место монолитного корпуса,
Рисунок 8 - Плоская отражательная дифракционная решетка
Коллимирующее и фокусирующее зеркала, покрытые протекторной защитой от окисления на воздухе алюминиевого слоя (рис. 9),
Рисунок 9 - Монолитный акриловый корпус с входным и выходным зеркалами
Выходная поверхность, на которую наклеен модуль регистрирующего устройства — линейный ПЗС-детектор (рис. 10),
Рисунок 10 - Линейный ПЗС-детектор
От линейного ПЗС-детектора данные передаются по гибкому полиамидному кабелю на электронную плату регистрации (рис. 11),
Рисунок 11 - Плата электронной регистрации
Затем через модуль В1ие^о^-НС-05 передается на смартфон для дальнейшей обработки (рис. 12).
Рисунок 12 - Модуль Bluetooth-HC-05
Мини-спектрограф работает следующим образом. Излучение от исследуемого источника направляется через призму с полным внутренним отражением на входную щель монолитного корпуса спектрографа. После входной щели световой пучок, проходя через монолитный корпус спектрографа, попадает на входное зеркало, которое коллимирует падающий световой пучок и направляет его на отражающую дифракционную решетку. Дифрагированный свет, отраженный от решетки, собирается и фокусируется выходным зеркалом на выходную поверхность с регистрирующим элементом (ПЗС-
детектором). Данные с ПЗС-детектора передаются по гибкому полиамидному кабелю на электронную плату регистрации с интерфейсом USB, а затем через модуль Bluetooth-HC-05 передаются на смартфон для дальнейшей обработки.
Заключение
Экспресс-анализ с помощью системы мини-спектрограф/смартфон позволяет не только записывать и визуально наблюдать на экране спектры поглощения, отражения и излучения, но и выбирать метод обработки, отображать результат обработки в режиме реального времени и оценивать результаты анализа. Спектральные свойства через программный интерфейс, быстрое изменение параметров обработки с отображением результата изменения на экране, хранение или передача данных на базовую станцию.
На (рис. 14) показан смартфона с интерфейсом программы контроля, регистрации и обработки спектра излучения.
Рисунок 14 - Смартфон с интерфейсом программы
Список использованной литературы:
1. Чернышов, В.Б. Экологическая защита растений // Проблемы энтомологии в России. Сб. научн. Трудов XI Съезда РЭО / СПб ЗИНРАН. - 1998. - т.2. - С. 199-200.
2. Кирюшин, В.И. Экологические основы земледелия / В. И. Кирюшин. - М.: Колос. - 1996. - 376 с.
3. Евсеев, В.В. Модель экологически безопасной защиты зерновых культур от болезней в агроландшафтах Уральского региона / В.В. Евсеев // Вестник защиты растений. - 2013. - №2.- С. 13-25.
4. Ничипорович А.А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. М.: Наука, 1972. С. 511.
5. Карначук Р.А., Дорофеев В.Ю., Медведева Ю.В. Фоторегуляция роста и продуктивности растений
картофеля при размножении in vitro // VII Съезд общества физиологов растений России, Международная конференция «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» 4-10 июля 2011. - Нижний Новгород, 2011. - С. 313-314.
6. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений / Под редакцией И.П. Ермакова Изд.: Москва, «Академия»: 2005.
7. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: для вузов. — 6-е изд., стереот. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848с.
8. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. Изд. 2-е, доп. И перераб. Л.: Машиностроение, 1975. 312 с.
9. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972.
10.Патент РФ № 205270 «Мини-спектрограф для полевых измерений» Даниловских М.Г., Винник Л.И., Стрещук В.А. Опуб. 06.07.2021г. Бюл. № 19.
© Даниловских М. Г., Винник Л. И., 2022
УДК 621.315
Каратеев А.Ф.
магистрант 2 курса ГУАП, г. Санкт-Петербург, РФ
СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
Аннотация
Известно несколько способов гашения дуги в электрических аппаратах
Ключевые слова
Гашение дуги, дугогасительные устройства, формы продольных щелей
Коммутация электрической цепи - неотъемлемая часть работы любого электрического аппарата. Размыкание контактов, по которым в данный момент времени протекает электрический ток, приводит к возникновению дугового разряда, который влечет за собой их эрозию. Само возникновение дуги говорит о том, что в воздушном пространстве между контактами существует термическая ионизация воздуха. При этом в процессе ионизации происходит отделение свободных электронов и ионов от нейтральных частиц. Деионизация воздушного промежутка между контактами коммутатора является физической основой процесса отключения цепи. Условие для гашения электрической дуги при постоянном токе можно сформулировать как:
ид > и - iR,
где ид - напряжение дуги;
и - напряжение питающей сети;
i - ток;
R - сопротивление цепи.
Стоит отметить, что в случае переменного тока ток в дуге переходит через нуль каждый полупериод, что создаёт условия для гашения электрической дуги, но, тем не менее, это не является гарантией того, что дуга погаснет.
Зная условия погасания электрической дуги, можно создать систему или конструкцию для её гашения. Ниже будут рассмотрены способы гашения электрической дуги отключения[3].
