Проекты

Использование лазера для измерения концентрации взвешенных частиц в воздухе

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Электроника, Инженерия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1259
Предметы: Физика, Экология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Частицы всех размеров способны нести вред. И мы вдыхаем их. Вопрос в том, какую среднесуточную дозу получает организм. Здесь важно учесть, что загрязнение пылевыми частицами неравномерно. Например, когда в населённых пунктах проходит реконструкция тротуаров, дорог фасадов зданий, это сопровождается выделением большого объёма пылевых частиц в зоне проведения работ. Таким образом, важно понимать, в каких районах города выше уровень пылевого загрязнения, чтобы по возможности избежать нахождения в них. Для этого нужно знать уровень загрязнения в разных частях города. Реальную концентрацию частиц в воздухе оценивают различные службы экомониторинга по всему миру, но часто проблему нужно решать индивидуально для каждого человека и решать по возможности оперативно, как можно скорее.

Цель

Создание простого прибора для определения степени загрязнения воздуха твёрдыми частицами в различных районах города.

Задачи

  1. Рассмотреть современное состояние проблемы.

  2. Разработать и собрать устройство, состоящее из фоторезисторов, операционного усилителя, лазера красного цвета, цифрового вольтметра, способное измерять степень загрязнения воздуха.

  3. Используя прибор, провести измерения загрязнения воздуха.

  4. Обобщить результаты проведённых измерений.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Паяльная станция

  • Набор радиоэлементов

  • Макетная плата и пластиковый корпус

Описание

Автором была выдвинута гипотеза о возможности измерения запылённости воздуха с помощью лазера на основе способности пылевых частиц рассеивать и поглощать лазер. Первый этап – получение информации. Автором было изучено современное состояние проблемы, свойства пылевых частиц и их способность наносить вред здоровью людей. Второй этап – сборка прибора Автором была создана схема и собран по ней прибор. Данный прибор получился сравнительно небольшим и лёгким, а также недорогим. Масса – 490 г, стоимость – около 2000 рублей. Это сделало прибор доступным, а низкая цена выделяла его в сравнении с существующими измерительными приборами. Третий этап – проведение измерений. С помощью прибора автор произвёл измерения в различных частях Москвы. На четвёртом этапе была проведена работа с полученными данными. Автор сделал вывод о способности прибора качественно оценивать концентрацию пылевых частиц в различных частях города. Были выдвинуты некоторые гипотезы, например: концентрация взвешенных частиц возрастает вблизи крупных автострад (Волгоградский проспект, Комсомольский проспект) и рядом со стройплощадками (Павелецкая площадь). Концентрация частиц на территории парков снижена. Также можно отметить, что по уровню концентрации взвешенных частиц место для курения сопоставимо с загруженными автострадами. Эксперимент был основан на том, что лазер может частично поглощаться и рассеиваться взвешенными частицами, через которые он проходит. Таким образом, показание на вольтметре меньшей энергии означает большую запылённость воздуха, так как пыль создаёт препятствие для прохождения лазера.

Результаты работы/выводы

В ходе анализа литературы было установлено, что ПДК частиц составляет 0,15 мг/м3 для среднесуточной и 0,5мг/м3 для разовой концентрации. Частицы могут быть условно разделены на мелкие, средние и крупные в зависимости от размера. Все частицы несут потенциальную угрозу. Частицы являются аллергенами, переносчиками бактерий, вирусов и спор грибов, которые также способны вызывать проблемы, связанные со здоровьем людей. С помощью паяльника и прочих инструментов был сконструирован простой прибор по придуманной схеме. Были проведены измерения в местах Москвы, различающихся по некоторым характеристикам (количество деревьев, близость дороги, закрытость, наличие строительных работ).

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем я планирую усовершенствовать данное устройство, использовать его для получения количественных характеристик содержания твёрдых частиц в воздухе. Сравнение полученных данных со значениями ПДК для различных видов загрязнения позволит контролировать степень запылённости воздуха, а в случае несоответствия с установленными нормами (превышением ПДК) – оперативно сообщать об этом. Данное устройство является простым и доступным инструментом для предупреждения людей о потенциальной угрозе здоровью. В работе был использован лазер диапазоном 0,65 микрон, а это значит, что прибором воспринимались лишь частицы вблизи данного диапазона. Однако можно расширить диапазон с помощью некоторой модификации прибора. Для этого в схему добавляются ещё 3 лазера с различной длиной волны, так, чтобы их волны не пересекались. Так как операционный усилитель Н1401УД2А состоит из 4-х раздельных усилителей, то выходные сигналы каждого мостика будут поступать на свой усилитель и через разделительные диоды – на вольтметр. Таким образом, вольтметр будет суммировать сигналы от разных датчиков о концентрации различных размеров частиц. В конечном счёте с помощью нашего прибора можно создать целую сеть, которая позволит производить постоянный мониторинг загрязнённости воздуха пылевыми частицами. Небольшая цена прибора делает возможным его применение людьми.

Мнение автора

«Это мой первый опыт участия в конференции «Инженеры будущего», но он оказался очень интересным и плодотворным. Я не ставил себе целью какие-либо достижения в этом конкурсе, а лишь хотел проверить свои силы. Спасибо, что даёте московским школьникам возможность совершенствоваться и раскрывать таланты!»