Автоматизированный комплекс для химического анализа донных осадков

Актуальность

Дно морей и океанов покрыто мощным слоем рыхлых отложений, донных осадков. Исследование состава донных осадков очень важно для строительства морских сооружений, поиска и добычи минеральных ресурсов, изучения изменений климата на нашей планете и истории формирования Мирового океана. Химический состав – это одно из важнейших свойств донных осадков. Существует большое количество методов для его определения. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) является одним из наиболее распространенных и быстрых способов оценки содержания элементов от Mg (магния) до U (урана) в исследуемом образце. В ходе анализа изучаемое вещество подвергается воздействию рентгеновского излучения, в результате чего из внутренних электронных оболочек его атомов выбиваются электроны. Их место занимают электроны из внешних оболочек. При таком переходе возникает ответное «флуоресцентное» излучение от вещества. Анализ характеристик такого излучения позволяет определить, какие элементы и в каком количестве находятся в составе исследуемого образца (Бахтиаров, Савельев, 2014). Проведение РФА – это сложная, монотонная и небезопасная работа. Количество образцов для анализа после каждой геологической научной экспедиции ИО РАН исчисляется сотнями и тысячами. Доступных решений для автоматизированного анализа химического состава серий образцов в соответствии с требованиями и протоколами ИО РАН не существует. На проведение данного вида анализа затрачивается большое количество времени специалистов. Значительный объем работы и сжатые сроки её выполнения повышают вероятность ошибок за счет «человеческого фактора».

Цель

Создать автоматизированный комплекс для выполнения в автоматическом режиме анализа химического состава образцов отложений, поднятых со дна морей и океанов.

Задачи

1. Проектирование, изготовление и сборка основных конструкционных элементов комплекса.
2. Подбор электронных компонентов, проектирование и создание схем соединения электронных компонентов.
3. Написание программы управления комплексом.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Макет анализатора Olympus Vanta
• 3D-принтер и PLA-пластик
• Лазерный ЧПУ-станок для раскроя листовых материалов
• Паяльная станция
• Алюминиевый конструкционный профиль
• Компьютеры с установленным ПО (Драйвер шагового двигателя, Arduino IDE, С++, Autodesk Fusion 360)
• Плата Arduino Leonardo
• Блок питания 12В, 60Вт
• ЖК-экран
• Модуль джойстика
• Шаговый двигатель NEMA17 с зубчатым шкивом на валу и креплением
• Плата для подключения шагового двигателя к Arduino
• Зубчатый приводной ремень и натяжной ролик
• Полированные цилиндрические валы с держателями
• Сканер QR и штрих-кодов
• Светодиоды
• Концевые выключатели
• Тактовая кнопка
• Зуммер (модуль звукового оповещения)
• Крепеж, соединительные провода и кабели
• Оргстекло и фанера

Описание

Авторы выполняли работу над проектом на базе IT-полигона ГБОУ Школа № 2065 с использованием материальных ресурсов школы. Конструкционные элементы установки проектировались с помощью ПО Autodesk Fusion 360 и печатались на 3D-принтере PLA-пластиком.

Авторы проекта подобрали необходимые электронные компоненты и спроектировали схему электронных соединений. Программное обеспечение разрабатывалось автором проекта на языке C++ в среде разработки Arduino IDE.

Параметры печати выбирались так, чтобы добиться экономичности расхода пластика, сохранения прочностных характеристик деталей и минимизации их массы. Часть деталей была изготовлена методом лазерной резки на станке с числовым программным управлением. Полученные конструкционные элементы были смонтированы на раме из конструкционного алюминиевого профиля.

Комплекс включает в себя рентгенофлуоресцентный анализатор химического состава Olympus Vanta C (макет), раму из алюминиевого профиля с подвижным толкателем для перемещения образцов на анализатор и систему подачи образцов для анализа. Система подачи представляет собой вертикальный тубус, в котором находится ряд специализированных пластиковых контейнеров (кювет) с высушенными и растертыми в порошок образцами донных осадков. Верхняя часть кюветы закрыта крышкой, на которой нанесен штрих-код с номером образца. Нижняя часть закрыта специальной прозрачной пленкой. Образцы под своим весом опускаются из тубуса на рабочую поверхность, на траекторию движения толкателя. Толкатель соединен зубчатым ремнем с шаговым двигателем и движется поступательно по направляющим (цилиндрическим полированным валам). Под контролем Arduino Leonardo толкатель захватывает образец и перемещает его на контактную площадку анализатора. Перемещение толкателя ограничивается концевыми выключателями, при фиксировании нажатия которых Arduino останавливает шаговый двигатель. Сканер штрих-кода установлен на тубусе с образцами и срабатывает по команде от Arduino, считывая номер образца на крышке кюветы. Arduino соединяется USB-кабелем с анализатором, на котором установлена операционная система Linux. Arduino Leonardo эмулирует работу подключенной к анализатору клавиатуры и вводит в нужные поля информацию об образце, считанную сканером с крышки кюветы.

Анализ запускается за счет эмуляции нажатия горячих клавиш на клавиатуре Arduino Leonardo, после чего контроллер уходит в режим ожидания на время выполнения анализа (1-2 минуты). Контроль шагового двигателя осуществляется через драйвер A4988, подключенный к Arduino. Начало и завершение анализа обозначается световыми и звуковыми сигналами. Текущий статус работы комплекса отображается на ЖК-дисплее. Перемещение толкателя можно осуществлять в ручном режиме с помощью джойстика.

Результаты работы/выводы

В результате работы над проектом был создан прототип комплекса для анализа химического состава серий образцов донных осадков.

Роботизированный комплекс, предложенный в данном проекте, имеет сравнительно невысокую стоимость, обеспечивает увеличение производительности более чем в полтора раза по сравнению с проведением анализа вручную, повышает точность и безопасность работ при сохранении высокой мобильности и возможности использования на научных судах.

Перспективы использования результатов работы

В ходе реализации проекта выделен ряд направлений и перспектив для дальнейшей работы:

1)     Совместно со специалистами планируется создать более совершенную систему обратной связи между роботом-манипулятором, подъемным устройством и анализатором для корректной работы комплекса при возникновении ошибок и нештатных ситуаций.

2)     Необходимо доработать программное обеспечение, объединив управление работой всего комплекса с одного пульта.

Результаты проекта могут быть интересны специалистам других ВУЗов, академических институтов и компаний: ГИН РАН, ИГЕМ РАН, Геологический факультет МГУ, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, ООО «Олимпас Москва».

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Награды/достижения

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся 2021 года – победитель;

2. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2021 г. – призёр;

3. Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» Открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Интеллектуальные робототехнические системы, беспилотные аппараты» среди работ учащихся 10–11 классов 2021 г. – призёр;

4. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» по направлению «Многообразие науки» 2022 г. – победитель;