Проекты

Исследование жесткости воды при помощи устройства на платформе Arduino

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Экология и природопользование»

Направление работы: Экологический мониторинг
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1530 «Школа Ломоносова»
Предметы: Физика, Программирование
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

В повседневной жизни мы постоянно с различными целями используем питьевую и проточную воду. Качество этой воды играет важную роль для нашего комфорта и здоровья. Одним из показателей качества является степень минерализации воды, или жесткость – концентрация растворенных в воде минеральных солей.

Самый простой способ определить степень минерализации воды – это вычислить ее электропроводность. Чем выше концентрация в жидкости минеральных солей, которые являются электролитами, тем выше электропроводность и, соответственно, ниже сопротивление. Именно этим свойством автор воспользовался для определения жесткости воды в рамках проекта.

Цель

Создать прибор на платформе Arduino, позволяющий определить степень минерализации воды.

Задачи

1. Выяснить, какие составные части необходимы для создания прибора.

2. Разработать макет прибора.

3. Собрать прибор.

4. Установить на устройство ПО, необходимое для его работы.

5. Протестировать готовое устройство и убедиться в его работоспособности.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

  • микрокомпьютер Arduino
  • проектная плата
  • LCD-дисплей
  • соединительные провода
  • резистор с известным сопротивлением

Описание

Для создания прибора по разработанной схеме автору понадобился микрокомпьютер Arduino Uno, специальная макетная плата для удобства сборки, LCD-дисплей для вывода информации, резистор с известным значением сопротивления (2 кОм) и провода-перемычки.

Автор взял за основу в интернете скетч-программу «Омметр на Arduino» для определения сопротивления и загрузил ее в память устройства.

Автор протестировал прибор на образцах воды с известной жесткостью, чтобы определить, какое значение сопротивления у жесткой, мягкой и нормальной питьевой воды.

Для измерения сопротивления взяли три образца воды с различной степенью минерализации: дистиллированная вода (образец 1), питьевая вода (образец 2) и сильно минерализованная вода (образец 3). Концентрация солей в дистиллированной воде равна нулю, хотя получить полностью дистиллированную воду с нулевым содержанием солей и бесконечно большим сопротивлением в домашних условиях невозможно.

Все образцы жидкости обладают одинаковой температурой, так как температура жидкости оказывает непосредственное влияние на ее электропроводность. Чтобы доказать этот факт, измерили сопротивление тех же образцов (2 и 3) при более высокой температуре.

При повышении температуры сопротивление тех же образцов воды сильно падает. Данный прибор не предусматривает измерение температуры. Возможно определить жесткость воды только при температуре, приблизительно равной 20 ̊C.

Автор доработал скетч-программу. В диапазоне сопротивления от 45 кОм до 55 кОм прибор выводит на дисплей характеристику “normal water”, если сопротивление выше – “soft water”, если ниже – “hard water”.

Результаты

1. Создан прибор на базе Arduino, позволяющий определить степень минерализации воды.

2. Определена жесткость воды при помощи измерения ее электропроводности.

Выводы

1. У созданного прибора есть недостатки по сравнению с промышленными или лабораторными устройствами аналогичного принципа действия: он дает верные показания только для воды при температуре примерно 20 ̊C, а также имеет погрешность, обусловленную большой разницей между известным и искомым сопротивлениями.

2. При повышении температуры сопротивление тех же образцов воды сильно падает, а электропроводность, соответственно, растет.

3. Прибор рабочий и обладает такими преимуществами, как относительная компактность, возможность легко отремонтировать или воссоздать в домашних условиях и многофункциональность.

Перспективы использования результатов работы

В дальнейшем к устройству можно добавить термометр, чтобы прибор показывал истинное значение для воды любой температуры, а не только комнатной (при 20 ̊), так как сопротивление также зависит от температуры воды, а значит, необходимо делать поправку в вычислениях. Также можно добавить корпус для более удобного использования в быту.