"Оценка качества воздуха с помощью прибора анализа концентрации газов"

Районный этап конференции юных исследователей окружающей среды

Номинация: «Экология человека и его здоровье»

Тема работы: «Оценка качества воздуха  с помощью прибора анализа концентрации газов»

Подготовил:

Поляков Михаил Евгеньевич,

ученик  9 класса

Основное место учебы: 359189

Республика Калмыкия,

Целинный район, пос. Хар – Булук,

ул.  О.Кошевого, 6.

Домашний адрес: 359189

Целинный район,

пос. Хар – Булук, ул. Шевцовой, 1/1

Контактный  телефон: 89615492636

Руководитель:

Лиджиева Ирина Григорьевна,

учитель биологии

МОКУ «Хар – Булукская СОШ».

Адрес места работы: 359189

пос. Хар – Булук,

ул.  О.Кошевого, 6.

Контактный телефон: 89615492636

e-mail: lirinag@yandex.ru

п. Хар – Булук, 2018г.

Оглавление                                                                                                                     стр.

Введение.

Тема нашей работы: «Оценка качества воздуха с помощью прибора анализа концентрации газов». Я выбрал именно эту тему для  исследования, потому что в будущем хочу связать свою жизнь с информатикой и информационной безопасностью. А так как я являюсь членом эколого-этнографического объединения «Надежда», и имею уже несколько учебно-исследовательских работ по экологической тематике, то мне пришла мысль связать эти два направления воедино и провести эксперимент по анализу качества воздуха на содержание в нем угарного и углекислого газов с помощью самодельного прибора, созданного при помощи знаний по физике и информатике.

Актуальность нашей работы определяется тем, что проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды никогда не потеряют своей значимости и с каждым годом будут все более обостренными. Объясняется это тем, что экология  влияет не только на  наше здоровье, но и на настроение,  успешность и качество жизни.

Новизна.

На сегодняшний день существует достаточное количество  исследовательских работ,  посвященные оценке качества атмосферного воздуха  вообще. Однако мы решили изучить эту тему на примере своего дома с использованием самодельного прибора Arduino и в этом заключается новизна нашего исследования.

Место исследования: п. Хар – Булук. Продолжительность исследования: 6 месяцев.

Цель исследования: определить уровень  качества воздуха домашних помещений  по измерению концентрации углекислого и угарного газов с  помощью самодельного прибора Arduino.

Для достижения поставленной цели нам необходимо решить следующие задачи:

-  изучить литературу по теме исследования;

- смоделировать и создать прибор для измерения концентрации угарного и углекислого газов;

- провести серию опытов по измерению концентрации CO и  СО2  домашних помещений и проанализировать полученные результаты;

- дать рекомендации по улучшению качества воздуха в помещениях моего дома.

Глава 1. Краткий обзор литературы по теме исследования.

Здоровье человека напрямую зависит от окружающей среды, и в первую очередь от воздуха, которым он дышит. Качество воздуха влияет на жизнедеятельность человеческого организма, его работоспособность и общее самочувствие. Недаром,  экологии и,  в частности, проблеме чистого воздуха уделяется так много внимания.  

Из литературных источников я узнал, что в воздухе жилых помещений существуют определенные,  предельно допустимые  концентрации угарного и углекислого газов.

Кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в концентрациях  1000 ррm и 5000 ррm  вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращения и электрической активности головного мозга. Согласно  рекомендациям ученого О. В. Елисеевой, данные  еще в 60-е годы,   содержание СО2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 1000 ррm, а среднее содержание СО2 должно быть около 500 ppm.[5,14]. Несмотря на то, что даже кратковременное воздействие вызывало нежелательный эффект, ни ПДК, ни какие-либо другие нормативы по углекислому газу в то время в СССР не были приняты.

Таблица 1.

В странах Европы и Северной Америки нормой считается 1000 ppm. Именно в соответствии с этими цифрами рассчитывается вентиляция зданий. В школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока будет налажена вентиляция. 

Таблица 2.

Влияние уровня углекислого газа в помещении на состояние человека

Проблема углекислого газа в помещении реально существует. Для жилых, офисных, учебных и других помещений в России определённые нормы содержания СО2 до сих пор отсутствуют. Для учебных помещений у нас существует ГОСТ 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях», в основу которого положен  Европейский стандарт 2004 года по качеству воздуха в помещениях с пребыванием людей. [12] В Европейском стандарте сказано, что воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ррм содержания  СО2, но не должен превышать 1000 ppm. Классификация качества воздуха по концентрации СO2 для помещений с людьми приведены в таблице. [11,15]

Для детских учреждений, больниц рекомендуют поддерживать воздух 1-го класса качества. В Европейских странах и Северной Америке есть организации, которые следят за качеством воздуха в школах и офисах и проводят замеры уровня СО2. Рекомендовано, чтобы уровень двуокиси углерода в школах, дошкольных учреждениях, офисах и жилых помещениях не превышал 1000 ppm. Обеспечить такое соотношение должны системы вентиляции и кондиционирования.

В России такие замеры не проводятся, более того, о существовании проблемы негативного влиянии повышенного уровня СО2 в помещении на детей и взрослых пока мало кто знает, а самое главное, как я выяснил, никто не обсуждает[8].

Углекислый газ в атмосфере моря или лесного массива необходим для нормальной жизнедеятельности человека. Но если его концентрация увеличивается – он начинает отрицательно действовать на организм человека.

Если говорить об угарном газе, то его содержание в организме человека даже в небольших концентрациях приводит к опасным последствиям. Попадая  внутрь организма человека,  угарный газ соединяется с соляной кислотой, находящейся в желудке с образованием опасного для жизни химического вещества фосгена COCL2, который и приводит к летальному исходу.

Существуют предельно допустимые нормы содержания угарного газа в помещении, где находятся люди (см. таблицу3).                                                           Таблица 3.

Глава 2. Методика исследований.

В качестве материала для исследования мы использовали наши домашние помещения обычного сельского дома по ул. Пушкина, 15. Измерения качества воздуха проводились с помощью самодельного измерителя – контроллера на базе  Arduino UNO R3. Детали будущего измерителя были приобретены через Интернет, а затем смонтированы автором. Устройство программируется через обычный USB-интерфейс, можно управлять датчиками, диодами и так далее.

К нему присоединена Shield (плата), которая  упрощает процесс подключения модулей к Arduino и позволяет подключать несколько датчиков. В данном случае мы подключили  к ней  три датчика: аналоговый термометр, датчик углекислого газа и датчик угарного газа.

В аналоговом термометре установлен пьезоэлемент, который меняет напряжение в зависимости от температуры вокруг, это и становится измеряемым показателем. Этот термометр является самым простым термометром из линейки  Troyka-модулей.  С ним очень просто работать, мне  не пришлось  возиться с пайкой и мелкими компонентами на макете  -  всё уже готово. Если предварительно позаботиться об электрической изоляции модуля, то можно его использовать также для измерения температуры воды или масла. Модуль  работает в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C.

Остальные датчики являются электрохимическими, которые нагреваясь, изменяют свое напряжение в зависимости от концентрации газа в воздухе. Это отслеживает главный модуль. Затем все показания выводятся на ЖК-дисплей. Показания температуры выводятся в градусах Цельсия, показания газа -  в ppm.

Датчик углекислого газа MQ-135 (Troyka-модуль) построен на базе полупроводникового сенсора качества воздуха MQ-135. На логический выход датчик выдаёт аналоговый сигнал, пропорциональный концентрации углекислого газа и этот сигнал преобразовывает показания  в ppm - уровень концентрации газа в миллионных  долях.

Датчик угарного газа.

Неисправная вентиляция в гараже, забитая печная труба, тлеющие дрова угрожают нам и нашим близким  -  угарный газ бесцветен, не обладает запахом и крайне токсичен.

Датчик построен на базе полупроводникового газоанализатора MQ-7. На логический выход датчик выдаёт аналоговый сигнал, пропорциональный концентрации угарного газа.

Экран жидкокристаллического  дисплея  способен отображать одновременно до 32 символов (16 столбцов, 02 строки),  оснащён платой конвертером. Наличие конвертера облегчает подключение дисплея к Arduino.

 Все это устройство завернуто в корпус конструктора из ДСП. Питается устройство от кроны на 9 вольт, которая встроена в корпус.  При включении устройству необходимо время для калибровки, затем оно начинает выводить показания.  Прибор устанавливался нами в разных точках комнатного помещения, в зависимости от количества углекислого и угарного  газов.

2.1. Особенности платформы Arduino  UNO R3.

Для своей работы мы выбрали Arduino UNO R3 из-за обилия портов и большой производительности, что пригодится нам в будущем в реализации проекта. Это самое популярное и самое доступное устройство. Плата Arduino UNO R3 имеет удобный размер, не слишком большой, достаточно доступный из-за массового выпуска всевозможных клонов, под нее написано огромное количество бесплатных уроков и скетчей.

Arduino -  это открытая платформа. По сути, любой желающий может скачать схему с официального сайта или одного из популярных форумов, а затем собрать плату на основе контроллера ATmega.  Arduino может получать питание как через подключение по USB от компьютера, так и от внешнего источника питания от 7 В до 12 В. Arduino работает под управлением свободного ПО Arduino IDE, которую мы загрузили с вебсайта www.arduino.cc. Связь с компьютером  устанавливается через USB-кабель, предоставляя виртуальный COM порт программам на компьютере.

При первом включении необходимо подсоединить плату через USB-кабель к компьютеру; загрузить среду разработки Arduino IDE; установить драйвера; запустить среду разработки Arduino; выбрать плату и последовательный COM порт и только после этого загрузить скетч. В дальнейшем для начала работы с Arduino необходимо подключить плату к компьютеру и загружать готовый скетч или созданный для своих задач, если же программа отлажена, то остается только подключить платформу к питанию.

Сегодня на рынке можно встретить множество вариантов плат Arduino. Самыми популярными конкурентами Уно являются платы Nano и Mega. Первая пойдет для проектов, в которых важен размер.  Вторая -  для проектов, где  схема довольно сложна и требуется множество выходов.

Arduino Uno - отличный вариант платы для создания  своих первых умных устройств. 14 цифровых и 6 аналоговых пинов позволяют подключать разнообразные датчики, светодиоды, двигатели и другие внешние устройства. USB-разъем поможет подключиться к компьютеру для перепрошивки скетча без дополнительных внешних устройств. Встроенный стабилизатор  позволяет использовать различные элементы питания с широким диапазоном напряжения, от 6-7 до 12-14 В. В Arduino Uno достаточно удобно реализована работа с популярными протоколами: UART, SPI, I2C. Есть даже встроенный светодиод, которым можно помигать в своем первом скетче. 

2.2. Постановка эксперимента по анализу качества воздуха жилых помещений с помощью прибора Arduino Uno.

Есть много полезных приборов,  позволяющих увеличить качество воздуха в нашем доме -  увлажнители, ионизаторы, мойки воздуха, приточные вентиляции и фильтры.
Но этого недостаточно. Нужен прибор, которым вы могли-бы непосредственно померять качество воздуха в вашем доме. Что бы Вам было понятно и очевидно чем Вы дышите. Как температура на градуснике. 

Многие думают, что в мегаполисе воздух грязный именно на улице, где машины и заводы. А в помещении воздух чище. Но это совсем не так. Достаточно померять. Человек выдыхает в 100 раз больше СО2,  чем вдыхает. И в герметично закрытом помещении, тем более, если присутствует несколько человек, воздух становится удушливым очень быстро. В доме много мебели и отделочных материалов, выделяющих токсичные вещества. В квартире быстро скапливается пыль, которая может нанести серьезный вред нашему здоровью. Воздух в закрытом помещении в 4-8 раз грязнее, чем на улице, и в 8-10 раз токсичнее. И мы можем  это измерить и увидеть, если у нас есть соответствующие приборы. И понять, как часто нам стоит проветривать помещение, в любую погоду. 

Мы такой прибор собрали: это Arduino Uno.  С его помощью мы провели замеры качества воздуха на наличие в нем угарного и углекислого газов и температуры. Замеру были подвергнуты 5 жилых помещений нашего дома: зал, спальная комната, гостиная, компьютерная  и кухня.

а) эксперимент №1

Измерения мы проводили для сравнения  дважды: 2 сентября 2018г. и 2 октября 2018г. Результаты проведенных измерений  представлены нами  в таблице 4 (1-2).

Таблица 4.

Вывод: измерения, проведенные в жилых помещениях при закрытых окнах,  показали небольшое повышение уровня  концентрации углекислого газа, что соответствует проявлению следующих симптомов: по CO2:

 - 400-600: нормальное количество воздуха. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, школ и детских садов (гостиная, зал, спальная комната, кухня);

- 600-1000: появляются жалобы на качество воздуха (компьютерная комната)

- по  CO: количество угарного газа в жилых помещениях нашего дома ничтожны и не оказывают влияние на жизнь и здоровье его обитателей.

- по температуре: температурный режим жилых помещений нашего дома находится в норме, в соответствии с погодными условиями.

б). эксперимент №2.

Таблица 4.

Мы решили проверить, что произойдет  с выявленными показаниями, если  мы устроим сквозное проветривание?

При сквозном проветривании жилых помещений за 12 минут уровень концентрации снизился более чем в два раза.  При этом температура в помещении осталась в допустимой норме.

Вывод: для того, чтобы произошло снижение содержания  углекислого газа, для нормальной работы и нормального существования людей в этих жилых помещениях необходима вентиляция, которую обеспечивают различные режимы проветривания.

2.3. Рекомендации по снижению концентрации СО2  и  поддержанию оптимального воздушного режима в помещении.

Проведенный эксперимент по анализу качества воздуха жилых помещений позволил нам выработать  небольшие  рекомендации по снижению концентрации СО2 и поддержанию оптимального воздушного режима:

1. Жилые  помещения проветриваются ежедневно в утреннее время (окна находятся в режиме проветривания);

2. Дополнительно необходимо осуществлять   сквозное проветривание комнат жилого дома.  Длительность   проветривания определяется погодными условиями согласно рекомендациями СанПиНам по длительности сквозного проветривания приведенной в таблице 5:  

3. Температура воздуха в жилых помещениях должна составлять 18 - 24˚. При достижении в помещении температуры воздуха плюс 18˚  проветривание кабинета следует прекращать.

4. При более низкой температуре и большей скорости движения воздуха   сквозное проветривание -  в утреннее время при отсутствии людей  или проводить одностороннее проветривание.

5. При проветривании во время нахождения людей окна должны находиться в надежно зафиксированном режиме проветривания. Не допускать сквозного проветривания.

Заключение.

Углекислый и угарный газы  являются токсичными  для человека даже в относительно низких концентрациях, и требуют  постоянного контроля в жилых помещениях. Наши измерения показали: больше половины  домашнего времени количество углекислого газа в воздухе доходило от 520 до 680 ppm (компьютерная комната), т.е   находилось в норме. Свыше этих значений невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается, повышаются риски заболеваний. Проветривание   дает  снижение СО2.

Результаты исследования и выводы.

В заключение отметим, что с поставленной целью исследовательской работы мы справились. Все поставленные задачи решены, т.е.:

1. Изучена литература по работе Arduino и концентрации углекислого и угарного газов.

2. Создан  прибор для измерения концентрации СО2 на платформе Arduino.

3. Исследованы оптимальные нормы содержания углекислого газа в помещении.

4. Предложен ряд рекомендаций по вентиляции жилых помещений.

Выводы.

1. Концентрация углекислого  и угарного  газов в жилых помещениях нашего дома находятся в предельно допустимых нормах.

2. При обнаружении повышения концентрации газов необходимо проводить сквозное проветривание.

3. Созданное нами устройство по анализу углекислого, угарного газов и температуры  необходимо иметь в каждом доме.  

Данная работа для нас станет шагом для дальнейшего использование Arduino и другой микропроцессорной техники в разработках автоматизированных устройств.

На наш взгляд было бы интересно изучить альтернативные устройства, позволяющие улучшить микроклимат жилых помещений нашего дома.

Исследование  может быть полезно и интересно учащимся школ, которые увлекаются физикой и информатикой, а также всем, кто интересуется экологией.

В процессе работы над своим исследованием я приобрел практический  опыт, научился собирать по схемам детали нового устройства, научился создавать программу для данного устройства.

Список использованной литературы.

1. Банци М. -  Arduino для начинающих волшебников / М. Банци. — М.: Рид Групп,2012. — 128 с.

2. Блум Джереми -   Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2015. — 336 с.

3. Гурина И.В. -  Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии /И.В.Гурин //Экологический Вестник России.–2008.- №10.

4. Гурин И.В. - Кто ответит за духоту в помещении? /И.В.Гурин//С-О-К.- 2011. - N 6.

5.Здоровье человека и углекислый газ (СО2). Режим доступа:  http://enontek.ru/CO2/zdorove-cheloveka

6. Наука и жизнь. Углекислый газ как начало жизни и её финал. Режим доступа:                                                        

Приложение