ChSTU repository

10 
 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП................................................................................................................12 
РОЗДІЛ 1. Оглядова частина магістерського дослідження.....................17 
1.1 Загальні відомості......................................................................................17 
1.2 Методи дозування рідких хімікатів..........................................................18 
1.3 Приклади застосування пристроїв дозування рідких хімікатів..............29 
Висновки до розділу 1 .......................................................................................33 
 
РОЗДІЛ 2. Розробка автоматичної вимірювальної системи.....................34 
2.1 Розробка структурної схеми приладу ......................................................34 
2.2 Загальні вказівки для проведення градуювання і вимірювань в режимах 
вимірювання концентрації хімікатів у розчинах..........................................................35 
2.3 Розробка електричної принципової схеми...............................................38 
2.3.1 Вибір елементної бази.....................................................................38 
2.3.2 Розробка логічного пристрою.........................................................39 
2.4 Розробка алгоритму роботи програми мікроконтролера........................47 
Висновки до розділу 2 .......................................................................................51 
 
РОЗДІЛ 3. Математичне моделювання........................................................52 
3.1 Теоретичні основи моделювання та оптимізації дозування хімічних 
речовин в розчинах.........................................................................................................52 
3.2 Моделювання процесу дозування хімічних речовин..............................57 
Висновки до розділу 3 .......................................................................................70 
  
 
 
11 
 
 
РОЗДІЛ 4. Експериментальні дослідження ................................................71 
4.1 Загальний опис задачі і цільовий об'єкт...................................................71 
4.2 Схема відбору проби..................................................................................72 
4.3 Відбір проб, аналіз відповідності вимірювань поставленому завданню 
та перевірка виконання поставлених вимог.................................................................74 
Висновки до розділу 4 .......................................................................................76 
 
ВИСНОВКИ......................................................................................................77 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ......................................................79 
ДОДАТОК А Таблиці густин використаних розчинів...................................82 
ДОДАТОК Б Діаграма залежності електричної провідності від насичення 
хімічних розчинів при температурі 25 ОC....................................................................84 
ДОДАТОК В Таблиця результатів перевірки концентрації..........................85 
ДОДАТОК Г Десята Міжнародна науково-технічна конференція «Датчики, 
прилади та системи – 2023», Черкаси, 12-14 вересня 2023 р. .....................................91  
ДОДАТОК Д  Презентація кваліфікованої роботи.........................................95 
 
 
 
12 
 
ВСТУП 
 
Актуальність теми. Сучасний промисловий і технологічний розвиток 
надзвичайно активно використовує рідкі хімічні речовини для виробництва 
продукції в широкому спектрі галузей, включаючи харчову, фармацевтичну, 
хімічну промисловість, агропромисловий сектор та інші. Забезпечення 
точного і надійного дозування хімікатів є критично важливою операцією в 
процесах виробництва, оскільки невірне дозування може призвести до 
серйозних проблем, включаючи забруднення навколишнього середовища, 
втрати сировинних матеріалів та навіть небезпеки аварії. 
Автоматизовані системи дозування стали невід’ємною частиною 
багатьох виробничих процесів, спрямованих на підвищення ефективності, 
точності та безпеки дозування рідких хімікатів. Проте, розробка і 
вдосконалення таких систем залишаються актуальним завданням, оскільки 
сучасні вимоги до якості та точності невпинно ростуть. 
Актуальність обумовлена наступними факторами: 
Ефективність промислових процесів – вдосконалення систем 
дозування позитивно позначається на ефективності та точності промислових 
процесів, де використовуються рідкі хімікати. 
Економія ресурсів – точне та автоматизоване дозування дозволяє 
зменшити кількість використаних речовин та енергії, що важливо 
виробництва. 
Точність та контроль – удосконалення системи дозування сприяє 
забезпеченню високої точності та контролю за дозуванням. 
Відповідність стандартам – сучасні стандарти вимагають 
використання точних систем дозування для забезпечення високого стандарту 
безпеки та якості продукції. 
Удосконалення автоматизованих систем дозування рідких хімікатів 
важливо для підвищення безпеки, підвищення ефективності виробництва, 
13 
 
економії ресурсів тощо. Для удосконалення таких систем зазвичай 
використовують математичні моделі. 
Математична модель — це абстрактне представлення реального 
об'єкта, яке використовує математичні вирази та рівняння для опису його 
властивостей, характеристик і поведінки. Це інструмент, що дозволяє 
відтворювати та досліджувати реальні процеси, системи або явища за 
допомогою формальних математичних засобів. 
Існує багато математичних моделей для датчиків концентрації, 
найпоширенішими з них є: 
a) Лінійна модель: 
Проста лінійна модель може бути використана для датчиків, які 
демонструють лінійну залежність між вимірюваннями і концентрацією 
сполуки. 
Математично це може бути виражено як: 
 
b) Нелінійна модель: 
Деякі датчики можуть показувати нелінійну залежність між 
вимірюваннями і концентрацією. У цьому випадку використовуються 
нелінійні математичні моделі, такі як експоненціальні, логарифмічні або 
поліноміальні функції для опису залежності. 
 
 
 
14 
 
c) Модель Майкеліса-Ментен: 
Ця модель широко використовується в біохімії для опису реакцій, де 
ферменти взаємодіють з речовинами. Модель Майкеліса-Ментен може бути 
адаптована для датчиків концентрації хімічних сполук. 
d) Модель Друкера-Прейса: 
Ця модель використовується для опису газових сенсорів, де 
концентрація газу зазвичай має лінійну залежність від логарифму опору або 
індуктивності сенсора. 
e) Модель Гаскелла-Сігмоїд: 
Ця модель використовується для опису насиченого зростання відповіді 
датчика зі збільшенням концентрації. Вона часто використовується в біології 
та хімії. Може бути використана для створення математичної моделі зміни 
концентрації хімічних речовин з часом. Основна ідея полягає в тому, що 
концентрація речовини змінюється пропорційно до різниці між поточною 
концентрацією і максимально можливою концентрацією, але з використанням 
сігмоїдної функції для врахування насичення процесу.  
Ця модель може бути використана для прогнозування та апроксимації 
даних про зміну концентрації хімічних речовин в хімічних процесах, водних 
середовищах, аналізі експериментальних даних та інших випадках, де 
необхідно описати динаміку концентрації з часом. Важливо відзначити, що 
параметри моделі повинні бути визначені експериментально або шляхом 
адаптації до конкретних даних. 
f) Модель нейронної мережі: 
Для складних та неструктурованих даних, можна використовувати 
нейронні мережі для розробки математичних моделей. Мережі глибокого 
навчання можуть виявити складні залежності між вимірюваннями і 
концентрацією сполук. 
Мета і завдання дослідження. Підвищення точності при вимірюванні 
концентрації розчинів хімічних речовин, шляхом вдосконалення системи 
контролю дозування хімічних речовин, в якості пристрою виконуючого 
15 
 
вимірювання в якому використовується потенціометричний датчик та 
можливості подальшого запровадження в виробничий процес, що дозволить 
зменшити відхилення концентрації при дозуванні. 
Об'єкт дослідження – процеси контролю точності концентрації при 
дозуванні різних хімічних речовин. 
Предмет дослідження – перетворювачі, елементи і пристрої системи 
контролю концентрації при дозуванні. 
Методи досліджень: для розробки способу визначення концентрації 
розчину при дозуванні був використаний математичний метод, який враховує 
хімічні реакції речовин та фізичні властивості їх розчинів, покращення 
способів визначення основних параметрів і обрахунку залежних змінних 
використовуючи побічно використовуючи рівняння електродного потенціалу 
(рівняння Нернста). 
Достовірність: Отримані наукові висновки та результати були 
підтверджені за допомогою порівняння теоретичних положень з 
експериментальними даними та взаємодією з дослідженими зразками. Це 
включало в себе аналіз залежностей, експериментальне вивчення зразків та 
валідацію теоретичних і практично-експериментальних результатів. 
Наукова новизна отриманих результатів: 
Подальший розвиток отримали методи розробки автоматизованих 
систем дозування хімічних речовин, що передбачають зміну концентрації 
речовини в результаті дозування, а також прогнозування основних параметрів 
розчинів при їх дозуванні в невеликі за об’ємом резервуари. 
Був покращений спосіб обрахунку концентрації речовини в розчині 
шляхом заміни методу потенціометричного титрування на пряму 
потенціометрію, що покращило точність і швидкість обрахунку даних. 
Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному: 
1. Були зменшені відхилення концентрації речовин при їх 
автоматизованому дозуванні разом з зменшенням впливу людини на 
створення хімічного розчину конкретної концентрації. 
16 
 
2. Удосконалена система контролю концентрації при дозуванні. Вона 
може самостійно спрогнозувати значення концентрації в залежності від 
об’єму вже доданої речовини та в разі потреби додати більшу або меншу 
кількість тої чи іншої речовини. 
Особистий внесок здобувача. Результати роботи отримані автором 
самостійно. У наукових публікаціях з питань, що стосуються даного 
дослідження автор визначив основні проблеми що впливають на точність 
датчиків використовуваних для перевірки концентрації розчинів. 
Апробація результатів роботи. Основні тези та висновки 
дослідження були представлені та обговорені на Х Міжнародній науково-
технічній конференції «Датчики, прилади та системи – 2023» (Черкаси 2023). 
Публікації. Основні результати магістерської наукової роботи 
викладено в тезах доповіді на міжнародній науково-технічній конференції. 
Структура й обсяг роботи. Магістерська наукова робота складається 
зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, 
додатків.  
17 
 
РОЗДІЛ 1 
ОГЛЯДОВА ЧАСТИНА МАГІСТЕРСЬКОГО ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
1.1 Загальні відомості 
 
У сучасному світі розвиток технологій невпинно відкриває нові 
горизонти для вдосконалення процесів у різних сферах життя. Одна з 
галузей, де застосування автоматизації може мати вагомий вклад, є хімічна 
промисловість. Для досягнення високої якості продукції та ефективності 
виробництва необхідно постійно вдосконалювати процеси, пов'язані з 
дозуванням рідких хімікатів. 
Автоматизовані системи дозування є ключовими компонентами в 
багатьох галузях, де точність, стабільність та ефективність процесів 
дозування є критичними. 
Автоматизовані системи дозування рідких хімікатів – це комплексні 
технічні рішення, призначені для точного та контрольованого дозування 
різних типів рідких хімікатів у різних процесах. Вони використовують у 
широкому спектрі галузей включаючи хімічну, фармацевтичну, 
водопостачання та багато інших. Від точності та стабільності цього процесу 
залежить не тільки якість продукції, але й безпека працівників та довкілля. 
З метою удосконалення цих процесів відповідно до вимог сучасного 
ринку актуальною стає розробка та впровадження автоматизованої системи 
дозування рідких хімікатів. Такі системи повинні досягати вищого рівня 
точності та керованості, сприяючи підвищенню продуктивності та зниженню 
витрат сировини. Вони також забезпечують можливість віддаленого 
моніторингу та управління, що є промисловим аспектом у сучасному підході 
до виробництва. 
Дослідивши найрозповсюдженіші системи автоматизованого 
дозування рідких хімікатів, можна виділити переваги таких систем: 
18 
 
Точність: Системи дозування можуть забезпечити високу точність 
дозування, що особливо важливо при роботі з хімічними реактивами, де мале 
збільшення або зменшення кількості речовин може вплинути на якість 
продукту або процесу. 
Стабільність: Автоматизовані системи забезпечують стабільне 
дозування незалежно від зовнішніх факторів, таких як температура, вологість 
тощо. Це дозволяє уникнути коливання у якості та результативності процесів. 
Ефективність: Зменшення втрат реактивів та оптимізація 
використання ресурсів допомагають підвищити ефективність виробництва та 
зменшити витрати. 
Ступінь автоматизації: Автоматичне управління процесом дозування 
дозволяє звільнити працівників від рутинних завдань та зосередитися на 
більш важливих аспектах виробництва. 
Моніторинг і керування: Багато систем мають можливість віддаленого 
моніторингу та керування через комп'ютерні програми або мобільні пристрої, 
що спрощує контроль за процесами. 
 
1.2 Методи дозування рідких хімікатів 
 
Існує багато методів дозування рідких хімікатів, які використовуються 
в автоматизованих системах для точного та контрольованого введення 
хімікатів у процеси. Ось деякі з них: 
1 Порційне дозування (Batch Dosing) – у цьому методі хімікат 
додається у вигляді певних порцій або доз в заданих інтервалах часу. 
Кількість та частота доз можуть бути налаштовані відповідно до вимог 
процесу. 
Особливості методу: 
Параметри налаштування – спочатку визначаються параметри 
дозування, такі як розмір порції, інтервал між порціями, тривалість дозування 
19 
 
тощо. Ці параметри можуть бути налаштовані відповідно до вимог 
конкретного процесу. 
Підготовка дозуючого обладнання – для методу порційного дозування 
зазвичай використовуються спеціальні дозуючі насоси або інші пристрої, які 
можуть точно визначати та контролювати об'єм рідини, що вводиться. 
Поділ процесу на порції – процес дозування поділяється на послідовні 
порції або дози. Кожна порція має фіксований об'єм або масу, яку треба 
додати до системи. 
Введення порції – після завершення попередньої порції насос або 
інший дозуючий пристрій активується, і задана кількість хімікату вводиться у 
систему. 
Перевірка і контроль – під час дозування можуть використовуватися 
сенсори або датчики для вимірювання рівня рідини або концентрації хімікату 
у системі. Це дозволяє відстежувати точність дозування та вносити корекції, 
якщо потрібно. 
Завершення порції – після введення відповідної кількості хімікату 
активність дозуючого пристрою зупиняється, і процес готовий для наступної 
порції. 
Система контролю та керування – цей метод дозування часто 
інтегрується з контролерами та програмним забезпеченням для 
автоматичного керування процесом дозування, моніторингу та реагування на 
зміни параметрів. 
Перевагами методу порційного дозування є точність та 
контрольованість процесу, можливість пристосування до різних вимог та 
відносно проста інтеграція в автоматизовані системи. Цей метод дозволяє 
ефективно вводити різні хімікалі в процеси без перевищення допустимих доз 
та забезпечує стабільну якість продукту чи процесу. 
2 Неперервне дозування (Continuous Dosing): У неперервному методі 
хімікат неперервно вводиться у систему зі сталою швидкістю. Цей метод 
20 
 
використовується, коли потрібно забезпечити стабільну концентрацію 
хімікату у процесі. 
Особливості методу: 
Параметри налаштування – спочатку визначаються параметри 
неперервного дозування, такі як швидкість потоку хімікату, концентрація 
хімікату у потоці, об'єм або маса хімікату, що вводиться протягом певного 
часу. 
Вибір дозуючого обладнання: Для методу неперервного дозування 
використовуються спеціальні дозуючі насоси або інші пристрої, які можуть 
постійно вводити задану кількість хімікату у систему. 
Постійний потік – дозуючий пристрій вводить рідину у систему зі 
сталою швидкістю, що дозволяє підтримувати постійний потік хімікату. 
Моніторинг та контроль – під час неперервного дозування можуть 
використовуватися сенсори або датчики для вимірювання рівня рідини або 
концентрації хімікату у системі. Це дозволяє відстежувати точність дозування 
та вносити корекції в режим роботи дозуючого пристрою. 
Система контролю та керування – під час неперервного дозування цей 
метод може бути інтегрований з контролерами та програмним забезпеченням 
для автоматичного керування процесом дозування, моніторингу та 
реагування на зміни параметрів. 
Регулювання потоку – для зміни швидкості потоку хімікату може 
використовуватися регулювання обертів насосу або іншого дозуючого 
пристрою. Це дозволяє змінювати концентрацію хімікату в процесі. 
Вибір методу контролю – для досягнення більшої точності може 
використовуватися зворотний контроль, де вимірюється вихідний потік 
хімікату, і регулюється робота дозуючого пристрою для досягнення бажаного 
потоку. 
Перевагами методу неперервного дозування є сталість концентрації чи 
потоку хімікату, відсутність різких змін у якості продукту або процесу, 
можливість точного контролю над дозуванням на довгі періоди часу. Цей 
21 
 
метод особливо ефективний у виробничих процесах, де необхідно 
підтримувати сталу якість та умови реакцій. 
3 Дозування за вагою – дозування рідкого хімікату здійснюється на 
основі маси, яка вимірюється за допомогою вагових датчиків. Цей метод 
дозволяє досягти високої точності дозування. 
Особливості методу: 
Вагові датчики – для методу дозування за вагою використовуються 
вагові датчики, які можуть вимірювати масу предметів чи рідин на них. Ці 
датчики можуть бути вбудовані у дозуючий пристрій, резервуар або будь-
який інший контейнер для хімікату. 
Початкове вимірювання: Спочатку вагові датчики фіксують масу 
порожнього контейнера. Це базове значення буде використовуватися для 
визначення зміни маси при додаванні хімікату. 
Подача хімікату – дозуючий насос або інший пристрій активується, і 
хімікат вводиться у контейнер. Вагові датчики реєструють збільшення маси із 
змінюють її значення. 
Вимірювання зміни маси – вагові датчики продовжують вимірювати 
зміну маси, коли хімікат додається. Зміна маси вказує на об'єм хімікату, що 
був введений. 
Досягнення заданої маси – в момент, коли зміна маси досягне заданого 
значення (відповідно до дози), дозуючий пристрій зупиняється, і введення 
хімікату завершується. 
Контроль та точність – оскільки вагові датчики можуть надавати дуже 
точні вимірювання, метод дозування за вагою забезпечує високу точність 
додавання хімікату у процес. Потрібно враховувати вплив зовнішніх 
факторів, таких як вібрація, температурні зміни тощо. 
Відслідковування і контроль – вагові датчики можуть 
використовуватися для відстеження обсягу хімікату, який був доданий 
протягом деякого періоду часу. Це може бути корисно для документування та 
аналізу процесу. 
22 
 
Цей метод дозволяє забезпечити високу точність та контроль при 
дозуванні хімікатів, особливо у вимогливих процесах, де важлива найменша 
похибка. Однак він також може бути вимогливим щодо обладнання та 
налаштування, оскільки потребує наявності вагових датчиків та точного 
регулювання дозуючого пристрою. 
4 Дозування за об'ємом – у цьому методі рідкий хімікат додається у 
систему зі сталою швидкістю на основі об'єму. Швидкість може бути 
налаштована відповідно до вимог процесу. 
Особливості методу: 
Датчики об’єму – для методу дозування за об'ємом використовуються 
спеціальні датчики об’єму, які можуть вимірювати кількість рідини, яка 
вводиться в систему. Ці датчики можуть бути вбудовані у дозуючий пристрій, 
резервуар або будь-який інший контейнер для хімікату. 
Початкове вимірювання – спочатку датчики об’єму фіксують вихідний 
об'єм рідини у контейнері або резервуарі, де буде здійснюватися дозування. 
Подача хімікату – дозуючий насос або інший пристрій активується, і 
рідина поступово вводиться у контейнер. Датчики об’єму реєструють 
збільшення об'єму із змінюють її значення. 
Вимірювання об'єму – датчики об’єму продовжують вимірювати об'єм 
рідини, яка вводиться. Вимірювання проводиться досягнення потрібного 
об'єму. 
Досягнення заданого об'єму – коли зміряний об'єм досягне заданого 
значення (відповідно до дози), дозуючий пристрій зупиняється, і введення 
хімікату завершується. 
Контроль та точність – оскільки датчики об’єму можуть надавати дуже 
точні вимірювання, метод дозування за об'ємом забезпечує високу точність 
додавання хімікату у процес. Однак, також важливо враховувати вплив 
зовнішніх факторів, таких як температурні зміни чи вібрація, на точність 
вимірювання. 
23 
 
Відслідковування і контроль – датчики об’єму можуть 
використовуватися для відстеження обсягу хімікату, який був доданий 
протягом деякого періоду часу. Це може бути корисно для документування та 
аналізу процесу. 
Цей метод дозволяє забезпечити точне та стабільне додавання хімікату 
у процес. Він особливо корисний, коли важливо підтримувати сталу 
концентрацію хімікату чи заданий об'єм введеного розчину. Однак також 
важливо належним чином налаштувати та обслуговувати датчики об’єму для 
досягнення найвищої точності. 
5 Гравітаційне дозування – метод використовує силу тяжіння для 
переміщення рідини з вищого резервуару у нижній, забезпечуючи потік 
хімікату у систему. 
Особливості методу: 
Висота резервуару – для цього методу необхідно мати резервуар з 
хімічною рідиною, який розташований вище робочої зони. Гравітаційна сила 
притягує рідину вниз, створюючи тиск, який забезпечує подачу рідини. 
Регулювання потоку – об'єм рідини, що поступає в процес, може бути 
контрольований за допомогою регулюючих клапанів або інших пристроїв. 
Зміна положення клапанів дозволяє регулювати потік рідини та кількість 
хімікату, що постачається. 
Контроль за швидкістю – швидкість дозування може бути 
контрольована через довжину часу, під час якого відкриті клапани для подачі 
рідини. Це дозволяє досягнути більшої точності дозування та адаптувати 
поток до конкретних вимог процесу. 
Діапазони дозування – важливо враховувати, що метод гравітаційного 
дозування може бути ефективним для дозування речовин з низькою в'язкістю 
та високою густиною. Для рідин з високою в'язкістю може бути важко 
забезпечити точний потік. 
Точність та контроль – для підвищення точності можуть 
використовуватися датчики об’єму або сенсори, які вимірюють об'єм рідини, 
24 
 
що вводиться. Це дозволяє підтримувати більш точний контроль над 
дозуванням. 
Переваги методу гравітаційного дозування включають його простоту 
та надійність, оскільки не вимагає додаткових рухомих частин чи 
електроніки. Однак цей метод може бути менш точним у порівнянні з іншими 
більш сучасними методами, такими як вагові датчики або об'ємні дозуючі 
насоси. Його ефективність також залежить від властивостей конкретної 
рідини та вимог процесу. 
6 Насосне дозування – дозування здійснюється за допомогою насосів, 
які вимірюють та регулюють потік рідини. 
Особливості методу: 
Дозуючі насоси – для методу насосного дозування використовуються 
спеціальні дозуючі насоси, які можуть точно регулювати потік рідини. Ці 
насоси можуть бути різних типів, таких як перистальтичні, поршневі, 
мембранні тощо. 
Регулювання потоку – дозуючі насоси зазвичай мають можливість 
регулювання об'єму рідини, який постачається. Це може бути досягнуто 
шляхом зміни обертів насосу, розміру поршня чи іншими параметрами, які 
впливають на об'єм переміщуваної рідини. 
Сенсори та контроль – для підвищення точності дозування можуть 
використовуватися сенсори, які вимірюють об'єм рідини, що постачається. Ці 
дані потім можуть бути використані для забезпечення більш точного 
контролю над дозуванням. 
Синхронізація з процесом – дозуючі насоси можуть бути інтегровані в 
систему керування та контролю, що дозволяє синхронізувати їх роботу з 
іншими параметрами процесу. Наприклад, на основі вимірювань може 
автоматично змінюватися швидкість насосу для підтримання бажаної 
концентрації. 
25 
 
Точність та надійність – метод насосного дозування зазвичай дозволяє 
досягнути високої точності додавання хімікатів. Він також надійний та добре 
підходить для використання в автоматизованих системах. 
Вибір типу насосу – вибір типу дозуючого насосу залежить від 
конкретних вимог процесу та властивостей рідини. Наприклад, 
перистальтичні насоси можуть бути корисними для роботи з агресивними 
речовинами, а поршневі насоси - для високов'язких рідин. 
Обмеження – важливо враховувати можливі обмеження на в'язкість 
рідини та висоту підняття, особливо якщо розглядається використання 
гравітації для переміщення рідини. 
Метод насосного дозування є дуже універсальним та застосовується в 
різних вимірювальних індустріях, включаючи водопостачання, хімічну 
промисловість, фармацевтику та інші галузі. Він дозволяє забезпечити точне 
та контрольоване додавання рідини у процес. 
7 Вприскування – хімікат вприскується в систему за допомогою 
спеціальних насосів або пристроїв, де він змішується з потоком носія 
(наприклад, повітря або вода). Особливостями методу є: 
Пристрої дозування – для методу вприскуванням використовуються 
спеціальні дозуючі насоси або інші пристрої, які можуть впоратися з високим 
тиском та різними за в'язкістю рідин. Ці пристрої забезпечують точний 
контроль над об'ємом і швидкістю дозування. 
Вприскування під тиском – хімічну рідину вводять у систему під 
тиском, що дозволяє забезпечити рівномірне та однорідне розподілення 
хімікату в процесі. Це особливо корисно, коли потрібно забезпечити 
рівномірний розподіл речовини по об'єму. 
Контроль за потоком – дозуючі насоси зазвичай мають можливість 
регулювання об'єму рідини, який вводиться. Це дозволяє точно контролювати 
дозування відповідно до вимог процесу. 
26 
 
Мішання та реакції – метод вприскуванням дозволяє забезпечити 
швидке та ефективне змішування хімічних речовин. Це корисно, коли 
потрібно викликати хімічну реакцію або розчинення. 
Точність та однорідність – завдяки високоточним дозуючим насосам 
можливо досягнути високої точності та однорідності додавання хімікату. Це 
особливо важливо в галузях, де найменша похибка може суттєво вплинути на 
результат. 
Контроль та моніторинг – метод вприскуванням може бути 
інтегрований в систему керування та контролю, де можна відстежувати та 
реагувати на зміни в дозуванні в реальному часі. 
Автоматизація – цей метод може бути повністю автоматизованим, що 
дозволяє забезпечити постійну та стабільну дозування навіть у вимогливих 
умовах. 
Метод дозування вприскуванням застосовується у багатьох галузях, 
включаючи хімічну промисловість, водопостачання та очищення, 
фармацевтику, харчову промисловість та багато інших. Він дозволяє 
забезпечити точне та надійне додавання хімічних речовин у процес, що є 
важливим для досягнення оптимальних результатів та забезпечення вимог 
клієнтів. 
8 Електрохімічне дозування – використовує електроди та електроліт 
для контрольованого введення хімікату в систему. 
Особливості методу: 
Електролітичний процес – в методі електрохімічного дозування 
використовуються електроди та електролітичні реакції. Електроди можуть 
бути введені в рідину, і через них може проходити електричний струм. Цей 
струм спричиняє електрохімічні реакції, що впливають на концентрацію 
хімікату. 
Електроди – використовуються різні типи електродів, такі як інертні 
(платина, золото) або активні (ртуть, свинець), в залежності від характеру 
реакцій та середовища. 
27 
 
Електрохімічні реакції – електроди утворюють окиснені та відновлені 
форми хімічних речовин, що дозволяє контролювати їх концентрацію та 
введення у процес. Реакції можуть бути стимульовані різною напругою чи 
струмом. 
Подача струму – електричний струм може бути поданий через 
електроди за допомогою джерела живлення. Цей струм ініціює реакції, що 
впливають на концентрацію речовини. 
Контроль та регулювання – потік струму та напруга можуть бути 
контрольовані, що дозволяє регулювати інтенсивність електрохімічних 
реакцій та концентрацію речовини. 
Точність та стабільність – метод електрохімічного дозування може 
бути досить точним та стабільним, оскільки реакції зазвичай відбуваються 
відносно швидко та можуть бути легко контрольовані. 
Застосування – цей метод застосовується у багатьох галузях, 
включаючи водопостачання та очищення, електрохімічний синтез, аналітичну 
хімію, електрофорез, фармацевтику та інші. 
Метод електрохімічного дозування може бути корисним там, де 
важливо забезпечити точне та контрольоване додавання хімічних речовин у 
процес. Він може бути використаний для дозування рідин з різною в'язкістю 
та характером реакцій. Однак для ефективного застосування методу 
необхідно враховувати характеристики реакцій, властивості електродів та 
особливості вимог процесу. 
9 Ультразвукове дозування – використовує ультразвукові хвилі для 
розпилу рідини у вигляді дрібних крапель, які потім вводяться в систему. 
Особливості методу: 
Ультразвукові хвилі – ультразвукові хвилі є звуковими хвилями вищої 
частоти, які перевищують діапазон слуху людини (зазвичай понад 20 кГц). Ці 
хвилі можуть бути генеровані спеціальними ультразвуковими генераторами. 
Акустична кавітація – ультразвукові хвилі можуть викликати явище 
акустичної кавітації, коли пузирчасті структури утворюються та руйнуються 
28 
 
в рідині під дією акустичних хвиль. Ця кавітація може бути використана для 
змішування, розподілення речовин та стимуляції реакцій. 
Ультразвукові датчики – для контролю потоку рідини можуть бути 
використані ультразвукові датчики, які вимірюють швидкість руху рідини. Ці 
дані можуть бути використані для регулювання дозування. 
Дозуючі системи – для методу ультразвукового дозування можуть бути 
використані спеціальні дозуючі системи, які використовують ультразвукові 
хвилі для введення речовини у процес. Ці системи можуть бути різних 
конструкцій та включати ультразвукові генератори, датчики та контрольні 
системи. 
Регулювання потоку – ультразвукова технологія дозволяє точно 
регулювати потік рідини за допомогою зміни інтенсивності ультразвукових 
хвиль. Це дозволяє забезпечити високу точність дозування. 
Мішання та реакції – ультразвукові хвилі можуть стимулювати 
змішування рідин та сприяти їх швидкому розчиненню. Вони також можуть 
активувати деякі хімічні реакції. 
Застосування – метод ультразвукового дозування може бути 
використаний у багатьох галузях, включаючи фармацевтику, хімічну 
промисловість, харчову та напоїв, очищення води, медичні додатки та інші. 
Переваги та обмеження – метод ультразвукового дозування дозволяє 
досягти високої точності та контролю додавання хімікатів. Однак він може 
бути обмеженим об'ємом рідини, який може бути опрацьований за певний 
час, а також вимогами до ультразвукових генераторів та додаткових 
устаткувань. 
Метод ультразвукового дозування є цікавим підходом для введення 
рідких хімікатів у процес, особливо там, де важливо досягнути високої 
точності та швидкості. 
  
29 
 
1.3 Приклади застосування пристроїв дозування рідких хімікатів 
 
В промисловості існує багато прикладів автоматизації дозування 
рідких хімічних сполук. Вони забезпечують високу точність дозування, але в 
процесі створення розчинів конкретної концентрації розрахунки і змішування 
виконує людина в спеціальному бункері. Натомість пристроїв, що в 
автоматизованому порядку виконують розрахунки пропорцій необхідних 
речовин і їх змішування не створено або даних про них не існує в відкритому 
доступі. Тож розглянемо приклади систем дозування: 
LI-BF4 (рисунок 1.1) – компактна, універсальна машина в елегантному 
матовому корпусі. Цей автомат для наповнення пляшок рідиною забезпечує 
максимальну продуктивність до 80 пляшок за хвилину. Ця модель 
використовується у фармацевтичній, харчовій, молочній, хімічній, 
косметичній промисловості та виробництві напоїв. Швидкість машин для 
наповнення пляшок залежить від природи рідини, діаметра контейнера, 
висоти контейнера, розміру горловини контейнера та об'єму наповнення. 
Конструкція машини повністю виконана з нержавіючої сталі, включаючи 
конструкцію рами машини відповідно до керівних принципів cGMP. Машина 
для розливу рідин з додатковими поворотними столами на вході і виході з 
індивідуальними приводами для узгодження швидкості вхідних і вихідних 
пляшок для більш плавної роботи. Всі контактні частини машини виготовлені 
тільки з нержавіючої сталі 316. 
Для різних типів і рецептур рідин виробник пропонує широкий 
асортимент машин для наповнення пляшок. Машина для наповнення пляшок 
рідиною поставляється з цілим рядом технологій, які включають автоматичну 
машину для наповнення пляшок рідиною, яка також широко 
використовується у виробництві хімічних речовин та миючих засобів. 
 
30 
 
 
Рисунок 1.1 – Пристрій наповнення пляшок LI-BF4 
 
Це високоавтоматизована система з автоматичною подачею і 
виведенням пляшки. Час переналагодження машини для наповнення пляшок 
мінімальний, і вона має вбудовану систему приводу змінного струму змінної 
частоти. З точністю до +/- 1%, машина для наповнення пляшок рідиною 
забезпечує гарантію точного наповнення. Для безперебійної роботи, машина 
для наповнення пляшок рідиною вимагає електричного живлення 220В 
однофазного змінного струму. 
Характеристики пристрою наповнення пляшок LI-BF4: 
Можливість змішування різних рідин: відсутнє; 
Діаметр пляшок: до 90 мм; 
Діапазон наповнення: 25 – 500 мл; 
Точність:  +/- 1%; 
Габаритні розміри: 1830 мм (Д) x 800 мм (Ш) x 1550 мм (В); 
Вага нетто: 350 кг. 
 
31 
 
CCG1000-16TS (рисунок 1.2) – це модернізований пристрій об'ємного 
наповнення, що може широко використовуватися для наповнення рідини з 
високою в'язкістю, EC, SL та SC. Машина має лінійну структуру та керований 
серводвигуном метод об'ємного наповнення, який може забезпечити високу 
точність наповнення. Управління здійснюється за допомогою ПЛК і HMI, з 
можливістю простого управління. Машина має відмінну конструкцію дугової 
рами. Додатково функціонуюча високоточна система зворотного зв'язку з 
вагою електричних ваг робить регулювання об'єму простішим та зручнішим. 
 
Рисунок 1.2 – Пристрій наповнення CCG1000-16TS 
 
Особливості: 
Широко використовується для автоматичного наповнення від 80-1000 
мл в агрохімічній, хімічній, добривній, косметичній, нафтовій та інших 
суміжних галузях. 
Заправний блок використовує конструкцію з вимкненим поршнем, він 
може повністю вивантажувати продукт у бак, ефективно уникаючи 
перехресного забруднення. Ця конструкція також полегшує заміну 
ущільнювального кільця. 
32 
 
Технічні параметри: 
Можливість змішування хімічних сполук: відсутнє; 
Ємність заповнення: 50-1000 мл; 
Точність вимірювання: ± 1 г (100 мл) ± 2 г (1000 мл); 
Габаритні розміри 2485 × 1540 × 2420 мм (Д × Ш × В); 
Вага близько 2,000 кг. 
 
DLF200-8QS (рисунок 1.3) – використовує концепцію 
шестеренчастого насоса, як дозуючий пристрій для наповнення потрібної 
кількості гелю або рідини в контейнери. 
 
Рисунок 1.3 – Пристрій наповнення DLF200-8QS 
 
Технічні характеристики:  
Об'єм наповнення: 10-11000 мл/час (регулюється) 
Швидкість наповнення: 100 пляшок / хв. (75 мл) 
Точність: ± 0.5-1.0% 
Матеріал насоса: Шестеренчастий насос з нержавіючої сталі 
Розмір: 2400x1200x1500 мм 
Вага: 400 кг 
 
33 
 
Висновки до розділу 1 
 
В даному розділі було представлені основні вимоги до 
автоматизованих систем дозування хімічних розчинів – це висока точність 
при визначені концентрації та не велике відхилення концентрації при 
дозуванні, стабільність при тривалому повторення виконання процесу 
дозування, можливість моніторингу та віддаленого керування, а також 
зменшення ролі людини в процесі створення розчинів певної концетрації. 
Автоматизовані системи дозування зазвичай будуються на основі 
таких способів, як: порційне дозування, неперервне дозування, дозування за 
вагою, дозування за об'ємом, гравітаційне дозування, насосне дозування, 
вприскування, електрохімічне дозування, ультразвукове. Найбільш точним 
методом визначення та перевірки концентрації є дозування за вагою, оскільки 
концентрація речовини напряму залежить від співвідношення мас 
використаних речовин. 
В якості прикладів були наведені системи автоматичного дозування, 
що не виконують змішування під час дозування. Слід зазначити, що у 
відкритих джерелах не вдалося знайти приклади автоматизованих пристроїв, 
які б задовольняли таку умову. 
  
34 
 
РОЗДІЛ 2 
РОЗРОБКА АВТОМАТИЧНОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ 
 
2.1 Розробка структурної схеми приладу 
 
Даний пристрій повинен порівнювати дані з датчиків з значеннями 
напруги, що відповідають концентрації та масі хімічного реагенту з 
урахуванням тари, в яку відбувається дозування. Для цього в пристрій пам’яті 
формул розрахунку значень вносяться основні закони зміни показників 
датчиків концентрації для основних хімічних речовин, з яким буде працювати 
автоматизований пристрій. 
Пристрій розрахунку необхідних значень – розраховує рівень 
аналогового сигналу, який повинен надходити з датчиків відповідно до 
заданої автоматизованою системою розливу концентрації хімічної речовини. 
Система порівняння – порівнює і узгоджує рівні сигналів між 
датчиками і пристроєм розрахунку необхідних значень. 
Блок калібрування – пристрій, що формує сигнал рекомендації зміни 
кількості подачі речовин, для забезпечення точного дозування, а також 
відповідності концентрації речовини наперед заданій величині. Рекомендації 
в певних випадках можуть ігноруватися. 
Автоматизована система розливу – призначена для діалогу з 
оператором, керуванням робочими органами та задання необхідних значень 
концентрації та маси в пристрій розрахунку необхідних значень. 
Блок живлення – використовується для живлення пристроїв та систем 
вдосконаленого блоку автоматизації розливу небезпечних хімічних речовин. 
Може не створюватись з нуля, а використовуватись з автоматизованої системи 
розливу, за умови достатньої потужності першого або незначних його 
доопрацювань. 
На рисунку 2.1 представлено схему електричну структурну пристрою 
автоматизованого розливу хімічних розчинів. 
35 
 
 
Рисунок 2.1 – Схема електрична структурна пристрою автоматизованого 
розливу хімічних розчинів 
 
2.2 Загальні вказівки для проведення градуювання і вимірювань в 
режимах вимірювання концентрації хімікатів у розчинах 
 
Проведення градуювання і вимірювань концентрації хімікатів у 
розчинах є важливою складовою багатьох лабораторних, промислових і 
наукових досліджень. Для досягнення точних і надійних результатів 
вимірювань концентрації хімікатів, слід дотримуватися наступних етапів 
проведення градуювання і вимірювань концентрації хімікатів у розчинах: 
1. Підготовка робочого середовища – необхідно забезпечити чистоту в 
зоні дозування хімічних речовин; всі прилади та реактиви повинні бути 
належним чином підготовлені та калібровані. 
36 
 
2. Вибір методу градуювання: необхідно обрати метод градуювання 
(наприклад, спектрофотометрія, хроматографія, потенціометрія тощо), який 
найкраще відповідає системі та дослідницькій задачі.  
Зважаючи на те, що основна задача автоматизованої лінії – дозування 
хімічно активних рідин та розчинів найефективнішим методом контролю 
концентрації хімічних сполук в розчинах є хроматографія але даний метод є 
дороговартісним і складним в реалізації. 
Простішим методом реалізації є потенціометрія – метод, заснований 
на вимірюванні електричного потенціалу, що змінюється в залежності від 
концентрації досліджуваного хімічного розчину. Такий метод використовує 
потенціометричні сенсори або електроди, які реагують на зміни в іонному 
складі розчину. 
Приклади реалізації та використання потенціометричного методу: 
Іоносенсори – використання спеціальних іоносенсорів або 
іоноселективних електродів, які реагують з конкретними іонами в розчині. 
Зміни в концентрації іонів призводять до зміни потенціалу на поверхні 
електрода. 
pH-метри – вимірювання концентрації водневих іонів (pH) за 
допомогою потенціометрії. Зміна концентрації H⁺ і OH⁻ іонів впливає на 
потенціал електрода, що може бути використано для визначення кислотності 
чи лужності розчину. 
Іономери – використання полімерних матеріалів, які взаємодіють з 
конкретними іонами та змінюють свою провідність. Зміни в провідності 
полімеру викликають зміни у потенціалі, що можна виміряти. 
Селективні сенсори – розробка сенсорів, які взаємодіють з 
конкретними хімічними сполуками та змінюють свій електричний потенціал. 
Селективність сенсорів може бути налаштована для вимірювання певного 
типу іонів чи речовин. 
Вимірювання оксидоредукційних потенціалів – для реакцій, що 
включають оксидоредукційні процеси, можна вимірювати зміну потенціалу 
37 
 
електрода. Зміна концентрації окисників або відновників впливає на 
потенціал електрода. 
Взагалі потенціометрія може бути використана для визначення 
концентрації різних хімічних речовин у водних розчинах, наприклад, іонів 
металів, солей, органічних сполук тощо. 
3. Підготовка розчинів для градуювання: обов’язковим для 
калібрування датчиків є підготовка контрольних розчинів з різними відомими 
концентраціями хімікату. Чим більша кількість таких розчинів з різними 
концентраціями тим точніше можна буде виконати калібрування системи. 
Основні етапи створення контрольних зразків: 
Вибір реагентів: 
Необхідно використовувати хімічно чисті реагенти з відомими 
властивостями та стабільністю. 
Перевірити даний хімічне референтне джерело для точних значень 
концентрацій. 
Розрахунок концентрації: 
Визначити необхідну концентрацію розчину. 
Розрахувати кількість реагента, яку потрібно додати до розчину, 
використовуючи рівняння реакції та відомі стехіометричні коефіцієнти. 
Вимірювання та змішування: 
Необхідно виміряти відповідну кількість реагента з використанням 
точних вимірювальних приладів (мірних ложок, мірних циліндрів тощо). 
Додайти реагенти до розчинника, забезпечуючи повну розчиненість. 
4. Проведення градуювання: необхідно виміряти оптичну щільність 
контрольних розчинів за допомогою датчиків і побудувати калібрувальну 
криву. Визначити математичну залежність між оптичною щільністю та 
концентрацією хімікату. 
5. Вимірювання зразків: необхідно підготувати зразки розчинів, 
концентрацію, виміряти оптичну щільність або електричний опір зразків та 
визначити їхню концентрацію за допомогою калібрувальної кривої, яка може 
38 
 
бути записана в якості певного закону в пристрої пам’яті формул розрахунку 
значень. 
6. Перевірка та підтвердження результатів: обов’язковим етапом є 
повторна перевірка системи для того, щоб переконатися, що вимірювання 
відповідають стандартам точності та надійності, а також для підтвердження 
результатів. 
 
2.3 Розробка електричної принципової схеми 
 
2.3.1 Вибір елементної бази 
 
Для розробки ми обрали мікроконтролер ATmega16, як основний 
елемент для реалізації нашого проекту. Цей мікроконтролер буде 
використовуватися як базовий компонент для управління пристроєм. 
Для зменшення впливу зовнішніх факторів в схемі ми використовуємо 
конденсатори з такими характеристиками: R20 W-101K 1H Y2-100pF, R20 W-
101K 1H Y2-0,1uF, R20 W-101K 1H Y2-22pF, ECА-10V-22uF. Для логічних 
входів використовуються оптопари: К293ЛП1А. 
Мікроконтролери ATmega використовуються для реалізації невеликих 
систем автоматизації і застосовуються як у промисловості, так і в 
невиробничій сфері. Для розробки програм для цих мікроконтролерів 
доступні різні інструменти розробки, які можуть бути як вільними, так і 
пропрієтарними. Серед вільних можна виділити WіnАVR, Algorithm Builder, 
Cоdе::Blоcks, DDD, V-USB, Аvrdudе і PоnyPrоg. Пропрієтарні інструменти 
включають AVR Studіо, ІАR АVR, Bаscоm-аvr, CоdеVіsіоnАVR і Протеус - 
симулятор електричних ланцюгів та компонентів, включаючи різноманітні 
мікроконтролери. 
Для розробки програмного забезпечення для мікроконтролерів AVR та 
AVR32 в операційних системах Wіndоws використовується Atmel Studіо. Це 
інтегроване середовище розробки, яке включає в себе вбудований C/C++ 
39 
 
компілятор, симулятор мікропроцесорної системи для відлагодження 
програм, менеджер проектів, редактор коду, модуль внутрішньосхемного 
відлагодження та інтерфейс командного рядка. Від версії 6, Atmel Studіо 
також може працювати із системами на основі архітектури ARM. Враховуючи 
практичність використання пам'яті мікроконтролера, для зручності написання 
програм можна використовувати мову С/С++, хоча слід зазначити, що 
програми на асемблері можуть займати менше пам'яті. 
Процес написання програм для мікроконтролерів AVR включає кілька 
етапів, таких як підготовка вихідного тексту програми, компіляція, 
відлагодження, тестування та остаточне програмування для серійного 
виробництва. 
На сьогоднішній день існує кілька мов програмування для 
мікроконтролерів AVR та різні інструменти розробки, які використовують 
одну мову, але мають різну функціональність. На кожному етапі розробки 
необхідно використовувати спеціальні програмні та апаратні засоби. 
Рекомендується використовувати Atmel Studіо для розробки програмного 
забезпечення для мікроконтролерів AVR, оскільки воно надає широкий 
функціонал та підтримку майже всіх мікроконтролерів AVR. 
 
2.3.2 Розробка логічного пристрою 
 
Згідно з завданням ми розробимо логічний пристрій з напругою 
живлення 5 В. 
Напруга потенціометричних датчиків складає 24 В. Для конвертації в 
5-вольтовий сигнал з 24 В ми використовуємо гальванічне розв’язку, яка 
переважно реалізується за допомогою оптопар 4N25. Перетворення даного 
аналогового сигналу в цифровий не потрібне, оскільки при перетворенні 
втрачається точність. 
На рисунку 2.2 зображено принципову схему реалізації гальванічної 
розв’язки для потенціометричних сенсорів концентрації хімічних речовин. 
40 
 
 
Рисунок 2.2 – Схема принципова під’єднання оптронних розв’язок 
 
Для правильного дозування також необхідно знати масу всього 
розчину. Для цього найкраще використати тензометричні датчики. 
Тензометричні датчики – це пристрої, які використовують тензометри 
(також відомі як деформаційні датчики або тензодатчики) для вимірювання 
деформації або внутрішньої напруженості об'єкту. Такі датчики часто 
використовуються для вимірювання сил, ваги, тиску, а також для контролю 
деформації в різних системах. 
Основним принципом роботи тензометричних датчиків є вимірювання 
змін в електричному опорі тензометра, який розташований в датчику. При 
зміні деформації об'єкта, на який встановлено тензометри, змінюється його 
електричний опір, і це можна використовувати для вимірювання величини 
деформації або тиску. 
Для під’єднання тензодатчика ми використали мікросхему HX711, що 
живиться від напруги 5 В і передає інформацію на контролер за допомоги 
цифрового сигналу. 
41 
 
На рисунку 2.3 зображена схема підключення мікросхем HX711, що 
забезпечують діалог з тензодатчиками. 
 
Рисунок 2.3 – Схема під’єднання мікросхем HX711 
 
В якості пристрою керування процесом можна обрати мікроконтролер 
ATmega16. ATmega16 - це один з мікроконтролерів створених Atmel. Вона 
призначена для виконання спеціалізованих завдань у вбудованих системах. 
Належить до серії AVR (Advanced Virtual RISC) і має архітектуру RISC 
(Reduced Instruction Set Computing). 
Основні характеристики: 
Архітектура RISC – використовує простий інструкційний набір, що 
сприяє високій швидкості виконання і оптимізації коду. 
Великий діапазон робочих частот, зазвичай від декількох мегагерц до 
декількох десятків мегагерц. 
Наявність вбудованої пам'яті –флеш-пам'ять для програм (зазвичай від 
16 до 64 кілобайт), EEPROM для збереження даних та SRAM для 
тимчасового зберігання. 
Наявність периферійних пристроїв – таймери, лічильники, АЦП 
інтерфейси комунікації (наприклад, USART, SPI, I2C), GPIO (загального 
призначення вводу/виводу) та інші. 
Низька споживана потужність. 
42 
 
Ця мікросхема часто використовується для вбудованих систем, таких 
як контролери для промислового обладнання, автомобільні системи, 
робототехніка, електроніка споживчого класу та інші застосування, де 
потрібно керування процесами та взаємодія з різними сенсорами та 
пристроями. 
В нашому випадку дана мікросхема може виконати функцію 
наступних структурних частин нашого пристрою автоматизації: 
1. Пристрій розрахунку необхідних значень; 
2. Система порівняння; 
3. Блок калібрування. 
На рисунку 2.4 зображено схему підключення мікроконтролера 
ATmega16. 
 
Рисунок 2.4 – Схема електрична принципова під’єднання мікроконтролера 
ATmega16 до зовнішніх пристроїв 
 
43 
 
Наш мікроконтролер з’єднується з іншими пристроями тому 
необхідно задати йому тактову частоту. Оскільки в якості пристрою пам’яті 
формул розрахунку значень ми використаємо SD карту, тактова частота якої 
20 МГц, то тактову частоту мікроконтролера ми обираємо таку саму, тобто 
обираємо кварцовий резонатор не 20 МГц. 
На рисунку 2.5 зображена схема під’єднання зовнішнього пристрою 
задання тактової частоти для мікроконтролера. 
 
Рисунок 2.5 – Схема під’єднання генератора частоти до мікроконтролера 
 
Для забезпечення можливості діалогу між пристроєм контролю 
концентрації і пристроєм дозування, а також з SD картою, реалізовуємо 
можливість перемикання під’єднання виходів RX та TX з цими пристроями за 
допомоги транзисторних ключів. 
В колі бази транзисторів необхідно встановити резистори, що 
обмежуватимуть струм номіналом 1 кОм. Це захистить мікроконтролер від 
перенавантаження та короткого замкнення. 
На рисунку 2.6 зображено схему перемикання між зовнішніми 
пристроями. 
44 
 
 
Рисунок 2.6 – Схема електрична принципова вузла керування діалогів з 
зовнішніми пристроями 
 
Для спрощення схеми мікроконтролер можна замінити на інший, 
наприклад Arduino. 
Arduino – це спеціальні мікроконтролери, розроблені на основі 
відкритої апаратної та програмної платформи. Основні риси таких 
мікроконтролерів: спрощений інтерфейс, вбудовані вхідні/вихідні порти, 
інтегроване середовище розробки, велика різноманітність бібліотек. 
Також Arduino може підтримувати діалог з декількома зовнішніми 
пристроями використовуючи окремі канали зв’язку, що спрощує схему і 
дозволяє не використовувати транзистори для вибору пристрою з яким 
ведеться діалог. 
На рисунку 2.7 зображено схему підключення мікроконтролера 
Arduino UNO замість ATmega16. 
45 
 
 
Рисунок 2.7 – Схема електрична підключення мікроконтролера Arduino UNO 
 
Блок живлення є важливою складовою будь-якого пристрою. Вдала 
розробка блоку живлення дозволяє забезпечити безперебійне живлення 
пристрою з використанням малої кількості об’єму та з оптимальним 
використанням матеріалів. 
Для розробки джерела живлення пристрою необхідно знати 
потужність його компонентів. Ці дані ми занесемо в таблицю 2.1. 
Таблиця 2.1 – Потужності використаних елементів схеми 
№ Найменування P, мВт Кіль-ть Pзаг, мВт 
1. 4N 25 250 4 1000 
2. H X711 10 2 20 
3. A rduino UNO 1400 1 1400 
4. Те нзосенсори 40 4 160 
Всього: 2680 
 
46 
 
Потенціометричні датчики живитимуться від автоматизованого 
пристрою, оскільки були раніше встановленими і живились за таким самим 
принципом. 
Тому розраховуємо загальну потужність пристрою за формулою: 
 
де ��заг – загальна потужність пристрою; 
∑ �� – сума потужностей окремих елементів схеми. 
 
��заг = 250 ∗ 4 + 10 ∗ 2 + 1400 ∗ 1 + 40 ∗ 4 = 2680 мВт ≈ 2,7 Вт 
 
На просторах інтернету можна знайти готове рішення, що 
задовольнить потреби пристрою. Таким рішенням може бути блок живлення 
5В 0.7A, AC/DC, представлений на рисунку 2.8. 
 
Рисунок 2.8 – Блок живлення 5В 0.7A, AC/DC 
 
Основними вимогами до даного блоку живлення є напруга живлення 
та максимальна потужність споживача. Технічні характеристики даного блоку 
живлення наведені в таблиці 2.2. 
47 
 
Таблиця 2.2 – Основні технічні характеристики блоку живлення 
№ Характеристика Параметр 
1. Н апруга навантаження 5 В (постійна) 
2. С трум навантаження 0,7 А 
3. С поживана потужність 3,5 Вт 
4. Н апруга живлення 100 – 240 В (50 – 60 Гц) 
 
Перевіряємо відповідність обраного блоку живлення розрахованим 
параметрам пристрою за формулою: 
 
Обраний блок живлення відповідає заданим вимогам. 
 
2.4 Розробка алгоритму роботи програми мікроконтролера 
 
Даний пристрій повинен виконувати діалог з зовнішніми пристроями, 
тому першочергово контролер повинен перевірити підключення до зовнішніх 
пристроїв та у разі відсутності останніх сповістити про це оператора та за 
можливості зупинити роботу пристрою. 
Якщо всі зовнішні пристрої під’єднані то формується дозволу роботи, 
який використовується для можливості виконання діалогу з автоматизованим 
пристроєм. Даний діалог дозволяє передати інформацію про допустимі 
відхилення концентрації, а також інші параметри розчину. 
48 
 
Щойно будуть отримані дані, мікроконтролер повинен буде виконати 
розрахунок точних значень та значень допустимих відхилень, що повинні 
надійти на пристрій з датчиків з урахуванням нерівномірності 
взаємопроникності розчинника і речовини, що розчиняється, швидкості 
реакції тощо. 
На даному етапі підготування до роботи пристрою завершені і 
починається робота з датчиками. 
Перша дія, яку виконує мікроконтролер – зчитує інформацію з 
датчиками й порівнює з наперед розрахованими значеннями концентрації та 
ваги. Якщо концентрація недостатня або занадто велика, мікроконтролер 
сповіщає про це автоматизовану систему розливу. 
Також враховується наповненість тари. У разі наповнення тари і 
невідповідності концентрації дозованої речовини розрахунковому значенню 
пристрій формує сигнал, що сигналізує про бракований зразок. 
Для зручності можна використовувати коефіцієнт наповненості тари. 
Даний параметр розраховується мікроконтролером шляхом використання 
розрахованого значення повністю наповненої ємності і маси наповненої на 
певний відсоток тари, що вимірюється за допомогою тензосенсорів за 
формулою: 
 
49 
 
Для зупинки процесу наповнення тари коефіцієнт наповнення (��нап) 
повинен бути в проміжку від 0,95 до 1,05. 
В результаті перевірки датчиків може бути сформовано чотири 
висновки: 
1. Тара ще не заповнена, але дозування виконується правильно – 
сигналізує про правильність виконання дозування без зупинки процесу, 
концентрація хімічної речовини відповідає вимогам. 
2. Заповнення тари з коректною концентрацією – зупиняє процес 
дозування задля запобігання переливу рідин, що може призвести до 
небезпечних наслідків. Система автоматизованого розливу сповіщається про 
те, що дозований зразок відповідає встановленим вимогам. 
3. Тара ще не заповнена, дозування виконується НЕ правильно – дає 
можливість скоригувати дозування таким чином, щоб на момент завершення 
даного процесу концентрація розчину відповідала наперед заданим 
параметрам. 
4. Заповнення тари розчином з недопустимою концентрацією – сигналізує 
про порушення процесу дозування та його зупинку через помилку, 
заповнення тари або інших причин. 
В разі успішного завершення дозування необхідно переконатись, що 
тара була замінена, а також чи не були внесені зміни в дані, наприклад межі 
допустимої концентрації. 
Алгоритм роботи програми мікроконтролера матиме вигляд, 
представлений на рисунку 2.9. 
50 
 
 
Рисунок 2.9 – Алгоритм роботи мікроконтролера 
 
51 
 
Висновки до розділу 2 
 
В даному розділі було запропоновано спосіб створення 
автоматизованої системи контролю. Вона повинна складатись з таких 
структурних частин, як: 
1. Датчики концентрації та маси розчину – зчитують основні властивості 
розчину, щоб прямо або опосередковано визначити величину головних 
параметрів; 
2. Пристрою пам’яті – повинен зберігати основні співвідношення, що 
використовуються при розрахунку концентрації розчину; 
3. Пристрій порівняння та розрахунку необхідних значень – виконує 
математичні дії з даними, що надходять з датчиків та пристрою пам’яті; 
4. Блок калібрування – приймає рішення, щодо точності дозування та 
може формувати сигнали для автоматизованої системи щодо зміни 
параметрів дозування. 
5. Автоматизований пристрій розливу – безпосередньо керує робочими 
органами, приймаючи рішення стосовно заміни попередніх параметрів 
дозування новими. 
Також було запропоновані рішення для реалізації даного пристрою 
враховуючи нові схемні та програмні рішення в сфері електроніки та 
комп’ютерної техніки. Розроблено схему алгоритму роботи пристрою, що 
дозволить виконати програмування інших схемних рішень у випадку появи 
більш нових і ефективніших програмованих контролерів. 
  
52 
 
РОЗДІЛ 3 
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ 
 
3.1 Теоретичні основи моделювання та оптимізації дозування 
хімічних речовин в розчинах 
 
Моделювання та оптимізація дозування хімічних речовин в розчинах – 
є важливими аспектами в хімічній інженерії та промислових процесах, де 
точність та ефективність дозування мають критичне значення для якості та 
ефективності виробництва. 
Розглянемо теоретичні основи цих процесів. 
Моделювання дозування повинно враховувати наступні чинники: 
Масообмінні процеси – у моделях дозування враховується масообмін 
розчину та дозуючої речовини. Масовий баланс визначає, як швидкість 
дозування впливає на концентрацію речовини у розчині. 
Реакційна кінетика – у деяких випадках реакційна кінетика може 
впливати на дозування, оскільки швидкість хімічних реакцій залежить від 
концентрації речовини. 
Розрахунок дозуючої речовини – моделі включають розрахунок 
необхідної кількості дозуючої речовини для досягнення бажаної концентрації 
в розчині. 
Реагенти і реакції – моделювання може включати врахування 
властивостей реагентів та їх взаємодій у розчині. 
Використовують різні методи оптимізації, такі як лінійне 
програмування, нелінійне програмування, методи чисельної оптимізації, 
інтервальне програмування тощо. Оптимізація дозування повинна мати 
наступні функції: 
Обмеження – повинна бути врахована під час оптимізації. Це можуть 
бути обмеження на максимальну дозу, мінімальну концентрацію, ступінь 
конверсії, тощо. 
53 
 
Функція ефективності – може включати обмеження на концентрацію, 
витрату дозуючої речовини, а також вартість. 
Чутливість до параметрів – виконується аналіз чутливості 
оптимального рішення до зміни параметрів, таких як константи реакційної 
кінетики, витрати реагенту, тощо. 
Вибір оптимального режиму – необхідно визначити оптимальний 
режим дозування, який максимізує або мінімізує цільову функцію. 
Лінійне програмування є математичним методом оптимізації, основна 
ідея якого полягає в тому, щоб максимізувати чи мінімізувати лінійну 
функцію під певними обмеженнями. 
При оптимізації дозування хімічних речовин за допомогою лінійного 
програмування, можна сформулювати задачу у вигляді лінійної функції 
(цільова функція), яку потрібно максимізувати або мінімізувати, з 
урахуванням обмежень, що виникають у процесі дозування. 
Наприклад, якщо ми розглядаємо оптимізацію витрати хімічного 
реагента у процесі дозування, можна визначити: 
• Цільова функція – мінімізувати витрати хімічного реагента. 
• Обмеження: 
­ Обмеження на максимальну допустиму концентрацію реагента. 
­ Обмеження на максимальну допустиму кількість реагента, яку 
можна вводити в систему. 
• Кількість хімічного реагента, яку слід додати. 
Після формулювання задачі у такій формі, можна використовувати 
лінійне програмування для знаходження оптимальних значень змінних, щоб 
досягти максимальної чи мінімальної цільової функції при врахуванні всіх 
обмежень. 
Важливо відзначити, що ефективність використання лінійного 
програмування для оптимізації дозування хімічних речовин може залежати 
від конкретної ситуації та складності процесу. У деяких випадках інші методи 
оптимізації, такі як інтервальне програмування чи еволюційні алгоритми, 
54 
 
також можуть бути використані для вирішення більш складних задач 
оптимізації. 
Нелінійне програмування – це метод оптимізації, який 
використовується для розв'язання задач оптимізації, де функція цілі або 
обмеження мають нелінійну форму. У контексті оптимізації дозування 
хімічних речовин, нелінійне програмування може бути використано для 
знаходження оптимальних значень доз, які максимізують чи мінімізують 
певні параметри, такі як вартість, ефективність чи якість продукції. 
Основні етапи використання нелінійного програмування для 
оптимізації дозування хімічних речовин: 
• Визначення цільової функції, яку потрібно максимізувати або 
мінімізувати, а також всіх обмежень на дозування хімічних речовин. 
• Перетворення задачі оптимізації у математичні рівняння та нерівності, 
які включають нелінійні функції. 
• Вибір алгоритму нелінійного програмування, такого як метод Ньютона, 
метод квазі-Ньютона, генетичні алгоритми, або інші, для розв'язання системи 
рівнянь та оптимізації цільової функції. 
• Використання обраного методу оптимізації для знаходження 
оптимальних значень доз хімічних речовин. 
• Аналіз чутливості до змін параметрів та умов для забезпечення 
стабільності оптимального рішення. 
Нелінійне програмування може бути особливо корисним у випадках, 
коли функції цілі або обмеження мають складну форму або взаємодіють за 
нелінійними законами. Використання цього методу може дозволити 
ефективно оптимізувати дозування хімічних речовин для досягнення певних 
цілей та обмежень у технологічних процесах. 
У чисельній оптимізації дозування хімічних речовин використовують 
різні методи для пошуку оптимальних значень параметрів з урахуванням 
встановлених обмежень. 
 
55 
 
Найбільш розповсюдженими методами є наступних типів: 
• Градієнтні методи: 
­ Метод градієнта (або спряжених градієнтів) – заснований на 
методі найшвидшого спуску, використовує градієнт для зменшення функції 
цілі. 
• Методи оптимізації на основі моделей: 
­ Методів метамоделей (наприклад, Response Surface Methodology - 
RSM) – побудова математичного моделі, яка наближено відображає функцію 
цілі, і використання цієї моделі для пошуку оптимального рішення. 
­ Методів апроксимації функції відгуку – використання 
апроксимацій для ефективного визначення впливу параметрів на функцію 
цілі. 
• Методи збійчастого пошуку: 
­ Методи випадкового пошуку – випадковим чином визначаються 
значення параметрів з метою знаходження оптимального рішення. 
­ Методи мультистарту – проводять пошук з різних початкових 
точок для забезпечення глобальності результату. 
• Методи оптимізації з обмеженнями: 
­ Методи штрафних функцій – додають штрафи за порушення 
обмежень до цільової функції. 
­ Методи проєктування допоміжної функції – використовують 
допоміжні функції для управління обмеженнями. 
Вибір конкретного методу залежить від характеристик задачі, 
складності функції цілі та обмежень, а також ресурсів, доступних для 
обчислень. Ефективне використання чисельних методів оптимізації може 
значно полегшити процес оптимізації дозування хімічних речовин в різних 
технологічних застосуваннях. 
Інтервальне програмування – це метод оптимізації, який дозволяє 
враховувати невизначеність чи змінність параметрів в задачі оптимізації. Цей 
підхід особливо корисний у випадках, коли точні значення параметрів чи 
56 
 
обмежень невідомі або можуть змінюватися в залежності від умов чи 
нестабільних факторів. 
Інтервальне програмування може бути застосоване до задач 
оптимізації дозування хімічних речовин наступним чином: 
• Визначення інтервалів параметрів – замість конкретних значень 
параметрів визначаються їх інтервали. Наприклад, замість точного значення 
концентрації хімічного реагента, може використовуватися інтервал, що 
визначає максимальні та мінімальні можливі значення. 
• Формулювання інтервальної цільової функції – створюється цільова 
функція, яка враховує вплив інтервалів параметрів на результат оптимізації. 
Це може включати максимізацію мінімального значення цільової функції або 
інші підходи. 
• Формулювання інтервальних обмежень – задаються обмеження для 
інтервалів параметрів, щоб врахувати всі можливі варіації. 
• Застосування методів програмування – використовуються методи 
оптимізації, які спеціально призначені для роботи з інтервальними 
параметрами. Це може включати методи, які враховують невизначеність і 
забезпечують оптимальні рішення в умовах нестабільності. 
• Аналіз рішення та чутливості – оцінюється стабільність та 
ефективність оптимального рішення в умовах зміни параметрів. 
Оптимізація дозування хімічних речовин – це процес вдосконалення і 
точного контролю введення хімічних речовин у систему. Оптимізація 
дозування хімічних речовин сприяє підвищенню ефективності, зменшенню 
витрат та мінімізації негативного впливу на навколишнє середовище. 
Відмічають наступні основні аспекти оптимізації автоматизованих 
систем дозування хімічних речовин: 
1. Точність дозування – використання точних інструментів і пристроїв для 
дозування речовин забезпечує необхідний рівень точності у введенні 
хімікатів. 
57 
 
2. Моніторинг параметрів – включення систем моніторингу, таких як 
аналізатори якості води або інші сенсори, дозволяє реагувати на зміни в 
процесі та відповідати на них. 
3. Оптимізація рецептур – аналіз і вдосконалення складу хімічних 
розчинів або реагентів може сприяти зменшенню витрат і покращенню 
результативності. 
4. Енергоефективність: Розгляд варіантів для зменшення 
енергоспоживання та оптимізації витрат енергії при процесі дозування. 
5. Безпека та стандарти: Забезпечення дотримання вимог щодо безпеки та 
відповідність стандартам для запобігання негативним впливам на оточуюче 
середовище та здоров'я людей. 
 
3.2 Моделювання процесу дозування хімічних речовин 
 
Моделювання процесу дозування хімічних речовин – це важливий 
етап у розробці та оптимізації хімічних процесів. Модель може допомогти 
передбачити вплив різних параметрів та умов на результати дозування, 
сприяючи вибору оптимальних налаштувань та забезпечуючи високу 
ефективність процесу. 
Основні етапи математичного моделювання: 
1. Визначення мети та параметрів 
Метою математичного моделювання є оптимізація процесу дозування, 
прогнозування поведінки системи, допомога в виборі оптимальних 
параметрів. Основними параметрами контролю є: відхилення від маси 
дозованої речовини та відхилення концентрації дозованих речовин. 
2. Збір даних про характеристики хімічних речовин, властивості реакцій, 
параметри об'єкта дозування. 
3. Формулювання математичної моделі – розробка математичної моделі, 
яка відображає взаємозв'язок між введенням хімічних речовин та 
58 
 
результатами процесу. Вона може включати рівняння реакцій, кінетичні 
параметри, екзотермічні та масообмінні процеси, інерційність системи тощо. 
Для математичного моделювання та експериментальних досліджень 
будуть використані різні хімічні речовини, такі як ��������, ������, оцтова 
кислота, ������3, ��2����4. Важливими параметрами цих речовин є густина, 
електрична провідність, а також залежність вищевказаних параметрів від 
концентрації речовини в розчині. З їх допомогою можна визначити об’єм 
розчину та концентрацію речовини в ньому. 
Основні параметри речовин, використаних при розробці математичної 
моделі і експериментальних дослідженнях вказані в таблиці 3.1. 
Таблиця 3.1 – Основні параметри речовин, що використовуються в 
дослідженні 
Густина, 
№ 
Речовина кг
пп  
дм3
1 2 3 4 5 6 7 8 
1.  Вода 1,000 - 0,5 100 18,01528 - 
2.  1,013 10 
Оцтова 
3.  кислота 1,038 30 1,85 3,5 60,0520 99,9 
4.  (Acetic acid) 
1,058 50 
5.  1,109 10 
�������� 
6.  (Sodium 1,328 30 410 15 39,99711 50 
hydroxide) 
7.  1,525 50 
8.  1,054 10 
������ 
9. ( Hydrochloric 1,180 30 850 19 36,4609 36 
acid) 
10.  1,038 30 
 
 
Концентрація в 
розчині, % 
Максимальна 
електропровідніст
ь, µmhos/cm 
Густина при max 
електропровідност
і, % 
Молярна маса, 
г/моль 
Насичення 
розчину при 25 
ОC, % 
59 
 
Продовження таблиці 3.1 
1 2 3 4 5 6 7 8 
11.  1,047 10 
12.  Н2����4 1,098 20 825 30 98,08 99,9 
(Sulfuric acid) 
13.  1,198 40 
14.  1,139 20 
15.  ������3 1,395 50 865 29 63,0128 99,9 
(Nitric acid) 
16.  1,727 80 
 
Таблиці залежності густини від концентрації речовин, використаних 
при математичному моделюванні і експериментальних дослідженнях 
приведено в додатку А. Відповідно до цих таблиць були побудовані графіки 
концентрації речовин, які можна побачити на рисунках 3.1 – 3.5.  
На основі діаграм залежності провідності від концентрації і таблиць 
залежності густин від концентрації можна зробити масив даних для 
мікроконтролера. Це полегшить розрахунки, оскільки немає певної 
математичної залежності, яка б описала ці залежності 
На рисунку 3.1 зображено графік залежності густини від концентрації 
в розчині NaOH. 
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
КОНЦЕНТРАЦІЯ, %
 
Рисунок 3.1 – Графік залежності густини від концентрації в розчині NaOH 
ГУСТИНА, КГ/〖ДМ〗^3 
60 
 
 
На рисунку 3.2 зображено графік залежності густини від концентрації 
в розчині НСl. 
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1 6 12 18 24 30 36 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 89 92 95 98
КОНЦЕНТРАЦІЯ, %
 
Рисунок 3.2 – Графік залежності густини від концентрації в розчині НСl 
 
На рисунку 3.3 зображено графік залежності густини від концентрації 
в розчині оцтової кислоти. 
1,08
1,06
1,04
1,02
1
0,98
0,96
КОНЦЕНТРАЦІЯ, %
 
Рисунок 3.3 – Графік залежності густини від концентрації в розчині оцтової 
кислоти 
ГУСТИНА, КГ/〖ДМ〗^3 ГУСТИНА, КГ/〖ДМ〗^3 
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
57
60
63
66
69
72
75
78
81
84
87
90
93
96
99
61 
 
 
На рисунку 3.4 зображено графік залежності густини від концентрації 
в розчині HNO3. 
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1 6 12 18 24 30 36 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80 83 86 89 92 95 98
КОНЦЕНТРАЦІЯ, %
 
Рисунок 3.4 – Графік залежності густини від концентрації в розчині HNO3 
 
На рисунку 3.5 зображено графік залежності густини від концентрації 
в розчині Н2SO4. 
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
КОНЦЕНТРАЦІЯ, %
 
Рисунок 3.5 – Графік залежності густини від концентрації в розчині Н2SO4 
 
ГУСТИНА, КГ/〖ДМ〗^3 ГУСТИНА, КГ/〖ДМ〗^3 
62 
 
Для точного дозування речовини необхідної концентрації і об’єму 
необхідно розрахувати масу розчину з урахуванням ваги тари (формула 3.1): 
 
Також слід пам’ятати, що для створення розчину необхідної 
концентрації використовується розчин більш високої концентрації, а не чиста 
речовина. Тому для розрахунку співвідношення обов’язковим буде 
врахуванням концентрації розчину, що дозується. 
Маса речовин, що дозуються розраховується наступним чином: 
 
63 
 
Щоб розрахувати масу розчину, що використовується при дозуванні, 
необхідно визначити масу речовини в цьому розчині: 
 
Для зручності, запишемо формули, використовувані при розрахунку 
мас компонентів для дозування в систему рівнянь: 
 
Оскільки ми використовуємо потенціометричний датчик для 
вимірювання концентрації розчинів (��������, ������, ����3��������, ������3, ��2����4 
тощо) пристрій потребуватиме значення електричної провідності цих 
розчинів відповідно до концентрації (додаток Б). Метод аналізу, який 
64 
 
використовує такі датчики, ґрунтується на вимірюванні ЕРС гальванічних 
елементів. 
В потенціометрії гальванічний елемент виконують із індикаторного 
електрода, потенціал якого залежить від концентрації іону, та електрода 
порівняння, чий потенціал є відомим, легко відтворюється і залишається 
незмінним під час вимірювань. Такий електрод можна замінити на значення, 
що записане в пам’яті пристрою автоматизації або в пристрої контролю. 
В потенціометрії використовують два основних типи індикаторних 
електродів: 
1. Елетробмінні – електроди, на міжфазній межі яких перебігають 
реакції за участю електронів; 
2. Мембранні (іонообмінні) – електроди, на міжфазній межі яких 
протікають іонообмінні реакції. 
В даному пристрої використовується електроди другого типу 
(іонообмінні), оскільки виконується перевірка концентрації розчинів кислот і 
лугів. В своєму складі ці розчини мають іони, кількість яких напряму 
залежить від концентрації речовини та розчинника.  
Зазвичай при потенціометричному вимірюванні концентрації 
використовують два методи аналізу: пряма потенціометрія, потенціометричне 
титрування. 
Метод прямої потенціометрії використовує пряме застосування 
рівняння Нернста для визначення активності або концентрації цільового іона. 
Для цього проводять вимірювання електрорушійної сили (ЕРС) для серії 
стандартних розчинів іону. Після цього конструюють калібрувальний графік, 
на якому відображена залежність Е від концентрації стандартних розчинів (С) 
визначаємого іону. За отриманим калібрувальним графіком вимірюють ЕРС 
для досліджуваного розчину і визначають концентрацію цільового іона. 
Для розчинів з конкретною концентрацією речовини визначення 
потенціалу електрода виконується за наступними рівняннями: 
 
65 
 
 
Титриметричний метод аналізу - це метод визначення концентрації 
речовини у розчині шляхом титрування з використанням відомої концентрації 
іншої розчину, яка взаємодіє з аналізованою речовиною. У цьому методі 
точна кількість титранту, яка реагує з аналізованою речовиною, вимірюється 
для визначення концентрації. 
Під час потенціометричного титрування точку еквівалентності 
визначають за різкою зміною (стрибком) електрорушійної сили неподалік від 
точки еквівалентності. Протягом процесу титрування фіксують та реєструють 
значення ЕРС в комірки після додавання певного об'єму титранту. Ці дані 
використовуються для побудови кривої титрування, яка є графіком 
залежності ЕРС від об'єму титранту (Рисунок 3.6 а). Для більш точного 
визначення точки еквівалентності, побудованої кривої титрування, 
створюють диференційну криву титрування, що відображає залежність 
ΔE/ΔV від об'єму титранту (Рисунок 3.6 б). 
66 
 
 
На рисунку 3.6 зображено криві потенціометричного титрування. 
 
Рисунок 3.6 – Інтегральна (а) та диференційна (б) крива потенціометричного 
титруванні розчинів 
 
Для створення математичної моделі ми використаємо метод прямої 
потенціометрії, оскільки він простіше і зменшує час розрахунків, що 
зменшить інерційність пристрою.  
 
В додатку Б представлено діаграму залежності електричної 
провідності від концентрації речовини в розчині. На ній видно, що при 
зчитуванні даних потенціометрії пристрій одразу дізнаватиметься можливі 
варіанти концентрації. Для зручності роботи з такою діаграмою, її необхідно 
перетворити в масив даних з як найбільшою кількістю значень, що 
забезпечуватиме точність вимірювань. 
За формулою 3.5 ми зможемо визначити електричний потенціал при 
максимальному значенні концентрації, що в подальшому дозволить виконати 
налагодження пристрою вимірювання і підібрати коефіцієнт пропорційності. 
67 
 
Електрична провідність повинна прив’язуватись до значення напруги, 
що видає датчик для забезпечення точності вимірювання концентрації. Це 
можна зробити двома методами: 
1. В масив даних прописувати значення електричного параметра 
(наприклад струму), що відповідає значенню електричної провідності; 
2. В масив даних записується значення електричної провідності для 
конкретної концентрації розчину. При отриманні даних з сенсора пристрій 
контролю розраховує електричну провідність і визначає концентрацію. 
Для забезпечення точності краще використовувати другий метод, 
оскільки він дозволяє виконувати налагодження пристрою з заміною 
елементів. 
Розрахунок електричної провідності виконується за наступною 
формулою: 
 
На основі розрахованого значення електричної провідності обирається 
поточне значення концентрації. Зважаючи на те, що для одного значення 
68 
 
електричної провідності існують два можливих варіанти концентрації 
речовини використовуємо формулу порівняння електричної провідності. 
 
Маючи значення маси вже дозованого розчину і його концентрації 
можна розрахувати масу речовини, що треба додати до вже готового розчину, 
щоб отримати необхідні параметри. Для цього використаємо формулу 
провила змішування хімічних сполук, для пошуку співвідношення: 
 
Розрахувавши співвідношення можна дізнатись значення маси та 
об’єму, що необхідно додати для створення розчину необхідної концентрації, 
і звірити з тими значеннями, що залишилось додати. 
69 
 
Маса розчину, що треба додати, розраховуватиметься за наступною 
формулою: 
 
Для зупинки дозування необхідно, щоб маса дозованого розчину 
відповідали заданому значенню. При цьому аналізується точність дозування 
шляхом порівняння розрахованого значення концентрації з дійсним. 
Відхилення не може перевищувати 0,1% і розраховується за формулою: 
  
70 
 
Висновки до розділу 3 
 
В даному розділі було створено математичну модель, яка дає 
можливість побачити послідовність дій при вимірюванні концентрації, а 
також розраховувати необхідний вплив на процес дозування у разі 
невідповідності дійсних параметрів цього процесу заданим. 
Запропонована модель виконує первинний розрахунок співвідношення 
мас, що дозволяє зменшити необхідність коригування процесу дозування. 
Основними параметрами, які повинна контролювати система 
автоматизації є маса розчину та його концентрація. Маса хімічного розчину 
контролюється прямим методом, вимірюючи її сенсорами ваги. В свою чергу 
концентрація розчину розраховується на основі електричної провідності. 
Електрична провідність розчину залежить від його концентрації, тому 
для певних значень провідності може існувати два значення концентрації. 
Для того, щоб не враховувати невірне значення концентрації було 
запропоновано враховувати попередні значення електричної провідності і 
маси. Це працює наступним чином: 
1. Якщо електрична провідність зростає з зростанням об’єму (або маси, ці 
два параметри пропорційно залежать один від одного) це вказує на ту частину 
графіку, де існує пряма залежність провідності від концентрації. 
2. Якщо з зростанням маси електрична провідність знижується, то 
залежність провідності від концентрації обернена. 
Метод вимірювання концентрації, використаний при математичному 
моделюванні, значно спрощує і робить більш якісним процес дозування, адже 
не треба додавати титруючий розчин. Також титруючі розчини не дозволяють 
виміряти концентрацію одразу, оскільки додаються в вже готовий концентрат, 
тобто розчин відомого об’єму але невідомої концентрації. 
  
71 
 
РОЗДІЛ 4 
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ  
 
4.1 Загальний опис задачі і цільовий об'єкт 
 
Автоматизований пристрій дозування рідких хімічних сполук є 
технічним пристроєм, призначеним для точного і автоматичного вимірювання 
та випуску певних обсягів рідких речовин. Пристрій, що був розроблений в 
другому розділі даної наукової роботи задовольняє електричні параметри 
поставлені в завданні. 
Задачею експериментальної частини наукової роботи є перевірка 
виконання заданих в завданні вимог та математичної моделі вдосконаленого 
пристрою автоматизованого дозування рідких хімічних сполук. Даний 
пристрій призначений для використання в наукових дослідженнях та на 
невеликих підприємствах хімічної, фармацевтичної та харчової 
промисловості, тому повинен мати наступні особливості, які необхідно 
перевірити експериментальним шляхом: 
▪ Забезпечення сумісності з іншими автоматизованими системами для 
оптимізації процесів дослідження. 
▪ Вбудовані системи контролю для визначення та усунення відхилень в 
дозуванні. 
▪ Автоматично реагувати на зміни у хімічних процесах, щоб дозувати 
необхідні кількості реагентів для підтримання оптимальних умов. 
▪ Бути виготовленими з матеріалів, які є стійкими до корозії та 
агресивних хімічних сполук. 
Всі вище зазначені пункти є цільовим об’єктом дослідження даної 
роботи. До них також можна додати перевірка впливу інерційності пристрою 
та інерційності хімічних реакцій на дозування і можливості зниження цього 
впливу. 
 
72 
 
4.2 Схема відбору проби 
 
Пристрій, вдосконалений в даному проєкті, виконує дозування 
розчинів з зміною концентрації хімічних сполук. На концентрацію впливає 
декілька параметрів, такі як співвідношення мас речовини, що розчиняється, і 
її розчинника. При зміні концентрації розчину також змінюється і його 
густина, що призведе до нелінійної зміни об’єму розчину при додаванні 
більш концентрованого розчину. 
Сам пристрій вимірює два основні параметри розчину – його масу і 
електричну провідність. На значення електричної провідності впливає 
концентрація розчину. Ця залежність не є лінійною чи визначеною за 
конкретною формулою, а визначається кривою індивідуальною для кожної 
речовини (додаток Б). 
Відбір проби виконується для усієї партії в результаті виконання 
дозування хімічного розчину в пробірку стандартизованого розміру та ваги не 
залежно від якості дозування. Всі значення вносяться в таблицю з вказанням 
програмованої та дозованої концентрації, запрограмованим відхиленням від 
еталонного значення, а також висновком щодо відповідності дозованої 
концентрації. 
Дослідження відбувається в хімічній лабораторії з автоматизованою 
системою дозування розчинів в пробірки. Температура повітря 25 ОС, 
відносна вологість 40 – 60 %, наявна витяжка в робочій зоні 
Під час дослідження виконується дозування в результаті якого 
утворювались розчини з різною концентрацією хімічних речовин. Це 
дозволить перевірити точність потенціометричних датчиків, вплив 
інерційності хімічних реакцій, а також вплив дифузії на контроль дозування. 
Основні кроки перевірки пристрою дозування: 
1. Маркування та зважування пустої тари перед дозуванням – виконується 
для того, щоб було легше виміряти кількість дозованої речовини. Зважування 
73 
 
відбувається на контрольних вагах з точністю, вищою за точність пристрою 
дозування на декілька порядків та самим пристроєм перед дозуванням. 
2. Підготовка контрольних розчинів – виконується для спрощення 
калібрування автоматизованого пристрою дозування. Контрольні розчини 
створюються за: 
a. рівняннями реакцій, якщо передбачається змішування двох 
речовин, результат реакції яких утворює необхідну речовину певної 
концентрації розчину у воді. 
b. розрахунками маси готового розчину на основі густини речовин, 
що використовуються при дозуванні, а також необхідного об’єму дозованих 
речовин. 
3. Калібрування пристрою автоматизованого дозування хімічних речовин 
виготовленими контрольними розчинами різної концентрації. 
4. Виконання дозування хімічних речовин автоматизованим пристроєм. 
Після виконання дозування зразкам необхідно надати трохи часу, для 
завершення хімічних реакцій і дифузії речовини з розчинником. 
5. Перевірка відповідності концентрації відібраних зразків контрольним. 
Відбір проби для дослідження точності дозування відбувається з кожного 
зразка  
 
Рисунок 4.1 – Схема відбору проби для перевірки точності датчиків 
концентрації хімічних розчинів a – дозування розчину, b – зважування 
розчину, c – поступове додавання титру і визначення концентрації  
74 
 
 
Таким способом ми зможемо перевірити залежність електричної 
провідності від концентрації розчину та перевірити способи зворотного 
контролю концентрації, тобто можливість визначити точне значення 
концентрації розчину при відомій величині провідності. Також ми отримаємо 
можливість проконтролювати точність дозування необхідного об’єму 
розчину. 
 
4.3 Відбір проб, аналіз відповідності вимірювань поставленому 
завданню та перевірка виконання поставлених вимог 
 
Завданням експериментальної частини є перевірка математичної 
моделі. При цьому основними показниками буде відхилення концентрації при 
дозуванні залежить від точності вимірювальних систем, відсутність впливу 
коливань в мережі живлення на точність вимірювання і дозування.  
Пристрій, вдосконалений в цій науковій роботі, при дозуванні може 
мати відхилення об’єму розчину до 1%, а концентрації речовини в 0,1%, 
тобто при дозуванні 20% розчину допустимі межі дійсної концентрації 
знаходяться в діапазоні [19,9 ; 20,1] %. 
При експериментальному дослідженні були виділені така незалежна 
змінна, як маса дозованих речовин. Це єдиний параметр, який не залежить 
від зовнішніх факторів. Всі інші параметри, такі як об’єм, електрична 
провідність, густина тощо, в тій чи іншій мірі залежали від маси 
використаних речовин, їх співвідношення або інших фізичних чи хімічних 
властивостей хімічних сполук. 
Пристрій розроблений в другій частині цієї наукової роботи показав 
себе як такий, що може виконувати діалог з зовнішніми пристроями. 
Наприклад під час дослідження, коригування параметрів і керування 
процесом відбувалось з ноутбука через спеціалізоване програмне 
забезпечення. 
75 
 
 
Основні показники перевірки пристрою на виконання вимог щодо 
концентрації дозованої речовини представлені в таблиці 4.1, а вимірювання 
концентрації конкретних зразків, що були дозовані пристроєм представлені в 
додатку В. 
Таблиця 4.1 – Порівняння середнього значення концентрації 
досліджуваних зразків розчинів з еталонними 
№ 
1 2 3 4 5 6 7 8 
20 20,003 20 20,07 19,95 
�������� 
1.  15 15,01 20 15,08 14,96 
0,1 
(Sodium chloride) 10 9,9995 20 10,05 9,95 
5 5,004 20 5,08 4,96 
20 20,006 20 20,09 19,95 
�������� 
2.  15 14,999 20 15,05 14,95 
0,1 
(Sodium hydroxide) 10 10,004 20 10,05 9,96 
5 5,002 20 5,05 4,96 
20 20,003 20 20,07 19,95 
������ 
3.  15 14,999 20 15,05 14,96 
0,1 
(Hydrochloric acid) 10 10,002 20 10,05 9,95 
5 4,9995 20 5,05 4,96 
Оцтова 20 19,998 20 20,05 19,94 
4.  15 14,991 20 15,06 14,94 
кислота 0,1 
10 10,02 20 10,06 9,95 
(Acetic acid) 
5 4,994 20 5,06 4,95 
20 20,059 20 20,6 19,95 
������
5.  3 15 15,001 20 15,06 14,95 
0,1 
(Nitric acid) 10 10,027 20 10,6 9,95 
5 4,9935 20 5,04 4,94 
20 20,026 20 20,08 19,97 
Н2����  
6.  4 15 15,035 20 15,09 14,98 
0,1 
(Sulfuric acid) 10 10,027 20 10,07 9,98 
5 5,0315 20 5,08 4,98 
Розчин 
Концентрація, 
% 
Середнє 
значення, % 
Кількість 
досліджених 
зразків 
Допустиме 
відхилення,% 
Максимальне 
додатне 
відхилення 
Максимальне 
від’ ємне 
відхилення 
76 
 
Даний пристрій має датчики, які забезпечують точність вимірювання 
при великому діапазоні температур, датчики концентрації виконані з стійких 
до корозії матеріалів, через що значно зростає їх вартість. Ці матеріали 
значно полегшують експлуатацію пристрою, оскільки мають відмінні 
електропровідні властивості. 
 
Висновки до розділу 4 
 
В експериментальному дослідженні було перевірено математичну 
модель, запропоновану в третьому розділі. В цій математичній моделі 
пропонується визначити концентрацію розчину через його електричну 
провідність. 
Для перевірки цієї моделі було визначено, що маса використаних 
речовин не залежить від будь якої іншої змінної. Натомість інші параметри 
речовини, такі як густина розчину, його електрична провідність та об’єм, 
кількість речовини, що треба додати для того, щоб досягти необхідної 
концентрації, мають певну залежність від інших змінних. 
В цілому при перевірці розробленої моделі не було виявлено 
відхилень в концентрації, які б не задовольняли умову. Але при дослідженні 
дозування сульфатної кислоти можна бачити невеликий зсув концентрації в 
більшу сторону в рамках норми. Це сталося через те, що при контакті цієї 
речовини з водою, остання починає активніше випаровуватись через 
виділення незначної кількості тепла. 
Також слід зазначити, що при дозуванні пристрій показав, що 
максимальне відхилення об’єму розчину 0,8%, хоч це і не зазначено в 
результатах, оскільки не було перевірено в лабораторних умовах з 
об’єктивних причин. 
  
77 
 
ВИСНОВКИ 
 
У першому розділі виконано аналіз наукових публікацій та 
досліджень, що стосуються розробки систем контролю концентрації за 
допомогою різних методів вимірювання. Теоретичні дослідження 
підтвердили відсутність відкритих рішень щодо контролю концентрації під 
час дозування. Оскільки концентрація сполук є ключовим параметром 
готових розчинів, необхідний його контроль, хоча прямий спосіб 
вимірювання недоступний. Існуючі системи дозволяють точно визначати 
концентрацію, проте вони не забезпечують можливості коригування 
параметрів розчину в разі відхилень концентрації під час дозування, вплив на 
яку справляють різні фактори. Для забезпечення можливості внесення змін у 
технологічний процес необхідно розробити відповідне програмне 
забезпечення. На даний момент автоматизований контроль концентрації 
хімічних сполук не застосовується. 
У другому розділі було розроблено систему контролю для 
автоматизованої системи дозування хімічних речовин на базі 
мікроконтролера. В даному дослідженні виявлено, що можливий контроль 
концентрації під час дозування за допомогою потенціометричних датчиків, 
які вимірюють електричну провідність розчину. У поєднанні з сенсорами 
ваги ці потенціометричні датчики дозволяють точно визначити концентрацію, 
відповідну значенню електричної провідності. Такий підхід дозволяє 
розрахувати необхідні додаткові корекції для системи управління, що сприяє 
зменшенню відхилень у результаті процесу дозування. 
У третьому розділі була розроблена математична модель, яка 
призначена для розрахунку необхідної маси дозованих розчинів, визначення 
концентрації розчину в поточний момент дозування та врахування необхідних 
корекцій для оптимізації процесу дозування, з метою досягнення фактичної 
концентрації, що відповідає заданій. 
78 
 
Запропонована модель виконує початковий розрахунок відношення 
мас, що спрощує необхідність коригування процесу дозування. Основні 
параметри, які має контролювати автоматизована система: маса розчину та 
його концентрація. Маса хімічного розчину вимірюється безпосереднім 
методом за допомогою сенсорів ваги, а концентрація розчину розраховується 
на підставі його електричної провідності. Електрична провідність розчину 
залежить від його концентрації, тому для певних значень провідності може 
існувати два значення концентрації. Щоб уникнути врахування невірного 
значення концентрації, запропоновано враховувати попередні значення 
електричної провідності і маси 
У четвертому розділі була проведена перевірка точності математичної 
моделі, і виявлено, що існуюча оцінка необхідної маси розчинів для 
дозування не враховує взаємодію розчинника з речовиною, таку як 
виникнення додаткової теплової енергії при розчиненні.  
В загальному, під час перевірки розробленої моделі не було виявлено 
відхилень в концентрації, які б не відповідали умовам. Проте під час 
дослідження дозування сульфатної кислоти спостерігався невеликий зсув 
концентрації в більшу сторону, що залишалося в межах норми. Це сталося 
через те, що при контакті цієї речовини з водою, остання активніше 
випаровувалась через виділення невеликої кількості тепла. 
  
79 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Automatic liquid bottle filling machine LI-BF4: веб-сайт URL: 
https://www.lodhapharma.com/automatic-liquid-bottle-filling-machine.php 
2. Automatic Volumetric Piston Liquid Filling Machine High Viscosity 
Piston Filler 50-1000ml: веб-сайт URL: https://www.jwpackchina.com/sale-
13960530-automatic-volumetric-piston-liquid-filling-machine-high-viscosity-
piston-filler-50-1000ml.html 
3. CCG1000-16TS 8 Nozzles Gear Pump Filling Machine: веб-сайт 
URL: http://www.sinbon.com.hk/filling-machine/8-Nozzles%20-Filling-
Machine.shtml 
4. Concentration determination by means of density measurement: веб-
сайт URL: https://wiki.anton-paar.com/at-de/konzentrationsbestimmung-mittels-
dichtemessung/ (дата звертання 31.10.2023) 
5. Conductivity Values: веб-документ URL: 
https://www.gilsoneng.com/reference/conductivity%20acids.pdf; (дата звертання 
28.10.2023) 
6. FAST AG Solutions Інструкція з експлуатації машини для 
внесення рідких добрив 8200 : інструкція Windom, 2014. 40 с.; 
7. Bhanpurawala Mohammed. International journal of engineering 
sciences & research technology: Automatic liquid filling machine (електронна 
версія): URL: 
https://www.researchgate.net/publication/360611768_Design_and_Fabrication_of_
Semi-automatic_liquid_Filling_Machine 
8. Фершал М.В. Аналітичні сенсорні системи: навчальний посібник 
/ Укладач: М.В. Фершал. – Ужгород: Вид-во УжНУ «Говерла», 2022. – 220 с.; 
9. Аптечна технологія ліків : навч. посіб. / Овсяннікова Т.О. та ін. 
Харків, 2021. 269 с.; 
10. Блок живлення 5в 0.7A, AC/DC веб-сайт. URL: 
https://radiokey.com.ua/ua/p670021447-blok-zhivlennya-
80 
 
07a.html?source=merchant_center&gad_source=1&gclid=CjwKCAiA0syqBhBxE
iwAeNx9Nyjar2uBeSexr4-1aREu61T9GLbpPtaJFvHkl7ZsB-LHl-TUMkvMJxoC-
0YQAvD_BwE (дата звертання 14.11.2023); 
11. Г. О. Статюха, Д.М. Складанний, О.С. Бондаренко. Вступ до 
планування оптимального експерименту: навч. посіб. /  – К.: НТУУ «КПІ», 
2011. – 124 с. – 300 пр. ISBN 978-966-622-408-1; 
12. Густина розчинів: веб-сайт. URL: 
https://studfile.net/preview/9690391/page:14/  (дата звертання 27.10.2023); 
13. Ю.К.Тараненко. Диференційний метод виміру щільності рідин, 
газів та дисперсних систем: Вісник Національного технічного університету 
"КПІ". Серія: Приладобудування. — 2006. — №  32 с.; 
14. Електрична провідність розчинів електролітів: лекція, електронна 
версія URL: https://chemeducation.pnu.edu.ua/wp-
content/uploads/sites/14/2020/02/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86_8.pdf; 
15. Мельник В.І,, Калюжний О.Д., Рідний Р.В. Інженерія 
природокористування : журнал №1 (7) Харків, 2017. 130 с.; 
16. Інструментальні методи хімічного аналізу [Електронний ресурс] : 
навч. посіб. для студ. спеціальності 161 «Хімічні технології та інженерія» 
спеціалізації «Хімічні технології неорганічних керамічних матеріалів»/ КПІ 
ім. Ігоря Сікорського; уклад.: Л.М. Спасьонова, В.Ю. Тобілко, І.В. 
Пилипенко. – Електронні текстові данні (1 файл: 1,85 Мбайт). – Київ : КПІ ім. 
Ігоря Сікорського, 2019. – 69 с.; 
17. Математичне моделювання та оптимізація об’єктів хімічної 
технології: метод. вказівки до виконання лабораторних робіт для студ. 
Напряму підготовки 6.051301 «Хімічна технологія» [Електронний ресурс] / 
[уклад. Бойко Т. В., Фоглер О.М., Абрамова А.О.]. – К: 2014. – 162 с. Систем. 
вимоги: Pentium; 256 Mb RAM;Windows 2000, XP, Vista; MS Word 97-2003 – 
Назва з екрану; 
81 
 
18. Промислова хімія: від виробництва до упаковки FlexMash: веб-
сайт. URL: https://flexmash.com/uk/promislova-himija-vid-virobnictva-do-
upakovki/  (дата звертання 13.08.2023); 
19. Сидоров Ю.І., Чуєшов В.І., Новіков В.П. Процеси і апарати 
хіміко-фармацевтичної промисловості.: навч. посіб. Вінниця, 2010. 816 с. 
20. О. О. Мураєва, Т. Д. Панайотова, І. С. Зайцева. Фізико-хімічні 
методи аналізу води  – Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2018. – 56 с; 
21. Зінчук В.К., Левицька Г.Д., Дубенська Л.О., Фізико-хімічні 
методи аналізу: Навчальний посібник. – Львів : Видавничий центр ЛНУ імені 
Івана Франка, 2008. – 362 с.; 
22. Хімічні насоси: веб-сайт. URL: https://technotep.com.ua/uk/1123-
khimichni-nasosi (дата звертання 13.08.2023);