Визначення концентрації нітратів у воді методом багатоспектрального УФ-аналізу

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorЗащепкіна, Наталія
dc.contributor.authorМельниченко, Дмитро
dc.date.accessioned2026-03-12T08:42:20Z
dc.date.available2026-03-12T08:42:20Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractУ роботі представлено результати дослідження з розробки, калібрування та випробування експериментального прототипу портативної системи для визначення концентрації нітратів у воді на основі багатоспектрального ультрафіолетового аналізу в поєднанні з алгоритмами машинного навчання. Актуальність проблеми пов’язана з масштабним поширенням нітратного забруднення природних і питних вод, що виникає через надмірне використання азотних добрив, стоки та природне ґрунтове вимивання. Високі концентрації нітратів у воді викликають серйозні загрози здоров’ю, особливо у дітей, зумовлюючи розвиток метгемоглобінемії та сприяючи виникненню хронічних захворювань. З огляду на це, критично необхідним є створення автономних рішень, здатних забезпечити швидкий і точний аналіз води без використання складних лабораторних процедур та хімічних реагентів. Запропонована система базується на використанні чотирьох світлодіодів з довжинами хвиль 265, 308, 365 і 395 нм. Кожен з каналів виконує окрему функцію: 308 нм — виявлення нітратів, 265 нм — контроль органічних домішок, 365 нм — моніторинг мутності, 395 нм — стабілізація вимірювань. Оптична система побудована на фотодіоді у фотопровідному режимі з трансимпедансним підсилювачем. Було реалізовано алгоритм автоматичного затримання вимірювання у випадку виявлення нестабільного середовища за допомогою каналу 395 нм. Диференційна обробка спектральних даних (A308−A265, A308/A265) у поєднанні з алгоритмом Random Forest забезпечила точне визначення концентрації нітратів у діапазоні до 300 мг/л. Отримано високу кореляцію між прогнозованими та реальними значеннями (R² = 0.9806) при середній абсолютній похибці 0.77 мг/л. Запропонований підхід дозволяє розв’язати проблему впливу спектрального фону та відхилень від закону Бугера–Ламберта–Бера за рахунок використання адаптивної математичної моделі. Система має перспективи впровадження у мобільних польових приладах моніторингу водних ресурсів, станцій спостереження за довкіллям, аграрному секторі та побутовому водокористуванні. Подальші дослідження передбачають розширення кількості каналів, інтеграцію сенсорів pH та електропровідності, а також застосування в складніших багатокомпонентних системах.
dc.description.abstractotherThis study presents the results of the development, calibration, and testing of an experimental prototype of a portable system for determining nitrate concentrations in water based on multispectral ultraviolet analysis combined with machine learning algorithms. The urgency of the problem lies in the widespread nitrate pollution of natural and drinking water caused by excessive use of nitrogen fertilizers, wastewater discharges, and natural leaching processes. High nitrate concentrations pose serious health threats, especially to infants, leading to methemoglobinemia and contributing to chronic diseases. Therefore, there is a critical need for autonomous solutions capable of providing rapid and accurate water quality analysis without complex laboratory procedures or chemical reagents. The proposed system uses four UV LEDs with wavelengths of 265, 308, 365, and 395 nm. Each channel serves a specific function: 308 nm detects nitrates, 265 nm monitors organic background, 365 nm tracks turbidity, and 395 nm is used for measurement stability control. The optical system is built on a photodiode in photoconductive mode with a transimpedance amplifier. An automatic delay algorithm was implemented to avoid measurements under unstable sample conditions based on signal fluctuations in the 395 nm channel. Differential processing of spectral data (A308−A265, A308/A265), combined with a Random Forest regression model, enabled accurate nitrate quantification up to 300 mg/L. The model achieved a high correlation (R² = 0.9806) and a mean absolute error of 0.77 mg/L. This approach effectively compensates for background interference and deviations from the Beer–Lambert–Bouguer law through adaptive mathematical modeling. The proposed system is suitable for implementation in mobile field instruments, environmental monitoring stations, agricultural infrastructure, and household water testing. Future work includes expanding the number of channels, integrating pH and conductivity sensors, and adapting the method for more complex multicomponent environments.
dc.format.pagerangeС. 23-29
dc.identifier.citationЗащепкіна, Н. Визначення концентрації нітратів у воді методом багатоспектрального УФ-аналізу / Наталія Защепкіна, Дмитро Мельниченко // Вісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць. – 2025. – Вип. 69(1). – С. 23-29. – Бібліогр.: 13 назв.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/1970.69(1).2025.331822
dc.identifier.orcid0000-0001-9397-6632
dc.identifier.orcid0009-0008-7056-123X
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/79431
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.relation.ispartofВісник КПІ. Серія Приладобудування : збірник наукових праць, 2025, Вип. 69(1)
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectоптика
dc.subjectнітрати
dc.subjectультрафіолетова спектроскопія
dc.subjectRandom Forest
dc.subjectбагатоканальний аналіз
dc.subjectдиференціальний метод
dc.subjectконтроль якості води
dc.subjectавтоматичний моніторинг
dc.subjectфотометрія
dc.subjectгумінові речовини
dc.subjectоптичні вимірювання
dc.subjectнеруйнівний контроль
dc.subjectnitrates
dc.subjectwater
dc.subjectultraviolet spectroscopy
dc.subjectRandom Forest
dc.subjectmultichannel analysis
dc.subjectdifferential method
dc.subjectwater quality control
dc.subjectautomatic monitoring
dc.subjectphotometry
dc.subjecthumic substances
dc.subjectoptical measurements
dc.subjectnon-destructive testing
dc.subject.udc543.421
dc.titleВизначення концентрації нітратів у воді методом багатоспектрального УФ-аналізу
dc.title.alternativeDetermination of nitrate concentration in water by multispectral UV analysis
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
23-29.pdf
Розмір:
1.54 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник КПІ. Серія Приладобудування: збірник наукових праць, Вип. 69(1)