Інформаційно-вимірювальна система визначення нітратів в рідинах експрес методом
| dc.contributor.advisor | Защепкіна, Наталія Миколаївна | |
| dc.contributor.author | Мельниченко, Дмитро Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2026-08-18T12:04:58Z | |
| dc.date.available | 2026-08-18T12:04:58Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Мельниченко Д.С. Інформаційно-вимірювальна система визначення нітратів в рідинах експрес методом. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2026. Згідно з ДСанПіН 2.2.4-171-10 та ДСТУ 7525:2014, гранично допустима концентрація (ГДК) нітратів у питній воді становить 50 мг/л , документів, що встановленімДирективою Радою 91/676/EEC (Нітратна директива ЄС) та стандартами EPA (Сполучені Штати Америки), ліміт встановлено на рівні 10 мг/л за азотом, що еквівалентно 45 мг/л за нітрат-іоном. Забезпечення виконання цих вимог потребує постійного та оперативного моніторингу водного середовища. Існуючі лабораторні методи контролю потребують складної пробопідготовки, що унеможливлює їх використання для експрес-аналізу в польових умовах. Саме оптичні методи, зокрема УФ-спектрофотометрія, є перспективною альтернативою. Тому актуальним науково-прикладним завданням є розробка інформаційно-вимірювальної системи, що базується на нових методах компенсації матричних завад і здатна забезпечити точний експрес-контроль якості води безпосередньо на місці відбору проб, що є метою даної дисертації. Напрямок досліджень дисертаційної роботи пов'язаний з науковою тематикою і темами навчального процесу кафедри інформаційно-вимірювальних технологій факультету робототехніки та приладобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Дослідження виконувалися в рамках теми: «Розробка програмного додатку для агрегації даних спектрометричних вимірювань та оптимізація методик його застосування у складі спектрометричного вимірювальногокомплексу» Державний реєстраційний номер: 0121U112816, у якій автор брав участь у постановці задачі досліджень, розробки програмного додатку для агрегації даних спектрометричних вимірювань та оптимізація методик його застосування у складі спектрометричного вимірювального комплексу. Робота також включена в тематику: «Застосування інформаційних вимірювальних технологій визначення властивостей матеріалів» Державний реєстраційний номер: 0126U002284, Код за ЄДРПОУ: 02070921, 2026р.. У науковій роботі розглянуто методи визначення нітратів у водному середовищі, наданий їх порівняльний та метрологічний аналіз; наведено фізико-хімічні засади оптичного поглинання нітратів, теоретичні моделі оптичної взаємодії випромінювання з багатокомпонентними рідкими середовищами, представлені результати проєктування інформаційно-вимірювальної системи та розглянуті важливі аспекти підвищення селективності оптичних методів аналізу. Методи аналізу спектральної кривизни та алгоритмічної корекції матричних завад дають змогу забезпечити необхідні характеристики точності таких засобів, що в свою чергу розширює галузь їх використання, зокрема, для автономного екологічного моніторингу в реальному часі. Інформаційно-вимірювальні системи експрес-аналізу можуть бути долучені до складу стаціонарних та мобільних станцій контролю якості води для забезпечення безперервного вимірювання концентрації нітратів без використання витратних хімічних реагентів. Такі системи призначені для оперативного виявлення залпових забруднень річок та озер, контролю стічних вод агропромислових комплексів та інших областей, де потрібне швидке та точне вимірювання вмісту забруднюючих речовин. Оптичні сенсори на основі УФ-спектрофотометрії відіграють незамінну роль у формуванні масивів даних щодо екологічного стану водних об'єктів, проте їх точність суттєво обмежується впливом розчиненої органічної речовини та каламутності. У роботі доведено, що наявність органічної матриці створює як адитивні (зміщення нуля), так і мультиплікативні (екранування сигналу) похибки, якіунеможливлюють використання класичних фотометричних методів. У такому комплексі точність виділення корисного сигналу нітратів на фоні широкосмугових завад має першорядне значення, оскільки навіть незначні спектральні накладання можуть призвести до хибних результатів, що перевищують гранично допустимі концентрації. З огляду на важливість та актуальність зазначених вище сфер застосування експрес-методів, попри складнощі, пов’язані з нелінійністю оптичних характеристик природних вод, переваги, які пропонує розроблена система щодо оперативності та вартості вимірювань, є незаперечними. Відсутність універсальних алгоритмів компенсації впливу матриці потребує залучення додаткових математичних рішень та засобів при проєктуванні вимірювальних перетворювачів. Одним із таких рішень є використання методу аналізу спектральної кривизни (другої похідної) за трьома аналітичними довжинами хвиль (265, 310, 365 нм). Такий метод дає змогу математично відфільтрувати вплив органічного фону та виділити вузькосмуговий пік поглинання нітратів. Запропоновані в науковій роботі методи побудови вимірювального тракту з використанням процедури локального обнулення (Local Blank) дають змогу виконати коригування адитивної складової похибки для кожної конкретної проби води та покращити загальну стабільність і точність вихідної величини за рахунок використання універсального коефіцієнта чутливості (K=0.00174). Запропонована методика дає змогу відокремити та компенсувати похибки, спричинені зміною оптичної густини середовища, що загалом підвищує метрологічну надійність системи. В основу розробленої системи було покладено досягнення метрологічних характеристик, необхідних для локальних моніторингових постів, у діапазоні концентрацій 0–100 мг/л. У цій системі вирішено проблему досягнення лінійності перетворювальної характеристики в умовах сильного оптичного поглинання, характерного для забруднених поверхневих вод. Під час виконання роботи було проведено комп’ютерне моделювання та експериментальний аналіз спектральних характеристик водних матриць різного складу («Річка 1:1», «Річка 0:3»). Розглянуто переваги та недоліки існуючих методів оптичної компенсації та детально висвітлено проблеми їх реалізації. На основі проведеного аналізу визначено джерела невизначеності та складено модель формування вихідного сигналу. Запропоновано технічні методи для мінімізації впливу дрейфу джерел випромінювання та забруднення оптичних вікон. Експериментальні дослідження довели, що отримані похибки вимірювання концентрації нітратів (середня абсолютна похибка 0.50 мг/л для помірно забруднених вод) у кілька разів менші, ніж похибки при використанні традиційних двохвильових методів, та відповідають вимогам до засобів екологічного моніторингу. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в розв’язанні науково-прикладної проблеми підвищення точності визначення концентрації нітратів на основі аналізу спектральної кривизни за трьома точками - 265, 310, 365 шляхом удосконалення теоретичних моделей оптичної взаємодії випромінювання з багатокомпонентними рідкими середовищами, розробці нових методів визначення обробки спектральної інформації для забезпечення високої селективності безреагентного аналізу, що реалізовано в отриманні наступних наукових результатів: 1. вперше запропоновано метод визначення концентрації нітратів на основі аналізу спектральної кривизни за трьома довжинами хвиль 265, 310, 365 нм, що забезпечує інваріантність до лінійного нахилу спектрів органічних домішок; 2. удосконалено процедуру калібрування шляхом впровадження методу локального обнулення, що дозволяє виконувати індивідуальну корекцію адитивної похибки для кожної проби; 3. обґрунтовано використання універсального коефіцієнта чутливості K=0.00174, що забезпечує метрологічну простежуваність вимірювань у різних типах поверхневих вод без індивідуального градуювання. Практичне значення роботи полягає у створенні науково обґрунтованих технічних рішень для реалізації портативних засобів експрес-контролю якості води. Розроблено прототип інформаційно-вимірювальної системи та програмне забезпечення, що дозволяють здійснювати оперативний моніторинг вмісту нітратів у діапазоні 0–100 мг/л з абсолютною похибкою ±0.5 мг/л для помірно забруднених вод. Це дозволяє суттєво зменшити часові та фінансові витрати на проведення аналізів порівняно з лабораторними методами, а також підвищити оперативність реагування на екологічні ризики. Дисертація є завершеною науковою працею автора. Основні наукові ідеї, обґрунтування методу спектральної кривизни, результати теоретичних та експериментальних досліджень, а також розробка апаратного та програмного забезпечення системи виконані автором особисто. Основні положення та отримані наукові результати доповідались та обговорювались на Міжнародній та Всеукраїнській наукових конференціях та опубліковані у фахових виданнях України категорії «Б» для даної спеціальності | |
| dc.description.abstractother | Melnychenko D.S. Information and measurement system for determining nitrates in liquids by an express method. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 152 "Metrology and Information and Measurement Technique" – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2026. According to DSanPiN 2.2.4-171-10 and DSTU 7525:2014, the maximum allowable concentration (MAC) of nitrates in drinking water is 50 mg/L. According to documents established by Council Directive 91/676/EEC (the EU Nitrates Directive) and EPA (United States Environmental Protection Agency) standards, the limit is set at 10 mg/L for nitrogen, which is equivalent to 45 mg/L for the nitrate ion. Ensuring compliance with these requirements necessitates continuous and prompt monitoring of the aquatic environment. Existing laboratory control methods require complex sample preparation, making their use impossible for express analysis in field conditions. It is optical methods, specifically UV spectrophotometry, that represent a promising alternative. Therefore, a relevant scientific and applied task is the development of an information and measurement system based on new methods of matrix interference compensation, capable of providing accurate express control of water quality directly at the sampling site, which is the aim of this dissertation. The research direction of the dissertation is related to the scientific themes and the educational process of the Department of Information and Measurement Technologies of the Faculty of Robotics and Instrumentation at the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute". The research was carried out within the framework of the theme: "Development of a software application for the aggregation of spectrometric measurement data and optimization of methods for its application as part of a spectrometric measurement complex," State RegistrationNumber: 0121U112816, in which the author participated in formulating the research problem, developing the software application for aggregating spectrometric measurement data, and optimizing methods for its application as part of a spectrometric measurement complex. The work is also included in the theme: "Application of information measurement technologies for determining the properties of materials," State Registration Number: 0126U002284, EDRPOU Code: 02070921, 2026. The scientific work considers methods for determining nitrates in the aquatic environment and provides their comparative and metrological analysis; it presents the physicochemical principles of optical absorption of nitrates, theoretical models of the optical interaction of radiation with multicomponent liquid media, presents the results of designing an information and measurement system, and considers important aspects of increasing the selectivity of optical analysis methods. Methods of spectral curvature analysis and algorithmic correction of matrix interferences make it possible to ensure the necessary accuracy characteristics of such instruments, which in turn expands their field of application, in particular, for autonomous real-time environmental monitoring. Information and measurement systems for express analysis can be integrated into stationary and mobile water quality control stations to ensure continuous measurement of nitrate concentration without the use of consumable chemical reagents. Such systems are designed for the rapid detection of sudden pollution discharges in rivers and lakes, the control of wastewater from agro-industrial complexes, and other areas requiring fast and accurate measurement of pollutant content. Optical sensors based on UV spectrophotometry play an indispensable role in forming data arrays regarding the ecological state of water bodies; however, their accuracy is significantly limited by the influence of dissolved organic matter and turbidity. The work proves that the presence of an organic matrix creates both additive (zero shift) and multiplicative (signal screening) errors, which make it impossible to use classical photometric methods. In such a complex environment, the accuracy ofextracting the useful nitrate signal against the background of broadband interferences is of paramount importance, since even minor spectral overlaps can lead to false results exceeding the maximum allowable concentrations. Given the importance and relevance of the aforementioned application areas for express methods, despite the difficulties associated with the nonlinearity of the optical characteristics of natural waters, the advantages offered by the developed system in terms of the speed and cost of measurements are undeniable. The lack of universal algorithms for compensating for the matrix influence requires the involvement of additional mathematical solutions and tools when designing measuring transducers. One such solution is the use of the spectral curvature (second derivative) analysis method at three analytical wavelengths (265, 310, 365 nm). This method allows mathematically filtering out the influence of the organic background and isolating the narrowband absorption peak of nitrates. The methods proposed in the scientific work for constructing a measuring path using the Local Blank procedure allow correcting the additive error component for each specific water sample and improving the overall stability and accuracy of the output value by using a universal sensitivity coefficient (K=0.00174). The proposed methodology makes it possible to separate and compensate for errors caused by changes in the optical density of the medium, which generally increases the metrological reliability of the system. The developed system was based on achieving the metrological characteristics necessary for local monitoring posts in the concentration range of 0–100 mg/L. In this system, the problem of achieving the linearity of the transformation characteristic under conditions of strong optical absorption, typical for polluted surface waters, is solved. During the work, computer modeling and experimental analysis of the spectral characteristics of water matrices of various compositions ("River 1:1", "River 0:3") were carried out. The advantages and disadvantages of existing optical compensation methods are considered, and the problems of their implementation are highlighted in detail. Based on the analysis conducted, the sources of uncertainty were identified, and a model for the formation of the output signal was compiled. Technical methods for minimizing the influence of radiation source drift and optical window contamination are proposed. Experimental studies have proven that the obtained errors in measuring nitrate concentration (average absolute error of 0.50 mg/L for moderately polluted waters) are several times smaller than the errors when using traditional two-wavelength methods and meet the requirements for environmental monitoring instruments. The scientific novelty of the dissertation lies in solving the scientific and applied problem of increasing the accuracy of determining nitrate concentration based on the analysis of spectral curvature at three points (265, 310, 365 nm) by improving theoretical models of optical interaction of radiation with multicomponent liquid media, and developing new methods for processing spectral information to ensure high selectivity of reagent-free analysis, which is realized by obtaining the following scientific results: ● For the first time, a method for determining nitrate concentration based on spectral curvature analysis at three wavelengths of 265, 310, and 365 nm is proposed, providing invariance to the linear slope of organic impurity spectra; ● The calibration procedure is improved by implementing the local blank method, which allows for individual correction of the additive error for each sample; ● The use of a universal sensitivity coefficient K=0.00174 is justified, ensuring metrological traceability of measurements in different types of surface waters without individual calibration. The practical significance of the work lies in the creation of scientifically grounded technical solutions for the implementation of portable instruments for express water quality control. A prototype of an information and measurement system and software have been developed, allowing for rapid monitoring of nitrate content in the range of 0–100 mg/Lwith an absolute error of ±0.5 mg/L for moderately polluted waters. This makes it possible to significantly reduce the time and financial costs of conducting analyses compared to laboratory methods, as well as to increase the promptness of response to environmental risks. The dissertation is a completed scientific work of the author. The main scientific ideas, the justification of the spectral curvature method, the results of theoretical and experimental studies, as well as the development of the system's hardware and software, were carried out by the author personally. The main provisions and obtained scientific results were reported and discussed at International and All-Ukrainian scientific conferences and published in specialized professional journals of Ukraine of category "B" for this specialty. | |
| dc.format.extent | 157 с. | |
| dc.identifier.citation | Мельниченко, Д. С. Інформаційно-вимірювальна система визначення нітратів в рідинах експрес методом : дис. … д-ра філософії : 152 – Метрологія та інформаційно вимірювальна техніка / Мельниченко Дмитро Сергійович. - Київ, 2026. - 157 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82565 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | інформаційно-вимірювальна система | |
| dc.subject | експрес-метод | |
| dc.subject | нітрати | |
| dc.subject | УФ-спектрофотометрія | |
| dc.subject | спектральна кривизна | |
| dc.subject | завади | |
| dc.subject | моніторинг | |
| dc.subject | якість води | |
| dc.subject | точність | |
| dc.subject | оптичний сенсор | |
| dc.subject | контроль | |
| dc.subject | information and measurement system | |
| dc.subject | express method | |
| dc.subject | nitrates | |
| dc.subject | UV spectrophotometry | |
| dc.subject | spectral curvature | |
| dc.subject | interferences | |
| dc.subject | monitoring | |
| dc.subject | water quality | |
| dc.subject | accuracy | |
| dc.subject | optical sensor | |
| dc.subject | control | |
| dc.subject.udc | 621.31:006.9 | |
| dc.title | Інформаційно-вимірювальна система визначення нітратів в рідинах експрес методом | |
| dc.title.alternative | Information and measurement system for determining nitrates in liquids by an express method | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Melnychenko_dys.pdf
- Розмір:
- 8.07 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: