mq3 presentazione

SMART ETHYLOMETERTeoria e Costruzione

Pietro Pennestrì

L.S.S. Isacco Newton - Roma

SOMMARIO

1. Motivazioni

2. Descrizione del Progetto

3. L’Alcohol Etilico

4. Metabolismo dell’Alcohol

5. Il Sensore

6. Taratura del Sensore

MOTIVAZIONI

# Nel mondo sono 3.3 milioniall’anno i decessi causatidall’abuso di alcohol.

# Circa il 30 % degli incidentistradali in Italia sonocorrelati all’abuso di alcohol.

MOTIVAZIONI

# Nel mondo sono 3.3 milioniall’anno i decessi causatidall’abuso di alcohol.

# Circa il 30 % degli incidentistradali in Italia sonocorrelati all’abuso di alcohol.

MOTIVAZIONI

# La fascia dei giovani dagli 11ai 24 anni è quella più arischio per abuso disostanze alcoliche;

# È in aumento il numero dipersone cheresponsabilmente scelgonodi limitare il consumo dialcohol in funzione dellasicurezza alla guida.

MOTIVAZIONI

# La fascia dei giovani dagli 11ai 24 anni è quella più arischio per abuso disostanze alcoliche;

# È in aumento il numero dipersone cheresponsabilmente scelgonodi limitare il consumo dialcohol in funzione dellasicurezza alla guida.

MOTIVAZIONI

# Aumentare la sensibilità deigiovani al problemadell’abuso di alcohol.

# Possibilità di riprodurre ilprogetto da parte di altristudenti, grazie allacondivisione in rete.

MOTIVAZIONI

# Aumentare la sensibilità deigiovani al problemadell’abuso di alcohol.

# Possibilità di riprodurre ilprogetto da parte di altristudenti, grazie allacondivisione in rete.

DESCRIZIONE DEL PROGETTO

LO SMART ETHYLOMETER - FUNZIONI

LO SMART ETHYLOMETER - COMPONENTI PRINCIPALI

Sensore MQ3

Schermo LCD

Scheda Arduino

Scheda 1Sheeld

Smart Ethylometer PCB

LO SMART ETHYLOMETER - CABLAGGI PCB

switch

1312111098765432

L’ALCOHOL ETILICO

FORMULA

L’etanolo è un alcole, ovvero una sostanza organica che deriva daun alcano a cui è stato sostituito un atomo di idrogeno H, con ungruppo ossidrile OH.

In particolare, l’etanolo deriva dall’etano, presenta la seguentestruttura

OH. (1)

PROPRIETÀ CHIMICHE

# La molecola ha una partepolare, rappresentata innero, e una apolare in rosso.

# È una sostanzatendenzialmente volatile edinfiammabile.

# La presenza di legami aidrogeno intermolecolari,favoriscono l’alta solubilità inacqua e un punto ebollizione(circa 78,37 C) alto rispettoal corrispettivo idrocarburo,etano (circa -183 C).

PROPRIETÀ CHIMICHE

PROPRIETÀ ORGANOLETTICHE

# È un liquido incolore.# Ha un odore caratteristico e

pungente.# Ha un gusto dolce.

METABOLISMO DELL’ALCOHOL

Dopo aver ingerito una bevanda alcolica

# dal 90 % al 95 % dell’alcohol viene metabolizzato a livelloepatico;

# una piccola aliquota, variabile dal 5 al 15 %, viene eliminatacon il respiro e le urine.

# Sulla superficie della mucosa del tratto gastroenterico agiscel’enzima alcol deidrogenasi che costituisce un primo ostacoloall’assorbimento.

# La presenza dell’enzima enzima alcol deidrogenasi permetteal nostro organismo la catabolizzazione dell’acohol.

# La presenza dell’alcol deidrogenasi nella donna è circa la metàrispetto all’uomo.

Le donne possono assumere una quantità di alcoholinferiori rispetto all’uomo.

La quantità di alcohol assorbita passa quindi al fegato per esseremetabolizzata da tre sistemi enzimatici differenti.

METABOLISMO DELL’ALCOHOL - I SISTEMA

# Il primo sistema, situato nel citosol, coinvolge l’enzima alcoldeidrogenasi e metabolizza in un soggetto non affettodall’alcolismo circa il 90 % dell’alcohol presente nel fegato.

# In un alcolista, tale quota scende ad appena il 45 %. Nellafase descritta si realizza la seguente reazione

CH3CH2OH + NAD+ −−−→ CH3CHO + NADH + H+ (2)etanolo acetaldeide

# La reazione porta ad uno sbilancio tra NAD+ e NADH ed uneccesso degli ioni H+, che causano un aumento di aciditàall’interno della cellula.

METABOLISMO DELL’ALCOHOL - II SISTEMA

# Il secondo sistema indicatocon MEOS, è il sistemamicrosomiale di ossidazionedell’etanolo che avviene neimicrosomi e richiedel’enzima CYP2E1 perossidare l’etanolo.

# Negli individui affetti daalcolismo, la sua funzioneaumenta in manierasignificativa per eliminaretutto l’alcohol presente.

# Il secondo sistema indicatocon MEOS, è il sistemamicrosomiale di ossidazionedell’etanolo che avviene neimicrosomi e richiedel’enzima CYP2E1 perossidare l’etanolo.

# Negli individui affetti daalcolismo, la sua funzioneaumenta in manierasignificativa per eliminaretutto l’alcohol presente.

L’etanolo è ossidato secondo la seguente reazione e perde dueatomi di idrogeno, mentre l’ossigeno accettandoli è ridotto e formaacqua, si ottiene infine come prodotto acetaldeide e acqua.

CH3CH2OH+O2+NADPH+H+ −−−→ CH3CHO+NADP++2 H2O

METABOLISMO DELL’ALCOHOL - III SISTEMA

Il terzo sistema, la catalasi, avviene nei perossisoma, un organellocellulare, ha un ruolo del tutto marginale e ossida l’etanolo adacetaldeide a secondo la reazione

CH3CH2OH + H2O2 −−−→ CH3CHO + H2O .

METABOLISMO DELL’ALCOHOL - TRASFORMAZIONE IN ACETATO

# L’alcohol una volta ossidato ad acetaldeide, viene a sua voltaossidato ad acetato secondo la reazione

CH3CHO + NAD+ −−−→ CH3COOH + NADH + H+ . (3)acetaldeide acido acetico

# Quando l’alcohol è stato ingerito in dosi massicce, l’organismonon riesce ad ossidare tutto acetaldeide, che ricordiamoessere una sostanza pericolosa per l’organismo.

# L’acido acetico, così prodotto verrà, ancora una volta ossidatoper ottenere CO2.

METABOLISMO DELL’ALCOHOL - TRASFORMAZIONE IN ACETATO

# L’alcohol una volta ossidato ad acetaldeide, viene a sua voltaossidato ad acetato secondo la reazione

CH3CHO + NAD+ −−−→ CH3COOH + NADH + H+ . (3)acetaldeide acido acetico

# Quando l’alcohol è stato ingerito in dosi massicce, l’organismonon riesce ad ossidare tutto acetaldeide, che ricordiamoessere una sostanza pericolosa per l’organismo.

# L’acido acetico, così prodotto verrà, ancora una volta ossidatoper ottenere CO2.

SCAMBI GASSOSI NEI POLMONI

# Come già affermato non tutto l’alcohol attraversa le viemetaboliche.Infatti una piccola percentuale riesce a passare nel flussosanguigno dove non viene metabolizzato e rimane uncomposto separato.

# In particolare, l’alcohol entra in contatto con il sangue venosodiretto ai polmoni per essere purificato.

SCAMBI GASSOSI NEI POLMONI

# Come già affermato non tutto l’alcohol attraversa le viemetaboliche.Infatti una piccola percentuale riesce a passare nel flussosanguigno dove non viene metabolizzato e rimane uncomposto separato.

# In particolare, l’alcohol entra in contatto con il sangue venosodiretto ai polmoni per essere purificato.

SCAMBI GASSOSI

Anidride Carbonicae Alcohol

Ossigeno

# Il processo di diffusionegoverna lo scambio tra ilsangue e l’aria degli alveoli.

# L’alcohol presente nelsangue, per la sua volatilità,è esalato insieme alla CO2.

# 2100:1 è il rapporto traalcohol nell’aria e alcohol nelsangue ovvero 2100 ml diaria alveolare contengonocirca la stessa quantità dialcohol di 1 ml di sangue.Tale rapporto è statocalcolato sperimentalmentetramite la legge di Henry

SCAMBI GASSOSI

Ossigeno

SCAMBI GASSOSI

Ossigeno

LEGGE DI HENRY

A temperatura costante la quantità di un gas poco solubiledisciolta in un dato volume di liquido è proporzionale allapressione p del gas nella fase gassosa sovrastante lasoluzione.

Pertantoc = kp (4)

# c è la concentrazione del gas nella soluzione;# p la sua pressione nella fase gassosa sovrastante.

LEGGE DI HENRY

A temperatura costante la quantità di un gas poco solubiledisciolta in un dato volume di liquido è proporzionale allapressione p del gas nella fase gassosa sovrastante lasoluzione.

Pertantoc = kp (4)

# c è la concentrazione del gas nella soluzione;# p la sua pressione nella fase gassosa sovrastante.

IL SENSORE

CHE COS’È UN SENSORE

Un sensore è un dispositivo capace di rilevare datidall’ambiente circostante ed in grado di produrre uncambiamento chimico o fisico per output dipendente dalfenomeno rilevato secondo una legge fissata.

MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE

++++++

Output

Sensore

TrasduttoreViene generato

segnale misurabile

B. Condizionamento

Il segnale è adattato

Fenomeno è rilevatoè prodotto output+Q

# L’output viene trasformato inun segnale misurabile daltrasduttore, ovvero unsensore che non si trova alprimo posto della catena dimisura.

# Il segnale prodotto daltrasduttore è adattato dalblocco dicondizionamento, che loadatta per l’unità ditrattamento dei dati.

MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE

++++++

Output

Sensore

TrasduttoreViene generato

segnale misurabile

B. Condizionamento

Il segnale è adattato

Fenomeno è rilevatoè prodotto output+Q

# L’output viene trasformato inun segnale misurabile daltrasduttore, ovvero unsensore che non si trova alprimo posto della catena dimisura.

# Il segnale prodotto daltrasduttore è adattato dalblocco dicondizionamento, che loadatta per l’unità ditrattamento dei dati.

CHIMICA DEL SENSORE MQ-3

# Il materiale usato nelsensore MQ-3 per individuarela presenza di alcohol è ilbiossido di stagno SnO2.

# Tale materiale è unsemiconduttore di tipo N,ovvero è statoopportunamente drogatoaffinché la sua strutturacontenga più elettroni diconduzione.

# Il materiale usato nelsensore MQ-3 per individuarela presenza di alcohol è ilbiossido di stagno SnO2.

# Tale materiale è unsemiconduttore di tipo N,ovvero è statoopportunamente drogatoaffinché la sua strutturacontenga più elettroni diconduzione.

In assenza di alcohol nell’ambiente, l’ossigeno entra in contatto conil sottile film di SnO2, che è poroso e sottrae elettroni alla suastruttura secondo la seguente reazione

O2 + 2 e− −−−→ 2 O− . (5)

La resistenza dello strato di SnO2è MASSIMA.

In assenza di alcohol nell’ambiente, l’ossigeno entra in contatto conil sottile film di SnO2, che è poroso e sottrae elettroni alla suastruttura secondo la seguente reazione

O2 + 2 e− −−−→ 2 O− . (5)

La resistenza dello strato di SnO2è MASSIMA.

# Quando l’etanolo entra in contatto con il film di SnO2, vieneossidato nell’anodo secondo la reazione

CH3CH2OH + H2O −−−→ CH3CO2H + 4 H+ + 4 e− . (6)

# L’ossigeno è ridotto nel catodo secondo la la reazione

O2 + 4 H+ + 4 e− −−−→ 2 H2O . (7)

# La reazione complessiva può essere riscritta nella seguenteforma

CH3CH2OH + O2 −−−→ CH3CO2H + H2O . (8)

O2 + 4 H+ + 4 e− −−−→ 2 H2O . (7)

CH3CH2OH + O2 −−−→ CH3CO2H + H2O . (8)

O2 + 4 H+ + 4 e− −−−→ 2 H2O . (7)

CH3CH2OH + O2 −−−→ CH3CO2H + H2O . (8)

0.1 1 10mg/L

AlcoholBenzine

Hexane

AirCOLPG

# Lo scambio di elettroni tradue specie chimiche causeràuna minore resistenza daparte del film di SnO2.

# La variazione di resistenzaRs è rilevata e associata aduna determinataconcentrazione di alcoholnel sangue.

0.1 1 10mg/L

AlcoholBenzine

Hexane

AirCOLPG

# Lo scambio di elettroni tradue specie chimiche causeràuna minore resistenza daparte del film di SnO2.

# La variazione di resistenzaRs è rilevata e associata aduna determinataconcentrazione di alcoholnel sangue.

CIRCUITO ELETTRICO DI MISURA

La variazione di Rs viene quindi rilevata attraverso un partitore ditensione, come rappresentato dalla seguente figura

Vinput

LEGENDA

Resistenza di carico R

Resistenza sensore (variabile) Rs

V Voltmetro

Dierenza potenziale imposta

# Il partitore di tensione modifica proporzionalmente ad Rs latensione Vout.

# Il segnale di tensione viene inviato alla scheda Arduino per lamisura e l’elaborazione.

La resistenza Rℓ , regolata manualmente sulla scheda su cui èsaldato il sensore, condiziona la velocità con la quale ilsistema raggiunge le condizioni di stabilità.

# Il partitore di tensione modifica proporzionalmente ad Rs latensione Vout.

# Il segnale di tensione viene inviato alla scheda Arduino per lamisura e l’elaborazione.

La resistenza Rℓ , regolata manualmente sulla scheda su cui èsaldato il sensore, condiziona la velocità con la quale ilsistema raggiunge le condizioni di stabilità.

IL PARTITORE DI TENSIONE

Il partitore di tensione è un dispositivo costituito da due opiù resistenze collegate in serie, che consente di variarela tensione Vout in funzione di un valore di resistenza Rs.

La versione più semplice, come nel MQ-3, è costituita da dueresistenze

# Rℓ : Resistenza di Carico 200kΩ.# Rs resistenza variabile da 1MΩ a 8MΩ e la tensione rilevata

risulta essereVout = Vinput

RℓRℓ + Rs

La versione più semplice, come nel MQ-3, è costituita da dueresistenze :

# Rℓ : Resistenza di Carico 200kΩ.# Rs resistenza variabile da 1MΩ a 8MΩ e la tensione rilevata

risulta essereVout = Vinput

RℓRℓ + Rs

Vinput

# L’equazione (9) si giustificagrazie alla prima legge diOhm e alla legge dellemaglie di Kirchhoff.

# Poiché le resistenze sonocollegate in serie, sarannoattraversate dalla stessaintensità i di corrente, ovvero

i =Vinput

Rℓ + Rs(10a)

i =VoutRℓ. (10b)

Vinput

# L’equazione (9) si giustificagrazie alla prima legge diOhm e alla legge dellemaglie di Kirchhoff.

# Poiché le resistenze sonocollegate in serie, sarannoattraversate dalla stessaintensità i di corrente, ovvero

i =Vinput

Rℓ + Rs(10a)

i =VoutRℓ. (10b)

Uguagliando i secondi membri discende la (9)

Vout = VinputRℓ

Rℓ + Rs.

TARATURA DEL SENSORE

# Il sensore MQ3 traduce la concentrazione c di alcohol rilevatanell’ambiente, in una differenza di potenziale V proporzionalealla suddetta concentrazione.

# Al fine di ottenere una misura accurata ed affidabile dallostrumento, è necessario procedere ad una appositacalibrazione del sensore.

TARATURA DEL SENSORE

# Il sensore MQ3 traduce la concentrazione c di alcohol rilevatanell’ambiente, in una differenza di potenziale V proporzionalealla suddetta concentrazione.

# Al fine di ottenere una misura accurata ed affidabile dallostrumento, è necessario procedere ad una appositacalibrazione del sensore.

PROCEDURA DI ACQUISIZIONE - FASE 1

Sono state predisposte all’iniziodell’esperienza una serie diprovette contenenti acqua e vinoa varie concentrazione.

Per uniformità le provette sonostate riempite allo stessolivello.

I vapori che si sprigionavano datali miscugli, simulavano l’alito diun virtuale utente con unagradazione variabile percontenuto di alcohol.

Al fine di stabilire quale fosse iltasso alcolemico dell’utentevirtuale, è stato impiegato unetilometro commerciale.

Quest’ultimo è stato accostatoall’imbocco di una provetta e laconcentrazione misurata dallostrumento registrata.

Lo stesso procedimento dellaFase 2 è stato ripetuto con loSmart Ethilometer collegatoal computer.

Per ciascuna misura, l’andamentodella differenza di potenziale delsensore e la temperaturadell’ambiente venivano acquisitememorizzando i dati inviati al PCtramite la porta seriale dallascheda Arduino.

RISPOSTA DEL SENSORE PER 0.50 g/l

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0

Risposta del Sensore per 0.5 g/l

Tempo (s)46

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0

Tempo (s)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0

Tempo (s) 48

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650.0

Tempo (s)49

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650.0

Risposta del Sensore per 1.50 g/l Vo

Tempo (s) 50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0

Tempo (s)51

ELABORAZIONE DEI DATI

# Per procedere all’interpretazione della risposta del sensore ènecessario determinare una relazione analitica tra levariabili

x ⇒ concentrazione di alcol nel sangue y ⇒ segnale elettrico del sensore.

# Per semplicità la relazione ipotizzata è lineare. Tale ipotesiverrà comunque sottoposta ad una verifica.

# Per procedere all’interpretazione della risposta del sensore ènecessario determinare una relazione analitica tra levariabili x ⇒ concentrazione di alcol nel sangue y ⇒ segnale elettrico del sensore.

REGRESSIONE LINEARE

A partire da dati sperimentali, la regressione lineare perviene aduna legge matematica, che lega

# una variabile scalare dipendente y;# ad una o più variabili indipendenti x.

Questo problema viene risoltoattraverso il metodo dei minimiquadrati.

REGRESSIONE LINEARE

A partire da dati sperimentali, la regressione lineare perviene aduna legge matematica, che lega

# una variabile scalare dipendente y;# ad una o più variabili indipendenti x.

Questo problema viene risoltoattraverso il metodo dei minimiquadrati.

MINIMI QUADRATI - TEORIA

È possibile ipotizzare che le variabili misurate siano legate dallarelazione:

yi = β1xi + β0 + εi (i = 1, 2, . . . ,N) (11)

in cui

# β0, β1 sono i coefficienti incogniti della retta;# εi è l’errore commesso nell’approssimazione adottata.

I coefficienti dovranno essere calcolati in maniera tale che l’erroresia il più piccolo possibile, ovvero in modo che la distanza dellaretta dai tre dati punti del piano sia minima.

Si utilizzerà a tal fine il criterio dei minimi quadrati.

yi = β1xi + β0 + εi (i = 1, 2, . . . ,N) (11)

in cui

yi = β1xi + β0 + εi (i = 1, 2, . . . ,N) (11)

in cui

MINIMI QUADRATI - ESEMPIO

# Per illustrare il metodo, senza perdita di generalità sia N = 3.

# La quantità da minimizzare è quindi la funzione a due variabili

F(β0 , β1) =3∑

[yi − (β1xi + β0)]2

= ε21 + ε22 + ε

23 , (12)

# Per illustrare il metodo, senza perdita di generalità sia N = 3.# La quantità da minimizzare è quindi la funzione a due variabili

F(β0 , β1) =3∑

[yi − (β1xi + β0)]2

= ε21 + ε22 + ε

23 , (12)

# Per illustrare il metodo, senza perdita di generalità sia N = 3.# La quantità da minimizzare è quindi la funzione a due variabili

F(β0 , β1) =3∑

[yi − (β1xi + β0)]2

= ε21 + ε22 + ε

23 , (12)

# Le condizioni (13)

∂F∂β0

= 0 (13a)

∂F∂β1

= 0 (13b)

formano un sistema lineare di equazioni la cui soluzionefornisce i valori β0 e β1 incogniti.

# Gli sviluppi algebrici sono per brevità qui omessi, ma riportatinel report.

# Le condizioni (13)

∂F∂β0

= 0 (13a)

∂F∂β1

= 0 (13b)

formano un sistema lineare di equazioni la cui soluzionefornisce i valori β0 e β1 incogniti.

# Gli sviluppi algebrici sono per brevità qui omessi, ma riportatinel report.

MINIMI QUADRATI

Dal programma Maxima si ottengono i seguenti risultati

β1 =σXY

σ2XX(14a)

β0 = y − β1x (14b)

CALCOLO DELLA MEDIA

Le medie delle variabili rilevate risulta essere

N∑i=1

xi (15)

N∑i=1

yi (16)

CALCOLO DELLA VARIANZA

Se indichiamo con

Var(X) = σ2XX =1

N∑i=1

(xi − x)2 , (17)

Var(Y ) = σ2YY =1

N∑i=1

(yi − y)2 , (18)

le varianze delle variabili x, y rispettivamente, queste ci fornirannoun indice della dispersione dei dati rispetto al valore medio.

Si definisce covarianza la quantità

Var(X ,Y ) = σXY =1

N∑i=1

(xi − x)N∑

(yi − y) , (19)

e costituisce un indice di relazione tra le variabili.

CALCOLO DELLA VARIANZA

Se indichiamo con

Var(X) = σ2XX =1

N∑i=1

(xi − x)2 , (17)

Var(Y ) = σ2YY =1

N∑i=1

(yi − y)2 , (18)

le varianze delle variabili x, y rispettivamente, queste ci fornirannoun indice della dispersione dei dati rispetto al valore medio.

Si definisce covarianza la quantità

Var(X ,Y ) = σXY =1

N∑i=1

(xi − x)N∑

(yi − y) , (19)

e costituisce un indice di relazione tra le variabili.59

APPLICAZIONE NUMERICA

# Il metodo di calcolo descritto in precedenza, è stato applicatograzie alla disponibilità della procedura curve_Dist fit dellalibreria matematica in linguaggio python scipy.

# La libreria è disponibile alla pagina web:http://docs.scipy.org/doc/scipy-0.15.1/reference/generated/scipy.optimize.curve_fit.html

# Il metodo di calcolo descritto in precedenza, è stato applicatograzie alla disponibilità della procedura curve_Dist fit dellalibreria matematica in linguaggio python scipy.

# La libreria è disponibile alla pagina web:http://docs.scipy.org/doc/scipy-0.15.1/reference/generated/scipy.optimize.curve_fit.html

La Tabella riassume i dati sperimentali raccolti

Tabella: Dati Sperimentali per Calibrazione attraverso RegressioneLineare

Differenza ConcentrazionePotenziale (V) (g/l)

2.92 0.503.15 0.753.29 1.103.50 1.503.81 1.90

Con i dati a disposizione, la retta di regressione haequazione

y = 0.59843 x + 2.64581 . (20)

CURVA DI CALIBRAZIONE

0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00

Valori Sperimentali Regressione Lineare

Concentrazione Alcohol (g/l)

Curva di Calibrazione

CONCLUSIONI

# Sensi e Connettività costituiscono un binomio alla base di unanuova generazione di dispositivi umano-centrici capaci dimonitorare comportamenti e stili di vita.

# L’impiego di sensori offre enormi possibilità dipersonalizzazione, ma implica la comparsa di seri problemietici per quanto riguarda l’uso e la riservatezza dei dati.

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