mq3 presentazione
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SMART ETHYLOMETERTeoria e Costruzione
Pietro Pennestrì
L.S.S. Isacco Newton - Roma
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SOMMARIO
1. Motivazioni
2. Descrizione del Progetto
3. L’Alcohol Etilico
4. Metabolismo dell’Alcohol
5. Il Sensore
6. Taratura del Sensore
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MOTIVAZIONI
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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.
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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.
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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.
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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.
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MOTIVAZIONI
# Aumentare la sensibilità deigiovani al problemadell’abuso di alcohol.
# Possibilità di riprodurre ilprogetto da parte di altristudenti, grazie allacondivisione in rete.
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MOTIVAZIONI
# Aumentare la sensibilità deigiovani al problemadell’abuso di alcohol.
# Possibilità di riprodurre ilprogetto da parte di altristudenti, grazie allacondivisione in rete.
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DESCRIZIONE DEL PROGETTO
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LO SMART ETHYLOMETER - FUNZIONI
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LO SMART ETHYLOMETER - COMPONENTI PRINCIPALI
Sensore MQ3
Schermo LCD
Scheda Arduino
Scheda 1Sheeld
Smart Ethylometer PCB
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LO SMART ETHYLOMETER - CABLAGGI PCB
MQ
3
LM35
switch
1312111098765432
5VA0
AR
EF
GN
D
RE
SE
T
3V3
A1
A2
A3
A4
A5
VIN
GN
D
GN
D
IOR
EF
0 1TX
0
RX
0
LED1
LCD
2.2
k Ω
10 k
Ω
10
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L’ALCOHOL ETILICO
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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
H C
H
H
C
H
H
OH. (1)
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PROPRIETÀ CHIMICHE
H C
H
H
C
H
H
OH.
# 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).
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PROPRIETÀ CHIMICHE
H C
H
H
C
H
H
OH.
# 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).
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PROPRIETÀ CHIMICHE
H C
H
H
C
H
H
OH.
# 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).
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PROPRIETÀ ORGANOLETTICHE
# È un liquido incolore.# Ha un odore caratteristico e
pungente.# Ha un gusto dolce.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
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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.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
# Sulla superficie della mucosa del tratto gastroenterico agiscel’enzima alcol deidrogenasi che costituisce un primo ostacoloall’assorbimento.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
# 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.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
# 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.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
# 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.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL
La quantità di alcohol assorbita passa quindi al fegato per esseremetabolizzata da tre sistemi enzimatici differenti.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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METABOLISMO DELL’ALCOHOL - II SISTEMA
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
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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 .
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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.
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![Page 35: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/35.jpg)
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.
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![Page 36: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/36.jpg)
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.
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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.
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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
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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
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![Page 40: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/40.jpg)
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
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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)
dove
# c è la concentrazione del gas nella soluzione;# p la sua pressione nella fase gassosa sovrastante.
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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)
dove
# c è la concentrazione del gas nella soluzione;# p la sua pressione nella fase gassosa sovrastante.
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![Page 43: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/43.jpg)
IL SENSORE
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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.
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MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE
+++++
++++++
++++++
++++++
++++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
Output
Sensore
TrasduttoreViene generato
segnale misurabile
B. Condizionamento
Il segnale è adattato
-Q
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.
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MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO DEL SENSORE
+++++
++++++
++++++
++++++
++++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
++++
Output
Sensore
TrasduttoreViene generato
segnale misurabile
B. Condizionamento
Il segnale è adattato
-Q
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.
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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.
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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.
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
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.
32
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
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.
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
# 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)
33
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
# 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)
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
# 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)
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
MQ-3
0.1
1
10
100
0.1 1 10mg/L
AlcoholBenzine
Hexane
AirCOLPG
CH4
Rs/
Ro
# 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.
34
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CHIMICA DEL SENSORE MQ-3
MQ-3
0.1
1
10
100
0.1 1 10mg/L
AlcoholBenzine
Hexane
AirCOLPG
CH4
Rs/
Ro
# 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.
34
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CIRCUITO ELETTRICO DI MISURA
La variazione di Rs viene quindi rilevata attraverso un partitore ditensione, come rappresentato dalla seguente figura
RsR
Vout
V
Vinput
LEGENDA
Resistenza di carico R
Resistenza sensore (variabile) Rs
V Voltmetro
Dierenza potenziale imposta
i
35
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CIRCUITO ELETTRICO DI MISURA
# 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.
36
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CIRCUITO ELETTRICO DI MISURA
# 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.
36
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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.
37
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IL PARTITORE DI TENSIONE
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
. (9)
38
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IL PARTITORE DI TENSIONE
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
. (9)
38
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IL PARTITORE DI TENSIONE
RsR
Vout
V
Vinput
i
# 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)
39
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IL PARTITORE DI TENSIONE
RsR
Vout
V
Vinput
i
# 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)
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IL PARTITORE DI TENSIONE
Uguagliando i secondi membri discende la (9)
Vout = VinputRℓ
Rℓ + Rs.
40
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TARATURA DEL SENSORE
![Page 66: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/66.jpg)
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.
42
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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.
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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.
43
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PROCEDURA DI ACQUISIZIONE - FASE 2
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.
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PROCEDURA DI ACQUISIZIONE - FASE 3
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.
45
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RISPOSTA DEL SENSORE PER 0.50 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Risposta del Sensore per 0.5 g/l
Vo
lt (V
)
Tempo (s)46
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RISPOSTA DEL SENSORE PER 0.75 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Vo
lt (V
)
Tempo (s)
Risposta del Sensore per 0.75 g/l
47
![Page 73: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/73.jpg)
RISPOSTA DEL SENSORE PER 0.90 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Risposta del Sensore per 0.90 g/l
Vo
lt (V
)
Tempo (s) 48
![Page 74: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/74.jpg)
RISPOSTA DEL SENSORE PER 1.10 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Risposta del Sensore per 1.10 g/l
Vo
lt (V
)
Tempo (s)49
![Page 75: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/75.jpg)
RISPOSTA DEL SENSORE PER 1.50 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Risposta del Sensore per 1.50 g/l Vo
lt (V
)
Tempo (s) 50
![Page 76: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/76.jpg)
RISPOSTA DEL SENSORE PER 1.90 g/l
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Risposta del Sensore per 1.90 g/l
Vo
lt (V
)
Tempo (s)51
![Page 77: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/77.jpg)
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.
52
![Page 78: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/78.jpg)
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.
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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.
52
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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.
53
![Page 81: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/81.jpg)
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.
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![Page 82: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/82.jpg)
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.
54
![Page 83: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/83.jpg)
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.
54
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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.
54
![Page 85: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/85.jpg)
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∑
i=1
[yi − (β1xi + β0)]2
= ε21 + ε22 + ε
23 , (12)
55
![Page 86: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/86.jpg)
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∑
i=1
[yi − (β1xi + β0)]2
= ε21 + ε22 + ε
23 , (12)
55
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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∑
i=1
[yi − (β1xi + β0)]2
= ε21 + ε22 + ε
23 , (12)
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MINIMI QUADRATI - ESEMPIO
# 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.
56
![Page 89: Mq3 presentazione](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022051706/58f2dc231a28abdb0b8b45b9/html5/thumbnails/89.jpg)
MINIMI QUADRATI - ESEMPIO
# 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.
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MINIMI QUADRATI
Dal programma Maxima si ottengono i seguenti risultati
β1 =σXY
σ2XX(14a)
β0 = y − β1x (14b)
57
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CALCOLO DELLA MEDIA
Le medie delle variabili rilevate risulta essere
x =1
N
N∑i=1
xi (15)
y =1
N
N∑i=1
yi (16)
58
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CALCOLO DELLA VARIANZA
Se indichiamo con
Var(X) = σ2XX =1
N
N∑i=1
(xi − x)2 , (17)
Var(Y ) = σ2YY =1
N
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
N∑i=1
(xi − x)N∑
i=1
(yi − y) , (19)
e costituisce un indice di relazione tra le variabili.
59
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CALCOLO DELLA VARIANZA
Se indichiamo con
Var(X) = σ2XX =1
N
N∑i=1
(xi − x)2 , (17)
Var(Y ) = σ2YY =1
N
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
N∑i=1
(xi − x)N∑
i=1
(yi − y) , (19)
e costituisce un indice di relazione tra le variabili.59
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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
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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
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APPLICAZIONE NUMERICA
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
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APPLICAZIONE NUMERICA
Con i dati a disposizione, la retta di regressione haequazione
y = 0.59843 x + 2.64581 . (20)
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CURVA DI CALIBRAZIONE
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
Valori Sperimentali Regressione Lineare
Volt
(V)
Concentrazione Alcohol (g/l)
Curva di Calibrazione
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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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