Układ do badania zmętnienia cieczy
Tomasz Bartuś
Tweet
2021-10-04
Czym jest TSS?
Zawarte w wodzie cząstki i koloidy oraz bakterie i glony powodują zjawisko mętności (ang. turbidity). Elementy te często przez długie okresy czasu nie sedymentują wykazując skłonność do utrzymywania się w wodzie w formie zawiesin. Całkowita zawartość substancji zawieszonej (TSS) to czątki większe niż 2 mikrony znajdujące się w słupie wody. Wszystkie cząstki mniejsze niż 2 mikrony są uważane za substancje rozpuszczone w wodzie (TDS). Zmętnienie wody i jego przeciwieństwo czyli klarowność to wizualne właściwości wody, których percepcję opieramy na zjawisku rozpraszania i tłumienia światła. Im więcej cząstek zawieszonych w wodzie tym większe rozpraszanie i tłumienie światła, a co za tym idzie większe zmętnienie. Pomiar ilości rozpraszpnego i stłumionego światła można wykorzystać do oszacowania ilości cząstek zawieszonych w wodzie (koncentracja). Należy oczywiście pamiętać o tym, że pomiar taki nie uwzględni części cząstek osiadłych na dnie ani toczonych po dnie wraz z prądem. W warunkach naturalnych pomiary może zaburzać także zabarwiona rozpuszczona materia organiczna, która pochłania światło zamiast je rozpraszać czy zasolenie wody. Wartość zmętnienia jest mierzona w nefelometrycznych jednostkach zmętnienia NTU wykorzystujących efekt Tyndalla.
Efekt Tyndalla to zjawisko fizyczne opisane w 1859 przez XIX-wiecznego irlandzkiego badacza Johna Tyndalla. Polega na rozpraszaniu światła przez roztwory koloidalne (niejednorodne roztwory złożone z fazy rozpraszanej i rozpraszającej) z wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego. Jeżeli przez koloid przepuści się wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, światło staje się widoczne w postaci tzw. stożka Tyndalla (Fig. 2). Znamy ten efekt np. z rozpraszania światła samochodu jadącego w nocy podczas mgły. Światło ulega wtedy rozpraszaniu na cząsteczkach wody zawieszonej w wilgotnym powietrzu. Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im większa jest różnica między współczynnikiem załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Zależy również od długości rozpraszanej fali - silniej rozpraszane są fale krótsze. Efekt Tyndalla pozwala na ocenę stężenia roztworu koloidalnego za pomocą nefelometru.
W ochronie środowiska i chemii zamiast jednostek NTU częściej używamy mg/dm3 lub ppm. Pomiędzy NTU a ilością zawiesiny istnieje zależność:
1 mg/dm3 (ppm) = 3 NTUZ przelicznika wynika, że np. 3000 NTU = 1 g/dm3. Według Światowej Organizacji Zdrowia zmętnienie wody pitnej nigdy nie powinno przekraczać 5 NTU. Według Polskiej normy jakość wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi nie powinna przekraczać 1 NTU (Główny Inspektorat Sanitarny, 2018).
Czujnik zmętnienia
Pomiar zmętnienia jest kluczowym testem jakości wody. Czujnik do badania zmętnienia cieczy wykonany na bazie Arduino może znaleźć zastosowanie w projektach związanych z monitorowaniem zmętnienia wody w ciekach powierzchniowych, zbiornikach wodnych i innych obiektach badawczych. Łącząc go z innymi urządzeniami do monitorowania jakości wody np. wskaźnikami pH cieczy, czujnikami TDS i czujnikami do pomiaru zawartości tlenu rozpuszczonego w wodzie możemy pokusić się do zbudowania kompleksowego systemu monitorowania jakości wody.
Do analiz jakości wody pod względem zawartości w niej części stałych zastosowano analogowy czujnik zmętnienia (ang. turbidity sensor) znanego chińskiego producenta - DFRobot o symbolu SEN0189. Do wykrywania ilości cząstek zawieszonych w wodzie układ wykorzystuje światło. Element wykonawczy mierzy przepuszczalność światła i szybkość rozpraszania, która zmienia się wraz z ilością całkowitej zawiesiny (TSS) w wodzie. Układ składa się on z dwóch elementów - sondy (Fig. 3) oraz modułu z układem elektronicznym (Fig. 4).
Sonda czujnika
Sonda (Fig. 3) zawiera półprzezroczystą plastikową obudowę zamkniętą czarną, plastikową pokrywką. Zdjęcie jej odsłania małą płytkę drukowaną zawierającą dwa zwrócone ku sobie elementy optoelektroniczne - emiter (dioda LED) i odbiornik (fototranzystor) (Fig. 5). Zasada działania czujnika opiera się na przepuszczaniu przez ciecz światła podczerwonego (IR) o długości fali 860nm oraz obserwacji ilości światła docierającego do odbiornika. Zmniejszona ilość światła jest proporcjonalna do ilości cząstek, na których doszło do jego rozproszenia, a więc do poziomu zmętnienia cieczy. Na rewersie płytki drukowanej znajduje się potencjometr służący do regulacji czułości odbiornika IR.
Moduł czujnika
Moduł czujnika zmętnienia posiada analogowy i cyfrowy interfejs wyjściowy. Pomiary analogowe po przesłaniu ich do mikrokontrolera mogą być przetwarzane przez 10-bitowy przetwornik A/C na 0-1023 poziomy. Wartość cyfrową można regulować potencjometrem w module. Gdy zmętnienie osiągnie ustawiony próg, dioda LED D1 zaświeci się, wyjście modułu czujnika zmieni się z wysokiego poziomu na niski, a mikrokontroler będzie monitorował zmianę poziomu. W ten sposób można realizowac funkcję alarmu uruchamianego po przekroczeniu wartości wyznaczonej normą. W układzie elektronicznym sterownika (Fig. 6) znajdują się dwa wzmacniacze operacyjne LM358. Górny wzmacniacz jest komparatorem. Realizuje on funkcję sygnalizacji przekroczenia ustalonej wartości zmętnienia cieczy. Komparator wytwarza niskie napięcie za każdym razem, gdy napięcie progowe z czujnika przekracza napięcie odniesienia regulowane przez potencjometr RP1. W takim przypadku zapala się dioda (Dout). Dolny wzmacniacz operacyjny jest buforem warunkującym napięcie z odbiornika LED IR.
Związek pomiędzy sygnałem wyjściowym czujnika a NTU
Jak widać na Fig. 7 czujnik zmętnienia cieczy DFRobot SEN0189 pracuje w zakresie od 0 do 3000 NTU. Dla czystej wody zawierającej 0 TSS napięcie wyjściowe z czujnika powinno wynosić około 4,2V. Z kolei dla zawiesin o zawartości 3000 NTU napięcie na wyjściu czujnika powinno wynosić około 2,5V. Jeżeli przy testach z czystą wodą na wyjściu czujnika nie otrzymuje się wartości 4,2V, potrzebna będzie kalibracja. Można to zrobić obracając mały potencjometr znajdujący się na rewersie płytki drukowanej czujnika.
Parametry czujnik zmętnienia DFRobot SEN0189
- Napięcie zasilania: 5 V DC
- Prąd pracy: do 40 mA
- Czas reakcji: poniżej 500 ms
- Odporność izolacji: 100 M
- Dwa tryby sygnału wyjściowego:
- Analogowy: napięcie od 0 V do 4,5 V
- Cyfrowy: stan niski i wysoki - poziom załączania można regulować za pomocą wbudowanego potencjometru
- Temperatura pracy: od -30°C do 80°C
- Masa: 30 g
- Wymiary sondy: 28 × 34 mm
- Wymiary modułu: 28 × 38 mm
Oba elementy (sondę i moduł czujnika) łączymy ze sobą za pomocą pary trójżyłowych kabli wg wzoru widocznego na Fig. 3 i Fig. 4. Wyjście modułu z układem elektronicznym łączymy z układem mikrokontrolera. Sygnał wyjściowy z czujnika zmętnienia łączymy z jednym z jego wejść analogowych. UWAGA! sonda czujnika jest czuła na światło widzialne.
Kalibracja sondy czujnika
Ze względu na indywidualne różnice występujące w czujnikach zmętnienia, oświetlenie otoczenia i temperaturę. Aby uzyskać dokładniejszą wartość zmętnienia, przed pomiarem należy przeprowadzić kalibrację sondy. Poniżej opisano procedurę kalibracji.
- Uruchom zmontowany czujnik zmętnienia.
- Podczas pomiarów unikaj intensywnego natężenia światła.
- Wgraj do mikrokontrolera skrypt, który umożliwi kontrolę napięcia wyjściowego z sondy (może być Kod 1 lub Kod 2).
- Przygotuj roztwór o zawartości TSS = 0 NTU (np. czysta woda lub woda destylowana).
- Zmierz temperaturę roztworu kalibracyjnego i zapisz ją jako temperaturę otoczenia czujnika.
- Dokonaj pomiaru napięcia wyjściowego modułu czujnika. Najlepiej aby napięcie to stanowiło średnią arytmetyczną z większej liczby pomiarów (np. 500). Zapisz wynik jako Uk.
Elementy
- czujnik zmętnienia DFRobot SEN0189,
- wyświetlacz LCD 16 × 2,
- konwerter I2C LCM1602,
- mikrokontroler Arduino,
- moduł przetwornicy impulsowej 2-5V Step-up 5V 2A,
- ogniwo Li-jon wraz z koszyczkiem,
- płytka prototypowa,
- przewody/mostki.
Układy Arduino zbudowane na mikrokontrolerze ATmega (UNO, Nano, Mini, Mega) mogą odczytywać dane z wejścia analogowego co 100 mikrosekund (0,0001 s). Oznacza to, że w 1 sekundzie dane z wejścia analogowego mogą zostać odczytane maksymalnie 10 000 razy. Wymienione mikrokontrolery posiadają 10-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe, które mapują napięcie wejściowe np. 0-5V na całkowitą liczbę z zakresu 0-1023. Oznacza to, że jednej zmapowanej jednostce odpowiada różnica napięć 0,0049V (4,9mV).
Kod 1
Jeśli powyższa ramka nie wyświetla kodu kliknij tutaj.
Kod 2
Jeśli powyższa ramka nie wyświetla kodu kliknij tutaj.
Wykorzystane materiały
Admin, 2020. DIY Turbidity Meter using Turbidity Sensor & Arduino, (2021-10-07).DFRobot Wiki, 2021. Turbidity sensor SKU SEN0189, (2021-10-07).
Fodriest. Environmental Learning Center, 2020. Turbidity, Total Suspended Solids & Water Clarity, (2021-09-27).
Główny Inspektorat Sanitarny, 2018. Mętność wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Znaczenie i zagrożenia dla bezpieczeństwa zdrowotnego. Postępowanie w przypadku podwyższonych wartości stężeń, (2021-10-07).
Kirkman, 2020. Mr. Kirkman Demonstrates the Tyndall Effect, (2021-10-09)
Pelayo R., 2020. ESP32 Turbidity Sensor, (2021-09-27).
USGS, 1965. Turbidity and Water, (2021-09-27).
