Senzor zákalu: co to je a jak to funguje

V tomto blogu jsme se zabývali širokou škálou elektrických komponentů pro kutilské projekty. Některé se týkají vody, jako jsou ventily, průtokoměry, čerpadla atd. Výrobci však mohou potřebovat něco složitějšího, například senzor zákalu.

Díky tomuto typu senzoru je možné měřit zákal kapaliny , jako je voda, nebo pro mnoho dalších aplikací, jak uvidíme později…

Zákal kapalin

Zákal je mírou rozptylu světla způsobeného suspendovanými částicemi v kapalině. Je to klíčový parametr v různých průmyslových odvětvích, od úpravy vody až po výrobu potravin a nápojů. Například měření zákalu nebo suspendovaných částic přítomných ve vodě může určit její čistotu nebo to, zda je kontaminována pevnými látkami jakéhokoli druhu. Lze jej také použít k monitorování průmyslových procesů zahrnujících kapalné směsi chemikálií, fermentaci piva a jiných nápojů, usazování částic nebo sraženin a účinnost flokulantů. Může být také užitečný pro výzkum životního prostředí, monitorování vod jezer, řek, moří a dokonce i podzemních vod. Aplikace jsou velmi rozmanité, jak uvidíme později.

Co je to senzor zákalu?

Snímače zákalu neboli turbidity jsou zařízení určená ke kvantifikaci této vlastnosti. Výrazně se vyvinuly a nabízejí stále větší přesnost a spolehlivost. Najdete je ve velkých formátech pro kontrolu účinnosti systémů pitné vody s filtrací reverzní osmózy, stejně jako v dalších průmyslových procesech řízených softwarem SCADA, a v malých senzorech zákalu pro kutilské projekty. Pokud jste výrobce, měli byste vědět, že některé jsou k dispozici v modulárním formátu, takže je můžete snadno začlenit do svých projektů, stejně jako mnoho jiných modulů Arduino.

Pravidelná kalibrace senzorů zákalu je nezbytná pro zajištění přesných měření, stejně jako důkladné čištění měřicí cely nebo detektoru. K tomu doporučuji prostudovat datové listy pro vámi zvolený model, protože k vytvoření kalibrační křivky se používají certifikované standardy zákalu. Nesprávná kalibrace může nejen zkrátit životnost senzoru, ale také vést k nepřesným měřením. V závislosti na typu testované kapaliny může nesprávná kalibrace způsobit další poškození senzoru, jako je koroze v případě kyselých kapalin, usazování vodního kamene v tvrdé vodě, tvorba řas a další.

Mějte na paměti, že existují i další faktory, které mohou ovlivnit měření , a to i v případě, že je senzor dobře udržován:

Vlnová délka světla: Volba vlnové délky ovlivňuje citlivost senzoru na různé velikosti částic.
Angulo de detección: Úhel, pod kterým se měří rozptýlené světlo, určuje rozsah velikostí částic, které lze detekovat.
Materiál měřícího článku: Musí být transparentní a odolný vůči analyzovaným chemikáliím.
Teplota: může ovlivnit hustotu částic a tím i zákal.
Vzorová barva: Barevné vzorky mohou rušit měření zákalu.
Přesnost a tolerance snímače: Mohou existovat různé modely s různou přesností a tolerancemi, a to je důležité při výběru toho správného. Budou také některé s limity velikosti detekovatelných částic.

Provoz turbidimetru

Senzor zákalu je v podstatě optický přístroj, který měří intenzitu světla rozptýleného částicemi v kapalině. Základní princip je založen na Rayleighově zákoně , který říká, že intenzita rozptýleného světla je úměrná čtvrté mocnině průměru částice a druhé mocnině vlnové délky dopadajícího světla.

Proto bude mít senzor zákalu některé klíčové části, jako například:

Světelný zdroj: Obecně halogenová lampa, LED nebo laser, vyzařuje paprsek světla specifické vlnové délky skrz vzorek.
Detektor: Fotodetektor (fotodioda, fotonásobič) měří intenzitu rozptýleného světla pod daným úhlem.
Měřicí buňka- Obsahuje vzorek a poskytuje definovanou optickou dráhu pro světlo.
Elektronika: Zpracovávají signál detektoru a převádějí jej na hodnotu zákalu.

Na druhou stranu, mezi různými typy turbiditometrů můžeme najít několik způsobů, jak měřit přítomnost těchto suspendovaných částic:

Nefelometrie: měří světlo rozptýlené pod úhlem 90 stupňů k dopadajícímu paprsku. Je to nejběžnější metoda pro měření nízkého a středního zákalu.
Přenos: V tomto případě je založen na měření světla, které prochází vzorkem. Používá se k měření vysokého zákalu.
absorbance: zaměřuje se na specifikaci světla absorbovaného částicemi. Aplikuje se ve specifických případech, kdy je rozptyl minimální.

Kromě toho, že toto vše budete mít na paměti, zkontrolujte také napětí, spotřebu, intenzitu práce, rozsahy provozních teplot nebo kompatibilitu s vaším projektem...

Kde koupit a ceny senzoru zákalu

Nebyly nalezeny žádné produkty.

Senzory zákalu najdete za dobré ceny na mnoha elektronických platformách a také na stránkách jako AliExpress nebo Amazon . Tyto stránky nabízejí dostupné ceny a širokou škálu modelů, které vyhoví vašim potřebám. Zde je několik doporučení: dva formáty s moduly založenými na Tyndallově jevu a měřič průmyslovější třídy používaný k měření kvality vody v pokročilejších projektech, jako jsou čistírny odpadních vod, úpravny pitné vody atd.

DŮLEŽITÉ: tato zařízení obvykle nejsou ponorná, pouze část sondy je. Takže buďte opatrní, pokud to nechcete zničit.

Praktické aplikace

Některé možné způsoby použití čidla zákalu již znáte , jak jsem již zmínil dříve v textu. Zde je však seznam některých nejoblíbenějších způsobů použití, které vás mohou inspirovat k budoucím projektům:

Úprava vody: sledování kvality pitné vody, odpadních vod a technologických vod. Může být také použit pro ekologické projekty, měření kvality vody v řekách, nádržích, jezerech, mořích, podzemních vodách atd. Můžete ji dokonce použít doma, pokud se chystáte instalovat čisticí systém pro opětovné použití šedé vody k zalévání rostlin, odsolovacích zařízení atd.
Potravinářský a nápojový průmysl: kontrola kvality produktů, jako jsou džusy, pivo a vína. Alkoholické a neperlivé nápoje mohou být náchylné k tomuto typu suspendovaných částic a je nutné tyto parametry při výrobě sledovat a kontrolovat.
Farmaceutický: Tento sektor může také potřebovat senzory zákalu, aby byla zaručena kvalita injekčních přípravků a očních roztoků, stejně jako sér, sirupů atd.
Chemie: Samozřejmě další možností je sledování filtračních a separačních procesů, chemických směsí a další.

Praktická ukázka použití měřiče zákalu

Pokud například použijeme jako základ jeden z Senzory zákalu modulového typu založené na Tyndallově jevu, které jsou založeny na rozptylu světla promítaného na kapalinu v důsledku přítomnosti částic v suspenzi, budou generovat měření jedné nebo druhé hodnoty v závislosti na počtu přítomných částic. Tento typ modulu je docela efektivní a dokonale se s ním integruje Arduino UNOa umožňuje vám psát skici v Arduino IDE pro snadné ovládání.

V tomto případě máme detekční rozsah mezi 0 % a 3.5 % ( 0 a 4550 NTU neboli nefelometrických jednotek zákalu ) s tolerancí ±0.5 %. Navíc nabízí dva provozní režimy, které umožňují analogový i digitální výstup. V analogovém režimu (poloha přepínače A) se zákal vypočítává měřením úrovně napětí na výstupu senzoru, zatímco v digitálním režimu (poloha přepínače D) se měří digitálně pomocí binárního kódu, který osciluje mezi dvěma hodnotami.

Na druhou stranu, pokud se podíváme na datový list tohoto senzoru zákalu , vidíme, že model má následující technické specifikace:

Napájecí napětí: 5V DC
spotřeba: přibližně 11 mA
Rozsah detekce: 0% až -3.5%（0-4550 NTU）
Temperatura de trabajo: -30 ℃ a 80 ℃
Temperamentní almacenamiento：-10℃ a 80℃
Tolerance nebo tolerance chyb: ± 0.5%

V datovém listu jsou také uvedeny křivky nebo grafy, které vztahují naměřený zákal k napětí generovanému na výstupu senzoru, a také zapojení pinů , které nám pomůže správně připojit modul k naší desce Arduino:

Uvidíte také dvě LED diody: jedna indikuje, že modul pracuje jako PWR, a druhá pro Dout, neboli datový výstup. Nyní, jakmile připojíme modul k naší desce Arduino – což je stejně snadné jako připojení VIN k 5V a GND k GND na naší desce – pak se S připojí k místu, kde chceme měřit signál, například A0 pro analogová měření nebo D13 pro digitální měření. V tomto příkladu můžete volitelně použít LED diodu připojenou k digitálnímu výstupu pro kalibraci…

Po dokončení je třeba v Arduino IDE napsat následující kódy :

Digitální konfigurace:

/* Prueba del sensor de turbidez en modo D */
#define Turbidy_sensor 2 //Pin digital 2

const int ledPin = 13; //LED asociado al 13

void setup() {
   pinMode(ledPin, OUTPUT); //Configuramos pin 13 como salida
   pinMode(Turbidy_sensor, INPUT); //Configuramos el pin del sensor de turbidez como entrada
}
void loop() {
   if(digitalRead(Turbidy_sensor)==LOW){ //Lectura de la señal del sensor
   digitalWrite(ledPin, HIGH); //Si el sensor indica nivel bajo (LOW) encendemos el LED, es decir, agua más pura
}
else{
   digitalWrite(ledPin, LOW); //Si el sensor indica nivel alto (HIGH) apagamos el LED, es decir, agua sucia o turbia
}
}

Jak vidíte, modul také obsahuje potenciometr kterou můžete nastavit pomocí šroubováku, abyste upravili práh digitálního signálu a přizpůsobili jej svým potřebám. K vložení sondy a posunutí potenciometru můžete použít destilovanou vodu, dokud se nerozsvítí nebo nezhasne přidružená LED dioda na desce, v závislosti na tom, jak jste ji nakonfigurovali v kódu. Takto se zkalibruje a poté můžete sondu vložit do zakalené vody, abyste viděli, že LED dělá opak.

Analogová konfigurace:

/* Prueba del sensor de turbidez modo A*/

#define Turbidy_sensor A0   

int TurbidySensorValue = 0;  

float Tension = 0.0;  

void setup() {     //Monitorización por el puerto serial para ver valores en pantalla
  Serial.begin(9600); // Velocidad de comunicación  
  Serial.println("Prueba de lectura del sensor de turbidez");  
  Serial.println("========================================");  
  Serial.println(" ");  
  Serial.println("Lectura analógica\tTension");   
  Serial.println("-----------------\t-------");  
}  
void loop() {  
  TurbidySensorValue = analogRead(Turbidy_sensor); // Lectura del pin analógico 0  
  Tension = TurbidySensorValue * (5.0 / 1024.0); // Mapeo de la lectura analógica  

  //Envio de valores y textos al terminal serie  
  Serial.print(TurbidySensorValue);   
  Serial.print("\t\t\t");  
  Serial.print(Tensión);  
  Serial.println(" V");  
  delay(3000);  
}

Pokud chcete měřit v jednotkách NTU v analogovém režimu, použijte:

/* Prueba del sensor de turbidez en modo A y mediciones en NTU */  

#define Turbidy_sensor A0  
 
float Tension = 0.0;  
float NTU = 0.0;  
void setup() {    //Medición a través del monitor serie
  Serial.begin(9600); // Velocidad de comunicación  
  Serial.println("Lectura del sensor de turbidez en NTUs");  
  Serial.println("===================================================================================");  
  Serial.println(" ");  
  Serial.println("Tensión\tNTU");   
  Serial.println("-------\t---");  
}  
void loop() {  
  Tension = 0;  
  Tension = analogRead(Turbidy_sensor)/1024*5; // Mapeo de la lectura analógica  
  //Para compensar el ruido producido en el sensor tomamos 500 muestras y obtenemos la media  
  for(int i=0; i<500; i++)  
    {  
      Tension += ((float)analogRead(Turbidy_sensor)/1024)*5;  
    }  
    Tension = Tension/500;  
    Tension = redondeo(Tension,1);  
    //Para ajustarnos a la gráfica de la derecha  
    if(Tension < 2.5){  
      NTU = 3000;  
    }else{  
      NTU = -1120.4*square(Tension)+5742.3*Tension-4352.9;   
    }  
  //Envio de valores y textos al terminal serie  
  Serial.print(Tension);  
  Serial.print(" V");  
  Serial.print("\t");  
  Serial.print(NTU);  
  Serial.println(" NTU");  
  delay(5000);  
}  

float redondeo(float p_entera, int p_decimal)  
{  
  float multiplicador = powf( 10.0f, p_decimal);  //redondeo a 2 decimales  
  p_entera = roundf(p_entera * multiplicador) / multiplicador;  
  return p_entera;  
}

Pamatujte, že kód můžete vždy upravit tak, aby se přizpůsobil vašim projektům, toto jsou pouze příklady použití...