Bezprzewodowy system monitorowania jakości wody

W branżach przemysłowych, takich jak produkcja napojów, farmacji, w oczyszczalniach ścieków, konieczne jest monitorowanie jakości wody i pomiar ważnych wskaźników jej jakości, m.in. pH, potencjału redukcji utleniania (ORP), przewodnictwa i zawartości rozpuszczonego tlenu. W tym artykule pokazana zostanie praktyczna realizacja takich pomiarów.

Posłuchaj
00:00

Elektrochemiczny system pomiarowy składa się z dwóch głównych bloków. Pierwszy to czujnik, a więc urządzenie służące do pomiaru wskaźnika jakości wody i generowania odpowiedniego sygnału elektrycznego, drugi to jednostka pomiarowa i przetwarzająca, czyli zespół obwodów mierzących i przetwarzających sygnał elektryczny.

Taki system stanowi platforma demonstracyjna, łącząca układ pomiarowy do czujnika ADuCM355 z systemem komunikacji bezprzewodowej SmartMesh IP firmy Analog Devices. Razem daje to niezawodny system monitorowania jakości wody o niskim zużyciu energii, którego głównym zadaniem jest pomiar pH. Niemniej zakres realizowanych pomiarów można łatwo rozszerzyć na kolejne parametry elektrochemiczne po to, aby badać także inne parametry jakościowe wody.

Pomiar pH i sonda pH

 
Rys. 1. Budowa sondy pH

Wartość pH jest miarą względnej liczby jonów wodorowych i wodorotlenowych w roztworze wodnym. Roztwór obojętny to taki, w którym stężenie jonów wodorowych dokładnie odpowiada stężeniu jonów wodorotlenowych; pH jest więc sposobem wyrażania stężenia jonów wodorowych, pomiaru kwasowości lub zasadowości roztworu i jest definiowany jako:

pH=–log(H+), gdzie H+ oznacza stężenie jonów wodoru w molach na litr.

Wartość pH zawiera się w przedziale od 0 do 14, przy obojętnym roztworze pH=7, w środowisku kwaśnym pH jest mniejsze niż 7, a w roztworze alkalicznym pH > 7.

Sonda pH jest czujnikiem elektrochemicznym składającym się z elektrody szklanej i elektrody odniesienia.

Po włożeniu sondy pH do roztworu elektroda pomiarowa wytwarza napięcie, które zależy od aktywności jonów wodoru w roztworze. Następnie jest ono porównywane z potencjałem wewnętrznej elektrody odniesienia. Różnica między elektrodą pomiarową a referencyjną jest zmierzonym potencjałem i jest wyrażona jako:

gdzie E jest napięciem elektrody o nieznanej aktywności, a jest tolerancją punktu zerowego (±30 mV), T temperaturą otoczenia w °C, n = 1 (przy 25°C) to wartościowość (liczba ładunków w jonie), F = 96 485 kulombów/mol to stała Faradaya, R = 8,314 wolto-kulombów/°K·mol – stała gazowa, pH – stężenie jonów wodorowych nieznanego roztworu, pHISO – stężenie jonów wodorowych w elektrolicie odniesienia.

Równanie wskazuje, że generowane napięcie zależy od pH i jest wprost proporcjonalne do temperatury roztworu. Wraz z jej wzrostem rośnie różnica potencjałów. Idealna sonda pH wytwarza ±59,154 mV/jednostkę pH w 25°C. Zmiana temperatury może również zmienić czułość elektrody pomiarowej, co z kolei powoduje błąd. Na szczęście jest on przewidywalny i można go uwzględnić poprzez kalibrację sondy, a następnie przez korekcję temperatury podczas kolejnych pomiarów. Z tego powodu zazwyczaj czujnik temperatury integruje się wewnątrz sondy. Może to być termistor NTC lub czujnik RTD, taki jak PT100 lub PT1000.

 
Rys. 2. ADuCM355 jako element pomiarowy do sondy z czujnikiem temperatury

Pomiar pH za pomocą ADuCM355

 
Rys. 3. Płytka demo do pomiaru pH z ADuCM355 i złączami BNC i RCA (zestaw CN-0428)

ADuCM355 jest zaawansowanym zintegrowanym układem do pomiaru pH zawierającym wszystkie niezbędne obwody pomiarowe i mikrokontroler. Układ pobiera na tyle małą moc i ma niewielką obudowę, że można go umieścić w obudowie czujnika. Rysunek 3 pokazuje płytkę demo pomiaru pH z ADuCM355 ze złączami BNC i RCA pozwalającą na podłączenie sondy pH i czujnika temperatury.

 

 

 

Podłączanie węzła czujnika pomiaru pH do sieci SmartMesh

Dzięki temu, że ADuCM355 dostarcza danych w formie cyfrowej, po połączeniu go z transceiverem SmartMesh LTP5902 można stworzyć mały węzeł bezprzewodowego czujnika pomiaru pH wysyłający dane do menedżera SmartMesh IP.

 
Rys. 4. Czujnik pH można podłączyć do ADuCM355 i dalej do węzła czujnika bezprzewodowego SmartMesh
 
Rys. 5. Sieć SmartMesh z czujnikami i menedżerem sieci IP zintegrowanym z bramą

SmartMesh to rozwiązanie sieci typu multi-hop firmy Analog Devices realizujące bezprzewodową sieć typu mesh w paśmie 2,4 GHz opartą na standardzie IEEE 802.15.4e. Zapewnia on 128-bitowe szyfrowanie danych AES i uwierzytelnianie przy małym poborze mocy pozwalającym na długą pracę węzłów czujnikowych przy zasilaniu bateryjnym.

 
Rys. 6. Bezprzewodowy system monitorowania jakości wody z użyciem ADuCM355 i SmartMesh

Sieci SmartMesh komunikują się z wykorzystaniem modulacji ze szczeliną czasową (time slotted channel hopping, TSCH), która zapewnia nadmiarowość typu triple play. Menedżer sieci SmartMesh (część bramy) koordynuje wysyłkę pakietów danych, zarządza bezpieczeństwem, zapewnia programowanie bezprzewodowe (over-the-air programming, OTAP) i automatycznie optymalizuje komunikację. Zapewnia również szczegółowe raporty o stanie i jakości łączności za pośrednictwem interfejsu API. W przypadku małych sieci jeden menedżer może obsługiwać do 100 węzłów czujników. Ogromne instalacje zawierające do 50 000 węzłów są obsługiwane przez VManager.

 
Rys. 7. Węzeł czujnika z rozwiązania demo

Użyte rozwiązania zapewniają niezawodność komunikacji >99,999%, co czyni SmartMesh idealnym rozwiązaniem do przemysłowych bezprzewodowych sieci czujników, które muszą utrzymywać wysoką dostępność sieci bez utraty pakietów.

 

 

 

Bezprzewodowy system monitorowania jakości wody

 
Rys. 9. Wizualizacja danych z czterech czujników

Demonstracyjny system sieci bezprzewodowej do badania jakości wody (rys. 6) składa się z czterech węzłów czujnikowych. Każdy z nich zawiera sondę pH ze zintegrowanym czujnikiem temperatury podłączonym do ADuCM355 i dalej do SmartMesh IP. ADuCM355 wykonuje pomiary, oblicza pH i przesyła cyfrowe wyniki przez bezprzewodową sieć SmartMesh do menedżera SmartMesh IP. Z kolei menedżer IP SmartMesh jest podłączony przez USB do komputera. W tym rozwiązaniu brama jest realizowana przez komputer, na którym zainstalowano Node-Red i SmartMesh SDK. Zestaw SmartMesh SDK służy do tworzenia serwera danych JavaScript (JSON) dla danych, który jest podłączony do Node-RED. Node- -RED służy do wyświetlania zmierzonych danych pH z każdego węzła czujnika i umożliwia połączenie z usługami w chmurze, takimi jak IBM Watson, Amazon AWS itp. Node-RED to narzędzie programistyczne z przeglądarką internetową, która umożliwia połączenie urządzeń, interfejsów API i innych usług online. Graf JSON użyty w wersji demonstracyjnej pokazano na rysunku 8 a wynik jego działania na rysunku 9.

 
Rys. 8

 

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66, www.arrow.com

Powiązane treści
Urządzenia i moduły do komunikacji bezprzewodowej
Zobacz więcej w kategorii: Prezentacje firmowe
Zasilanie
Transformatory zasilaczy impulsowych - indywidualne rozwiązania z systemem izolacji UL
Produkcja elektroniki
Grupa Renex wprowadza nowe oprogramowanie do robota lutowniczego Reeco z ramieniem Yamaha SCARA
Pomiary
Nowe oscyloskopy Voltcraft - seria DOV ma ekran dotykowy, wyjście HDMI, małą masę i kompaktowe wymiary
Komponenty
SAMA7D65 MPUs - zaawansowana grafika i komunikacja
Produkcja elektroniki
Specjalistyczne usługi dla EMS – przegląd
Mikrokontrolery i IoT
Ekonomiczne mikrokontrolery PIC32A z wydajnymi analogowymi układami peryferyjnymi
Zobacz więcej z tagiem: Komunikacja
Gospodarka
Druga generacja satelitów GNSS Galileo jest rozwijana z pełną prędkością
Technika
Automatyka przemysłowa i budynkowa na dwóch przewodach
Gospodarka
Arrow Electronics polskim dystrybutorem rozwiązań Cohesity w zakresie bezpieczeństwa i zarządzania danymi

Komponenty indukcyjne

Podzespoły indukcyjne determinują osiągi urządzeń z zakresu konwersji mocy, a więc dążenie do minimalizacji strat energii, ułatwiają miniaturyzację urządzeń, a także zapewniają zgodność z wymaganiami norm w zakresie EMC. Stąd rozwój elektromobilności, systemów energii odnawialnej, elektroniki użytkowej sprzyja znacząco temu segmentowi rynku. Zapotrzebowanie na komponenty o wysokiej jakości i stabilności płynie ponadto z aplikacji IT, telekomunikacji, energoelektroniki i oczywiście sektorów specjalnych: wojska, lotnictwa. Pozytywnym zauważalnym zjawiskiem w branży jest powolny, ale stały wzrost zainteresowania klientów rodzimą produkcją pomimo wyższych cen niż produktów azjatyckich. Natomiast paradoksalnie negatywnym zjawiskiem jest fakt, że jakość produktów azjatyckich jest coraz lepsza i jeśli stereotyp "chińskiej bylejakości" przestanie być popularny, to rodzima produkcja będzie miała problem z utrzymaniem się na rynku bez znaczących inwestycji w automatyzację i nowe technologie wykonania, kontroli jakości i pomiarów.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów