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
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.
Pomiar pH za pomocą ADuCM355
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.
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.
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.
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
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.
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66, www.arrow.com
