Entwerfen Sie einen schnellen und genauen Trübungssensor für eine Wasserquelle

Der Schutz von Wasserressourcen aus Seen, Meeren und Flüssen zur Gewinnung von Trinkwasser ist angesichts der wachsenden Bevölkerung und der zunehmenden Sensibilisierung für Umweltverschmutzung immer wichtiger geworden. Daher stehen die Entwickler von Messinstrumenten zur Wasseranalyse vor der Herausforderung, die Wasserqualität so schnell, genau und effizient wie möglich zu bestimmen.

Einer der Indikatoren für die Wasserqualität ist die Trübung, d. h. das Vorhandensein von verteilten oder schwebenden Feststoffen. Diese Feststoffpartikel können jedes für sich für das menschliche Auge unsichtbar sein, aber gemeinsam können sie das Wasser verfärben oder trüben. Am anderen Ende des Spektrums können diese Feststoffe durchaus einzeln sichtbar sein und zu Messungenauigkeiten in einem großen dynamischen Bereich führen.

Die Messung dieser Trübung ist ein Weg zur Bestimmung der Wasserqualität. Bei Trübungsmessungen wird typischerweise der Streueffekt von Fremdstoffen auf LED-Licht auf seinem Weg durch die Flüssigkeit zu einem Photodetektor genutzt und untersucht.

Der ideale Ansatz, um die einander widersprechenden Anforderungen an Geschwindigkeit, Effizienz und Genauigkeit in einem großen dynamischen Bereich miteinander zu vereinbaren, besteht in der Verwendung von effizienten photometrischen Frontends mit integriertem Analog/Digital-Wandler (ADC).

Dieser Artikel beschreibt, was für die Implementierung eines solchen auf einer photometrischen AFE-Architektur (Analog Front End) basierenden Systems benötigt wird, mit dem LEDs angesteuert und Photodetektor-Ausgangssignale abgetastet werden können. Dann stellen wir ein solches System vor, das auf dem photometrischen Frontend ADPD105BCPZ von Analog Devices basiert, in dem bereits viele der erforderlichen Schaltungselemente integriert sind.

Bewertung der Trübung

Die Trübung definiert, wie viel das Wasser an Transparenz eingebüßt hat, und ist ein entscheidender Parameter der Wasserqualität. Dieser Verlust von Transparenz wird von Schwebeteilchen verursacht, die das Wasser wolkig oder trübe erscheinen lassen. Je größer die Summe der Schwebeteilchen ist, desto größer ist die Trübung.

Es gibt keine direkten Messmethoden für die Wassertrübung. Eine Messtechnik besteht darin, die Probe verdampfen zu lassen und das verbleibende Gewicht zu messen. Eine weitere und vielleicht schnellere und effektivere Messmethode besteht darin, den Anteil an Schwebeteilchen oder Fremdstoffen durch eine Untersuchung der Lichtstreuung durch die im Wasser schwebenden Partikel zu messen. Diese Messtechnik liefert die qualitativen Merkmale der Trübung, die davon abhängen, wie diese Schwebstoffe das übertragene Licht streuen.

Das Frontend des Messaufbaus

Die Funktionsweise von Schaltungen zur Lichterkennung ist gut bekannt, aber die Herausforderung für die Entwickler besteht in einer schnellen, genauen und verlässlichen Erkennung und Digitalisierung des Lichts unter Vernachlässigung der Hintergrundbeleuchtung der Umgebung. Für die Messkonfiguration ist eine Koordinierung der An-Aus-Zyklen der LED mit der Erfassung der Helligkeit der LED durch den Photodetektor erforderlich. Gleichzeitig müssen ein Oversampling und eine Filterung stattfinden, um Signalversatz und Umgebungslicht auszusondern (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vereinfachtes Schaltbild einer Trübungsmessung mit dem photometrischen Frontend ADPD105BCPZ von Analog Devices (U3). (Bildquelle: Analog Devices)

Das Herzstück der Schaltung ist U3, ein photometrischer Frontend-Baustein ADPD105BCPZ von Analog Devices. Dieses Lichtdetektor-Frontend fungiert als kompletter optischer Transceiver, indem es zwei Infrarot-Emitter mit einer Wellenlänge von 860 nm (DS1 und DS2) stimuliert und das vom Emitter ausgesendete Licht durch das kontaminierte Wasser mit Silizium-PIN-Photodioden (D1 und D2) empfängt. Die optischen Daten der Photodiode messen den Anteil der gestreuten Lichtenergie, wenn das LED-Signal die getestete Flüssigkeit durchläuft. Die Maßeinheit für die Trübung ist die Formazin Turbidity Unit (FTU). Bei dieser Messung bedeutet eine Trübung von weniger als 1 FTU eine geringe oder keine Beeinträchtigung des Lichts, die zu einem vernachlässigbaren Streueffekt führt. Bei steigender Trübung wird der gerade Lichtstrahl des ausgesendeten Lichts aufgrund der Behinderung durch Teilchen gestreut und das in den Photodetektoren einfallende Licht reduziert.

Verfälschung durch Umgebungslicht

Das Testsystem, das sich in dem trüben Wasser befindet, kann dem Umgebungslicht ausgesetzt sein oder auch nicht. Bei diesem System kann die Verfälschung durch Umgebungslicht äußerst störend sein, wenn das Messsystem diesen Effekt nicht dämpft. Das ADPD105BCPZ verfügt über die Fähigkeit, Umgebungslicht abzuweisen, indem es in zwei unterschiedlichen Zeitfenstern Timeslot A und Timeslot B arbeitet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Timing-Diagramm für die beiden unabhängigen Messzeitfenster des ADPD105BCPZ: Timeslot A und Timeslot B. Die Zeitfenster arbeiten sequentiell, und die zwischen den LED-Impulsen erkannte Ladung repräsentiert das Umgebungslicht. (Bildquelle: Analog Devices)

Im ADPD105BCPZ sind Timeslot A und Timeslot B sequenziell implementiert, sodass die LEDs und Photosensoren im Tandembetrieb arbeiten. Ein LED-Impuls von DS1 fällt mit dem Messintervall des Photodetektors D1 und ein LED-Impuls von DS2 mit dem Messintervall des Photodetektors D2 zusammen. Die von D1 und D2 gemessenen Werte repräsentieren die als Reaktion auf die LED-Impulse gewonnene Gesamtladung. Die zwischen den LED-Impulsen erkannte Ladung repräsentiert das Umgebungslicht. Die digitale Engine des ADPD105BCPZ subtrahiert den Wert für das Umgebungslicht von der gewonnenen Gesamtladung und erhält so den wirklichen Trübungswert unter vollständiger Ausschließung des Umgebungslichts. Diese Funktion des ADPD105BCPZ sorgt für die Robustheit der Schaltung unter verschiedenen Lichtverhältnissen.

In Abbildung 2 wird der gesamte Signalweg von der Stimulation der LED bis zur Erfassung der Daten und ihrer Verarbeitung jeweils innerhalb eines Zeitfensters durchlaufen. Die Datenwege für jedes der Zeitfenster und die LED-Treiber, die AFE-Setups und die sich ergebenden Dateneinstellungen sind jeweils unterschiedlich. In der Schaltung wird ein 2 µs langer 100mA-Impuls zur Ansteuerung der LED generiert, der die 860nm-LED anregt. Die Ladung des Photodetektors entspricht einem einzelnen LED-Impuls. Diese Ladung wird im ADPD105BCPZ in eine ideale 14-Bit-Auflösung konvertiert. Die Daten-Engine des ADPD105BCPZ kann zur Erhöhung der Auflösung und der Genauigkeit eine Durchschnittsbildung vornehmen.

Der ADPD105BCPZ kann den Durchschnitt von bis zu 128 Impulsen bilden, um die Auflösung zu verbessern. Zur Messung der Trübung sind allerdings sechzehn Mittelwerte mehr als ausreichend. Vier gemittelte Proben erhöhen die endgültige Auflösung z. B. um ein Bit und sechzehn gemittelte Proben um zwei Bit. Vierundsechzig gemittelte Proben erhöhen die endgültige Auflösung um drei Bit, verlängern aber die Konvertierungszeit für das Zeitfenster dramatisch.

Stromversorgung der Schaltung zur Trübungsmessung

In der Schaltung zur Trübungsmessung in Abbildung 1 werden zwei als U1 und U2 bezeichnete LDO-Spannungsregler (Low Drop-out, niedriger Spannungseinbruch) mit festen Ausgangsspannungen von 3,3 und 1,8 V eingesetzt. Der ADP7105ACPZ-1.8-R von Analog Devices liefert die Ausgangsspannung von 1,8 V für das photometrische Frontend ADPD105BCPZ, während der ADP7105ARDZ-3.3-R7 von Analog Devices die Vorspannung von 3,3 V für die LEDs liefert.

Die LDO-Produktfamilie ADP7105 hat eine gute Rauschzahl von 15 Mikrovolt (μV) und eine gute Leitungsregelung von ±0,015 %. Diese Werte tragen dazu bei, dass die Intensität des Lichts für jede Probe wiederholbar ist und sorgen so für eine genaue Messung der Trübung.

Normen für die Trübungsmessung

ISO 7027 Wasserqualität – Bestimmung der Trübung von der International Organization for Standardization – ist eine Norm zur Messung der Trübung. Diese Konstruktionsnorm wurde formuliert, um eine gute Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit mit normgerechten Trübungssensoren und -messgeräten zu ermöglichen. ISO 7027 eliminiert die meisten Farbinterferenzen, indem sie eine monochrome Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 860 nm und eine Spektralbandbreite von ±30 nm verlangt.

Die Methode nach ISO 7027 verlangt einen primären Photodetektorwinkel von 90° ±2,5°. Die meisten Messinstrumente erfüllen die Forderung nach einer LED-Lichtquelle mit 860 nm und dem primären Detektor mit 90° (Abbildung 3).

Abbildung 3: Physische LED/Photodetektor-Konfiguration für eine primäre Messung mit 90°-Winkel, wie in ISO 7027 gefordert. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein Detektorwinkel von 90° liefert die beste lineare Antwort auf Streuungen aufgrund von Trübungen zwischen 0 FTU und 40 FTU. Die Partikel sind bei geringer Trübungsstufe viel kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts; daher ist die Streuungsverteilung symmetrisch. Wenn Größe und Anzahl von Schwebeteilchen innerhalb des Bereichs von 0 FTU bis 40 FTU anwachsen, ist das Signal für den 90°-Detektor linear proportional zur Menge des gestreuten Lichts. Diese Methode wird auch als „Non-Ratio ISO 7027“ bezeichnet, da nur ein Detektorwinkel verwendet wird.

Weitere Detektorwinkel, z. B. 180°, erhöhen die Anzahl der messbaren Trübungsstufen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Physische LED/Photodetektor-Konfiguration für eine primäre Messung im 90°-Winkel und eine sekundäre Messung mit 180°. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Elemente in stärker getrübten Flüssigkeiten haben zunehmend die Form von sichtbaren Partikeln. Daher wird zur Messung höherer Trübungsstufen eine alternative Strategie benötigt. Um die gleiche lineare Antwort wie bei der Non-Ratio-Methode zu erzielen, erfordern höhere Trübungsstufen zwischen 40 FTU und 4000 FTU einen zusätzlichen Detektor mit einem anderen Messwinkel. Größere Partikel weisen bei diesen Lösungen eine asymmetrische Lichtstreuungsverteilung auf, die zu einem vorwärts gestreuten Licht mit höherer Intensität führen.

Bei der Kombination von EVAL-CN0409-ARDZ/EVAL-ADICUP360 Arduino-Shield von Analog Devices mit zwei Platinen werden ein 90°- und ein 180°-Detektor eingesetzt. Damit können theoretisch Trübungsstufen von bis zu 4000 FTU gemessen werden (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Kombination von EVAL-CN0409-ARDZ/EVAL-ADICUP360-Karte von Analog Devices verwendet einen 90°-Detektor und einen 180°-Detektor zur Messung der Trübungsstufen, theoretisch bis zu 4000 FTU. (Bildquelle: Analog Devices)

Systemgenauigkeit

Die auf dem ADPD105BCPZ basierende Trübungsmessschaltung weist eine Genauigkeit auf, die der von kommerziellen Trübungsmessern ähnelt. Ein Vergleich der Spezifikationen zeigt, dass die Trübungsmessschaltung auf Grundlage des ADPD105BCPZ mehr als doppelt so schnell wie ein kommerzielles Messgerät ist (Tabelle 1).

Tabelle 1: Der Vergleich eines kommerziellen Trübungsmessgeräts mit der Schaltung auf Grundlage des ADPD105BCPZ zeigt, dass die Messzeit des Letzteren erheblich kürzer ist. (Bildquelle: DigiKey)

System-Rauschverhalten von EVAL-CN409

Zu den Ursachen für Messungsrauschen im EVAL-CN409-ARDZ-System zählen Blasen, Partikelverunreinigung und Kalibrierungsfehler. Zur Beseitigung dieser Kalibrierungsfehler erfasst die Messausrüstung die bekannten Trübungstestlösungen von 0,02 FTU, 100 FTU und 800 FTU von Oakton (T100 Kalibrierungs-Kit). Der Basiswert der trüben Lösung für das gemessene Rauschen im EVAL-CN409-ARDZ-System beträgt 20,59 FTU (Abbildung 6).

Abbildung 6: Nach 30 wiederholbaren Trübungsmessungen beträgt der 1-Sigma-Rauschpegel der EVAL-CN0409-ARDZ ±0,05 FTU. (Bildquelle: Analog Devices)

Nach 30 wiederholbaren Trübungsmessungen beträgt der 1-Sigma-Rauschpegel der EVAL-CN0409-ARDZ ±0,05 FTU.

Eine Variation des Themas

Mit seinen drei LED-Treibern und acht Photodetektoreingängen ist der ADPD105BCPZ in weiten Grenzen anpassbar und bietet eine enorme Flexibilität. Es können noch ausgefeiltere ratiometrische Messungen durchgeführt werden, wenn ein dritter und vierter Photodetektor mit 135° und 45° hinzukommen. Durch diese erweiterten Einfallswinkel kann der Bereich der Messwerte auf bis zu 40.000 FTU erweitert werden.

Fazit

Die Entwickler von Instrumenten zur Wasseranalyse stehen vermehrt der Herausforderung gegenüber, Lösungen zu entwickeln, mit denen die Wasserqualität so schnell, effizient und genau wie möglich getestet werden kann. Der ideale Ansatz zur Messung der Trübung besteht darin, den Streueffekt von Verunreinigungen mithilfe von LED-Licht zu untersuchen, das durch die Flüssigkeit zu einem Photodetektor geschickt wird, der das Licht misst. Ein geeignetes analoges Frontend für diese Messschaltung ist der ADPD105BCPZ von Analog Devices. Testergebnisse zeigen, dass die Leistung des ADPD105BCPZ als Bestandteil der Evaluierungsplatine EVAL-CN0409-ARDZ der von kommerziellen Trübungsmessgeräten entspricht oder diese sogar übertrifft.