Turbidimetro en Desarrollo.

Universidad Tecnológica de Panamá

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Facultad de Ingeniería Eléctrica

Informe Sensor de Turbiedad

Presentado por: Jossue Calvo

Introducción

La turbidez, o turbiedad, se refiere a lo clara o turbia que pueda estar el agua.  Se sabe que los sensores de turbiedad cuantitativos son ópticos, denominándose Turbidímetros o Nefelómetros.  Estos son dispositivos que miden la concentración de partículas suspendidas en un líquido.  La diferencia instrumental entre un Turbidímetro y un Nefelómetro radica en que el Turbidímetro mide la radiación que atraviesa una muestra en dirección de avance, mientras que el Nefelómetro mide la radiación dispersada en ángulo respecto de la dirección de avance.  Este tipo de dispositivos funcionan detectando la cantidad de luz dispersada por las partículas suspendidas si se coloca a 90º el detector (Nefelómetros), o detectando la luz que atraviesa la muestra (Turbidímetros).  

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Figura 1: Nefelómetro o turbidímetro, que mide la luz dispersada en un ángulo de 90º con respecto al haz de luz incidente.

En la figura 1 se muestra un nefelómetro o turbidímetro nefelométrico.  Como vemos estos dispositivos miden la concentración de partículas suspendidas de una muestra del medio que se quiere conocer su turbidez.

En nuestro caso en particular, no podremos tomar muestras ya que el sensor estará en un submarino y deberemos medir la turbidez directamente del medio y no de una muestra del mismo.  Esto plantea grandes problemas, ya que:

a) no se estará trabajando en un laboratorio donde se pueden aislar las variables de influencia externas, como por ejemplo, fuentes de luz externas, o variaciones de temperatura que interfieran con la medición;

b) igualmente tendremos que tener cuidado de aislar correctamente el sistema físico de medición, del medio líquido que podría dañarlo.

c) el espacio con el que contamos para colocar nuestro sensor es muy reducido por lo que tendremos que reducir su tamaño.

Es por esto que al comenzar el diseño tomamos en cuenta que no queríamos que, luz no procedente de nuestra fuente interfiriera con nuestra medida.  Para evitar esto, decidimos que utilizaríamos una señal luminosa modulada a una frecuencia que no fuera ni múltiplo, ni estuviera cerca de las frecuencias de alimentación de las luces, es decir, ni 60 Hz, ni múltiplos de esta.  La idea es modular la señal y luego detectar en cuanto se atenuó (o dispersó) la amplitud de la señal modulada, así discriminaríamos la entrada en continua de cualquier fuente luminosa y las fuentes moduladas a 60 Hz y sus armónicos.

La frecuencia en concreto de modulación que se utilizará se escogió en torno a 15 KHz, como se explicará posteriormente.

En la figura 2, se muestra el diagrama de bloques del sensor de turbiedad que se utilizará.[pic 3]

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Figura 2: Diagrama de bloques del funcionamiento del sensor de turbiedad.

Por otro lado la restricción de espacio nos empuja a diseñar un sensor de turbiedad con ligeras modificaciones de las expuestas anteriormente.  En este caso será un sensor del tipo reflexivo.  En este punto cabe preguntarse ¿ qué tipo de señal detectaremos ?.  Sabemos que va a ser la suma de las dispersiones Rayleigh^[1] y Mie^[2] de una portadora óptica modulada senoidalmente.

Por otro lado sabemos que los detectores ópticos no detectan la variación de amplitud de la señal portadora (no son tan rápidos), es decir, detectan la potencia óptica.  Si asumimos que estamos recibiendo una suma de señales senoidales, de diferentes amplitudes producto de la dispersión en las diferentes partículas suspendidas, y con diferentes retardos, la señal resultante será:

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Donde la Ai y Θi es la amplitud y fase de cada uno de los componentes recibidos, debido a la dispersión del medio, y f es la frecuencia de la portadora óptica.  Asumiendo que las fases Θi en la ecuación 1, son variables aleatorias independientes, con funciones de densidad uniformes entre 0 y 2π radianes, se calcula que la potencia óptica instantánea esperada:

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es proporcional a la suma de las potencias ópticas promedio^[3] de cada una de las componentes si(t).  Este resultado, ecuación 2, indica que las señales interfieren en intensidad (potencia) y no en campo (amplitud).  Y que a mayor cantidad de turbiedad, mayor dispersión y mayor cantidad de potencia detectada.

Finalmente, hay que tener en cuenta que como estamos modulando la intensidad de la portadora óptica con una señal senoidal, se debe verificar que la interferencia, de las ondas reflejadas por las partículas en suspensión, sea constructiva.

Para el caso que nos compete, si utilizamos una frecuencia en torno a 15 KHz para modular la portadora óptica, y observando que la velocidad de la luz en el agua es de aproximadamente 2.25x108 m/s, obtenemos una periodicidad espacial de la onda modulada de 15 Km.

Si la potencia detectada proviene de partículas en suspensión que como mucho están a una distancia de 10 m del sensor^[4], tendremos que el máximo desfase que tendremos entre dos ondas detectadas será de 360x20/15000 = 0.48 grados, que es un desfase sumamente pequeño que asegura una interferencia constructiva entre las ondas moduladas en potencia recibidas.

Diseño del Oscilador en Puente de Wien

Como vemos en la figura 2, el sensor de turbiedad necesitará un oscilador para general la señal de modulación de la fuente óptica, que en nuestro caso será un led.

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Figura 3: Oscilador en puente de Wien a utilizar.

El oscilador escogido fue un oscilador en puente Wien.  Este fue el escogido ya que utiliza un filtro paso banda dentro del lazo de realimentación, de modo que podemos utilizar el diseño de este filtro, en etapas posteriores de la cadena de medida del sensor (como explicaremos más adelante).  El oscilador utilizado se muestra en la figura 3, y su frecuencia de oscilación viene dada por la ecuación:

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