مستشعر التعكر: ما هو وكيف يعمل

في هذه المدونة، غطينا مجموعة واسعة من المكونات الكهربائية لمشاريع "اصنعها بنفسك". بعضها يتعلق بالماء، مثل الصمامات، ومقاييس التدفق، والمضخات، وما إلى ذلك. ومع ذلك، قد يحتاج الصناع إلى شيء أكثر تعقيدًا، مثل مستشعر العكارة.

بفضل هذا النوع من أجهزة الاستشعار، أصبح من الممكن قياس عكارة السوائل ، مثل الماء، أو للعديد من التطبيقات الأخرى كما سنرى لاحقاً...

تعكر السوائل

العكارة هي مقياس لتشتت الضوء الناتج عن الجسيمات العالقة في السوائل. وهي معيار بالغ الأهمية في مختلف الصناعات، بدءًا من معالجة المياه وصولًا إلى إنتاج الأغذية والمشروبات. فعلى سبيل المثال، يُمكن قياس العكارة أو الجسيمات العالقة في الماء لتحديد نقائه أو ما إذا كان ملوثًا بأي نوع من المواد الصلبة. كما يُمكن استخدامها لمراقبة العمليات الصناعية التي تتضمن مخاليط سائلة من المواد الكيميائية، وتخمير البيرة والمشروبات الأخرى، وترسيب الجسيمات أو الرواسب، وفعالية المواد المُرسبة. ويمكن أن تكون مفيدة أيضًا في البحوث البيئية، لمراقبة مياه البحيرات والأنهار والبحار، وحتى المياه الجوفية. وتتنوع تطبيقاتها بشكل كبير، كما سنرى لاحقًا.

ما هو جهاز استشعار التعكر؟

أجهزة استشعار العكارة، أو مقاييس العكارة ، هي أجهزة مصممة لقياس هذه الخاصية. وقد شهدت تطورًا ملحوظًا، ما أدى إلى زيادة دقتها وموثوقيتها باستمرار. تتوفر هذه الأجهزة بأحجام كبيرة، لفحص فعالية أنظمة مياه الشرب المزودة بتقنية التناضح العكسي، بالإضافة إلى استخدامها في عمليات صناعية أخرى يتم التحكم بها بواسطة برامج SCADA، كما تتوفر بأحجام صغيرة مناسبة للمشاريع اليدوية. إذا كنت من هواة التصنيع، فاعلم أن بعضها متوفر على شكل وحدات نمطية، ما يسهل دمجها في مشاريعك، تمامًا مثل العديد من وحدات Arduino الأخرى.

يُعدّ معايرة مستشعرات العكارة بانتظام أمرًا بالغ الأهمية لضمان دقة القياسات، وكذلك التنظيف الشامل لخلية القياس أو الكاشف. ولذلك، أنصح بالرجوع إلى بيانات الطراز الذي اخترته، حيث تُستخدم معايير العكارة المعتمدة لإنشاء منحنى المعايرة. إنّ عدم المعايرة بشكل صحيح لا يُقلّل فقط من عمر المستشعر، بل يؤدي أيضًا إلى قياسات غير دقيقة. علاوة على ذلك، وبحسب نوع السائل المراد اختباره، قد تُسبّب المعايرة غير الصحيحة أضرارًا أخرى للمستشعر، مثل التآكل في حالة السوائل الحمضية، وتراكم الترسبات الكلسية في الماء العسر، وتكوّن الطحالب، وغير ذلك.

ضع في اعتبارك أن هناك بعض العوامل الأخرى التي يمكن أن تؤثر أيضًا على القياس ، حتى لو كان المستشعر في حالة جيدة:

الطول الموجي للضوء: يؤثر اختيار الطول الموجي على حساسية المستشعر لأحجام الجسيمات المختلفة.
زاوية الكشف: الزاوية التي يتم بها قياس الضوء المبعثر تحدد نطاق أحجام الجسيمات التي يمكن اكتشافها.
قياس مادة الخلية: ويجب أن تكون شفافة ومقاومة للمواد الكيميائية المراد تحليلها.
درجة الحرارة: يمكن أن تؤثر على كثافة الجسيمات وبالتالي التعكر.
لون العينة: العينات الملونة قد تتداخل مع قياس التعكر.
دقة الاستشعار والتسامح: يمكن أن تكون هناك نماذج مختلفة ذات دقة وتفاوتات مختلفة، وهذا مهم عند اختيار النموذج المناسب. سيكون هناك أيضًا بعض القيود على حجم الجسيمات القابلة للاكتشاف.

تشغيل مقياس التعكر

مستشعر العكارة هو في الأساس أداة بصرية تقيس شدة الضوء المتشتت بواسطة الجسيمات في السائل. ويستند المبدأ الأساسي على قانون رايلي ، الذي ينص على أن شدة الضوء المتشتت تتناسب طرديًا مع القوة الرابعة لقطر الجسيم ومربع طول موجة الضوء الساقط.

ولذلك، فإن جهاز استشعار التعكر سوف يكون له بعض الأجزاء الرئيسية، مثل:

مصدر الضوء: عادةً ما يصدر مصباح الهالوجين، LED أو الليزر، شعاعًا من الضوء بطول موجي محدد عبر العينة.
مكتشف: يقوم الكاشف الضوئي (الصمام الثنائي الضوئي، المضاعف الضوئي) بقياس شدة الضوء المتناثر عند زاوية معينة.
خلية القياس- يحتوي على العينة ويوفر مسار بصري محدد للضوء.
الإلكترونيات: يقومون بمعالجة إشارة الكاشف وتحويلها إلى قراءة التعكر.

من ناحية أخرى، من بين الأنواع المختلفة لأجهزة قياس العكارة، يمكننا إيجاد عدة طرق لقياس وجود هذه الجسيمات العالقة:

قياس الكلى: يقيس الضوء المتناثر بزاوية 90 درجة مع الشعاع الساقط. إنها الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس التعكر المنخفض والمعتدل.
نقل: وفي هذه الحالة يعتمد ذلك على قياس الضوء الذي يمر عبر العينة. يتم استخدامه لقياس التعكر العالي.
الامتصاص: يركز على تحديد الضوء الذي تمتصه الجزيئات. يتم تطبيقه في حالات محددة حيث يكون التشتت في حده الأدنى.

بالإضافة إلى وضع كل هذا في الاعتبار، تحقق أيضًا من الفولتية أو الاستهلاك أو كثافة العمل أو نطاقات درجة حرارة التشغيل أو التوافق مع مشروعك...

مكان شراء وأسعار جهاز استشعار التعكر

لا توجد منتجات

يمكنك العثور على أجهزة استشعار العكارة بأسعار مناسبة على العديد من منصات الإلكترونيات، بالإضافة إلى مواقع مثل AliExpress وAmazon . توفر هذه المواقع أسعارًا معقولة ومجموعة واسعة من الموديلات لتناسب احتياجاتك. إليك بعض التوصيات: نوعان مزودان بوحدات تعتمد على تأثير تيندال، وجهاز قياس صناعي عالي الجودة يُستخدم لقياس جودة المياه في مشاريع متقدمة، مثل محطات معالجة مياه الصرف الصحي ومحطات معالجة مياه الشرب، وغيرها.

هام: هذه الأجهزة عادة لا تكون قابلة للغمر، بل جزء فقط من المسبار يكون كذلك. لذا كن حذرًا إذا كنت لا تريد إتلافه.

تطبيقات عملية

أنت تعرف بالفعل بعض الاستخدامات أو التطبيقات المحتملة لمستشعر العكارة، كما ذكرتُ بعضها سابقًا في النص. ومع ذلك، إليك قائمة ببعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا لتستلهم منها مشاريعك المستقبلية:

معالجة المياه: مراقبة جودة مياه الشرب ومياه الصرف الصحي والمياه المعالجة. ويمكن استخدامه أيضًا في المشاريع البيئية، وقياس جودة المياه في الأنهار والخزانات والبحيرات والبحار والمياه الجوفية وغيرها. يمكنك حتى استخدامه في المنزل إذا كنت ستقوم بتركيب نظام تنقية لإعادة استخدام المياه الرمادية في محطات المياه ومحطات تحلية المياه وما إلى ذلك.
صناعة الأغذية والمشروبات: مراقبة جودة المنتجات مثل العصائر والبيرة والنبيذ. قد تكون المشروبات الكحولية والمقطرة عرضة لهذا النوع من الجزيئات العالقة، ومن الضروري مراقبة هذه المعلمات والتحكم فيها أثناء الإنتاج.
الصيدلانية: قد يحتاج هذا القطاع أيضًا إلى أجهزة استشعار للعكارة لضمان جودة مستحضرات الحقن ومحاليل العيون وكذلك الأمصال والأشربة وغيرها.
كيمياء: بالطبع هناك خيار آخر وهو مراقبة عمليات الترشيح والفصل والمخاليط الكيميائية وغيرها.

مثال عملي لاستخدام جهاز قياس التعكر

على سبيل المثال، إذا استخدمنا كقاعدة واحدة من أجهزة استشعار التعكر من نوع الوحدة تعتمد على تأثير تيندال، والتي تعتمد على تشتت الضوء المسقط على السائل بسبب وجود الجزيئات في التعليق، ستولد قياسات بقيمة واحدة أو أخرى اعتمادًا على عدد الجزيئات الموجودة. هذا النوع من الوحدات فعال للغاية، ويتكامل بشكل مثالي مع Arduino UNO، ويتيح لك كتابة المخططات في Arduino IDE لسهولة التحكم.

في هذه الحالة، يتراوح نطاق الكشف بين 0% و3.5% ( 0 و4550 وحدة عكارة نفيلومترية )، مع هامش خطأ ±0.5%. كما يوفر الجهاز وضعَي تشغيل، أحدهما تناظري والآخر رقمي. في الوضع التناظري (الوضع A)، تُحسب العكارة بقياس مستوى الجهد عند مخرج المستشعر، بينما في الوضع الرقمي (الوضع D)، تُقاس رقميًا باستخدام رمز ثنائي يتذبذب بين قيمتين.

من ناحية أخرى، إذا نظرنا إلى ورقة البيانات الخاصة بمستشعر العكارة هذا ، فسنجد أن النموذج يحتوي على المواصفات الفنية التالية:

مصدر التيار: 5 فولت تيار مستمر
الاستهلاك: 11 مللي أمبير تقريبًا
نطاق الكشف: 0% إلى -3.5%(0-4550 وحدة حرارية بريطانية)
تمبرا دي تراباجو: -30 درجة مئوية و80 درجة مئوية
درجة حرارة التخزين:-10 درجة مئوية و80 درجة مئوية
التسامح أو هامش الخطأ: ± 0.5٪

كما توضح ورقة البيانات المنحنيات أو الرسوم البيانية التي تربط بين العكارة المقاسة والجهد المتولد عند مخرج المستشعر، بالإضافة إلى مخطط توصيل الدبابيس الذي سيساعدنا على توصيل الوحدة بلوحة أردوينو الخاصة بنا بشكل صحيح:

ستلاحظ أيضًا وجود مؤشرين ضوئيين: أحدهما يشير إلى أنه يعمل كمصدر طاقة، والآخر لإخراج البيانات. بعد توصيل الوحدة بلوحة أردوينو - وهو أمر بسيط للغاية، إذ يكفي توصيل VIN بـ 5 فولت وGND بـ GND على اللوحة - يتم توصيل S بالمكان الذي نريد قياس الإشارة منه، مثل A0 للإشارات التناظرية، أو D13 للإشارات الرقمية. بالإضافة إلى ذلك، في هذا المثال، يمكنك استخدام مؤشر ضوئي موصول بمخرج رقمي للمعايرة.

بعد الانتهاء، ستكون الأكواد التي تحتاج إلى كتابتها في بيئة تطوير Arduino المتكاملة كما يلي:

التكوين الرقمي:

/* 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
}
}

كما ترون، تتضمن الوحدة أيضًا مقياس الجهد والتي يمكنك ضبطها باستخدام مفك البراغي لضبط عتبة الإشارة الرقمية وتكييفها حسب احتياجاتك. يمكنك استخدام الماء المقطر لإدخال المسبار وتحريك مقياس الجهد حتى يتم تشغيل أو إيقاف تشغيل مؤشر LED الموجود على اللوحة، اعتمادًا على كيفية تكوينه في الكود. هذه هي الطريقة التي تتم معايرتها، ومن ثم يمكنك وضع المسبار في الماء الغائم لترى أن مؤشر LED يفعل العكس.

التكوين التناظري:

/* 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);  
}

إذا كنت تريد القياس بوحدات NTU في الوضع التناظري، فاستخدم:

/* 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;  
}

تذكر أنه يمكنك دائمًا تعديل التعليمات البرمجية لتكييفها مع مشاريعك، وهذه مجرد أمثلة للاستخدام...