Σχεδίαση και κατασκευή αισθητήρα θολότητας

Abstract

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός αισθητήρα θολότητας – θολομέτρου, που θα υπολογίζει την σχετική διαύγεια υγρών διαλυμάτων. Η μέτρηση της θολότητας είναι μία από τις πιο σημαντικές «αισθητικές» μετρήσεις που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ποιότητας διαλυμάτων και αποτελεί μία ποιοτική διαδικασία προσέγγισης της ποσότητας αιωρούμενων σωματιδίων που μπορεί να βρίσκονται μέσα σε αυτά. Ο αισθητήρας θολότητας ανήκει στην γενικότερη κατηγορία οπτικών αισθητήρων και η λειτουργία του βασίζεται στην θεωρία της διάχυσης του φωτός που προκαλείται από την παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων σε ένα υγρό διάλυμα. Μία πηγή φωτός εκπέμπει ακτινοβολία η οποία προσπίπτει σε ένα υγρό δείγμα και ένα σύστημα φωτοδεκτών ανιχνεύει την ένταση της διαχεόμενης ακτινοβολίας. Το θολόμετρο που κατασκευάστηκε είναι ένα θολόμετρο λόγου όπου η πηγή φωτός είναι ένα LED υπέρυθρης ακτινοβολίας και το σύστημα φωτοδεκτών περιλαμβάνει τρεις φωτοδιόδους πυριτίου που τοποθετούνται περιμετρικά σε γωνίες 90ο, 150ο και 180ο μοιρών ως προς την διεύθυνση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η τιμή της θολότητας υπολογίζεται με βάση ένα λόγο μεταξύ των εντάσεων διαχεόμενης ακτινοβολίας των φωτοδιόδων, ο οποίος εκφράζει την ένταση διαχεόμενης ακτινοβολίας σε γωνία 90ο (φωτοδέκτης 90ο) σε σχέση με την ένταση της διαχεόμενης ακτινοβολίας που ανιχνεύεται από τις άλλες δύο φωτοδιόδους (φωτοδέκτης εμπρόσθιας διάχυσης και φωτοδέκτης μετάδοσης του φωτός). Αυτή η συσκευή θολότητας αποτελείται από δύο επιμέρους μονάδες: την μονάδα δειγματοληψίας, στην οποία τοποθετούνται το δοχείο δείγματος και τα οπτικά στοιχεία, και το τυπωμένο ηλεκτρονικό κύκλωμα που επεξεργάζεται, υπολογίζει και απεικονίζει την τιμή της θολότητας. Στην διπλωματική εργασία παρουσιάζονται αναλυτικά οι μέθοδοι σχεδίασης, κατασκευής και βαθμονόμησης καθώς και ο τρόπος λειτουργίας του αισθητήρα, με σκοπό την χρήση του θολομέτρου σε εφαρμογές που αφορούν τον έλεγχο της ποιότητας του νερού. Τέλος παρουσιάζεται μία πλήρης αξιολόγηση του θολομέτρου που κατασκευάστηκε αναφορικά με τον τρόπο λειτουργίας και την ακρίβεια του, η οποία έχει σαν στόχο την περεταίρω ανάπτυξη και βελτίωση παρόμοιων συσκευών αισθητήρων.

The objective of this diploma thesis is the design and construction of a turbidity sensor – turbidity meter, which calculates the relative clarity of liquid solutions. Turbidity measurement is one of the most important “aesthetic” measurements that are used in order to control the quality of solutions, and constitutes a qualitative approximation process of the quantity of suspended particles that could be found into these solutions. The turbidity sensor belongs to the wider category of optical sensors and its function is based on the theory of scattered light, which is caused by the presence of suspended particles in a liquid solution. A light source emits radiation that strikes on a liquid sample, and a photo-detection system detects the intensity of scattered radiation. The turbidity meter, that has been constructed, is a ratio turbidity meter in which the light source is an infrared LED and the photo-detection system encompasses three silicon photodiodes which are arranged in circles at angles of 90ο, 150ο and 180ο from the direction of the incident light. The value of turbidity is calculated according to a ratio among the photodiodes’ scattered light intensities which expresses the 90ο – angle scattered light intensity (90ο photo-detector) in relation to the intensity of scattered light that is detected by the other two photodiodes (forward scatter photo-detector and transmittance photo-detector). This turbidity device consists of two partial units: the sampling unit, where the sample cell and the optical components are located, and the printed electronic circuit which processes, calculates and displays the final turbidity value. This diploma thesis presents in detail the methods for the design, construction and calibration of the turbidity sensor, as well as its function, in order for the turbidity meter to be used in applications related to the control of water quality. Finally, a complete evaluation of the constructed turbidity meter regarding its functionality and accuracy is presented, which aims at further development and improvement of similar sensor devices.