Diseño de un Sensor de Turbiedad en

Jossue Calvo Universidad Tecnológica de Panamá, estudiante

Jossue.Calvo91@gmail.com

Resumen: En este artículo presentamos el diseño de un Sensor de Turbiedad capaz de medir el nivel de turbiedad del agua. Este sensor debe poder transmitir una señal de frecuencia X, que no sea igual ni múltiplo de las frecuencias de alimentación de las luces, a una muestra de agua. Por medio de los fenómenos de dispersión y reflexión, será captado por dos receptores colocados a noventa grados y a ciento ochenta grados. La señal recolectada será digitalizada y proceda por medio de una interfaz gráfica hecha en computadora. La interfaz contara con una base de registros de las mediciones previas para la facilidad de interpretaciones posteriores

Palabras claves: Turbiedad, dispersión, Refracción, Frecuencia.

1. Introducción

La turbidez es la dificultad del agua, para trasmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, coloidales o muy finos, que se presentan principalmente en aguas superficiales. Son difíciles de decantar y filtrar, y pueden dar lugar a la formación de depósitos en las conducciones de agua, equipos de proceso, etc.

Es una característica óptica o propiedad de un líquido, que en términos generales describe la claridad u opacidad del líquido. No tiene que ver con el color, sino que se relaciona más con la pérdida de transparencia.

Esta interfiere con la mayoría de procesos a los que se pueda destinar el agua. La turbiedad nos da una noción de la apariencia del agua y sirve para tener una idea acerca de la eficiencia de su tratamiento.

En este artículo se plantea el diseño de un sensor capaz de medir el nivel de turbiedad del 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).

Este sensor debe poder transmitir una señal de frecuencia X, que no sea igual ni múltiplo de las frecuencias de alimentación de las luces, a una muestra de agua.

Por medio de los fenómenos de dispersión y transmisión será captado por dos receptores; luego la señal recolectada será digitalizada, proceda y visualizada por medio de una interfaz gráfica. La interfaz contara con una base de registros de las mediciones previas para la facilidad de interpretaciones posteriores.

2. Diseño de Turbidímetro Los turbidímetros son dispositivos que miden la

concentración de partículas suspendidas en un líquido. 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).

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.

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.

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 y Mie de una portadora óptica modulada senoidalmente.

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:

s ( t )=∑iAi cos(2π ft+θi ) (1)

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 2 radianes, se calcula que la potencia óptica instantánea esperada:

E [(∑i

A i cos (2π ft+θ i))2]=∑i

A i2

2 (2)

es proporcional a la suma de las potencias ópticas promedio 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.

En 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, 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.

4. ConclusionesPor medio de la interfaz gráfica para la modulación y

demodulación de señales FM se tiene una manera interactiva y más gráfica para comprender los conceptos incluidos en el análisis de un sistema analógico modulado en frecuencia, ya que este tipo de esquemas no lineales resultas más difíciles de entender para el estudiante.

Al realizarla encontramos diversas limitantes como las muestras que permite MATLAB analizar, ya que con valores muy grande la memoria impide realizar el análisis, o la computadora en que se diseña debe tener una buena capacidad para que la manipulación de la misma sea más eficaz. Además el tiempo máximo que pueden tener las señales es limitado, en este caso 25 s. Sin embargo se tienen ciertas ventajas para análisis como la visualización de los diferentes espectros de las señales y como lo diferentes esquemas de demodulación actúan sobre una señal específica. En el caso del conversor de FM en AM, cuando hay una SNR muy baja el ruido impide que se pueda recuperar la señal apropiadamente y la envolvente es básicamente AWGN.

Referencias [1] Física para Ciencias e Ingeniería Volumen 1, 7ma Edición - Raymond A. Serway y John W. Jewett.

[2] Circuitos Microelectrónicos, 5ta Edición - Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith.

[3] LABVIEW: Entorno Grafico De Programación, 2da Edicion - Lajara Vizcaíno Y José Rafael.

[4] Apuntes de Circuitos Electrónicos Avanzados – Ing Roldan J. Virzi D.