Messsysteme Wassertrübung genau bestimmen

Der Erhalt von Trinkwasserressourcen wird immer wichtiger. Das stellt auch Messgeräteentwickler vor neue Herausforderungen. Denn die Qualität von Wasser schnell, genau und effizient zu bestimmen, ist schwieriger, als es auf den ersten Blick scheint.

Ein Indikator für die Bestimmung der Wasserqualität ist die Trübung, also das Vorhandensein von verteilten oder schwebenden Feststoffen. Diese Feststoffe können einerseits – obwohl jeder für sich für das menschliche Auge unsichtbar ist – das Wasser verfärben oder trüben. Am anderen Ende des Spektrums können diese Feststoffe andererseits aber auch durchaus einzeln sichtbar sein und damit zu Messungenauigkeiten in einem großen dynamischen Bereich führen.

Die Trübung bewerten

Misst man diese Trübung, lässt sich die Qualität von Wasser bestimmen. Dabei wird typischerweise der Streueffekt von Fremdstoffen unter LED-Licht auf seinem Weg durch die Flüssigkeit zu einem Photodetektor untersucht. Ein vielversprechender Ansatz, um die einander widersprechenden Anforderungen an Geschwindigkeit, Effizienz und Genauigkeit in einem großen, dynamischen Bereich miteinander zu vereinbaren, besteht dabei in der Verwendung von photometrischen Front-Ends mit inte-griertem Analog-Digital-Wandler (Analog-to-Digital Converter, ADC).

Die Trübung definiert, wie viel das Wasser an Transparenz eingebüßt hat. Dieser Verlust von Transparenz wird von Schwebeteilchen verursacht, die das Wasser wolkig oder trübe erscheinen lassen. Dabei gilt: 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. Schneller und effektiver ist es jedoch, den Anteil an Schwebeteilchen oder Fremdstoffen durch eine Untersuchung der Lichtstreuung durch die im Wasser schwebenden Partikel zu messen.

Das Front-End des Messaufbaus

Wie Schaltungen zur Lichterkennung funktionieren, ist in der Regel gut bekannt. Die Herausforderung für die Entwickler besteht vielmehr darin, das Licht unter Vernachlässigung der Hintergrundbeleuchtung der Umgebung schnell, genau und verlässlich zu erkennen und zu digitalisieren. Für die Messkonfiguration ist dazu 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 (Bild 1).

Im Zentrum der Schaltung steht das photometrische Front-End ADPD105BCPZ von Analog Devices (U3). Das Lichtdetektor-Front-End 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 die Photodetektoren einfallende Licht reduziert.

Umgebungslicht verfälscht Ergebnisse

Die Verfälschung durch Umgebungslicht kann äußerst störend sein, wenn das Messsystem diesen Effekt nicht dämpft. Das ADPD105BCPZ kann Umgebungslicht abweisen, indem es in zwei Zeitfenstern »Timeslot A« und »Timeslot B« arbeitet (Bild 2).

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 zusammen und ein LED-Impuls von DS2 mit dem Messintervall des Photodetektors D2. Die von D1 und D2 gemessenen Werte repräsentieren die als Reaktion auf die LED-Impulse gewonnene Gesamtladung. Die zwischen den LED-Impulsen erkannte Ladung stellt das Umgebungslicht dar. 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.

In Bild 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 Zeitfenster und die LED-Treiber, die AFE-Setups und die sich ergebenden Dateneinstellungen sind jeweils unterschiedlich. In der Schaltung wird ein 2 µs langer 100-mA-Impuls zur Ansteuerung der LED generiert, der die 860-nm-LED anregt. Die Ladung des Photodetektors entspricht einem einzelnen LED-Impuls. Diese Ladung wird im ADPD105BCPZ in eine ideale 14-bit-Auflösung konvertiert. Um die Auflösung und Genauigkeit zu erhöhen, kann die Daten-Engine des ADPD105BCPZ darüber hinaus eine Durchschnittsbildung vornehmen.

Der ADPD105BCPZ kann dabei den Durchschnitt von bis zu 128 Impulsen bilden, um die Auflösung zu verbessern. Zur Messung der Trübung reichen allerdings 16 Mittelwerte aus. Vier gemittelte Proben erhöhen die endgültige Auflösung zum Beispiel 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.

Stromversorgung der Schaltung

In der Schaltung zur Trübungsmessung in Bild 1 werden zwei als U1 und U2 bezeichnete LDO-Spannungsregler (Low Dropout) mit festen Ausgangsspannungen von 3,3 und 1,8 V eingesetzt. Der ADP7105ACPZ-1.8-R7 von Analog Devices liefert eine Ausgangsspannung von 1,8 V für das photometrische Front-End ADPD105BCPZ, während der ADP7105ARDZ-3.3-R7 von Analog Devices eine Vorspannung von 3,3 V für die LEDs liefert. Die LDO-Produktfamilie ADP7105 hat eine Rauschzahl von 15 μVeff 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

Die DIN ISO 7027 »Wasserbeschaffenheit – Bestimmung der Trübung« (ISO 7027:1999) ist eine Norm zur Messung der Trübung, die die meisten Farbinterferenzen eliminiert, indem sie eine monochrome Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 860 nm, eine Spek-tralbandbreite von ±30 nm sowie einen primären Photodetektor-Winkel von 90° ±2,5° verlangt. Die meisten Messinstrumente erfüllen die Forderung nach einer LED-Lichtquelle mit 860 nm und dem primären Detektor mit 90°. Ein Detektorwinkel von 90° liefert die beste lineare Antwort auf Streuungen aufgrund von Trübungen zwischen 0 FTU und 40 FTU.

Wenn Größe und Anzahl von Schwebeteilchen innerhalb dieses Bereichs anwachsen, ist das Signal für den 90°-Detektor linear proportional zur Menge des gestreuten Lichts. Diese Methode wird auch als »ISO 7027 non-Ratio« bezeichnet, da nur ein Detektorwinkel verwendet wird.

Weitere Detektorwinkel, zum Beispiel 180°, erhöhen die Anzahl der messbaren Trübungsstufen. 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.

Genauigkeit und Geschwindigkeit des Systems

Ein Vergleich der Spezifikationen zeigt, dass die Messschaltung für die Trübung auf Grundlage des ADPD105BCPZ mehr als doppelt so schnell wie ein kommerzielles Messgerät ist (Tabelle).

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

ParameterKommerzielles TrübungsmessgerätMessschaltung für die Trübung auf Grundlage des ADPD105BCPZ
Umfang0 FTU bis 1000 FTU0 FTU bis 1000 FTU
Genauigkeit     ±0,5 FTU oder ± 5 % des Messwerts (der
größere Wert gilt)
±0,5 FTU oder ± 5 % des Messwerts (der
größere Wert gilt)
Rauschennicht anwendbar0,05 FTU (0 FTU bis 1.000 FTU)
Kalibrierung3-Punkt: 0 FTU, 10 FTU, 500 FTU3-Punkt: 0 FTU, 10 FTU, 500 FTU
StandardISO 7027 non-Ratio
(Einzel-LED-Messung)
ISO 7027 non-Ratio
(Einzel-LED-Messung)
Messzeit25 Sekunden<12 Sekunden

 

Tabelle. Vergleich eines kommerziellen Trübungsmessgeräts mit der Schaltung auf Grundlage des ADPD105BCPZ.

Trübung mit LED-Licht messen

Die Entwickler von Instrumenten zur Wasseranalyse stehen vermehrt der Herausforderung gegenüber, Methoden 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 Front-End für diese Messschaltung ist der ADPD105BCPZ von Analog Devices.

 

 

Der Autor

Rich Miron arbeitet als Technical-Content-Ingenieur bei Digi-Key Electronics. Dieser Technical-Content-Gruppe gehört er bereis seit 2007 an und ist dort verantwortlich für das Verfassen von technischen Fachbeiträgen, Blogs und Produkt-Trainingskursen. Miron hat Elektrotechnik und Elektronik an der North Dakota State University in Fargo (ND) studiert und erfolgreich abgeschlossen.