La medición de turbidez con Arduino permite construir sistemas económicos para evaluar la calidad del agua mediante sensores ópticos. La turbidez es una medida importante de la calidad del agua y puede indicar la presencia de contaminantes o partículas en suspensión.
Se entiende por turbidez la relación que tienen los líquidos con la pérdida de transparencia. La turbidez no tiene que ver con el color de la muestra, sino que está relacionada con las partículas en suspensión o material coloidal que se encuentra dentro de la muestra. Se define como turbiedad a la reducción de la transparencia de un líquido causada por la presencia de material no disuelto.
Qué es la turbidez y cómo se mide
El funcionamiento del sensor de turbidez está basado en el efecto Tyndall, el cual describe que la dispersión de la luz proyectada en un líquido con partículas suspendidas será mayor cuanto mayor sea el número de partículas.
El sensor de turbidez Arduino detecta la calidad del agua midiendo su nivel. Detecta partículas suspendidas midiendo la transmitancia de la luz y la tasa de dispersión, que varía con la cantidad de sólidos suspendidos totales (SST). A medida que aumenta el SST, aumenta la turbidez del líquido.
La turbidez se mide en Unidades Nefelométricas de turbidez, o Nephelometric Turbidity Unit (NTU) y el instrumento usado para su medida es el nefelómetro o turbidímetro.
El sensor óptico de este módulo puede medir la densidad del agua turbia y la concentración de materia extraña utilizando la refracción de la longitud de onda entre el fototransistor y el diodo.
Antiguamente se empleaba el turbidímetro de vela de Jackson, sin embargo este tipo de instrumento era muy subjetivo, ya que dependía del ojo del observador, por ello los resultados eran poco exactos e imprecisos, por lo cual este método como otros similares pierden veracidad por su falta de precisión y exactitud en las mediciones, requiriendo ya en la era digital sensores mucho más precisos y exactos, de esta manera se desarrollaron turbidímetros digitales con sensores de precisión y exactitud variables.
Sensor KS0414 Keyestudio Turbidity Sensor V1.0
Se trata del KS0414 Keyestudio Turbidity Sensor V1.0 del que disponemos en su wiki de toda la información.
El módulo consta de una placa amplificadora y un sensor, tal y como vemos en la imagen siguiente.
El sensor dispone de dos modos de operación o dos tipos de señal de salida, analógica y digital.
En el modo analógico el cálculo de la turbidez del agua se realiza a partir del nivel de tensión medido por el sensor.
El modo de operación se selecciona mediante un interruptor deslizante, siendo la posición A la correspondiente al analógico y D el digital.
La resistencia ajustable de color azul permite ajustar la sensibilidad del sensor.
El modo de salida se puede seleccionar ajustando el interruptor en la placa. Soporta salida analógica y digital.
| Característica | Valor |
|---|---|
| Tensión de alimentación | 5V DC |
| Consumo | 11mA aproximadamente |
| Rango de detección | 0% a 3.5% (0-4550 NTU) |
| Margen de error | ±0.5% |
| Temperatura de trabajo | -30 ℃~ 80 ℃ |
| Temperatura de almacenamiento | -10 ℃ ~ 80 ℃ |
| Peso | 18g |
Especificaciones de un módulo alternativo
Este sensor de turbidez Arduino ofrece modos de salida de señal analógica y digital. Puede seleccionar el modo según la MCU, ya que el umbral es ajustable en el modo de señal digital.
| Característica | Valor |
|---|---|
| Voltaje de funcionamiento | 5V CC |
| Corriente de funcionamiento | 40 mA (máx.) |
| Tiempo de respuesta | <500ms |
| Resistencia de aislamiento | 100M (Min) |
| Método de salida | analógico |
| Salida analógica | 0-4,5 V |
| Salida digital | señal de nivel alto/bajo |
| Temperatura de funcionamiento | 5 ℃ ~ 90 ℃ |
| Temperatura de almacenamiento | -10 ℃ ~ 90 ℃ |
| Peso | 30g |
| Dimensiones del adaptador | 38 mm * 28 mm * 10 mm/1,5 pulgadas * 1,1 pulgadas * 0,4 pulgadas |
El módulo alternativo incluye un adaptador de sensor de turbidez, una sonda de sensor de turbidez, un cable sensor de turbidez y un cable de sensor analógico de gravedad.
Precauciones antes de realizar la medición
Debemos tener muy presente que la parte superior de la sonda no es sumergible.
¡Tenga en cuenta que la parte superior de la sonda no es resistente al agua!
La sonda debe introducirse en la muestra respetando la zona destinada al contacto con el líquido. La parte superior debe mantenerse fuera del agua para evitar daños en el sensor.
Por favor, conecta el cable USB con cuidado, de lo contrario podrías dañar el puerto.
Por favor, usa el cable USB con 4 cables en su interior, el cable de 2 cables no puede transferir datos.
Salida analógica y salida digital
Modo analógico
En el modo analógico el sensor entrega una tensión que se relaciona con la turbidez de la muestra.
La lectura analógica permite obtener el valor de tensión del sensor y utilizarlo para calcular o estimar la turbidez en NTU.
La posición del interruptor debe ser A.
Modo digital
En el modo digital, el módulo entrega una señal de nivel alto o bajo cuando la medida supera el umbral establecido.
El umbral es ajustable en el modo de señal digital.
La resistencia ajustable de color azul permite ajustar la sensibilidad del sensor.
La posición del interruptor debe ser D.
Materiales y enfoque de bajo costo
El objetivo principal del proyecto es diseñar y construir un robot detector de agua turbia utilizando la plataforma Arduino Uno y micro:bit.
Este robot será capaz de detectar la turbidez del agua mediante la lectura de la cantidad de luz que pasa a través de un líquido, y mostrar los resultados en una pantalla LCD.
Un dispositivo para medir turbidez fue desarrollado incorporando componentes de bajo costo y tecnología abierta, como Arduino, impresoras 3D y software libre.
El medidor de turbidez se construyó empleando tecnología de bajo costo, con componentes electrónicos accesibles, LEDs, fotoceldas, una placa Arduino Uno (microcontrolador ATMega328) para el procesamiento de datos y una impresora 3D para construir la estructura del sensor.
La programación se realizó con el lenguaje abierto "wiring" que es propio del Arduino y algunas plataformas libres.
La filosofía open-source ha cambiado la forma en que entendemos el desarrollo de software y productos actualmente.
Estos tipos de laboratorio emplean Raspberry Pi y plataformas abiertas basadas en Arduino, así como software libre para su implementación.
Estas ideas están basadas mayormente en tres desarrollos importantes: software libre, impresoras 3D y hardware de bajo costo que son los tres pilares fundamentales para el desarrollo de un equipo científico de bajo costo.
Las ventajas de este tipo de tecnologías son: equipos que se adapten a las necesidades, reducir la dependencia tecnológica, fomento de la industria local, costos reducidos entre otras ventajas.
Diseño óptico de un turbidímetro con Arduino
El dispositivo consta de un LED que emite luz y un sensor que recepta la luz que atraviesa el líquido por medir.
Se cuantifica la cantidad de luz que se recepta para obtener una medida.
Para el diseño del sensor se investigaron varios métodos que permiten realizar la medición de turbidez.
El primer diseño fue construido utilizando un LED infrarrojo, emisor de luz, y un fototransistor, receptor de luz, ubicados uno frente al otro, montados en una estructura impresa de tal forma que la luz atraviese la muestra totalmente.
El circuito implementado contiene un emisor y un receptor en un ángulo de 90° y con el cual se logró obtener un voltaje proporcional a la luz que logra atravesar el líquido.
Se hicieron pruebas con el receptor en otras posiciones pero se obtenían menores sensibilidades.
Para este diseño los rangos de medida fueron bajos, en el orden de 400 a 650 NTU, y con poca repetibilidad y exactitud.
A partir de estos resultados se decidió diseñar un nuevo sensor.
En esta versión se utilizaron dos LED's de luz blanca y dos LDR's ("light-dependent resistor") con esta propuesta se logró mejor resolución y sensibilidad, debido a que se duplicó la cantidad de luz que atraviesa el portamuestra.
Se receptan la luz emitida por los LED's la cual atraviesa el portamuestras que contiene el líquido por medir.
También, se replanteo el portamuestras, el cual se puede observar en la Fig. 3, se aprecia que la estructura de la base del sensor cubre completamente el tubo de ensayo.
Además, para mejorar la repetibilidad se tomaron en cuenta detalles como la orientación del tubo de ensayo y el número de muestras por tomar.
El sistema de los dos LED's y los dos LDR's utilizados está ubicado a 90° uno con respecto del otro.
Los beneficios aportados por este sistema son una mayor sensibilidad y un mayor rango, entre 50 a 650 NTU, con una adecuada exactitud.
Construcción del circuito
El circuito contiene un emisor y un receptor en un ángulo de 90° y con el cual se logró obtener un voltaje proporcional a la luz que logra atravesar el líquido.
El circuito indica el sistema de conexiones tanto a los LEDs, sensores y el LCD.
También se muestran las conexiones a las entradas y salidas analógicas/digitales y la alimentación que es a través de una batería de 9V.
Por medio de esta configuración se obtuvo un mayor rango en la señal de salida con respecto a las pruebas iniciales.
También, se observa en la figura la fuente de energía del equipo que es una batería de 9 voltios común, la que permite que el turbidímetro sea un equipo portátil y posibilita el uso en zonas rurales.
Finalmente, todos los elementos descritos se ubicaron dentro de una carcasa, teniendo el hardware del turbidímetro finalizado y listo para proceder con la calibración.
Lectura digital y calibración del sensor
Configuración del interruptor
Posición del interruptor: D.
Vamos a realizar la prueba más sencilla del sensor que nos servirá para su calibración.
La visualización en el LED onboard, pin 13, del ajuste del potenciómetro se realiza como valor digital.
Introducimos el sensor en agua limpia, si es agua destilada será más fiable la calibración, y vamos retocando la posición del potenciómetro hasta que el diodo LED asociado al pin 13 se encienda o se apague dependiendo de la posición en la que estuviese.
Justo en el momento del cambio debemos girarlo muy suavemente hasta que el LED permanezca apagado.
Probamos a introducir el sensor en las muestras turbias para comprobar que el LED se enciende.
Esta será la posición de calibrado que comprobaremos en el siguiente ejemplo.
La lectura digital es apropiada para detectar si la turbidez supera un umbral ajustado, pero no proporciona por sí sola una medida detallada en NTU.
Lectura básica analógica con Arduino
Configuración del interruptor
Posición del interruptor: A.
El siguiente código escrito en el IDE de Arduino nos permite obtener lecturas básicas del sensor y enviarlas al monitor serie.
La visualización del valor de tensión del sensor de turbidez se realiza en el terminal serie.
El montaje es el de la imagen siguiente.
Observamos como la tensión está en un valor de 4.1 ± 0.3V para el ajuste del potenciometro realizado en el ejercicio anterior.
Si hemos realizado el ajuste con agua pura y una temperatura comprendida entre 15 y 40 ºC tenemos un valor de NTU < 0.5, lo que indica que el ajuste, y por tanto la calibración son correctos.
La lectura analógica permite observar directamente cómo cambia la señal eléctrica cuando se introducen muestras con distintos niveles de turbidez.
Medición de turbidez en NTU
Configuración del interruptor
Posición del interruptor: A.
Finalmente vamos a realizar un ejercicio de medida de la turbidez del agua expresando el resultado en unidades nefelométricas.
La visualización del valor de tensión y de turbidez en NTU se realiza en el terminal serie.
El montaje es el mismo que en el ejercicio anterior.
En la imagen vemos dos gráficas que establecen la relación entre la turbidez y la tensión medida por el sensor.
La de la derecha es más precisa y además nos da directamente la medida en NTU por lo que será la que usemos en nuestros ejemplos.
Los datos de voltaje obtenidos pasan por una primera etapa de procesamiento en donde se toman 20 datos, cada uno en un intervalo de 100 milisegundos.
Posteriormente, a través de estadística se eliminan los valores aberrantes y, finalmente, se obtienen los resultados en NTU los cuales se visualizan por el usuario en el LCD.
Para obtener una lectura útil en NTU es necesario relacionar la tensión medida con una curva característica o con una calibración realizada mediante muestras de turbidez conocida.
Calibración con muestras de referencia
El dispositivo se calibró en forma paralela con un medidor de turbidez HACH Modelo 2100P ISO.
Para realizar la calibración del sensor se prepararon mezclas de agua destilada con diferentes porcentajes de impurezas.
Primeramente, se obtuvo la turbidez en NTU de cada una de las muestras en el medidor comercial, una vez conocida la turbidez de la muestra se midió en el sensor construido.
Repitiendo el procedimiento anterior para cada una de las muestras se obtuvo la curva característica del sensor.
Para su calibración se realizaron diferentes pruebas y se obtuvo un rango efectivo entre 50 NTU hasta 650 unidades nefelométricas de turbidez (NTU).
Con el segundo diseño, para verificar la calibración realizada se prepararon cuatro muestras de agua mezclado con leche con valores desconocidos de impureza.
Se procedió a medir cada una de las muestras en el turbidímetro comercial y en el desarrollado ya calibrado obteniendo resultados.
En la comparación se observa un máximo error del 3.3%.
El error está dentro de los límites aceptables para un equipo diseñado de esta manera.
De los datos obtenidos en esta versión del equipo se definió el rango en el que se puede realizar mediciones fiables, siendo este de los 50 hasta los 650 NTU.
| Aspecto de calibración | Resultado |
|---|---|
| Instrumento de referencia | HACH Modelo 2100P ISO |
| Muestras de calibración | Mezclas de agua destilada con diferentes porcentajes de impurezas |
| Rango efectivo | 50 NTU hasta 650 NTU |
| Error máximo observado | 3.3% |
Procesamiento de las lecturas
Los datos de voltaje obtenidos pasan por una primera etapa de procesamiento en donde se toman 20 datos, cada uno en un intervalo de 100 milisegundos.
Posteriormente, a través de estadística se eliminan los valores aberrantes y, finalmente, se obtienen los resultados en NTU los cuales se visualizan por el usuario en el LCD.
Este procedimiento permite reducir la influencia de lecturas aisladas y mejorar la repetibilidad del resultado.
Además, para mejorar la repetibilidad se tomaron en cuenta detalles como la orientación del tubo de ensayo y el número de muestras por tomar.
La construcción de un portamuestras estable es importante porque la posición de la muestra modifica la trayectoria de la luz y puede influir en la señal recibida.
Aplicaciones de la medición de turbidez con Arduino
Los sensores de turbidez se pueden utilizar para medir la calidad del agua en ríos y arroyos, aguas residuales y efluentes, investigación del transporte de sedimentos y mediciones de laboratorio.
Las fuentes de agua superficial son eje de desarrollo de los seres humanos que permiten el abastecimiento para las diferentes actividades socioeconómicas llevadas a cabo en los asentamientos poblacionales; no obstante, de forma paradójica muchas de estas actividades causan alteración y deterioro de las mismas.
El equipo medidor de turbidez de bajo costo supone una gran herramienta a la hora de evaluar tres aspectos fundamentales de la calidad del agua para consumo en zonas rurales.
El primer aspecto es la estética, que como sabemos, un agua clara y transparente es mucho más agradable a la vista y por ende generará un mejor gusto.
Otro aspecto es la tratabilidad, es decir, en función de los sólidos en suspensión se puede fijar una premisa para el tratamiento que se le deberá dar al líquido vital.
Por último aspecto, tenemos que la turbidez es además uno de los nueve parámetros para determinar los índices de calidad de agua.
La aplicabilidad de este equipo va dirigida al control de la eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en plantas de tratamiento de aguas servidas en regiones rurales del Ecuador.
El medidor de turbidez de bajo presupuesto demostró precisión y exactitud en un rango entre 50 y 650 NTU y su aplicabilidad puede ser dirigida al control de la eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en plantas de tratamiento de aguas servidas, tanto en las regiones pobladas como rurales.
Dentro de las investigaciones y caracterizaciones de efluentes líquidos de vertidos residuales, destaca que es muy importante la portabilidad de los equipos por lo que un turbidímetro pequeño favorecería de gran manera al campo investigativo, siendo más allá de un equipo funcional, un equipo cómodo y de amplia aplicación.
Robot detector de agua turbia con Arduino
El objetivo principal del proyecto es diseñar y construir un robot detector de agua turbia utilizando la plataforma Arduino Uno y micro:bit.
Este robot será capaz de detectar la turbidez del agua mediante la lectura de la cantidad de luz que pasa a través de un líquido, y mostrar los resultados en una pantalla LCD.
El proyecto está alineado con los contenidos curriculares presentados en el documento "Cuando las soluciones se vuelven un problema", el cual articula los conocimientos de ciencias naturales de 6° grado de nivel primario junto con tecnología y robótica educativa.
Este documento proporciona un marco curricular que incluye temas como la calidad del agua, la importancia del monitoreo ambiental y el uso de tecnologías para solucionar problemas ambientales.
💧 Detector muy simple de lluvia con arduino
Limitaciones del sistema
El sensor KS0414 tiene un rango de detección de entre 0% y 3.5%, equivalente a 0 y 4550 NTU, con un margen de error de ±0.5%.
El turbidímetro de bajo costo basado en Arduino mostró un rango de mediciones fiables entre 50 y 650 NTU.
Estos dos rangos no son contradictorios: el primero corresponde al rango de detección declarado para el sensor KS0414, mientras que el segundo corresponde al rango efectivo comprobado durante la calibración del turbidímetro de bajo presupuesto.
Es importante aumentar la señal de respuesta o establecerla en un rango más amplio, lo que probablemente incremente algo el costo del equipo, sin embargo puede no aumentarse tanto como los otros tipos de equipos.
Para futuros desarrollos se plantea cambiar el sistema de adquisición de datos por una señal en frecuencia con lo cual se ampliaría el rango de medidas hasta 10 NTU y en ese caso se pueda utilizar para la verificación de aguas de consumo que es el objetivo final del proyecto.
Cabe mencionar que los cambios propuestos son compatibles con la versión propuesta en el documento.
Coste y ventajas de la solución
La filosofía open-source ha abierto la posibilidad para que los investigadores construyan sus propios instrumentos a bajo precio y con similares prestaciones a los equipos comerciales usados en laboratorios.
Se concluye que este tipo de turbidímetro podría representar una disminución de costes en varias líneas de producción, además de otros varios equipos que requieren este tipo de mecanismo y para los cuales la precisión y exactitud deban ser consideradas a partir de 50 NTU.
En cuanto a precios, un medidor de turbidez comercial profesional con una alta precisión en el mercado cuesta alrededor de USD 1000, el sensor construido se realizó con un presupuesto de USD 150.
Por lo que se concluye, que este equipo es una alternativa de bajo costo con una calidad aceptable y gran aplicabilidad en el mercado.
La finalidad del presente trabajo es elaborar un sensor de turbidez de bajo costo, el cual, a través de su aplicación pueda contribuir a mejorar la calidad de vida de poblaciones rurales.
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