Introduction: Troebelheidssensor Groep 4
Namens groep 4 bedankt en succes met beoordelen!
Jesse Frunt (5178908)
Jelle Smit (4173303)
Step 1: Introductie
Turbiditeit is de mate waarin een vloeistof ondoorzichtig is door de veelal kleine gesuspendeerde deeltjes die inkomend licht doen verstrooien. Voor vele doeleinden is het van belang om dit te weten en dus te meten.
Gedurende het vak Meten aan Water (CT3412-16), dat onderdeel is van de Minor Delta Expert van de TU Delft, hebben wij een sensor gebouwd die de troebelheid van een vloeistof kan detecteren. Wij hebben hierbij gebruik gemaakt van het feit dat de lichtintensiteit afneemt naarmate de hoeveelheid gesuspendeerde deeltjes toeneemt. Deze gemeten waarde hebben we gekoppeld aan de diepte waarop we de lichtintensiteit is bepaald.
Onze opstelling is een duurzaam doch hanteerbaar meetinstrument dat is opgebouwd uit een combinatie van veelal hergebruikte materialen en toegankelijke elektronica. In deze Instructable leiden wij u door de stappen die wij hebben genomen om ons apparaat daadwerkelijk werkend te krijgen, zowel mechanisch als elektronisch.
Step 2: Benodigdheden
Eenvoudig te gebruiken hardware en een stevige, duurzame constructie vormen de basis van onze troebelheidsmeter. Hieronder vindt u een boodschappenlijstje waarmee u ons ontwerp na zou moeten kunnen maken. Zoals al eerder gezegd is de constructie van onze sensor opgebouwd uit veelal hergebruikte materialen. Ook de sensoren die we gebruikt hebben zijn nog voor een ander doeleinden inzetbaar.
Benodigheden hardware
- 1x Particle Photon
- 1x breadboard
- Jumper wires
- 1x LDR-sensor
- 1x Bright LED
- 1x Hall-sensor
- 2x magneetjes
- Weerstandjes
Benodigheden constructie
- Kabelgoot (1,20 m)
- Aluminium 1x1 U-profiel (1,50 m)
- Oude fietsketting met tandwiel
- PVC buis (30 cm, Ø30 mm)
- CD'tje
- Tiewraps
- Aluminium verbindingsstrip
- Isolatietape
- Lijmpistool
- Boutjes/moertjes
- Twee schroeven
Step 3: Hardware Assemblage
De hardware van onze sensor bestaat uit 2 subsystemen: de LED + LDR en de Hall-sensor + magneetjes. Om de troebelheidsmeter goed te kunnen besturen en te meten, is goed gebruik van de Particle essentieel. Het gebruik van het breadboard en de connectie met de verschillende hardware wordt in deze stap nader toegelicht. Op de breadboard is de Particle Photon geïnstalleerd, vervolgens worden via de Photon twee losse subsystemen bestuurd en wordt er gemeten wat de sensoren doorgeven. In de afbeelding bij deze stap is zichtbaar hoe de Photon en de verschillende kabeltjes in het breadboard zitten.
LED + LDR
De LED dient te worden bevestigd aan de onderkant van het frame en ten alle tijden te branden in de richting van de Light-Dependent Resistor (LDR), die op zijn beurt weer is vastgemaakt aan de secchischijf. De LDR vangt het inkomende licht op een bepaalde diepte op waaruit kan worden bepaald of het water hetzij "helder" of "troebel" is. Deze beide hardware onderdelen zitten via gesoldeerde draden aan het breadboard verbonden.
Voor de LDR wordt een draadje van 3.3V naar de rij van het ene pootje van de LDR getrokken. In de rij van het andere pootje wordt een te kiezen resistor geplaatst die vervolgens via een draadje met de ground verbonden zit. Om gegevens binnen te krijgen over de lichtintensiteit wordt een draadje naar A1 getrokken. Voor de LED wordt, heel simplistisch, een draadje van 3.3V naar de ene poot van de LED en een draadje van de andere poot naar de ground. Er is geen resistor tussen geplaatst, zodat de LED fel schijnt.
Hall-sensor + magneetjes
Aan de roterende buis zitten tegenover elkaar 2 magneetjes vastgelijmd. Op het frame zit een Hall-sensor die de langskomende magneetjes detecteert. Het aantal keer dat een magneetje wordt gedetecteerd staat in direct verband met de diepte waarop we de lichtintensiteit meten. Ook de Hall-sensor zit met behulp van draden aan het breadboard gekoppeld.
Voor de Hall-sensor is een draadje van 3.3V naar de linker pin van de Hall-sensor getrokken, een draadje van de rechter pin naar de ground en een draadje van de middelste pin naar D0.
Step 4: Constructie Assemblage
Tijdens het bouwen van de sensor zijn we tegen wat kleine tegenslagen aangelopen. We proberen u zo duidelijk mogelijk uit te leggen waaruit ons ontwerp is opgebouwd en hoe deze in eenvoudige stappen kan worden nagemaakt.
Stap 1: tandheugel
Te beginnen met de tandheugel. Dit is hetgeen dat het water in wordt gedraaid met aan de onderkant de LDR bevestigd. Bij het ontwerpen van de sensor moest er allereerst worden nagedacht over een mechanisme dat naar beneden kon zakken om zo de troebelheid op verschillende dieptes te kunnen bepalen. We zijn een rondje gaan lopen door de bouwmarkt en de kelder van Civiele Techniek en vonden daar een oude fiets. Hiervan hebben we het achterste, kleine tandwiel eraf gesloopt samen met de verroeste ketting. Deze ketting hebben we door middel van twee boutjes en moertjes vastgemaakt in een aluminium U-profieltje van zo'n 150 cm lang. Dit vormde de basis van onze tandheugel. Aan het uiteinde van dit profiel hebben we met een lijmpistool een secchischijf (met daarin de LDR) bevestigd. Deze secchischijf is gemaakt van een oud CD'tje, beplakt met wit en zwart isolatietape. De bekabeling van de LDR hebben we onder de fietsketting naar boven geleid.
Stap 2: rotatieas
Nu de tandheugel klaar ligt, zijn we begonnen met het maken van de as waarmee de secchischijf te water kan worden gelaten. Heel simpel gezegd bestaat deze as uit een PVC buis met daaromheen het tandwiel van de fiets. De PVC buis hebben we zo uitgekozen dat deze een bijna zelfde diameter had als de binnenste doorsnede van het tandwiel. Op dit tandwiel komt redelijk wat kracht te staan dus deze moet goed vastzitten aan de buis. Daarvoor hebben we het tandwiel helemaal rondom vastgelijmd met een lijmpistool. Aan het uiteinde van de PVC buis hebben we een houten, zelfgemaakte draaiknop bevestigd die het draaien vergemakkelijkte. Precies tegenover elkaar op de buis zitten twee magneetjes die een signaal doorgeven aan de Hall-sensor wanneer ze voorbij komen. Iedere keer wanneer er een magneetje wordt gedetecteerd wordt er een bepaalde afstand bij het totaal opgeteld.
Stap 3: montage
Om de tandheugel te kunnen laten zakken door aan het tandwiel te draaien, hebben we beide onderdelen moeten samenvoegen in een oude kabelgoot. De tandheugel werd hier op zijn rug ingelegd waardoor de tandjes van het tandwiel in de oude fietsketting konden vallen. Om ervoor te zorgen dat de tandheugel niet direct door het gewicht naar beneden zou vallen, hebben we iets van wrijving gecreëerd door hem met tiewraps aan de goot vast te zetten. De as, met daaraan het tandwiel, hebben we op zijn plek weten te houden door inkepingen te maken in de opstaande randen van de goot en vervolgens vast te zetten met aluminium verbindingsstripjes. De schroeven hebben we aan beide uiteinden in de PVC buis gedraaid om ervoor te zorgen dat de as op zijn plek zou blijven en altijd contact zou maken met de tandheugel.
Stap 4: elektra
Nadat de code voor beide sensoren geschreven en getest was, was het tijd om de sensoren inclusief bekabeling aan ons apparaat te monteren. De LDR hebben we aan de sacchischijf gelijmd om hem waterdicht te maken. De benodigde bekabeling liep, zoals eerder gezegd, onder de fietsketting maar in het aluminium U-profieltje naar boven. De LED hebben we in een buisje geplaatst en volledig vol gelijmd omdat ook dit lampje tegen water moest kunnen. Dit buisje hebben we vervolgens met tiewraps op een bruggetje, gemaakt van een aluminium verbindingsstrip, aan de onderkant van de goot bevestigd. De Hall-sensor, die de voorbijgekomen magneetjes detecteert, hebben we met isolatietape vastgemaakt aan een bruggetje onder de as. We hebben wat problemen gehad met deze Hall-sensor omdat hij blijkbaar kortsluiting had gemaakt aan het metaal, vandaar het isolatietape in ons definitief ontwerp. De bekabeling van zowel de LED als de Hall-sensor is met isolatietape netjes in de binnenkant van de goot naar boven geleid. Daar, aan de bovenkant van ons apparaat, hadden we ons breadboard inclusief de Photon geplakt.
Na enkele tests en wat aanpassingen aan de sensor, lukte het ons om betrouwbare metingen uit te voeren. Het was ons gelukt om een hanteerbare sensor te maken die in de praktijk gebuikt kan worden om troebelheidsmetingen aan de Nederlandse sloot te doen.
Step 5: Werking
De werking van onze sensor is vrij simpel: men draait aan een as die ervoor zorgt dat een LDR het water in zakt en meet hoe troebel het is op een bepaalde diepte. Dit mechanisme is geïnspireerd door reeds bestaande apparatuur. We hebben een duurzaam meetinstrument weten te bouwen van veelal gerecyclede materialen die ervoor hebben gezorgd dat de kosten zo laag mogelijk gehouden konden worden. Verder is ons eindresultaat eenvoudig handmatig te bedienen en gebruiken in de praktijk. Na nauwkeurige kalibratie van onze sensoren is ons apparaat voor de meeste wateren in Nederland inzetbaar.
Van dit project hebben we geleerd dat het helemaal niet zo vanzelfsprekend is dat een willekeurig apparaat in onze leefomgeving goed werkend is. Aan de ontwikkeling van een meetinstrument dat voldoet aan alle eisen van de gebruiker gaat een heel proces van ontwerpen, testen, aanpassen en opnieuw proberen vooraf. Een complexe combinatie van zowel elektronica als techniek blijkt de basis te zijn van iedere sensor, ook al lijkt het vaak zo simpel. Na het volgen van dit vak hebben wij ontzettend veel respect en waardering gekregen voor producenten van zulke complexe apparaten.
Step 6: Appendix A: De ArduinoCode
In dit hoofdstuk zal de code gepubliceerd en toegelicht worden.
De code bestaat uit 2 geïntegreerde delen, de code voor de Hall-sensor en de code voor de LDR + LED.
De code voor de Hall-sensor telt het aantal keer dat een magneetje langskomt en telt +1 op. Dit wordt vervolgens omgezet in afstand door deze waarde met een half keer (omdat er twee magneetjes aan de as bevestigd zijn) π, maal de straal van het tandwiel in het kwadraat te vermenigvuldigen. De formule van de omtrek van een cirkel hebben we voor deze berekeningen gebruikt.
De code voor de LDR + LED meet een waarde tussen 0 en 4092 die de LDR ontvangt, afhankelijk van de doorlaatbaarheid van licht door het water dat de LED uitstraalt. Aan de hand van de geprinte waarde, wordt de output "helder" of "troebel" gepubliceerd. De LED heeft geen eigen code nodig want deze staat continu onder stroom.
De code is openbaar en bereikbaar via onderstaande link:
