Progetto di un sistema di misura della torbidità dell’acqua con Arduino

Molti paesi nel mondo affrontano giornalmente la necessità di preservare la qualità delle acque minacciata da fonti varie di inquinamento. La torbidità dell'acqua è una delle caratteristiche che indica la misura di quanto possa essere compromessa la salute dell’acqua. Comunque, dobbiamo precisare che per torbido non si deve associare necessariamente il termine di sporco o, in generale, di qualcosa di dannoso alla salute. Ad esempio, nel latte del cappuccino che beviamo quotidianamente desideriamo che sia presente un'elevata torbidità, nel senso che, a differenza della trasparenza dell’acqua, il latte deve avere la peculiarità di essere di colore bianco e contenere sostanze tali da renderlo torbido. Ma, nei laghi o ruscelli, probabilmente non vogliamo che ci siano elementi che rendano torbide le loro acque. In entrambi i casi, le sostanze che determinano un'elevata torbidità potrebbero non essere intrinsecamente dannose, ma i loro effetti possono esserlo. Nell’esempio del latte, troppo caffè nel cappuccino, ovvero troppa caffeina, può influenzare negativamente la serenità del nostro umore o del sonno. Troppe alghe o sedimenti nei laghi e corsi d'acqua possono renderli inadatti alla balneazione e alla vita acquatica. In questo articolo, descriveremo il progetto di un sistema di misura della torbidità dell’acqua basato sul microcontrollore Arduino.

Introduzione - La torbidità

La torbidità è causata dalla presenza di particelle sospese o disciolte in acqua che diffondono luce in tutte le direzioni facendo apparire l'acqua torbida. Il particolato può includere sedimenti, soprattutto argilla e limo, fine materia organica e inorganica, composti organici colorati solubili, alghe e altri microscopici organismi. Nei fiumi, il sedimento è il principale contributo alla torbidità. In un lago poco profondo, specialmente in estate, potrebbero formarsi molte alghe e anche il tannino rilasciato dalla rottura di materiale organico. L'elevata torbidità può ridurre significativamente la qualità estetica di laghi e torrenti, avere un impatto dannoso sul turismo e sulle attività ricreative acquatiche. Può far aumentare il costo del trattamento dell'acqua potabile e della trasformazione alimentare. Può danneggiare la salute dei pesci e altre forme di vita acquatiche riducendo le scorte di cibo, degradando i letti di deposizione delle uova della fauna acquatica.

Un rapporto sulla pesca della Commissione consultiva interna europea elenca cinque modi per cui le particelle fini possono avere un impatto dannoso sui pesci d'acqua dolce:

• agendo direttamente sui pesci, uccidendoli o riducendo il loro tasso di crescita, resistenza alla malattia, ecc.
• impedendo il successo dello sviluppo di uova e larve dei pesci
• modificando i movimenti naturali e le migrazioni
• riducendo la quantità di cibo disponibile
• influenzando l'efficienza dei metodi di pesca

Fonti di torbidità

I sedimenti sono spesso in cima alla lista delle sostanze inquinanti che causano torbidità. Tuttavia, qualsiasi sistema spartiacque ha più fonti di inquinanti o caratteristiche fisiche che possono influenzare la limpidezza dell'acqua.
Questi elementi possono essere suddivisi in fonti naturali, o di fondo, e indotte dall'uomo. Le fonti naturali di torbidità possono includere l'erosione da aree montuose, argini e canali di corsi d'acqua; tuttavia, queste entità sono difficili da misurare a causa dell'agricoltura e delle attività di sviluppo. Le attività umane possono accelerare l'erosione. Gli acidi tannici spesso associati alle aree di torba e di palude causano la colorazione dell'acqua con conseguente torbidità. Le alghe che crescono con il nutrimento dei nutrienti che entrano nel flusso dell’acqua attraverso la decomposizione delle foglie o altri processi di decomposizione che si verificano naturalmente, possono essere anche fonte di torbidità. Anche il movimento del flusso dell’acqua nei canali può rilasciare sedimenti. La torbidità è influenzata da diversi fattori in acqua come la presenza di materiali solidi disciolti e sospesi, dimensioni e composizione delle particelle. Le misurazioni della qualità dell'acqua che possono aiutare nella caratterizzazione della torbidità includono la misura dei solidi sospesi totali, i solidi sospesi volatili, i solidi totali disciolti, la concentrazione dei sedimenti sospesi, la clorofilla e l'analisi delle dimensioni delle particelle. Altri fattori come il flusso dell’acqua, la fonte e la composizione dei sedimenti, le specie algali, possono fornire anche le caratteristiche di trasporto dei sedimenti, informazioni importanti nella caratterizzazione della torbidità presente in acqua. Il fosforo proveniente da varie fonti d’inquinamento può causare la crescita di alghe con conseguente aumento della torbidità. Le fonti di fosforo possono includere impianti di trattamento delle acque reflue, deflusso di nutrienti da terreni coltivati, sedimenti di fondo e altre fonti. La materia organica proveniente dagli scarichi delle acque reflue, specialmente durante i bypass degli impianti di trattamento, può contribuire alla torbidità. Anche il deflusso delle acque piovane urbane è riconosciuto come un importante contributo di sedimenti, provenienti da cantieri, superfici impermeabili o altre fonti urbane.

Misura della torbidità

La torbidità viene misurata utilizzando apparecchiature ottiche specializzate in laboratorio o sul campo. La tecnica di misura consiste nell’indirizzare una sorgente luminosa verso un contenitore trasparente contenente un campione d'acqua; dalla luce che attraversa l’acqua, viene misurata la quantità di luce ricevuta rispetto all’intensità della luce trasmessa per determinare l’entità di torbidità del campione di acqua sotto test. L'unità di misura della torbidità è chiamata unità di torbidità nefelometrica (NTU). Maggiore è la dispersione della luce, maggiore è la torbidità. Bassi valori di torbidità indicano un’alta limpidezza dell'acqua; viceversa, valori alti indicano scarsa limpidezza dell'acqua. È inoltre possibile utilizzare la misurazione della trasparenza dell'acqua e dei solidi sospesi totali. Tubi trasparenti immersi nei corsi d'acqua forniscono un metodo semplice ed economico per misurare la limpidezza dell'acqua. Sono metodi ampiamente usati unitamente a programmi di monitoraggio del flusso d’acqua. L'analisi di laboratorio è comunque necessaria per misurare i solidi sospesi totali in milligrammi per litro. Come accennato sopra, la torbidità si rileva misurando la quantità di luce che attraversa un campione di acqua. La torbidità viene solitamente misurata in unità di torbidità nefelometriche NTU o in unità di torbidità Jackson JTLJ, a seconda del metodo utilizzato per la misurazione. Questi due metodi sono più o meno equivalenti.

Per misurare la torbidità, viene utilizzato un sensore di torbidità. Il sensore di torbidità è costituito da due parti: il trasmettitore e il ricevitore. Il trasmettitore è un dispositivo ottico formato da una sorgente luminosa tipicamente realizzata con un led luminoso e il suo circuito di pilotaggio. All'estremità del ricevitore è presente un rilevatore di luce che può essere un fotodiodo o un foto resistore o LDR. Il sensore di torbidità viene immerso in una soluzione liquida campione sotto test. Il trasmettitore trasmette la luce che, attraversando la soluzione, giunge al ricevitore. Normalmente (senza la presenza di una soluzione) la luce trasmessa viene interamente ricevuta dal ricevitore. In presenza di una soluzione molto torbida, la quantità di luce ricevuta dal ricevitore è molto bassa. Ciò significa che l’intensità della luce ricevuta è inversamente proporzionale all’entità di torbidità. Quindi, possiamo misurare la torbidità misurando l'intensità della luce diffusa dalla soluzione campione, ovvero, se l'intensità della luce misurata è alta, la soluzione è meno torbida, mentre se l'intensità della luce è bassa la soluzione è più torbida.

Il progetto

Il progetto del sistema di misura della torbidità presentato in questo articolo utilizza un sensore di torbidità ottico, il microcontrollore Arduino, un display LCD 2x16 I2C, un LED RGB, una breadboard e alcuni jumper di collegamento dei componenti.

Il sensore di torbidità

In questo progetto, viene impiegato il sensore di torbidità mostrato in Figura 1 che è possibile acquistare nei negozi di elettronica e anche online.

Figura 1: Sensore di torbidità

Questo sensore di torbidità è composto da tre parti: il sensore ottico, il driver del sensore ottico e il cavo di collegamento del sensore ottico al modulo driver. Il sensore ottico utilizza un LED IR come sorgente luminosa e un ricevitore IR come rilevatore di luce. Il principio di funzionamento è lo stesso descritto prima, in pratica, il sensore ottico immerso in una soluzione liquida invia un segnale in corrente il cui valore dipende dal livello di torbidità rilevato. Il modulo driver converte questa corrente in una tensione. Più bassa è la tensione di uscita del driver, minore è la luminosità rilevata dal ricevitore e, quindi, maggiore è il valore di torbidità. La scheda del driver del sensore ottico mostrata in Figura 2 consiste in un amplificatore operazionale e alcuni componenti di condizionamento del segnale luminoso.

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