Design and development of a low-cost underwater conductivity sensor

Abstract

Los valores de salinidad y conductividad del agua son siempre importantes cuando se necesitan mediciones del agua de mar (por ejemplo, en la contaminación del agua, en las granjas de peces marinos, la industria de alimentación, etc.) Estos valores se pueden medir directamente o indirectamente. Con el fin de seleccionar la mejor opción, se tienen que tener en cuenta tres cuestiones principales. La primera de ellas es la necesidad periódica de calibración debido a la desgaste del sistema, la segunda es el coste de los componentes del sistema, lo que podría hacer despegar el precio del dispositivo, y la tercera es la precisión del sensor desarrollado. Los sensores actuales son demasiado caros y tienen una vida útil corta debido al fouling, los efectos abrasivos causados por los sedimentos en suspensión cuando son arrastrados por una corriente de agua y hasta los mordiscos por la fauna. También los cambios de las condiciones químicas como la acidificación pueden causar problemas en la mayoría de sensores comerciales. En este proyecto vamos a desarrollar un sensor de conductividad capaz de tomar medidas en ambientes acuáticos que pueda evitar todos los problemas descritos. Atendiendo a las obras relacionadas realizamos una primera serie de ensayos para elegir la mejor metodología a utilizar en el desarrollo de nuestro sensor. La primera, compuesta por un solenoide y un sensor de campo magnético comercial que detecta los cambios en el campo magnético cuando se introducen los diferentes materiales en el centro de solenoide. La segunda, compuesta por dos bobinas de cobre superpuestas que, a través de una de ellas, circulan energía y inducen en la otra. Los diferentes entornos de las bobinas producen cambios en la tensión inducida en la segunda bobina. Como decidimos continuar la prueba con la opción de dos bobinas de cobre, realizamos un estudio práctico que compara cuatro modelos con dos bobinas, con el fin de medir la conductividad del agua. Nuestro banco de pruebas incluyó varias muestras de disoluciones salinas de donde se extrajo el voltaje de salida registrado en la bobina inducida. Como vimos, hay algunas combinaciones de bobinas que presentan una mejor sensibilidad que otros cuando la diferenciación de la conductividad de un líquido. Las medidas nos han permitido determinar cuál es la mejor combinación de bobinas con el fin de implementarlo en sensores de conductividad de bajo costo. Finalmente realizamos un estudio intensivo de la mejor combinación de bobinas. Determinamos algunas características como sus rangos lineales, con más de 30 puntos de calibración, su sensibilidad, y el valor máximo que puede medir. También hemos demostrado que el volumen de agua tiene una influencia en la señal del sensor. Y encontramos que el volumen mínimo de agua necesario para obtener un valor estable, incluso si el volumen de agua aumenta.

Water salinity and conductivity values are always required when measurements from the sea water are needed (e.g., for water pollution, in marine fish farms, feeding industry, etc.). They can be measured directly or indirectly. In order to select the best option, three main issues should be taken into account. The first one is the periodic need of calibration because of the system wear, the second one is the cost of the components of the system, which could make to deploy an expensive device, and the third one is the accuracy of the deployed system. The existing sensors are too expensive and have a short lifespan due to the fouling, the abrasive effects caused by the suspended sediments when they are dragged by a water current, even the bites of the fauna. Also the changes of chemical conditions as acidification can cause problems in the majority of commercial sensor. In this project we are going to develop a conductivity meter able to take measure in water environments that avoid all the problems described. Attending to the related works, we realize a first set of tests to select the best methodology to use in our developed sensor. The first one of them is composed by a solenoid and a commercial magnetic field sensor that detects the changes in the magnetic field when different materials are introduced in the center of solenoid. The second one is composed by two overlapped copper coils that, through one of them, are circulating energy, and induce in the other one. The different environments of the coils produce changes in the induced voltage in the second coil. We decided to continue the test with the option of two copper coils. We performed a practical study comparing four models based on two coils in order to measure the water conductivity. Our test bench included several samples of salty dissolutions from which we extracted the output voltage registered in the induced coil. As we saw, there are some combinations of coils that present better sensitivity than others when differentiating the conductivity of a liquid. Gathered measurements let us determine the best combination of coils in order to implement them in low cost conductivity sensors. Finally we made an intensive study of the best coils combination in order to determine some characteristics as their lineal ranges, using more than 30 calibrating points, the sensibility, the maximum value than can be measured. We also demonstrated that the water volume have an influence on the sensor signal. We also found the minimum volume of water needed to obtain a stable value even if the volume of water increase