Design, construction and calibration of a turbidity sensor in compliance with ISO 7027-1:2016

Abstract

Insinöörityön aiheena oli kenttäkäyttöisen sameusanturin suunnittelu ja rakentaminen sekä anturin ohjausohjelman ohjelmointi. Tavoitteena oli tehdä kannettava ja vesitiivis mittalaite, joka on rakenteeltaan mahdollisimman pitkälti sameusmittauksessa käytetyn ISO 7027-1:2016 -mittausstandardin mukainen. Tavoitteena oli oli myös selvittää sameusanturin mittaustulosten luotettavuus kalibroimalla laite standardin mukaisesti. Insinöörityössä rakennettiin toimiva älypuhelimella tai tietokoneella hallittava sameusanturi. Sameusanturin ulkokuori ja komponenttien tukirakenteet suunniteltiin SolidWorks-ohjelmalla ja suunnitellut mallit tulostettiin 3D-tulostimella. Laitteen ohjausohjelma ohjelmoitiin C++ -ohjelmointikielellä käyttäen VisualStudio- ja PlatformIO -ohjelmointialustoja. Sameusanturin rakenne on ISO 7027-1:2016 -standardin mukainen valonlähteen aallonpituuden sekä valonlähteen ja valodiodin välisen kulman osalta, ja laite on lähellä standardin kriteerejä valonlähteen hajontakulman sekä valodiodin mittauskulman osalta. Sameusanturi toimi laboratorio-oloissa hyvin ja mittaustulosten hajonta oli pientä. Kenttäoloissa anturin mittausepävarmuus on todennäköisesti suurempi johtuen hitaasta mittaustaajuudesta ja mittausperiaatteen herkkyydestä ympäristön häiriötekijöille. Sameusanturia käytetään yhdistämällä anturi USB-kaapelilla älypuhelimeen tai tietokoneeseen. Laitteen ohjausohjelmalla voi käynnistää sameusmittauksen, määrittää tehtävien mittausten määrän, tallentaa mittausdatan ja muokata kalibroinnin perusteella tuotetun regressiomallin tekijöitä. Sameusanturi kalibroitiin laboratoriossa ISO 7027-1:2016 -standardin mukaisesti formatsiinilaimennussarjalla. Saaduille mittaustuloksille tehtiin regressioanalyysi, jossa mitattujen liuosten formatsiinipitoisuuden ja anturin tuottamien mittausarvojen välillä havaittiin vahva lineaarinen korrelaatio ja vielä vahvempi epälineaarinen korrelaatio. Käänteinen regressiomalli ohjelmoitiin anturin ohjausohjelmaan niin, että mittaustilanteessa ohjelma muuntaa mittausarvot formatsiiniliuosta vastaaviksi sameusarvoiksi FNU-asteikolla.

The aim of this thesis was to build a measuring instrument for on site measuring of turbidity in surface waters. The device should be portable, have a watertight housing and comply with the measuring principles described in the widely used ISO 7027-1:2016 measuring standard. In addition, the aim was to calibrate the device according to ISO 7027-1:2016. The sensor housing and internal support structures were designed in SolidWorks and printed with a masked stereolithography (MSLA) 3D printer. The sensor firmware was programmed in C++ using the Visual Studio- and PlatformIO -development platforms. The turbidity sensor complies with ISO 7027-1:2016 with respect to the light source bandwidth and the relative measuring angle between the light source and the pohotodiode. The sensor likely operates near the ISO 7027-1:2016 requirements with respect to the parallelism of the light source beam and the measuring angle of the photodiode. The sensor functioned well in laboratory conditions and the measurement data sets had small dispersion. The dispersion of data and magnitude of measurement errors are likely larger in on-site measuring conditions due to a slow measuring frequency and an inherent sensitivity to environmental noise. The sensor is controlled with a smartphone or a computer via USB-cable. With the firmware the user can start a turbidity measuring sequence, define the number of measurements to perform, log measurement data and adjust the response curve of the sensor. The turbidity sensor was calibrated according to ISO 7027-1:2016 by measuring the sensor response in a formazin dilution series. Regression analysis was performed on the measurement data. A strong linear correlation and a relatively stronger non-linear correlation was found between the sensor response and the concentration of the formazin suspensions. A regression model was defined. The inverse regression model was programmed into the sensor firmware; thus the sensor outputs turbidity values as a function of sensor response in the formazin nephelometric unit (FNU) -scale.