Medidor TDS de baixo custo, alimentado por bateria, usando MCU e PSoC

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Um dos métodos comuns para determinar a qualidade da água é a medição de sólidos dissolvidos totais (TDS). O medidor TDS é um sensor de qualidade da água amplamente utilizado que mede a condutividade da amostra de água para calcular o TDS. A água pura da condutância é intrinsecamente muito menor; a adição de impurezas aumenta a condutância, que pode ser calculada a partir do valor medido da condutividade. Os medidores TDS mais usados ​​usam muitos blocos externos, como oscilador, amplificador não inversor baseado em Op-amp, retificador etc. O PSoC (sistema programável no chip) oferece a vantagem de blocos analógicos e digitais configuráveis ​​embutidos, que podem ser usado para criar a solução completa com alguns componentes externos discretos. Uma comparação de algumas das implementações existentes e as vantagens de construir um medidor TDS usando PSoC é apresentada neste artigo.

Introdução

A medição da qualidade da água é um dos tópicos importantes em aplicações industriais e comerciais. Um dos métodos diretos para medir a qualidade da água é a medição do TDS na água. Existem diferentes métodos para medir o TDS, dos quais medir a condutividade da amostra de água é um método que fornece precisão moderada a razoavelmente alta.

A condutividade da água pura é muito baixa (aprox. 5uS / cm). A adição de impurezas aumenta a condutividade da água. A concentração de impurezas pode ser calculada medindo a condutividade das amostras de água. O medidor TDS é um instrumento comumente usado que mede o TDS usando o método de condutividade.

Nos métodos existentes, dois eletrodos são colocados na amostra de água e uma onda senoidal de amplitude e frequência conhecidas é aplicada a um eletrodo. A onda senoidal recebida no segundo eletrodo é comparada com a onda senoidal aplicada para calcular a condutância. Este circuito inclui um oscilador de ponte Wein para gerar onda senoidal, um amplificador / comparador baseado em Op-amp para calcular o ganho relativo (atenuação) do sinal recebido e um ADC para converter o valor calculado da condutância analógica em digital. Será necessário um MCU para processar / converter a saída ADC no formato necessário, bem como a interface de diferentes componentes da interface do usuário, como Vídeo, botões etc.

O sistema programável no chip (PSoC) é a combinação de MCU e blocos analógicos e digitais configuráveis. O PSoC inclui DAC, que pode ser usado para gerar onda senoidal e amplificadores de operação configuráveis, que podem ser usados ​​para construir amplificadores / comparadores para calcular o ganho relativo do sinal recebido. A saída do comparador pode ser fornecida ao ADC interno, que pode ser lido diretamente pelo MCU. O MCU faz os cálculos necessários para converter o valor da condutância para o valor TDS em ppm, que pode ser enviado para um display.

O PSoC inclui driver embutido para telas de LED e LCD, que pode ser usado para fazer interface com um LCD de segmento, LCD gráfico ou LCD de caracteres para exibir o valor TDS. O PSoC também suporta a tecnologia CapSense, que pode ser usada para implementar botões, controles deslizantes, detecção de proximidade etc. Outro recurso disponível no PSoC é o rádio BLE com uma pilha BLE livre de royalties que pode ser útil na construção de sensores TDS sem fio.

Teoria de Operação

Conforme mencionado na seção anterior, o TDS pode ser calculado medindo a condutividade da amostra de água. A condutividade, recíproca da resistência, pode ser medida diretamente usando um medidor de Ohm em sólidos. No entanto, a medição da condutividade em fluidos não é tão direta. Os medidores de ohm (ou voltímetros) passam uma corrente CC entre dois eletrodos para medir a resistência. Na água, a condutividade é causada pelas moléculas de sal dissolvidas. A corrente DC injetada pelo voltímetro ou ohmímetro fará com que essas moléculas se quebrem (ionizem) e migrem para os eletrodos. O valor da condutividade medido continuará variando, tornando assim a leitura inútil. Essa limitação pode ser superada passando uma corrente CA em vez da corrente CC. Quando a frequência do sinal CA aplicado é suficientemente grande (> 5kHz), as moléculas não se quebram mais, proporcionando uma leitura mais precisa.

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A condutividade medida precisa ser convertida em ppm, que é a unidade mais comum usada para valores de TDS. A conversão da condutividade em ppm pode parecer trivial, mas, na realidade, esse não é o caso. Existem muitos fatores que decidem a condutividade da amostra de água, como o tipo de sólidos dissolvidos, o material usado para os eletrodos, as dimensões físicas dos eletrodos, o espaçamento entre os eletrodos e assim por diante. Para padronizar a medição, os valores de condutividade (EC) são medidos usando duas sondas espaçadas 1 cm e o valor é expresso em termos de uS / cm. O valor de EC medido pode ser convertido em ppm multiplicando por um fator de conversão, dependendo do tipo de sais dissolvidos. Como o tipo de sal dissolvido é desconhecido na maioria dos casos, o fator de conversão de 500 para NaCl é mais comumente usado em medidores TDS. Assim, 1 us / cm de medição de condutividade corresponde a 500 ppm de TDS.

Outro fator importante que afeta a condutividade é a temperatura da amostra de água. A condutividade da amostra de água aumenta com a temperatura, pois a mobilidade de moléculas ou íons aumenta. É essencial medir a temperatura da amostra de água e incluir a compensação de temperatura no cálculo.

Soluções existentes

Um dos métodos mais comuns usados ​​na construção de medidores TDS é o uso de um oscilador Wein Bridge. O oscilador de ponte de Viena é usado para gerar uma onda senoidal (corrente CA) da frequência desejada. A onda senoidal é passada através da amostra de água e as amplitudes das ondas injetadas e recebidas são comparadas para calcular a condutividade.

No método apresentado na Figura 1, as sondas são colocadas no loop de feedback de um amplificador Op-amp. O ganho do Op-amp depende, portanto, da condutância da amostra de água. A saída do oscilador de ponte Wein é a entrada para o amplificador e as sondas são imersas na amostra de água. A onda senoidal é indiretamente passada através da amostra de água, o que dá a vantagem de passar uma corrente muito baixa. Quando a condutância é muito baixa ou aberta, o ganho do amplificador é a unidade. À medida que a condutância aumenta, o ganho do amplificador aumenta em conformidade. A saída do amplificador é então convertida em CC e entrada em um ADC, a saída a partir da qual a condutância pode ser calculada.

Figura 1: Medidor TDS usando oscilador de ponte Wein e amplificador operacional
Figura 1: Medidor TDS usando oscilador de ponte Wein e amplificador operacional

A principal desvantagem desse método é a necessidade de muitos componentes externos discretos. A precisão dos componentes discretos tende a degradar com o envelhecimento, tornando a medição imprecisa. A calibração inicial do circuito também é bastante difícil com mais componentes externos.

Em outro método, como mostrado na Figura 2, a condutividade é medida a partir da constante de tempo RC de um circuito RC paralelo com um valor de capacitor conhecido e o valor de resistência desconhecido da amostra de água. O capacitor é carregado primeiro no nível de tensão de alimentação do microcontrolador. A sonda imersa na amostra de água é então trazida em paralelo ao capacitor para descarregá-lo. A tensão no capacitor é fornecida como entrada para um gatilho Schmitt para calcular o tempo de descarga para um nível limite conhecido. A medição é então repetida carregando o capacitor em polaridade oposta para fornecer o efeito CA. A constante de tempo obtida de várias medições é calculada em média e a condutância é calculada.

Figura 2: Medidor TDS usando MCU e rede RC paralela
Figura 2: Medidor TDS usando MCU e rede RC paralela

Sendo este circuito muito fácil de construir e implementar, ainda existem muitas limitações. O valor do capacitor necessário varia para os diferentes limites dos valores de condutância. Outra limitação seria a precisão do capacitor. A margem de ruído de entrada ou a histerese do gatilho Schmitt será outro fator que contribui para a imprecisão nas medições. Os níveis de ruído ou variações no trilho de tensão de alimentação serão outro fator significativo que pode afetar a precisão da medição.

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Solução proposta

A principal desvantagem observada nas implementações existentes é a dependência de muitos componentes externos, incluindo componentes discretos que afetam a precisão da medição. Em todos os métodos, o microcontrolador é usado apenas para capturar a saída ADC. Quaisquer variações no circuito de geração de frequência ou nas propriedades de componentes externos discretos não serão refletidas no MCU. Outra limitação é que qualquer parâmetro no valor TDS que dependa da frequência ou amplitude da onda de excitação não será capturado.

Como alternativa, é proposta uma implementação totalmente digital controlada pelo MCU. Neste método, um DAC é usado para gerar a corrente CA. O MCU gerará a forma de onda no formato digital que será convertida em analógico pelo DAC. A vantagem desse método é que a forma de onda CA é controlada pelo MCU, que pode variar a frequência ou a amplitude conforme necessário.

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Figura 3: Medidor TDS usando DAC e ADC controlado pelo MCU
Figura 3: Medidor TDS usando DAC e ADC controlado pelo MCU

A saída do DAC precisa ser fornecida a um circuito adequado para converter a condutância em tensão que pode ser lida pelo ADC. A condutância para conversão de voltagem pode ser feita de diferentes maneiras, sendo a preferida a semelhante à da Figura 1, onde a sonda de condutância é introduzida no circuito de realimentação do amplificador Op-amp. A saída do Op-amp será a forma de onda de entrada amplificada pela razão do resistor de feedback pela resistência da amostra de água.

A saída do amplificador operacional pode ser diretamente convertida em formato digital pelo ADC e comparada com a forma de onda gerada. A limitação deste método é que qualquer variação momentânea nos níveis de amplitude afetará significativamente a precisão da medição. Outra grande dificuldade seria alinhar por fase as formas de onda transmitidas e recebidas antes da comparação. Para superar essas dificuldades, a saída do amplificador operacional é passada através de um retificador para calcular o valor RMS do sinal recebido. O valor RMS do sinal recebido é então convertido em valor digital pelo ADC. Também é fornecida uma opção para ignorar a medição de condutância e alimentar a saída DAC diretamente ao retificador para calcular o valor RMS da onda transmitida. O valor RMS da onda recebida é comparado com o valor RMS da onda transmitida para calcular o valor da condutância que é então convertido para a medição TDS em ppm usando um fator de conversão adequado.

A vantagem deste método é o controle total da medição pelo MCU, que fornece leituras mais precisas. A desvantagem dessa implementação é novamente muitos componentes externos, aumentando o custo e a complexidade. A implementação desse design com o PSoC eliminará essas limitações, o motivo da seleção da arquitetura fornecida.

Implementação usando PSoC

O PSoC é uma combinação de MCU e blocos analógicos e digitais programáveis. A família PSoC 1 e PSoC 3 é composta por MCUs de 8 bits e as famílias PSoC4 e PSoC5 são compostas por MCUs de 32 bits. Os dispositivos PSoC possuem memória flash de até 256 KB, EEPROM interna de até 2 KB e SRAM de até 64 KB. Os blocos analógicos programáveis ​​incluem Mux analógico, amplificadores operacionais, comparadores, ADC com buffer de entrada, sequenciador de canais, DAC atual (IDAC) etc. Os blocos digitais programáveis ​​são chamados de Universal Digital Blocks (UDB), cada um com oito macrocélulas e caminho de dados que podem ser configurados para construir inúmeras lógicas combinacionais e seqüenciais.

O MCU interno, o DAC, o MUX analógico, os amplificadores de operação e o ADC do PSoC podem ser utilizados para construir o medidor TDS completo, juntamente com alguns componentes distintos, reduzindo significativamente o custo da BOM e a complexidade do projeto.

Figura 4: Implementação do medidor TDS com PSoC
Figura 4: Implementação do medidor TDS com PSoC

O oscilador de ponte Wein usado na implementação comum pode ser facilmente substituído por amostras de ondas senoidais armazenadas em uma LUT no flash do MCU enviado ao DAC. Consulte o artigo de Ido Gendel (PSoC 4: os sons do IDAC) para uma fácil implementação da onda senoidal usando o PSoC. Um exemplo de esquema do criador do PSoC para o mesmo é fornecido abaixo.

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Figura 5: Geração de onda senoidal usando PSoC
Figura 5: Geração de onda senoidal usando PSoC

No próximo estágio, a condutância para o circuito de conversão de tensão pode ser implementada usando o amplificador operacional interno do PSoC, uma resistência externa e a sonda de condutância, conforme mostrado nos esquemas abaixo.

Figura 6: Amplificador não inversor (conversão de condutância para tensão) usando PSoC
Figura 6: Amplificador não inversor (conversão de condutância para tensão) usando PSoC

Um retificador simples usando diodos comprometeria a precisão da medição; é necessário um retificador de precisão baseado em Op-amp. Novamente, o Op-amp interno do PSoC pode ser utilizado com dois diodos externos e três resistores.

Figura 7: Retificador de precisão usando PSoC
Figura 7: Retificador de precisão usando PSoC

A saída do estágio retificador é alimentada ao ADC interno do PSoC. O valor RMS do sinal recebido pode ser calculado pelo MCU a partir da saída ADC. Um excelente artigo de Aubrey Kagan pode ser encaminhado para uma fácil implementação da medição RMS usando PSoC (medição de um sinal RMS em um PSoC5).

Para medir o valor RMS do sinal transmitido, a saída do DAC pode ser desviada para a entrada do retificador usando o MUX analógico interno. O valor da condutância pode ser calculado a partir dos valores RMS dos sinais transmitidos e recebidos e pode ser convertido para o valor TDS em ppm. O valor calculado do TDS pode ser exibido em um LCD de caracteres ou LCD de segmento, novamente para o qual os componentes do PSoC Creator estão prontamente disponíveis, o que reduz o esforço de implementação. A implementação geral, excluindo as funções MCU, é fornecida nos esquemas abaixo.

Figura 8: Esquema do PSoC Creator para TDS Meter
Figura 8: Esquema do PSoC Creator para TDS Meter

Benefícios adicionais do uso do PSoC

Conforme discutido na seção anterior, o PSoC fornece uma solução completamente integrada com o mínimo de componentes externos. Além disso, a vantagem mais importante do uso do PSoC é o modo de energia ultrabaixo, que consome <1µA de corrente, o que o torna um excelente candidato para dispositivos operados por bateria. Isso forneceria uma vida útil de quase 5 anos com uma bateria de célula tipo moeda com capacidade de 50mAh.

Outra vantagem do PSoC é a capacidade de acionar telas de LED e LCD que podem ser usadas para exibir valores de TDS. O PSoC possui faixa de operação de 1,71V a 5,5V, o que ajuda na interface com uma ampla variedade de periféricos externos.

O PSoC suporta a tecnologia CapSense, que ajuda na implementação de controles deslizantes de botões etc. na própria PCB, sem a necessidade de componentes mecânicos ou elétricos adicionais. Isso reduz a falha devido a botões mecânicos, além de ajudar na implementação de uma solução totalmente à prova d’água.

O Bluetooth Low Energy (BLE) com pilha BLE isenta de royalties é outro recurso disponível em algumas famílias PSoC, que pode ser usado para criar sensores TDS sem fio. O grupo desses sensores TDS baseados em BLE pode ser configurado como uma malha BLE e implantado em estações de tratamento de água para medir periodicamente a qualidade da água em diferentes estágios.

Outro aspecto que vale a pena mencionar é o PSoC Creator. Usando a ferramenta IDE PSoC Creator, toda a interface e lógica podem ser projetadas. A ferramenta PSoC Creator IDE fornece muitos componentes úteis e embutidos SARADC, IDAC, Op-amp, Timer, Display AMUX, CapSense (com componente SmartSense) etc. outro destaque do PSoC Creator. O PSoC Creator fornece muitos recursos, como cadeias integradas de ferramentas do compilador, coloca e direciona componentes selecionados, interface para programadores de produção etc.

Conclusão

Uma comparação de diferentes implementações de medidores TDS é apresentada neste artigo. Como alternativa, uma implementação digital totalmente controlada pelo MCU é proposta neste artigo. Além disso, as vantagens do uso do PSoC sobre o MCU convencional e os componentes externos são comparadas e destacadas neste artigo.


Este artigo foi publicado pela primeira vez em 3 de novembro de 2016 e atualizado em 10 de abril de 2020.



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