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从传感器和平台端入手,打造清洁水源守护者

关键词:传感器 光学模拟前端

时间:2022-12-29 10:26:43      来源:ADI

传感器信号的接收和数据解读是水质监测应用的关键部分,包括对数据的处理、显示、数据服务和应用服务等。此外,连接的通讯问题、智慧节点的需求,或者边缘计算的需求,都需要在水质监测解决方案中得以实现。这里介绍ADI的低功耗全集成的电化学水质检测平台性产品——ADuCM355。

2022年年初,国务院印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知,要求持续打好长江保护修复攻坚战:到2025年,长江流域总体水质保持为优,干流水质稳定达到Ⅱ类;着力打好黄河生态保护治理攻坚战,加强重要支流污染治理,开展入河排污口排查整治,到2025年,黄河干流上中游水质达到Ⅱ类……

江河资源的保护与修复,环境监测是其中重要一环,而其中特别是水质监测无处不在。无论是发展中国家还是欧美发达国家,同样也存在对于水质监测或者气体监测的一些需求。除了环境监测,在城市污水处理,土壤监测等很多环节,也少不了水质监测。

同样的设备,对不同的地区,例如对于污水、对饮用水,对于城市、对农村,设计与性能要求并不一样。从水质检测的角度看,比较普遍的像PH值、溶解氧、温度,还用于一些配合测量的需求,例如总氮、重金属,等等。这么多参数其实属于在不同的测试场景,适用不同的区域标准,以及对于不同的水源,分不同情况有不同的严格的国家标准。


常见的城市污水处理流程示意图

从事水质检测或者水处理这个行业的朋友,对这张框图应该非常熟悉,其中核心的设备包含很多的机械设备,还有一些沉淀池,是真正的一些大型设备。除了大型设备之外,其中有一个电子设备很关键——结合传感器、通讯模块,实现对水质监测、分析和报告的水质监测设备。


基于ADuCM355平台的水质监测演示系统

水质监测的传感方案选择及考量

作为水质监测设备的关键部分,就传感器而言需要在设计中融合各因素考虑,例如传感器本身的稳定性、鲁棒性或寿命问题,以及考虑安装售后服务的成本等。此外,从测量或信号处理的角度看,可信度、一致性、功耗也是在产品设计过程中都需要考量的一些问题。

从传感器的角度看,有几种比较主流的方式:光学原理,电化学原理,或者生物原理。像浊度、含氧量、氨气、氯离子的检测,很多的方案都是基于光的原理,基于光原理的产品设计比较重要一点如何做光路的设计。电化学原理其实是非常普遍的非常低成本的一种方案,但它有一些劣势,例如需要校准。我们常见的像 PH值、电导、氧化还原电位都是通过电化学的方案来实现。对于微生物以及实验室的一些方法,更多是用于在实验室一些手段,常用来探测一些微生物的含量,一些有毒气体或者有毒的毒素(例如重金属)。


光学水质监测传感方案优劣势分析

基于光的传感器产品有很多的优势,例如非破坏性、非接触式、精度高、更低的温漂特性以及对校准的要求也非常低,后期维护需求也少。

针对光的方案ADI有很多产品,例如比较传统的信号链,包括一些运放、快速ADC。那么对于光传感器本身,ADI有一个比较新的型号—— ADPD4101,相应配套参考设计是CN0503。

ADPD4101 是一个光学模拟前端(AFE),能够驱动LED并同步接收和处理来自光电二极管的信号,以进行高度精准的光学测量。ADPD4101是高度可配置的,具有高达100 dB的高光学信噪比和片上同步检测方法提供的高环境光抑制,使其在许多情况下能够不配备光学黑色遮罩直接使用。

CN0503 参考设计旨在使用ADPD4101快速制作液体分析测量原型,采用ADPD4101作为核心产品,但增加了四条模块化光路,以及测量固件和应用软件,用于实施液体分析。CN0503直接连接至ADICUP3029板,用于管理测量例程和数据流。ADICUP3029板可以直接连接至笔记本电脑,以查看评估GUI中的结果。CN0503可以测量荧光、浊度、吸光度和色度。样品在比色皿中制备,并放置在3D打印的比色皿支架中,支架中装有光学元件,包括一个透镜和分束器。将比色皿支架插入适当的光路,以进行即插即用测量。此外,LED和光电二极管卡可以切换,以实现更大程度的自定义。


具有传感器接口的多参数水质监测平台方案

传感器信号的接收和数据解读是水质监测应用的关键部分,包括对数据的处理、显示、数据服务和应用服务等。此外,连接的通讯问题、智慧节点的需求,或者边缘计算的需求,都需要在水质监测解决方案中得以实现。这里介绍ADI的低功耗全集成的电化学水质检测平台性产品——ADuCM355。

该芯片内部集成多个主要功能模块:集成多达16个通道,可以接入不同的传感器类型,可以根据实际需要进行配置;它有两个通道的低带宽环路,可以输出等电位、恒电动势,或者用于电位测量;集成12位的 DAC,同时还有一个跨导运算放大器,以及低带宽的环路和另外一个高带宽的环路(高带宽可到 200kHz),可以用于阻抗匹配的测量或者内阻频谱测量以及电位测量;同时还集成波形发生器,可以做一些任意波形配置。


基于ADuCM355的水质监测系统简化框图

信号经过两个环路(低带宽环路或高带宽环路),它最终都是把模拟的信号链传输到后端信号处理,通过开关的切换到信号调制电路,经过PGA信号放大然后经过滤波最后再到一个16位ADC处理。该平台的另外一个比较关键的环节,就是集成的一个低功耗Arm Cortex-M3处理器,用于管理各个内部的模拟前端,同时提供一些对外的窗口,和这些处理器内部可以运行一些算法。

通过ADuCM355的架构分析,它基本上是一个全集成的方案,将现在市面上所看到的一些标准方案做了全部的集成,并且提升了性能。同时这个芯片本身体积非常小,非常适合小尺寸的设计。基于ADuCM355平台,可以同时连接多个电极并通过对状态机编程循环测量多个参数,可通过单个平台实现五个参数的监控测量,包括TEM(温度)、DO(溶解氧)、EC(电导率)、pH和浊度。

随着国家环保政策的逐渐加码,水质监测需求越来越多,而且我们看到另外一种产品形式,即在线式的连续水质监测,包括3参数的5参数的,它包含了通讯功能,能实现整个数据处理和管理功能,包括一些服务的功能。ADI为业界提供了针对水质监测仪的一款高集成度多参数测量解决方案,该方案方便集成多个独立测量环路实现单平台多参数监控,提供系统校准能力和自适应参数调整,以及探头诊断能力(pH探头阻抗测量),实现产品的低功耗、小尺寸和高精度。

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