Jste zde

Kvalita vody - čím ji měřit?

Antonín Vojáček, 17. Únor 2022 - 18:31

Jak vypadají senzory a zařízení pro měření parametrů kvality vody? Do jakých kategorií je lze rozdělit a na co si dát pozor při orientaci v široké nabídce různých výrobců? Na to se podíváme v dalším pokračování série článků o měření kvality vody.

Základní rozdělení provedení senzorů kvality vody

V zásadě lze instrumenty pro měření kvality vody rozdělit do dvou základních komponent:

  • měřící sondy / senzory - realizují měření některé veličiny kvality vody na základě některého z měřicích principů (viz článek Kvalita vody - jak ji měřit?),
  • vyhodnocovací / řídicí jednotky - realizují měření a vyhodnocení základní elektrické veličiny ze sondy (el. napětí, el. proud, el. vodivost) a buď její zobrazení, nebo vyslání po komunikačním rozhraní nadřazenému systému.

Toto rozdělení však nemusí být hned patrné, protože některá provedení měřicích senzorů již v sobě mohou integrovat i vyhodnocovací elektroniky v podobě hlavice na konci pouzdra měřicí sondy a již mohou poskytovat nějaké standardizované komunikační rozhraní pro odesílání číselné digitální naměřené hodnoty do univerzálního řídicího systému. Nastavení / kalibrace takového kompaktního "chytrého" senzoru se obvykle provádí nějakým softwarem z PC. Obvyklejší je však stále provedení měřicích "hloupých" sond, které přenášejí základní elektrický analogový signál po kabelu do externí vyhodnocovací jednotky, která může i nemusí obsahovat ovládací a zobrazovací displej (HMI). Provedení bez HMI pak obvykle realizuje elektronický interface pro napojení na univerzální PC (příp. řídicí jednotku), přes který se obvykle i nastavuje a kalibruje.

Obě tyto části, tedy jak měřící sondy, tak vyhodnocovací jednotky, existují v různém mechanickém i elektrickém provedení dle požadavku na elektromechanickou odolnost a snadnost použití podle cílové oblasti použití:

  • Průmyslové provedení - odolná provedení pro zástavbu do průmyslové výroby a automatizace pro trvalý provoz, obvykle s oddělenou vyhodnocovají / zobrazovací jednotkou.
  • Laboratorní provedení - přesná provedení zaměřená hlavně na rychlé použití a snadnou konfigurovatelnost celé měřicí aparatury na pracovním stole, obvykle s oddělenou vyhodnocovací jednotkou, ale mohou být i kompaktní.
  • Profesionální kompaktní provedení - kompaktní snadno použitelná provedení ve formě vyhodnocovací jednotky vhodná pro držení v ruce a použití v terénu, venkovním prostředí nebo i průmyslu pro kontrolní měření.
  • Domácí kompaktní provedení - více či méně kompaktní zařízení a měřáky pro méně přesné nebo orientační měření pro snadné použití běžnou veřejností v domácnosti nebo chalupě (mohou však být v provedení jak se vestavněnou sondou s vyhodnocovací jednotkou, tak i odpojitelnou sondou na kabelu).
  • Vývojové a IoT kity - provedení se sondami a vývojovou elektronikou (často nezapouzdřenou deskou) pro vývoj aplikací nebo vestavbu do cílového zařízení ve formě modulu.

Průmyslové verze pak mohou být v provedení základních měřicích sond připojených do sofistikované vyhodnocovací i ovládací jednotky s displejem a mnoha funkcemi nastavení nebo v podobě základní vyhodnocovací elektroniky přímo do hlavice sondy se standardizovaným komunikačním datovým rozhraním. Nicméně s rozvojem IoT a IIoT zařízení a decentralizované automatizace se již objevuje i provedení s oddělenou sondou a jednotkou, která neobahuje displej, ale například bezdrátovou komunikaci pro přímé napojení na cloudový vyhodnocovací systém. Vyhodnocovací jednotky obvykle poskytují buď zapouzdření s vysokým stupněm krytí IP65 a vyšší, nebo jsou přizpůsobeny pro zástavbu do průmyslových skříní (ty mohou mít i jen např. IP20).

Příklady průmyslových provedení senzorů / měřících zařízení parametrů kvality vody.

Laboratorní provedení bývají obvykle nepřesnější typy měření parametrů kapalin. Obvykle je tvoří buď jednoúčelová, nebo naopak multifunkční sofistikovaná stolní jednotka umožňující snadné připojení a odpojení různých měřících sond a je určené pro použití v klimatizovaných a čistých prostorách.

Příklady provedení laboratorního zařízení přesného měření parametrů kvality vody.

Profesionální kompaktní přístroje mají vyhodnocovací / ovládací jednotky obvykle v kompaktním provedení, obvykle ve formě malého zařízení do ruky, které je podobné multimetrům elektrických veličin. Do nich se pak snadno připojují měřící sondy pomocí konektorů. Obvykle jsou dodávány jako sety ve formě kufříků s potřebnou výbavou pro spárvnou analýzu i potřebné kalibrace.

Příklady provedení kompaktních profesionálních měřičů parametrů kvality vody.

Domácí přístroje bývají obvykle již ve zcela kompaktní, kde měřicí sonda i vyhodnocovací jednotka tvoří jeden nerozebíratelný celek, nebo snadno nějaké snadno propojitelné formě sondy s jednotkou pro snadné rychlé použití. Svojí přesností měření a vyhodnocení obvykle slouží jako jen orientační měřáky. Také obvykle jsou nabízeny jen pro základní veličiny kvality vody, jako jsou zejména měření vodivosti/konduktivity, měření pH a Redox/ORP. Nicméně zařízení pro trvalé kvalitní měření kvality vody, např. ve studnách nebo filtračních zařízení bazénů či pro rozvíjející se oblast automatizace domácností a budov, již obvykle odpovídají profesionálnímu průmyslovému provedení.

Vývojové a různé IoT kity jsou záležitostí hlavně několika posledních let s rozvojem IoT technologie a i různých bastlířských platforem typu Raspberry Pi nebo Andruido a hlavně on-line cloudových serverů a služeb. Zde se již trošku smazává rozdíl mezi "domácím" a průmyslovým použitím, protože si takové komponenty může nainstalovat dobrý bastlíř sám doma i je použít firma pro vývoj průmyslového provedení.

Zde uvedené rozdělení je nutné však brát jen jako orientační, protože obecně se s posledními roky  a rozvojem IoT a automatizací budov a domácností začíná stírat hranice mezi průmyslovým a neprůmyslovým provedením. I kvalitní provedení domácího měřiče se může svojí kvalitou blížit profi provedení.

Příklady kompaktních měřiců jednoho určitého parametru vody (např. vodivost/koduktivitu, pH) nebo více parametrů kvality vody současně (např. pH, vodivost, TDS = celkový počet rozpuštěných látek ve vodě, obsah soli a teplotu).

Příklady různých vestavných, vývojových a IoT kitů a modulů  použitelných pro vývoj a realizaci průmyslových i domácích aplikací.

Měřicí sondy

Základem přesného měření jsou měřicí sondy. Ty obvykle vypadají na první pohled všechny velmi podobně, tedy jako válcová pouzdra s připojeným kabelem zakončeným obvykle nějakým konektorem. Nicméně při bližším pohledu se výrazně liší zejména na "měřicím konci" / čele sondy podle toho jaký měřicí princip používají a pak také v mnoha případech zda mimo tzv. měřicí sondy obsahují či neobsahují i integrovanou referenční sondu.

Hodnoty většiny jednotlivých parametrů kvality vody, tak jak například byly představeny v 1. článku "Kvalita vody - proč ji měřit?", nelze měřit přímo. Jedinou výjimku představuje měření el. konduktivity / el. vodivost a podobně měřená i tvrdost vody. V případě ostatních parametrů kvality vody se jedná zpravidla o elektrické měření neelektrické veličiny na elektrochemickém nebo optickém principu. Měřicí řetězec má v takovém případě 2 hlavní články: milivoltmetr (např. realizující a kalibrovaný jako pH metr) a měřicí sondu (např. sondu pro měření pH), která generuje napětí v závislosti na měřeném parametru vzorku do něhož je ponořena (např. hodnotě pH).

Základní klasické měřicí sondy pak představují jen onu měřicí část ponořenou do měřené vody, která generuje již zmíněnou el. veličinu, obvykle napětí, které je úměrné měřené veličině. Protože generovaná změna el. napětí / signál bývá obvykle v řádu milivoltů, je nutné sondu připojit co nejkratším a vhodně stíněným kabelem k měřicí jednotce realizující současně již zmíněný "voltmetr" a současně i převádějící i hodnotu napětí na hodnoty a jednotky měřené veličiny a realizující jejich zobrazení či záznam a další přenos do nadřazeného systému. Tyto klasické analogové sondy jsou obvykle hned rozeznatelné podle BNC konektoru propojovacího koaxiálního kabelu (podobný jako např. měřící sondy pro osciloskop).

Příklady klasických analogových měřících sond.

Naproti tomu moderní elektronické sondy (tzv. digitální sondy) již v sobě obvykle obsahují různou úroveň zabudované elektroniky v měřicí hlavici umístěné na opačném konci pouzdra měřicí sondy, než je měřená část ponořená do analyzovaného roztoku. Tyto sondy již v sobě obvykle mají alespoň integrován odpovídající A/D převodník a tedy jejich výstup na připojovacím konektoru není již analogový jako u klasických sond uvedených výše. Poskytují tedy již digitální hodnoty, tedy čísla pravidelně odesílaná do nadřazené vyhodnocovací jednotky. Nicméně buď mohou odesílat jen hodnoty naměřeného napětí a až vyhodnocovací jednotka hodnoty převádí (škáluje) na jednotky měřené veličiny a provádí kalibraci, nebo ty nejnovější "chytré" sondy již i vyhodnocovací elektroniku mohou mít implementovanou přímo v hlavici sondy a nějakým standardizovaným datovým komunikačním rozhraním již odesílat přímo hodnoty měřené veličiny i provádět vlastní kalibraci. Takové chytré digitální sondy již pak potřebují jen nějakou nadřazenou HMI jednotky realizující vhodné zobrazení, ovládací rozhraní či případně ukládání hodnot do pamětí pro komplexní dlouhodobé vyhodnocení (např. průměrnou hodnotu, minimální a maximální hodnotu apod.). Tuto HMI jednotku pak již může tvořit nějaký univerzální průmyslový HMI panel, nějaké PLC, či rovnou i počítač. Hodnoty tak mohou být odesílány i na nějaký cloudový server, či do databáze.

Příklad vlastností moderních "chytrých" digitálních multiměřících sond.

Z výše uvedeného je tedy patrné, že se měřící sondy liší nejen v tom, co měří, ale i jak to měří a k čemu mají být připojené. V tomto směru je nutné při výběru si dát velký pozor a při nákupu vybrat vhodný typ podle aplikace.

Obecně lze říct, že první kategorie klasických analogových měřicích sond je aktuálně oblast zejména laboratorních zařízení, která využívají velmi přesné vyhodnocovací jednotky a zde je dobré mít možnost využívat základní sondy nezávisle na výrobci. Pro průmyslové aplikace naproti tomu zase již převažují provedení měřicích sond s integrovanou sofistikovanou elektronikou a univerzálním standardizovaným komunikačním rozhraním RS-485 / Modbus-RTU, Ethernet/Modbus-TCP nebo případně IO-Link. Domácní měřicí zařízení pak již obvykle využívají nějaké provedení s elektronickou měřicí sondou a k ní příslušící vyhodnocovací jednotku, kde komunikace se sondou sice probíhá datově, ale některým ze sériových protokolů I2C, SPI apod.

Kompaktní / kapesní provedení, ať již domácí či profesionální měřiče, pak obvykle bývají v provedení "vše v jednom pouzdře", tedy z pouzdra napevno vykukuje měřicí sonda a současně je zde i nějaká indikace úrovně ve formě indikačních LED nebo nějakého malého displeje. Rozdíl mezi domácími a profesionálními provedeními obvykle je hlavně v přesnosti měření a množství vyhodnocovacích funkcí.

Nicméně celkově zde uvedené rozdělení měřicích sond není žádné "dogma" a tyto kategorie mohou různě přes sebe přesahovat.

Příklad velmi kompaktních sond, které jsou již pevně součástí celku s měřící a zobrazovací jednotkou.

Vyhodnocovací a ovládací jednotky

Jak již bylo uvedeno výše, nemusí být u některých zařízení měřících kvalitu vody hned na první pohled patrné, co je ještě sonda a co je již vyhodnocovací / ovládací jednotka (digitální měřiče / HMI). U kompaktních a kapesních provedení to často bývá v provedení "vše v jednom". U ostatních provedení pak je obvykle externí jednotka umístěná na stole (laboratorní provedení), v kufříku (profesionální přenosné provedení), nebo v nějaké průmyslové skříni či rozvaděči (u průmyslových provedení) a do ní se připojují měřicí sondy.

Moderní laboratorní a průmyslové digitální jednotky již pak existují i v tzv. vícekanálovém provedení (s více vstupy), kde je možné současně měřit i s více digitálními sondami. V této verzi je pak obvykle možné na vstup připojit různé digitální sondy pro různé parametry (pH, kyslík, vodivost) a tak je možné takové sestavy využívat současně jako pH metr, oximetr nebo konduktometr. Také bývají vybaveny pamětí, kalibrací a celou řadou dalších podpůrných funkcí, které zaručují kvalitu výrobcem deklarovaných parametrů měření a upozorňují uživatele na vzniklé odchylky a možné chyby.

Příklady nejběžnějších typů provedení vyhodnocovacích jednotek pro měření parametrů kvality vody - zhora odleva: laboratorní, průmyslové, multifunkční profesionální kompaktní, orientační kompaktní, IoT jednotka bez displeje pro moderní IoT bezdrátovou komunikaci.

Závěr

Zde jsem se pokusil vytvořit základní přehled možných provedení měřičů kvality vody. Vzhledem k tomu, že je v tomto směru na trhu opravdu široké množství různých provedení, není někdy jednoduché se přesně v nabídce vyznat. Obvykle je nutné zejména ujasnit, pro jaký účel by měřič měl sloužit, jak by měl být odolný (jaký stupeň krytí a jaký rozsah provozních teplot), jaké veličiny, jak rychle a s jakou přesností by měl být schopen měřit. Podle těchto voleb je pak dobré najít vhodného prodejce a následně si již nechat od něj konkrétně navrhnout vhodné provedení pro danou požadovanou aplikaci.

V příštích článcích o měření kvality vody si pak blíže ukážeme některé zajímavé konkrétní zástupce některých výrobců.

Odkazy:

Hodnocení článku: 

Související články

Komentáře

Miloslav Semler (neověřeno) - 26. Únor 2022 - 21:57

Trošku mě mrzí, že v článku nejsou zmíněni tuzemští výrobci této techniky, tedy například i my. Stručně bych doplnil jen pár informací, které v článku nejsou. ISFET je technologie, která se používá již řadu let, atále však trpí určitým neduhem v podobě krátké životnosti. Integrovaná řešení jsou zajímavá, ale nutno říct, že elektronika v sondě vydrží mnohem déle než sonda samotná. Její životnost se odvíjí od aplikace a může se pohybovat třeba od několika měsíců do několika let. Takže pokud máte integrované řešení tak po půl roce ho celé vyhodit je trošku škoda.

Různí výrobci nabízí různě integrovaná řešení. Často se stává, že zákazník zjistí, že je modul buď špatně dostupný nebo příliš drahý. Integrované řešení pak způsobuje problémy při pokusu nahradit to jiným, dostupnějším řešením, protože integrované řešení po půl roce odešlo (ne snad z důvodu kvality ale třeba z důvodu aplikace) a zákazník nechce každých půl roku platit xy tisíc a ještě čekat měsíc na dodání.

Pokud tedy nasazujeme něco do aplikace, volíme zpravidla oddělený kontroler a k tomu sondu, kterou lze snadno měnit.