Sensor de turbidez: qué es y cómo funciona

En este blog hemos tratado multitud de componentes eléctricos para los proyectos DIY. Algunos relacionados con el agua, como algunas válvulas, medidores de caudal, bombas, etc., sin embargo, quizás los makers necesiten algo más allá de eso, como es el sensor de turbidez.

Gracias a este tipo de sensor, se puede medir la turbidez de un líquido, como puede ser el agua, o también para otras muchas aplicaciones como veremos más adelante…

Turbidez de los líquidos

La turbidez es una medida de la dispersión de la luz causada por partículas suspendidas en un fluido, es un parámetro crucial en diversas industrias, desde el tratamiento de aguas hasta la producción de alimentos y bebidas. Por ejemplo, medir la turbidez o partículas en suspensión presentes en un agua puede determinar el grado de pureza, o si está contaminada con sólidos de algún tipo. También puede usarse para controlar procesos industriales con mezclas líquidas de químicos, o para la fermentación de la cerveza y otras bebidas, o el control de la decantación de partículas o precipitado, calcular la efectividad de floculantes. También puede ser interesante para tareas de investigación medioambiental, monitorizando las aguas de lagos, ríos, mares, e incluso de pozos subterráneos… Las aplicaciones son muy diversas, como veremos más adelante.

¿Qué es un sensor de turbidez?

Los sensores de turbidez, o medidores de turbidez, son dispositivos diseñados para cuantificar esta propiedad, han evolucionado significativamente, ofreciendo una precisión y fiabilidad cada vez mayores. Los puedes encontrar en formato grande, para comprobar la eficacia de sistemas de agua potable con filtración por ósmosis inversa, hasta en otros procesos industriales controlados por software SCADA, pasando por sensores de turbidez pequeños para proyectos DIY. Si eres un maker, debes saber que hay algunos en formato módulo, por lo que los podrás incluir en tus proyectos de forma sencilla, como otros muchos módulos para Arduino.

La calibración regular de los sensores de turbidez es esencial para garantizar la precisión de las mediciones, también una buena limpieza de la célula de medición o detector. Para ello, te recomiendo leer los datasheets del modelo que has elegido, ya que se utilizan patrones de turbidez certificados para establecer una curva de calibración. De lo contrario, no solo puede hacer que su vida útil sea inferior, también podría hacer que las mediciones no sean correctas. Así mismo, dependiendo del tipo de fluido a comprobar, podría generar otros daños al sensor, como puede ser corrosión en caso de ser un líquido ácido, o generar cal si es un agua dura, formación de algas, y más…

Ten en cuenta que existen algunos otros factores que también pueden alterar la medición, incluso si el mantenimiento del sensor es bueno:

Longitud de onda de la luz: la elección de la longitud de onda influye en la sensibilidad del sensor a diferentes tamaños de partículas.
Ángulo de detección: el ángulo al que se mide la luz dispersada determina el rango de tamaños de partículas que se pueden detectar.
Material de la celda de medición: debe ser transparente y resistente a los productos químicos que se van a analizar.
Temperatura: puede afectar la densidad de las partículas y, por lo tanto, la turbidez.
Color de la muestra: las muestras coloreadas pueden interferir en la medición de la turbidez.
Precisión y tolerencia del sensor: puede haber distintos modelos con precisiones y tolerancias diferentes, y esto es importante a la hora de elegir el adecuado. También habrá algunos con límites en cuanto al tamaño de partículas detectables.

Funcionamiento del turbidímetro

Un sensor de turbidez, en esencia, es un instrumento óptico que mide la intensidad de la luz dispersada por las partículas presentes en un fluido. El principio fundamental se basa en la ley de Rayleigh, que establece que la intensidad de la luz dispersada es proporcional a la cuarta potencia del diámetro de las partículas y al cuadrado de la longitud de onda de la luz incidente.

Por tanto, el sensor de turbidez tendrá unas partes clave, como:

Fuente de luz: generalmente una lámpara halógena, LED o láser, emite un haz de luz de una longitud de onda específica a través de la muestra.
Detector: un fotodetector (fotodiodo, fotomultiplicador) mide la intensidad de la luz dispersada a un ángulo determinado.
Celda de medición: contiene la muestra y proporciona un camino óptico definido para la luz.
Electrónica: procesan la señal del detector y la convierten en una lectura de turbidez.

Por otro lado, entre los diferentes tipos de medidores de turbidez podemos encontrar varias formas de medir la presencia de estas partículas en suspensión:

Nefelometría: mide la luz dispersada a un ángulo de 90 grados respecto al haz incidente. Es el método más común para medir turbidez baja y moderada.
Transmisión: en este caso se basa en la medición de la luz que atraviesa la muestra. Se utiliza para medir turbidez alta.
Absorbancia: se centra en precisar la luz absorbida por las partículas. Se aplica en casos específicos donde la dispersión es mínima.

Además de tener todo esto presente, comprueba también los voltajes, consumos, intensidad de trabajo, rangos de temperatura operativa, o la compatibilidad con tu proyecto…

Dónde comprar y precios de un sensor de turbidez

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Puedes encontrar sensores de turbidez a buen precio en multitud de plataformas especializadas en electrónica, y también en tiendas como Aliexpress o Amazon. En estos sitios, podrás conseguir precios asequibles y una gran variedad de modelos para satisfacer tus necesidades. Aquí te muestro algunas recomendaciones, dos formatos con módulo basados en efecto Tyndall, y un medidor más industrial empleado para medir calidad del agua en proyectos más avanzados, como en plantas depuradoras, potabilizadoras, etc.

IMPORTANTE: estos dispositivos no suelen ser sumergibles, solo lo es una parte de la sonda. Así que, cuidado si no quieres estropearlo.

Aplicaciones prácticas

Ya conoces algunos de los posibles usos o aplicaciones de un sensor de turbidez, ya que he citado algunos en el texto con anterioridad. Sin embargo, aquí tienes una lista con algunos de los usos más populares, para inspirarte en tus proyectos futuros:

Tratamiento de aguas: monitoreo de la calidad del agua potable, aguas residuales y aguas de proceso. También puede servir para proyectos medioambientales, midiendo la calidad del agua de ríos, embalses, lagos, mares, aguas subterráneas, etc. Incluso lo puedes usar en casa si vas a instalar un sistema de depuración para reutilizar las aguas grises para regar plantas, desaladoras, etc.
Industria alimentaria y de bebidas: control de la calidad de productos como zumos, cerveza y vinos. Las bebidas alcohólicas y destiladas en alambiques pueden ser susceptibles a este tipo de partículas en suspensión, y es necesario monitorizar y controlar estos parámetros durante la producción.
Farmacéutica: este sector también puede necesitar de sensores de turbidez para garantizar la calidad de productos inyectables y soluciones oftálmicas, así como de sueros, jarabes, etc.
Química: por supuesto, otra opción es el monitoreo de procesos de filtración y separación, mezclas químicas y más.

Ejemplo práctico de uso de un medidor de turbidez

Por ejemplo, si usamos como base uno de los sensores de turbidez tipo módulo basados en el efecto Tyndall, que se basan en la dispersión de luz proyectada sobre un líquido debido a la presencia de partículas en suspensión, generará mediciones de uno u otro valor según el número de partículas presentes. Este tipo de módulo es bastante efectivo, y se integra a la perfección con Arduino UNO, y permite escribir sketchers en Arduino IDE para controlar de forma fácil.

En este caso, tendremos un rango de detección de entre 0% y 3.5% (0 y 4550 NTU o Nephelometric Turbidity Unito o Unidades Nefelométricas de Turbidez), con una tolerancia de ±0.5%. Además, disponemos de dos modos de operación, ya que permite su uso en salida analógica y digital. En el modo analógico (posición del interruptor en A), la turbidez se calcula mediante la medición del nivel de tensión de la salida del sensor, mientras que en el modo digital (posición del interruptor en D), se mide de forma digital, con un código binario que oscilará entre dos valores.

Por otro lado, si nos fijamos en la datasheet de este sensor de turbidez, vemos que el modelo tienen las siguientes especificaciones técnicas:

Voltaje de alimentación: 5V CC
Consumo: 11mA aproximadamente
Rango de detección: 0% a -3.5%（0-4550 NTU）
Temperatura de trabajo: -30℃ y 80℃
Temperatura de almacenamiento：-10 ℃ y 80 ℃
Tolerancia o margen de error: ±0.5%

En el datasheet también se puede apreciar las curvas o gráficas que relacionan la turbidez medida con la tensión generada a la salida del sensor, así como el pinout que nos ayudará a conectar el módulo con nuestra placa de Arduino de forma correcta:

Verás también dos LEDs, uno que indica que trabaja como PWR, y otro para Dout o salida de datos. Ahora bien, una vez conectamos el módulo a nuestra placa de Arduino, que será tan fácil como conectar VIN a 5V y GND a GND de nuestra placa, y luego S se conecta a donde queremos comprobar la señal, como por ejemplo A0 para analógico, o D13 si queremos mediciones digitales. Además, en este ejemplo se puede usar opcionalmente un LED conectado a una salida digital para la calibración…

Una vez terminado, los códigos que debes escribir en Arduino IDE son los siguientes:

Configuración digital:


/* Prueba del sensor de turbidez en modo D */
#define Turbidy_sensor 2 //Pin digital 2

const int ledPin = 13; //LED asociado al 13

void setup() {
   pinMode(ledPin, OUTPUT); //Configuramos pin 13 como salida
   pinMode(Turbidy_sensor, INPUT); //Configuramos el pin del sensor de turbidez como entrada
}
void loop() {
   if(digitalRead(Turbidy_sensor)==LOW){ //Lectura de la señal del sensor
   digitalWrite(ledPin, HIGH); //Si el sensor indica nivel bajo (LOW) encendemos el LED, es decir, agua más pura
}
else{
   digitalWrite(ledPin, LOW); //Si el sensor indica nivel alto (HIGH) apagamos el LED, es decir, agua sucia o turbia
}
}

Como ves, el módulo también incluye un potenciómetro que podrás ajustar con un destornillador para ajustar el umbral de la señal digital, y adaptarlo a tus necesidades. Puedes usar agua destilada para introducir la sonda y mover el potenciómetro hasta que el LED onboard asociado se encienda o apague, dependiendo de cómo lo hayas configurado en el código. Así se calibra, y luego podrás introducir la sonda en agua turbia para ver que el LED hace lo contrario.

Configuración analógica:

/* Prueba del sensor de turbidez modo A*/

#define Turbidy_sensor A0   

int TurbidySensorValue = 0;  

float Tension = 0.0;  

void setup() {     //Monitorización por el puerto serial para ver valores en pantalla
  Serial.begin(9600); // Velocidad de comunicación  
  Serial.println("Prueba de lectura del sensor de turbidez");  
  Serial.println("========================================");  
  Serial.println(" ");  
  Serial.println("Lectura analógica\tTension");   
  Serial.println("-----------------\t-------");  
}  
void loop() {  
  TurbidySensorValue = analogRead(Turbidy_sensor); // Lectura del pin analógico 0  
  Tension = TurbidySensorValue * (5.0 / 1024.0); // Mapeo de la lectura analógica  

  //Envio de valores y textos al terminal serie  
  Serial.print(TurbidySensorValue);   
  Serial.print("\t\t\t");  
  Serial.print(Tensión);  
  Serial.println(" V");  
  delay(3000);  
}

Si quieres medir en unidades NTU en el modo analógico, usa:


/* Prueba del sensor de turbidez en modo A y mediciones en NTU */  

#define Turbidy_sensor A0  
 
float Tension = 0.0;  
float NTU = 0.0;  
void setup() {    //Medición a través del monitor serie
  Serial.begin(9600); // Velocidad de comunicación  
  Serial.println("Lectura del sensor de turbidez en NTUs");  
  Serial.println("===================================================================================");  
  Serial.println(" ");  
  Serial.println("Tensión\tNTU");   
  Serial.println("-------\t---");  
}  
void loop() {  
  Tension = 0;  
  Tension = analogRead(Turbidy_sensor)/1024*5; // Mapeo de la lectura analógica  
  //Para compensar el ruido producido en el sensor tomamos 500 muestras y obtenemos la media  
  for(int i=0; i<500; i++)  
    {  
      Tension += ((float)analogRead(Turbidy_sensor)/1024)*5;  
    }  
    Tension = Tension/500;  
    Tension = redondeo(Tension,1);  
    //Para ajustarnos a la gráfica de la derecha  
    if(Tension < 2.5){  
      NTU = 3000;  
    }else{  
      NTU = -1120.4*square(Tension)+5742.3*Tension-4352.9;   
    }  
  //Envio de valores y textos al terminal serie  
  Serial.print(Tension);  
  Serial.print(" V");  
  Serial.print("\t");  
  Serial.print(NTU);  
  Serial.println(" NTU");  
  delay(5000);  
}  

float redondeo(float p_entera, int p_decimal)  
{  
  float multiplicador = powf( 10.0f, p_decimal);  //redondeo a 2 decimales  
  p_entera = roundf(p_entera * multiplicador) / multiplicador;  
  return p_entera;  
}

Recuerda que siempre puedes modificar el código para adaptarlo a tus proyectos, esto solo son ejemplos de uso…

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