Desenvolvimento de um sensor de turbidez para aplicações marítimas por sensorização ótica e por reflexão acústica

Abstract

A presente dissertação de Mestrado está inserida no projeto Next-Sea do grupo CMEMS da Universidade do Minho, que tem como objetivo a criação de bases para a nova geração de monitorização, planeamento e gestão de regiões costeiras, com vista a promover e monitorizar ecossistemas marítimos mais resilientes. Dentro deste quadro geral é pretendido o desenvolvimento de equipamentos discretos, de baixo custo, baixo consumo, georreferenciados, capazes de recolher e registar dados, e que possam ser colocados tanto na coluna de água como no fundo do mar. Desta forma, o trabalho elaborado consiste no desenvolvimento de aparelhos capazes de medir e analisar de forma contínua a turbidez de águas marítimas e/ou fluviais. Para tal, foram desenvolvidos dois instrumentos distintos: um sensor de turbidez por processos óticos para medição da concentração de partículas em suspensão e um sensor por princípios acústicos para caracterização de tamanhos de sedimentos. O sensor ótico desenvolvido assenta em três tipos de tecnologias de deteção luminosa (nefelométrica, luz transmitida e reflexão para trás) fazendo uso de uma fonte de luz e três fotodetetores infravermelhos numa configuração radial. Um par emissor-recetor com um comprimento de onda ultravioleta é também utilizado com o objetivo de fazer uma distinção entre matéria orgânica e inorgânica. Após uma calibração em laboratório o sensor esteve em monitorização contínua em ambiente real durante 20 dias de forma a avaliar o seu funcionamento. O sensor acústico é inspirado da tecnologia ABS (Acoustic backscatter profiling sensors) e tem o princípio de funcionamento de um sonar ultrassónico ativo. É pretendido fazer a leitura da magnitude dos ecos recebidos fazendo uma correspondência com o tamanho radial dos sedimentos em suspensão e utilizando o tempo de voo para calcular a distância a que se encontram do sensor. Para a realização da transdução elétrica-mecânica foram utilizados três piezoelétricos de 1MHz, 2MHz e 5MHz, usados como emissor e recetor. O instrumento final desenvolvido engloba o dimensionamento de todo o hardware e software inerentes ao controlo de atuação dos transdutores, sensorização dos ecos ultrassónicos e armazenamento e processamento dos dados.

The present Masters dissertation was developed in Next-Sea project of CMEMS - University of Minho and has de main goal to create the bases to the new monitoring generation, planning and management of the coastal areas to promote and monitor more resilient marine ecosystems. The investigation group pretends to develop discrete sensors, low cost, low power, georeferenced, capable of collecting and recording data, and which can be installed either in the water column or on the seabed. In the present work is developed two types of turbidity sensors for under-water in situ measurement: an optical device for measuring the concentration of suspended particles in the water and an acoustic one for characterization of the sediment sizes. The optical sensor relies on three different light detection technologies (backscattering, nephelometry and transmitted light) using three photodetectors and an infrared light source in a radial configuration. An ultraviolet receptor-emitter pair is also used to distinguish organic and inorganic matter. After a laboratory calibration, the sensor was in continuous monitoring in real environment for 20 days to evaluate its operation. The acoustic sensor is inspired in the ABS technology (Acoustic backscatter profiling sensors) and works as an active ultrasonic sonar. It’s intended to sense the acoustic backscattering strength of underwater targets, matching to the radial size of the suspended sediment and use the time flight to calculate the distance to the instrument. For the electrical-mechanical transduction, three piezoelectric transductors are used as emitter and receiver, operating at 1MHz, 2MHz and 5MHz. The final device includes the scale out of all the hardware and software required to the transductors actuation control, ultrasonic targets sensing and data storing and processing.