Veden laadun mittauslaitteisto

RE-maatila |

Joni Kosamo ja Kaija Karhunen, Oulun ammattikorkeakoulu

Mittausanturit asennetaan vesistöön ja siten saadaan tietoa mitattavan kohteen veden laadusta ja määrästä. Kerätty data saadaan tiedonsiirtolaitteiston avulla tiedonkäsittelypalveluun. Virtalähteenä toimii kaksi akkua ja akkujen lataamiseen käytetään aurinkopaneelia. Mittaustuloksia ja laitteiston tilaa voidaan seurata käyttäjätunnusten avulla tietokoneen tai muun mobiililaitteen kautta. Vedenlaatumittauksia on tehty salaojakaivoissa ja avo-ojissa OSAO:n opetusmaatilan viljelyksillä Muhoksella vuosina 2016, 2017 ja 2018.

Laitteisto, anturit ja mitattavat parametrit

Seuraavissa selostetaan automaattisten vedenlaadun mittausjärjestelmien kokoonpanot. Kohteessa on käytetty kahta automaattista vedenlaadun mittausjärjestelmää. ”OAMK1”( = pohjoinen kaivo), ja ”OAMK2” –mittausjärjestelmä (= eteläinen kaivo) koostuu anturimoduulista, neljästä anturista, kahdesta akusta, dataloggerista, regulaattorista ja aurinkopaneelista. Automaattisen vedenlaadun mittausjärjestelmän mittaamat parametrit ovat veden pH, sähkönjohtavuus eli johtokyky, nitraatti- ja ammoniumtyppi, happipitoisuus ja virtaamamittaus. Anturimoduulin, näyttömoduulin ja anturit on valmistanut Hach Lange. EHP-tekniikka on asennushetkellä varmistanut antureiden kalibroinnit.

pH-anturin toimintaperiaate

Veden pH:n mittaukseen käytettiin pH-anturia (pHD sc differentiaali, Ryton, DPD1R1, Hach Lange). Anturi (KUVIO 1.) reagoi pieniinkin muutoksiin veden pH:ssa. Anturi (differentiaalianturi) on tarkoitettu mittaamaan luonnonvesiä tai jätevesiä. Anturi toimii parhaiten pH-alueella 2- 12.

Differentiaaliantureiden toiminta perustuu kolmeen mittauselektrodiin normaalin kahden elektrodin sijasta. Kolmas elektrodi mittaa pH-arvoa referenssiliuoksessa pH7, johon varsinaista mittauselektrodia verrataan. Differentiaalisen anturin muun muassa mittaustarkkuus on tavallisia antureita parempi ja se on huoltovapaampi (Onkamo 2010).


KUVIO 1. pH-anturi. Kuva: Laura Karhu

Johtokykyanturin toimintaperiaate

Johtokykyanturina oli 3412 sc Sensor, Hach Lange. Mittausalue anturilla on teknisten tietojen mukaan 1 – 2000 µS/cm. Anturissa on myös lämpötilasensori, jonka avulla huomioidaan lämpötilan vaikutus johtokykymittaukseen (Hach Lange 2014).

Johtokykymittauksessa ionit kuljettavat sähkövirtaa liuokseen upotettujen, jännitelähteeseen kytkettyjen elektrodien välillä. Liuoksen sähkönjohtavuus määritetään mittaamalla joko sen vastus eli resistanssi (R) tai johtokyky eli konduktanssi (G). Johtokyky on vastuksen käänteisarvo. Liuoksen sähkönjohtavuus eli ominaisjohtokyky (γ) voidaan laskea mitatusta vastuksesta tai johtokyvystä kaavalla (Jaakkola 2009).

Lämpötila vaikuttaa johtokykyyn. Lämpötilan kasvaessa ionien johtokyky kasvaa. Tällöin johtokyvyn kasvu on riippumaton liuoksen konsentraatiosta. Jotta mittauksessa lämpötilanaiheuttama virhe olisi mahdollisimman pieni, lämpötila olisi pidettävä vakiona ± 0,5°C:n tarkkuudella (Jaakkola 2009).

Sameuden mittauksissa käytetty anturi ja sen mittausmenetelmä

Sameus-anturilla (SOLITAX sc Ts- line, Hach Lange) voidaan mitata sekä veden sameutta että kiintoaineen määrää vedessä. Sameuden mittausmenetelmä perustuu kaksisäteisen sironneen infrapunavalon mittaukseen 90° kulmassa, jossa on värin kompensointi. Anturi mittaa normin DIN EN 27027 mukaisesti sameuspitoisuuksia. Anturinteknisissä tiedoissa annettu mittausalue on sameudessa välillä 0,001-4 000 FNU (Hyxo Oy 2013).


KUVIO 2. Kiintoaineanturi. Kuva: Laura Karhu

Veden ammonium- ja nitraattitypen mittauksissa käytetty anturi

Ioniselektiivisissä elektrodeissa käytetään erikoiskalvoa, johon vain tietyntyyppinen ioni voi kiinnittyä. Tämän seurauksena kalvon pinnalle muodostuu ionispesifinen jännite. Jännite-eron mittaamista varten tarvitaan referenssijärjestelmä, johon mitattava näyte ei vaikuta. CARTICALTM-tekniikka vähentää ristiherkkyyttä kalibroimalla yksittäiset elektrodit ja mittaelektrodit yhdessä kompensaatioelektrodien ja referenssin kanssa. Tämä tehdään jo tehtaalla. Referenssijärjestelmä on suunniteltu differentiaalista pHD-tekniikkaa hyödyntäväksi, ja siksi se on erityisen vakaa, mitä tulee siirtymään ja kontaminaatioon. AN-ISE sc -anturissa käytetään ioniselektiivistä elektrodia ammonium- (NH4+) ja nitraatti-ionien (NO3–) mittaamiseen jätevesinäytteistä. Kaliumin (ammoniumia mitattaessa), kloridin (nitraattia mitattaessa) ja lämpötilan aiheuttamat häiriöt kompensoidaan soveltuvilla kiinteillä elektrodeilla (Hach Lange, Käyttöopas).

Veden liuenneen happipitoisuuden mittauksissa käytetty anturi

LDO sc on optinen luminesenssi happianturi liuenneen hapen mittaukseen. Anturi on yhdistetty mittausasemaan. Hankittu 2017.


KUVIO 3. Liuenneen hapen luminesenssimittaus perustuu optiseen tekniikkaan ja siinä mitataan valonsäteen kulkuaikaa valonlähteestä luminesenssikalvolle ja takaisin. Valonsäteen matkaan käyttämä aika riippuu mitattavan nesteen liuenneen hapen määrästä. Optinen mittaus eliminoi kaikkien ulkoisten häiriötekijöiden vaikutuksen mittaukseen, joten se toimii luotettavammin kuin elektrokemialliset mittaukset. (Hyxo Oy 2013).

Optinen mittaustekniikka takaa erittäin tarkan ja luotettavan mittaustuloksen pitkälläkin aikavälillä. LDO-anturi ei tarvitse kalibrointia eikä aikaavieviä huoltotoimenpiteitä. Ainoa vaihdettava osa on anturin luminesessikalvo, jonka vaihtaminen on helppoa ja nopeaa (Hyxo Oy 2013).

Datan siirto ja datapalvelu

Anturi- ja näyttömoduulin (SC 1 000, Hach Lange) avulla voidaan ohjata laitteistoa, mittausta ja tarkastella tuloksia. Anturimoduuli (KUVIO 3.) sijaitsee vesitiiviissä suojakotelossa. Anturit kytketään anturimoduuliin, johon on mahdollista liittää samanaikaisesti useita antureita. Tieto siirtyy anturimoduulista, joko digitaalisesti tai analogisesti tiedonsiirtolaitteistoon (dataloggeriin), joka sijaitsee myös samassa kotelossa anturi- ja näyttömoduulin kanssa (EHP-tekniikka Oy)


KUVIO 4. Anturimoduuli ja näyttömoduuli. Kuva: Kaija Karhunen

Toisessa kotelossa sijaitsevat ulkoisen virtalähteen kiinnityskohta sekä kaksi 12 voltin akkua.  Dataloggeriin menevät kaikki mittaustiedot päätelaitteesta ja akkujen tilaa koskevat tiedot, jotka lähetetään edelleen laitetoimittajan tiedonkäsittelypalveluun (datapalvelu). EHP-tekniikka Ltd:n tuottaman datapalvelun kautta voidaan seurata mittaustuloksia esimerkiksi päivittäin tai viikoittain. Palvelusta näkee myös akkujen virtamäärät. Jos akkujen virtamäärät menevät liian alas (alle 12 V), palvelusta tulee hälytys puhelimeen tai sähköpostiin, jolloin asia pystytään korjaamaan. Palvelun kautta voidaan myös muokata mittaustiheyttä. Lisäksi datapalvelussa voidaan syöttää raja-arvot tuloksille.


KUVIO 5. Kaksi akkua mittauslautan suojakotelossa. Kuva: Kaija Karhunen

EHP-tekniikka Ltd:n tuottaman datapalvelun kautta voidaan seurata mittaustuloksia esimerkiksi päivittäin tai viikoittain. Palvelusta näkee myös akkujen virtamäärät. Jos akkujen virtamäärät menevät liian alas (alle 12 V), palvelusta tulee hälytys puhelimeen tai sähköpostiin, jolloin asia pystytään korjaamaan. Palvelun kautta voidaan myös muokata mittaustiheyttä (esimerkiksi minuutista 15 minuuttiin). Lisäksi datapalvelussa voidaan syöttää raja-arvot tuloksille (EHP-tekniikka Oy)

Veden virtaaman mittauksissa käytetty mittauslaitteisto

Molempien kaivojen yhteyteen rakennettiin keväällä 2017 virtaamamittauskaivo. EHP-600MS –mittakaivo jatkuvatoimiseen virtaaman mittaamiseen. Laitteisto sisältää EHP-600M mittakaivon, joka on PE-muovia ja sillä on tuplaseinämärakenne. Laitteiston korkeus on 2000 mm ja sisähalkaisija on 600 mm. Laitteisto mittakaivon sisällä, jonka avulla mittaaminen tapahtuu, koostuu Thompsonin mittapadosta (45° kärkikulma, V-patolevy on PE-muovia, jäykistetty ja purkautumiskynnys on viistetty 60 asteen kulmaan). Ratkaisu soveltuu pienten virtaamien mittaukseen (0,01 l/s alkaen).

Pinnankorkeusanturi mittaa V-aukon pinnankorkeuden vaihteluita. Veden pinnankorkeuden mittausanturi on STS PTM/N, mittausalue 0-1 mVp. Anturi soveltuu asennettavaksi v-patoihin tai v-padollisiin mittakaivoihin. Tarkkuus ≤ 0,25 % mittausalueesta. Pinnankorkeustieto yhdistetään v-patokaavaan EHP-Datapalvelussa, jolloin asiakas näkee kohteen virtaamatiedon (esim. l/s) ja tarvittaessa valunnan (l/s/km2), mikäli ilmoittaa kohteen pinta-alan EHP-tekniikalle. Anturin kalibrointi tapahtuu EHP-Datapalvelussa EHP-tekniikan toimesta asiakkaan ilmoittaman aikaan sidotun pinnankorkeustiedon mukaan tai automaattisesti EHP-tekniikan tekemän asennuksen tai huollon yhteydessä. Suositellaan anturin kalibrointia kahdesti vuodessa. Anturi huolletaan huuhtelemalla sitä puhtaalla vedellä. Painekalvoon ei saa koskea ja pinta pyyhitään paperilla. Anturi on yhdistetty EHP-tekniikan dataloggeriin.

Kaivossa on lisäksi lämpöeristetty kansi, nostorivat, ilmastointiputki ja välikansi huoltoluukkuineen. Välikansi on 500 mm kannen alapuolella. Mittakaivo aiheuttaa n. 20–30 cm padotuksen. Välikannessa on 300 x 300 mm tarkastusluukku, joka soveltuu mm. Vesinäytteen ottoon. Kaivon sisälle on asennettu mitta-asteikko käsin tehtävää pinnankorkeusmittausta varten. Paineanturin alaslaskuputki on kiinteästi asennettuna kaivoon. Mittakaivo on kevyt, joten se on suhteellisen helposti siirrettävissä pois kohteesta (vaatii toki kaivinkoneen). Mittakaivo on lämpötaloudellinen ja suunniteltu ympärivuotiseen virtaaman mittaukseen. Sen välikansi on EHP-Tekniikan patentoima. EHP-tekniikan asentamana mittakaivo toimii talvisinkin niin, ettei vesi kaivossa pääse helposti jäätymään ja mikäli ääriolosuhteissa jäätyy (virtaus tuolloin 0 l/s), on anturit sijoitettu niin, että ne pysyvät sulassa vedessä ja toimintakykyisinä.


KUVIO 6. Veden virtaama- ja valuntamittauksessa käytetty laitteisto. (EHP-tekniikka 2017)

Kuviossa olevat dataloggeri ja modeemi eivät sijaitse tuossa virtaamamittausasemassa vaan ne on kytketty samaan dataloggeri-modeemi-aurinkopaneelilaitteistoon kuin muutkin mittaavat anturit. (EHP-tekniikka 2017.)

Lähteet
EHP-tekniikka Oy. https://www.ehpenvironment.com/
Hach Lange, Käyttöopas, DOC023.63.90137, AN-ISE sc –anturi,10/2012, painos 4A
Hyxo Oy 2013. https://hyxo.fi/products/fi/ldo-p-70-24/
Jaakkola, E. 2009, Automaattisen pH- ja johtolukumittauslaitteiston käyttöönotto ja validointi. Lopputyö. Turku.
Onkamo, M. 2010. pH:n mittaukset prosessiteollisuudessa. Opinnäytetyö. Tampereen ammattikorkeakoulu.

 
 

 
DMS