Zoals je kon lezen in onze voorbije statusupdate boekten we vooruitgang in de verdere ontwikkeling van het water quality monitoring device (WQMD), het sensorsysteem dat projectpartner imec ontwikkelt. We gebruiken en testen verschillende versies van deze sensor momenteel op het terrein. Voor een deel bieden de huidige sensoren functionaliteit die al uitontwikkeld en robuust ingebouwd is. Tegelijk bevatten ze ook andere functies die nog in ontwikkeling zijn. In dit technischer artikel zoomen we dieper in op de verschillende versies van de onderzoekssensor en de kenmerken en parameters die we er stelselmatig aan hebben toegevoegd.
De basisopstelling
Voor wie nog niet helemaal bekend is met het project en de gebruikte technologie: imecs water quality monitoring device (WQMD) bestaat uit twee hoofdonderdelen: een sensor-probe met ingebouwde uitleeselektronica die onder water zit en een meetstation op de oever. Beide zijn met een kabel aan elkaar verbonden. Het meetstation staat draadloos in verbinding met de cloud en zorgt ook voor de stroomvoorziening van het hele systeem, inclusief die van de sensor-probe. Momenteel is naast elke imec-sensor een commerciële referentiesensor opgesteld die toelaat om de data van beide sensoren met elkaar te vergelijken.
Het meetstation (links) is slechts het zichtbare deel van de onderzoekssensor (rechts schematisch weergegeven). Het meetstation is via een kabel verbonden met de sensor-probe die zich onder water bevindt en het meetstation is draadloos verbonden met de cloud voor doorsturen van de metingen.
Tot op heden heeft imec zes versies ontworpen van de WQMD. Omdat de eerste twee versies enkel in het laboratorium zijn getest als proof of concept, gaan we er in dit artikel niet verder op in.
WQMD versie | Sensormetingen | R&D maturiteit | Aantal in gebruik op IoW meetlocaties |
| D3 | EC, Temperatuur | Prototype | 10 |
| D4 | EC, Temperatuur | Prototype | 12 |
| D5 | EC, Temperatuur, pH | Industriële schaal | 8 |
| D6 | EC, Temperatuur, pH, Nitraat | Industriële schaal | – |
Overzicht van de WQMD-versies die in het veld worden getest. Versies D1 en D2 zijn enkel in het laboratorium getest en daarom niet opgenomen in de tabel (EC = elektrische geleidbaarheid/ electrical conductivity).
Versie D3: eerste bruikbare prototype in het veld
Voor de eerste uitrol ontwikkelde imec tien WQMD’s (versie D3) die de temperatuur en de elektrische geleidbaarheid (EC) van oppervlaktewater succesvol wisten te meten op verscheidene locaties in Vlaanderen. Op een aantal locaties overtroffen de sensor-probes de vereisten qua prestaties en robuustheid door tot 475 dagen continu betrouwbare data te genereren zonder tussentijdse kalibratie, schoonmaken of regulier onderhoud.
Toch bleken de prototypes niet geheel foutloos. Bij metingen in grondwater en in afvalwater waren aanpassingen nodig omwille van specifieke uitdagingen zoals de diepte (10m) van de grondwatermeetlocatie en de vermoedelijke elektrische interferentie van de andere aanwezige machines op o.a. rioolwaterzuiveringsinstallatie.
Versie D4: lager energieverbruik en bewezen functionaliteit uit geleerde lessen
Deze inzichten verwerkte imec in de volgende versie van de WQMD (versie D4) door aangepaste keuzes te maken in het elektronisch en productontwerp. Zo zorgde een nieuw ontwerp van de uitleeselektronica dat de sensor (galvanisch) geïsoleerd is van de omgeving en verving imec de kabel tussen sensor en meetstation door een variant die specifiek gecertifieerd is voor onderwatertoepassingen op grote dieptes.
Tegelijk bracht imec verbeteringen aan in de hardware en firmware van het meetstation. Deze zorgen voor een lager energieverbruik en laten ook toe om meer parameters van de EC-sensor op te halen, waardoor we sindsdien gebeurtenissen kunnen detecteren zoals biologische vervuiling (= het opstapelen van algen, planten en micro-organismen door suboptimale waterkwaliteit).
Enkele plaatsen waar versie D4 van de WQMD operationeel is. Van links naar rechts: Ondiep grondwater te Diksmuide (site WPC de Blankaart), riooloverstort te Boezinge (Ieperlee) en de IJzer te Fintele, (linkeroever, stroomopwaarts van het Lokanaal).
Momenteel meten twaalf van deze sensoren de waterkwaliteit op meetlocaties van IoW Flanders. Er is één meetlocatie in grondwater en één meetlocaties in een riooloverstort (afvalwater). De overige tien sensoren staan opgesteld in oppervlaktewater. Met een gemiddelde afwijking van minder dan 5% (N=12) ten opzichte van de referentiesensoren zijn de data van deze imec-sensoren erg accuraat en dit al gedurende hun hele levensduur van meer dan vijf maanden. Het toont aan dat de prototype versies aan de vereisten voldoen voor een accurate en betrouwbare meting van EC en temperatuur in water.
Versie D5: geschikt voor industriële productie
Dankzij de veelbelovende resultaten van de prototypes kon imec zich vanaf versie D5 richten op een ontwerp dat industriële assemblage van de sensoren mogelijk maakt. Sommige van de hiervoor noodzakelijke aanpassingen in het productieproces zorgden voor nieuwe uitdagingen. In parallel met het industrieel ontwerp, bouwde imec een extra functionaliteit in, namelijk een transistor-gebaseerde pH sensor die de zuurtegraad van het water meet en de bijhorende uitleeselektronica. Na uitgebreide testen in het lab, genereert deze versie van de WQMD al voor meer dan honderd dagen accurate pH metingen op de outdoor testlocatie in een vijver.
Bovenop de aanpassingen aan de sensor, kreeg de firmware van het meetstation opnieuw een upgrade. Meer bepaald om datapakketten die verloren gingen door het occasioneel wegvallen van de draadloze verbinding opnieuw te verzenden. Recent rolde het IoW Flanders project acht van deze versies uit voor het meten van zoutgehalte, temperatuur en zuurtegraad (pH) van oppervlaktewater en de komende weken zouden daar nog twaalf extra installaties moeten bijkomen. De verzamelde data van de pH sensoren worden vergeleken met die van de referentiesensoren.
Versie D6: nitraatmeting geïntegreerd
Versie D6 is momenteel in ontwikkeling. Het belangrijkste doel is om in deze versie ook nitraatmeting in te bouwen, De membraan-gebaseerde nitraatsensor van imec vertoont in het lab veelbelovende metingen met een gevoeligheid voor lage concentraties en vergelijkbaar met commerciële nitraatsensoren. En dit gedurende meer dan honderd dagen. De eerste WQMD van versie D6 hopen we binnenkort te water te laten.
Imec werkt intussen ook volop aan algoritmes om de datakwaliteit van sensoren te garanderen. Bijvoorbeeld algoritmes die compenseren voor pH sensor drift (= een inherente verandering van de meetresultaten vanwege de leeftijd van de sensor), of het wegfilteren van occasioneel sterk afwijkende meetpunten zonder relevante achterliggende oorzaak.
