Een groep Avans-studenten heeft onderzocht hoe de flow in een rioolwaterzuiveringsinstallatie te verbeteren is. Zwevende sensorbollen die meestromen in de tanks en onderweg hun positie vastleggen, blijken uitkomst te kunnen bieden.
Dagelijks zuiveren ongeveer 350 rioolwaterzuiveringsinrichtingen (rwzi’s) verdeeld over 22 Nederlandse waterschappen de inhoud van tweeduizend olympische zwembaden aan rioolwater. Belangrijk onderdeel van deze installaties zijn de beluchtingstanks. Met behulp van bacteriën (actief slib) vinden hierin allerlei biochemische reacties plaats om stoffen te binden en te oxideren. Volgens het CBS is het water dat rwzi’s lozen sinds 1990 steeds minder vervuild met koper, fosfor, stikstof en zink. De installaties verwijderen nu al zo’n 85 procent van de stikstof- en fosforverbindingen en vijftig tot negentig procent van de zware metalen.
Om de flow te optimaliseren, laten rwzi’s de waterstromen doorrekenen met computational fluid dynamics-modellen (cfd’s). De validatie van deze modellen is momenteel nog een uitdaging. Wij hebben onderzocht hoe meestromende sensornodes kunnen helpen om de processen beter in kaart te brengen en verder te stroomlijnen, resulterend in goedkopere waterzuivering en misschien wel een beter watermilieu in Nederland.
Sensornodes worden nog niet veel toegepast in de procestechniek en al helemaal niet in rwzi’s. In theorie zouden we een grote hoeveelheid nodes aan het begin van een beluchtingstank kunnen uitzetten, waarna we ze drie dagen later aan het eind van de tank opvangen. De informatie over het afgelegde traject kunnen we gebruiken bij de stromingsanalyse.
Een accurate positiebepaling is hierbij essentieel. Door de grote elektromagnetische absorptie van water, de grote hoeveelheid luchtbellen en de troebelheid is het echter niet mogelijk om draadloos te communiceren onder het wateroppervlak. De sensornodes kunnen hun locatie dus niet realtime doorsturen naar een centraal punt.
Device lifecycle management for fleets of IoT devices
Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .
Alternatief is om de nodes zelf hun positie vast te laten leggen. Met hun ingebouwde inertial measurement unit (imu), bestaande uit een gyroscoop, accelerometer en kompas, kunnen ze hun eigen beweging in een driedimensionale ruimte registreren. Zo kunnen ze hun relatieve verplaatsing bepalen. De realtime klok aan boord zorgt ondertussen voor een nauwkeurige registratie van de tijd. Door de startpositie vast te leggen vlak voordat ze onderduiken en die vervolgens steeds te updaten met de relatieve verplaatsing en de verstreken tijd kunnen de sensornodes zelf hun traject opbouwen onder water. Deze informatie kunnen we uitlezen wanneer ze weer aan het oppervlak komen.
Eén batterijlading
Al vroeg in het project bleek dat de positie bijhouden op deze manier ook geen sinecure is. De belangrijkste uitdagingen waren de fouten die ontstonden door afronding bij de berekening van de relatieve positie en de ruis die de hardware introduceerde. Dit waren dan ook de voornaamste aandachtspunten in ons onderzoek.
We hebben ons geconcentreerd op de selectie van de best toepasbare microcontrollers, gyroscopen, accelero- en magnetometers en algoritmes. Hierbij hebben we onder meer gekozen voor sensorfusiealgoritmes, die data van alle sensoren combineren om afwijkingen te minimaliseren. Daarnaast hebben we gebruikgemaakt van fixed points om de afrondingsfouten tijdens de calculatie zo klein mogelijk te houden.
Een andere uitdaging is de lokale opslag van de data. Naar schatting registreert een sensornode achttienhonderd bytes per seconde aan metingen, wat na drie dagen zou uitkomen op ongeveer 470 MB aan gegevens. Conventionele usb-sticks en sd-kaarten zijn geen optie omdat die (te) veel energie verbruiken. Een energiezuinige nand-flashchip van 512 MB zou uitkomst kunnen bieden. De opgeslagen data naderhand uitlezen kan (eenvoudig) via usb en een terminal.
Om zeker te zijn van accurate metingen stelde de opdrachtgever de additionele eis dat de sensornodes de stromingen in de tank zo min mogelijk beïnvloeden. De vorm en het soortelijk gewicht van de nodes is hierbij ontzettend belangrijk. Willen de waterstromen ze mee kunnen voeren, dan dienen ze een hoge weerstandscoëfficiënt te hebben.
We hebben meerdere vormen bekeken, waaronder een bol, een druppel en een staaf. Daarbij wilden we een uniform lichaam, dat voor turbulente stromingen gelijk is onafhankelijk van de oriëntatie. Na onderzoek hebben we de druppel en de staaf geschrapt omdat deze door hun lage wrijvingsweerstand moeilijker zijn mee te voeren. Uiteindelijk zijn we uitgekomen bij een bol omdat alleen die vorm vanuit alle perspectieven uniform is en voor dit project gemakkelijk te testen was.
Om de bol te laten zweven, dient het soortelijk gewicht gelijk te zijn aan dat van het slibmengsel. In een simpele bak met stilstaand water bleek dat een afwijking van -0,16 procent (0,12 gram) de sensornode al deed drijven. Deze afwijking had geen invloed op het zwevend vermogen in stromend water en kan in theorie een uitkomst zijn voor het opvangen van nodes aan het einde van de tank. Dit alles heeft geleid tot een prototype van 3d geprint ABS met een diameter van acht centimeter en met waterdicht schroefdraad.
Het ongezuiverde water blijft gemiddeld drie dagen in een beluchtingstank voordat het doorstroomt naar een volgende tank. Elke sensornode moet dus minimaal drie dagen kunnen functioneren op één batterijlading. We hebben het energieverbruik per component onderzocht en mogelijke batterijsoorten tegen het licht gehouden. Hierbij kwam onder meer naar voren dat de 32 bit Cortex-M0+-serie van Arm zeer zuinig is dankzij de verschillende slaapmodi. Per klokslag verbruiken deze processoren minder energie dan 8 of 16 bit microcontrollers. Qua accu is de keuze gevallen op lithiumion vanwege de lange levensduur en hoge energiedichtheid vergeleken met supercondensatoren, nikkelmetaalhydride- en nikkel-cadmiumbatterijen.
Extra sensoren
De resultaten van het project zijn dermate veelbelovend dat we hebben besloten er een vervolg aan te geven. Aan de hand van die uitkomsten bepalen we waar de focus komt te liggen. De vooruitzichten zijn nu dat we onder meer draadloos opladen en uitlezen van meerdere modules gaan toevoegen. Daardoor kunnen we volstaan met een behuizing die niet hoeft te worden geopend, wat bijdraagt aan de algehele gebruiksvriendelijkheid.
Het oorspronkelijke doel was om met behulp van de gemeten posities stromingsanalyses uit te voeren, maar we kunnen ons voorstellen dat de nodes er in de toekomst extra sensoren bij krijgen, bijvoorbeeld voor temperatuur, zuurstof- en stikstofgehalte, geleidbaarheid en pH. Het idee is dat uiteindelijk tot wel honderd exemplaren simultaan metingen uitvoeren om cfd-resultaten te valideren en processen te optimaliseren. Cfd-modellering en sensornodes kunnen elkaar daarin prima ondersteunen.