Diferencias entre conductividad, TDS y salinidad en la detección de calidad del agua doméstica

Introducción

En pequeños electrodomésticos inteligentes como purificadores de agua domésticos, dispensadores de agua, cafeteras, vasos inteligentes y bebederos para mascotas, la visualización de valores de calidad del agua se ha convertido en un estándar. Sin embargo, muchos equipos de producto confunden "conductividad (EC)", "TDS" y "salinidad", e incluso alternan entre ellos arbitrariamente en la interfaz de usuario, lo que genera confusión en los usuarios y problemas de posventa. Este artículo está dirigido a marcas, gerentes de producto, ingenieros embebidos, desarrolladores de hardware y clientes OEM, y desde la perspectiva del chip, la sonda, la compensación de temperatura, la lógica de visualización y la validación en producción, aclara las diferencias entre los tres, las limitaciones de conversión y los límites de aplicación, y explica cómo implementar las soluciones relacionadas de AtomBit.

I. Qué es cada uno de los tres indicadores

Conductividad (EC)

La conductividad es una magnitud física que mide la capacidad del agua para conducir corriente eléctrica, y su unidad suele ser µS/cm o mS/cm. El agua pura apenas conduce electricidad; cuanto más iones disueltos contiene el agua (como calcio, magnesio, sodio, iones de cloruro, sulfato, etc.), mayor es la conductividad. La conductividad es un valor medido directamente: la sonda aplica una tensión de excitación alterna o bipolar, mide la corriente que atraviesa la muestra de agua y, a partir de la constante geométrica de la sonda, la convierte en conductividad.

TDS (sólidos disueltos totales)

Los TDS representan la cantidad total de sales inorgánicas y una pequeña cantidad de materia orgánica disueltas en el agua, en unidades de mg/L o ppm. Los TDS de laboratorio suelen obtenerse mediante evaporación y pesaje. Sin embargo, en sensores portátiles o en línea, los TDS no se pesan directamente, sino que se estiman a partir de la conductividad mediante un coeficiente de conversión empírico. Los coeficientes de conversión habituales están entre 0,5 y 0,7, y varían según el tipo de iones predominantes en el agua. Por ejemplo, en sistemas de agua con predominio de cloruro de sodio el coeficiente se acerca a 0,5, mientras que en sistemas con predominio de sulfato de calcio/bicarbonato de calcio se acerca a 0,7 o incluso más. Por lo tanto, un dispositivo que muestra TDS es, en esencia, "un conductímetro + un coeficiente fijo o configurable".

Salinidad (Salinity)

La salinidad es una definición compleja en oceanografía, pero en el agua doméstica suele referirse a la "salinidad equivalente de cloruro de sodio" o "salinidad gustativa". También se obtiene por conversión de la conductividad, pero utilizando un modelo específico de relación salinidad-conductividad. Nota: la salinidad que muestran los dispositivos domésticos no mide por separado los iones de sodio y de cloruro, sino que es un valor equivalente estimado a partir de la conductividad. En cafeteras, descalcificadores y bebederos para mascotas se utiliza habitualmente para evaluar el sabor o la carga iónica.

II. Por qué no se pueden tratar los tres como un mismo resultado

Los tres están relacionados, pero tienen significados físicos distintos. La conductividad es el valor de medición original, los TDS son un valor estimado tras multiplicar por un coeficiente y la salinidad es un valor estimado bajo otro modelo. Para un mismo vaso de agua, si la conductividad es de 300 µS/cm, con un coeficiente de 0,5 se obtienen 150 ppm de TDS, y con uno de 0,7 se obtienen 210 ppm; mientras que la salinidad podría mostrarse como 0,14 ppt (o 140 ppm de equivalente de NaCl) o un valor similar. Si la interfaz del producto muestra los tres valores a la vez, se deben indicar claramente las unidades y la base de conversión; de lo contrario, el usuario pensará que el dispositivo falla.

III. Influencia de la temperatura en la medición y la visualización

La conductividad del agua aumenta de forma notable con la temperatura; normalmente, por cada 1 °C de aumento, la conductividad incrementa alrededor de un 2 % (con ligeras diferencias según la composición iónica). Si no se realiza compensación de temperatura, la lectura de un mismo vaso de agua a 10 °C y a 30 °C puede diferir en más de un 40 %. Por lo tanto, un sensor de calidad del agua fiable debe medir la temperatura del agua y corregir el resultado a la temperatura de referencia de 25 °C.

Solución ASIC de AtomBit:

• BA111 con corrección de temperatura de TDS integrada
• BA121 con corrección automática de temperatura integrada

Ambos obtienen la temperatura del agua mediante un sensor de temperatura en chip y completan la compensación antes de la salida digital. La excitación de la sonda utiliza accionamiento bipolar, lo que reduce el efecto de polarización de la sonda, prolonga su vida útil y mejora la repetibilidad.

IV. Selección de chip y sonda: BA111 vs BA121

BA111: orientado a la visualización directa de TDS

Características principales (según la documentación de producto de AtomBit):

• Rango de medición de TDS de 0–3000 ppm
• Medición de un solo canal
• Corrección de temperatura de TDS
• Accionamiento bipolar
• Control por UART
• Muy pocos circuitos externos

Aplicaciones típicas: visualización de la vida útil del filtro del purificador, salida del valor de TDS del dispensador de agua, referencia de calidad del agua en vasos inteligentes.

BA121: orientado al valor bruto de conductividad y a la conversión personalizada

Características principales:

• Medición de conductividad y temperatura del agua en un solo canal
• Algoritmo patentado de conversión de conductividad
• Corrección automática de temperatura
• Accionamiento bipolar
• Muy pocos componentes externos

Aplicaciones típicas: productos que necesitan datos brutos en µS/cm, o que requieren personalizar los coeficientes de conversión de TDS/salinidad según su propia fuente de agua y tipo de filtro.

Tabla comparativa

Método de decisión de selección:

• Si solo se necesita visualizar TDS en ppm y el agua objetivo es relativamente estable (por ejemplo, agua de la red municipal tras una membrana de ósmosis inversa), el BA111 es más cómodo.
• Si se necesita el valor bruto de conductividad, admitir múltiples fuentes de agua o personalizar la visualización de salinidad, el BA121 es más flexible.
• Ambos chips pueden comunicarse con el MCU a través de UART y su integración de hardware es similar, pero el análisis del firmware y las fórmulas de cálculo son diferentes.

V. Consideraciones sobre el diseño de la sonda y la integración

La constante de la celda de conductividad (K) determina el rango de medición. Las constantes de celda habituales son K=1,0 o K=0,1, y deben coincidir con la excitación y el rango del ASIC. El material de los electrodos de la sonda debe ser resistente a la corrosión y a las incrustaciones; normalmente se utiliza acero inoxidable, titanio o grafito. Se recomienda:

• Utilizar una estructura de dos o cuatro electrodos; el accionamiento bipolar puede mitigar la polarización de un solo electrodo.
• La ubicación de instalación de la sonda debe evitar la acumulación de burbujas, con un flujo de agua estable.
• El sensor de temperatura debe tener un buen acoplamiento térmico con el electrodo de conductividad; de lo contrario, la compensación se retrasará o será errónea.
• Los materiales en contacto con alimentos deben cumplir la normativa correspondiente.

VI. Límites de visualización del producto y comunicación con el usuario

Los dispositivos domésticos no son instrumentos de laboratorio; los valores mostrados deben posicionarse como "indicación de tendencia" y "referencia de cribado". Las siguientes prácticas pueden reducir los malentendidos de los usuarios:

• En la visualización de TDS, indicar "valor estimado" o "valor de referencia", con unidad ppm.
• En la visualización de EC, usar µS/cm e indicar la referencia a 25 °C.
• En la visualización de salinidad, indicar "equivalente de NaCl" o "salinidad relativa".
• En la gestión del filtro, destacar la tasa de cambio antes y después de la purificación, en lugar de la precisión absoluta. Por ejemplo, si el TDS del agua de salida de una máquina de ósmosis inversa baja de 200 ppm a 10 ppm, indica una tasa de eliminación del 95 %; esta tendencia es más fiable que el valor absoluto de un solo punto.
• El manual del producto debe declarar claramente: este dispositivo está destinado al cribado doméstico y no al cumplimiento normativo ni al análisis de laboratorio.

VII. Posicionamiento del dispositivo portátil multiparámetro Water Detective 4

El Water Detective 4 es un bolígrafo portátil de detección de calidad del agua personal/doméstico que integra nueve indicadores: TOC, COD, UV254, TDS, EC, turbidez, dureza, salinidad y temperatura. Es adecuado para el agua doméstica, la comparación de la eficacia de purificadores de agua, el cribado diario de muestras de agua y el uso por parte del personal de servicio en campo. Su proceso de detección rápida portátil no requiere grandes equipos de laboratorio. No obstante, hay que subrayar: sigue siendo una herramienta de cribado de consumo, y el principio de medición de TDS/EC/salinidad es similar al de las soluciones de chip mencionadas, mientras que indicadores como TOC/COD/UV254 se estiman rápidamente por métodos ópticos y no pueden sustituir a los métodos estándar de laboratorio. Es adecuado para que las marcas lo utilicen como herramienta de detección posventa o demostración de producto, y también puede servir como bolígrafo de detección complementario para electrodomésticos inteligentes.

VIII. Pasos de implementación: del chip a la validación del producto completo

1. Definición de requisitos: ¿el producto muestra TDS, EC o salinidad? ¿Quién es el usuario objetivo? ¿Es necesario distinguir entre agua de entrada y agua purificada?
2. Selección del ASIC: elegir BA111 o BA121 según el método de decisión de la sección anterior.
3. Diseño de la sonda y la estructura: determinar la constante de la celda de conductividad y que los materiales cumplan los requisitos de contacto con alimentos.
4. Diseño del circuito: el circuito periférico del ASIC es muy reducido; prestar atención principalmente a la desacoplamiento de la alimentación, la interfaz UART y la conexión de la sonda.
5. Desarrollo de firmware: leer los datos a través de UART, configurar la frecuencia de muestreo y el filtrado. Si se utiliza el BA121, es necesario implementar fórmulas personalizadas de TDS o salinidad.
6. Proceso de calibración: utilizar soluciones estándar de conductividad (como 1413 µS/cm, 12,88 mS/cm) o soluciones estándar de TDS conocidas, y realizar una calibración de uno o dos puntos en un entorno a 25 °C. Los coeficientes de calibración se escriben en el MCU o en los registros configurables del ASIC (si los admite).
7. Algoritmo de vida útil del filtro: establecer umbrales o tasas de cambio. Por ejemplo, cuando el valor de TDS del agua purificada supera el umbral establecido (como 50 ppm) o la tasa de eliminación del agua de entrada es inferior al 80 %, recordar el cambio del filtro.
8. Validación del producto completo: realizar según la sección IX siguiente.

IX. Limitaciones y métodos de validación

Limitaciones:

• El factor de conversión de TDS varía según la composición iónica del agua, y un factor fijo puede provocar desviaciones de ±20 % o superiores.
• El algoritmo de compensación de temperatura se basa en soluciones iónicas típicas; en temperaturas extremas (como cerca de 0 ℃ o por encima de 60 ℃), la precisión de la compensación puede disminuir.
• La incrustación de la sonda, las burbujas y las variaciones en la velocidad del flujo de agua pueden afectar la medición.
• Si el modelo de salinidad se calibra únicamente con cloruro de sodio, puede sobreestimar aguas con alta dureza.
• Los sensores de nivel de consumo tienen resolución limitada y no pueden utilizarse para detección de cumplimiento normativo.

Métodos de verificación:

• Verificación con soluciones estándar: medir diferentes soluciones estándar a 25 ℃ y registrar la desviación de las lecturas.
• Prueba de gradiente de temperatura: colocar la misma solución estándar en baños de agua a 5 ℃, 15 ℃, 25 ℃, 35 ℃ y 45 ℃, y comprobar la consistencia de las lecturas tras la compensación de temperatura.
• Prueba de deriva a largo plazo: operar de forma continua durante 500 horas, registrar datos cada hora y calcular la deriva.
• Consistencia en producción en serie: extraer muestras de cada lote y compararlas con un conductímetro de sobremesa de laboratorio para calcular el error relativo.
• Pruebas de interferencia: probar en diferentes muestras de agua (como con burbujas, con dureza, con materia orgánica) para comprender las limitaciones.

Diez, FAQ

P1: ¿Cuanto menor sea el valor de TDS, mejor? R: No necesariamente. El agua pura por ósmosis inversa (RO) suele tener un TDS muy bajo, pero el agua que conserva minerales puede tener un TDS más alto y mejor sabor. Los productos domésticos deben establecer objetivos razonables según el tipo de filtro, y no limitarse a promocionar que "cuanto menor sea el TDS, mejor".

P2: ¿Por qué diferentes marcas de medidores de TDS dan lecturas distintas para el mismo vaso de agua? R: Porque el factor de conversión, el algoritmo de compensación de temperatura, la constante de la sonda y el estado de calibración son diferentes. Las diferencias entre productos domésticos son normales; el manual del producto debe indicar las condiciones de referencia.

P3: ¿Cuál es el uso práctico de la salinidad en el agua doméstica? R: Se utiliza principalmente para evaluación del sabor, referencia de calidad del agua para extracción de café y determinación del efecto de los ablandadores de agua, entre otros. No es un indicador de las normas de seguridad del agua potable.

P4: ¿Se pueden sustituir directamente BA111 y BA121? R: No se recomienda la sustitución directa. Ambos tienen formatos de datos de salida y algoritmos internos diferentes, por lo que se requiere modificar el firmware. BA111 emite TDS; BA121 emite conductividad, y esta última requiere conversión por cuenta propia.

P5: ¿Cómo reducir el efecto de la polarización de la sonda? R: Utilizar excitación bipolar, ya integrada en el ASIC AtomBit. Además, evitar la excitación de corriente continua prolongada, limpiar periódicamente la sonda y utilizar materiales de electrodo de alta calidad.

P6: ¿El TDS y la conductividad de Water Detective 4 se miden de forma independiente? R: Según la información del producto, ofrece simultáneamente nueve indicadores, entre ellos TDS y EC, pero el TDS aún podría derivarse de la conversión de EC; el algoritmo específico no se ha divulgado. Ofrece un cribado rápido portátil, adecuado para comparación en campo y evaluación de tendencias.

Conclusión

La conductividad es una magnitud física medida directamente, el TDS es un valor estimado y la salinidad es una conversión específica. En los productos de pequeños electrodomésticos inteligentes, distinguir claramente los tres conceptos ayuda a la definición del producto, la selección de chips, el diseño de algoritmos y la comunicación con el usuario. AtomBit BA111 y BA121 ofrecen soluciones de un solo canal de bajo consumo y fácil integración, mientras que Water Detective 4 proporciona una herramienta portátil de cribado multiparámetro. El equipo de producto debe elegir según el escenario y verificar la fiabilidad mediante soluciones estándar, gradientes de temperatura y pruebas a largo plazo. Recuerde: la misión de la detección doméstica es la indicación de tendencias y la gestión del filtro, no sustituir el análisis de laboratorio.