NGHIÊN cứu CHẾ tạo và lắp đặt hệ THỐNG tự ĐỘNG HOÁ GIÁM sát, xử lý, CẢNH báo môi TRƯỜNG tại các KHU CÔNG NGHIỆP và đô THỊ lớn

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị đo, vẽ thông số môi trường, thiết kế hệ thống các trạm quan trắc môi trường đối với nước ta là điều hết sức cấp thiết.. Đề tài KC.03-17 là một

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LIÊN HIỆP KHOA HỌC KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH SEEN

Toà nhà SEEN, Khu Công nghiệp Từ Liêm Km13, đường 32, Từ Liêm, Hà Nội

-*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ GIÁM SÁT, XỬ LÝ, CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG TẠI CÁC KHU

CÔNG NGHIỆP VÀ ĐÔ THỊ LỚN

Chủ nhiệm đề tài : KS Lê Đức Bảo

Cơ quan chủ trì đề tài : LHKHKT CT SEEN

“Nghiên cứu chế tạo và lắp đặt hệ thống tự động hóa giám sát,

xử lý, cảnh báo môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn”

Tài liệu được tổ chức thành các tập được đánh số như sau:

THIẾT BỊ ĐO:

TBĐ-1: Thiết bị đo độ pH và nhiệt độ

TBĐ-2: Thiết bị đo độ dẫn điện

TBĐ-3: Thiết bị đo oxy hoà tan

TBĐ-4: Thiết bị đo độ đục

TBĐ-5: Thiết bị đo COD và BOD

TBĐ-6: Thiết bị đo độ ồn

HỆ THỐNG:

HT-1: Hệ thống thu thập số liệu tại trạm quan trắc

HT-2: Hệ thống thu thập số liệu tại Trung tâm môi trường

HT-3: Phần mềm SCADA ở trung tâm môi trường

BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu chế tạo và lắp đặt hệ thống tự động giám sát, xử lý, cảnh báo môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

1 KS Lê Đức Bảo : Chủ nhiệm đề tài

Tổng Giám đốc LHKHKTCT SEEN

2 PGS Nguyễn Trọng Quế : Cố vấn đề tài

3 KS Nguyễn Quốc Phong : Cán bộ kỹ thuật SEEN

4 KS Nguyễn Ngọc Anh : Cán bộ kỹ thuật SEEN

5 KS Hoàng Chí Quyết : Cán bộ kỹ thuật SEEN

6 KS Lê Quang Hiếu : Cán bộ kỹ thuật SEEN

BÀI TÓM TẮT

Nghiên cứu về môi trường, có chiến lược bảo vệ môi trường, tạo ra môi trường thích hợp nhất cho cuộc sống đã trở vấn đề sống còn mà quốc gia nào cũng phải quan tâm

Ở các nước phát triển, một khoa học đang phát triển mạnh trong 5 năm qua là Domotic và Imotic, là khoa học về ''vi môi trường''

Để đảm bảo cho việc xử lý ô nhiễm môi trường, các hệ thống quan trắc thông

số ô nhiễm về nước và không khí đã được nối thành mạng giữa nhiều nước trên thế giới Trong khi đó ở nước ta các trạm quan trắc về không khí và nước chỉ được đếm trên đầu ngón tay

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị đo, vẽ thông số môi trường, thiết kế hệ thống các trạm quan trắc môi trường đối với nước ta là điều hết sức cấp thiết

Chọn cách nào để chế tạo thiết bị, cách nào để xây dựng các trạm quan trắc cho chủ động mà vừa đạt yêu cầu của khoa học môi trường vừa có được giá thành hạ nhất,

đó chính là điều cần phải làm

Đề tài KC.03-17 là một thực nghiệm nghiên cứu chế tạo, lắp đặt các thiết bị,

lập trình các phần mềm ứng dụng phục vụ cho các trạm quan trắc nước thải Tất cả những kết quả của đề tài đều tính đến các giải pháp chủ động cho việc bảo dưỡng, phát triển hệ thống các trạm quan trắc môi trường trên toàn đất nước

Việc thiết kế hệ thống đúng yêu cầu kỹ thuật, phù hợp với tình hình kinh tế và trình độ hiện nay đó là nhiệm vụ không dễ do đó cần phải nghiên cứu nghiêm túc để quyết định được thiết bị gì phải mua, thiết bị gì chủ động chế tạo

Mục tiêu của đề tài là như vậy

Bản tóm tắt này sẽ giới thiệu tinh thần ấy và các kết quả đạt được

Sau hơn 2 năm nghiên cứu, đề tài KC.03-17, Liên hiệp SEEN có thể nói là: có khả năng tự thiết kế và xây dựng hệ quan trắc nước thải theo yêu cầu người sử dụng, đạt tiêu chuẩn, không thua kém bao nhiêu so với các hệ thống đặt ở nước ngoài với giá thành chấp nhận được Và SEEN mong muốn rằng với kết quả đạt được của mình, những cơ quan cần xây dựng các trạm quan trắc hãy liên hệ với SEEN để có những trạm quan trắc hợp chuẩn như yêu cầu của đề tài

T/M các tác giả

Lê Đức Bảo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU, PHƯƠNG

HƯỚNG VÀ NHIỆM VỤ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỀ TÀI 1

I.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG: 1 I.1.1 TÌNH HÌNH TRÊN THẾ GIỚI : 1

I.1.2 TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC : 2

I.1.3 CHỦ TRƯƠNG CƠ BẢN CỦA ĐỀ TÀI KC.03-17: 2

I.1.4 HỢP ĐỒNG KÝ KẾT : 3

I.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5

I.2.1 HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU TRẠM QUAN TRẮC: 5

I.2.1.1 Phòng xử lý trung tâm (PXLTT): 5

I.2.1.2 Trạm quan trắc địa phương (TQTĐP): 5

I.2.2 XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ THEO HỢP ĐỒNG : 6

I.3 TỔ CHỨC TÀI LIỆU BÁO CÁO: 6

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 9

II.1 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CONVERTER ĐO ĐỘ PH: 10

II.1.1 CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VỀ ĐỘ pH PHẢI ĐO: 10

II.1.2 CÁC YÊU CẦU KHÁC ĐẢM BẢO TÍNH TIN CẬY CỦA PHÉP ĐO: 10

II.1.2.1 Tốc độ dòng nước đi qua buồng đo: 10

II.1.2.2 Đảm bảo độ bền của đầu đo: 10

II.1.2.3 Kiểm tra, hiệu chỉnh, chuẩn độ thiết bị: 11

II.1.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA pH MET THIẾT KẾ: 11

II.1.4 ĐẦU ĐO ĐỘ pH: 12

II.1.4.1 Lý thuyết chung về độ pH: 12

II.1.4.2 Sức điện động Galvanic: 12

II.1.4.3 Các điện cực: 14

II.1.5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG: 20

II.1.5.1 Sơ đồ khối cơ bản và phương hướng giải quyết converter: 20

II.1.5.2 Tính toán mạch đo độ pH : 22

II.1.5.3 Mạch đo nhiệt độ : 23

II.1.5.4 Vi xử lý và các phụ kiện: 23

II.1.5.5 Nguồn ổn áp: 24

II.1.6 PHẦN MỀM THIẾT BỊ ĐO ĐỘ pH: 25

II.1.6.1 Cách giải quyết và chương trình chính: 25

II.1.6.2 Thiết lập cấu hình: 26

II.1.6.3 Khắc độ đối với pH : 27

II.1.6.4 Khắc độ nhiệt kế Pt-1000: 29

II.1.6.5 Thực hiện phép đo nhiệt độ: 30

II.1.6.6 Thực hiện phép đo pH: 32

II.1.6.7 Tạo dòng ra tương ứng với pH, t 0: 34

II.1.7 TÍNH TOÁN VỀ DÒNG CHẢY: 34

II.1.8 ĐIỀU KHIỂN LẤY SỐ LIỆU VÀ TRUYỀN TIN : 34

II.2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THIẾT BỊ ĐO ĐỘ DẪN ĐIỆN (CONDUCTOMET): 37

II.2.1 YÊU CẦU KỸ THUẬT: 37

II.2.1.1 Các tiêu chuẩn TCVN đối với độ dẫn điện nước thải công nghiệp: 37

II.2.1.2 Các yêu cầu khác đối với conductomet: 37

II.2.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với conductomet thiết kế: 38

II.2.2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA CONDUCTOMET: 39

II.2.2.1 Nguyên lý làm việc của Conductomet: 39

II.2.2.2 Thiết kế phần cứng của Conductomet: 46

II.2.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM THIẾT BỊ ĐO: 52

II.2.3.2 Các chương trình con: 53

II.2.4 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN TRÍCH MẪU, THAU RỬA, KHẮC ĐỘ TỰ ĐỘNG: 58

II.2.4.1 Lắp ráp thiết bị đo: 58

II.2.4.2 Lấy nước mẫu kiểm tra: 59

II.2.4.3 Thau rửa: 59

II.2.4.4 Nghiên cứu, thiết kế phần khắc độ tự động: 60

II.3 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO OXY HÒA TAN (DO): 62

II.3.1 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI THIẾT BỊ ĐO DO: 62

II.3.1.1 Các tiêu chuẩn TCVN ứng dụng: 62

II.3.1.2 Các điều kiện kỹ thuật ảnh hưởng đến kết quả đo (DO): 62

II.3.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị đo DO: 63

II.3.2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO DO: 64

II.3.2.1 Nguyên tắc cơ bản của thiết bị đo DO: 64

II.3.2.2 Thiết kế phần cứng converter DO: 69

II.3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM CỦA CONVERTER: 74

II.3.3.1 Chương trình chính: 74

II.3.3.2 Khắc độ phần đo nhiệt độ: 75

II.3.3.3 Khắc độ DO: 77

II.3.3.4 Tính số liệu DOx ở nhiệt độ tx: 79

II.3.4 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KHÂU TRÍCH MẪU, THAU RỬA, KHẮC ĐỘ TỰ ĐỘNG 80

II.3.4.1 Nghiên cứu, thiết kế phần trích mẫu: 80

II.3.4.2 Nghiên cứu, thiết kế phần thau rửa: 81

II.3.4.3 Nghiên cứu, thiết kế phần khắc độ tự động: 83

II.4 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ĐỤC: 85

II.4.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ĐỤC:85 II.4.1.1 Định nghĩa và nguyên lý đo độ đục: 85

II.4.1.3 Thiết kế phần cứng: 96

II.4.2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM THỰC HIỆN PHÉP ĐO : 101

II.4.2.1 Lưu đồ chương trình đo: 101

II.4.2.2 Đo độ đục: 102

II.4.3 HỆ THỐNG DẪN NƯỚC, ĐIỀU KHIỂN ĐO, THAU RỬA : 106

II.4.3.1 Hệ thống ống dẫn: 106

II.4.3.2 Điều khiển đo độ đục trong TB 450: 108

II.5 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO COD VÀ BOD: 109

II.5.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA, TIÊU CHUẨN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH: 109

II.5.1.1 Các định nghĩa: 109

II.5.1.2 Phương pháp đo COD: 111

II.5.1.3 Các phương pháp xác định BOD: 117

II.5.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO COD VÀ BOD: 124

II.5.2.1 Chọn thiết bị đo COD và BOD: 124

II.5.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐO BOD SAC – UV: 128

II.5.3.1 Lưu đồ chính: 128

II.5.3.2 Khắc độ: 129

II.5.3.3 Tính kết quả từ số liệu đọc SAC và tra bảng: 130

II.5.4 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHU TRÌNH ĐO, LẤY SỐ LIỆU: 131

II.6 KẾT LUẬN: 133

II.6.1 NGHIÊN CỨU ĐẶC THÙ CÁC ĐẦU ĐO ĐỂ TÌM RA BIỆN PHÁP XỬ LÝ : 133

II.6.1.1 Đối với converter đo pH: 133

II.6.1.2 Đối với converter điện dẫn: 134

II.6.1.3 Đối với converter DO: 134

II.6.1.4 Đối với converter đo độ đục: 134

II.6.2 GIA CÔNG SỐ LIỆU, HÌNH THÀNH PHẦN MỀM XỬ LÝ : 135

II.7 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ỒN: 136

II.7.1 NGUYÊN LÝ ĐO VÀ CÁC ĐIẾM CẦN CHÚ Ý KHI THIẾT KẾ :.136 II.7.1.1 Độ ồn và bản chất của độ ồn: 136

II.7.1.2 Áp suất âm hoặc mức âm: 138

II.7.1.3 Trung bình theo thời gian của mức âm: 139

II.7.1.4 Trung bình theo thời gian dài: 139

II.7.1.5 Phân bố thống kê và percentiles: 140

II.7.1.6 Trung bình theo không gian: 140

II.7.1.7 Đo công suất âm bằng phương pháp cường độ âm: 140

II.7.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO ĐỘ ỒN: 143

II.7.2.1 Sơ đồ khối thiết bị đo: 143

II.7.2.2 Microphones: 143

II.7.2.3 Các bộ lọc: 146

II.7.2.4 Các yêu cầu kỹ thuật: 146

II.7.2.5 Chuẩn độ thiết bị: 147

II.7.3 PHẦN LỰA CHỌN ĐẦU ĐO VÀ THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ ĐO:148 II.7.3.1 Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị: 148

II.7.3.2 Lựa chọn Microphone: 148

II.7.3.3 Thiết kế sơ đồ khối của thiết bị: 148

II.7.4 THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH PHẦN MỀM: 151

II.7.4.1 Các chương trình viết cho DSP: 151

II.7.4.2 Chương trình giao diện và quản lý trên máy tính: 153

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN TIN, XỬ LÝ, GIÁM SÁT, QUẢN LÝ THÔNG TIN CỦA HỆ THỐNG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG 155

III.1 HỆ THỐNG THU THẬP VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU TẠI TRẠM QUAN TRẮC ĐỊA PHƯƠNG: 155

III.1.1.1 Xây dựng nhiệm vụ trạm quan trắc: 155

III.1.1.2 Các phương hướng và phương án: 157

III.1.2 THIẾT KẾ KỸ THUẬT CÁC PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT: 161

III.1.2.1 Thiết kế hệ thống thu thập số liệu ở trạm quan trắc địa phương: .161

III.1.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP SỬ DỤNG PLC S7-200: 170

III.1.3.1 Cấu hình của hệ thu thập số liệu và truyền tin dùng S7 –200: 170 III.1.4 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT TRẠM THU THẬP SỐ LIỆU ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM NƯỚC: 183

III.1.4.1 Chế tạo tủ điều khiển: 183

III.1.4.2 Đặc tính kỹ thuật của thiết bị sử dụng: 189

III.1.4.3 Xây dựng trạm quan trắc: 192

III.1.5 PHẦN MỀM TRẠM QUAN TRẮC: 195

III.1.5.1 Lập chương trình đo lường, thu thập, xử lý số liệu: 195

III.1.5.2 Lập chương trình đo lường, bảo vệ nguồn cung cấp: 196

III.1.5.3 Lập chương trình phối ghép với hệ thống báo cháy: 197

III.1.5.4 Lập chương trình điều khiển trích mẫu: 198

III.1.5.5 Lập chương trình điều khiển thau rửa: 199

III.1.5.6 Lập chương trình điều khiển khắc độ: 200

III.1.5.7 Lập chương trình quản lý số liệu, giám sát hệ thống: 201

III.1.5.8 Lập chương trình truyền thông với trung tâm từ xa: 202

III.1.6 QUY TRÌNH VẬN HÀNH TRẠM QUAN TRẮC: 203

III.2 HỆ THỐNG TRUYỀN TIN VÀ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM VỚI NHIỀU TRẠM QUAN TRẮC: 207

III.2.1 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT: 207

III.2.1.1 Mô tả hoạt động của hệ thống: 207

III.2.1.2 Các đặc tính kỹ thuật yêu cầu: 209

III.2.2.1 Đặt vấn đề: 211

III.2.2.2 Các phương tiện truyền tin hiện có: 211

III.2.2.3 Chọn phương tiện truyền tin: 213

III.2.2.4 Phương án modem điện thoại: 215

III.2.2.5 Phương án radio - modem : 217

III.2.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG: 222

III.2.3.1 Xác định cụ thể các cách làm việc của hệ thống: 222

III.2.3.2 Chế độ thu thập số liệu tự động theo chu kỳ: 224

III.2.3.3 Chế độ thu thập số liệu tự động ở một trạm: 226

III.2.3.4 Chế độ thu thập số liệu bằng tay: 226

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG PHẦN MỀM SCADA, XỬ LÝ PHÂN TÍCH TẠI TRUNG TÂM 228

IV.1 TỔNG QUAN, ĐẶT VẤN ĐỀ: 228

IV.1.1 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN: 228

IV.1.1.1 Mở đầu: 228

IV.1.1.2 Đặt bài toán: 228

IV.2 HƯỚNG TRIỂN KHAI ÁP DỤNG VÀO BÀI TOÁN CỦA TA: 246

IV.3 CHƯƠNG TRÌNH THU THẬP SỐ LIỆU: 247

IV.3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 247

IV.3.1.1 Mở đầu: 247

IV.3.1.2 Phân loại: 247

IV.3.2 TRIỂN KHAI CHƯƠNG TRÌNH: 248

IV.3.2.1 Mở đầu: 248

IV.3.2.2 Vấn đề phân cấp cơ sở dữ liệu: 249

IV.3.2.3 Triển khai cài đặt các phương pháp thu thập dữ liệu: 250

IV.3.3 KHUNG TRUYỀN TIN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG VIỆC THU THẬP DỮ LIỆU: 256

IV.3.3.1 Khung truyền (TX): 256

IV.4 CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN NGƯỜI – MÁY: 259

IV.4.1 MỞ ĐẦU: 259

IV.4.2 ĐẶT VẤN ĐỀ: 259

IV.4.2.1 Mở đầu: 259

IV.4.2.2 Các yêu cầu cụ thể của bài toán: 262

IV.4.3 TRIỂN KHAI CHƯƠNG TRÌNH: 267

IV.4.3.1 Phương pháp thiết kế và triển khai: 267

IV.4.3.2 Triển khai: 272

IV.4.4 MỘT SỐ GIAO DIỆN MINH HỌA: 277

IV.4.4.1 Giao diện chính: 277

IV.4.4.2 Bảng số liệu và biểu đồ các thông số: 279

IV.4.4.3 Hiển thị báo cháy: 281

IV.4.4.4 Trạng thái làm việc của hệ thống: 282

IV.4.4.5 Chẩn đoán kỹ thuật: 283

IV.4.4.6 Bản đồ về tình trạng ô nhiễm: 284

IV.4.4.7 Hình ảnh Camera tại trạm quan trắc: 285

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 287

V.1 VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO: 287

V.2 VỀ HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU VÀ TRUYỀNTIN: 287

V.3 XÂY DỰNG TRẠM QUAN TRẮC PILOT: 288

CÁC HÌNH MINH HOẠ

Hình 1- Sơ đồ bố trí hệ thống thu thập dữ liệu 5

Hình 2 – Quan hệ E pH (pH) theo các nhiệt độ khác nhau .14

Hình 3 - Điện cực thuỷ tinh và điện cực ISFET .15

Hình 4 - Mạch khuếch dòng điện gắn liền với điện cực pH (ISFET) 16

Hình 5 - Điện cực Calomel .16

Hình 6 - Cấu tạo đầu đo Gel-polymer .17

Hình 7 - Đầu đo sensorlyt 18

Hình 8 -Đầu đo pH của YOKOGAWA 19

Hình 9 – Quan hệ giữa pH và nhiệt độ 19

Hình 10 – Sơ đồ khối của Transmitter pH 20

Hình 11 - Mạch tiền khuếch đại 21

Hình 12 - Mạch đo vi sai chống nhiễu 22

Hình 13 – Sơ đồ mạch đo nhiệt độ 23

Hình 14 – Sơ đồ nguồn ổn áp cung cấp cho thiết bị đo pH 24

Hình 15 – Lưu đồ chương trình chính đo pH .26

Hình 16 – Lưu đồ khắc độ đầu đo pH .29

Hình 17 – Lưu đồ khắc độ nhiệt kế Pt1000 .30

Hình 18 – Lưu đồ phép đo nhiệt độ Pt1000 31

Hình 19 – Lưu đồ chương trình đo pH .33

Hình 20 - Biểu đồ thời gian thu thập và truyền số liệu 35

Hình 21 – Lưu đồ chương trình điều khiển lấy số liệu đo pH .36

Hình 22 – Quan hệ giữa γ và nồng độ dung dịch .39

Hình 23 – Các kiểu điện cực tiếp xúc của Conductormet .41

Hình 24 – Nguyên lý đầu đo kiểu cảm ứng 42

Hình 25 - Cấu tạo và kích thước đầu đo 45

Hình 26 – Sơ đồ khối thiết bị đo độ dẫn .47

Hình 27 - Mạch tạo dao động tần số 2 kHz 48

Hình 29 - Mạch khuếch đại 50

Hình 30 - Mạch chỉnh lưu và tích phân 50

Hình 31 – Lưu đồ khối gia công số liệu của MCU 52

Hình 32 – Lưu đồ khắc độ Conductomet .54

Hình 33 – Lưu đồ khắc độ nhiệt kế 55

Hình 34 – Lưu đồ tự động chọn thang đo MCU-GAIN .56

Hình 35 – Lưu đồ đọc kết quả γ x bù nhiệt độ 57

Hình 36 - Hệ thống ống lấy mẫu cho thiết bị đo Conductivity 58

Hình 37 – Lưu đồ lấy mẫu kiểm tra độ dẫn 59

Hình 38 – Lưu đồ thau rửa đầu đo .60

Hình 39 – Nguyên tắc của phân cực ký .65

Hình 40 - Cấu tạo đầu đo DO kiểu galvanic 66

Hình 41 - Cấu tạo đầu đo DO phân cực 67

Hình 42 – Quan hệ giữa DO với nhiệt độ và độ mặn của nước kiểm tra .68

Hình 43 - Mạch đầu vào Converter 69

Hình 44 – Sơ đồ khối của Converter DO 70

Hình 45 – Thông số của INA110 .71

Hình 46 – ADC87-H .72

Hình 47 - Cầu đo nhiệt độ với Pt1000 72

Hình 48 – Lưu đồ hoạt động chương trình chính 74

Hình 49 – Lưu đồ tính số liệu nhiệt độ 78

Hình 50 – Lưu đồ tính số liệu DO x ở nhiệt độ t x 79

Hình 51 – Sơ đồ tự động đo, thau rửa, tự động khắc độ .80

Hình 52 – Lưu đồ lấy mẫu và kiểm tra .81

Hình 53 – Lưu đồ quy trình thau rửa 82

Hình 54 – Lưu đồ khắc độ tự động .83

Hình 55 - Nguyên lý phép đo độ đục thông qua suy giảm 88

Hình 56 – Nguyên lý phép đo độ đục bằng ánh sáng lan toả 89

Hình 58 - Cấu tạo thiết bị đo độ đục TB450G 92

Hình 59 – Sơ đồ nối ống dẫn khi không tự động thau rửa và khắc độ 94

Hình 60 – Sơ đồ nối ống dẫn khi tự động thau rửa và không tự khắc độ .94

Hình 61 – Sơ đồ nối ống dẫn khi tự động thau rửa và khắc độ 95

Hình 62 – Cấu tạo bộ lọc nước zero 95

Hình 63 – Chu kỳ thời gian 96

Hình 64 – Sơ đồ đầu đọc 4 luồng GLI 97

Hình 65 – Sơ đồ khối của converter .97

Hình 66 - Nguồn cung cấp ±12V, ±5V .98

Hình 67 - Mạch khuyếch đại 99

Hình 68 – Lưu đồ chương trình đo độ đục .101

Hình 69 – Lưu đồ đọc số liệu 102

Hình 70 – Lưu đồ đo, tính toán độ đục 103

Hình 71 - Giản đồ thời gian cho một chu kỳ khắc độ 105

Hình 72 – Sơ đồ hệ thống nước trong TB450G 107

Hình 73 - Lưu đồ điều khiển đo độ đục trong TB450G 108

Hình 74 - Các giai đoạn phân huỷ sinh hoá 110

Hình 75 - Thiết bị phân tích COD bằng chất ôxy hoá khử 113

Hình 76 - Thiết bị phân tích nhanh COD dùng ozone 116

Hình 77 - Thiết bị đo BOD 5 của YSI 118

Hình 78 - Thiết bị đo thở trực tiếp OLR-300 t 119

Hình 79 – Sơ đồ hoạt động của OLR-300 .121

Hình 80 – Quan hệ giữa SAC-UV với BOD, COD 123

Hình 81 – Sơ đồ nguyên lý của SAC-UV .125

Hình 82 – Sơ đồ khối phần cứng BOD SAC-UV .127

Hình 83 – Lưu đồ chương trình chính đo BOD 128

Hình 84 – Lưu đồ khắc độ thiết bị đo BOD 129

Hình 85 – Lưu đồ tính kết quả từ số liệu SAC .130

Hình 87 - Hệ thống ống dẫn lấy mẫu đo BOD .132

Hình 88 – Lưu đồ điều khiển chương trình đo .132

Hình 89 - Đầu chuẩn mức áp suất âm 147

Hình 90 – Các phần tử của hệ thống đo 149

Hình 91 – Mô hình máy đo độ ồn .150

Hình 92 – Algorithm thực hiện chương trình viết cho DSP .152

Hình 93 - Hệ thống ống dẫn đến các đầu đo 160

Hình 94 - Cấu hình hệ thu thập số liệu analog .163

Hình 95 - Hệ thống thu thập số liệu dùng chuẩn RS485MPI 165

Hình 96 - Hệ thống thu thập số liệu bằng RTU 166

Hình 97 - Hệ truyền tin kiểu Modem .168

Hình 98 - Giản đồ thời gian của chu trình lấy số liệu 169

Hình 99 - Hệ thống thu thập số liệu và truyền tin ở trạm quan trắc 171

Hình 100 – Các loại S7-200 .173

Hình 101 - Bố trí tủ điều khiển thu thập và truyền số liệu .183

Hình 102 - Hệ thống DAS trên cơ sở S7-200 .190

Hình 103 – Kích thước khung trạm quan trắc 194

Hình 104 – Sơ đồ công nghệ trạm quan trắc 203

Hình 105 - Cấu hình của hệ thống quan trắc môi trường 207

Hình 106 - Cấu hình hệ thống nhiều trạm thông qua Modem điện thoại .215

Hình 107 - Cấu hình hệ thống truyền tin của nhiều trạm địa phương về trung tâm 216

Hình 108 - Hệ thu thập số liệu môi trường và truyền tin của YSI 219

Hình 109 - Hệ truyền tin dùng Radio Modem .221

Hình 110 – Lưu đồ chương trình chính của hệ thống .223

Hình 111 – Lưu đồ thu thập số liệu tự động theo chu kỳ .224

Hình 112 – Lưu đồ thủ tục nhận số liệu .225

Hình 113 – Lưu đồ thu thập số liệu tự động ở một trạm .226

Hình 115 –Tích hợp hệ thống theo chiều dọc 235

Hình 116 – Mô hình các môđun ứng dụng sử dụng các giao tiếp trực tiếp 238

Hình 117 – Mô hình các môđun ứng dụng sử dụng một thành phần chung mang tính trung gian để thực hiện liên thông (mô hình mới) 239

Hình 118 – Mô hình tổng quan một hệ thống với các môđun chương trình cơ bản 242

Hình 119 - Cấu trúc dạng môđun của hệ thống .244

Hình 120 –Minh hoạ một hệ giao diện thống nhất 245

Hình 121 – Quan hệ giữa hệ thống thu thập dữ liệu, cơ sở dữ liệu 247

Hình 122 – Minh hoạ 3 cấp cơ sở dữ liệu và mối quan hệ của chúng với các cấp thiết bị trong hệ thống 250

Hình 123 – Mô hình thực hiện các thu thập số liệu phức tạp dựa trên các cách thu thập số liệu cơ bản 253

Hình 124 –Minh hoạ các bước cơ bản được thực hiện trong việc 254

Hình 125 –Mô hình tác tử MVC .267

Hình 126 – Minh hoạ cách thiết kế giao diện theo mô hình MVC .268

Hình 127 – Mô hình cơ bản miêu tả sự hoạt động của các tác tử trong việc 270 Hình 128 – Các dạng số liệu phục vụ hiển thị 272

Hình 129 – Lưu đồ khối biểu diễn cách xử lý đối với 274

Hình 130 – Minh hoạ vai trò của chương trình giao diện 275

Hình 131 – Giao diện chính của chương trình 277

Hình 132 – Menu chính của chương trình 278

Hình 133 – Màn hình xem thông số tới hạn cho trạm quan trắc .278

Hình 134 – Màn hình hiển thị thông số thu thập được 279

Hình 135 – Màn hình thể hiện đồ thị các thông số thu thập được theo thời gian .280

Hình 136 – Màn hình thống kê các thông tin báo cháy 281 Hình 137 – Màn hình hiển thị tình trạng làm việc của từng trạm quan trắc .282

283 Hình 139 – Màn hình hiển thị bản đồ ô nhiễm của từng trạm quan trắc 284 Hình 140 – Hình ảnh Camera tại trạm quan trắc .285

CÁC BẢNG THÔNG SỐ, DỮ LIỆU MẪU

Bảng 1 – Tóm tắt nội dung hợp đồng đã ký kết 17/2002/HĐ-ĐTCT .4

Bảng 2 – Quan hệ giữa độ pH và nồng độ chất hoà tan .13

Bảng 3 – Thông số của đầu đo Sensolyt 18

Bảng 4 – Giá trị pH của các dung dịch chuẩn .27

Bảng 5 – Quan hệ giữa trọng lượng muối tinh khiết với điện dẫn suất .53

Bảng 6 – Quan hệ giữa điện trở Pt1000 với nhiệt độ 76

Bảng 7 - Khắc độ của turbidimeter ngọn nến .86

Bảng 8 - Bảng sản phẩm Palintest .114

Bảng 9 - Bảng thống kê mức áp suất âm sử dụng .142

Đề tài KC.03-17: “Nghiên cứu, chế tạo và lắp đặt hệ thống tự động hoá giám sát, xử lý, cảnh báo môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn” có mục tiêu:

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị đo các thông số ô nhiễm môi trường thích hợp với hoàn cảnh Việt Nam có nghĩa là: chế tạo cái gì có thể chế tạo được, nhập những gì mà mình không chế tạo được (vì lý do công nghệ hay

vì lý do đầu tư) Đề tài tập trung vào nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ biến đổi thống nhất hoá sau cảm biến để thích hợp cho việc thu thập số liệu

Đề tài nghiên cứu hệ thống thu thập số liệu ở trạm quan trắc bằng các biện pháp khác nhau có thể thực hiện được, nhưng chỉ thử nghiệm ở một hệ thống PLC công nghiệp mà đề tài cho là rẻ tiền đầu tư nhất Hệ thống thiết bị PowerLine RTU-PLC của SEEN dùng cho hệ SCADA được coi là dự trữ cho

T/M các tác giả đề tài KC.03-17

Chủ nhiệm đề tài

Lê Đức Bảo

Toà nhà SEEN, Khu công nghiệp Từ Liêm Km13, đường 32, Từ Liêm, Hà Nội -*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03- 17

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ GIÁM SÁT, XỬ LÝ, CẢNH BÁO MÔI TRƯỜNG TẠI CÁC

KHU CÔNG NGHIỆP VÀ ĐÔ THỊ LỚN

Chủ nhiệm đề tài: KS Lê Đức Bảo

Cơ quan chủ trì đề tài: LHKHKT CT SEEN

HÀ NỘI – 2005

Tài liệu viết theo kết quả nghiên cứu đề tài KC.03-17

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU, PHƯƠNG HƯỚNG VÀ NHIỆM VỤ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỀ TÀI

I.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG:

I.1.1 TÌNH HÌNH TRÊN THẾ GIỚI :

Để đảm bảo có một môi trường trong sạch thích hợp nhất cho cuộc sống con người là vấn đề được đặt ra và là vấn đề của nhân loại Gần đây một khoa học đã được đưa ra và đang rất phát triển,một khoa học mới được gọi là

“Domotic” và “Imotic”, là khoa học nghiên cứu của các nhà bất động sản với vi khí hậu có thể điều khiển được, tạo điều kiện cho con người có thể sống thoải mái nhất trong môi trường vi khí hậu đó

Hơn nữa, người ta lại còn muốn tạo ra một tiểu khí hậu trong một thành phố, một khu vực khí hậu tốt nhất cho con người Yêu cầu về thu thập số liệu hay nói cách khác là các thông số về môi trường của một khu vực trở nên cấp bách

Ở các nước phát triển vấn đề này đã được đặt ra từ khá lâu và các trạm quan trắc về ô nhiễm về không khí, về nước đã được lắp đặt và được nối thành mạng Đặc biệt, số lượng trạm quan trắc nước đã lên đến hàng trăm, hàng ngàn trạm trên một lưu vực của các con sông lớn nhỏ

Hệ thống xử lý số liệu, đánh giá ô nhiễm tự động đề ra các biện pháp xử

lý và được phần mềm các hệ thống quản lý số liệu môi trường thực hiện Việc ứng dụng các thành tựu mới về đầu đo, phương pháp đo và phần mềm xử lý môi trường trở thành nhu cầu thường xuyên được bổ sung cập nhật

Chiến lược môi trường đã được nhiều quốc gia, thậm chí nhiều tập đoàn, quan tâm xem như là đường lối kinh tế quốc kế dân sinh của mình

I.1.2 TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC :

Nước ta, do nhiều năm chiến tranh liên miên, sức người sức của đổ ra chiến trường nên kinh tế chưa phát triển; trong những năm đổi mới, kinh tế phát triển nhanh, nhà máy và khu dân cư phát triển ồ ạt, quy hoạch tổng thể chưa có, quan điểm về môi trường chưa hình thành, cho nên hiện nay, tình hình

ô nhiễm rất trầm trọng Về thiết bị quan trắc môi trường chỉ lẻ tẻ ở một số cơ quan và được phát triển một cách thiếu hệ thống

Có thể nói thiết bị quan trắc môi trường và hệ thống quan trắc chưa có gì Phát triển từ một tình hình trắng như vậy, nếu không có quy hoạch từ ban đầu,

để nhập bừa bãi thiết bị và đặc biệt là nhập hệ thống quan trắc nước ngoài, thì sau này các hệ thống bổ sung phát triển sẽ gặp rất nhiều trở ngại

Đứng về phương diện kinh tế mà xét, nếu nhập ngoại toàn bộ thiết bị quan trắc đặc biệt là toàn bộ trạm quan trắc thì quá đắt và khó phát triển nhanh trong khi đó nhu cầu đã trở nên cấp bách Đó là lý đo ra đời của đề tài KC.03-17

I.1.3 CHỦ TRƯƠNG CƠ BẢN CỦA ĐỀ TÀI KC.03-17:

Trên cơ sở tình hình trong nước, theo các hình mẫu ở nước ngoài, căn cứ trên tiêu chuẩn thế giới và Việt Nam, với việc đã được xem xét từ ban đầu, đề tài cần phải tiến hành nghiên cứu thiết bị đo và tiến hành thu thập số liệu về các thông số cơ bản nhất

- Các thông số cơ bản phải thu thập số liệu là: độ pH, độ dẫn điện, oxy hoà tan, độ đục, COD, BOD, độ ồn Các thông số khác cũng sẽ giải quyết theo phương hướng của các thông số này

- Chế tạo: những phần tử nào trong thiết bị có thể chế tạo được thì xác định rõ ràng, kết hợp với việc nhập các chuyển đổi sơ cấp, chế tạo phần gia công xử lý, thiết kế thành thiết bị hoàn chỉnh, thống nhất hoá tín hiệu và tạo thuận lợi cho việc xây dựng toàn bộ hệ thống

Cụ thể là:

+ COD/BOD: mua các cảm biến và chuyển đổi

- Tích hợp thành hệ thống trạm quan trắc : chọn hệ thống thu thập thích hợp, phương tiện truyền thông thích hợp cho hệ thống hoạt động tốt, chính xác,

Chủ nhiệm đề tài: Lê Đức Bảo

Cơ quan chủ trì đề tài:Liên hiệp khoa học kỹ thuật công trình SEEN Hợp đồng số: 17/2002/HĐ-ĐTCT (bảng 1)

Nội dung của bảng tổng kết đề tài gồm:

1 Thiết kế chế tạo, hoàn thiện các thiết bị đo: pH, nhiệt độ, DO, độ đục, COD, BOD, độ ồn

2 Thiết kế hệ thống thu thập số liệu về đo lường ở trạm quan trắc địa phương

3 Thiết kế, chế tạo hệ thống thu thập các số liệu các trạm quan trắc hiển thị, đối chiếu, giám sát, báo động, chẩn đoán quản lý số liệu (MIS) và thông báo đại chúng

Bảng 1 – Tóm tắt nội dung hợp đồng đã ký kết 17/2002/HĐ-ĐTCT

TT Tài liệu sản phẩm vị đo Đơn Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật lượng Số Ghi chú

2 Conductomet mS/cm - Thang đo 0-199mS/cm

- Chính xác: ± 0,1% 01 Như trên

3 Đo oxy hoà tan mg/l - Thang đo 0-20mg/l

- Chính xác: ± 2% 01 Như trên

4 Đo độ đục NTU - Thang đo 0-1000NTU

- Phân ly: 0,01 NTU

- Chính xác: ± 2%

01 Như trên

5 Đo nhu cầu oxy

sinh học BOD mg/l - - Chính xác: ± 2% Thang đo 0-200mg/l 01 Như trên

7 Hệ thống thu thập số liệu

môi trường

Các dụng cụ đo: pH, CON,

DO, DU, BOD

- Độ phân giải đầu vào

truyền thông - Quản lý truyền thông đến 16 trạm

- Truyền thông qua modem PTNS

01 Như trên

9 Hệ thống phần mềm xử lý

kết quả quan trắc môi

trường

- Đáp ứng yêu cầu quản

lý ô nhiễm môi trường tại Việt Nam

- Đáp ứng tiêu chuẩn quy định trong TCVN

01 Như trên

11 Quy trình vận hành thiết bị - Tuân thủ các nguyên

lý, nguyên tắc vận hành của thiết bị Đảm bảo độ chính xác cho quá trình vận hành

01 Như trên

I.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

I.2.1 HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LIỆU TRẠM QUAN TRẮC:

Hệ thống thu thập số liệu về ô nhiễm môi trường được bố trí như sau:

Hình 1- Sơ đồ bố trí hệ thống thu thập dữ liệu

I.2.1.1 Phòng xử lý trung tâm (PXLTT):

Hệ thống gồm một phòng xử lý trung tâm đặt ở sở khoa học và môi trường có nhiệm vụ:

- Thu thập các số liệu về ô nhiễm môi trường ở các điểm đặt các trạm quan trắc địa phương (TQTĐP) truyền về qua đường dây điện thoại (môđem ĐT) hoặc qua radio môđem

- Xử lý và tổ chức số liệu thu được đảm bảo tính đúng đắn của tín hiệu quản lý thu được, xây dựng các bài tin về tình trạng môi trường, báo động tai họa môi trường và góp ý vài biện pháp khắc phục

- Quản lý thông tin về môi trường gồm các số liệu thống kê lịch sử, các

số liệu về thực trạng và xây dựng bản đồ số liệu và bình đồ về tình trạng ô nhiễm trên địa bàn quản lý

- Tham gia vào việc đánh giá và xử lý tiểu khí hậu tại khu vực quản lý

I.2.1.2 Trạm quan trắc địa phương (TQTĐP):

Ở các điểm giám sát và kiểm tra môi trường người ta đặt một trạm quan

PXLTT

Trạm quan trắc địa phương có các nhiệm vụ sau:

- Xây dựng hệ đầu đo các thông số môi trường, đảm bảo tính chính xác của kết quả đo

- Tổ chức lấy số liệu đo tự động và truyền số liệu có được về trung tâm theo các chế độ khác

I.2.2 XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ THEO HỢP ĐỒNG :

a) Trạm quan trắc địa phương (TQTĐP):

- Theo hợp đồng, trạm quan trắc địa phương (TQTĐP) thu thập các số liệu sau:

+ Độ PH (PH)

+ Nhiệt độ (T)

+ Độ Oxy hoà tan (DO)

+ Độ đục (DU) hoặc (TB)

+ Điện dẫn suất (CON)

+ Nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD)

- Trạm phải được thiết kế đảm bảo chế độ tự động và bảo dưỡng các đầu đo

- Số liệu có được, được tổ chức truyền tin về trung tâm

I.3 TỔ CHỨC TÀI LIỆU BÁO CÁO:

Do tính chất đề tài, mỗi thiết bị đo là một phần nghiên cứu riêng biệt, có phần lý luận cơ bản, có phần chọn cảm biến, có phần thiết kế phần cứng, có phần xử lý phần mềm độc lập với các thiết bị đo khác, vì thế mỗi thiết bị đo

Bản tóm tắt tổng kết đề tài được trình bày trong Chương I

Như vậy toàn bộ hồ sơ kỹ thuật của đề tài được tổ chức như sau:

Chương I: Báo cáo tóm tắt tổng kết đề tài KC.03- 17

“Nghiên cứu chế tạo và lắp đặt hệ thống tự động hóa giám sát, xử lý, cảnh báo môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn”

Chương II: Các thiết bị đo

+ TBĐ-1 Thiết bị đo độ pH và nhiệt độ

+ TBĐ-2 Thiết bị đo độ dẫn điện

+ TBĐ-3 Thiết bị đo độ oxy hòa tan

+ TBĐ-4 Thiết bị đo độ đục

+ TBĐ-5 Thiết bị đo BOD và COD

+ TBĐ-6 Thiết bị đo độ ồn

Chương III: Các bộ thu thập dữ liệu

+ HT-1 Hệ thống thu thập số liệu tại trạm quan trắc

+ HT-2 Hệ thống số liệu tại trung tâm xử lý số liệu môi trường

Chương IV:

+ HT-3 Phần mềm SCADA ở trung tâm xử lý số liệu môi trường Chương V: Kết luận

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LIÊN HIỆP KHOA HỌC KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH SEEN

-***** -

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO

THÔNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

Chủ nhiệm đề tài: KS Lê Đức Bảo

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT

BỊ ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

Các thông số cơ bản được đề ra và được ký kết trong hợp đồng là:

- Thiết bị đo độ pH (pH) và nhiệt độ (T)

- Thiết bị đo độ dẫn điện (C)

- Thiết bị đo độ ôxy hòa tan (DO)

- Thiết bị đo độ đục (TB)

- Thiết bị đo yêu cầu oxy sinh học ( BOD) và oxy hóa học (COD)

- Thiết bị đo độ ồn

Nội dung của nghiên cứu là :

- Chọn các chuyển đổi sơ cấp (cảm biến) thích hợp

- Thiết kế phần cứng của thiết bị đo

- Thiết kế phần mềm của thiết bị

- Thực hiện các việc kiểm tra và khắc độ

II.1 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CONVERTER ĐO ĐỘ pH:

II.1.1 CÁC TIÊU CHUẨN TCVN VỀ ĐỘ pH PHẢI ĐO:

Việc đầu tiên nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH phải tuân theo TCVN

về pH met Thiết bị đo pH phải phù hợp với các tiêu chuản về chất lượng nước thải công nghiệp và sinh hoạt theo các tiêu chuẩn sau đây:

TCVN 6982: 2001 TCVN 6983: 2001 TCVN 6984: 2001 TCVN 6985: 2001 TCVN 6986: 2001

về ô nhiễm môi trường nước sinh hoạt và nước thải

Độ pH cần đo phải nằm trong giới hạn: 6 – 8,5pH

Để đảm bảo có thể đo được độ pH theo đúng tiêu chuẩn trên, thang đo

pH phải được nằm trong khoảng (5 – 9,5)pH

II.1.2 CÁC YÊU CẦU KHÁC ĐẢM BẢO TÍNH TIN CẬY CỦA PHÉP ĐO:

II.1.2.1 Tốc độ dòng nước đi qua buồng đo:

Độ pH của nước thải có thể thay đổi khi:

- Thay đổi tốc độ lưu thông của dòng nước

- Có các xoáy làm ảnh hưởng việc chảy tầng của nước thải trong kênh; nói cách khác là phải làm thế nào cho tốc độ của nước trong buồng đo phản ánh tương đối tốc độ của dòng nước ngoài kênh thoát và không gây ra sai số đo

II.1.2.2 Đảm bảo độ bền của đầu đo:

Đầu đo pH được sử dụng đo trong thời gian rất ngắn, sau đó được thau rửa và bảo quản bằng nước sạch, có thể dùng nước cất vừa làm chuẩn zêro của pH mét vừa làm dung dịch bảo quản điện cực

II.1.2.3 Kiểm tra, hiệu chỉnh, chuẩn độ thiết bị:

Các thiết bị đo sinh hoá thường xuyên phải được chuẩn độ, vì vậy trong buồng đo phải bố trí để có thể chuẩn độ trực tiếp độ pH và hiệu chỉnh thiết bị theo nhiệt độ được đo

II.1.3 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA pH MET THIẾT KẾ:

- Bố trí được chế độ thau rửa, bảo quản và chuẩn độ các đầu đo

- Dễ dàng thay đầu đo

- Kết quả được trình bày dưới 2 dạng:

o Số: truyền nối tiếp theo chuẩn RS-485

o Đầu ra tương tự: theo chuẩn 4 – 20mA

II.1.4 ĐẦU ĐO ĐỘ pH:

II.1.4.1 Lý thuyết chung về độ pH:

Độ pH hay potential ion H+ là nồng độ ion H trong một dung dịch acid hoà tan trong nước pH nói lên tính chất acid hoặc base của dung dịch điện phân

Đối với dung dịch acid mạnh, ion H+ bị phân ly hầu như hết, số ion H+của một phân tử gam acid mạnh có thể lên đến 107 ion

Đối với dung dịch base mạnh, ion OH- bị phân ly hầu hết và số ion của một phân tử gam base mạnh có thể lên đến 107 ion OH-

Để dễ sử dụng, người ta dùng thang đo loga và quan niệm ion OH- là thiếu ion H+

Với số lượng tương đối so sánh giữa số ion base mạnh với acid mạnh là:

[ ] [ ] 14

log +− =

OH H

Độ pH từ acid mạnh đến base mạnh là 14, người ta định nghĩa

pH = -log [H+]

Thang pH chia làm 2 khoảng:

- Dung dịch có độ pH từ 0 -7 pH là dung dịch có tính acid

- Dung dịch có độ pH (7 – 14) là dung dịch có tính base

Độ pH = 7 chỉ rõ dung dịch có tính trung tính (nước nguyên chất)

II.1.4.2 Sức điện động Galvanic:

Một điện cực nhúng vào một dung dịch điện phân, sẽ xuất hiện ở điện cực ấy một sức điện động theo luật Nernst

E = RTln HnF

T : nhiệt độ tuyệt đối T = 273 + t

n : hoá trị của ion H

Bảng 2 – Quan hệ giữa độ pH và nồng độ chất hoà tan

Thiết bị đo pH phải được bố trí để chủ động bù nhiệt độ Quan hệ giữa sức điện động Galvanic và độ pH ở các nhiệt độ khác nhau cho ở hình vẽ 1

Hình 2 – Quan hệ E pH (pH) theo các nhiệt độ khác nhau

Ở các nhiệt độ khác nhau quan hệ EpH(pH) biểu diễn bằng các đường thẳng có góc nghiêng khác nhau Góc nghiêng này phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch Trong thực tế các đường thẳng gặp nhau tại một điểm gọi là điểm đẳng nhiệt có giá trị pHo:

Và EpH = e (pH – pHi)[1 + α1(t – t0)]

e = 58,1 mV Nếu pHi ở ngay trên trục toạ độ (pHi = 0, t0 = 00C) ta có:

EpH = e.pH0 [1 +α1 (t – t0)]

II.1.4.3 Các điện cực:

Công thức Nernst chỉ thật đúng với điện cực H Điện cực H là một điện cực Pt xốp xung quanh có các phân tử H hấp phụ Điện cực H được thực hiện bằng cách cho sục khí H vào dung dịch đo ở phía dưới điện cực Pt xốp ấy

Do không thuận tiện trong việc sử dụng, đặc biệt trong môi trường công nghiệp, người ta phải nghiên cứu các loại điện cực khác Trong thực tế công nghiệp người ta sử dụng điện cực thuỷ tinh

Điện cực thuỷ tinh gồm 1 bầu thuỷ tinh có thành rất mỏng (0,02mm) trong có dung dịch ClAg và điện cực bạc

Điện cực thuỷ tinh có tính chất giống như điện cực H có hệ số e = 0,058V ứng với 1pH Ở nhiệt độ 180C, hệ số nhiệt độ α1 = 0,0035/0C

Điện cực thuỷ tinh tuy mỏng manh nhưng hoạt động tốt, ổn định; nhược điểm lớn nhất là điện trở của điện cực rất lớn (108 - 109Ω) Vì vậy đòi hỏi thiết bị đo phải có điện trở vào Rv > 1011 – 1012Ω

Gần đây, để giúp cho việc dễ dàng chế tạo các mạch khuếch đại và xử

lý người ta đã gắn điện cực thuỷ tinh với một tiền khuếch đại dòng điện bằng bán dẫn trường, nói cách khác là một hệ ISFET

Điện cực ISFET được chế tạo từ bán dẫn trường kênh dẫn n hoặc p Trên kênh dẫn ấy cho bởi một lớp SiO2 xốp hoạt hoá tác dụng của màng này giống như điện cực thuỷ tinh mà một mặt được nối vào gate của bán dẫn trường

Hình 3 - Điện cực thuỷ tinh và điện cực ISFET

Mặt kia của cực thuỷ tinh được tạo thành một buồng chứa dung dịch phân tích và một điện cực nền

Điện cực nền này được nối vào Source hoặc Drain của bán dẫn trường trong 2 mạch khuếch đại áp hoặc dòng

Với cách bố trí này điện trở ra của hệ này khá nhỏ (vài trăm KΩ nên khuếch đại ở phía sau rất dễ giải quyết.Gần đây có nhiều cải tiến của điện cực

pH thuận lợi cho việc xây dựng các pH mét có độ ổn định cao

Màng thuỷ tinh chọn lọc ion Kênh dẫn

Đế

Dung dịch phân tích

Điện cực nền

D

R S

U CC

-U CC +

Hình 4 - Mạch khuếch dòng điện gắn liền với điện cực pH (ISFET)

Điện cực thứ 2 của đầu đo pH là một điện cực nền Điện cực nền là một điện cực mà điện áp ở điện cực so

với dung dịch không phụ thuộc vào

nồng đọ ion H+ có trong dung dịch

Điện cực nền được chế tạo từ

Calomel (Hg2Cl2) nên còn gọi là

điện cực calomel

Điện cực được chế tạo như

sau:

Hình 5 - Điện cực Calomel

Dưới cùng là thuỷ ngân (Hg), trên là một lớp Cl2Hg2 tinh thể sau đó là

Cl2Hg2 bão hoà Điện cực calomel được nối với dung dịch do thông qua một cầu điện phân KCl

Điện áp E0 của điện cực calomel với các dung dịch khác nhau không phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân

Sức điện động ấy là E0 =0,284 V ở 180C

E0 thay đổi theo nhiệt độ

Et = E0 [1 + α0 (t - t0)]

α0 = 0,0026/0C

II.1.4.4 Chọn đầu đo:

Điện cực là quan trọng nhất trong phép đo độ pH Qua nhiều năm, đã

có khá nhiều biện pháp để nâng cao đặc tính kỹ thuật của các cảm biến đặc biệt là tính ổn định và tính chống nhiễu của cảm biến

Hình 6 - Cấu tạo đầu đo Gel-polymer

Hiện nay các điện cực được chế tạo phối hợp tức điện cực đo (điện cực thuỷ tinh) và điện cực nền (Calomel) được chế tạo trong một đầu đo để đảm bảo tính chống nhiễu cao, dây dẫn được bọc kim với các đầu cắm đặc biệt

Điện cực nền Ag/AgCl/Cl được nhúng hoàn toàn trong một gel - polymer – electrolyte thể rắn

Do tính chất và nồng độ của gel – electrolyte biến đổi rất chậm khi điều kiện ngoài thay đổi nên đặc tính điện hoá của đầu đo không thay đổi theo thời gian

Đầu đo phối hợp này không đòi hỏi một bảo dưỡng cao như các đầu

đo pH bình thường cho phép làm việc trong môi trường ô nhiễm cao

Bảng 3 – Thông số của đầu đo Sensolyt

Có đầu đo nhiệt độ Kèm theo RTC (0 - 600C)

Nhiệt độ môi trường 0 – 600C

Nối điện Cáp PV với 7 dây nối

Đầu đo pH -20 của YOKOGAWA

dùng trong đề tài cũng thuộc về họ các đầu

do Gel-polimer-Electrolyte

Trong đầu đo mà tích hợp điện cực

đó thì có thêm điện cực đất của dung dịch

nhằm để chống nhiễu và ổn định tốt

YOKOGAWA lại tích hợp thêm

đầu đo nhiệt độ để lấy kết quả đo nhiệt độ

thực hiện phép bù ảnh hưởng nhiệt độ

- Điện trở trong đầu đo: 750 MΩ

- Nhiệt độ bảo quản: -300C – 500C

Hình 8 -Đầu đo pH của YOKOGAWA

Hình 9 – Quan hệ giữa pH và nhiệt độ