Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước (Tóm tắt trích đoạn)

Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ [10] .... Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu đi của các tính chất vật lý - hoá học - sinh học của nước, với sự xuất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong chương trình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trường, dưới sự hướng dẫn khoa học trực tiếp của TS Phạm Văn Thành

Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Thành, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý

Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt những khoảng thời gian tôi học tập tại bộ môn Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các em cùng khoa đã giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến

và Điện tử đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian rèn luyện, học tập, nghiên cứu tại khoa Vật lý

Đặc biệt, tôi xin cảm ơn sự quan tâm, chăm sóc, động viên của bố mẹ, em trai, người thân và bạn bè trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ này

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.15.11

Hà Nội, tháng 12 năm 2016

Phạm Thị Tuyết Nhung

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Nước và tầm quan trọng của nước 3

1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước 4

1.2.1 Các thông số vật lý 4

1.2.1.1 Thông số độ đục của môi trường nước 4

1.2.1.2 Thông số pH của môi trường nước 5

1.2.1.3 Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ [10] 6

1.2.2 Các thông số hóa học 7

1.3 Giới thiệu cảm biến 7

1.4 Các phương pháp đo các thông số trong môi trường nước 9

1.4.1 Các phương pháp đo độ đục 9

1.4.2 Các phương pháp đo pH 10

1.4.3 Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5] 12

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ 20

2.1 Cảm biến độ đục 20

2.1.1 Lý thuyết tán xạ ánh sáng [24] 20

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục 21

2.2 Cảm biến pH 23

2.2.1 Nguyên lý đo của cảm biến pH 23

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH 25

2.3 Cảm biến nhiệt độ 27

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20 27

2.4 Lý thuyết ADC 30

2.4.1 Bộ chuyển đổi Tương tự - Số (ADC) 30

2.4.1.1 Khái niệm 30

2.4.1.2 Phân loại ADC và nguyên lý hoạt động 30

2.5 Lý thuyết vi điều khiển 31

2.5.1 Các khái niệm quan trọng 31

2.5.2 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR 33

2.5.2.1 Tổng quan AVR và sơ lược về bộ KIT AVR V4 33

2.5.2.2 Vi điều khiển Atmega 16 [40] 34

2.6 Lý thuyết về LCD [30] 42

2.6.1 Khái niệm 42

2.6.2 Nguyên lý hiển thị của màn hình tinh thể lỏng 42

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 44

3.1 Hệ thống tích hợp đo 3 thông số môi trường nước (độ đục, pH, nhiệt độ) 44

3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục 46

3.2.1 Chuẩn bị mẫu 46

3.2.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 48

3.2.3 Khảo sát độ nhạy của cảm biến đo độ đục 50

3.3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH 53

3.3.1 Chuẩn bị mẫu 53

3.3.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 54

3.3.3 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 55

3.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ 57

3.4.1 Chuẩn bị mẫu 57

3.4.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 57

3.4.3 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Thành phần nguồn nước trên trái đất 3

Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch 5

Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14 6

Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4 chùm tia Các thành phần: nguồn ánh sáng (hình thang), mẫu lỏng (hình tròn), máy phát hiện-detector (hình chữ nhật), ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn), ánh sáng tán xạ (mũi tên nhỏ) 9

Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) 10

Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] 10

Hình 7: Điện cực chuẩn [31] 10

Hình 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31] 11

Hình 9: Cấu trúc cơ bản của ISFET 12

Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện 13

Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện 13

Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại 14

Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại 15

Hình 14: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn 15

Hình 15: Tiếp giáp P-N 16

Hình 16: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn 16

Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế bức xạ 17

Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trường nước 18

Hình 19: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 18

Hình 20: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và Vi xử lý 19

Hình 21: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với các thiết bị 1-wire khác 19

Hình 22: Kích thước hạt nhỏ hơn 1 10 bước sóng ánh sáng 21

Hình 23: Kích thước hạt gần bằng 1 4 bước sóng ánh sáng 21

Hình 24: Kích thước hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng 21

Hình 25: Nguyên lý hoạt động 22

Hình 26: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [31] 24

Hình 27: Điện cực màng thủy tinh 24

Hình 28: Điện cực pH 26

Hình 29: Hàm chuyển đổi của điện cực pH 26

Hình 30: Thang pH và giá trị điện thế 27

Hình 31: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 27

Hình 32: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire) 28

Hình 33: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 30

Hình 34: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4 34

Hình 35: Hình ảnh thực của AVR Atmega 16 34

Hình 36: Sơ đồ khối của Atmega 16 36

Hình 37: Sơ đồ chân Atmega 16 38

Hình 38: Sơ đồ cấu trúc Atmega 16 39

Hình 39: Sơ đồ bộ nhớ chương trình 40

Hình 40: Chu kỳ truy xuất SRAM 41

Hình 41: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 41

Hình 42: Màn hiển thị LCD 16x2 42

Hình 43: Ánh sáng đi qua lớp lọc đơn cực 43

Hình 44: Ánh sáng đi qua 2 lớp lọc đơn cực 43

Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ 44

Hình 46: Hình ảnh thực của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ 45

Hình 47: Các cảm biến đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống 45

Hình 48: Hình ảnh thực board mạch và các giá trị hiển thị trên LCD 46

Hình 49: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1 NTU (0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1 NTU) 47

Hình 50: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 2; 4; 6; 8; 10 NTU) 47

Hình 51: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 10 – 100 NTU (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) 48

Hình 52: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 100 – 1000 NTU (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) 48

Hình 53: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục 49

Hình 54: (a) Sơ đồ nguyên lý (b) mạch chế tạo của cảm biến độ đục 49

Hình 55: Quang phổ của IR-LED 49

Hình 56: Sự phụ thuộc của công suất của IR-LED vào cường độ dòng điện 49

Hình 57: Sơ đồ các khối chức năng của cảm biến TCS 3200 [9] 50

Hình 58: Sự phụ thuộc của tần số đầu ra (output) vào độ đục trong khoảng từ 0-1000 NTU với cường độ dòng điện qua IR-LED là : (a) 5 mA; (b) 10 mA; (c) 20 mA; (d) 30 mA; (e) 40 mA 51

Hình 59: Đồ thị độ nhạy của cảm biến độ đục 52

Hình 60: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch 53

Hình 61: Dung dịch chuẩn pH 53

Hình 62: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH 54

Hình 63: Mạch khuếch đại tín hiệu của điện cực pH 55

Hình 64: Mạch thiết kế hệ đo pH 55

Hình 65: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch 56

Hình 66: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trường nước 57

Hình 67: Giá trị nhiệt độ, pH, độ đục hiển thị lên LCD 57

Hình 68: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 58

Hình 69: Nhiệt độ đo được trong quá trình giảm nhiệt độ của nước 58

Hình 70: Nhiệt độ đo được trong quá trình tăng nhiệt độ của nước 59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Các ký tự có thể hiển thị lên LCD 43 Bảng 2: Bảng độ nhạy của cảm biến độ đục và cường độ dòng điện (I), 52 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị pH chuẩn và pH hiển thị 56

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC: Analog-to-Digital Converter

ALU: Arithmetic Logic Unit

BOD: Biochemical Oxygen Demand

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

COD: Chemical Oxygen Demand; CPU: Central Processing Unit

CRC: Cyclic Redundancy Check

DO: Dissolved Oxygen; DS: Dissolved Solids

EEPRAM: Electrically Erasable Programmable Random Access Memory EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EGFET: Extended-Gate Field-Effect Transistor

FET: Field-Effect Transistor

IC: Integrated Circuit

ISFET: Ion Sensitive Field – Effect Transistor

I/O: Input/Output

LCD: Liquid Crystal Display

LSB: Least Significant Bit

MSB: Most Significant Bit

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

NTU: Nephelometric Turbidity Units

RISC: Reduced Intruction Computer

SPI: Serial Peripheral Interface

SRAM: Static Random Access Memory

SS: Suspended Solids

TS: Total Solids; TSS: Total Suspended Solids

VĐK: Vi Điều Khiển

VS: Volatile Solids

MỞ ĐẦU

Nước là nhân tố vô cùng quan trọng đối với sự sống Nước không chỉ phục

vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn thuần mà còn đóng vai trò trọng yếu để tạo ra năng lượng hỗ trợ nền kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, duy trì các dịch vụ sinh thái và những yếu tố khác trong xã hội

Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu đi của các tính chất vật lý - hoá học - sinh học của nước, với sự xuất hiện của các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa dạng sinh vật trong nước Hiện nay, cùng với tốc độ lan truyền nhanh và quy mô ảnh hưởng rộng thì ô nhiễm nước đang là vấn đề đáng lo ngại không chỉ của nước ta

mà là hiện trạng chung của các quốc gia trên toàn thế giới

Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu khoa học quy mô phòng thí nghiệm và các dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nước, xử

lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp ra đời Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo các thông số của môi trường nước (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn ) nhằm mục đích đánh giá chất lượng nước là một đề tài mang tính thời sự và cấp thiết hiện nay

Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình

Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nước như độ đục, pH, nhiệt độ Sau đó nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trường nước

Về khả năng ứng dụng thực tiễn, có thể ứng dụng các hệ đo trong luận văn

để đo các thông số của môi trường nước là độ đục, pH, nhiệt độ của các loại chất lỏng khác nhau như: nước sông, nước biển, nước sinh hoạt, nước uống, nước thải sinh hoat và công nghiệp, Có thể áp dụng trong các quy trình đo đạc và xử lý nước thải hoặc kiểm định chất lượng nước

Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Lý thuyết và nguyên lý Chương 3: Thiết kế và khảo sát hệ thống

Chương 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về nước và tầm quan trọng của nước, các thông số của môi trường nước, tìm hiểu chi tiết về các đại lượng đo là các thông số độ đục, pH, nhiệt độ của môi trường nước, giới thiệu về cảm biến và các phương pháp đo một số thông số môi trường nước

Chương 2 trình bày về lý thuyết và nguyên lý chung, nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cảm biến, các hệ đo, lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi tương

tự - số, màn hiển thị tinh thể lỏng

Chương 3 trình bày về toàn hệ thống nói chung, tiếp đó là phần thực nghiệm với các hệ đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống, đưa ra kết quả khảo sát cảm biến, nhận xét từng hệ đo, và đánh giá tổng thể toàn hệ thống

Do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết bị, tài liệu Do đó luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của quý thầy cô và bạn đọc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nước và tầm quan trọng của nước

Nước chiếm 70% diện tích quả đất Trong lượng nước có mặt trên quả đất, nước đại dương chiếm khoảng 97%, nước đóng băng ở các cực chiếm khoảng 2%, còn lại khoảng 1% là “nước ngọt” (ao hồ, sông, nước ngầm )[4]

Nước có mặt ở khắp mọi nơi và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất cả các ngành nghề và mọi lĩnh vực trong cuộc sống Nước đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp khai thác và nuôi trồng thủy hải sản, nước giúp tạo ra điện năng (nhà máy thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện IaLy ), nước đóng vai trò không thể thiếu trong nền nông nghiệp lúa nước của các dân tộc Á Đông từ thuở sơ khai cho đến tận bây giờ Nước là nhân tố chính của dây chuyền công nghiệp sản xuất nước giải khát, Sức ảnh hưởng to lớn của nước đối với đời sống con người là một điều không thể phủ nhận được

Hình 1: Thành phần nguồn nước trên trái đất Hiện nay, với tình trạng ô nhiễm ngày một nặng và dân số ngày càng tăng, nước sạch dự báo sẽ sớm trở thành một thứ tài nguyên quý giá không kém dầu mỏ trong thế kỷ trước Nhưng không như dầu mỏ có thể thay thế bằng các loại nhiên liệu khác như điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt Nước không thể thay thế và trên thế giới tất cả các dân tộc đều cần đến nó để bảo đảm cuộc sống của mình, cho nên

vấn đề nước trở thành chủ đề quan trọng trên các hội đàm quốc tế và những mâu thuẫn về nguồn nước đã được dự báo trong tương lai [12]

Ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng không chỉ với Việt Nam

mà còn là thực trạng đáng báo động của các quốc gia trên toàn Thế giới, như tình trạng ô nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, sông Citarum ở Indonesia, sông Hằng

ở Ấn Độ, và sông Tô Lịch, sông Cầu, sông Nhuệ, sông Đồng Nai ở Việt Nam (có khoảng thời gian nước sông bị acid hóa với pH xuống dưới mức 4, nhiều sông ở nước ta bị ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng với các chỉ số vượt mức tiêu chuẩn cho phép từ 2 cho đến 50 lần, nhất là hàm lượng Colifrom, chỉ số COD, hàm lượng NH4,

Để đánh giá chất lượng của nước, người ta đã sử dụng rất nhiều các tiêu chí khác nhau dựa trên các thông số của môi trường nước (độ đục, pH, độ màu, độ dẫn,

Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về một số thông

số quan trọng của môi trường nước là độ đục, pH và nhiệt độ

1.2.1.1 Thông số độ đục của môi trường nước

Độ đục dùng để chỉ hiện tượng đục của một môi trường chất lỏng và được định lượng bởi cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trường [22] Nhằm mục đích kiểm định chất lượng nước, hiệp hội AWWA (American Water Works Association) đã định nghĩa độ đục như một phép đo không đặc hiệu của một số hạt vật liệu không tan được có trong nước, bao gồm đất sét, bùn, tảo, các vật chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [35] Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong nước mà đo sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt đó

Các phép đo phổ biến nhất cho độ đục ở Hoa Kỳ sử dụng thang đo độ đục với đơn vị đo độ đục khuếch tán NTU (Nephelometric Turbidity Units) Dùng một quy trình như sau: chiếu một chùm ánh sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cường độ ánh sáng bị tán xạ ở 90o so với chùm tia [28] Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với