Xây dựng hệ thống thu thập lưu trữ và xử lý số liệu đo một số thông số môi trường nước nuôi trồng thủy hải sản

Chính vì những lý do đó, luận văn này đã đề cập đến việc sử dụngmôdule thu thập lưu trữ và xử lý CR10X thương mại, tiến hành khai thác, xâydựng, phát triển và làm chủ hệ thống tự động th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ QUANG MINH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO MỘT SỐ

THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

NUÔI TRỒNG THỦY HẢI SẢN

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn: GS.TS Phan Hồng khôi

Hà nội - 2005

Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined.

Lời cam đoan Error! Bookmark not defined.

Danh mục bảng và hình vẽ … ……… … 5

Chương 1: Tổng quan 5

1 Bối cảnh và tính cấp thiết của vấn đề 5

2 Các thành tựu trong việc thu thập tự động các thông số môi trường 10

3 Mục tiêu và đề xuất nghiên cứu 11

Chương 2: Xây dựng, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động đo các thông số của môi trường nước 14

1 Hệ thống theo dõi chất lượng nước 14

2 Các cảm biến đo các thông số của môi trường nước 16

2.1 Cảm biến nhiệt độ 16

2.2 Cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối) 23

2.3 Cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan 29

2.4 Cảm biến đo pH 34

3 Môdule thu thập số liệu CR10X 38

3.1 Cấu trúc sơ đồ mạch 38

3.2 Tổ chức bộ nhớ 41

3.3 Tập lệnh lập trình của môdule CR10X 41

3.4 Thiết lập các thông số của môdule CR10X 43

3.5 Khởi tạo môdule CR10X 44

4 Ghép nối 45

4.1 Giao tiếp giữa môdule thu thập, lưu trữ CR10X với máy tính (RS-232) 45

4.2 Nguồn cung cấp 46

5 Kỹ thuật xử lý tín hiệu 47

5.1 Thu thập số liệu 47

5.2 Khuyếch đại tín hiệu 48

5.3 Nhiễu 49

5.4 Kỹ thuật nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu bằng xử lý số tín hiệu 50

6 Phần mềm điều khiển, thu thập và lưu trữ số liệu 54

6.1 Bố cục của chương trình quản lý và điều khiển 54

6.2 Lập trình với PC208W 56

7 Đánh giá sai số 57

7.1 Một số phương pháp toán trong xác định giá trị đo và sai số 57

7.2 Đánh giá sai số của hệ thống 61

Chương 4: Ứng dụng và mở rộng hệ thống 63

1 Ứng dụng hệ thống đo đạc tự động 63

2 Mở rộng ứng dụng hệ thống 64

2.1 Hệ thống quản lý số liệu từ xa 64

2.2 Hệ thống đo đạc và cảnh báo khí tượng thuỷ văn 65

3 Tính khoa học và kinh tế của hệ thống đo đạc tự động 67

Kết luận 69

Các công trình công bố liên quan đến luận văn 70

Tài liệu tham khảo 71

Phụ lục 74

Bảng 7: Chức năng các chân tín hiệu của cổng truyền thông CR10X Bảng 8: Các tham số của môi trường nước ……… 62

Hình 1: Sơ đồ ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước

26

Hình 6: Cảm biến đo độ dẫn (độ muối)

Hình 7: Đặc tuyến độ dẫn điện - điện áp

Hình 8: Thiết bị máy đo nồng độ ôxy hoà tan

.32 Hình 9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ ôxy hoà tan ……….

33 Hình 10: Đặc tuyến đáp ứng của cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan theo thời gian 34 Hình 11: Sơ đồ đo pH dùng màng thuỷ tinh

35 Hình 12: Mạch tiền khuếch đại: giảm nhiễu và tăng hệ số khuếch đại của pH… 36

Hình 13: Đặc trưng pH theo giá trị tín hiệu ……… 37

Hình 14: Bản mạch đóng gói của môdule CR10X

Hình 15: Các tập lệnh và bộ nhớ của môdule CR10X

Hình 16: Giao diện thiết lập các thông số của hệ thống ……….

43 Hình 17: Màn hình hiển thị sự kết nối giữa máy tính với môdule CR10X ……… 44

Hình 18: Dòng dữ liệu trên cổng RS-232 với tốc độ 9600 baud ……….

46 Hình 19: Mô hình thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu đo

47 Hình 20: Sơ đồ khuyếch đại trở kháng đơn giản

48 Hình 21: Tín hiệu tổng sau khi lấy trung bình ……… 52

Hình 22: Sơ đồ xử lý trung bình đa kênh ……….… 52

Hình 23: Mô hình minh hoạ quá trình thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu …….……

53 Hình 24: Lưu đồ chương trình quản lý và điều khiển ……….……….

54 Hình 25: Tập thể cán bộ nghiên cứu đang kiểm tra đo đạc ….……… 63

Hình 26: Số liệu hiển thị dưới dạng trực tuyến ………….……… 63

Hình 27: Mô hình quản lý điều khiển từ xa Hình 28: Mô hình dự báo và cảnh báo môi trường ……… 65 Hình 29: Hệ thống đo khí tượng 66

Chương 1: TỔNG QUAN

Ô nhiễm môi trường trên trái đất cũng như ở Việt Nam vẫn không ngừngtăng lên, mặc dù nhiều Quốc gia trên thế giới cũng như Việt Nam ta đã vàđang tìm các biện pháp để khắc phục Các số liệu thống kê cho thấy mức độ ônhiễm môi trường ở nhiều nước trên thế giới trong đó có nước ta rất nặng nề

Các chất thải công nông nghiệp không được xử lý triệt để có nhiều ảnhhưởng tai hại đến sức khoẻ của con người và môi trường sinh thái [1] Mộttrong các biện pháp tích cực góp phần bảo vệ môi trường là nghiên cứu,sản xuất các thiết bị đo để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường

Cùng với sự quan tâm đó là sự ra đời của các quy định luật pháp mới(bao gồm các quy định của Quốc gia và Quốc tế) nhằm cố gắng làm thayđổi mối quan hệ giữa môi trường và phát triển Đánh giá tác động môitrường là một ví dụ quan trọng về một trong những nỗ lực đó Ở Việt Nam

ta, trong những năm gần đây thì môi trường mới được quan tâm, đã cónhiều văn bản luật hướng dẫn, thi hành luật bảo vệ môi trường như: Chỉ thị

số 23/2005/TC - TTg ngày 21/6/2005 của Thủ tướng chính phủ về đẩymạnh công tác quản lý chất thải rắn tại các đô thị và các khu công nghiệp;Nghị đ ịnh số 68/2008/NĐ-CP ngày 20/5/2005 của Chính phủ về an toànhoá chất; và nhiều văn bản pháp luật khác Hiện nay, luật Bảo vệ môitrường đã được Quốc hội thông qua tại kỳ họp thứ 10, khoá XI [2]

Trong những năm 1990, phạm vi đánh giá tác động môi trường đãđược mở rộng hơn rất nhiều Do đó, chúng ta có lẽ sẽ rất ngạc nhiên khibiết rằng việc đánh giá tác động môi trường gặp phải rất nhiều sự phản đối

ở nhiều nước khác nhau, với lý do làm cản trở sự phát triển kinh tế Thườngthì sự tăng trưởng kinh tế, cùng với nó là sự ô nhiễm môi trường, do chấtthải công-nông nghiệp gây nên hiệu ứng nhà kính

Năm 1992, các nhà môi trường đã đưa ra quan điểm phát triển bền

vững, đó là phát triển trong mức độ duy trì chất lượng môi trường, giữ cân

bằng giữa môi trường và phát triển Trong báo cáo đánh giá tác động môitrường, thì đo đạc và quan trắc môi trường là không thể thiếu Quan trắc và đo

đạc sẽ cho chúng ta những số liệu về hiện trạng môi trường đó “Quan trắc

môi trường là việc theo dõi thường xuyên chất lượng môi trường với các

trọng tâm, trọng điểm hợp lý nhằm phục vụ các hoạt động bảo vệ môi trường và phát triển bền vững” [2].

Như vậy, để có được những số liệu cụ thể cho báo cáo đánh giá tácđộng môi trường thì không thể thiếu các phép đo đạc và quan trắc trực tiếphoặc gián tiếp từ môi trường đó Có nhiều cách để đo đạc và quan trắc môitrường mà một trong những cách đó là sử dụng các thiết bị khoa học

Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận vàphát hiện các yếu tố vật lý, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mớithể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người Nhờ cáctiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử

và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng

và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng [3] Xuất phát từ nhu cầu thực tế

đó, các nhà khoa học đã và đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu các cảmbiến phục vụ cho việc đo đạc các thông số của môi trường

Trong thực tế của việc phân tích môi trường, chúng ta thường phải tiếnhành phân tích khá nhiều mẫu và yêu cầu là các kết quả phải đạt độ chính xáccao Các quy trình phân tích thông thường [13] đòi hỏi người phân tích phải

có khả năng và kinh nghiệm nghề nghiệp rất cao mới hạn chế được những s ai

số do thực nghiệm gây ra Ngoài ra, để có một bộ số liệu đầy đủ phân tích cảmột quá trình biến đổi của môi trường, thay việc ghi chép số liệu, vẽ đồ thịbằng tay (dữ liệu thu được từ cách làm này thường không khách quan) thì việcứng dụng máy vi tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động các thông

số của môi trường đã đem lại những kết quả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệthống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính cho ta kết quả có độchính xác rất cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, nhưng điều đáng quan tâmhơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập và xử lý các kết quả đo, kể cảviệc lập bảng thống kê cũng như in ra kết quả [4]

Hiện nay, hai môi trường được quan tâm hơn cả, vì nó ảnh hưởng trựctiếp đến đời sống sinh hoạt và sản xuất hàng ngày đó là môi trường nước vàmôi trường không khí Trong luận văn này, tôi đề cập đến môi trường nướcvì: Nước là tài nguyên vật liệu quan trọng nhất của loài người và sinh vậttrên trái đất Ngoài chức năng tham gia vào chu trình sống trên, nước còn làchất mang năng lượng (hải triều, thuỷ năng), chất mang vật liệu và tác nhânđiều hoà khí hậu, thực hiện các chu trình tuần hoàn vật chất trong thiênnhiên Có thể nói sự sống của con người và mọi sinh vật trên trái đất phụthuộc vào nước

Một trong những ngành sản xuất sử dụng môi trường nước là ngànhnuôi trồng thuỷ hải sản, chính ngành sản xuất này hiện nay rất đang đượcquan tâm vì nó đem lại lợi nhuận cao cho nền kinh tế Để có được lợinhuận cao từ ngành nuôi trồng thuỷ hải sản, cần phải chú ý đến môi trườngcho thuỷ hải sản phát triển, mà ở đây là môi trường nước Trong nền kinh tếhội nhập, việc tiến hành sản xuất không thể thủ công như xưa, ngoài ra sảnphẩm làm ra muốn xuất khẩu được thì phải đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tếđặt ra, nhất là tiêu chuẩn về môi trường Vậy yêu cầu đặt ra là phải gắn kếtvới khoa học và công nghệ thì mới phát triển sản xuất, mới đủ năng lựccạnh tranh trong nền kinh tế hội nhập [5] Các qui trình công nghệ, các thiết

bị đo đạc, quan trắc môi trường nhập ngoại rất đắt mà không dễ trong việcbảo hành, thay thế Trong khi đó ngành khoa học công nghệ của Việt Nam

đã có những bước phát triển mạnh [6] Cần có những chính sách động viêncho việc sử các thiết bị khoa học trong nước sản xuất

Nhiệt độ, độ muối, nồng độ ôxy hoà tan và độ pH là những thông sốquan trọng của môi trường nước, đặc biệt là môi trường cho nuôi trồng thuỷhải sản Đo đạc, quan trắc các thông số này và so sánh với những tiêu chuẩncho trước đối với từng môi trường cụ thể sẽ cho ta báo cáo về tình hình môi

trường đó, từ đó có những điều chỉnh để giảm thiểu các tác nhân gây hại.Trong việc nuôi trồng thuỷ hải sản, ta cần phải quan tâm theo dõi, đánh giámôi trường nước trong suốt quá trình phát triển của thuỷ hải sản.

Hiện nay, các máy đo đạc các thông số môi trường cầm tay được bánrộng rãi trên thị trường, với loại thiết bị này ta chỉ biết được các thông số tạithời điểm quan sát Số liệu được ghi chép lại, thường là không đầy đủ vàkhông khách quan Để có một bộ số liệu đầy đủ, chính xác và khách quan

sự biến đổi của các yếu tố môi trường, cũng như phân tích, đánh giá tácđộng môi trường trong một quá trình, một thời gian dài, thay cho việcthường xuyên ghi chép bằng thủ công, thì việc cần có hệ thống tự động thuthập, lưu trữ số liệu là rất cần thiết Nhiều cơ sở nghiên cứu về nghiên cứumôi trường, đã nhập mua các hệ thống tự động, nó có thể thu thập được cácthông số môi trường bằng các cảm biến kết nối với một hệ thiết bị thu thập,lưu trữ Các hệ thống nhập ngoại này có ưu điểm là hoàn chỉnh và có tínhthương mại cao Tuy nhiên, nó có nhược điểm là khá đắt tiền, do hệ thốnghoàn chỉnh nên người sử dụng khó có thể sửa chữa, và can thiệp được.Ngoài ra, các cảm biến sau một thời gian sử dụng thì thường bị già hoá, khóchuẩn lại, dẫn đến sai số cho phép đo

Chính vì những lý do đó, luận văn này đã đề cập đến việc sử dụngmôdule thu thập lưu trữ và xử lý CR10X thương mại, tiến hành khai thác, xâydựng, phát triển và làm chủ hệ thống tự động thu thập, lưu trữ và xử lý đo cácthông số môi trường, đặc biệt là môi trường nước: nắm được các thông sốphần cứng (các mạch điện của môdule CR10X, các loại cảm biến trong đó cóloại được chế tạo và loại được mua, ghép nối chúng với môdule CR10X); xâydựng phần mềm điều khiển việc tự động thu thập, lưu trữ, và xử lý các số liệu

đo được Với hệ thống tự động này, đã cho phép đo tự động liên tục và thườngxuyên các thông số của môi trường nước: nhiệt độ, độ ôxy hoà tan, độ

muối và độ pH Đây là các thông số chính của môi trường nước nuôi trồngthuỷ hải sản Ngoài ra, hệ thống này đã đưa vào ứng dụng trong đo đạc tạimột cơ sở nghiên cứu nuôi trồng thuỷ hải sản ở Nha Trang (Khánh Hoà), vàmột số ứng dụng mở rộng khác của hệ thông này cho nghiên cứu trongPhòng thí nghiệm, cũng như trong sản xuất

THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

Việc nghiên cứu và chế tạo các cảm biến cũng như xây dựng các hệthống thiết bị cho nghiên cứu, quan trắc, đánh giá môi trường đã và đang đượccác nhà khoa học quan tâm Nhiều cơ sở nghiên cứu khoa học; các trường đạihọc và các hãng đã và đang đi sâu nghiên cứu chế tạo các máy đo cũng nhưcác hệ thống tự động theo hai hướng chủ yếu: nghiên cứu trong phòng thínghiệm [7, 8] với mức độ chính xác cao, sử dụng nhiều kỹ thuật hiện đại vànghiên cứu chế tạo các thiết bị đo môi trường phục vụ cho việc theo dõi liêntục hiện trường (monitoring), hoặc lưu trữ số liệu dưới dạng không trực tiếp(offline), đo đạc lấy số liệu theo mục đích, ý nghĩa sử dụng, hiện đại, gọn nhẹ

và dễ sử dụng Người ta đã chế tạo được những thiết bị đo môi trường, đặcbiệt là môi trường khí có khả năng đo đồng thời nhiều thông số với độ chínhxác tương đối cao và sử dụng thuận tiện như: đo nồng độ ôxy hoà tan, đonhiệt độ, độ ẩm, các chất khí gây độc, cháy, nổ, và ghép nối chúng thành một

hệ thống tự động trong việc thu thập, lưu trữ, và xử lý các thông số đó mộtcách chính xác và đầy đủ - Đó là các trạm tự động quan trắc môi trường Trênthế giới, một số hãng lớn về thiết bị đo là: Campbell (Anh),

Hana (Ý), Cole-Parner (Mỹ) [18, 20, 21]

Hiện nay một số cơ sở nghiên cứu và trường đại học trong nước đã vàđang tập trung nghiên cứu chế tạo, ứng dụng nhiều loại cảm biến, cũng nhưxây dựng các hệ thống thiết bị đo tự động, trong đó có đo môi trường Từ các

thông số môi trường đơn giản như: nhiệt độ, pH, độ muối, các loại khí độchại, cháy, nổ…đến các cảm biến phức tạp như cảm biến sinh học(biosensor) để phân tích lượng đường có trong máu [23].

Ở Việt Nam, trong những năm gần đây nhiều Hội nghị và đề tài Khoahọc và Công nghệ cấp Nhà nước đã được tổ chức tập trung vào hướng pháttriển các linh kiện cảm biến phục vụ cho việc phân tích và đánh giá môitrường: Hội nghị môi trường Toàn quốc lần thứ 2 (23-25/4/2005) vàchương trình Khoa học và Công nghệ KC-02-12, là hội nghị và chươngtrình khoa học công nghệ điển hình mà hướng tập trung chủ yếu là đề xuấtgiải pháp bảo vệ môi trường cũng như nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cácthiết bị đo Bên cạnh đó, rất nhiều đề tài, chương trình khác của Nhà nước

và Địa phương cũng đang được triển khai thực hiện

Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cónhững hợp tác quan trọng với các Phòng nghiên cứu của nước ngoài: Phòngnghiên cứu và phát triển môi trường (Đại học Paris VII), Phòng Vật lý nănglượng cao (Đại học Bách Khoa Paris), Cộng hoà Pháp, về nghiên cứu, chế tạocác cảm biến cũng như việc xây dựng các hệ thống tự động thu thập, lưu trữ

và xử lý số liệu đo môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản: cảm biến đo độôxy hoà tan [9, 10], cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối)[11], và các cảm biến đo nồng độ khí khác [14-17] mà tôi là người trực tiếpthực hiện triển khai công việc dưới sự hướng dẫn của GS TS Phan HồngKhôi

Chính sách Quốc gia về phát triển công nghệ thông tin ở nước ta trongthập kỷ 90 đã đề ra mục tiêu cơ bản của việc đưa các tiến bộ khoa học kỹthuật về công nghệ tin học và tự động hoá các khu vực sản xuất công, nôngnghiệp [6]:

Tự động hoá các hoạt động thông tin và điều khiển trong quá trình sản xuất và đưa yếu tố xử lý thông tin vào các sản phẩm nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng của các quy trình sản xuất hoặc của chính sản phẩm được sản xuất ra

Chuẩn bị cơ sở thông tin cho việc quyết định các biện pháp chỉ định sản xuất

Ngành khoa học nghiên cứu theo dõi, đánh giá môi trường cũng như nềnsản xuất nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta còn ở trình độ lạc hậu, việc ứng dụngcác tiến bộ khoa học kỹ thuật về công nghệ thông tin là một biện pháp quantrọng để hiện đại hoá dần từng bước các ngành này Trong giai đoạn hiện nay,các cơ sở nghiên cứu môi trường đặc biệt là nghiên cứu môi trường nuôi trồngthuỷ hải sản còn rất thủ công, thô sơ, dựa vào kinh nghiệm là chính Chínhđiều này đã làm hạn chế năng suất, chất lượng và hiệu quả

Trước thực trạng đó, được sự hỗ trợ của đề tài KC-02-12, tôi cùng vớicác đồng nghiệp trong Phòng thí nghiệm đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo

và đưa ra ứng dụng cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan trong nước (nước thảihay nước nuôi thuỷ hải sản) [9, 10, 11] Trong thực tế, ngoài thông số vềnồng độ ôxy hoà tan thì các thông số khác: như nhiệt độ, độ muối và pHcũng rất được quan tâm, xem xét Tôi đã có một thời gian làm việc tại 2Phòng thí nghiệm của Cộng hoà Pháp (Đại học Paris VII và Đại học BáchKhoa Paris) theo chương trình hợp tác về nghiên cứu, chế tạo các cảm biến

đo nhiệt độ và độ dẫn (độ muối) cũng như thiết kế, xây dựng hệ thống đo tựđộng các thông số môi trường nước

Nội dung chính trong luận văn này là thiết kế, xây dựng hệ thống đo tựđộng và lưu trữ các thông số môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản gồm

có các nhiệm vụ chính sau:

Từ môdule thu thập số liệu CR10X thương mại, thiết kế, xây dựngcác mạch điện tử và lập trình ghép nối với máy tính để tự động việcthu thập, lưu trữ và xử lý số liệu môi trường nước cũng như xem xétcác tính năng của cảm biến: thời gian đáp ứng, độ lặp lại,…để đánhgiá bản chất của các quá trình xảy ra trong cảm biến, cũng như chấtlượng của môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản;

Chế tạo các cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan trên cơ sởđiện cực kiểu Clark; cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo độ dẫn điện(độ muối);

Đo đạc, đánh giá tính năng và hiệu quả của cảm biến trong Phòngthí nghiệm;

Đưa hệ tự động vào đo đạc môi trường thực tế tại cơ sở nuôi trồngthuỷ sản tại Nha Trang (Khánh Hoà);

Mở rộng hệ thiết bị đo tự động cho các ứng dụng khác

Nội dung này đã được tôi, một thành viên của đề án, được phân côngthực hiện trong khuôn khổ của chương trình hợp tác giữa Viện Khoa họcVật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam với các Trường Đại họccủa Cộng hoà Pháp

1 HỆ THỐNG THEO DÕI CHẤT LƯỢNG NƯỚC

Hệ thống tự động theo dõi chất lượng nước là một hệ hoàn chỉnh baogồm phần thiết bị điện tử, điện hoá và phần mềm điều khiển cho phép người

sử dụng tiến hành đo đạc tự động và lưu trữ các số liệu đo được trong mộtthời gian dài với các thông số: nhiệt độ, độ dẫn điện, độ muối, độ pH và nồng

độ ôxy hoà tan trong nước Phạm vi đo của các thông số như sau:

Nhiệt độ: Dải đo 0 500C, sai số 1,5%;

Độ muối: Dải đo 0 50 g/l, sai số 1,5%;

Độ ôxy hoà tan: Dải đo 0 20 mg/l, sai số 1,5%;

Độ pH: Dải đo 0 14 pH, sai số 1,5%

Các thông số chất lượng nước có thể được theo dõi liên tục trong chế

độ làm việc trực tuyến với máy tính hoặc cũng có thể cho hệ thống hoạtđộng trong chế độ độc lập với nguồn cung cấp trong điều kiện đi đo xa; sốliệu đo được sau đó sẽ được chuyển sang xử lý và lưu trữ trên máy tính

Sơ đồ khối ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước:

Điện lưới

Hình 1: Sơ đồ ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước

Các cảm biến tương ứng với các thông số cần theo dõi được ghép vớicác đầu vào của môdule thu thập số liệu lập trình được CR10X [19] thôngqua các mạch tiền khuyếch đại và biến đổi tín hiệu analog-digital, phối hợptrở kháng phù hợp Một chương trình phần mềm được viết và cài đặt sẵntrong môdule CR10X sẽ tiến hành đọc tín hiệu các đầu vào và lưu trữ sốliệu vào bộ nhớ trong của môdule CR10X theo một chu kỳ xác định và cóthể thay đổi theo yêu cầu của người sử dụng

Nguồn điện cung cấp cho môdule CR10X cũng như cho các cảm biếnhoạt động có thể lấy từ điện lưới hay từ ắc-qui Thiết bị được lắp đặt sẵnvới 1 ắc-qui để hoạt động trong điều kiện cả khi có hoặc không có điệnlưới Khi có điện lưới, thiết bị được nuôi bằng điện lưới, phần còn lại sẽnạp bổ sung cho ắc-qui Khi không có điện lưới thì nguồn duy trì hoạt độngcủa thiết bị là nguồn ắc-qui

Việc ghép nối giữa hệ thiết bị đo với máy tính qua giao diện RS -232được thực hiện nhờ một bộ ghép nối cách ly quang học cho phép tránh đượccác nhiễu điện, và sốc điện từ phía máy vi tính có thể gây ảnh hưởng tới hoạt

NƯỚC Môdule thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu CR10X có thể cho

phép nối với

nhiều loại cảm biến khác nhau, tuỳ theo mục đích và yêu cầu của người sửdụng Các cảm biến mà tôi sử dụng ở trong hệ thống này là: cảm biến đonhiệt độ, cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan, cảm biến đo độ dẫn điện (độmuối), và cảm biến đo độ pH Trong bốn loại cảm biến trên, tôi đã trực tiếptham gia nghiên cứu và chế tạo ba loại cảm biến đầu tiên Dưới đây tôitrình bày nguyên tắc chung trong nghiên cứu, chế tạo các cảm biến đó:

2.1 Cảm biến nhiệt độ [3]

2.1.1 Nguyên lý đo và cách chế tạo cảm biến

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đạilượng được quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trongnhiều tính chất của vật chất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ

là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, ví

dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay điểm Curi của cácvật liệu từ tính Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp haytrong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương phápchính sau đây:

Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler);

Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm;

Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào sự chênh lệchcủa nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số daođộng của thạch anh.

Với mục đích là đo nhiệt độ của môi trường nước cho nuôi trồng thuỷsản, nên khoảng nhiệt độ cần đo [00C 500C], và sai số cho phép là 1,5%.Tôi đã sử dụng điện trở nhiệt Platin (Pt-100 K tại 250C, sai số 0,5%) vớicác thông số lý thuyết được cho như dưới đây:

R(T)=

(1)

Trong đó T đo bằng 0C và T0= 00C, R và R0 là điện trở ở nhiệt độ T và

T0 Các hệ số được xác định chính xác bằng cách đo những nhiệt độ đã biếttrước Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R, ta xác định đượcnhiệt độ cần đo Bảng dưới đây là bảng thể hiện mối quan hệ giữa giá trịnhiệt độ, điện trở của loại nhiệt điện trở mà tôi đã chọn để chế tạo cảm biếnnhiệt độ

Bảng 1: Quan hệ giữa nhiệt độ, điện trở của điện trở Pt (100 K tại 25 0 C)

A = 1,6606438.10-3

B = 2,3952354.10-4

C = 1,1772021.10-7

Với loại nhiệt điện trở này, tôi đã thiết kế, chế tạo cảm biến đo nhiệt

độ có sơ đồ tương đương đơn giản như hình vẽ dưới đây:

Rs HI

Trong đó:

Rs: Điện trở nhiệt;

Rf: Điện trở thuần;

ex được cấp một điện áp V

Như vậy điện thế đo được trên điện trở thuần Rf được tính như sau:

Điện áp đo được tại HI và đất chính là điện áp trên điện trở R f Do cảmbiến được ghép nối với máy tính, nên điện áp cung cấp V là 5V Đối với cảmbiến, yêu cầu là dòng điện chạy trong mạch phải nhỏ (tránh toả nhiệt cho cảmbiến) Khi chọn điện trở Rs là 100 K (ở 250C) đã đáp ứng được dòng chạy quamạch cỡ V Mặt khác, đo điện áp của cảm biến nhiệt độ là đo vi sai (-2,5

V +2,5 V), nên Rf phải được chọn sao cho Rf < Rs, và tôi đã chọn Rf

Để xác định đường đặc tuyến nhiệt độ- điện thế cho cảm biến đo nhiệt

độ Tôi đã sử dụng nhiệt kế thuỷ ngân làm chuẩn với sai số 0,5% để làm nhiệt

độ chuẩn, môi trường đo là môi trường không khí kín và môi trường nước

được hạn chế tối đa sự trao đổi nhiệt Cảm biến đo nhiệt độ đã được tôighép nối với hệ thống để đo điện áp ra tương ứng với nhiệt độ chỉ trênnhiệt kế thuỷ ngân:

Bảng 2: Điện áp ra của cảm biến tương ứng với nhiệt độ trên nhiệt kế thuỷ ngân

Với giá trị điện áp đo được ở mỗi nhiệt độ dùng làm chuẩn cho ở bảng

2, ta có một ánh xạ từ tín hiệu điện áp đo được vào giá trị nhiệt độ Gọi tậpgiá trị tín hiệu điện áp đo được là X, và tập giá trị nhiệt độ tương ứng là Y,một ánh xạ F từ X vào Y:

F:X 

Y

y = f(x)Xây dựng hàm số y= f(x) bằng phương pháp khai triển đa thức:

f(x) = C0 + C1*x + C2*x2 + C3*x3 + C4*x4 + C5*x5

Ci (i = 0 n) là các hệ số của đa thức và được xác định bằng phươngpháp bình phương cực tiểu Với cảm biến đo nhiệt độ này: C0 = 0,037; C1 =-2,903; C2 = 18,751; C3 = -48,136; C4 = 77,352; C5 = -23,938

Đặc tuyến nhiệt độ - điện áp cho trên hình vẽ dưới đây:

Điện áp (V)

Hình 3: Đặc tuyến điện áp - nhiệt độ của cảm biến đo nhiệt độ

Việc xác định giá trị nhiệt độ của môi trường tuân theo mối quan hệ hàm f trên

Để đánh giá sai số của cảm biến nhiệt độ chế tạo được, trong cùng mộtmôi trường được cách ly tối đa sự trao đổi nhiệt Tôi đã so sánh nhiệt độ đo

được bởi nhiệt kế thuỷ ngân với nhiệt độ đo được bằng cảm biến nhiệt độ ghép nối với hệ thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu:

Bảng 3: Nhiệt độ đo được từ nhiệt kế thuỷ ngân và từ cảm biến tự chế tạo

Để đo thời gian đáp ứng của cảm biến nhiệt độ, tôi đã dùng cảm biếnnày đo nhiệt độ của hai môi trường có nhiệt độ khác nhau (không khí vànước) Ban đầu cảm biến được đặt trong không khí và sau đó được nhúngvào nước, sau thời gian khoảng 3 phút, thì giá trị mà cảm biến cho ổn định,như vậy thời gian đáp ứng của cảm biến mà tôi chế tạo là 3 phút

Các thông số kỹ thuật về đo nhiệt độ:

Dải đo nhiệt độ: 0 500C;

Sai số: 0,40C; (so với nhiệt kế thuỷ ngân)

Thời gian đáp ứng: 95= 3 phút;

2.2 Cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối) [11]

Các dung dịch hoá đều có khả năng dẫn điện Để đặc trưng cho khảnăng dẫn điện của dung dịch hoá người ta sử dụng khái niệm độ dẫn điệncủa dung dịch Độ dẫn điện của dung dịch tỷ lệ với nồng độ các ion hoàtan Thông qua việc xác định độ dẫn điện, cho phép ta xác định một loạtcác thông số quan trọng trong việc phân tích môi trường chất lỏng: Độmuối, tổng lượng chất rắn hoà tan, độ điện ly, độ hoà tan, thành phần phứcchất Đây là các chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước.Đối với nước ngọt, khi độ dẫn điện càng cao thì nồng độ ion càng lớn, tức

là nước đã bị ô nhiễm nặng Đối với môi trường biển và vùng nước lợ, sựphát triển của các sinh vật trong đó phụ thuộc rất nhiều vào độ muối Chính

vì thế việc đo độ dẫn điện là hết sức cần thiết

2.2.1 Nguyên lý của phương pháp đo độ dẫn điện

Việc đo độ dẫn điện của môi trường chất lỏng được xác định theonguyên tắc sau: Một dung dịch cần xác định độ dẫn điện với hệ điện cực đượcnối với nguồn điện và nhúng vào dung dịch cần đo Áp một hiệu điện thế E

vào hệ và đo giá trị dòng điện đi qua dung dịch Ta biết, độ dẫn điện tỷ lệ vớicường độ dòng điện, nên qua giá trị dòng điện đo được cho ta xác định được

độ dẫn điện của dung dịch Mặt khác, độ dẫn điện phụ thuộc vào các tính chấtnhư khoảng cách giữa các điện cực, tiết diện của các điện cực, Do vậy, độdẫn điện của dung dịch được xác định bằng công thức dưới đây:

l

R.a

Trong đó G: Độ dẫn điện (S/cm)

l: Chiều dài khối dung dịch (cm)

a: Tiết diện khối dung dịch (cm2)

Thực tế, người ta thường không quan tâm đến chiều dài hay tiết diện củakhối dung dịch cần đo Như vậy, đơn vị của độ dẫn điện là simen (S = -1).Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện cũng tăng lên, gọi là hệ số của độ dẫn điện

phụ thuộc nhiệt độ, thì độ dẫn điện tại nhiệt độ T sẽ được tính như sau:

(4)

Trong đó, GT: Độ dẫn điện của dung dịch tại nhiệt độ T0C

G25: Độ dẫn điện riêng của dung dịch tại 250C

: Hệ số nhiệt của độ dẫn điện

Hệ số nhiệt của độ dẫn điện trong thực tế được xác định bằng các phép

đo thực nghiệm giữa hai môi trường dung dịch khác nhau và được tính theo

1

GT1 và GT2 là độ dẫn điện của cùng một dung dịch ở hai môi trường khác nhau; T1, T2 là hai giá trị nhiệt độ ứng với hai môi trường đó Đối với cảm

biến loại này, cấp điện áp hoặc cấp dòng xoay chiều giữa hai điện cực(không bị ăn mòn) Việc dùng điện xoay chiều cho phép hạn chế các sai sốgây nên bởi hiện tượng phân cực giữa các điện cực do phản ứng xảy ra trêncác điện cực Điện trở hoặc độ dẫn của môi trường nghiên cứu xác địnhbằng cách đo điện áp (nếu dùng dòng xoay chiều) hoặc đo dòng (nếu dùngđiện thế) giữa hai điện cực

2.2.2 Chế tạo cảm biến đo độ dẫn điện

Có nhiều phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch Trong luận văn,tôi trình bày phương pháp đo độ dẫn điện sử dụng hệ hai điện cực:

Sơ đồ tương đương đơn giản nhất của một mạch điện hoá bao gồm haiđiện cực đặt vào dung dịch điện ly theo sơ đồ dưới đây (hình 5.a), giá trịcác tham số của linh kiện có thể thay đổi, nhưng các số liệu đưa ra dướiđây đã được xem xét và tối ưu (hình 5.b)

(b)

Hình 5: (a) Sơ đồ tương đương cảm biến đo độ dẫn hai điện cực; (b) Sơ

đồ nguyên lý của cảm biến đo độ dẫn dựa trên việc đo điện trở

Với sơ đồ như hình 5.a, C1, C2 là điện dung lớp kép trên hai điện cực 1

và 2 Rf1 và Rf2 là điện trở Faraday của phản ứng điện hoá trên điện cực 1 và

2.Điện trở này phụ thuộc vào bản chất điện cực, bản chất chất điện ly và điện thế đặt vào nên rất phức tạp và phi tuyến với dòng điện

Đối với sơ đồ hình 5.b, EX là điện thế xoay chiều VEX; HI và LO làcác chân lấy tín hiệu ra; RF là điện trở thuần; RS là điện trở của dung dịch; I

là dòng điện chạy qua các điện cực

Hình 6: Cảm biến đo độ dẫn (độ muối): (a) Cấu trúc, (b): Sản phẩm đóng gói

Tại sao lại phải dùng dòng xoay chiều?

Khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch, các phản ứng điện hoátại các điện cực có thể làm thay đổi thành phần dung dịch, làm khí thoát ra

Do khí thoát ra xuất hiện suất điện động phân cực, làm cản trở dòng điệnchạy qua dung dịch dẫn đến sụt thế Chính sự sụt thế và sự thay đổi thànhphần dung dịch khi sử dụng dòng một chiều là nguyên nhân gây sai số chophép đo Để tránh sai số, ở đây tôi sử dụng dòng xoay chiều, nếu thế đặtvào đủ nhỏ và tần số đủ lớn thì dòng Faraday có thể bỏ qua Do tần số caonên sự phân cực do mỗi lần đổi chiều dòng điện hoàn toàn bị lần đổi chiềutiếp theo làm trung hoà Chính vì vậy, ta có thể bỏ qua sự sụt thế do phâncực điện hoá trên hai điện cực và khi đó mối quan hệ dòng - thế tuân theođịnh luật Ôm (R = U/I), quan hệ dòng thế giữa điểm 1 và 4 (hình 6):

E1 4 i.R

Vì vậy, khi đo độ dẫn điện trên hệ có cấu tạo hai điện cực nhất thiếtphải sử dụng dòng xoay chiều với tần số thích hợp (50-60 Hz) và điện cựcnhất thiết phải có tiết diện đủ lớn

Vật liệu sử dụng để chế tạo điện mà tôi đã sử dụng để chế tạo cảmbiến đo độ đẫn, là loại vật liệu thép không gỉ có độ sạch cao Điện cực này

có ưu điểm là thời gian làm việc lâu, ít bị ăn mòn trong môi trường có nồng

độ muối cao, khi bề mặt bẩn có thể đem rửa điện cực mà không có các hiệuứng phụ làm ảnh hưởng đến điện cực

2.2.3 Xác định đường đặc tuyến độ dẫn điện - điện thế

Việc xác định đường đặc tuyến độ dẫn điện - điện thế tương tự như đốivới cảm biến đo nhiệt độ Tôi đã sử dụng muối KCl độ sạch 99,9% để phacác loại dung dịch chuẩn Sau khi pha dung dịch tôi đã sử dụng máy đo

Conductivity meter 2500 (Hãng sản xuất Hana- Ý), với dải đo độ dẫn 0 200mS/cm có sai số 0,5% giá trị đo, để xác định độ dẫn của dung dịch pha chế

Bảng 4: Giá trị điện áp đo được từ cảm biến tương ứng với giá trị độ dẫn điện (25 0 C)

Trong đó: Cond25 - Độ dẫn điện ở 250C; Concent - Nồng độ dungdịch; Signal - Tín hiệu đo được; Calib - Hệ số chuẩn hoá = Signal/ (1-Signal) Hệ số nhiệt của độ dẫn điện , tôi đã xác định được là 1,5.10-4 cm-1

Đồ thị dưới đây là đặc tuyến độ đẫn điện - điện áp đo được ở 250C củacảm biến đo độ dẫn

Hình 7: Đặc tuyến độ dẫn điện - điện áp

Ngoài ra, độ dẫn điện của dung dịch còn phụ thuộc nhiệt độ của dungdịch Do vậy, để cảm biến đo độ dẫn điện có khả năng bù trừ nhiệt độ thìtrong quá trình thiết kế phần cứng hay phần mềm ta phải tính đến khả năng

bù trừ nhiệt độ Từ độ dẫn điện của dung dịch tính bằng đơn vị S/cm, ta cóthể tính được độ muối hoặc tổng lượng chất rắn hoà tan trong dung dịch:Quan hệ giữa độ muối và độ dẫn (G):

Các thông số kỹ thuật về đo độ muối và độ dẫn:

Dải đo độ dẫn điện: 0 100 mS.cm-1;Dải đo độ muối: 0 50 ppt (g/l);

Sai số: 1,0% thang đo;

Thời gian đáp ứng: 95 = 3 phút; Có bù theo nhiệt độ;

2.3 Cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan [9-10]

Cảm biến đo độ ôxy hoà tan không những được sử dụng rộng rãi trongphòng thí nghiệm mà cả trong thực tế đời sống, sản xuất Những công dụngchính của cảm biến ôxy có thể kể đến: đo nồng độ ôxy hoà tan trong nướcphục vụ nghiên cứu môi trường và nuôi thuỷ sản; đo nồng độ ôxy hoà tantrong không khí tại các vùng khí quyển bị ô nhiễm, đo nồng độ ôxy trongmáu phục vụ trong ngành y tế, lâm sàng

Cảm biến đo độ ôxy hay điện cực nhạy ôxy có thể chia thành 2 loạichính: loại cảm biến theo nguyên lý dòng và loại theo nguyên lý tự sinhdòng Hiện nay loại cảm biến được sử dụng phổ biến để phân tích môitrường cũng như sử dụng trong phòng thí nghiệm là loại cảm biến Clark cómàng thẩm thấu nhờ tính thuận tiện khi sử dụng, tránh được sự nhiễm bẩnđiện cực cảm biến và dung dịch nội, tuổi thọ cảm biến cao, có độ chính xác

và ổn định cao Với loại cảm biến này, màng được dùng để thực hiện sựthẩm thấu ôxy, nó có thể được coi là một hàng rào khuếch tán chống lại sựnhiễm bẩn Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độôxy hoà tan trong dung dịch

Với sự phát triển của công nghệ vật liệu mới, người ta đã tìm ra và sửdụng nhiều loại vật liệu khác nhau để chế tạo điện cực, với mục tiêu làgiảm giá thành nhưng vẫn đảm bảo chất lượng Sau đây tôi trình bày mộtcách chung nhất về chế tạo cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan theo nguyên

lý của điện cực Clark

2.3.1 Phương pháp đo độ ôxy hoà tan bằng cảm biến màng

Nồng độ ôxy hoà tan (DO) trong nước tự nhiên và trong nước thải phụthuộc vào các tính chất vật lý, hoá học và sinh hoá của mẫu nước Phân tích

DO là một phép thử quan trọng trong quá trình xử lý nước thải và nước ônhiễm Phương pháp cảm biến màng dựa trên tốc độ khuyếch tán ôxy phân

tử qua màng

Cảm biến màng có những ưu điểm sau:

Đo được độ ôxy trong các khí và dung dịch;

Không có sự nhiễm bẩn do dung dịch phân tích gây ra; Không hoặc ít phụ thuộc vào dòng chảy

Đối với cảm biến kiểu Clark, điều quan trọng nhất là cấu hình của cảm biến Nói chung, với cảm biến loại này màng được dùng để thực hiện sự thẩm

thấu ôxy và ngăn sự thẩm thấu của các chất khác, chống lại sự nhiễm bẩn.Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ ôxy hoà tantrong dung dịch (hoạt độ của ôxy phân tử).

2.3.2 Nguyên lý hoạt động và tính chất của cảm biến

Ôxy đến bề mặt điện cực làm việc là do quá trình khuyếch tán từ ngoàivào trong dung dịch, sau đó sẽ khuyếch tán từ trong dung dịch đến điện cựccảm biến Lượng ôxy khuyếch tán, cũng như cường độ dòng điện thu được

sẽ phụ thuộc vào:

Áp suất riêng phần của ôxy trong dung

dịch; Chất liệu màng và độ dày của màng;

Kích thước catốt;

Thế phân cực cảm biến;

Nhiệt độ môi trường;

Chế độ dòng chảy của dung dịch cần đo

Các yếu tố ảnh hưởng có mối quan hệ sau:

I = k.A.a.D.p/XTrong đó:

I : mật độ dòng điện;

k: hằng số;

D:hệ số khuyếch tán của ôxy qua

màng; a: độ hoà tan của ôxy trên màng;

Ag+/Zn-; hệ điện cực được nhúng trong dung dịch điện hoá, với màngteflon bảo vệ dung dịch điện hoá (màng teflon cho không cho dung dịchthẩm thấu ra ngoài, nhưng lại cho ôxy khuếch tán vào trong dung dịch).Cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan được bán rộng rãi trên thịtrường với các loại: DO-01; DO-02 và DO-03 Hình dưới đây là ảnh minhhoạ về cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan cầm tay do tôi chế tạo

Hình 8: Cảm biến (a) và máy đo (b) nồng độ ôxy hoà tan cầm tay thương mại

(1): Giắc nối điện; (2): Nắp điện cực; (3): Thân điện cực; (4): Dây dẫn điện; (5): Dung

dịch điện ly; (6): Điện cực thế Zn; (7): Hãm cao su; (8): Nắp cực; (9):Màng điện cực; (10): Cực làm việc Ag.

2.3.4 Chuẩn cảm biến

Chuẩn điểm 0: Trong môi trường 0% ôxy hoà tan (dung địch Na2SO31M) thì cảm biến phải chỉ giá trị 0

Chuẩn độ dốc: Trong không khí (~100% ôxy hoà tan trong nước).

Nồng độ ôxy hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối (môi trườngnước) và có cả độ cao (áp suất khí quyển) Các bảng giá trị sau cho phépchuẩn cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan:

Bảng 5: Nồng độ ôxy phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao (áp suất khí quyển)

Hình 9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ ôxy hoà tan

Các thông số kỹ thuật về đo đo nồng độ ôxy hoà tan:

Dải đo: 0 20 mg/l;

Sai số: 1,5% thang đo (so với phép chuẩn hoá học)

Thời gian đáp: 95 = 3 phút; Có

bù theo nhiệt độ và độ muối (dùng chương trình để bù);

Để xác định thời gian đáp ứng của cảm biến đo độ ôxy

hoà tan, tôi đãghép nối cảm biến với hệ thiết bị đo và đo nồng độ ôxy hoà tan trong hai môitrường khác nhau (không khí và nước), với điều kiện là hạn chế tối đa sự traođổi nhiệt

Trong nước 70 60

50

2.4 Cảm biến đo pH [3]

Độ pH (logarit của hoạt độ các ion H+) thể hiện tính axít của dungdịch Trong thực tế, việc đo độ pH thường xuyên được tiến hành trongnhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp hoá học, nông nghiệp, dược, hoádầu, sinh học lâm sàng

Với loại cảm biến đo pH (hai điện cực), tôi đặt mua trên thị trường vàghép nối với hệ thống thiết bị đo môi trường nước Sau đây, tôi trình bày vềnguyên lý và cách chế tạo cảm biến đo pH

2.4.1 Nguyên lý đo độ pH

Để đo độ pH của một dung dịch, chỉ cần đặt điện cực màng thuỷ tinh vàotrong dung dịch và đo hiệu điện thế xuất hiện giữa phần tử so sánh nội của nóvới điện cực so sánh cùng nằm trong dung dịch này Muốn như thế, điện cựcthuỷ tinh và điện cực so sánh được nối với một pH-mét Thực chất pH-mét làmột milivôn kế có trở kháng đầu vào rất lớn (Ze ≥ 1012 Ω) kết hợp với mộtmạch điện chuyển đổi hiệu điện thế thành đại lượng theo đơn vị pH

Hình 11: Sơ đồ đo pH dùng màng thuỷ tinh

Nếu tính đến các phần tử khác nhau có mặt trong cấu trúc đo thì hiệu

điện thế giữa điện cực thuỷ tinh và điện cực so sánh được viết dưới dạng:

trong đó:

-ESS1 là điện thế của phần tử so sánh nội của điện cực thuỷ tinh;

-ESS2 là điện thế của điện cực so sánh;

-Ej là điện thế của chuyển tiếp lỏng tồn tại giữa dung dịch điền đầy

điện

cực so sánh và dung dịch nghiên cứu;

-Eas là điện thế bất đối xứng của màng thuỷ tinh

Nếu nhóm các số hạng không phụ thuộc vào pH lại với nhau thì biểu

thức trên có thể viết gọn hơn:

trong đó E0’ là điện thế chuẩn của điện cực thuỷ tinh, và 2,3.R.T/F là

độ dốc lý thuyết của điện cực thuỷ tinh

2.4.2 Mạch điện tương thích giữa cảm biến pH và môdule CR10X