Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi trường nước lợ và ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản

TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi trường nước lợ và ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản.. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiêm vụ: Thiết

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRẦN MẠNH TIẾN

THIẾT KẾ MÁY ĐO ĐỘ MẶN DỰA TRÊN

SỰ SUY HAO CỦA SÓNG KHI TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LỢ

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP.Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Thư Cao

Người phản iện 1:

Người phản iện 2:

Lu n v n thạc s được ảo vệ tại Hội đồng ch m ảo vệ Lu n v n thạc s

Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày… tháng… n m…

TS Mai Thăng Long

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN MẠNH TIẾN MSHV: 16083261

Ngày, tháng, n m sinh: 24/12/1967 Nơi sinh: Hà nội

Chuyên ngành: Kỹ thu t Điện tử Mã chuyên ngành: 60520203

I TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi

trường nước lợ và ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiêm vụ:

Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi

trường nước iển

Nội dung:

1 Nghiên cứu tổng quan về hiện trạng máy đo độ mặn của nước

2 Tổng quan kỹ thu t anten và truyền sóng cho anten dipol điện, từ đó

xây dựng giải pháp cho đề tài

3 Thiết kế mô hình hệ thống phần cứng và phần mền thiết ị đo độ mặn ằng phương pháp đo suy hao của sóng vi a

4 Lắp đặt mô hình và thực nghiệm

5 Đánh giá kết quả và hướng phát triển

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Theo Quyết định số 2057/QĐ-ĐHCN ngày 10/10/2018 của Hiệu trưởng

Trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 01/03/2019

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bùi Thư Cao

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng… năm 2019

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS Bùi Thư Cao

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TS Mai Thăng Long

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy – Tiến s Bùi Thư Cao, giáo viên hướng dẫn đã nhiệt tình chỉ ảo, động viên, khích lệ và tạo điều kiện cho

em trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn t t đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Điện Tử cũng như các thầy cô ở ngoài Khoa đã nhiệt tình giảng dạy giúp em có các kiến thức nền tảng

và Khoa sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ em để thực hiện hoàn t t đề tài này Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ạn è lớp CH 6B và gia đình, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học t p và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nội dung của đề tài gồm 4 phần:

Phần 1 Tìm hiểu tổng quan hiện trạng các phương pháp đo độ mặn Phần này giới

thiệu tầm quan trọng của thiết ị đo độ mặn trong nuôi trồng thủy sản, khảo sát nguyên lý hoạt động của một số máy đo độ mặn thông dụng Từ đó tìm ra những điểm hạn chế cho các thiết ị đo độ mặn hiện nay trên thị trường là không có khả

n ng đo online lâu dài trong môi trường nước Do các phương pháp này sử dụng các điện cực tiếp xúc trực tiếp, nên chỉ sau vài ngày ngâm dưới nước, các điện cực ị oxyhóa và ám ẩn gây ra sai số lớn phép đo

Phần 2 Cơ sở lý thuyết Phần này trình ày tổng quan lý thuyết ức xạ điện từ của

anten dipol điện và mối liên hệ giữa hằng số điện môi của và độ mặn của nước iển

Phần 3 Phương pháp thiết kế máy đo độ mặn Trên cơ sở lý thuyết, nhóm nghiên

cứu đã tìm ra mối liên hệ giữa xuy hao công su t ức xạ của sóng radio với độ mặn của nước iển Từ đó nhóm nghiên cứu đề xu t giải pháp thiết kế hệ thống phát và thu tín hiệu microwave trong môi trường nước iển để đo độ mặn của nước iển

Mô hình phần cứng và phần mềm cho thiết ị đo độ mặn đã được nhóm nghiên cứu thiết kế r t công phu Hệ thống được thi công lắp đặt và thực nghiệm sử dụng phần cứng thu nh n dữ liệu NI MyDAQ và phần mềm La view Bồn nước 500lít và 1000lit được sử dụng làm ể chứa nước iển

Phần 4 Kết quả thử nghiệm đã cho th y phù hợp với lý thuyết thiết kế Nó cho th y

tính đúng đắn của phương pháp thiết kế Tuy nhiên hệ thống thiết ị đo cũng cho

th y hạn chế nh t định, đó là nhiễu fading sóng, nhiễu nhiệt và khi môi trường nước

có nhiều cặn lắng sẽ làm sai số cho giá trị đo

Phần 5 Kết lu n Đề tài đã đã thực hiện được các mục tiêu đề ra Phương pháp

nghiên nghiên cứu logic và ứng dụng hiệu quả lý thuyết truyền dẫn sóng vào thực

tế Đề tài đã mở ra nhiều hướng ưng dụng thực tế từ phương pháp đề nghị

ABSTRACT

Salinity has been shown to be related to the ability to absorb feed for brackish shrimp and fish Not only that, when the salinity is too high or too low compared to the permitted range, shrimp and fish will be killed Therefore, salinity meter is one

of the important tools of aquaculture households However, the current limitation of salinity meters is not able to measure long-term online in the water environment, by using the measurement electrode principle in direct contact with the water environment

The team found a link between microwave power loss and the salinity of the water, thereby designing the model and the device system that measures the salinity by microwave power loss through antenna electrodes insulated cover and placed in brackish water environment NI MyDAQ data acquisition hardware and Labview software and 500 liter and 1000 liter water tanks are used to implement Then the salinity meter system is installed and tested by using granular salt in Can Gio area Experimental results have been shown to be consistent with design theory It shows the correctness of the design method However, the measuring equipment system also shows certain limitations The disadvantages of the proposed measurement method are wave fading noise, thermal noise and many sediments in the water environment They will create much error for measuring This proposed method has the ability to develop into a commercial product and the research team has also found a solution to overcome thedisadvantages

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của ản thân tôi Các kết quả nghiên cứu, các số liệu thực nghiệm, kết lu n trong lu n v n “Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi trường nước lợ và ứng dụng trong ngành nuôi trồng thủy sản” là trung thực, không sao chép dưới t kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Trần Mạnh Tiến

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH I DANH MỤC BẢNG BIỂU III DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT IV

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt v n đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Cách tiếp c n và phương pháp nghiên cứu 2

5 Tính khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 3

1.1 Phương pháp tỷ trọng kế 4

1.2 Phương pháp độ dẫn 4

1.3 Phương pháp trọng lượng (Gravimetric) 6

1.4 Phương pháp chuẩn độ Chlorination 6

1.5 Phương pháp khúc xạ kế 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Tổng quát về truyền dẫn bức xạ của anten 11

2.2 Truyền sóng trong môi trường v t ch t 16

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ THỰC NGHIỆM 19

3.1 Phương pháp thực hiện 19

3.2 Mô hình đê nghị cho hệ thống thiết bị đo độ mặn 20

3.3 Thiết kế nguyên lý 21

3.3.1 Xây dựng hàm toán học mô tả hệ thống thu phát 21

3.3.2 Xây dựng hàm mô tả hằng số điện môi 23

3.3.4 Thiết kế bộ thu nh n tín hiệu 27

3.4 Thiết kế phần mềm DSP 29

3.5 Lắp đặt và thực nghiệm 32

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 36

4.1 Kết quả thực nghiệm 36

4.2 Nh n xét 37

KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 39

1 Kết lu n 39

2 Kiến nghị 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 42

A Thông số môi trường nước lợ 42

B Giới thiệu mô đun thu th p dữ liệu NI myDAQ 42

C Giới thiệu phần mềm Labview 45

D Máy đo độ mặn và nhiệt độ EXTECH EC170 (0~70.0ppt, 0 to 50°C) 46

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 47

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nuôi tôm nước lợ vùng Đồng ằng sông Cửu Long 3

Hình 1.2 Minh họa tỷ trọng kế đo độ mặn 4

Hình 1.3 Minh họa máy đo độ mặn kỹ thu t dùng phương độ dẫn 5

Hình 1.4 Thiết ị cân trọng lượng mối 6

Hình 1.5 Dụng cụ l y mẫu clo 7

Hình 1.6 Dụng cụ đo nồng độ Clo 8

Hình 1.7 Máy đo độ mặn ằng phương pháp khúc xạ kế 9

Hình 2.1 Minh họa nguyên tố anten dipole điện 11

Hình 2.2 Đồ thị phương hướng iên độ trong không gian 14

Hình 2.3 Đồ thị góc 14

Hình 2.4 Đồ thị góc trong mặt phẳng H 15

Hình 3.1 Sơ đồ khối phần cứng của hệ thống máy đo độ mặn 20

Hình 3.2 Sơ đồ khối ộ điều chế ASK 24

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch phát 24

Hình 3.4 Sơ đồ mạch in của mạch phát 25

Hình 3.5 Sơ đồ khối ộ giải điều chế ASK 26

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phát 26

Hình 3.7 Mạch phát tín hiệu 27

Hình 3.8 NI My DAQ 27

Hình 3.9 Sơ đồ chân ngõ ra của NI MyDAQ 28

Hình 3.10 Cảm iến nhiệt độ PT100 28

Hình 3.11 Lưu đồ giải thu t hệ thống 29

Hình 3.12 Lưu đồ khối phát xung cho RF 29

Hình 3.13 Lưu đồ khối thu dự liệu RF 30

Hình 3.14 Lưu đồ khối thu dữ liệu nhiệt độ 30

Hình 3.15 Lưu đồ khối xử lý dữ liệu thu nội suy ra được giá trị độ mặn 31

Hình 3.16 Hình chụp ể chứa nước và hệ thống anten thu phát 32

Hình 3.17 Minh họa các thiết ị được sử dụng cho thực nghiệp 32

Hình 3.18 Hình chụp ể chứa nước và đầu đo đối xứng 33

Hình 3.19 Giao diện phần mềm LABVIEW 34

Hình 3.20 Thông kế sai số của độ mặn của hệ thống so với thiết ị chuẩn 37

Hình 3.21 Minh họa các giá trị dộ 37

Hình 3.22 Các kết nối của NI myDAQ 43

Hình 3.23 Phạm vi ứng dụng của NI myDAQ 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Dữ liệu thực nghiệm 36

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASK: Amplitude Shift Keying

DAQ: Data acquisition

DSP: Digital signal processing

ppt: Đơn vị tính theo một phần ngàn (vd: g/Kg; g/L)

S 0 / 00 : Ký hiệu độ mặn của nước nước iển đơn vị tính theo một phần ngàn

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Độ mặn đã được chứng minh là liên quan đến khả n ng h p thụ thức n cho tôm, cá nước lợ Không những thế, khi độ mặn quá cao hay quá th p so với khoảng cho phép, có thể làm chết tôm, cá Chính vì thế máy đo độ mặn là một trong các công cụ quan trọng của các hộ nuôi trồng thủy sản Tuy nhiên hạn chế hiện nay của các máy

đo độ mặn là không có khả n ng đo online lâu dài trong môi trường nước, do sử dụng nguyên lý điện cực đo tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước

Hiện nay việc theo dõi môi trường được thực hiện không liên tục và làm thủ công trong từng thời điểm Điều này sẽ không đáp ứng yêu cầu theo dõi liên tục 24/24 dẫn đến không xử lý kịp thời trong các trường hợp sự cố xảy ra như độ mặn t ng cao do xâm thực của nước iển hay độ mặn xuống quá th p do lượng mưa lớn Mặt khác các thiết ị đo nếu làm việc liên tục trong môi trường tự nhiên và lại tiếp xúc trự tiếp với môi trường nước iển r t dễ gây hư hỏng phá hủy ề mặt do muối n mòn, dơ ẩn do rong tảo và các ch t hữu cơ ám vào làm sai lệch kết quả

Để khắc phục v n đề trên nhóm nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng trong đề tài thiết kế máy đo độ mặn sử dụng điện cực ằng sóng vô tuyến không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế máy đo độ mặn dựa trên sự suy hao của sóng khi truyền trong môi trường nước lợ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Môi trường nước lợ ở đồng ằng sông Cửu long, lý thuyết truyền dẫn sóng điện từ nước có độ mặn từ 00

/00 đến 500/00 Sóng vô tuyến được thết kế có tần số 315 MHz ở dãy tần dân dụng

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng mô tả toán học, mối liên hệ giữa công su t tín hiệu sóng microwave thu được với độ mặn của nước iển

Xây dựng mô hình và thiết kế hệ thống thiết ị đo độ mặn ằng cách đo sự suy hao của sóng trong môi trường nước lợ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Hình 1.1 Nuôi tôm nước lợ vùng Đồng ằng sông Cửu Long Với địa hình trải dài trên 2000 km ờ iển, Việt Nam là nước có tiềm n ng mạnh về phát triển kinh tế iển, thủy hải sản Tuy nhiên cho đến nay, qua các phương tiện thông tin đại chúng ta th y hiệu quả nuôi trồng thủy sản vẫn còn th p Thực tế, muốn nuôi tôm, cá t ng trưởng tốt, à con nông dân không những phải có kinh nghiệm mà còn cần phải có kỹ thu t khoa học trong việc kiểm soát các thông số môi trường nước, như: pH, Oxy hòa tan, độ mặn, … là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến n ng su t thu hoạch tôm

Một trong các thông số môi trường nước, Độ mặn đã được chứng minh là liên quan đến khả n ng h p thụ thức n cho tôm, cá nước lợ Không những thế, khi độ mặn quá cao hay quá th p so với khoảng cho phép, có làm chết tôm, cá Chính vì thế máy đo độ mặn là một trong các công cụ quan trọng của các hộ nuôi trồng thủy sản

Có 03 loại phương pháp đo độ mặn đang sử dụng trong thực tế: phương pháp tỷ trọng kế, phương pháp độ dẫn và phương pháp khúc xạ kế

1.1 Phương pháp tỷ trọng kế

Tỷ trọng là tỷ số của trọng lượng riêng ch t cần đo và trọng lượng riêng của nước

Độ mặn và tỉ trọng là thu t ngữ thường được sử dụng để đo nồng độ muối trong môi trường nuôi trồng Mặc dù độ mặn và tỉ trọng có quan hệ với nhau, nhưng hai thu t ngữ thì khá khác nhau và nên được hiểu theo ngh a riêng của nó

Độ mặn (Salinity): được định ngh a là tỷ số khối lượng gam muối được hòa tan trong 1 kg nước, đơn vị ‰

Tỉ trọng: được định ngh a là tỉ số giữa tỉ trọng của dung dịch (tại nhiệt độ nh t định) trên tỉ trọng của nước tinh khiết (tại nhiệt độ nh t định) Tỉ trọng phụ thuộc vào nhiệt độ, Khi nước iển nóng lên, nó giãn ra Và khi lạnh đi, nó co lại Như là định

lu t chung của tự nhiên là khi nhiệt độ t ng thì tỉ trọng giảm và khi nhiệt độ giảm thì tỉ trọng t ng

Hình 1.2 Minh họa tỷ trọng kế đo độ mặn

Tùy theo ch t cần đo là ch t gì mà người dùng có thể lựa loại tỷ trọng kế cho thích hợp Thường thì phân ra 2 loại chính là: ch t nặng hơn nước và ch t nhẹ hơn nước

Và cũng tùy theo mục đích sử dụng mà trên tỷ trọng kế có nhiệt kế kèm theo hay ko nữa Nhẹ hơn nước thì chủ yếu dùng để đo nồng độ rượu – Cồn kế (người pha rượu nào cũng có) Nặng hơn nước thì dùng đo nồng độ muối – Tỷ trọng kế

1.2 Phương pháp độ dẫn

Muối tồn tại dưới dạng ion Natri và ion Chloride mang điện tích dương và điện tích

âm di chuyển tự do trong nước Một khi trường điện từ xu t hiện, điện tích dương

sẽ di chuyển về điện cực âm và điện tích âm sẽ di chuyển về điện cực dương, máy

sẽ tính toán để cho ra kết quả đo

Nguyên lý đo độ mặn: dựa trên phương pháp đo độ dẫn điện của dung dịch Muối trong dung dịch tồn tại ở dạng ion Sodium (Na+) và ion Chloride (Cl-) Khi số lượng ion Sodium và ion Chloride t ng lên, độ dẫn điện của dung dịch cũng t ng lên tương ứng vơi độ t ng của nồng độ muối Sử dụng nguyên lý này, độ mặn được xác định ằng cách tính toán độ dẫn điện của dung dịch

Thao tác đo: đơn giản ằng cách nhúng điện cực tiếp xúc trực tiếp vào trong nước mặn (nước nuôi trồng thuỷ sản) và nh n nút t máy để trên màn hình hiển thị nhiệt

độ (°C hoặc °F), độ mặn (ppt) và tỉ trọng

Một số loại máy đo độ mặn thường gặp: Máy đo độ mặn điện tử hiện số kèm điện cực, út đo độ mặn Máy đo độ mặn kỹ thu t số dùng phương pháp đo độ dẫn điện hiện đang là thiết ị đo chính xác nh t và là phương pháp đo tin c y được ứng dụng

đo trong sản xu t công nghiệp

Hình 1.3 Minh họa máy đo độ mặn kỹ thu t dùng phương độ dẫn

Độ dẫn tính được tính từ độ dẫn đo ằng cảm iến sử dụng hằng số (C), phản ánh tỷ

lệ và chéo diện tích mẫu nước trong đó dòng điện thực sự chảy Xác định độ dẫn là

từ mối quan hệ:

trong đó điện trở R = điện trở su t = conductance-1

, = độ dẫn điện-1, L = Chiều dài mẫu nước và A = diện tích ngang của thể tích nước để có được độ chính xác với salinometer phòng thí nghiệm, độ dẫn điện của dung dịch nước thu được ằng cách

đo điện trở giữa hai điện cực platin ngâm trong dung dịch Độ chính xác của các dụng cụ dẫn điện khác nhau đáng kể tùy theo thiết kế · kết nối điện với nước iển (điện cực hoặc Điện áp)

1.3 Phương pháp trọng lượng (Gravimetric)

Hình 1.4 Thiết ị cân trọng lượng mối

Độ mặn của một mẫu nước iển có thể được đo ằng cách ốc hơi nước và cân nặng, dư lượng ch t rắn - muối Điều này được gọi là gravimetric Th t không khả thi, muối giữ lại một lượng thay đổi H2O, vì v y iện pháp này không chính xác Nhà hóa học iển ở thế kỷ 19 đã được nh n thức về t lợi này trong nỗ lực của họ

để đo mức độ mặn theo độ mặn, và các quy trình đã đưa ra kết quả có thể tái tạo hợp lý

1.4 Phương pháp chuẩn độ Chlorination

Nguyên tắc "tỷ lệ không đổi" cho rằng số lượng của một ion đơn chính là đủ để xác định độ mặn của nước Các nhà hóa học,nhiều lý do hợp lý, chosed Cl- như chỉ số

độ mặn Riêng chỉ số sa1inity liên quan đến việc xác định không chỉ của Cl- chlorine, hoặc tổng lượng halogen hòa tan trong nước trong g/kg Các nguyên tố của

họ halogen ao gồm clo, rom, iốt và flo, r t khó để phân iệt được phân tích vì

tính ch t hóa học chung của chúng Độ chính xác cần thiết cho độ chuẩn độ thu được ằng cách sử dụng một loại dụng cụ thủy tinh đặc iệt - một Knudsen urette

và pipette Knudsen Một urette của Knudsen chứa đầy dung dịch ạc nitrate

Hình 1.5 Dụng cụ l y mẫu clo

Nước iển mẫu được đặt ằng pipel Knudsen vào cốc nước, và một chút lượng kali dung dịch cromat được thêm vào Trong khi khu y, dung dịch ạc nitrate chạy như một dòng suối mỏng vào mẫu nước iển màu vàng, sau đó ạc clorua kết tủa trong mẫu nước iển tạo thành màu trắng tiền gửi ằng khí Khi t t cả các ion clo chứa trong 86 K Arulananthan mẫu nước iển đã kết tủa như ạc clorua, ạc cromat hình thành (màu đỏ xu t hiện trên tiền gửi) Từ số tiền ạc nitrat cần thiết đến mức thay đổi màu sắc diễn ra, và từ lượng nước iển đã sử dụng, lượng clorua trong nước iển mẫu có thể được tính toán Chuẩn độ clorua theo Mohr dựa về các công thức hóa học sau (Dietrich et al., 1980)

NaCl + AgN03 = AgCl + NaN03

2AgN03 +K2Cr04 = Ag 2Cr04 +2KN03

Ở đây S là độ mặn trong ‰, tổng trọng lượng của muối trong 1000 gram nước iển

Cl là lượng clo trong ‰, trọng lượng clo trong mỗi 1000 gram nước iển (Knudsen,

1959) Độ chính xác ± 0.02‰ trong việc xác định độ mặn đạt được ằng phép đo so sánh với mẫu nước chuẩn.

Hình 1.6 Dụng cụ đo nồng độ Clo

1.5 Phương pháp khúc xạ kế

Nhỏ một vài giọt nước (có chứa muối) lên trên l ng kính ở phía đầu của khúc xạ kế Nước phải phủ đều và không được có ọt khí để đạt được kết quả chính xác Đ y nắp trên l ng kính Chỉnh độ đi-ốp cho phù hợp với mắt người đọc, và đọc số vạch chuyển màu trên ống ngắm

Dụng cụ sử dụng quan sát m t độ hay chiết su t phải chỉ sử dụng khi yêu cầu về tính chính xác và tính ứng dụng th p Do đó được gọi là các mẫu đo m t độ được sử dụng dưới dạng thủy tinh được định chuẩn phao nổi, phần lớn là đo đạc thân; các mẫu nước được điền vào một xi lanh, ch m sóc được thực hiện rằng nhiệt độ được cân ằng, và isometer được đưa vào Từ một quy mô được hiệu chỉnh (được tính ằng% độ mặn) trong cuống areometer, khoảng cách mà dụng cụ được đắm trong nước iển có thể được đọc Đồng thời đo nhiệt độ là cần thiết để có được độ mặn Phương pháp này đơn giản nhưng mang lại độ chính xác khoảng S± 0,1 ‰

Hình 1.7 Máy đo độ mặn ằng phương pháp khúc xạ kế

Chiết su t t ng với độ mặn khoảng 2 10-4 / psu và với nhiệt độ khoảng 0,1 10-4/ °C Theo Rusby (1967) [1], độ mặn thu được từ sự khác iệt  giữa chiết su t s, rcủa nước iển dồi dào và chỉ số khúc xạ 35 ,Tcủa tiêu chuẩn nước iển có độ muối 35,00 psu ở nhiệt độ T và áp su t khí quyển như sau :

35, 00 5,3302.10 2, 274.103,9.10 10,59 ( 20) 2,5.10 ( 20)

và Sr = độ mặn tượng trưng

Nh n xét chung:

Trong thế kỷ vừa qua, độ mặn đã được đo ằng các phương pháp khác nhau, mặc

dù độ chuẩn độ và tính dẫn độ chloric là chung nh t Độ chính xác cao nh t đạt được độ dẫn điện đo lường theo phương pháp chuẩn độ

Phương pháp khúc xạ kế và phương pháp độ dẫn cũng có thể được sử dụng để xác định độ mặn, mặc dù chúng không đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về tính chính xác Tuy nhiên trong phạm vi ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản, với yêu cầu sai

số khoảng ±0.5 độ, thì cả 2 phương pháp này đáp ứng tốt

Hiện nay việc theo dõi môi trường được thực hiện không liên tục và làm thủ công trong từng thời điểm Điều này sẽ không đáp ứng yêu cầu theo dõi liên tục 24/24 dẫn đến không xử lý kịp thời trong các trường hợp sự cố xảy ra như độ mặn t ng cao do xâm thực của nước iển hay độ mặn xuống quá th p do lượng mưa lớn Mặt khác các thiết ị đo nếu làm việc liên tục trong môi trường tự nhiên và lại tiếp xúc trự tiếp với môi trường nước iển r t dễ gây hư hỏng phá hủy ề mặt do muối n mòn, dơ ẩn do rong tảo và các ch t hữu cơ ám vào làm sai lệch kết quả

Trên cở sở lý thuyết, để khắc phục v n đề này nhóm nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng thiết kế dầu dò đo độ mặn dựa trên sự suy hao công su t của sóng microwave trong môi trường nước lợ

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quát về truyền dẫn bức xạ của anten

Một trong phạm vi ứng dụng của đề tài, nhóm nghiên cứu nh n th y chọn lựa loại anten dipole điện là phù hợp nh t Vì, anten đipôl điện cho kích thước anten nhỏ và

dể thiết kế và phù hợp mô hình hệ thống đo kiểm

1.1.1 Trường bức xạ và đặc tính phương hướng của dipole

Giả thiết có không gian đồng nh t, rộng vô hạn và giả sử trong thể tích V hữu hạn của không gian y có dòng điện phân ố với m t độ khối Lại giả thiết thể tích hữu hạn nói trên là một đoạn thẳng dẫn điện, r t mảnh, có độ dài (với  ),

được đặt tại tâm của hệ tọa độ vuông góc, dọc theo trục z (Hình 8) Giả sử dòng điện chảy theo phương trục z, có iên độ và pha đồng đều trên đoạn thẳng đó Nguyên tố ức xạ nói trên được gọi là đipôl điện

Hình 2.1 Minh họa nguyên tố anten dipole điện Đipôl điện là phần tử dẫn điện thẳng, r t mảnh, cố độ dài l r t nhỏ so với ước sóng, trên đó cố dòng điện mà iên độ và pha ở mọi điểm đều như nhau

Hàm ức xạ Ge được xác định[4] Khi chọn hệ tọa độ như ở Hình 2.1 ta có: ̅ ̅

Do đó:

⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗

( ) ∫ (2.1)

Vì dòng điện chảy theo trục z, nên trong trường hợp này ( ) sẽ chỉ có một thành phần theo z Nếu kích thước của đipôl điện r t nhỏ so với ước sóng thì  và có thể coi Như đã giả thiết, dòng điện có iên độ và pha phân ố đều theo đipôl, ta có thể viết

∫ ̅

Áp dụng (2.1) ta xác định được các thành phần của hàm ức xạ trong hệ tọa độ cầu:

} (2.3)

Thay (2.1) vào (2.2) và (2.3) ta nh n được các véctơ điện trường và từ trường ức

xạ của đipôl điện:

} (2.5) trong đó, k – hệ số song, ằng 

W – trở kháng sóng của môi trường Đối với không gian tự do √ ( ) (2.6)

Nếu thay , ta có thể việt lại (2.4), (2.5):

( )

( ) }

(2.7)

Từ các kết quả trên có thể rút ra các nh n xét sau:

- Trường ức xạ của đipôl điện là trường phân cực thẳng Điện trường ức xạ của đipôl chỉ có thành phần , còn từ trường chỉ có thành phần

- Mặt phẳng E là các mặt phẳng chứa trục đipôl, còn mặt phẳng H là các mặt phẳng vuông góc với trục đipôl

- Tại mỗi điểm khảo sát, các véctơ ̅̅̅ và ̅̅̅ đều có góc pha giống nhau nên n ng lượng của trưòng ức xạ là nãng lượng thực (n ng lượng hữu công) Véctơ m t

độ công su t trung ình được xác định ởi (1.35a):

| ( )| | | ( ) (2.11)

| ( )| ( )

Đồ thị phương hướng iên độ trong không gian và trong mặt phẳng (vẽ trong hệ tọa

độ cực và vuông góc) được iểu thị ở Hình 9

Hình 2.2 Đồ thị phương hướng iên độ trong không gian

Để xác định hàm phương hướng pha của trường ức xạ, ta viết lại (2.9) dưới dạng:

ở hình 10

Hình 2.4 Đồ thị góc trong mặt phẳng H

2.1.2 Công suất bức xạ và điện trở bức xạ của đipôl điện

Công su t bức xạ của dipol điện có thể đƣợc xác định bằng cách l y tích phân giá trị

trung ình của vecto m t độ công su t theo một mặt kín u (ví dụ mặt cầu) bao quanh dipol, khi án kính của mặt cầu r t lớn (R>> ) và dipol đƣợc đặt tại tâm mặt cầu

y Ta có:

∫ ( ̅ ̅ )

∫ ∫ | | | | ( ) ∫ | | ( )

(2.12) Trong đó λ0 là ƣớc sóng trong không gian tự do thì

| | (2.15)

Đại lượng trong công thức trên được gọi là điện trở bức xạ của đipol điện

Cần nhớ rằng, khái niệm cản trở ức xạ chỉ có tính ch t tượng trưng và là một khái niệm định ngh a thuần túy Nó có thể được xem là đại lượng iểu thị quan hệ giữa công thức ức xạ với iên độ dòng điện trong đipol, và ở mức độ nào đó có thể dùng để đánh giá khả n ng ức xạ của anten

So sánh (2.12) và (2.15) ta nh n được iểu thức điện trở ức xạ đipol điện:

2.2 Truyền sóng trong môi trường vật chất

Xét trong môi trường t kỳ có hằng số điện môi rvà hệ số từ thẫm r, chiết su t của môi trường  (hay chỉ số khúc xạ) được định ngh a là tỷ lệ của tốc độ của ánh sáng trong chân không c, với tốc độ pha của ánh sáng trong môi trường v p

p

c v