Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
Lời nói đầu
Môn học cảm biến và xử lý tín hiệu đo là một trong những môn quan trọng nhất của người kỹ
sư điện, hơn nữa đối với chúng em là những học viên chuyên ngành điều khiển và tự động hóa
thì môn học này lại càng quan trọng. Đo lường luôn là khâu đầu tiên quyết định chất lượng hệ
thống trong điều khiển bất cứ một quá trình nào, từ đơn giản đến phức tạp, từ điều khiển các
mạch điện tử công suất đến các máy plc trong công nghiệp, từ nông nghiệp đến công nghiệp, y
tế, quốc phòng…Từ ý nghĩa quan trọng, rộng lớn của môn học, chúng em luôn mong muốn phải
học thật tốt để nâng cao vốn kiến thức, nắm vững và mở rộng hiểu biết chuyên ngành. Bài tìm
hiểu này là một cơ hội để chúng em thực hiện điều đó. Qua đây, chúng em cũng xin chân thành
cảm ơn cô giáo TS Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn chúng em, cho chúng
em những kiến thức cần thiết, quý báu, để chúng em có thể thực hiện được bài tìm hiểu này. Một
lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn cô.
Do hiểu biết cũng như khả năng đọc hiểu tiếng Anh còn hạn chế, bài tìm hiểu này chắc chắn
còn nhiều sai sót, vì vậy chúng em kính mong nhận được những lời nhận xét đóng góp của cô và
các bạn để bài viết này được hoàn thiện hơn.
Hà Nội ngày 26 tháng 2 năm 2013
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
ĐO pH
Giới thiệu
Đo pH được ứng dụng rất rộng rãi trong các phòng thí nghiệm hóa học, trong các ngành nuôi
trồng thủy sản hay công nghiệp thực phẩm. Ra đời từ những năm 90, đánh dấu bằng việc sử dụng
một điện cực để xác định nồng độ ion H+, và cho đến nay với sự phát triển không ngừng của
khoa học kỹ thuật, rất nhiều kỹ thuật đo pH đã ra đời với khả năng lớn hơn như mở rộng dải làm
việc, đo pH ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, hay được dùng trong y học như đo pH trong cơ thể con
người.
Hai phương pháp thường được sử dụng để đo
độ pH là phương pháp quang và phương pháp
điện hóa. Bài viết này sẽ giới thiệu sơ lược về
phương pháp điện hóa là phương pháp sử dụng
công cụ mà chuyển đổi đại lượng pH (độ hoạt
động của ion H+) thành tín hiệu điện như điện
áp hoặc dòng điện. Kỹ thuật đo được nhấn
mạnh ở đây là sử dụng điện cực màng thủy
tinh, cùng một số kỹ thuật khác như pHFETs
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất
nhiều loại máy pH phổ biến, không chỉ đo pH
mà còn tích hợp đo nhiệt độ, độ mặn, độ dẫn
điện,…
Hình bên là một số máy đo pH thương phẩm
trên thị trường.
Máy đo pH / ORP/ EC/ TDS/ mặn/ nhiệt độ điện t ử để bàn Mi180
Máy đo pH / EC/ TDS cầm t ay MARTINI SM801 (0.0 - 14.0pH; 0 - 1990
uS/ cm; 0 - 1990 ppm)
1. Định nghĩa
pH là đại lượng không thứ nguyên dùng để chỉ hoạt độ của ion H+ trong dung dịch được tính
bằng công thức sau:
pH=-log10[H+]
trong đó [H+] là hoạt độ của ion H+, hay nồng độ mol/lit của ion H+ trong dung dịch.
Độ pH nói lên tính axit hay bazơ của dung dịch. pH nhỏ hơn 7 là dung dịch axit, pH lớn hơn 7
là dung dịch bazơ, pH bằng 7 là dung dịch trung tính. Phần lớn các chất có pH nằm trong khoảng
từ 0 đến 14, mặc dù các chất cực axít hay cực kiềm có thể có pH < 0 hay pH > 14. Bảng 1.1 liệt
kê một số giá trị pH của các chất phổ biến
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
Bảng 1.1 Một số giá trị pH phổ biến
Chất pH Chất pH
Nước thoát từ các mỏ -3.6 – 1,0 Nước chè 5.5
Axít ac quy < 1,0 Mưa axít < 5,6
Dịch vị dạ dày 2,0 Sữa 6,5
Nước chanh 2,4 Nước tinh khiết 7,0
Cola 2,5 Nước bọt của người khỏe mạnh 6,5 – 7,4
Dấm 2,9 máu 7,34 – 7,45
Nước cam hay táo 3,5 Nước biển 8,0
Bia 4,5 Xà phòng 9,0– 10,0
Cà phê 5,0 Amoniac dùng trong gia đình 11,5
2. Đo pH bằng phương pháp điện hóa
2.1 Đo pH bằng điện cực màng thủy tinh
Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để đo pH là sử dụng điện cực
thành thủy tinh như minh họa trên hình 2.1
Hình 2.1 Đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh: (a) hệ thống đo gồm pH mét, điện cực chỉ thị
và điện cực mẫu; (b) cấu trúc điện cực chỉ thị; (c) cấu trúc điện cực mẫu; (d) mạch khuyếch đại.
Nguyên lý cơ bản như sau: chuyển đổi dùng ở đây được gọi là chuyển đổi gavanic. pH mét
có nhiệm vụ đo điện áp giữa hai điện cực: điện cực chỉ thị màng thủy tinh và điện cực mẫu (điện
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
cực so sánh); cả hai điện cực này được nhúng vào trong dung dịch cần đo pH. Điện cực màng
thủy tinh có chứa ion kim loại kiềm như Na. Khi nhúng vào trong dung dịch, các ion kiềm Na+ từ
thủy tinh đi vào trong dung dịch còn các ion hydro từ dung dịch vào chiếm chỗ của chúng do đó
điện cực thủy tinh có tính chất như điện cực hydro. Điện thế xuất hiện trên điện cực thủy tinh
phụ thuộc vào nồng độ ion H+ hay pH. Do điện thế này rất nhỏ nên cần lựa chọn điện cực mẫu
phù hợp và trở kháng đầu vào của pH mét lớn nhằm mục đích đo chính xác. Sau đây ta sẽ đi vào
chi tiết hơn.
Cấu trúc điện cực chỉ thị như được minh họa trên hình 2.1(b). Màng thủy tinh ở cuối điện
cực hoạt động như một chuyển đổi pH, có độ dày 0.1mm. Màng này được làm từ silica, oxit kim
loại kiềm, trong đó thành phần silica SiO2 chiếm 70%. Ví dụ máy đo pH thương phẩm điện cực
thuỷ tinh được làm từ thủy tinh Corning mang nhãn hiệu 015 có thành phần bao gồm 22% Na2O;
6% CaO; 72% SiO2. Khi nghiên cứu cấu trúc của màng thủy tinh này người ta thấy về bản chất
màng tương tự như một mạng khung silicat 
 trong đó mỗi nguyên tử silic liên kiết với bốn
nguyên tử oxi, mỗi nguyên tử oxi trong đó lại đồng thời liên kết với hai nguyên tử silic. Ở giữa
những khe của mạng 
 lại có những cation kim loại kiềm Na+ hoặc Ca2+ có đủ điện tích để
trung hòa với các nhóm 
 có trong mạng. Các cation kim loại kiềm có một điện tích như
Na+ là những cation linh hoạt sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc dẫn ion qua màng theo cơ chế
trao đổi ion với dung dịch cần đo pH. Ngoài ra canxi oxit CaO được thêm vào nhằm thay đổi cấu
trúc mạng tinh thể của thủy tinh, gia cố những đặc tính hóa học đặc tính quá trình cho màng thủy
tinh. Khi lớp màng được nhúng vào dung dịch, một phía của màng tiếp xúc với dung dịch cần
đo, một phía tiếp xúc với dung dịch chất điện ly như kali clorua KCl với nồng độ xác định, ví dụ
ở đây là 3mol/lit. Do nó ngăn cách hai dung dịch có nồng độ ion H+ khác nhau, tạo nên một lớp
hydrat hóa dày 100 nm bám lên bề mặt của màng thủy tinh. Phản ứng trao đổi ion trên ranh giới
tiếp xúc chỉ xảy ra chọn lọc với ion H+ của dung dịch và ion Na+ của màng thủy tinh:
H+dd + Na+tt ↔ Na+dd + H+tt
Một dây bạc phủ bạc clorua được nhúng vào dung dịch chất điện ly tạo ra tiếp xúc ổn định
giữa dung dịch điện ly và pH mét.
Điện cực mẫu được minh họa như trên hình 2.1(c) với cấu trúc giống như điện cực chỉ thị
bên trong chứa dung dịch chất điện ly kali clorua KCl 3M nhưng thay vì màng thủy tinh cuối
điện cực là miếng gốm tạo ra tiếp xúc giữa dung dịch trong điện cực và dung dịch cần đo pH.
Khi nhúng hai điện cực: điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần đo pH thì xuất
hiện các mức điện thế khác nhau. Hình 2.2 minh họa sự khác nhau giữa các mức điện thế này
Hình 2.2 Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
Từ hình vẽ trên từ trái qua phải ta có thể liệt kê các mức điện áp như sau:
- Điện áp giữa dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl với dung dịch điện ly KCl 3M (filling
solution) trong điện cực mẫu.
- Điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu với dung dịch cần đo pH
(sample). Điện áp này rất nhỏ có thể bỏ qua.
- Điện áp giữa dung dịch cần đo pH với dung dịch điện ly KCl 3M (filling solution)
trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.
- Và cuối cùng là điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M với dây bạc phủ bạc clorua
Ag/AgCl trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.
Ta thấy điện áp giữa điện cực mẫu và điện cực màng thủy tinh chính bằng điện áp giữa dung
dịch cần đo pH với dung dịch KCl 3M trong điện cực chỉ thị, giá trị điện áp này còn gọi là điện
áp màng được tính theo công thức sau:
, ,
net b inner b outer
Trong đó ϕb,inner là điện thế biên lớp màng ở phía trong, ϕb,outer là điện thế biên lớp màng phía
ngoài.
Các điện thế biên này lại được tính theo công thức:
'
tan ln
b
H
RT
cons t a
F
Cuối cùng điện áp ϕnet được tính như sau:
'' '''
ons tan ln ons tan 2.3
sample
inner
H
net
H
a
RT RT
F a F
Ở nhiệt độ 250C hệ số 2.3
bằng 59mV/pH, ta có công thức đơn giản sau:
'''
ons tan 0.059
net
c t pH
Trong đó ,,, là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ. Ta thấy phương trình có dạng tuyến
tính y=ax+b. Bằng cách đo điện áp của hai hay nhiều dung dịch biết trước độ pH ta dựng được
đường chuẩn biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo pH như hình 2.3
Hình 2.3 Đường chuẩn biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo pH