Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

uận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nước như: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ. Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trường nước và kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền dữ liệu lên Internet. Đặc biệt hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo tới một số điện thoại khi có một hoặc nhiều thông số vượt chuẩn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM VĂN THÀNH HÀ NỘI - 2017
LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Khoa Vật lý –Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong chƣơng tình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trƣờng, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học trực tiếp của TS. Phạm Văn Thành. Trƣớc hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Phạm Văn Thành, ngƣời thầy đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử cũng nhƣ các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình rèn luyện và học tập tại Khoa Vật lý. Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên cùng khoa đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và ngƣời thân đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.18.17 Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Vi Văn Hoàng i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................. i DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .................................................................. iv BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT ................................................................................. vii LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 2 1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc ........................................................................ 2 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc ................................................................ 3 1.2.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 3 1.2.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc ................................................................ 5 1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ................ 5 1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 6 1.3. Giới thiệu cảm biến ............................................................................................... 8 1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc ................................... 9 1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục ............................................................ 9 1.4.2. Đo pH bằng phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh .................................... 10 1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ ................................................................................... 10 1.4.4. Phƣơng pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc .................................. 14 CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ ATMEGA 16 ................................................................................................................ 16 2.1. Cảm biến độ đục..................................................................................................16 2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng ............................................................................ 16 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục ............................................. 17 2.2. Cảm biến pH .......................................................................................................19 2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH.................................................................... 19 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH ................................................... 20 2.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20 ....................................................21 2.4. Cảm biến độ dẫn..................................................................................................24 2.4.1. Hằng số tế bào.............................................................................................. 25 2.4.2. Tế bào dẫn 2 điện cực. ................................................................................. 25 2.4.3. Tế bào dẫn 4 điện cực .................................................................................. 26 2.5. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC)..................................................................26 ii
2.6. Lý thuyết vi điều khiển .......................................................................................27 2.6.1. Khái niệm vi điều khiển ............................................................................... 27 2.6.2. Họ vi điều khiển AVR ................................................................................. 28 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ............................................ 32 3.1. Hệ thống tích hợp đo 4 thông số môi trƣờng nƣớc (độ dẫn, độ đục, pH, nhiệt độ )..............................................................................................................................32 3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục .............................................................34 3.2.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 34 3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 36 3.2.3. Kết quả thực nghiệm căn chỉnh hệ đo.......................................................... 38 3.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH ...................................................................39 3.3.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 39 3.3.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 39 3.3.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ................................................................ 40 3.4. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ ...........................................................41 3.4.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 41 3.4.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 42 3.4.3. Kết quả và nhận xét ..................................................................................... 43 3.5. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn .............................................................44 3.5.1. Chuẩn bị mẫu đo .......................................................................................... 44 3.5.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 44 3.5.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ................................................................ 45 3.6. Đo mẫu chất lỏng trong thực tế ...........................................................................46 3.7. Chức năng cảnh báo khi có thông số vƣợt chuẩn. ..............................................48 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 51 iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1: Nguồn nƣớc trên trái đất ................................................................................... 3 Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch .................................................. 4 Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8]. ............................................................................ 5 Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4 chùm tia. ......................................................................................................................... 9 Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27] Hình 6: Điện cực chuẩn [27] ....................... 10 Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27]............................................................. 10 Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn ............................................. 11 Hình 9: Tiếp giáp P – N................................................................................................ 11 Hình 10: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn ........................................... 11 Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ....... 12 Hình 12: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 ..................................................... 13 Hình 13: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và vi xử lý ................................... 13 Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với các thiết bị 1- wire khác. ................... 14 Hình 15: Sự dịch chuyển của ion trong dung dịch ....................................................... 14 Hình 16: Kích thƣớc lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 [10]. .................... 15 Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng ............................................... 16 Hình 18: Kích thƣớc hạt gần bằng 1/4 bƣớc sóng ánh sáng ........................................ 16 Hình 19: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng ................................................. 17 Hình 20: Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 18 Hình 21: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [27]............................................. 19 Hình 22: Điện cực pH [33] ........................................................................................... 21 Hình 23: Hàm chuyển đổi của điện cực pH [33].Hình 24: Thang pH và giá trị điện thế [33].......................................................................................................................... 21 Hình 25: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 ......................................................... 22 Hình 26: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire) ............................. 23 Hình 27: Hằng số tế bào [28] ....................................................................................... 25 Hình 28: Sơ đồ của tế bào dẫn 2 điện cực [28] ............................................................ 25 Hình 29: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [28] ............................................. 26 Hình 30: Sơ khối của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) .......................................... 27 Hình 31: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4 ......................................................... 29 Hình 32: Hình ảnh thực tế Module Sim800c ............................................................... 31 Hình 33: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ, độ dẫn ............................ 32 Hình 34: Hình ảnh thực tế của hệ thống đo đa thông số môi trƣờng nƣớc .................. 33 Hình 35: Hình ảnh các loại cảm biến ........................................................................... 34 Hình 36: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 1; 2; 4; 6; 8; 10 NTU)......... 35 iv
Hình 37: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 100 NTU (0; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU)...................................................................................................................... 35 Hình 38: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1000 NTU (0; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) ........................................................................................... 35 Hình 39: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục ............................................................... 36 Hình 40: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo độ đục...................................................... 36 Hình 41: Quang phổ của IR-LED [36] ......................................................................... 37 Hình 42: Sơ đồ khối chức năng của cảm biến màu TCS 3200 [39] ............................. 37 Hình 43: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch: (a) 0 – 10 NTU; (b) 10 – 100 NTU; (c) 100 – 100 NTU .............................................................. 38 Hình 44: Dung dịch chuẩn pH ...................................................................................... 39 Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH ..................................................................... 40 Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH ............................................ 40 Hình 47: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch ..................... 41 Hình 48: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ................................. 42 Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 ....................................................................... 42 Hình 50: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình tăng nhiệt độ của nƣớc ............................ 43 Hình 51: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình giảm nhiệt độ của nƣớc ........................... 43 Hình 52: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 0 – 80 ppm (0; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60; 80 ppm). ........................................................................................................................ 44 Hình 53: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 – 2000 ppm (100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 ppm). ......................................................... 44 Hình 54: Sơ đồ khối của hệ thống đo TDS .................................................................. 44 Hình 55: Đồ thị biểu diễn gá trị độ dẫn hệ đo đƣợc so với dung dịch có nồng độ chuẩn............................................................................................................................. 45 Hình 56: Hệ cảm biến đo nƣớc chứa trong ống PVC .................................................. 46 Hình 57: Số liệu đo đạc đƣợc tải lên trang web thingspeak.com. ................................ 46 Hình 58: Khu vực lấy mẫu chất lỏng tại Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm..................... 47 Hình 59: Mẫu chất lỏng lấy tại khu vực Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm ..................... 47 Hình 60: Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động khi một hoặc nhiều thông số vƣợt chuẩn................................................................................................................ 49 v
BẢNG BIỂU Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (0; 2; 4; 8; 10) ........... 39 Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (30; 50; 70; 80; 100). 39 Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (300; 600; 700; 800; 900) ............................................................................................................................... 39 Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn và giá trị pH hệ chế tạo đo đƣợc và hiển thị lên màn hiển thị LCD. ........................................................................................................ 41 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị dung dịch có nồng độ chuẩn và độ dẫn hiển thị ........... 45 Bảng 4: Bảng số liệu đo độ đục, độ dẫn, pH ................................................................ 48 vi
BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT AC: Alternating Current ADC: Analog-to-digital converter ALU: Arithmetic Logic Unit AWWA: American Water Works Association BOD: Biochemical Oxygen Demand CISC: Complex Intruction Set Computer COD: Chemical Oxygen Demand CPU: Central Processing Unit CRC: cyclic redundancy check DC: Direct Current; DO: Dissolved Oxygen DS: Dissolved Solids EC: Electrical Conductivity I/O: Input/Output LCD: Liquid Crystal Display LSB: Least Significant Bit MSB: Most Si Significant Bit NTU: Nephelometric Turbidity Units PC: Counter process RISC: Reduced Intructionset Computer SMS: Short Message Services SRAM: Static Random Acess Memory SS: Suspended Solids TDS: Total Dissolved Solids TSS: Total Suspened Soids TS: Total Solids vii
LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc là một nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quan trọng đối với con ngƣời,sinh vật. Ngoài những ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt thƣờng ngày, nƣớccòn có ý nghĩa rất to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: giao thông, xây dựng, y tế, sản xuất … Theo hiến chƣơng châu Âu về nƣớc đã định nghĩa: "Ô nhiễm nƣớc là sự biến đổi nói chung do con ngƣời đối với chất lƣợng nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc và gây nguy hiểm cho con ngƣời, cho công nghiệp, nông nghiệp, cho động vật nuôi và các loài hoang dã". Hiện nay ô nhiễm nguồn nƣớc là một vấn đề rất cấp bách mà con ngƣời đang phải đối mặt. Do vậy việc tìm ra nguyên nhân và biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm nguồn nƣớc đang đƣợc rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Đã có rất nhiều công trìnhnghiên cứu và các dựán ứng dụng khoa học giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc và xử lý nƣớc thải ra đời. Trong đó, đề tài nghiên cứu hệ đo đạc các thông số của môi trƣờng nƣớc bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ dẫn, nhiệt độ,…nhằm mục đíchtheo dõi, đánh giá và kiểm soát chất lƣợng nƣớc là một đề tài quan trọng trong việc đánh giá và bảo vệ nguồn nƣớc. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nƣớc nhƣ: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ.Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trƣờng nƣớc và kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền dữ liệu lên Internet.Đặc biệt hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo tới một số điện thoại khi có một hoặc nhiều thông số vƣợt chuẩn. Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Nguyên lý đo các loại cảm biến và vi xử lý ATmega 16 Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc Nƣớc là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O.Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ nhƣ tính lƣỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thƣờng của khối lƣợng riêng) nƣớc là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống [14]. Nƣớc là thành phần quan trọng đối với cơ thể con ngƣời: Nƣớc vận chuyển chất dinh dƣỡng và ôxy nuôi dƣỡng mọi bộ phận; là dung môi hòa tan các chất, duy trì nhiệt độ trung bình, tham gia quá trình hấp thu và chuyển hóa thức ăn thành năng lƣợng để cung cấp cho mọi hoạt động của cơ thể,… Nƣớc dùng cho nhu c ầu sản xuất công nghiệp rất lớn nhƣ tạo ra điện năng (nhà máy thủy điện Hòa bình, thủy điện Sơn La,…), dùng để làm nguội các động cơ, làm quay các tubin, là dung môi làm tan các hóa chất màu và các phản ứng hóa học. Nƣớc đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong nền sản xuất nông nghiệp lúa nƣớc, nuôi trồng và khai thác thủy sản,… Do đó nƣớc có sức ảnh hƣởng to lớn đối với đời sống của con ngƣời và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất cả các ngành nghề, lĩnh vực trong cuộc sống. 97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3% còn lại là nƣớc ngọt nhƣng hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực [20]. Phần còn lại không đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở dạng nƣớc ngầm, và chỉ một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí [40]. Tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng không chỉ ở Việt Nam mà còn xảy ra ở tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Nhƣ tình trạng ô nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, hồ Taihu của tỉnh Giang Tô Trung Quốc, sông Hằng ở Ấn Độ. Ở Vệt Nam các sông nhƣ sông Tô Lịch, sông Sét, sông Lừ có màu đen và hôi thối, đặc biệt là khu công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai tạo ra nguồn nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn làm nhiễm bẩn các sông ngòi và vùng phụ cận. Nƣớc dùng trong sinh hoạt của dân cƣ càng ngày càng tăng nhanh do dân số và đô thị. Nƣớc ngầm cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng cùng với sự ô nhiễm nƣớc sông hồ. Việc khai thác tràn lan nƣớc ngầm làm cho hiện tƣợng nhiễm mặn xảy ra ở những vùng ven biển Thái Bình, sông Cửu Long,… 2
Hình 1: Nguồn nƣớc trên trái đất 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc Các thông số vật lý Các thông số vật lý để đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ đục, Màu sắc, Nhiệt độ, pH, Tổng hàm chất lƣợng rắn (TS), Tổng hàm chất lƣợng rắn lơ lửng (SS), Tổng hàm chất lƣợng rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi (VS) [4]. Các thông số hóa học [4] Các thông số hóa họcđể đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ kiềm toàn phần, Độ cứng của nƣớc, Hàm lƣợng oxygen hòa tan (DO), Nhu cầu oxygen hóa học (COD), Nhu cầu oxygen sinh hóa (BOD), Một số thông số hóa học khác trong nƣớc (chì (Pb), sắt, nhôm, mangan, các hợp chất clorua, các hợp chất sunfat, hợp chất nitơ, khí hòa tan, hàm lƣợng Asen, thuốc bảo vệ thực vật, chất hoạt động bề mặt),… Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về một số thông số quan trọng của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ và độ dẫn. 1.2.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của môi trƣờng chất lỏng và đƣợc định lƣợng bởi cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trƣờng [22]. Nhằm mục đích kiểm định chất lƣợng nƣớc, hiệp hội AWWA (American Water Works Association) đã định nghĩa độ đục nhƣ một phép đo không đặc hiệu của một số hạt vật liệu không tan đƣợc có trong nƣớc, bao gồm đất sét, bùn, tảo, 3
các hợp chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [31]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lƣởng trong nƣớc 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). Quy trình nhƣ sau: Chiếu một chùm sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ ở 900 so với chùm tia tới [25]. Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với thiết bị thu tín hiệu (detector) thì sẽ có nhiều hạt nhỏ tán xạ các chùm tia nguồn, tƣơng tự, ít ánh sáng đến các detector có nghĩa là có ít hạt hơn. Đơn vị đo độ đục NTU đƣợc sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA. Lƣợng ánh sáng tán xạ ảnh hƣởng bởi nhiều khía cạnh của các hạt nhƣ màu sắc, hình dạng và phản xạ. Vì thế, thực tế các hạt nặng hơn có thể gải quyết một cách nhanh chóng và có thể không góp phần vào việc đọc độ đục. Mối quan hệ giữa độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) có thể thay đổi tùy thuộc vào vị trí mà ta thu nhập mẫu thử. Mắt ngƣời có thể phát hiện mức độ đục khoảng dƣới mức 5 hoặc 10 NTU. Mẫu nƣớc với độ đục thấp hơn mức này có thể nhận biết bằng mắt ngƣời, tuy nhiên những mẫu nƣớc nhƣ vậy vẫn có thể chứa một nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nƣớc và có thể mang một lƣợng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cƣ trú của các vi khuẩn gây bệnh và ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con ngƣời [32]. Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch Ngoài NTU còn có một số thang đo độ đục khác nhƣ: Đơn vị đo độ đục Formazin khuếch tán FNU (Formazin Nephelometric Units), Đơn vị đo độ đục Formazin FTU (Formazin Turbidity Units), Đơn vịpha loãng Formazin FAU (Formazin Attenuation Units) [3]. Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU. NTU = 1 đơn vị độ đục = 1mg Si𝑂2 / 1L nƣớc cất [3]. 4
Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có độ đục dƣới 5 NTU. 1.2.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó. Trong các hệ dung dịch nƣớc, hoạt độ của ion hiđrô đƣợc quyết định bởi hằng số điện ly của nƣớc (Kw = 1,008 × 10−14 ở 25 °C) và tƣơng tác với các ion khác có trong dung dịch. Do hằng số điện ly này nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nƣớc có giá trị pH nhỏ hơn 7 đƣợc coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 đƣợc coi là có tính kiềm [15]. pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trƣờng, cấp nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc và xử lý nƣớc thải. Công thức để tính pH là [15]: pH = −𝑙𝑜𝑔10 [𝐻+] (1) Giá trị pH đƣợc thể hiện theo thang đo 0 - 14 nhƣ sau: Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8]. Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có pH trong khoảng từ 6.0÷8.5. 1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ Khái niệm Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sựnóng, lạnh của một vật hoặc hệ vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn. Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độảnh hƣởng khá 5
nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các quá trình sinh hóa… của nƣớc.Vậy nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nƣớc là rất cần thiết [11]. Các thang đo nhiệt độ [11] Để đo nhiệt độ của một vật (hệ vật) trong vật lí phải xây dựng một thang đo chuẩn chung gọi là các thang nhiệt giai. Các thang nhiệt giai hay dùng: a. Thang nhiệt giai Celsius Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ của các vật theo độ C (viết tắt ℃). Đây là thang đo nhiệt độ phổ biến nhất hiện nay trên toàn thế giới. b. Thang nhiệt giai Fahrenheit Thang nhiệt giai Fahrenheit xác định nhiệt độ của các vật theo độ F (viết tắt ℉). Thang đo này đƣợc sử dụng chủ yếu ở các nƣớc Châu Âu. Liên hệ giữa thang nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt giai Celsius: 5 ℃= ℉ − 32 9 c. Thang nhiệt giai Kelvin Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là K). Thang nghiệt giai Kelvin đƣa đến khái niệm độ không tuyệt đối (nhiệt độ theo lý thuyết mà tại đó không thể xuống thấp hơn đƣợc nữa). Thang đo này thƣờng đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm. Mối liên hệ giữa thang nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai Celsius: 𝐾 = ℃ + 273 1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trƣờng nƣớc Khái niệm Độ dẫn hay độ dẫn điện là khả năng của một môi trƣờng cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vào các hạt, ví dụ nhƣ lực tĩnh điện của điện trƣờng. Sự di chuyển có thể tạo thành dòng điện.Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào vật chất [12]. Trong nƣớc, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển động của các ion tích điện. Hiện tƣợng này tạo ra một dòng điện và đƣợc gọi là sự dẫn truyền ion. 6
Độ dẫn điện của nƣớc (Electrical Conductivity - EC) liên quan đến sự có mặt của các ion trong nƣớc. Các ion này thƣờng là muối của kim loại nhƣ NaCl, KCl, 𝑆𝑂2−4 ,𝑁𝑂−3 , 𝑃𝑂−4 v.v… Tác động ô nhiễm của nƣớc có độ dẫn điện cao thƣờng liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nƣớc. Do đó, độ dẫn điện của nƣớc còn tƣợng trƣng cho tổng lƣợng chất rắn hòa tan trong nƣớc TDS (Total Dissolved Solids). TDS đƣợc đo bằng ppm (phần triệu) hoặc mg/l. Độ dẫn điện của nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ bởi nhiệt độ càng cao thì khả năng dẫn điện của nƣớc cũng càng cao.Độ dẫn điện của nƣớc tăng lên 2-3% khi nhiệt độ nƣớc tăng 1 độ C, thông thƣờng độ dẫn điện đƣợc đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 25 ℃[38]. Đơn vị đo độ dẫn điện của nƣớc: [12] Trong hệ SI có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét): 1/Ohm = 1 Siemen (S) = 1000 mili Siemen (mS) = 1000000 micro Siemen (𝜇𝑆) Đơn vị thƣờng sử dụng để đo độ dẫn điện của nƣớc là: μS/cm (microSiemens/cm) hoặc dS/m (deciSiemens/m) Trong đó: 1000 μs/cm = 1 dS/m. TDS và độ dẫn điện [38] Độ dẫn điện có liên quan trực tiếp với nồng độ của các muối hòa tan trong nƣớc, hay tổng hoà tan chất rắn TDS. Muối tan thành các ion mang điện tích dƣơng và các ion mang điện tích âm, và dẫn điện. Nƣớc cất không chứa muối hòa tan và kết quả là nó không dẫn điện và có độ dẫn điện bằng không. Khi nồng độ muối đạt đến một mức độ nhất định, độ dẫn điện không còn liên quan trực tiếp với nồng độ muối.Điều này là do các cặp ion đƣợc hình thành. Độ dẫn EC đƣợc chuyển đổi sang TDS theo công thức sau: TDS (ppm) = 0.64 × EC (μS/cm) = 640 × EC (dS/m) Hệ số biến đổi (Conversion Factors): Máy TDS đọc kết quả độ dẫn, máy sẽ tự động chuyển đổi giá trị này sang TDS hiển thị theo đơn vị ppm. 7
1.3. Giới thiệu cảm biến Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và các đại lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lý đƣợc [2]. Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng không có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện (nhƣ điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lƣợng đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo (m) [2]: S = F(m) (2) (s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lƣợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). Các đặc trƣng cơ bản của cảm biến gồm có: [2] + Độ nhạy: Độ nhạy S của cảm biến ở giá trị m = 𝑚𝑖 xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆𝑠 của đại lƣợng đầu ra và biến thiên ∆𝑚 của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị𝑚𝑖 : ∆𝑠 S=( ) (3) ∆𝑚 𝑚=𝑚 𝑖 + Độ tuyến tính: Cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một giải đo nếu có độ nhạy không đổi ở mọi điểm trong dải đo đó. + Sai số: Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trị đo đƣợc bằng cảm biến và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Nếu gọi x là giá trị thực của đại lƣợng cần đo, ∆𝑥 là sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của cảm biến là 𝛿 đƣợc xác định nhƣ sau: ∆𝑥 𝛿= × 100(%) (4) 𝑥 Sai số có hai loại: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. + Độ nhanh và thời gian hồi đáp: Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Trong luận văn này, các hệ đo sử dụng một số loại cảm biến để đo độ đục, độ dẫn, pH và nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc. 8
1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc 1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục Đục kế (thiết bị đo độ đục) bao gồm các thành phần: (1) một nguồn sáng đƣợc chiếu trực tiếp qua một mẫu chất lỏng; (2) một buồng để giữ mẫu chất lỏng; (3) một hoặc nhiều bộ detectorquang để thu tín hiệu tán xạ ánh sáng, chúng đƣợc đặt xung quanh buồng. Ba mẫu thiết kế của đục kế đƣợc biểu diễn ở trên Hình 4 [22]. Một đục kế là một dụng cụ điện tử/quang học có thể đánh giá độ đục bằng cách đo sự tán xạ của ánh sáng truyền qua một mẫu nƣớc có chứa các hạt lơ lửng (mẫu dung dịch cần đo độ đục) [22]. 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 điện-detector (hình chữ nhật); ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn); ánh sáng tán xạ (mũi tên nhỏ). Đục kế một chùm tia hay còn gọi là đục kế đơn chùm chỉ đo đƣợc ánh sáng tán xạ, trong khi đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế 4 chùm tia còn có thể đo đƣợc ánh sáng truyền qua (xen kẽ giữa hai nguồn sáng) [22]. Đục kế đơn trùm có giới hạn phát hiện trên thấp hơn so với đục kế tỷ lệ hoặc đục kế điều chế 4 chùm tia. Đối với nƣớc trong thì sự gia tăng độ đục sẽ dẫn đến tán xạ ánh sáng nhiều hơn, nhƣng đối với nƣớc đủ đục việc bổ sung thêm các hạt keo có thể gây tăng bội tán, dẫn đến một detector quang thu tín hiệu tán xạ ánh sáng có thể cho biết rằng độ đục giảm biểu kiến [22]. Đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế độ 4 chùm tia bình thƣờng hóa đọc tín hiệu ánh sáng tán xạ dùng cách đọc tín hiệu ánh sáng truyền qua, hàng loạt những giá trị thông thƣờng vẫn có thể tuyến tính ngay cả ở độ đục rất cao. Hiện nay, trên thị trƣờng có rất nhiều loại đục kế khác nhau, phục vụ mục đích kiểm tra độ đục của nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc sạch [22]. 9
Trong bài luận văn này, chúng tôi đã chế tạo và sử dụng một cảm biến đo độ đục thiết kế theo mô hình mẫu (a) tức là dạng đục kế đơn chùm (đục kế một chùm tia). Tín hiệu tán xạ ánh sáng sẽ đƣợc detector 900 là cảm biến màu TCS 3200 thu lại để xử lý, giúp tìm ra độ đục của mẫu chất lỏng [4]. 1.4.2. Đo pH bằng phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh Điện cực thủy tinh (Glass electrode) Điện cực thủy tinh (hay còn đƣợc gọi là điện cực màng trao đổi) là một loại điện cực chọn lọc ion làm bằng một lớp màng thủy tinh pha tạp, nó nhạy với một loại ion cụ thể. Ứng dụng chủ yếu của điện cực thủy tinh là dùng để đo giá trị pH. Điện cực pH là một ví dụ về điện cực thủy tinh nhạy với ion Hidro [30]. Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27]Hình 6: Điện cực chuẩn [27] Điện cực chuẩn (reference electrode) là điện cực có lớp vỏ thủy tinh, thay cho màng thủy tinh chọn lọc ion ở cuối điện cực là một miếng gốm (1 lỗ chốt) để tạo sự tiếp xúc giữa dụng dịch trong điện cực và dung dịch cần đo pH bên ngoài điện cực. Điện cực chuẩn phải có điện thế đảm bảo ổn định. Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27] 1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ 1.4.3.1. Cảm biến nhiệt bán dẫn [5] 10
Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn + Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn, đƣợc chế tạo gồm các tiếp giáp P – N kết hợp với các mạch đo rồi tích hợp thành các vi mạch. + Nguyên lý: Cảm biến nhiệt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc hoạt động của tiếp giáp P – N [2]. Hình 9: Tiếp giáp P – N Phƣơng trình của tiếp giáp P – N: 𝑞 .𝑉 𝐴𝐾 𝐾𝑇 𝐼 +𝐼0 𝐼𝐷 = 𝐼0 𝑒 𝐾𝑇 − 1 và𝑉𝐴𝐾 = (𝐷 ln⁡ ) (5) 𝑞 𝐼0 Trong đó: q là điện tích của một điện tử, K là hằng số Boltxmann, T là nhiệt độ (K), 𝐼0 là dòng điện ngƣợc.Với một tiếp giáp P – N cụ thể 𝐼0 là hằng số, khi một dòng điện không đổi 𝐼𝐷 chạy qua tiếp giáp P- N thì 𝑉𝐴𝐾 phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp. Hình 10: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn Phƣơng trình chuyển đổi của cảm biến sẽ có dạng sau: 11