intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

12
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nước như độ đục, pH, nhiệt độ. Sau đó nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trường nước. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2016
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ THÔNG SỐ 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 - 2016
  3. Phạm Thị Tuyết Nhung LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc thực hiện 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 trình 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 biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Thành, ngƣời thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt những khoảng thời gian tôi học tập tại bộ môn. Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các em cùng khoa đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian rèn luyện, học tập, nghiên cứu tại khoa Vật lý. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn sự quan tâm, chăm sóc, động viên của bố mẹ, em trai, ngƣời thân và bạn bè trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ này. Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.15.11. Hà Nội, tháng 12 năm 2016 Phạm Thị Tuyết Nhung i
  4. Phạm Thị Tuyết Nhung MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................3 1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc ....................................................................3 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc............................................................4 1.2.1. Các thông số vật lý .....................................................................................4 1.2.1.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc ................................................4 1.2.1.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc ......................................................5 1.2.1.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ [10] ...........................................................................................................................6 1.2.2. Các thông số hóa học..................................................................................7 1.3. Giới thiệu cảm biến...........................................................................................7 1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc ..............................9 1.4.1. Các phƣơng pháp đo độ đục .......................................................................9 1.4.2. Các phƣơng pháp đo pH ...........................................................................10 1.4.3. Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5] ............................................................12 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ .......................................................20 2.1. Cảm biến độ đục .............................................................................................20 2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng [24] .................................................................20 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục ..........................................21 2.2. Cảm biến pH ...................................................................................................23 2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH ................................................................23 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH ................................................25 2.3. Cảm biến nhiệt độ ...........................................................................................27 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20 .........................................27 ii
  5. Phạm Thị Tuyết Nhung 2.4. Lý thuyết ADC ...............................................................................................30 2.4.1. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC) .......................................................30 2.4.1.1. Khái niệm ...........................................................................................30 2.4.1.2. Phân loại ADC và nguyên lý hoạt động ............................................30 2.5. Lý thuyết vi điều khiển ...................................................................................31 2.5.1. Các khái niệm quan trọng .........................................................................31 2.5.2. Giới thiệu họ vi điều khiển AVR .............................................................33 2.5.2.1. Tổng quan AVR và sơ lƣợc về bộ KIT AVR V4 ..............................33 2.5.2.2. Vi điều khiển Atmega 16 [40] ...........................................................34 2.6. Lý thuyết về LCD [30] ...................................................................................42 2.6.1. Khái niệm .................................................................................................42 2.6.2. Nguyên lý hiển thị của màn hình tinh thể lỏng ........................................42 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG .........................................44 3.1. Hệ thống tích hợp đo 3 thông số môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ) ....44 3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục .........................................................46 3.2.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................46 3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................48 3.2.3. Khảo sát độ nhạy của cảm biến đo độ đục ...............................................50 3.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH ...............................................................53 3.3.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................53 3.3.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................54 3.3.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét .............................................................55 3.4. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ .......................................................57 3.4.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................57 3.4.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................57 3.4.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét .............................................................58 KẾT LUẬN ...............................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61 PHỤ LỤC ..................................................................................................................64 iii
  6. Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trên trái đất .............................................................3 Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch ...............................................5 Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14 ............................................................................6 Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4 chùm tia. Các thành phần: nguồn ánh sáng (hình thang), mẫu lỏng (hình tròn), máy phát hiện-detector (hình chữ nhật), ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn), ánh sáng tán xạ (mũi tên nhỏ). .........................................................................................................9 Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) .......................10 Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] ......................................................................10 Hình 7: Điện cực chuẩn [31] .....................................................................................10 Hình 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31] .........................................................11 Hình 9: Cấu trúc cơ bản của ISFET ..........................................................................12 Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện.......................................................13 Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện ................................................................................13 Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại .........................................14 Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại ...........................................15 Hình 14: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn ........................................15 Hình 15: Tiếp giáp P-N .............................................................................................16 Hình 16: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn ........................................16 Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế bức xạ.....................................................17 Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ....18 Hình 19: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 ..................................................18 Hình 20: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và Vi xử lý ...............................19 Hình 21: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với các thiết bị 1-wire khác. .........................................................................................................................19 Hình 22: Kích thƣớc hạt nhỏ hơn 1 10 bƣớc sóng ánh sáng ....................................21 Hình 23: Kích thƣớc hạt gần bằng 1 4 bƣớc sóng ánh sáng .....................................21 Hình 24: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng ..............................................21 Hình 25: Nguyên lý hoạt động ..................................................................................22 Hình 26: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [31] .........................................24 Hình 27: Điện cực màng thủy tinh ............................................................................24 Hình 28: Điện cực pH ...............................................................................................26 Hình 29: Hàm chuyển đổi của điện cực pH ..............................................................26 Hình 30: Thang pH và giá trị điện thế ......................................................................27 Hình 31: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 ......................................................27 Hình 32: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire) ..........................28 Hình 33: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) ..................................30 Hình 34: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4 ......................................................34 Hình 35: Hình ảnh thực của AVR Atmega 16 ..........................................................34 iv
  7. Phạm Thị Tuyết Nhung Hình 36: Sơ đồ khối của Atmega 16 .........................................................................36 Hình 37: Sơ đồ chân Atmega 16 ...............................................................................38 Hình 38: Sơ đồ cấu trúc Atmega 16 ..........................................................................39 Hình 39: Sơ đồ bộ nhớ chƣơng trình.........................................................................40 Hình 40: Chu kỳ truy xuất SRAM ............................................................................41 Hình 41: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu ..................................................................................41 Hình 42: Màn hiển thị LCD 16x2 .............................................................................42 Hình 43: Ánh sáng đi qua lớp lọc đơn cực................................................................43 Hình 44: Ánh sáng đi qua 2 lớp lọc đơn cực.............................................................43 Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ ......................................44 Hình 46: Hình ảnh thực của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ.................................45 Hình 47: Các cảm biến đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống..................................45 Hình 48: Hình ảnh thực board mạch và các giá trị hiển thị trên LCD ......................46 Hình 49: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1 NTU (0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1 NTU)..47 Hình 50: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 2; 4; 6; 8; 10 NTU)..........47 Hình 51: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 10 – 100 NTU (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) ......................................................................................................48 Hình 52: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 100 – 1000 NTU (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) ................................................................................48 Hình 53: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục ............................................................49 Hình 54: (a) Sơ đồ nguyên lý (b) mạch chế tạo của cảm biến độ đục ......................49 Hình 55: Quang phổ của IR-LED .............................................................................49 Hình 56: Sự phụ thuộc của công suất của IR-LED vào cƣờng độ dòng điện ...........49 Hình 57: Sơ đồ các khối chức năng của cảm biến TCS 3200 [9] .............................50 Hình 58: Sự phụ thuộc của tần số đầu ra (output) vào độ đục trong khoảng từ 0- 1000 NTU với cƣờng độ dòng điện qua IR-LED là : (a) 5 mA; (b) 10 mA; (c) 20 mA; (d) 30 mA; (e) 40 mA. ......................................................................................51 Hình 59: Đồ thị độ nhạy của cảm biến độ đục ..........................................................52 Hình 60: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch ..............53 Hình 61: Dung dịch chuẩn pH ..................................................................................53 Hình 62: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH ..................................................................54 Hình 63: Mạch khuếch đại tín hiệu của điện cực pH ................................................55 Hình 64: Mạch thiết kế hệ đo pH ..............................................................................55 Hình 65: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch ..................56 Hình 66: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ..............................57 Hình 67: Giá trị nhiệt độ, pH, độ đục hiển thị lên LCD............................................57 Hình 68: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 ....................................................................58 Hình 69: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình giảm nhiệt độ của nƣớc ........................58 Hình 70: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình tăng nhiệt độ của nƣớc .........................59 v
  8. Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các ký tự có thể hiển thị lên LCD ...............................................................43 Bảng 2: Bảng độ nhạy của cảm biến độ đục và cƣờng độ dòng điện (I), .................52 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị pH chuẩn và pH hiển thị .............................................56 vi
  9. Phạm Thị Tuyết Nhung BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog-to-Digital Converter ALU: Arithmetic Logic Unit BOD: Biochemical Oxygen Demand CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor COD: Chemical Oxygen Demand; CPU: Central Processing Unit CRC: Cyclic Redundancy Check DO: Dissolved Oxygen; DS: Dissolved Solids EEPRAM: Electrically Erasable Programmable Random Access Memory EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory EGFET: Extended-Gate Field-Effect Transistor FET: Field-Effect Transistor IC: Integrated Circuit ISFET: Ion Sensitive Field – Effect Transistor I/O: Input/Output LCD: Liquid Crystal Display LSB: Least Significant Bit MSB: Most Significant Bit MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor NTU: Nephelometric Turbidity Units RISC: Reduced Intruction Computer SPI: Serial Peripheral Interface SRAM: Static Random Access Memory SS: Suspended Solids TS: Total Solids; TSS: Total Suspended Solids VĐK: Vi Điều Khiển VS: Volatile Solids vii
  10. Phạm Thị Tuyết Nhung MỞ ĐẦU Nƣớc là nhân tố vô cùng quan trọng đối với sự sống. Nƣớc không chỉ phục vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn thuần mà còn đóng vai trò trọng yếu để tạo ra năng lƣợng hỗ trợ nền kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, duy trì các dịch vụ sinh thái và những yếu tố khác trong xã hội. Ô nhiễm nƣớc là sự thay đổi theo chiều xấu đi của các tính chất vật lý - hoá học - sinh học của nƣớc, với sự xuất hiện của các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nƣớc trở nên độc hại với con ngƣời và sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa dạng sinh vật trong nƣớc. Hiện nay, cùng với tốc độ lan truyền nhanh và quy mô ảnh hƣởng rộng thì ô nhiễm nƣớc đang là vấn đề đáng lo ngại không chỉ của nƣớc ta mà là hiện trạng chung của các quốc gia trên toàn thế giới. Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu khoa học quy mô phòng thí nghiệm và các dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc, xử lý nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp ra đời. Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo các thông số của môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn...) nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc là một đề tài mang tính thời sự và cấp thiết hiện nay. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi 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, pH, nhiệt độ. Sau đó nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trƣờng nƣớc. Về khả năng ứng dụng thực tiễn, có thể ứng dụng các hệ đo trong luận văn để đo các thông số của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ của các loại chất lỏng khác nhau nhƣ: nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống, nƣớc thải sinh hoat và công nghiệp,... Có thể áp dụng trong các quy trình đo đạc và xử lý nƣớc thải hoặc kiểm định chất lƣợng nƣớc. Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Lý thuyết và nguyên lý Chƣơng 3: Thiết kế và khảo sát hệ thống 1
  11. Phạm Thị Tuyết Nhung Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc, các thông số của môi trƣờng nƣớc, tìm hiểu chi tiết về các đại lƣợng đo là các thông số độ đục, pH, nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc, giới thiệu về cảm biến và các phƣơng pháp đo một số thông số môi trƣờng nƣớc. Chƣơng 2 trình bày về lý thuyết và nguyên lý chung, nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cảm biến, các hệ đo, lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi tƣơng tự - số, màn hiển thị tinh thể lỏng. Chƣơng 3 trình bày về toàn hệ thống nói chung, tiếp đó là phần thực nghiệm với các hệ đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống, đƣa ra kết quả khảo sát cảm biến, nhận xét từng hệ đo, và đánh giá tổng thể toàn hệ thống. Do thời gian thực hiện còn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết bị, tài liệu. Do đó luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của quý thầy cô và bạn đọc. 2
  12. Phạm Thị Tuyết Nhung CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc Nƣớc chiếm 70% diện tích quả đất. Trong lƣợng nƣớc có mặt trên quả đất, nƣớc đại dƣơng chiếm khoảng 97%, nƣớc đóng băng ở các cực chiếm khoảng 2%, còn lại khoảng 1% là “nƣớc ngọt” (ao hồ, sông, nƣớc ngầm...)[4]. Nƣớc có mặt ở khắp mọi nơi và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất cả các ngành nghề và mọi lĩnh vực trong cuộc sống. Nƣớc đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp khai thác và nuôi trồng thủy hải sản, nƣớc giúp tạo ra điện năng (nhà máy thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện IaLy...), nƣớc đóng vai trò không thể thiếu trong nền nông nghiệp lúa nƣớc của các dân tộc Á Đông từ thuở sơ khai cho đến tận bây giờ. Nƣớc là nhân tố chính của dây chuyền công nghiệp sản xuất nƣớc giải khát,... Sức ảnh hƣởng to lớn của nƣớc đối với đời sống con ngƣời là một điều không thể phủ nhận đƣợc. Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trên trái đất Hiện nay, với tình trạng ô nhiễm ngày một nặng và dân số ngày càng tăng, nƣớc sạch dự báo sẽ sớm trở thành một thứ tài nguyên quý giá không kém dầu mỏ trong thế kỷ trƣớc. Nhƣng không nhƣ dầu mỏ có thể thay thế bằng các loại nhiên liệu khác nhƣ điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt... Nƣớc không thể thay thế và trên thế giới tất cả các dân tộc đều cần đến nó để bảo đảm cuộc sống của mình, cho nên 3
  13. Phạm Thị Tuyết Nhung vấn đề nƣớc trở thành chủ đề quan trọng trên các hội đàm quốc tế và những mâu thuẫn về nguồn nƣớc đã đƣợc dự báo trong tƣơng lai [12]. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng không chỉ với Việt Nam mà còn là thực trạng đáng báo động của các quốc gia trên toàn Thế giới, nhƣ tình trạng ô nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, sông Citarum ở Indonesia, sông Hằng ở Ấn Độ, và sông Tô Lịch, sông Cầu, sông Nhuệ, sông Đồng Nai ở Việt Nam (có khoảng thời gian nƣớc sông bị acid hóa với pH xuống dƣới mức 4, nhiều sông ở nƣớc ta bị ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nghiêm trọng với các chỉ số vƣợt mức tiêu chuẩn cho phép từ 2 cho đến 50 lần, nhất là hàm lƣợng Colifrom, chỉ số COD, hàm lƣợng NH 4  ,... Để đánh giá chất lƣợng của nƣớc, ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều các tiêu chí khác nhau dựa trên các thông số của môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, độ màu, độ dẫn, độ cứng...) 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc 1.2.1. Các thông số vật lý Các thông số vật lý gồm có: pH, Nhiệt độ, Màu sắc, Độ đục, Tổng hàm lƣợng chất rắn (TS), Tổng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng (SS), Tổng hàm lƣợng chất rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi (VS). 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 và nhiệt độ. 1.2.1.1. Thông số độ đục của môi trường nước Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của một 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, các vật chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [35]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ các hạt lơ lửng trong 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). Dùng một quy trình nhƣ sau: chiếu một chùm ánh sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ ở 90o so với chùm tia [28]. Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với 4
  14. Phạm Thị Tuyết Nhung 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 giải 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 thập 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 gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời [36]. 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 vị pha loãng Formazin FAU (Formazin Attenuation Units) [3]. Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU. 1 NTU= 1 đơn vị độ đục= 1mg SiO2 / 1L nƣớc cất [3]. 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. 1.2.1.2. Thông số pH của môi trường nước 5
  15. Phạm Thị Tuyết Nhung Thuật ngữ pH đƣợc sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính bazơ (tính kiềm) của dung dịch. Giá trị pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion Hiđrô ( H + ), hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion Hiđrô ( H + ). 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 [14]: pH= - log10 [H+ ] (1) pH đƣợc chia thành thang điểm từ 0 đến 14 nhƣ sau: Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14 pH = 7 là dung dịch trung tính pH < 7 là dung dịch acid pH > 7 là dung dịch kiềm 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 . 1.2.1.3. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ [10] Khái niệm Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sự nóng, lạnh của một vật hoặc hệ vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn. Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độ ảnh hƣởng khá 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 cần nghiên cứu là rất cần thiết. Một số thang đo nhiệt độ 6
  16. Phạm Thị Tuyết Nhung a. Thang nhiệt giai Celsius Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ của các vật theo độ C (viết tắt o C ). 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 là o F ). Thang đo này đƣợc sử dụng chủ yếu ở các nƣớc Châu Âu. c. Thang nhiệt giai Kelvin Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là K). Thang đo này thƣờng đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm. Trong đó, mối liên hệ giữa các thang đo đƣợc biểu diễn nhƣ sau: o C= 9  F-32 5 o và K= o C+273 1.2.2. Các thông số hóa học Các thông số hóa học gồm có: Độ kiềm toàn phần, Độ cứng của nƣớc, Hàm lƣợng oxigen hòa tan (DO), Nhu cầu oxigen hóa học (COD), Nhu cầu oxigen sinh hóa (BOD), Một số thông số hóa học khác trong nƣớc (sắt, nhôm, mangan, các hợp chất Clorua, các hợp chất Sulfat, các hợp chất Nitơ...). Hiện nay, một số thông số quan trọng để đánh giá chất lƣợng nƣớc bị nhiễm độc bởi các chỉ số về hàm lƣợng các chất độc hại có trong nƣớc nhƣ: hàm lƣợng Mê tan, hàm lƣợng Asen, Nitrit, Chì (Pb), thuốc bảo vệ thực vật, các loại chất độc khác,... Ngoài ra, chỉ tiêu vi sinh của nƣớc đƣợc đánh giá qua chỉ số E.Coli. Để xác định đƣợc giá trị của các thông số môi trƣờng nƣớc cần phải sử dụng các loại cảm biến thích hợp. 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]: 7
  17. Phạm Thị Tuyết Nhung S=F(m) (2) Ngƣời ta gọi (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). Ví dụ: Cảm biến nhiệt dùng để chuyển đại lƣợng vật lý không điện (nhiệt độ) thành tín hiệu điện (điện áp) có thể đo đạc và xử lý đƣợc. 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 trong lân cận của mi :  s  S   (3)  m mmi -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, đƣợc đánh giá bằng %. 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  đƣợc xác định nhƣ sau: x  100 (%) (4) x Sai số có hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. -Độ tuyến tính: Cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi ở mọi điểm trong dải đo đó. Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia thành hai nhóm chính: Cảm biến vật lý: Cảm biến sóng điện từ, cảm biến ánh sáng, cảm biến tia tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến âm thanh, cảm biến rung động, cảm biến khoảng cách, cảm biến chuyển động, gia tốc, từ trƣờng, trọng trƣờng,... Cảm biến hóa học: cảm biến độ ẩm, cảm biến PH, cảm biến ion, hợp chất đặc hiệu, khói,... [11] Trong luận văn này, các hệ đo có sử dụng một số loại cảm biến để đo độ đục, pH và nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc. 8
  18. Phạm Thị Tuyết Nhung 1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc 1.4.1. Các phƣơng pháp đo độ đục Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục [22] Hầu hết đục kế (thiết bị đo độ đục) chứa: (1) một nguồn ánh sáng đƣợc chiếu trực tiếp qua một mẫu chất lỏng; (2) một buồng để giữ mẫu chất lỏng; và (3) một hoặc nhiều bộ detector quang 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. 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). Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4 chùm tia. Các thành phần: nguồn ánh sáng (hình thang), mẫu lỏng (hình tròn), máy phát hiện-detector (hình chữ nhật), ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn), ánh sáng tán xạ (mũi tên nhỏ). 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 bốn chùm tia còn có thể đo đƣợc ánh sáng truyền qua (xen kẽ giữa hai nguồn sáng). Đục kế đơn chùm 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. Đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế độ bốn 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. 9
  19. Phạm Thị Tuyết Nhung Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) 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 90o là cảm biến màu TCS 3200 thu lại để xử lý, giúp tìm ra độ đục của mẫu chất lỏng. 1.4.2. Các phƣơng pháp đo pH 1.4.2.1. Đo pH bằng phương 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 Hidrô [33]. Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] Hình 7: Điện cực chuẩn [31] 10
  20. Phạm Thị Tuyết Nhung 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 dung 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 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31] 1.4.2.2. Đo pH bằng phương pháp ISFET a. Định nghĩa ISFET (Ion sensitive Field – Effect Transistor) là phƣơng pháp đo pH sử dụng các transistor hiệu ứng trƣờng. Cảm biến pH này đo nồng độ ion ( H + hoặc OH- ), gây ra một điện thế bề mặt ở cổng cách điện (gate insulator). Chúng hoạt động nhƣ một thiết bị thế năng hoạt động tƣơng tự nhƣ một transistor hiệu ứng trƣờng oxit kim loại bán dẫn MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) [25]. b. Cấu tạo và hoạt động của FET [25] Một transistor hiệu ứng trƣờng (FET) bao gồm ba điện cực: cực nguồn (source), cực máng (drain) và cực cổng (gate). Điện áp giữa source và drain của FET điều chỉnh dòng điện ở điện áp cổng. Cụ thể, cơ chế điều khiển dòng này dựa trên một điện trƣờng đƣợc tạo ra bởi điện áp đặt vào cổng gate. Đồng thời, dòng này cũng dẫn điện đƣợc bởi có một loại hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) tùy thuộc vào từng loại FET (kênh n hoặc kênh p). Một điện áp dƣơng đƣợc đặt lên cổng gate tạo ra các điện tích dƣơng (lỗ trống) bị đẩy ra khỏi vùng chất nền phía dƣới cổng gate. Khi một điện áp đƣợc đặt vào giữa drain và source với kênh đƣợc tạo ra, một dòng điện chạy qua kênh n này thông qua các điện tử di động (FET loại n). Trong trƣờng hợp của một bán dẫn loại p, đặt một điện áp cổng dƣơng đã cạn kiệt lƣợng 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2