Nghiên cứu lý thuyết về cảm biến Đo Độ ph công nghiệp, cảm biến Đo Độ Ẩm xây dựng mô hình vật lý của cảm biến Đo Độ ph và cảm biến Đo Độ Ẩm vào hệ thống Đo Độ ph

1.1 Lý thuyết chung về cảm biến - Cảm biến là thiết bị dung để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất dẫn điện cần đo thành các đại lượng có thể đo v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Khoa Điện – Điện Tử Viễn Thông

BÁO CÁO MÔN HỌC

KỸ THUẬT ĐO

Đề tài: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN ĐO ĐỘ PH CÔNG NGHIỆP, CẢM BIẾN

ĐO ĐỘ ẨM XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA CẢM BIẾN ĐO ĐỘ PH VÀ CẢM BIẾN

ĐO ĐỘ ẨM VÀO HỆ THỐNG ĐO ĐỘ PH

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

Sinh viên thực hiện: Nhóm 19 (TD22A):

Hồ Lê Vĩnh Phước 21510510061 TD21

Bế Ngọc Sơn 2251040047 TD22A Trần Văn Sang 1951030074 DG19

MỤC LỤC

I NGUYÊN LÝ VÀ LÝ THUYẾT VỀ CẢM

BIẾN 3

1.1 Lý thuyết chung về cảm biến 3

1.2 Phân loại 4

II CẢM BIẾN ĐO ĐỘ PH TRONG CÔNG NGHIỆP 4

2.1 Khái niệm 4

2.2 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 5

2.3 CẤU TẠO 6

III CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM 7

3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 7

3.2 CẤU TẠO 8

3.3 PHÂN LOẠI 9

IV MÔ HÌNH VẬT LÍ 11

4.1 Ý TƯỞNG VÀ MÔ HÌNH GHÉP NỐI 11

4.2 Nguyên Lí Hoạt Động 11

4.3 BẢO TRÌ VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM 12

V TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

I NGUYÊN LÝ VÀ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN. 1.1 Lý thuyết chung về cảm biến

- Cảm biến là thiết bị dung để cảm nhận biến đổi các đại lượng

vật lý và các đại lượng không có tính chất dẫn điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được

- Các đại lượng cần đo thường không có tính chất dẫn điện (nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…) chứa đựng thông tin cho phép xác định một giá trị cần đo

-Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến phục vụ các mục đích khác nhau nhưng chung quy lại chúng đều được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường (đầu dò)

-Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏ gọn Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo mức điện áp và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điều khiển

- Cảm biến (Sensor): Thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra

- Mạch đo: Gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị, bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

- Cơ cấu chỉ thị: Hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện từ)

1.2 Phân loại

Cảm biến phân chia theo hình thái.

- Cảm biến chủ động: ở đây cảm biến này không sử dụng điện

năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Tiêu biểu là loại cảm biến áp điện được làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt

- Cảm biến bị động: có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển

sang tín hiệu điện Tiêu biểu là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược

Cảm biến phân chia theo tính chất

- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, ion, khói,….

- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt

bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,…

Cảm biến phân chia theo nguyên lý hoạt động

- Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy

hoặc góc quay của biến trở hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

- Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm

ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến cảm ứng điện động

- Cảm biến điện trường: cảm biến áp điện

II CẢM BIẾN ĐO ĐỘ PH TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1 Khái niệm.

- Cảm biến đo độ pH được sử dụng để đo độ axit-kiềm của một dung dịch Độ pH là một chỉ số quan trọng trong hóa học, cho biết mức độ axit hoặc kiềm của một chất

- Máy đo pH có vai trò quan trọng trong việc xác định độ pH của các dung dịch trong phân tích hóa học

2.2 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

- Đầu dò: Đây là phần của cảm biến tiếp xúc trực tiếp với dung

dịch cần đo pH Thường là một điện cực bằng thủy tinh, với một màng bảo vệ chịu hóa chất và điện cực để tạo điều kiện cho việc đo

- Màng mỏng: Màng mỏng là một phần quan trọng của đầu dò,

nơi mà phản ứng xảy ra giữa dung dịch và cấu trúc điện cực Thông qua màng mỏng, cảm biến có thể phản ứng với ion

hydroxonium trong dung dịch để tạo ra một tín hiệu điện

- Điện trở: Điện trở của mạch cảm biến đo pH được đo để xác

định giá trị pH của dung dịch Thông qua một bộ vi xử lý hoặc một máy đo pH, tín hiệu điện từ cảm biến được chuyển đổi thành giá trị pH tương ứng

- Phạm vi đo: Cảm biến đo pH thường có phạm vi đo pH từ

khoảng 0 đến 14, trong đó 0 đại diện cho dung dịch axit hoàn toàn và 14 đại diện cho dung dịch kiềm hoàn toàn

- Ứng dụng : Cảm biến đo pH trong môi trường nước là dụng cụ

cần thiết Được sử dụng rộng rãi để kiểm tra độ kiềm, kiểm tra tính axit trong môi trường nước Người dùng sẽ dựa vào kết quả

đo được để biết tính bazơ, tính axit trong nước

2.3 CẤU TẠO

ĐẦU DÒ MÁY ĐO PH

- Đầu dò của máy đo pH được thiết kế bằng kính có hai điện

cực: Một là điện cực cảm biến bằng thủy tinh và điện cực còn lại là điện cực tham chiếu Cả hai điện cực là các bóng rỗng có chứa dung dịch kali clorua với một dây clorua bạc được lắp vào điện cực

- Điện cực cảm biến thủy tinh có một bóng đèn được tạo thành

từ một loại thủy tinh đặc biệt được phủ bởi silica và muối kim loại

- Điện cực tham chiếu có bóng đèn được tạo thành bằng thủy

tinh hoặc nhựa không dẫn điện

ĐỒNG HỒ ĐIỆN MÁY ĐO PH

Nhận được kết quả lấy được từ đầu dò:

- Nhiệm vụ đồng hồ điện của máy đo pH hiện thị chỉ số đo được từ đầu thông qua các vạch chỉ số thể hiện trên đồng hồ cơ Còn với các loại máy đo pH với đồng hồ điện tử thì chỉ số thể hiện bằng những con số thể hiện trên mặt đồng hồ

- Máy đo pH thể hiện giá trị về nồng độ axit hoặc tính kiềm của chất lỏng Axit hòa tan trong nước tạo thành ion hydro tích điện dương (H +)

- Nguyên tắc hoạt động cơ bản của một máy đo pH là để đo nồng độ của các ion hydro Nồng độ của các ion hydro càng lớn thì tính axit càng lớn

- Tương tự như nồng độ axit, chất kiềm hoặc bazơ hòa tan trong nước tạo thành ion hydro âm (OH-) Nồng độ càng mạnh thì nồng độ các ion hydro tích điện âm càng cao

- Thang đo pH được tính từ 0 - 14, Đất có giá trị pH là 1 có tính

axit cao và đất giá trị pH là 14 có tính kiềm cao Giá trị pH = 7 cho biết đặc tính đất trung hòa, giá trị pH <7 cho thấy đất có tính axit ( chua ) và giá trị pH>7 thì sẽ chỉ ra đất có tính kiềm

III CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM

Để tìm hiểu và cảm biến độ ẩm, trước tiên chúng ta cần biết độ

ẩm là gì? Theo đó, độ ẩm được định nghĩa là lượng hơi nước có trong không khí hoặc chất khí?

- Độ ẩm tuyệt đối là hàm lượng hơi nước trong một đơn vị thể

tích không khí, tức là bao nhiêu miligam nước có trong một centimet khối không khí

- Cảm biến đo độ ẩm là dòng cảm biến dùng để đo độ ẩm không khí hoặc đo độ ẩm đất và được ứng dụng trong nhiều ngành và lắp đặt nhiều ứng dụng khác nhau

3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

- Cảm biến đo độ ẩm thường được tìm thấy ở nơi cần kiểm soát

độ ẩm

Ví dụ, Trong một ngôi nhà có thể sử dụng chúng trong một hệ thống kiểm soát độ ẩm, giám sát các khu vực khác nhau của ngôi nhà để ngăn ngừa nấm mốc phát triển

- Tương tự trong nhà kính, phòng tắm hơi, bảo tàng và máy ấp trứng cũng sử dụng máy đo độ ẩm để đảm bảo lượng ẩm không khí ở mức thích hợp cho cây, người…và trứng trong khu vực kín

Ngoài ra:

- Ẩm kế cũng được lắp đặt trong phòng nghiên cứu, hóa sinh…

để kiểm soát môi trường lý tưởng cho các thí nghiệm diễn ra, ghi chép số liệu chính xác

- Ẩm kế xác định độ ẩm trong các kho bảo quản thực

phẩm/dược phẩm cần kiểm soát nghiêm ngặt về yếu tố hơi nước,

độ ẩm ảnh hưởng đến tuổi thọ hàng hóa

- Được lắp đặt trong bảo tàng nhằm kiểm soát độ ẩm để bảo quản hiện vật trong môi trường tối ưu

- Ẩm kế được ứng dụng trong trồng trọt, tối ưu điều kiện lý tưởng cho cây trồng và thảm thực vật phát triển

*Khi cần lựa chọn thiết bị cảm biến độ ẩm phù hợp để sử dụng sẽ cần quan tâm đến các tiêu chí bao gồm như:

- Nguồn điện sử dụng thiết bị cảm biến.

- Mức độ chính xác mong muốn nhận được từ cảm biến như thế nào: tương đối hay tuyệt đối

- Tính ổn định của thiết bị cảm biến

- Khả năng phục hồi sau khi ngưng tụ hơi nước của cảm biến

- Khả năng kháng nhiễm trước các chất bẩn, tạp chất của thiết bị cảm biến ra sao

- Mức độ hiệu quả, giá thành của thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm

- Khi xảy ra hỏng hóc thì chi phí bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế Kích cỡ của thiết bị cảm biến độ ẩm

- Tính phức hợp, hiện thực quá trình chuẩn hóa tín hiệu cũng như mạch thu thập dữ liệu từ thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm

- Tính lặp lại các đặc tính kỹ thuật hay tính thay thế lấp dẫn của thiết bị

3.2 CẤU TẠO

Những bộ phận chính của cảm biến đo độ ẩm.

- Tụ điện: có chức năng đo sự chênh lệch của độ ẩm được đặt

giữa hai điện cực

- 2 lớp điện cực: có nhiệm vụ hấp thụ độ ẩm từ không khí.

- 1 lớp điện môi nằm giữa hai điện cực: cách điện giữa hai lớp

điện cực

- Lớp vỏ: Có tác dụng bảo vệ cảm biến độ ẩm.

- Điện cực (Upper/Lower electrode): Cảm biến có thể có hai

điện cực được đặt ở trên và dưới lơp vật liệu hấp thụ, điện cực thường được làm từ vật liệu dẫn điện và có chức năng đo lường

sự thay đổi điện trở khi độ ẩm thay đổi

- Vật liệu hấp thụ (Thin-film Polymer): Cảm biến độ ẩm điện

dung sử dụng một vật liệu hấp thụ độ ẩm, thường là polymer hoặc ceramic Vật liệu này có khả năng hấp thụ hoặc giải phóng hơi nước dựa trên môi trường xung quanh

- Mạch đo: Cảm biến độ ẩm kết nối với một mạch đo để đo

lường giá trị điện dung của vật liệu hấp thụ Mạch đo có thể bao gồm các thành phần như bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (analog-to-digital), mạch xử lý và các thành phần điện tử khác để xử lý và chuyển đổi tín hiệu đo

- Đầu ra: Cảm biến độ ẩm có thể cho kết quả đầu ra dưới dạng

tín hiệu analog hoặc tín hiệu kỹ thuật số Tùy thuộc vào loại cảm biến và yêu cầu ứng dụng, đầu ra có thể là giá trị điện trở, điện áp, hoặc dữ liệu số đại diện cho độ ẩm

Bên cạnh cấu tạo cơ bản này, các cảm biến độ ẩm có thể có các

bộ phận khác như vỏ bảo vệ, đầu nối, và mạch điều chỉnh để hiệu chỉnh và tùy chỉnh độ chính xác và độ nhạy của cảm biến

3.3 PHÂN LOẠI

Trên thị trường hiện nay đang có 3 loại cảm biến độ ẩm chính, được sử dụng rộng rãi đó là: cảm biến độ ẩm điện dung, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt và cảm biến độ ẩm điện trở Dưới đây là phân loại của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để xác định được mức độ ẩm trong không khí:

- Cảm biến độ ẩm điện dung

+ Cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng một tụ điện với 2 lớp

điện cực và một lớp vật liệu điện môi có chức năng hút ẩm từ môi trường không khí xung quanh Cảm biến được dùng để đo

độ ẩm tương đối, có thể đo được độ ẩm, nhiệt độ rộng nhưng không cần bù nhiệt độ hoạt động

+ Ưu điểm:Cung cấp kết quả ổn định trong thời gian sử dụng

lâu dài 24/7 trong khoảng hơn 3 năm

Có thể phát hiện trong một phạm vi rộng từ 5-9m

Có kết quả đo độ ẩm tương đối có độ chính xác cao nhờ việc trả kết quả điện áp đầu ra gần như tuyến tính

+ Nhược điểm: Cảm biến độ ẩm điện dung cũng có những hạn

chế là thời gian trả kết quả chậm do khoảng cách từ cảm biến và mạch báo hiệu rất hạn chế

- Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt

Đây là loại cảm biến dùng để đo giá trị tuyệt đối của độ ẩm trong môi trường không khí ẩm và khô Cảm biến có cấu tạo với 2 nhiệt điện trở đặt trong buồng kín được bọc bằng nitơ khô

và 1 nhiệt điện trở được đặt bên ngoài để tiếp xúc với độ ẩm trong không khí Cảm biến đo độ ẩm tỷ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối

Ưu điểm:

- Thích hợp cho môi trường nhiệt độ cao và các tình huống ăn mòn cao như trong các máy móc công nghiệp, cơ khí

- Rất bền, hoạt động tốt trong hơn 3 năm

- Độ phân giải cao hơn so với các loại cảm biến độ ẩm điện trở

và cảm biến độ ẩm điện dung

Nhược điểm: Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt vẫn còn một mặt hạn

chế là có thể đưa ra phép đo sai, nếu tiếp xúc với loại khí nào có đặc tính nhiệt khác với Nitơ

Cảm biến độ ẩm điện trở

Đây là loại cảm biến hoạt động thông qua sự thay đổi điện trở suất ở 2 điện cực để thực hiện đo độ ẩm tương đối của môi trường Cảm biến nhiệt độ độ ẩm có ưu điểm giá thành thấp, nhỏ gọn để thích hợp cho các loại máy đo độ ẩm không khí, không cần tiếp xúc trực tiếp

Ưu điểm:

- Kích thước nhỏ gọn

- Khoảng cách giữa cảm biến và mạch tín hiệu có thể lớn nên rất thích hợp cho các hoạt động từ xa

- Các sản phẩm cảm biến độ ẩm điện trở có thể hoán đổi cho nhau cao vì không có độ hiệu chuẩn cao, từ đó dễ dàng thay thế khi bị hỏng hóc

Nhược điểm:

- Rất nhạy cảm với hơi hóa học và các chất gây ô nhiễm khác

- Kết quả số đọc đầu ra có thể thay đổi nếu được sử dụng với các sản phẩm hòa tan trong nước

IV MÔ HÌNH VẬT LÍ

4.1 Ý TƯỞNG VÀ MÔ HÌNH GHÉP NỐI.

4.2 Nguyên Lí Hoạt Động.

- Khi cho 2 phần đầu cảm biến đo Ph và Độ Ẩm tiếp xúc với chất liệu cần đo, sau khoảng 1 giây cảm biến sẽ nhận thông tin

và truyền dữ liệu vào Arduino, qua xử lí sẽ truyền kết lên màn hình LCD

-Nếu kết quả độ ẩm thấp hơn mức độ cho phép thì chiếc bơm

nhỏ kèm theo sẽ bơm nước cung cấp tạo độ ẩm thích hợp và nếu vượt qua mức độ cho phép cánh quạt sẽ quay và làm khô hơi nước làm giảm mức độ ẩm tối đa

- Độ PH quá cao hoặc quá thấp thì cảm biến sẽ hiện kết quả và

cảnh báo đèn đỏ, cách giúp điều chế độ PH theo nhu cầu chính

là dùng các dung dịch khác nhau như KCL

4.3 BẢO TRÌ VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM

- Ưu điểm:

+ Dễ tháo lắp đặt

+ Độ bền các cảm biến sử dụng lâu thường trên 3 năm.

+ Dễ bảo trì và sử dụng

- Nhược điểm:

+ Rất nhạy cảm với hơi hóa học và các chất gây ô nhiễm khác + Kết quả số đọc đầu ra có thể thay đổi nếu được sử dụng với các sản phẩm hòa tan trong nước

V TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Tài liệu tham khảo  Giáo trình - Kỹ thuật đo lường và cảm biến (Trường ĐHSP KT TPHCM)  Giáo trình - Kỹ thuật đo Tập 1 - Đo điện (Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Kỳ)  Giáo trình Cảm biến công nghiệp - ThS Hoàng Minh Công (ĐH Bách Khoa Đà Nẵng) - TaiLieu.VN  Giáo trình cảm biến (Phan Quốc Phô – Nguyễn Đức Chiến)  Arduno Việt Nam (https://www.facebook.com/groups/ArduinoVietNam)  Giáo Trình Đo Lường Điện Và Cảm Biến Đo Lường (Tác giả:

Nguyễn Văn Hòa, Bùi Văn Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng)