Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

Header Page of 126 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 Footer Page of 126 Header Page of 126 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 điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN THÀNH HÀ NỘI - 2016 Footer Page of 126 Header Page of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử - Khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội chƣơng trình đào tạo thạc sĩ khoa học nhà trƣờng, dƣới hƣớng dẫn khoa học trực tiếp TS Phạm Văn Thành Trƣớc hết, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Thành, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử tạo điều kiện giúp đỡ suốt khoảng thời gian học tập môn Tôi xin cảm ơn bạn lớp, em khoa giúp đỡ nhiều trình làm luận văn Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt thầy cô Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử cung cấp cho kiến thức quý báu thời gian rèn luyện, học tập, nghiên cứu khoa Vật lý Đặc biệt, xin cảm ơn quan tâm, chăm sóc, động viên bố mẹ, em trai, ngƣời thân bạn bè suốt trình học tập thực luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đƣợc tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.15.11 Hà Nội, tháng 12 năm 2016 Phạm Thị Tuyết Nhung i Footer Page of 126 Header Page of 126 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 TỔNG QUAN .3 1.1 Nƣớc tầm quan trọng nƣớc 1.2 Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc 1.2.1 Các thông số vật lý .4 1.2.1.1 Thông số độ đục môi trƣờng nƣớc 1.2.1.2 Thông số pH môi trƣờng nƣớc 1.2.1.3 Thông số nhiệt độ môi trƣờng nƣớc thang đo nhiệt độ [10] 1.2.2 Các thông số hóa học 1.3 Giới thiệu cảm biến 1.4 Các phƣơng pháp đo thông số môi trƣờng nƣớc 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 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 hệ thống đo độ đục 21 2.2 Cảm biến pH 23 2.2.1 Nguyên lý đo cảm biến pH 23 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống đo pH 25 2.3 Cảm biến nhiệt độ 27 2.3.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến DS18B20 27 ii Footer Page of 126 Header Page of 126 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 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 sơ lƣợc KIT AVR V4 33 2.5.2.2 Vi điều khiển Atmega 16 [40] 34 2.6 Lý thuyết LCD [30] 42 2.6.1 Khái niệm 42 2.6.2 Nguyên lý hiển thị hình tinh thể lỏng 42 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 44 3.1 Hệ thống tích hợp đo 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 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 thực nghiệm 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 thực nghiệm nhận xét .58 KẾT LUẬN .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 64 iii Footer Page of 126 Header Page of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trái đất .3 Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục dung dịch .5 Hình 3: Thang chia pH từ đến 14 Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 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 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 cảm biến vi mạch bán dẫn 16 Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế xạ 17 Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc 18 Hình 19: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt DS18B20 18 Hình 20: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20 Vi xử lý .19 Hình 21: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với thiết bị 1-wire khác .19 Hình 22: Kích thƣớc hạt nhỏ 10 bƣớc sóng ánh sáng 21 Hình 23: Kích thƣớc hạt gần bƣớc sóng ánh sáng .21 Hình 24: Kích thƣớc hạt lớn bƣớc sóng ánh sáng 21 Hình 25: Nguyên lý hoạt động 22 Hình 26: Nguyên lý đo pH 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 điện cực pH 26 Hình 30: Thang pH giá trị điện 27 Hình 31: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 27 Hình 32: Nguyên lý hoạt động chuẩn giao tiếp dây (1-wire) 28 Hình 33: Sơ đồ khối chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) 30 Hình 34: Hình ảnh thực tế KIT AVR V4 34 Hình 35: Hình ảnh thực AVR Atmega 16 34 iv Footer Page of 126 Header Page of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung Hình 36: Sơ đồ khối Atmega 16 36 Hình 37: Sơ đồ chân Atmega 16 .38 Hình 38: Sơ đồ cấu trúc Atmega 16 39 Hình 39: Sơ đồ nhớ chƣơng trình .40 Hình 40: Chu kỳ truy xuất SRAM 41 Hình 41: Sơ đồ nhớ liệu 41 Hình 42: Màn hiển thị LCD 16x2 .42 Hình 43: Ánh sáng qua lớp lọc đơn cực 43 Hình 44: Ánh sáng qua lớp lọc đơn cực 43 Hình 45: Sơ đồ khối hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ 44 Hình 46: Hình ảnh thực hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ .45 Hình 47: Các cảm biến đo độ đục, pH, nhiệt độ hệ thống 45 Hình 48: Hình ảnh thực board mạch giá trị hiển thị LCD 46 Hình 49: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – NTU (0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; NTU) 47 Hình 50: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – 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 hệ thống đo độ đục 49 Hình 54: (a) Sơ đồ nguyên lý (b) mạch chế tạo cảm biến độ đục 49 Hình 55: Quang phổ IR-LED .49 Hình 56: Sự phụ thuộc công suất IR-LED vào cƣờng độ dòng điện 49 Hình 57: Sơ đồ khối chức cảm biến TCS 3200 [9] .50 Hình 58: Sự phụ thuộc tần số đầu (output) vào độ đục khoảng từ 01000 NTU với cƣờng độ dòng điện qua IR-LED : (a) mA; (b) 10 mA; (c) 20 mA; (d) 30 mA; (e) 40 mA 51 Hình 59: Đồ thị độ nhạy cảm biến độ đục 52 Hình 60: Đồ thị phụ thuộc tần số đầu vào độ đục dung dịch 53 Hình 61: Dung dịch chuẩn pH 53 Hình 62: Sơ đồ khối hệ thống đo pH 54 Hình 63: Mạch khuếch đại tín hiệu điện cực pH 55 Hình 64: Mạch thiết kế hệ đo pH 55 Hình 65: Đồ thị phụ thuộc điện áp vào giá trị pH dung dịch 56 Hình 66: Sơ đồ khối hệ đo nhiệt độ 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 trình giảm nhiệt độ nƣớc 58 Hình 70: Nhiệt độ đo đƣợc trình tăng nhiệt độ nƣớc 59 v Footer Page of 126 Header Page of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các ký tự hiển thị lên LCD .43 Bảng 2: Bảng độ nhạy cảm biến độ đục cƣờng độ dòng điện (I), 52 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị pH chuẩn pH hiển thị .56 vi Footer Page of 126 Header Page of 126 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 Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung MỞ ĐẦU Nƣớc nhân tố vô quan trọng sống Nƣớc không phục vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn mà đóng vai trò trọng yếu để tạo lƣợng hỗ trợ kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, trì dịch vụ sinh thái yếu tố khác xã hội Ô nhiễm nƣớc thay đổi theo chiều xấu tính chất vật lý - hoá học - sinh học nƣớc, với xuất chất lạ thể lỏng, rắn làm cho nguồn nƣớc trở nên độc hại với ngƣời sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa dạng sinh vật nƣớc Hiện nay, với tốc độ lan truyền nhanh quy mô ảnh hƣởng rộng ô nhiễm nƣớc vấn đề đáng lo ngại không nƣớc ta mà trạng chung quốc gia toàn giới Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học quy mô phòng thí nghiệm dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc, xử lý nƣớc thải sinh hoạt công nghiệp đời Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn ) nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc đề tài mang tính thời cấp thiết Vì vậy, chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo số thông số môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ Luận văn tập trung nghiên cứu thông số nƣớc nhƣ độ đục, pH, nhiệt độ Sau nghiên cứu, tìm hiểu chế tạo hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc Về khả ứng dụng thực tiễn, ứng dụng hệ đo luận văn để đo thông số môi trƣờng nƣớc độ đục, pH, nhiệt độ loại chất lỏng khác nhƣ: nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống, nƣớc thải sinh hoat công nghiệp, Có thể áp dụng quy trình đo đạc xử lý nƣớc thải kiểm định chất lƣợng nƣớc Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Lý thuyết nguyên lý Chƣơng 3: Thiết kế khảo sát hệ thống Footer Page 10 of 126 Header Page 11 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung Chƣơng tìm hiểu trình bày tổng quan nƣớc tầm quan trọng nƣớc, thông số môi trƣờng nƣớc, tìm hiểu chi tiết đại lƣợng đo thông số độ đục, pH, nhiệt độ môi trƣờng nƣớc, giới thiệu cảm biến phƣơng pháp đo số thông số môi trƣờng nƣớc Chƣơng trình bày lý thuyết nguyên lý chung, nghiên cứu nguyên lý hoạt động cảm biến, hệ đo, lý thuyết vi điều khiển, chuyển đổi tƣơng tự - số, hiển thị tinh thể lỏng Chƣơng trình bày toàn hệ thống nói chung, tiếp phần thực nghiệm với hệ đo độ đục, pH, nhiệt độ hệ thống, đƣa kết khảo sát cảm biến, nhận xét hệ đo, đánh giá tổng thể toàn hệ thống Do thời gian thực hạn chế, có nhiều khó khăn trang thiết bị, tài liệu Do luận văn chắn không tránh khỏi thiếu sót hạn chế, mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến bảo quý thầy cô bạn đọc Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nƣớc tầm quan trọng nƣớc Nƣớc chiếm 70% diện tích đất Trong lƣợng nƣớc có mặt đất, nƣớc đại dƣơng chiếm khoảng 97%, nƣớc đóng băng cực chiếm khoảng 2%, lại khoảng 1% “nƣớc ngọt” (ao hồ, sông, nƣớc ngầm )[4] Nƣớc có mặt khắp nơi thành phần quan trọng thiếu tất ngành nghề lĩnh vực sống Nƣớc đóng vai trò quan trọng công nghiệp khai thác nuôi trồng thủy hải sản, nƣớc giúp tạo điện (nhà máy thủy điện Hòa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện IaLy ), nƣớc đóng vai trò thiếu nông nghiệp lúa nƣớc dân tộc Á Đông từ thuở sơ khai tận Nƣớc nhân tố dây chuyền công nghiệp sản xuất nƣớc giải khát, Sức ảnh hƣởng to lớn nƣớc đời sống ngƣời điều phủ nhận đƣợc Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trái đất Hiện nay, với tình trạng ô nhiễm ngày nặng dân số ngày tăng, nƣớc dự báo sớm trở thành thứ tài nguyên quý giá không dầu mỏ kỷ trƣớc Nhƣng không nhƣ dầu mỏ thay loại nhiên liệu khác nhƣ điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt Nƣớc thay giới tất dân tộc cần đến để bảo đảm sống mình, Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung vấn đề nƣớc trở thành chủ đề quan trọng hội đàm quốc tế mâu thuẫn nguồn nƣớc đƣợc dự báo tƣơng lai [12] Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ngày nghiêm trọng không với Việt Nam mà thực trạng đáng báo động quốc gia toàn Thế giới, nhƣ tình trạng ô nhiễm bờ biển Barrow Alaska, sông Citarum Indonesia, sông Hằng Ấn Độ, sông Tô Lịch, sông Cầu, sông Nhuệ, sông Đồng Nai Việt Nam (có khoảng thời gian nƣớc sông bị acid hóa với pH xuống dƣới mức 4, nhiều sông nƣớc ta bị ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nghiêm trọng với số vƣợt mức tiêu chuẩn cho phép từ 50 lần, hàm lƣợng Colifrom, số COD, hàm lƣợng NH  , Để đánh giá chất lƣợng nƣớc, ngƣời ta sử dụng nhiều tiêu chí khác dựa thông số 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 chất dễ bay (VS) Trong khuôn khổ luận văn này, tập trung nghiên cứu số thông số quan trọng môi trƣờng nƣớc độ đục, pH nhiệt độ 1.2.1.1 Thông số độ đục môi trường nước Độ đục dùng để tƣợng đục môi trƣờng chất lỏng đƣợc định lƣợng cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ hạt lơ lửng môi trƣờng [22] Nhằm mục đích kiểm định chất lƣợng nƣớc, hiệp hội AWWA (American Water Works Association) định nghĩa độ đục nhƣ phép đo không đặc hiệu số hạt vật liệu không tan đƣợc có nƣớc, bao gồm đất sét, bùn, tảo, vật chất hữu chất vô khác [35] Phép đo độ đục không đo trực tiếp nồng độ hạt lơ lửng nƣớc mà đo tán xạ ánh sáng gây hạt Các phép đo phổ biến cho độ đục Hoa Kỳ sử dụng thang đo độ đục với đơn vị đo độ đục khuếch tán NTU (Nephelometric Turbidity Units) Dùng quy trình nhƣ sau: chiếu chùm ánh sáng vào mẫu chất lỏng đo cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ 90o so với chùm tia [28] Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung thiết bị thu tín hiệu (detector) có nhiều hạt nhỏ tán xạ chùm tia nguồn, tƣơng tự, ánh sáng đến detector có nghĩa có hạt 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 nhiều khía cạnh hạt nhƣ màu sắc, hình dạng, phản xạ Vì thế, thực tế hạt nặng giải cách nhanh chóng không góp phần vào việc đọc độ đục Mối quan hệ độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) thay đổi tùy thuộc vào vị trí mà ta thu thập mẫu thử Mắt ngƣời phát mức độ đục khoảng dƣới mức 10 NTU Mẫu nƣớc với độ đục thấp mức nhận biết mắt ngƣời, nhiên mẫu nƣớc nhƣ chứa nồng độ hạt keo tụ làm giảm hiệu khử trùng nƣớc mang lƣợng chất gây ô nhiễm chất rắn nơi cƣ trú vi khuẩn gây bệnh gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe ngƣời [36] Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục dung dịch Ngoài NTU có 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: NTU = FNU = FTU = FAU NTU= đơn vị độ đục= 1mg SiO2 / 1L nƣớc cất [3] Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 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 NTU 1.2.1.2 Thông số pH môi trường nước Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung Thuật ngữ pH đƣợc sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid tính bazơ (tính kiềm) dung dịch Giá trị pH số biểu diễn nồng độ ion Hiđrô ( H + ), hay nói xác nồng độ hoạt tính ion Hiđrô ( H + ) pH có vai trò quan trọng hầu hết trình lĩnh vực kỹ thuật môi trƣờng, cấp nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc xử lý nƣớc thải Công thức để tính pH [14]: (1) pH= - log10 [H+ ] pH đƣợc chia thành thang điểm từ đến 14 nhƣ sau: Hình 3: Thang chia pH từ đến 14 pH = dung dịch trung tính pH < dung dịch acid pH > dung dịch kiềm Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt phải có pH khoảng từ 6.0  8.5 1.2.1.3 Thông số nhiệt độ môi trường nước thang đo nhiệt độ [10] Khái niệm Nhiệt độ đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho nóng, lạnh vật hệ vật hệ quy chiếu đƣợc chọn Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độ ảnh hƣởng nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu trình sinh hóa nƣớc Vậy nên, việc xác định nhiệt độ mẫu nƣớc cần nghiên cứu cần thiết Một số thang đo nhiệt độ Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung a Thang nhiệt giai Celsius Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ vật theo độ C (viết tắt o C ) Đây thang đo nhiệt độ phổ biến toàn giới b Thang nhiệt giai Fahrenheit Thang nhiệt giai Fahrenheit xác định nhiệt độ vật theo độ F (viết tắt o F ) Thang đo đƣợc sử dụng chủ yếu nƣớc Châu Âu c Thang nhiệt giai Kelvin Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ vật theo độ K (viết tắt K) Thang đo thƣờng đƣợc sử dụng phòng thí nghiệm Trong đó, mối liên hệ thang đo đƣợc biểu diễn nhƣ sau: o C= o  F-32 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 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 nƣớc (sắt, nhôm, mangan, hợp chất Clorua, hợp chất Sulfat, hợp chất Nitơ ) Hiện nay, số thông số quan trọng để đánh giá chất lƣợng nƣớc bị nhiễm độc số hàm lƣợng chất độc hại có nƣớc nhƣ: hàm lƣợng Mê tan, hàm lƣợng Asen, Nitrit, Chì (Pb), thuốc bảo vệ thực vật, loại chất độc khác, Ngoài ra, tiêu vi sinh nƣớc đƣợc đánh giá qua số E.Coli Để xác định đƣợc giá trị thông số môi trƣờng nƣớc cần phải sử dụng loại cảm biến thích hợp 1.3 Giới thiệu cảm biến Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lý đại lƣợng tính chất điện cần đo thành đại lƣợng điện đo xử lý đƣợc [2] Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng (s) mang tính chất điện (nhƣ điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lƣợng đo Đặc trƣng (s) hàm đại lƣợng cần đo (m) [2]: Footer Page 16 of 126 Header Page 17 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung S=F(m) (2) Ngƣời ta gọi (s) đại lƣợng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lƣợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) Ví dụ: Cảm biến nhiệt dùng để chuyển đại lƣợng vật lý không điện (nhiệt độ) thành tín hiệu điện (điện áp) đo đạc xử lý đƣợc Các đặc trƣng cảm biến gồm có: [2] -Độ nhạy: Độ nhạy S cảm biến giá trị m  mi xác định tỷ số biến thiên s đại lƣợng đầu biến thiên m đại lƣợng đo đầu vào lân cận mi :  s  S    m mmi (3) -Sai số: Sai số cảm biến sai lệch giá trị đo đƣợc cảm biến giá trị thực đại lƣợng cần đo, đƣợc đánh giá % Nếu gọi x giá trị thực đại lƣợng cần đo, x sai lệch giá trị đo giá trị thực (gọi sai số tuyệt đối), sai số cảm biến  đƣợc xác định nhƣ sau:  x 100 (%) x (4) Sai số có hai loại sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên -Độ tuyến tính: Cảm biến đƣợc gọi tuyến tính dải đo có độ nhạy không đổi điểm dải đo Có nhiều loại cảm biến khác 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 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, hệ đo có sử dụng số loại cảm biến để đo độ đục, pH nhiệt độ môi trƣờng nƣớc Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung 1.4 Các phƣơng pháp đo thông số 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) nguồn ánh sáng đƣợc chiếu trực tiếp qua mẫu chất lỏng; (2) buồng để giữ mẫu chất lỏng; (3) nhiều detector quang để thu tín hiệu tán xạ ánh sáng, chúng đƣợc đặt xung quanh buồng Ba mẫu thiết kế đục kế đƣợc biểu diễn Hình Một đục kế dụng cụ điện tử/quang học đánh giá độ đục cách đo tán xạ ánh sáng truyền qua mẫu nƣớc có chứa hạt lơ lửng (mẫu dung dịch cần đo độ đục) Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 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 chùm tia hay gọi đục kế đơn chùm đo đƣợc ánh sáng tán xạ, đục kế tỷ lệ đục kế điều chế bốn chùm tia đo đƣợc ánh sáng truyền qua (xen kẽ hai nguồn sáng) Đục kế đơn chùm có giới hạn phát thấp so với đục kế tỷ lệ đục kế điều chế chùm tia Đối với nƣớc gia tăng độ đục dẫn đến tán xạ ánh sáng nhiều hơn, nhƣng nƣớc đủ đục việc bổ sung thêm hạt keo gây tăng bội tán, dẫn đến detector quang thu tín hiệu tán xạ ánh sáng cho biết độ đục giảm biểu kiến Đục kế tỷ lệ 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 giá trị thông thƣờng tuyến tính độ đục cao Hiện nay, thị trƣờng có nhiều loại đục kế khác nhau, phục vụ mục đích kiểm tra độ đục nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) Trong luận văn này, chế tạo sử dụng cảm biến đo độ đục thiết kế theo mô hình mẫu (a) tức dạng đục kế đơn chùm (đục kế chùm tia) Tín hiệu tán xạ ánh sáng đƣợc detector 90o cảm biến màu TCS 3200 thu lại để xử lý, giúp tìm độ đục mẫu chất lỏng 1.4.2 Các phƣơng pháp đo pH 1.4.2.1 Đo pH phương pháp điện cực màng thủy tinh Điện cực thủy tinh (Glass electrode) Điện cực thủy tinh (hay đƣợc gọi điện cực màng trao đổi) loại điện cực chọn lọc ion làm lớp màng thủy tinh pha tạp, nhạy với loại ion cụ thể Ứng dụng chủ yếu điện cực thủy tinh dùng để đo giá trị pH Điện cực pH ví dụ điện cực thủy tinh nhạy với ion Hidrô [33] Hình 7: Điện cực chuẩn [31] Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] 10 Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ công thƣơng (2013), Giáo trình Vi xử lý –Vi điều khiển, Đại học Sao Đỏ [2] [3] Hoàng Minh Công (2004), Giáo trình cảm biến công nghiệp, Đại học bách khoa Đà Nẵng Đo lƣờng Việt Nam (2014), “Phƣơng tiện đo độ đục nƣớc quy trình [4] kiểm định”, ĐLVN 275:2014 Nguyễn Thị Thùy Minh, Đoàn Duy Tân, (2013), “Các thông số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc” [5] http://adi-jsc.com.vn/tin-tuc/cam-bien-nhiet.html [6] [7] [8] http://codientu.org/threads/5207/ http://codientu.org/threads/6812/ http://hachvietnam.blogspot.com/2009/10/mot-so-van-e-lien-quan-en-ien- cuc-o-ph.html [9] http://mcu.banlinhkien.vn/threads/module-cam-bien-mau-tcs3200.2878/ [10] http://vatlypt.com/threads/nhiet-do-la-gi-cach-xac-dinh-nhiet-do-cua-motvat.58.html [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/cảm-biến [12] https://vi.wikipedia.org/wiki/Nƣớc [13] [14] [15] [16] [17] https://vi.wikipedia.org/wiki/Nhiệt_độ https://vi.wikipedia.org/wiki/PH https://vi.wikipedia.org/wiki/ Vi_điều_khiển http://www.ytuongnhanh.vn/chi-tiet/chuan-giao-tiep-1-wire-156.html www.dks.edu.vn, Giáo trình vi điều khiển AVR Tiếng Anh [18] Al-hilli S M., Willander M., Öst A., and Strålfors P., (2009), “ZnO nanorods as an intracellular sensor for p H measurements ZnO nanorods as an intracellular sensor for p H measurements,” vol 084304, no May 2014, pp 0–5 [19] Batista P D and Mulato M (2005), "ZnO extended-gate field-effect transistors as pH sensors," Appl Phys Lett., vol 87, no 14, pp 1-3 [20] Chi L L, Chou J C., Chung W Y , Sun T P., and Hsiung S K., (2000), 61 Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung “Study on extended gate field effect transistor with tin oxide sensing membrane,” Mater Chem Phys., vol 63, no 1, pp 19–23 [21] Eva R., Freire B., and De M., (2007), “Micropumping multicommutation turbidimetric analysis of waters,” vol 73, pp 742–747 [22] Federation W E., (1999), “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater Part 1000 Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” [23] Gentile F., Bisantino T., Corbino R., Milillo F., Romano G., and Liuzzi G T., (2010), “Monitoring and analysis of suspended sediment transport dynamics in the Carapelle torrent (Southern Italy),” Catena, vol 80, no 1, pp 1–8, Jan [24] Jethra R., (Dec 1993), “Turbidity measurement,” ISA Trans, vol 32, no 4, pp 397–405 [25] Le Thi Quynh Nhu (2016), “Design and characteristics of pH and turbidity sensors” [26] Lee C S., Kyu Kim S., and Kim M (2009), “Ion-sensitive field-effect transistor for biological sensing,” Sensors, vol 9, no 9, pp 7111–7131 [27] Li H H., Yang C E., Kei C C., Su C Y., Dai W S., Tseng J K., Yang P Y., Chou J C., and Cheng H C., (2013), “Coaxial-structured ZnO/silicon nanowires extended-gate field-effect transistor as pH sensor,” Thin Solid Films, vol 529, pp 173–176 [28] No August, (1993), "Method 180.1 determination of turbidity by nephelometry", pp 1-10 [29] Paulo Sergio Ramirez Diniz, Eduardo A B Da Silva, Sergio L Netto (2002), Digital Signal Processing: System Analysis and Design, Cambridge University Press, ISBN 0521781752 [30] PCtechguide, (2011), “Liquid Crystal Light Polarisation in LCD Monitors” [31] Prasenjit Mitra, “pH and its measurement”, 142892 [32] Rudy J van de Plassche (2003), CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters, 2nd edition, Kluwer Academic, Boston, ISBN 62 Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 Phạm Thị Tuyết Nhung 1-4020-7500-6 [33] Shenoy A., Harshini P., Pradhan U U., and Pradeep N (2015), "Sensing Performance of EGFET pH Sensors with Zinc Oxide (ZnO) Nanowires," vol 6, no 1, pp 85-92 [34] Shimomura T., (1990), "Stabilization of an FET Glucose Sensor with the Themophilic," pp 504-507 [35] Supplies W., Water quality and treatment, A Handbook of Community [36] Surface I E and Provisions T., (1999), “No Title,” no 4607 [37] Texas instruments, (2013), “AN-1852 Designing With pH Electrodes”, application report, SNOA529A [38] Walden R H., (1999), “Analog-to-digital converter survey and analysis”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 17 (4), p 539–550 doi:10.1109/49.761034 [39] Wang Chengwo, Haijiang Tai, Daoliang Li, Cong Wang, Qisheng Ding, (2012), “Design and characterization of a smart turbidity transducer for distributed measurement system”, Sensors and Actuators A: Physical, [40] www.alldatasheet.com , Atmega16 datasheet 63 Footer Page 22 of 126  ... mang tính thời cấp thiết Vì vậy, chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo số thông số môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ Luận văn tập trung nghiên cứu thông số nƣớc nhƣ độ đục,... 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 điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời... nƣớc nhƣ độ đục, pH, nhiệt độ Sau nghiên cứu, tìm hiểu chế tạo hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc Về khả ứng dụng thực tiễn, ứng dụng hệ đo luận văn để đo thông số môi trƣờng nƣớc độ đục, pH, nhiệt