Thiết kế cảm biến đo độ mặn bằng phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ tại các trang trại nuôi trồng thủy hải sản

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ trang trại nuôi trồng thủy hải sản Mã số đề tài: 171.2111 Chủ nhiệm đề tài: TS Bùi Thư Cao Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP.Hồ Chí Minh Người phản biện 1: PGS TS Nguyễn Thanh Hải Người phản biện 2: TS Lý Tú Nga Đề tài bảo vệ Hội Đồng Khoa Học & Đào Tạo Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày… tháng… năm… Thành phần Hội đồng đánh giá gồm: GS.TS Lê Tiến Thường - Chủ tịch Hội đồng PGS TS Nguyễn Thanh Hải - Phản biện TS Lý Tú Nga - Phản biện PGS TS Nguyễn Tấn Lũy - Ủy viên TS Nguyễn Thế Kỳ Sương - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG THƯ KÝ LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Cơng Nghiệp TP.HCM, Phịng QLKH&HTQT đợng viên, khích lệ tạo điều kiện tốt cho suốt q trình nghiên cứu, hồn tất đề tài Đây đề tài ứng dụng, nên tốn nhiều thời gian cho thực nghiệm hiệu chỉnh thiết kế thơng số thiết bị Chính thời gian thực đề tài trễ hạn so với tiến đợ Nhóm nghiên cứu kính mong nhận thơng cảm Ban Giám Hiệu nhà trường Hội Đồng Khoa Học & Đào Tạo Trường việc trễ tiến độ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu bản thân tơi cộng tham gia Các kết quả nghiên cứu, số liệu thực nghiệm, kết luận luận án “Thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ trang trại nuôi trồng thủy hải sản” trung thực, không chép hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Chủ nhiệm đề tài, TS Bùi Thư Cao MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát II Kết quả nghiên cứu III Sản phẩm đề tài, công bố kết quả đào tạo 14 IV Tình hình sử dụng kinh phí 15 V Kiến nghị 16 VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) 16 PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 25 CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 25 1.1 Phương pháp tỷ trọng kế 26 1.2 Phương pháp khúc xạ kế 27 1.3 Phương pháp độ dẫn điện 28 1.4 Phương pháp điện cực không tiếp xúc .30 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ MẶN DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 32 2.1 Giới thiệu 32 2.2 Phương pháp thực .32 2.2.1 Mơ hình đề nghị cho thiết bị đo đợ mặn cảm biến siêu âm .32 2.2.2 Nguyên lý thiết kế .33 2.2.3 Thiết kế hệ thống phao 34 2.2.4 Thiết kế khối thu nhận tín hiệu 35 2.2.5 Thiết kế khối xử lý đữ liệu 36 2.3 Kết quả 37 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 3.1 Kết luận .39 3.2 Kiến nghị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC 41 A Thông số môi trường nước lợ .41 B Giới thiệu mô đun thu thập liệu NI myDAQ .42 C Giới thiệu phần mềm Labview 43 D Máy đo độ mặn nhiệt độ EXTECH EC170 (0~70.0ppt, to 50°C) 44 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Ni tôm nước lợ vùng Đồng sông Cửu Long 25 Hình Thành phần hóa học nước biển 26 Hình Minh họa tỷ trọng kế đo độ mặn 27 Hình Máy đo đợ mặn phương pháp khúc xạ kế .27 Hình Minh họa điện cực dẫn điện Được đặt dung mơi nước muối 28 Hình Máy đo độ mặn EXTECH sử dụng phương pháp độ dẫn điện 29 Hình Cảm biến điện cực không tiếp xúc 30 Hình Sơ đồ khối hệ thống máy đo độ mặn dùng cảm biến siêu âm 33 Hình 2 Cảm biến siêu âm XX918AF1M12 36 Hình Sơ đồ đấu dây 36 Hình Sơ đồ khối giải thuật thu nhận xử lý liệu .36 Hình Lắp đặt cảm biến siêu âm đo độ mặn bể nước 37 Hình Hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu DSP 37 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Khảo sát một số loại cảm biến độ mặn online dùng phương pháp độ dẫn điện tiêu biểu có thị trường 29 Bảng Thống kê kết quả 14 thực nghiệm mẫu muối Cần Giờ TP HCM .38 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT S 0/00: Ký hiệu độ mặn nước nước biển đơn vị tính theo mợt phần ngàn ppt: Đơn vị tính theo mợt phần ngàn (vd: g/Kg; g/L) DAQ: Data acquisition PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ trang trại nuôi trồng thủy hải sản 1.2 Mã số: 171.2111 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên TT (học hàm, học vị) TS Bùi Thư Cao Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài Khoa Công Nghệ Điện Tử Chủ nhiệm đề tài 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 04 năm 2017 đến tháng 04 năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng … năm 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 04 năm 2017 đến tháng 12 năm 2019 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 60 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Độ mặn chứng minh liên quan đến khả hấp thụ thức ăn cho tôm, cá nước lợ Không thế, độ mặn cao hay thấp so với khoảng cho phép, làm chết tơm, cá Chính máy đo đợ mặn một công cụ quan trọng hộ nuôi trồng thủy sản Tuy nhiên hạn chế máy đo đợ mặn khơng có khả đo online lâu dài môi trường nước, sử dụng nguyên lý điện cực đo tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước Hiện việc theo dõi môi trường thực không liên tục làm thủ công thời điểm Điều không đáp ứng yêu cầu theo dõi liên tục 24/24 dẫn đến không xử lý kịp thời trường hợp cố xảy độ mặn tăng cao xâm thực nước biển hay độ mặn xuống thấp lượng mưa lớn Mặt khác thiết bị đo làm việc liên tục môi trường tự nhiên lại tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước biển dễ gây hư hỏng phá hủy bề mặt muối ăn mòn, dơ bẩn rong tảo chất hữu bám vào làm sai lệch kết quả Để khắc phục vấn đề nhóm nghiên cứu đưa ý tưởng đề tài thiết kế máy đo độ mặn sử dụng phương pháp điện cực không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế máy đo đợ mặn online có đợ bền ổn định cao, đo lâu dài mơi trường nước lợ tự nhiện mà không cần phải vệ sinh hay thay đầu dò Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mơ tả tốn học, mối liên hệ cơng suất tín hiệu thu phát với đợ mặn nước biển Từ xây dựng mơ hình thiết kế hệ thống thiết bị đo độ mặn cách đo suy hao sóng mơi trường nước lợ Tổng kết kết nghiên cứu Hình I Lắp đặt cảm biến siêu âm đo độ mặn bể nước Mơ hình thiết bị đo độ mặn nước sử dụng cảm biến siêu âm lắp đặt Hình Bể nước muối đổ đầy Hệ thống phao thuyền phao lắp đặt thiết kế, dây cáp tín hiệu nối từ đầu cảm biến đến modun thu thập liệu NI MyDAQ Hình I.1 10 - Hãng sản Scientific xuất: ATlas- - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: Pt - Phạm vi: − 200,000μS/cm Cảm biến ATlas-Scientific 7.760.000Đ - Cảm biến nhiệt: PT1000 - Thân đầu đo: CPVC - Kích cỡ(mm): 220x51 - Hãng sản Scientific xuất: ATlas- - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: kim loại - Phạm vi: 50,000μS/cm Conductivity Probe 0.07 − 4.500.000Đ - Thân đầu đo: PVC - Kích cỡ(mm): 220x15 1.4 Phương pháp điện cực khơng tiếp xúc Phương pháp dựa việc đo số điện môi nước lợ việc đo suy hao cơng suất sóng radio truyền dẫn quan hai điện cực đặt mơi trường nước lợ, Hình Phương pháp có điểm mạnh điện cực không tiếp xúc trực tiếp với mơi trường nước nên có khả đo online với đợ xác độ bền cao so sánh với phương pháp đo online khác, thể [7] Hình Cảm biến điện cực không tiếp xúc 30 Tuy nhiên, điểm hạn chế phương pháp điện cực khơng tiếp xúc sử dụng sóng radio tần số 315MHz dễ bị nhiễu mơi trường ngồi Trong thực tế lắp đặt trang trại ni trồng thủy sản, có nhiều thiết bị máy móc sử dụng ao ni như: máy bơm, quạt đảo nước công suất lớn máy sục khí với cơng suất lớn Chính thiết bị đặt gần máy đo gây nhiễu tán xạ tín hiệu cho thiết bị đo Nhận xét chung: Mặt khác phương pháp tỷ trọng kế khúc xạ kế sử dụng thao tác nhân công để đo độ mặn Điều không đáp ứng yêu cầu theo dõi liên tục 24/24 dẫn đến không xử lý kịp thời trường hợp cố xảy độ mặn tăng cao xâm thực nước biển hay độ mặn xuống thấp lượng mưa lớn Với phương pháp độ dẫn điện [6], việc đo thực qua tiếp xúc trực tiếp điện cực đo qua màng trao đổi ion với môi trường nước Phương pháp có nhược điểm sử dụng đo online môi trường nước, theo thời gian điện cực bị oxy hóa, bám bẩn, đóng váng từ mơi trường Điều gây sai số lớn cho phép đo, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống giám sát môi trường Trong với phương pháp điện cực khơng tiếp xúc [7], có ưu điểm phương pháp Phương pháp sử dụng sóng RF tần số 315MHz để đo số điện mơi, từ nợi suy đợ mặn nước Phương pháp có ưu điểm đầu đo khơng tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước nên bền theo thời gian Tuy nhiên, ứng dụng phương pháp môi trường công nghiệp, ao nuôi tôm có nhiều thiết bị cơng nghiệp máy bơm, quạt đảo nước, máy sục khí, bị ảnh hưởng nhiều nhiễu điện gây sai số lớn cho phép đo Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu đề xuất đo độ mặn sử dụng cảm biến siêu âm Phương pháp sử dụng nguyên lý đo suy hao cơng suất lan truyền sóng siêu âm để đo khoảng cách độ cao mặt nước phao, từ nợi suy đợ mặn nước Do đặc điểm sóng siêu âm có tần số thấp vài chục KHz nên không bị ảnh hưởng nhiễu tán xạ sóng radio q trình đo, dẫn đến không gây sai số cho phép đo 31 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ MẶN DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 2.1 Giới thiệu Phương pháp đo đợ mặn sóng microwave, có ưu điểm phương pháp trước đầu không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước nên có đợ bền lâu theo thời gian Tuy nhiên, ứng dụng phương pháp mơi trường cơng nghiệp, ao ni tơm có nhiều thiết bị công nghiệp máy bơm, quạt đảo nước, máy sục khí, bị ảnh hưởng nhiều nhiễu điện gây sai số lớn cho phép đo Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu đề xuất đo độ mặn phương pháp sử dụng cảm biến siêu âm Phương pháp sử dụng nguyên lý đo suy hao cơng suất lan truyền sóng siêu âm để đo khoảng cách độ cao mặt nước phao, từ nợi suy đợ mặn nước Do đặc điểm sóng siêu âm có tần số thấp vài chục KHz nên không bị ảnh hưởng nhiễu tán xạ sóng radio q trình đo, dẫn đến không gây sai số cho phép đo 2.2 Phương pháp thực 2.2.1 Mơ hình đề nghị cho thiết bị đo độ mặn cảm biến siêu âm Hệ thống đo đợ mặn sóng siêu âm đề nghị, thể Hình Mợt bể chứa nước muối hình trụ, có đường kính 102cm chiều cao 77cm, sử dụng cho thực nghiệm Phao thuyền dùng xốp nhẹ, có kích thước 60cmx60cmx10cm Phao thuyền dùng để cố định vị trí cảm biến siêu âm so với mặt nước Một phao nhựa sillicon, di động theo phương thẳng đứng đồng trục với cảm biến siêu âm Độ di chuyển phao tỷ lệ với tỷ trọng muối nước Phao cố định vị trí mặt phẳng ngang, phao thuyền Bên cạnh hệ thống cịn thiết kế thêm bợ chuyển đổi thu thập liệu số Data Acquisition, NI my DAQ, để thu thập liệu cảm biến từ siêu âm đưa đến bợ xử lý số DSP để phân tích tính tốn giá trị đợ mặn Việc xử lý DSP hiển thị kết quả thực máy tính với phần mềm LabView Nguyên lý đo độ mặn sau: Độ mặn muối dung dịch làm thay đổi tỷ trọng dung dịch bể Dưới tác động lực đẩy Archimedes làm cho phao trồi lên mặt nước Cảm biến siêu âm dị tìm khoảng cách đầu phao với đầu cảm biến truyền liệu ngõ dạng analog Dữ liệu ngõ bộ cảm biến siêu âm thu nhận module IN MyDAQ 32 truyền máy tính để phân tích xử lý Máy tính vời phần mềm LabVIEW phân tích xử lý liệu thu hiển thị dạng sóng giá trị đợ mặn đo Hình Sơ đồ khối hệ thống máy đo độ mặn dùng cảm biến siêu âm 2.2.2 Nguyên lý thiết kế Gọi 𝑚𝑠 khối lượng muối hoàn tan dung dịch 𝑉𝑠𝑜𝑙 thể tích dung dịch Đợ mặn S nước muối tính (1), 𝑆= 𝑚𝑠 𝑉𝑑𝑑 (1) Gọi 𝐷𝑤 khối lượng riêng nước 1000kg/𝑚3 , khối lượng riêng dung dịch là, 𝐷𝑠𝑜𝑙 = 𝐷𝑤 + 𝑆 (2) Ta chọn phao hình trụ, có bán kính R, chiều cao phao ℎ𝑓 khối lượng riêng 𝐷𝑓 Giả sử ta thả phao bể nước, chiều cao phao chìm nước ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 Khi thả phao bể nước, theo định luật Acsimet để phao khối lượng riêng phao phải nhỏ khối lượng riêng nước Vậy chọn vật liệu làm phao nhựa, cho khối lượng riêng phao nhỏ khối lượng riêng nước Gọi 𝑚𝑓 khối lượng phao 𝑚𝑤_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 khối lượng phần thể tích mà phao chiếm chỗ bể nước muối Khi phao cân bể nước muối, ta có phương trình cân trọng lượng sau, 𝑚𝑓 = 𝑚𝑤_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 𝜋𝑅2 ℎ𝑓 𝐷𝑓 = 𝜋𝑅2 ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 𝐷𝑠𝑜𝑙 (3) (4) 33 𝜋𝑅2 ℎ𝑓 𝐷𝑓 = 𝜋𝑅2 ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 (𝐷𝑤 + 𝑆) 𝑆= 𝑆= ℎ𝑓 𝐷𝑓 ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 ℎ𝑓 𝐷𝑓 ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 (5) − 𝐷𝑤 (6) − 𝐷𝑤 (7) Gọi ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 chiều cao phần phao chìm nước độ mặn S = Khi ta hịa muối vào bể nước đợ mặn tăng lên hệ quả làm phao dần lên mặt nước Gọi phần chiều cao phao lên mặt nước có muối hịa tan bể ∆ℎ𝑓 , ta có: ℎ𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 = ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 − ∆ℎ𝑓 (8) Vậy từ (7) & (8) ta có phương trình mơ tả độ mặn dung dịch, 𝑆= ℎ𝑓 𝐷𝑓 ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 −∆ℎ𝑓 − 𝐷𝑤 (9) Chiều cao trồi lên mặt nước phao dung dịch nước muối với độ mặn S, ∆ℎ𝑓 = ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 − ℎ𝑓 𝐷𝑓 𝐷𝑤 +𝑆 (10) 2.2.3 Thiết kế hệ thống phao a) Thiết kế phao thuyền - Phao thuyền có chức cố định vị trí cảm biến siêu âm với mặt nước, để đo xác đợ cao lên mặt nước phao Để phép đo xác khoảng cách đầu cảm biến mặt nước phải cố định Điều yêu cầu phao thuyền gần không thay đổi độ cao so với mặt nước q trình đo - Mơ hình thực nghiệm hệ thống thiết bị cảm biến siêu âm đo độ mặn Hình Phao thuyền dùng xốp có kích thước 60cmx60cmx10cm, định vị gắn cảm biến siêu âm điểm phao Phao sử dụng dây silicon dùng cho súng bắn keo gắn gá vào trục để cố định vị trí theo phương ngang phao chuyển động lên xuống theo phương thẳng đứng - Gọi ht Dt chiều cao tồn bợ phao thuyền khối lượng riêng phao thuyền Gọi ℎ0_𝑡_𝑠𝑖𝑛𝑘 chiều cao phần phao thuyền chìm nước đợ mặn S = Khi ta hịa muối vào bể nước đợ mặn tăng lên hệ quả làm phao thuyền dần lên mặt nước Gọi phần chiều cao phao lên mặt nước có muối hịa tan bể ∆ℎ𝑡 - Từ pt (9) ta tìm phương trình mơ tả quan hệ độ mặn với độ cao phao thuyền di chuyển lên mặt nước là, 34 𝑆= ℎ𝑡 𝐷𝑡 ℎ0_𝑡_𝑠𝑖𝑛𝑘 −∆ℎ𝑡 − 𝐷𝑤 (10) Vậy ta có, ∆ℎ𝑡 = ℎ0_𝑡_𝑠𝑖𝑛𝑘 − - ℎ𝑡 𝐷𝑡 𝐷𝑤 +𝑆 (11) Xốp có khối lượng riêng 𝐷𝑡 = 15.4 kg/m3, khối lượng riêng nước 𝐷𝑤 = 1000 kg/m3 từ (10) ta thấy ℎ0_𝑡_𝑠𝑖𝑛𝑘 = 0.00154m ∆ℎ𝑡 ≤ 0.06 𝑚𝑚 phạm vi đo đợ mặn [0÷40‰] b) Thiết kế phao - Để đơn giản, nhóm nghiên cứu chọn vật liệu làm phao nhựa sillicon súng bắn keo có đường kính 10mm, khối lượng riêng 𝐷𝑓 = 985,23 kg/m3 - Do sử dụng bể nước dung dịch thực nghiệm có chiều cao 77cm, nên ta chọn phao có chiều cao ℎ𝑓 = 68cm - Vậy từ (10) ta tìm chiều cao phần phao chìm xuống nước đợ mặn S = ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 = 67cm - Từ pt (10) ta tìm khoảng phạm vi đợ mặn đo S = [0 ÷ 40] đợ cao lên mặt nước phao [1 ÷ 3.58cm] Trong thực tế chiều cao phao thuyền 10cm chiều cao từ đầu cảm biến siêu âm đến mặt nước 10cm, nên thiết kế phù hợp cho việc dị tìm khoảng cách đợ cao lên mặt nước phao - Mặt khác ta thấy từ pt (10) thay đổi độ cao phao thuyền ∆ℎ𝑡 ≤ 0.06 𝑚𝑚 gây sai số lớn phép đo độ mặn ≈ 0.1‰ 2.2.4 Thiết kế khối thu nhận tín hiệu Sử dụng cảm biến siêu âm để đo độ phao đặt môi trường nước muối so với mơi trường nước có đợ mặn Cảm biến chọn lựa XX918AF1M12 hãng Schneider, Hình Cảm biến có thơng số sau: - Phạm vi dị tìm từ [0.051 ÷ 0.508m] - Điện áp tín hiệu ngõ cảm biến dạng analog [10÷0V], tần số siêu âm 300KHz - Góc dị tìm cho chùm tia siêu âm tán xạ phạm vi 6o - Ta lập trình cài đặt khoảng cách dị tìm khoảng [0.01-0.11m], tương ứng với giá trị cảm biến áp ngõ [10÷0V] 35 Hình 2 Cảm biến siêu âm XX918AF1M12 Hình Sơ đồ đấu dây 2.2.5 Thiết kế khối xử lý đữ liệu Hình Sơ đồ khối giải thuật thu nhận xử lý liệu Sơ đồ khối giải thuật thu nhận xử lý liệu Hình 8, giải thích sau: • Dữ liệu khoảng cách đo dạng tín hiệu analog, có phạm vi giá trị [10-0V] khoảng cách đo từ [0.01-0.11m] Vậy ta gọi ∆𝑑 khoảng cách đo có đợ thay đổi điện áp 1V, ∆𝑑 = 0.01m • Do vậy, tín hiệu thu từ khối lấy mẫu DAQ Assistant đưa đến khối đo giá trị đỉnh Sau tín hiệu đỉnh đưa qua bộ trừ điện áp 10V, để lấy hiệu giá trị điện áp thay đổi Từ đó, chiều cao lên mặt nước phao ∆ℎ𝑓 , tính hiệu giá trị điện áp thay đổi nhân với ∆𝑑 36 • Từ giá trị ∆ℎ𝑓 tìm với giá trị ℎ𝑓 , ℎ0_𝑓_𝑠𝑖𝑛𝑘 𝐷𝑓 thiết kế phần 2.3, ta thực phép tốn Hình 8, theo phương trình (9), để tìm giá trị đợ mặn 2.3 Kết Hình Lắp đặt cảm biến siêu âm đo độ mặn bể nước Mơ hình thiết bị đo độ mặn nước sử dụng cảm biến siêu âm lắp đặt Hình Bể nước muối đổ đầy Hệ thống phao thuyền phao lắp đặt thiết kế, dây cáp tín hiệu nối từ đầu cảm biến đến modun thu thập liệu NI MyDAQ Hình 10 Hình Hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu DSP Máy đo độ mặn chuẩn độ dẫn sử dụng EC170 hãng EXTECH Chúng thực đo đạc mẫu muối hột lấy Huyện Cần Giờ - TP.HCM 14 phép đo thử 37 nghiệm thực Với phép thử, lấy mợt bát tơ muối hịa tan vào bể nước quấy phút để muối tan hết Kết quả thể Bảng 1, cho thấy đợ xác tương đối thiết bị thiết kế Phân tích Bảng ta thấy sai số gia tăng khoảng thời gian gần trưa chiều, trời nắng gắt, nhiệt độ tăng cao Kết quả đo đạc thực tế giá trị độ mặn thể Bảng cho thấy biên độ sai số cực đại ±1.5‰ (tương ứng sai số ≈ 3.7%) Với giá trị sai số cho thấy đợ xác cao phương pháp điện cực không tiếp xúc [12] 6.5% cao 1.7% so với sai số máy đo chuyên dụng EC170 2% Tuy nhiên xét mục đích ứng dụng thực tế cho quan trắc mơi trường ni trồng thủy sản thì, sai số nằm ngưỡng cho phép phạm vi đợ mặn mà tôm, cá nước lợ sống theo [8] từ ÷ 35‰ Bảng Thống kê kết 14 thực nghiệm mẫu muối Cần Giờ TP HCM STT mẫu Thời gian đo Nhiệt độ (oC) Độ mặn chuẩn đo máy đo Extech EC170 01 7h05 28.2 4.24 4.0 0.24 02 8h08 28.5 7.82 7.6 0.22 03 9h10 28.7 10.5 10.24 0.26 04 10h25 28.9 13.8 13.43 0.37 05 11h08 29.1 16.3 15.83 0.50 06 13h32 30.4 19.4 18.52 -0.88 07 14h15 30.6 21.5 20.03 -1.47 08 15h12 30.8 24.2 24.52 -0.32 09 16h30 30.6 27.9 28.32 -0.42 10 17h05 30.6 29.4 29.85 -0.45 11 18h10 30.1 32.6 33.01 -0.41 12 19h07 29.6 35.6 35.84 -0.24 13 20h12 29.0 38.9 39.22 -0.32 14 20h45 28.8 42.3 42.49 -0.19 Biên độ sai số Độ mặn đo máy đo thiết kế Sai số ±0.45 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Với mục tiêu thiết kế bộ cảm biến đo độ mặn online có đợ bền cao mơi trường nước lợ, đề tài xây dựng phương pháp thiết kế bộ cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc Đề tài đạt sản phẩm theo thuyết minh tài Phương pháp đề xuất sử dụng cảm biến siêu âm để đo đợ cao phao lên mặt nước, từ dụng định luật Archimes để nội suy độ mặn nước Bằng việc dùng sóng siêu âm với tần số vài chục KHz gần hệ thống đo khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện sóng radio tán xạ từ môi trường xung quanh Điều làm cho phép đo có đợ xác, đợ ổn định đợ bền cao, hồn tồn ứng dụng tốt thực tế môi trường công nghiệp Mợt số điểm đóng góp bật đề tài: - Đưa ý tưởng cho việc ứng dụng kỹ thuật sóng siêu âm để đo độ mặn nước - Phương pháp thiết kế máy đo đợ mặn đề tài có điện cực đo không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước nên khơng bị ăn mịn điện cực, khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ trường môi trường xung quanh Điều dẫn đến khả đo online với độ bền cao ứng dụng thực tế - Điểm đóng góp quan trọng đề tài tạo mợt máy đo đợ mặn đo online liên tục với độ bền ổn định cao, hồn tồn ứng dụng môi trường công nghiệp, nuôi trồng thủy sản hay quan trắc môi trường 3.2 Kiến nghị Phương pháp thiết kế máy đo đợ mặn đề tài ứng dụng môi trường thực tế, nhiên để ứng dụng thương mại được, nhóm tác giả cần phải hồn thiện mợt số vấn đề sau: - Thiết kế phao thuyền có chất liệu cứng bền thay dùng xốp - Chế tạo phao vật liệu cứng thay dùng nhựa silicon làm cho kết quả phép đo xác 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K Arulananthan, "Salinity Measurements and Use of the Practical Salinity Scale (PSS)," Journal of the National Aquatic Resources Research and Development Agency of Sri Lanka, vol 36, no ISSN: 1391-6246, pp 80-92, 2000 [2] Food and Agriculture Organization United nation, "Developing an Environmental Monitoring System to Strengthen Fisheries and Aquaculture Resilience and Improve Early Warning in the Lower Mekong Basin," FAO Fisheries and Aquaculture Proceedings, Bangkok, Thai Land, 2015 [3] A F Rawle, "Refractive Index Measurements," in Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, ScienceDirect, 2017, pp 936-945 [4] C Huber , I Klimant , C Krause , T Werner and T Mayr , "Optical sensor for seawater salinity," Fresenius' Journal of Analytical Chemistry, Springer Link, no 368, pp 196-202, 2000 [5] A Harhouz and A Hocini, "Design of High Sensitive Optical Sensor," in 2nd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2014), Springer Link, Turkey, 2014 [6] R H Tyler, "Electrical conductivity of the global," Earth, Planets and Space, Springer Open, vol 69, no 156 , pp 1-10, 2017 [7] C Bui Thu, T Tran Manh and T Pham Nguyen Quoc, "Thiết kế bộ cảm biến độ mặn nước sử dụng phương pháp điện cực khơng tiếp xúc," Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, ISSN: 2525-2267, 2019 [8] BNN&PTNT, "Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia sở nuôi tôm nước lợ - điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ mơi trường an tồn thực phẩm," in QCVN 0219:/2014, Hà Nội, Việt Nam, Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn 40 PHỤ LỤC A Thông số môi trường nước lợ Nước lợ loại nước có đợ mặn cao độ mặn nước ngọt, không cao nước mặn Nó kết quả pha trộn nước biển với nước ngọt, chẳng hạn khu vực cửa sơng hoặc xuất tầng ngậm nước hóa thạch lợ Bảng A.1 Bảng độ mặn nước theo Bách khoa tồn thư Việt Nam Đợ mặn nước dựa muối hòa tan theo ppt (Việt Nam) Nước Nước lợ Nước mặn Nước muối 10 hoặc > > 50 Phân loại nước theo độ mặn Căn vào độ muối, năm 1934, Zernop phân chia giới hạn loại nước tự nhiên sau : • Nước : S‰ = 0.02 - 0.5 ppt • Nước lợ : S‰ = 0.5 - 16 ppt • Nước mặn : S‰ = 16 - 47 ppt • Nước mặn : S‰ = 47 ppt Trong trình nuôi tôm, môi trường nước yếu tố quan trọng hàng đầu Các thông số theo Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT ban hành ngày 29/07/2014, môi trường nước nuôi tôm Bảng 2.1 Bảng A Tiêu chuẩn môi trường nước cho nuôi tôm Thông số Nhiệt độ (oC) Khoảng cho phép Khoảng thích hợp (tối ưu) 18 - 33 28 - 32 7–9 7.8 – 8.2 Độ đục (cm) 20 - 50 30 - 40 Độ mặn % (ppm) - 35 15 - 25 Đợ hịa tan Oxy - 7mg/l – mg/l Đợ hịa tan NH3 ≤ 0.3 mg/l < 0.01 mg/l pH 41 B Giới thiệu mô đun thu thập liệu NI myDAQ Giới thiệu: NI myDAQ thiết bị thu thập liệu (DAQ) giá rẻ, với thiết kế nhỏ gọn linh đợng, cho phép sinh viên đo phân tích tín hiệu thực lúc, nơi Thiết bị sử dụng 1000 trường Đại học, cao đẳng khắp giới NI MyDAQ nhiều trường Đại học, Cao đẳng, Nghề thuộc khối kỹ thuật Việt Nam dùng để giảng dạy nghiên cứu Tổng quan: NI myDAQ tích hợp nhiều loại thiết bị ảo, chạy tảng LabVIEW như: Đồng hồ vạn năng, Oscilloscope, Máy phát hàm, Phân tích biểu đồ Bode, Máy phát xung, Máy phân tích tín hiệu (FFT), Ngõ vào/ra tương tự, Ngõ vào/ra số Cùng với phần mềm lập trình đồ họa LabVIEW, sinh viên mở rợng chức thiết bị với hàng ngàn ví dụ mẫu từ thư viện online điều khiển PID, bộ đếm tần số, bộ hiệu chỉnh âm Ngồi ra, NI myDAQ cịn có ngõ vào tương tự, ngõ tương tự, ngõ vào/ra số, khả cấp nguồn +5, +15 -15V DC Hình phụ lục 10 Các kết nối NI myDAQ Thông số kỹ thuật NI myDAQ: - Ngõ vào analog: tốc độ lấy mẫu 200 kS/s, độ phân giải 16 bit, điện áp ± 10V - Ngõ analog: Tốc độ lấy mẫu 200 kS/s, độ phân giải 16 bit - Ngõ vào/ra số (DIO): kênh, counter/timer 32 bit 42 - - Đồng hồ đo vạn năng: Đo điện áp DC/AC (60V … 200mV), Đo dòng điện DC/AC (1A … 20 mA), Đo điện trở (20 MΩ … 200 Ω), Kiểm tra Diode, Đo thơng mạch - Máy sóng (Oscilloscope): kênh, -10V đến 10V, Tốc độ lấy mẫu 200kS/s - Máy phát hàm: kênh ngõ ra, Tần số 0.2 Hz … 20kHz, Biên đợ 0…10V, Sóng sine, tam giác, vng - Máy phân tích Biểu đồ Bode: Khoảng tần số 1Hz đến 20 kHz - Bợ phân tích tín hiệu đợng: kênh, Phân tích phổ tần số, Điện áp ±10V - Bợ phát sóng ngẫu nhiên - Bợ đọc tín hiệu số: kênh ngõ vào - Bợ ghi tín hiệu số: kênh ngõ - Khả cấp nguồn -15V, +15V +5V Khả ứng dụng myDAQ đa dạng: mạch điện tử tương tự, đo lường – cảm biến, vật lý, xử lý tín hiệu số (DSP), điều khiển, điện tử y sinh … Hình phụ lục 11 Phạm vi ứng dụng NI myDAQ C Giới thiệu phần mềm Labview Giới thiệu: LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) một phần mềm máy tính phát triển cơng ty National Instruments LabVIEW dùng hầu hết phịng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật tự đợng hóa, điều khiển, điện tử, điện tử, hàng khơng, hóa sinh, điện tử y sinh nước đặc biệt Mỹ, Hàn quốc, Nhật Bản 43 D Máy đo độ mặn nhiệt độ EXTECH EC170 (0~70.0ppt, to 50°C) Hình phụ lục 12 Bút đo độ mặn EXTECH EC170 Hãng sản xuất: Extech - Mỹ Model: EC170 - Máy đo độ mặn nhiệt độ - Điều biến tự động với thang đo - Được xây dựng NaCl dẫn đến hệ số chuyển đổi TDS - Giữ liệu, tự động tắt nguồn Chỉ định pin yếu - Nhiệt độ tự động bù - Một điểm chuẩn cho phạm vi - Thiết kế không thấm nước để chịu môi trường ẩm ướt - đáp ứng tiêu chuẩn IP65 - Độ mặn: đến 10.00ppt /0.01ppt /±2% FS 10.1 đến 70.0ppt /0.1ppt - Nhiệt độ: 32° đến 122°F (0 đến 50°C) 0.1°F/°C - Nguồn cấp: pin LR44 - Kích thước: 1.3 x 6.5 x 1.4" (32 x 165 x 35mm) - Trọng lượng: 3.8oz (110g) - Cung cấp kèm theo: cảm biến độ mặn, nắp bảo vệ, pin LR44 44 ... liệu thực nghiệm, kết luận luận án ? ?Thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ trang trại nuôi trồng thủy hải sản? ?? trung thực, khơng chép hình... Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp điện cực không tiếp xúc, ứng dụng đo môi trường nước lợ trang trại nuôi trồng thủy hải sản 1.2 Mã số: 171.2111 1.3 Danh... triển nuôi trồng thủy sản nước ta VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) Nguyên lý thiết kế loại cảm biến thông số môi trường nước a) Nguyên lý thiết kế cảm biến đo độ mặn