Thiết kế cảm biến độ mặn của nước dùng sóng siêu âm

Bài viết này đề xuất một phương pháp hiệu quả hơn để đo độ mặn nước. Phương pháp đề nghị sử dụng cảm biến siêu âm để đo độ cao của phao nổi lên mặt nước, từ đó dùng định luật Archimes để nội suy ra độ mặn. Phương pháp này có đặc điểm là điện cực cảm biến không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước, không bị ăn mòn điện cực, không bị ảnh hưởng bởi cặn bám của môi trường nên có độ bền và độ chính xác cao. Mời các bạn cùng tham khảo!

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 45A, 2020 THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM BÙI THƯ CAO Khoa Công nghệ Điện tử, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, buithucao@iuh.edu.vn Tóm tắt Thiết bị đo độ độ mặn online cho môi trường nước thiết bị quan trọng việc giám sát quản lý môi trường nước cho trang trại nuôi trồng thủy hải sản Yếu điểm thiết bị đo độ mặn dùng thị trường sử dụng phương pháp tiếp xúc trực tiếp qua màng trao đổi ion với môi trường nước thông qua điện cực cảm biến Với phương pháp này, theo thời gian, điện cực bị bám màng bẩn bị ăn mòn điện cực gây sai số lớn cho phép đo Để khắc phục nhược điểm này, đề xuất phương pháp hiệu để đo độ mặn nước Phương pháp đề nghị sử dụng cảm biến siêu âm để đo độ cao phao lên mặt nước, từ dùng định luật Archimes để nội suy độ mặn Phương pháp có đặc điểm điện cực cảm biến khơng tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước, không bị ăn mịn điện cực, khơng bị ảnh hưởng cặn bám mơi trường nên có độ bền độ xác cao Từ khóa Độ mặn; sóng siêu âm THE DESIGN OF THE WATER SALINITY SENSOR USING ULTRASONIC WAVES Abstract Online salinity meter for water environment is one of the most important equipment in monitoring and managing the water environment for aquaculture farms The weakness of salinity meters currently used in the market is the use of direct contact via ion exchange membranes to the water environment through sensor electrodes With this method, over time, the electrodes will become dirty and corroded the electrode causing a large measurement error To overcome this drawback, we propose a more efficient method to measure water salinity The proposed method uses an ultrasonic sensor to measure the height of the buoy that floats to the surface of the water, thereby using Archimes's law to interpolate the water salinity This method has a characteritic that the sensor electrode does not contact directly with the water environment Therefor, designed salinilty sensor will not be corroded the electrode, unaffected by frowning from water environmental, so it has high durability and accuracy Keywords Salinity; Ultrasonic wave GIỚI THIỆU Trong việc nuôi trồng thủy sản suất cao hiệu việc giám sát thông số môi trường nước vô quan trọng Một thơng số quan trọng độ mặn nước Độ mặn nước ảnh hưởng lớn đến trình sinh trưởng suất hầu hết loại thủy, hải sản nước lợ nước mặn Hiện có ba cách xác định độ mặn phổ biến [1] [2]: 1.1 Phương pháp tỷ trọng kế (Hydrometer) Tỷ trọng tỷ số trọng lượng riêng chất cần đo trọng lượng riêng nước Độ mặn đo cách đo thay đổi tỷ trọng nước khơng có muối tỷ trọng nước hoàn tan muối Độ mặn: định nghĩa khối lượng muối hòa tan kg nước biển Tỉ trọng: định nghĩa tỉ số tỉ trọng dung dịch (tại nhiệt độ định) tỉ trọng nước tinh khiết (tại nhiệt độ định) Tỉ trọng phụ thuộc vào nhiệt độ, muốn kết đo tỉ trọng nhiệt độ phải Vậy từ tỷ trọng muối dung dịch nước ta nội suy độ mặn nước © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh 52 THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SĨNG SIÊU ÂM Hình Thiết bị đo độ mặn phương pháp đo tỷ trọng 1.2 Phương pháp khúc xạ kế (Refractometer) Chiết xuất nước liên quan đến nồng độ vật chất môi trường nước Khi muối hịa tan vào mơi trường nước làm thay đổi nồng độ vật chất, dẫn đến thay đổi chiết xuất môi trường nước Mà chiết suất lại liện quan đến hệ số khúc xạ môi trường nước Sóng ánh sáng truyền qua mơi trường có chiết suất khác có thay đổi phương truyền tia sóng Lợi dụng tính chất này, người ta thiết kế máy đo độ mặn phương pháp khúc xạ kế, thể [3] Hình Thiết bị đo độ mặn phương pháp khúc xạ kế 1.3 Phương pháp độ dẫn điện (Electrical Conductivity) Hình Máy đo độ dẫn EC170 hãng EXTECH Dựa phương pháp đo độ dẫn điện (EC) dung dịch Muối dung dịch chủ yếu tồn dạng ion Sodium (Na+) ion Chloride (Cl-) Khi số lượng ion Sodium ion Chloride tăng lên, độ dẫn điện dung dịch tăng lên tương ứng với độ tăng nồng độ muối Sử dụng nguyên lý này, độ mặn xác định cách tính tốn độ dẫn điện mơi trường qua mang trao đổi ion Nó cịn gọi phương pháp đo kỹ thuật số, thể [4] Phương pháp EC khuyến nghị sử dụng © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 53 đo độ mặn nông nghiệp, minh họa qua thiết bị đo EC170 1.4 Phương pháp điện cực không 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 môi 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 độ xác độ bền cao so sánh với phương pháp đo online khác, thể [5] Tuy nhiên, điểm hạn chế phương pháp điện cực không tiếp xúc sử dụng sóng radio tần số 315MHz dễ bị nhiễu mơi trường ngồi Trong thực tế lắp đặt trang trại nuôi trồng thủy sản, có nhiều thiết bị máy móc sử dụng ao nuôi như: máy bơm, quạt đảo nước cơng 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 1.5 Nhận xét chung Hình Cảm biến điện cực không tiếp xúc Các phương pháp tỷ trọng kế khúc xạ kế sử dụng thao tác nhân công để đo độ mặn Điều bất tiện giám sát thông số môi trường điều kiện nắng mưa hay trời tối Với phương pháp độ dẫn điện, việc đo thực qua tiếp xúc trực tiếp điện cực đo qua màng trao đổi ion với mơi 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 không tiếp xúc, có ưu điểm phương pháp trước đó, sử dụng sóng RF tần số 315MHz để đo số điện mơi, từ nội suy độ mặn nước Phương pháp có ưu điểm đầu đo không tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước nên bền theo thời gian Tuy nhiên, ứng dụng phương pháp môi trường công nghiệp, ao ni tơm 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 phương pháp sử dụng cảm biến siêu âm Phương pháp sử dụng nguyên lý đo suy hao công suất lan truyền sóng siêu âm để đo khoảng cách độ cao mặt nước phao, từ nội suy độ mặn nước Do đặc điểm sóng siêu âm có tần số thấp vài chục KHz nên khơng bị ảnh hưởng nhiễu tán xạ sóng radio q trình đo, dẫn đến khơng gây sai số cho phép đo PHƯƠNG PHÁP ĐỀ NGHỊ 2.1 Mô hình đ nghị cho thiết bị đo độ m n cảm biến siêu âm Hệ thống đo độ mặn sóng siêu âm đề nghị thể Hình Một 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 th ng 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 ph ng ngang, phao thuyền Bên cạnh hệ thống cịn thiết kế thêm chuyển đổi thu thập liệu số Data Acquisition, NI my DAQ, để thu thập liệu cảm biến từ siêu âm đưa đến xử lý số DSP để phân tích tính tốn giá trị độ mặn Việc xử lý DSP hiển thị kết thực máy tính với phần mềm LabView Nguyên lý đo độ mặn sau: © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 54 a) 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 b) Cảm biến siêu âm dị tìm khoảng cách đầu phao với đầu cảm biến truyền liệu ngõ dạng analog c) Dữ liệu ngõ cảm biến siêu âm thu nhận module IN MyDAQ 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 độ mặn đo Hình Sơ đồ khối phần cứng hệ thống máy đo độ mặn dùng cảm biến siêu âm 2.2 Nguyên lý thiết kế Gọi khối lượng muối hoàn tan dung dịch nước muối tính (1), = thể tích dung dịch Độ mặn S (1) khối lượng riêng nước 1000kg/ , khối lượng riêng dung dịch là, = + (2) Ta chọn phao hình trụ, có bán kính R, chiều cao phao ℎ khối lượng riêng Giả sử ta thả phao bể nước, chiều cao phao chìm nước ℎ _ 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 khối lượng phao 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, = (3) _ _ ℎ = ℎ_ (4) ℎ = ℎ_ ( + ) (5) Gọi = = _ _ − − (6) (7) Gọi ℎ _ _ chiều cao phần phao chìm nước độ mặn S = Khi ta hịa muối vào bể nước độ mặn tăng lên hệ làm phao dần lên mặt nước Gọi phần chiều cao phao lên mặt nước có muối hịa tan bể ∆ℎ , ta có: ℎ_ = ℎ _ _ − ∆ℎ (8) Vậy từ (7) & (8) ta có phương trình mơ tả độ mặn dung dịch, © 2020 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM = ∆ _ _ − 55 (9) Chiều cao trồi lên mặt nước phao dung dịch nước muối với độ mặn S, 2.3 Thiết kế hệ thống phao ∆ℎ = ℎ _ _ − (10) _ _ − (12) Thiết kế phao thuyền - Phao thuyền có chức cố định vị trí cảm biến siêu âm với mặt nước, để đo độ 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 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 th ng đứng - Gọi ht Dt chiều cao toàn phao thuyền khối lượng riêng phao thuyền Gọi ℎ _ _ chiều cao phần phao thuyền chìm nước độ mặn S = Khi ta hịa muối vào bể nước độ mặn tăng lên hệ làm phao thuyền dần lên mặt nước Gọi phần chiều cao phao lên mặt nước có muối hịa tan bể ∆ℎ - Từ pt (9) ta tìm phương trình mơ tả quan hệ độ mặn với độ cao phao thuyền di chuyển lên mặt nước là, = − (11) ∆ Vậy ta có, _ _ ∆ℎ = ℎ Xốp có khối lượng riêng = 15.4 kg/m , khối lượng riêng nước = 1000 kg/m3 từ (10) ta thấy ℎ _ _ = 0.00154m ∆ℎ ≤ 0.06 phạm vi đo độ mặn [0÷40‰] 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 = 985,23 kg/m3 - Do sử dụng bể nước dung dịch thực nghiệm có chiều cao 77cm, nên ta chọn phao có chiều cao ℎ = 68cm - Vậy từ (10) ta tìm chiều cao phần phao chìm xuống nước độ mặn S = ℎ _ _ = 67cm - Từ pt (11) ta tìm khoảng phạm vi độ mặn đo S = [0 ÷ 40] độ 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 độ cao lên mặt nước phao - Mặt khác ta thấy từ pt (12) thay đổi độ cao phao thuyền ∆ℎ ≤ 0.06 gây sai số lớn phép đo độ mặn ≈ 0.1‰ - 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 độ 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 ngõ tín tín hiệu cảm biến dạng analog [10÷0V] - 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 tr cm bin ỏp ngừ [10ữ0V] â 2020 Trng Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 56 Hình Cảm biến siêu âm XX918AF1M12 Hình Sơ đồ đấu dây 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 [0-0.1m] Vậy ta gọi ∆ khoảng cách đo có độ thay đổi điện áp 1V, ∆ = 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 trừ điện áp 10V, để lấy hiệu giá trị điện áp thay đổi Từ đó, chiều cao lên mặt nước phao ∆ℎ , tính hiệu giá trị điện áp thay đổi nhân với ∆  Từ giá trị ∆ℎ tìm với giá trị ℎ , ℎ _ _ thiết kế phần 2.3, ta thức phép tốn Hình 8, theo phương trình (9), để tìm giá trị độ mặn KẾT QUẢ 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 lắp đặt Hình 10 Hình © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 57 chụp phao gá vào ống nhựa đỡ, ống nhựa bắt th ng góc cố định phao thuyền Dây cáp tín hiệu nối từ đầu cảm biến đến modun thu thập liệu NI MyDAQ Hình 11 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 nghiệm thực Với phép thử, lấy bát tô muối hòa tan vào bể nước quấy phút để muối tan hết Kết thể Bảng 1, cho thấy độ 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 Hình Lắp đặt cảm biến siêu âm đo độ mặn bể nước Hình 10 Hình chụp phao gá vào ống nhựa đỡ Kết 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 độ xác cao phương pháp điện cực không tiếp xúc [5] 6.5% cao 1.7% so với sai số máy đo chuyên dụng EC170 2% Tuy nhiên © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SĨNG SIÊU ÂM 58 xét mục đích ứng dụng thực tế cho quan trắc môi trường nuôi trồng thủy sản, sai số nằm ngưỡng cho phép phạm vi độ mặn mà tơm, cá nước lợ sống theo [6] [5 ÷ 35‰] Hình 11 Hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu DSP Bảng Thống kê kết 14 thực nghiệm mẫu muối Huyện Cần Giờ TP HCM STT mẫu Thời gian đo 01 7h05 02 8h08 03 9h10 04 10h25 05 11h08 06 13h32 07 14h15 08 15h12 09 16h30 10 17h05 11 18h10 12 19h07 13 20h12 14 20h45 Biên độ sai số Nhiệt độ (oC) 28.2 28.5 28.7 28.9 29.1 30.4 30.6 30.8 30.6 30.6 30.1 29.6 29.0 28.8 Độ mặn chuẩn đo máy đo Extech EC170 4.24 7.82 10.5 13.8 16.3 19.4 21.5 24.2 27.9 29.4 32.6 35.6 38.9 42.3 KẾT LUẬN Độ mặn đo máy đo thiết kế 4.0 7.6 10.24 13.43 15.83 18.52 20.03 24.52 28.32 29.85 33.01 35.84 39.22 42.49 Sai số 0.24 0.22 0.26 0.37 0.50 -0.88 -1.47 -0.32 -0.42 -0.45 -0.41 -0.24 -0.32 -0.19 ±0.45 Bài báo trình bày phương pháp thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp dùng sóng siêu âm để đo độ cao phao lên mặt nước, từ sử dụng định luật Archimes để nội suy độ mặn nước Phương pháp thiết kế diễn giải cách logic từ nguyên lý toán học, thiết kế phần cứng phần mềm Một số điểm đóng góp bật báo: Đưa ý tưởng cho việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm để đo độ mặn nước Cảm biến đo độ mặn sóng siêu âm đề tài khơng có tiếp xúc điện cực trực tiếp với môi trường nước nên không bị ăn mịn điện cực khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ trường môi trường xung quanh © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SĨNG SIÊU ÂM 59 Điểm đóng góp quan trọng đề tài tạo máy đo độ mặn đo online liên tục với độ bền ổn định cao, hoàn toàn ứng dụng mơi trường cơng nghiệp, ni trồng thủy sản hay quan trắc môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K ARULANANTHAN, "Salinity Measurements and Use of the Practical Salinity Scale (PSS)," The National.Aquatic Resources Research & Development Agency, vol 36, pp 80-92, 2000 [2] Paula Charnock and Kathy Tenison, "Measuring water salinity," Primefacts for Profitable, Adaptive and Sustainable Primary Industries, no 856, pp 1-4, 2009 [3] D Malard, W Z Y and G P , "High-resolution and compactrefractometer for salinity measurements," Measurement Science and Technology , no 20, pp 1-8, 2009 [4] Background information on water quality measurements using in situ water quality instruments, Queensland: Policy, Environmental Protection (Water) , 2009 [5] C Bui Thu, T Tran Manh and T Pham Nguyen Quoc, "Thiết kế cảm biến độ mặn nước sử dụng phương pháp điện cực khơng tiếp xúc," Tạp chí Khoa học & Công nghệ , 2019 [6] 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 02-19:/2014, Hà Nội, Việt Nam, Bộ Nông Nghiệp Phát Triển Nông Thôn Ngày nhận bài: 14/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 05/12/2019 © 2020 Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ... học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SÓNG SIÊU ÂM 56 Hình Cảm biến siêu âm XX918AF1M12 Hình Sơ đồ đấu dây 2.5 Thiết kế khối xử lý đữ liệu Hình Sơ đồ khối...52 THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC DÙNG SĨNG SIÊU ÂM Hình Thiết bị đo độ mặn phương pháp đo tỷ trọng 1.2 Phương pháp khúc xạ kế (Refractometer) Chiết xuất nước liên quan đến nồng độ vật... bày phương pháp thiết kế cảm biến đo độ mặn phương pháp dùng sóng siêu âm để đo độ cao phao lên mặt nước, từ sử dụng định luật Archimes để nội suy độ mặn nước Phương pháp thiết kế diễn giải cách