Ngoài ra, độ dẫn điện của dung dịch còn phụ thuộc nhiệt độ của dung dịch. Do vậy, để cảm biến đo độ dẫn điện có khả năng bù trừ nhiệt độ thì trong quá trình thiết kế phần cứng hay phần mềm ta phải tính đến khả năng bù trừ nhiệt độ. Từ độ dẫn điện của dung dịch tính bằng đơn vị S/cm, ta có thể tính được độ muối hoặc tổng lượng chất rắn hoà tan trong dung dịch:
Quan hệ giữa độ muối và độ dẫn (G):
mg/l TDS(PSS) 10 0,34881,01338.logG (12) TDS (PSS) - Tổng lượng chất rắn hoà tan (độ muối) (ppm); G - Độ dẫn điện của dung dịch tại nhiệt độ T0C; Môi trường đo trong luận văn này là môi trường nuôi trồng thuỷ hải sản, nên có thể cho rằng tổng lượng chất rắn chính bằng nồng độ muối có trong đó.
Các thông số kỹ thuật về đo độ muối và độ dẫn:
Dải đo độ dẫn điện: 0 100 mS.cm-1 ; Dải đo độ muối: 0 50 ppt (g/l); Sai số: 1,0% thang đo;
Thời gian đáp ứng: 95 = 3 phút; Có bù theo nhiệt độ;
2.3 Cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan [9-10]
Cảm biến đo độ ôxy hoà tan không những được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm mà cả trong thực tế đời sống, sản xuất. Những công dụng chính của cảm biến ôxy có thể kể đến: đo nồng độ ôxy hoà tan trong nước phục vụ nghiên cứu môi trường và nuôi thuỷ sản; đo nồng độ ôxy hoà tan trong không khí tại các vùng khí quyển bị ô nhiễm, đo nồng độ ôxy trong máu phục vụ trong ngành y tế, lâm sàng...
Cảm biến đo độ ôxy hay điện cực nhạy ôxy có thể chia thành 2 loại chính: loại cảm biến theo nguyên lý dòng và loại theo nguyên lý tự sinh dòng. Hiện nay loại cảm biến được sử dụng phổ biến để phân tích môi trường cũng như sử dụng trong phòng thí nghiệm là loại cảm biến Clark có màng thẩm thấu nhờ tính thuận tiện khi sử dụng, tránh được sự nhiễm bẩn điện cực cảm biến và dung dịch nội, tuổi thọ cảm biến cao, có độ chính xác và ổn định cao...Với loại cảm biến này, màng được dùng để thực hiện sự thẩm thấu ôxy, nó có thể được coi là một hàng rào khuếch tán chống lại sự nhiễm bẩn. Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỷ lệ thuận với nồng độ ôxy hoà tan trong dung dịch.
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu mới, người ta đã tìm ra và sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau để chế tạo điện cực, với mục tiêu là giảm giá thành nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Sau đây tôi trình bày một cách chung nhất về chế tạo cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan theo nguyên lý của điện cực Clark.
2.3.1 Phương pháp đo độ ôxy hoà tan bằng cảm biến màng
Nồng độ ôxy hoà tan (DO) trong nước tự nhiên và trong nước thải phụ thuộc vào các tính chất vật lý, hoá học và sinh hoá của mẫu nước. Phân tích DO là một phép thử quan trọng trong quá trình xử lý nước thải và nước ô nhiễm. Phương pháp cảm biến màng dựa trên tốc độ khuyếch tán ôxy phân tử qua màng.
Cảm biến màng có những ưu điểm sau:
Đo được độ ôxy trong các khí và dung dịch;
Không có sự nhiễm bẩn do dung dịch phân tích gây ra; Không hoặc ít phụ thuộc vào dòng chảy.
Đối với cảm biến kiểu Clark, điều quan trọng nhất là cấu hình của cảm biến. Nói chung, với cảm biến loại này màng được dùng để thực hiện sự thẩm
thấu ôxy và ngăn sự thẩm thấu của các chất khác, chống lại sự nhiễm bẩn. Dưới các điều kiện ổn định, dòng điện tỉ lệ thuận với nồng độ ôxy hoà tan trong dung dịch (hoạt độ của ôxy phân tử).
2.3.2 Nguyên lý hoạt động và tính chất của cảm biến
Ôxy đến bề mặt điện cực làm việc là do quá trình khuyếch tán từ ngoài vào trong dung dịch, sau đó sẽ khuyếch tán từ trong dung dịch đến điện cực cảm biến. Lượng ôxy khuyếch tán, cũng như cường độ dòng điện thu được sẽ phụ thuộc vào:
Áp suất riêng phần của ôxy trong dung dịch; Chất liệu màng và độ dày của màng;
Kích thước catốt;
Thế phân cực cảm biến; Nhiệt độ môi trường;
Chế độ dòng chảy của dung dịch cần đo. Các yếu tố ảnh hưởng có mối quan hệ sau:
I = k.A.a.D.p/X (13) Trong đó:
I : mật độ dòng điện; k: hằng số;
D: hệ số khuyếch tán của ôxy qua màng; a: độ hoà tan của ôxy trên màng;
A: bề mặt catốt;
p: áp suất riêng phần của ôxy trong dung dịch; X: bề mặt của màng.
2.3.3 Chế tạo cảm biến
Dựa trên nguyên lý hoạt động và các tham số ảnh hưởng tới cảm biến, tôi đã chế tạo được cảm biến đo độ ôxy hoà tan, với hệ điện cực làm việc là:
Ag+/Zn-; hệ điện cực được nhúng trong dung dịch điện hoá, với màng teflon bảo vệ dung dịch điện hoá (màng teflon cho không cho dung dịch thẩm thấu ra ngoài, nhưng lại cho ôxy khuếch tán vào trong dung dịch).
Cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan được bán rộng rãi trên thị trường với các loại: DO-01; DO-02 và DO-03. Hình dưới đây là ảnh minh hoạ về cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan cầm tay do tôi chế tạo.
Hình 8: Cảm biến (a) và máy đo (b) nồng độ ôxy hoà tan cầm tay thương mại (1): Giắc nối điện; (2): Nắp điện cực; (3): Thân điện cực; (4): Dây dẫn điện; (5): Dung dịch điện ly; (6): Điện cực thế Zn; (7): Hãm cao su; (8): Nắp cực; (9):Màng điện cực; (10): Cực làm việc Ag.
2.3.4 Chuẩn cảm biến
Chuẩn điểm 0: Trong môi trường 0% ôxy hoà tan (dung địch Na2SO3 1M) thì cảm biến phải chỉ giá trị 0.
Chuẩn độ dốc: Trong không khí (~100% ôxy hoà tan trong nước).
Nồng độ ôxy hoà tan phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối (môi trường nước) và có cả độ cao (áp suất khí quyển). Các bảng giá trị sau cho phép chuẩn cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan:
Bảng 5: Nồng độ ôxy phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao (áp suất khí quyển)
(a) (b)
Các thông số kỹ thuật về đo đo nồng độ ôxy hoà tan:
Dải đo: 0 20 mg/l;
Sai số: 1,5% thang đo (so với phép chuẩn hoá học) Thời gian đáp: 95 = 3 phút;
Có bù theo nhiệt độ và độ muối (dùng chương trình để bù);
Để xác định thời gian đáp ứng của cảm biến đo độ ôxy hoà tan, tôi đã ghép nối cảm biến với hệ thiết bị đo và đo nồng độ ôxy hoà tan trong hai môi trường khác nhau (không khí và nước), với điều kiện là hạn chế tối đa sự trao đổi nhiệt.
Hình 9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ ôxy hoà tan
5.8 6.6 7.4 8.2 1 2 T = 26 0C 70 80 90 100 Trong không khí
2.4 Cảm biến đo pH [3]
Độ pH (logarit của hoạt độ các ion H+) thể hiện tính axít của dung dịch. Trong thực tế, việc đo độ pH thường xuyên được tiến hành trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp hoá học, nông nghiệp, dược, hoá dầu, sinh học lâm sàng ...
Với loại cảm biến đo pH (hai điện cực), tôi đặt mua trên thị trường và ghép nối với hệ thống thiết bị đo môi trường nước. Sau đây, tôi trình bày về nguyên lý và cách chế tạo cảm biến đo pH.
2.4.1 Nguyên lý đo độ pH
Để đo độ pH của một dung dịch, chỉ cần đặt điện cực màng thuỷ tinh vào trong dung dịch và đo hiệu điện thế xuất hiện giữa phần tử so sánh nội của nó với điện cực so sánh cùng nằm trong dung dịch này. Muốn như thế, điện cực thuỷ tinh và điện cực so sánh được nối với một pH-mét. Thực chất pH-mét là một milivôn kế có trở kháng đầu vào rất lớn (Ze ≥ 1012 Ω) kết hợp với một mạch điện chuyển đổi hiệu điện thế thành đại lượng theo đơn vị pH.
Nếu tính đến các phần tử khác nhau có mặt trong cấu trúc đo thì hiệu điện thế giữa điện cực thuỷ tinh và điện cực so sánh được viết dưới dạng: ss1 as ss2 j 2,3. . log( c) 2,3. . log(Hinc)
F T R H F T R E E E E E (14) trong đó:
- ESS1 là điện thế của phần tử so sánh nội của điện cực thuỷ tinh; - ESS2 là điện thế của điện cực so sánh;
- Ej là điện thế của chuyển tiếp lỏng tồn tại giữa dung dịch điền đầy điện cực so sánh và dung dịch nghiên cứu;
- Eas là điện thế bất đối xứng của màng thuỷ tinh.
Nếu nhóm các số hạng không phụ thuộc vào pH lại với nhau thì biểu thức trên có thể viết gọn hơn:
pH F T R E E ' 2,3. . 0 (15) trong đó E0’ là điện thế chuẩn của điện cực thuỷ tinh, và 2,3.R.T/F là độ dốc lý thuyết của điện cực thuỷ tinh.
2.4.2 Mạch điện tương thích giữa cảm biến pH và môdule CR10X
Để tương thích với hệ thiết bị đo đạc và thu thập CR10X, tôi đã thiết kế một mạch tương thích giữa cảm biến pH với môdule CR10X. Mạch điện
tương thích nhằm mục đích giảm ảnh hưởng của nhiễu, tăng hệ số khuếch đại. Sử dụng IC LMC6484IN, thì mạch điện đó có sơ đồ như sau:
2.4.3 Chuẩn cảm biến
Đối với loại cảm biến này, tôi đã mua trên thị trường (Hanna- Ý) và ghép nối với hệ thiết bị tự động để đo. Ta biết rằng, giá trị pH của một dung dịch chủ yếu phụ thuộc vào tính axít hay bazơ của nó. Đối với cùng một loại dung dịch, thì tham số ảnh hưởng khác đó là nhiệt độ.
Để chuẩn nồng độ dung dịch, tôi đã sử dụng các loại dung dịch có giá trị pH khác nhau (4, 7, 10). Trong phần dưới đây, tôi trình bày về cách chuẩn độ pH đối với sự thay đổi của nhiệt độ:
+ Nếu không có sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, thì đường đặc tuyến đặc trưng cho giá trị pH (pH) của môi trường theo giá trị thế đo được (pHVolt) thay đổi tuyến tính (hình 13.a).
+ Xác định thế đo được tại giá trị pH= 7, tức là xác định được độ dốc của đường đặc trưng pH và thế đo được. Sự thay đổi của nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến giá trị pH đo được (hình 13.b).
vào - 1 vào + vào- 2 vào+ vào - 3 vào+ 5 V 47 K 47 K 47 K 47 K 2.5 V Điện cực pH Điện cực pH Hta Lra
Hình 12: Mạch tiền khuếch đại: giảm nhiễu và tăng hệ số khuếch đại của pH
Như vậy, với cách đặt vấn đề trên ta có thể tính giá trị pH như biểu thức cho dưới đây:
pH = (16) Trong đó,
pH: là giá trị pH đo được;
CS: là hệ số của đường đặc trưng (pH=7); T: là nhiệt độ (0
K);
pHVolt: điện thế đo được với các giá trị pH khác.
Các thông số kỹ thuật về đo pH:
Dải đo pH: 0 14 pH; Sai số: 1,5%;
Có bù theo nhiệt độ (dùng chương trình để bù theo công thức 16 ); Thời gian đáp: 95 = 3 phút 100 0C (74 mV /pH) 50 0C (64 mV /pH) 0 0C (54 mV /pH) Điểm đẳng thế +500 0 -500 0 7 14 0 7 14 +500 0 -500
Hình 13: Đặc trưng pH theo giá trị tín hiệu: (a): Nhiệt độ không đổi, (b) Nhiệt độ thay đổi. độ thay đổi.
Giá trị pH Giá trị pH
pHVolt T*CS
3. MÔDULE THU THẬP SỐ LIỆU CR10X [19] 3.1 Cấu trúc sơ đồ mạch 3.1 Cấu trúc sơ đồ mạch
CR10X là môdule thu thập số liệu có khả năng lập trình và điều khiển. Môdule này được thiết kế theo kiểu thương mại, và được tôi đặt mua từ hãng Campbells Scientific (Anh). Hình 14 là mô tả của bản mạch của môdule CR10X:
Môdule CR10X hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -250C đến 500
C. Các cổng vào/ra môdule được đồng bộ với thời gian thực lên tới 64 Hz. Nó có thể đo đạc liên tục với tốc độ này, và khi cần có thể lên tới 750Hz.
a. Cổng vào tương tự: gồm 6 cổng được đánh số từ 1 đến 6. Mỗi cổng gồm 2 mức tín hiệu: mức cao (H) và mức thấp (L). Trong phương pháp đo vi sai thì tín hiệu lối ra là chênh lệch thế giữa hai mức H và L. Còn trong phương pháp đo đơn cực (single-ended), mỗi mức vào H hoặc L có thể được sử dụng như một kênh độc lập để đo điện áp chênh lệch giữa kênh đó với AG.
Độ chính xác:
0,1% thang đo (-250
C 500C); 0,05% thang đo (00
C 400C);
0,1% thang đo = 2,5 mV(thang đo 2500 mV).
Bảng 6: Thang đo và độ phân giải
Độ rộng thang đo (mV) Độ phân giải ( V)
Hình 14: Bản mạch đóng gói của môdule CR10X
Đo vi sai Đo đơn cực (khuyếch đại) 2500 333 666 250 33,3 66,6 25 3,33 6,66 7,5 1,00 2,00 2,5 0,33 0,66
Dòng vào cho phép: 200 mA; Điện trở đầu vào: cỡ 20 GÙ.
b. Cổng ra kích thích chuyển mạch: Đó là các cổng E1, E2, E3; các cổng ra kích thích chuyển mạch thường dùng để cung cấp các điện áp kích thích lập trình cho các phép đo cầu điện trở. Khoảng điện áp kích thích của DC hoặc AC sử dụng để lập trình: -2500 mV +2500 mV.
c. Cổng vào xung: có hai cổng vào xung P1 và P2 dùng để đếm xung ở lối vào: 2 bộ đếm 8 bít hoặc 1 bộ đếm 16 bít. Tốc độ tối đa là 16 kHz đối với bộ đếm 8 bít và 400 kHz đối với bộ đếm 16 bít. Ở chế độ bình thường các kênh này quét trong dải từ 8 đến 64 kHz.
d. Cổng vào/ra số: Có 8 cổng vào/ra số C1...C8; mỗi mức tín hiệu sẽ nằm ở một trong hai trạng thái:
Cổng vào dùng để đọc trạng thái của tín hiệu ngoài: 3V< mức cao (high)
< 5,5V; - 0,5V< mức thấp (low) < 0,8V;
Cổng ra cho phép điều khiển tắt/mở các thiết bị ngoài; mức cao (high):
5V ± 0,1V; mức thấp (low): < 0,1V; Điện trở cổng ra: 500Ù;
Điện trở cổng vào: 100 kÙ.
Các cổng C6, C7, C8 có thể thiết lập như các bộ đếm xung hoặc sử dụng để gọi thực hiện chương trình con.
e. Cổng vào/ra nối tiếp: đây là cổng truyền thông nối tiếp loại D, sử dụng để truyền thông giữa môdule CR10X với các thiết bị ngoại vi; số chân nối trong
cổng truyền thông nối tiếp là 9 và chức năng của từng chân tín hiệu được cho trên bảng 7:
Bảng 7: Chức năng các chân tín hiệu của cổng truyền thông CR10X
STT Ký hiệu chân I/O Mô tả
1 5V O Nguồn nuôi ngoài: 5V DC
2 SG Nối đất; Cùng với chân 1 cung cấp nguồn ổn định (5V)
3 Ring I Báo hiệu chế độ truyền thông giữa CR10X với thiết bị ngoại vi
4 RXD I Nhận dữ liệu (Receive Data)
5 ME O Cho phép dùng Modem (Modem Enable)
6 SDE O Khả năng đồng bộ thiết bị (Synchronous Device Enable)
7 CLK/HS I/O
Đồng hồ/Handshake: Chân này sử dụng để “hỏi “ đường truyền (cho phép ở mức cao, không cho phép ở mức thấp)
8 Không sử dụng
9 TXD O
Truyền dữ liệu - Transmit Data: Chuẩn truyền thông đồng bộ ASCII, 8 bits dữ liệu, có ưu tiên, 1 bit khởi đầu, 1 bit kết thúc; tốc độ: 300, 1200, 9600, 76800 baud (cho phép lựa chọn)
f. Ngoài các cổng vào/ra tín hiệu, trong mạch của môdule CR10X còn thiết kế AG (analog); 12V; G (power ground)
3.2 Tổ chức bộ nhớ
Môdule CR10X có 128 KB bộ nhớ EEPROM (bộ nhớ chương trình có thể xoá và làm tươi bằng điện); 128 KB SRAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên tĩnh). EEPROM dành cho hệ điều hành và các chương trình nạp trong đó; SRAM sử dụng cho dữ liệu và biên dịch các chương trình đó. Các vùng nhớ của SRAM:
+ Lưu trữ sơ cấp; + Lưu trữ trung gian; + Lưu trữ thứ cấp;
+ Bộ nhớ hệ thống: sử dụng để biên dịch chương trình và truyền dữ liệu (vùng nhớ này người sử dụng không thể truy nhập);
+ Vùng nhớ để cho chương trình thực hiện.
3.3 Tập lệnh lập trình của môdule CR10X
Môdule CR10X có 4 loại tập lệnh chính dùng cho lập trình điều khiển và xử lý số liệu, mỗi tập lệnh gồm nhiều lệnh, mỗi lệnh thực hiện một chức năng. Lệnh được mã hoá bởi số thứ tự của lệnh:
a. Tập lệnh thực hiện vào/ra: dùng để điều khiển quá trình vào/ra số liệu. Khởi tạo các cổng vào ra số liệu, đọc tín hiệu từ các cảm biến qua các cổng vào, lưu trữ vào các ô nhớ đầu vào (ô nhớ sơ cấp);
b. Tập lệnh thực hiện xử lý số liệu: Thực hiện các phép toán số học trên các