Chương 1 : Tổng quan
2. Các cảm biến đo các thông số của môi trường nước
2.4 Cảm biến đo pH
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