Nguyên lý hoạt động của cảm biến pH:
Cảm biến pH bao gồm hai điện cực: điện cực gương và điện cực tham chiếu. Điện cực gương bao gồm một bầu thủy tinh mỏng được hàn vào một ống thủy tinh chắc chắn. Bên trong là
dung dịch KCl có pH = 7.0. Một thanh bằng bạc (Ag) với phần đầu bằng AgCl được đặt bên
trong dung dịch. Điện cực tham chiếu Calomel gồm một ống thủy tinh chứa dung dịch điện
17 Hình 2. 7. Cấu tạo của cảm biến pH
Cảm biến pH đo thế điện - hóa giữa chất lỏng đã biết bên trong điện cực gương và chất lỏng chưa biết bên ngoàị Bầu thủy tinh có cấu tạo đặc biệt cho phép các ion hydro nhỏ tương tác với bề mặt gương
Hình 2. 8. Cấu tạo của màng gương
Các ion Hydro ở dung dịch chưa bên ngoài khuếch tán qua lớp kính và đẩy ra số ion Na+
tương ứng đang có trong lớp gương. Các ion này khuếch tán đến bất cứ bên nào của màng
gương có nồng độ thấp hơn, nhưng vẫn còn ở trong bề mặt kính đã được hydrate hóạ Sự chuyển đổi của các ion dương này sẽ sinh ra một điện thế được gọi là thế điện hydrọ
Để nối vòng mạch điện,ta cần có một điện cực tham chiếụ Chú ý rằng dụng cụ này khơng đo đạc dịng điện mà đo điện áp, tuy nhiên cần một dòng rò nhỏ từ các điện cực tham chiếu để tạo nên một cầu nối đến điện cực gương.
Cảm biến pH đo điện thế giữa MgCl ở điện cực tham chiếu và chất lỏng KCl; chất lỏng chưa
biết, dung dịch bên trong điện cực gương; và điện thế giữa dung dịch đó và điện cực bạc (Ag).
Nhưng chỉ có điện thế giữa chất lỏng chưa biết và dung dịch bên trong điện cực gương là thay đổi theo mẫu đọ
Điện thế xuất hiện trên các điện cực tỷ lệ tuyến tính với độ pH. Ở điều kiện chuẩn, với pH 7, hiệu điện thế giữa 2 cực là 0V.độ dốc là 59.17 mV / pH, độ tuyến tính đạt 99% trong tầm đo từ 4 đến 12 pH, giảm xuống còn 96% trong khoảng từ 0 đến 4 pH, 97% ở tầm đo từ 12 đến
13pH, và 92% trong tầm đo từ 13 đến 14 pH. Điện thế này có nội trở nguồn rất lớn. Do đó mạch khuếch đại hoặc đo lường nó phải là mạch có tổ trở vào rất caọ Thường người ta dùng
các Op Amp JFet hoặc MosFET.Do điện thế này sẽ thay đổi chút ít theo nhiệt độ, nên trong
18
Bảng 2. 2. Khảo sát một số loại cảm biến PH online tiêu biểu có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thơng số Giá
1 PH Atlas-scientific - Xuất sứ: Mỹ - Tín hiệu trả về: Analog - Khoảng đo PH: 0 -14PH - Khoảng nhiệt độ: 0-90 độ C. - Độ chính xác: 0.02PH (25 độ C) 6.050.000Đ 2
Cảm biến PH của Farmtech
- Dải đo pH: 0~14Ph - Áp suất :0.6Mpa - Conductivity: ~20000us/cm - ORP: -1500mv ~ +1500mv - Nhiệt độ: 0~80 độ C 3.300.000Đ 3 Đầu dò PH SIN-PH5011 - Nhiệt độ hoạt động: 0~60℃ - Thang đo (pH): 0~14 - Giá trị pH trung bình: 7±0.5 - Bù nhiệt độ: NTC10K/ NTC2.252K/PT100
- Điện cực tham chiếu: điện cực kép Ag/AgCl
1.560.000Đ
4
PH HI6100410 của hãng HANA
- Thang đo: 0-14 pH
- Thân: PVDF
- Nhiệt độ: 0-80°C - Áp suất tối đa: 6 bar
6.204.000Đ
Đặc điểm chung các cảm biến này đều dùng điện cực thủy tinh, không thể ngâm lâu dưới nước và cần phải vệ sinh đầu dò. Do vậy tác giả nhận thấy, nếu ta xử lý được yếu tố điện cực
không phải ngâm lâu dưới nước bằng cách khi đo xong dùng hệ truyền động đưa điện cực lên trên mặn nước và rửa sạch đầu do là có thể sử dụng tốt cho tất cả các loạị
19
Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn loại điện cực PH Atlas-scientific [18]
có chi phí phù hợp, ngõ ra số, độ chính xác cao, tiện sử dụng cho đề tài nàỵ
2.2.2. Cảm biến nồng độ Oxy hòa tan (DO)
a) Tầm quan trọng của Oxy hoà tan
Cũng như các động vật sống trên cạn, cá và các loài thuỷ sản cũng cần Oxy để sống. Khi nước đi qua mang cá những bọt rất nhỏ Oxy hoà tan trong nước sẽ đi từ nước vào máu của chúng.
Như các loại khí khác, khí Oxy khuếch tán vào trong nước cũng chỉ đến một giới hạn nào đó
thường rất thấp để duy trì sự sống của lồi thuỷ sản. Oxy cũng cần thiết cho sự phát triển của
các loài tảo và các loài thực vật dưới nước cũng như các phản ứng hoá học xẩy ra trong nước.
b) Nguyên nhân của sự biến đổi nồng độ Oxy hoà tan trong nước
Oxy được sinh ra trong quá trình quang tổng hợp và được tiêu thụ do q trình hơ hấp của các
lồi thuỷ sản, thực vật dưới nước và sự phân huỷ của các chất hữu cơ dư thừạ Q trình
quang tổng hợp địi hỏi phải có ánh sáng nên chỉ xẩy ra ban ngàỵ
Q trình hơ hấp và phân huỷ lại xẩy ra 24 giờ trong ngàỵ Sự khác nhau này dẫn đến có sự thay đổi lớn về nồng độ Oxy hồ tan trong nước.
Vào buổi tối, khi quá trình quang tổng hợp khơng xẩy ra mà q trình hơ hấp và phân huỷ tiêu thụ Oxy làm nồng độ Oxy hồ tan trong nước giảm dần. Nó sẽ thấp nhất vào trước khi trời sáng, trước khi quá trình quang tổng hợp bắt đầụ
Một nguồn cung cấp Oxy khác là từ khơng khí và dịng chảỵ Nồng độ Oxy trong khơng khí cao hơn trong nước, chiếm khoảng 21% thể tích khơng khí trong khi đó trong nước chỉ chiếm khoảng vài chục phần triệu (mg/l). Trên bề mặt nước do có sự khác nhau lớn về nồng độ Oxy
nên các phân tử Oxy sẽ khuếch tán vào trong nước. Nồng độ Oxy sẽ khuếch tán vào nước
nhiều hơn khi có gió khuấy trộn nước hay khi có sóng trên bề mặt nước.
Một quá trình vật lý khác ảnh hưởng đến nồng độ Oxy hoà tan liên quan đến nhiệt độ của nước và sự bão hồ khí. Nước lạnh sẽ giữ được nhiều Oxy hoà tan hơn trong nước ấm. Nước ấm sẽ trở nên dễ bão hoà Oxy hơn. Khi nước trở nên ấm, nó giữ được ít Oxy hồ tan hơn. Vì vậy trong những tháng mùa hè, nước ở phần trên bề mặt có nồng độ Oxy hồ tan phụ thuộc nhiệt độ. Nồng độ Oxy hoà tan thấp khi nhiệt độ cao và ngược lại.
Nồng độ Oxy hồ tan có thể thay đổi nhiều trong ao hồ sâu. Oxy được tạo ra ở lớp bề mặt của
hồ ao do quá trình quang tổng hợp và từ khơng khí. Oxy bị tiêu thụ mạnh ở đáy ao hồ do chất hữu cơ lắng đọng bị phân huỷ. Do sự phân tầng nước, nồng độ Oxy hoà tan giữa các tầng rất
khác nhaụ Phần trên thì nhiều Oxy, phần dưới ít Oxỵ Nếu hồ nông và dễ dàng trộn giữa các
tầng nhờ gió thì nồng độ Oxy có thể đồng đều khi gió mạnh. Nếu trời lặng gió thì sự phân tầng lại xẩy rạ Sự thay đổi mùa cũng ảnh hưởng đến nồng độ Oxỵ Mùa hè nhiệt độ ấm làm tăng tốc độ tổng hợp và phân huỷ. Khi các thực vật dưới nước chết đi vào cuối mùa phát triển, sự phân huỷ của chúng gây ra sự tiêu thụ Oxy hoà tan lớn. Các mùa khác sự đưa nước vào ra cũng làm ảnh hưởng đến nồng độ Oxy hồ tan trong nước.
20
Mức độ ơ nhiễm ảnh hưởng bởi các chất hũư cơ (như nước thải, cỏ chết, đất bùn trên bờ chảy xuống...) hay các thức ăn dư thừa lắng đọng. Sự ô nhiễm sẽ làm giảm nồng độ Oxy hồ
tan trung bình. Nếu tảo mọc nhiều trong hồ ao thì sự sản sinh ra Oxy và tiêu thụ Oxy không
cân bằng nhau, thường dẫn đến giảm nồng độ Oxy hoà tan nhất là khi tảo nở hoạ Ngồi ra các khí độc từ đáy hồ ao thốt ra (H2S, NH4...) đi lên tầng nước trên sẽ gây chết tôm cá.
d) Sự bão hoà Oxy
Gọi là nồng độ Oxy bão hồ 100% chính là nồng độ Oxy trong nước bão hồ khơng khí. Thí dụ: Nồng độ Oxy trong nước bão hồ khơng khí 100% là 8.6 mgO2/l ở 25oC, 760 mmHg và tăng 14.6 O2mg/l ở 0oC, 760mmHg.
Hình 2. 9. Trạng thái cân bằng lỏng – khí của O2
Tóm lại nồng độ Oxy bão hồ phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao so với mực nước biển.
Nhiệt độ tăng thì nồng độ Oxy bão hoà giảm. Độ muối tăng hay càng lên cao so với mực nước
biển thì nồng độ Oxy bão hồ cũng giảm. Các thơng số ảnh hưởng của nhiệt độ, độ muối, chiều cao so với mực nước biển đến nồng độ Oxy bão hoà thường được cho thành bảng để dễ
kiểm chuẩn trước khi đo hay được nạp vào máy đọ
Vậy nồng độ Oxy hoà tan trong nước bao nhiêu là phù hợp? theo một số tài liệu thì nồng độ
Oxy hồ tan:
- Từ 0 đến 2 mg/l là không cung cấp đủ Oxy cho sự sống;
- Từ 2 đến 4mg/l thì chỉ có một số lồi cá và côn trùng sống được;
- Từ 4 đến 7 mg/l phù hợp cho các lồi thuỷ sản (cá, tơm) sống ở vùng nước nóng;
- Từ 7 đến 11 mg/l là tốt cho cá sống trong vùng nước lạnh và dòng chảỵKhi áp suất
riêng phần của Oxy ở nước và khơng khí bằng nhaụ Lúc đó, nước đã bão hịa nồng độ Oxy hòa tan.
e) Các loại cảm biến DO:
- Cảm biến DO loại màng lọc kiểu pin galvanic
Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến này tương tự như pin galvanic. Điện cực làm việc được làm bằng kim loại quý (Ag), điện cực còn lại bằng kim loại kiềm (Pb). Dung dịch kiềm (KOH) được dùng để làm chất điện phân. Màng lọc Teflon được sử dụng để ngăn cách môi trường bên ngoài và dung dịch điện phân. Loại màng lọc này chỉ cho phép các phân tử Oxy
21 Hình 2. 10. Cảm biến D.O loại màng lọc kiểu pin galvanic
Oxy thẩm thấu qua màng lọc sẽ tham gia quá trình Oxy hóa-khử ở điện cực làm việc. Một dịng điện được sinh ra và tỉ lệ với nồng độ Oxy hịa tan của mơi trường.
- Cảm biến D.O loại màng sử dụng cực phổ Volt-Ampe (polarography)
Điện cực làm việc được làm bằng kim loại quý (Pt). Điện cực đối được làm bằng (Ag). Dung dịch muối KCL được dùng làm chất điện phân. Một điện áp được đưa vào hai điện cực để tạo ra dòng điện khuếch tán ngưỡng cho các phân tử Oxy tham gia q trình Oxy hóa – Khử ở điện cực làm việc, sinh ra dòng điện khử tỉ lệ với nồng độ Oxy hòa tan. Dòng điện khử được sinh ra ở hai trường hợp trên sẽ được xử lý bằng mạch khuếch đại dòng, từ đó ta đo được nồng độ Oxy hịa tan.
Hình 2. 11. Đầu đo nồng độ Oxy hòa tan loại màng sử dụng polarography
Nguyên lý hoạt động như sau: Ta cho một nguồn âm 0.6 - 0.8V vào điện cực làm việc Pt hay Au, với điện cực còn lại bằng AgAgCl hoặc Calomel (HgCl) trong dung dịch trung tính KCL.
Các phân tử khí Oxy trong chất lỏng sẽ phản ứng Oxy hóa-khử ở bề mặt của điện cực Pt/Au (Kathode).
22 Hình 2. 12. Nguyên lý hoạt động của Cảm biến D.O loại màng sử dụng cực phổ
02 + 2H2 0 +2e- → H2O2 + 2OH-
H202 + 2e- → 20H-
Ta có thể rút gọn thành:
02 +4H+ +4e- → 2H2 0
Ở điện cực còn lại (Anode):
4Ag +4Cl - → 4AgCl + 4e-
Phản ứng tổng quát:
4Ag + 02+ 2H2 0+ 4 Cl - → 4 AgCl + 4OH-
Hiện tượng này có thể được quan sát dựa vào biểu đồ cực phổ Volt-Ampe của điện cực làm việc.
Hình 2. 13. Cực phổ Volt-Ampe ở các ứng suất Oxy khác nhau (a) và sự chuẩn độ ở
điện áp phân cực cố định -700mV (b)
Khi điện áp âm được đưa vào điện cực Kathode (Au,Pt) tăng lên, ban đầu dịng điện cũng tăng nhưng sau đó bị bão hòạ Trong vùng bằng phẳng của biểu đồ cực phổ, phản ứng của Oxy ở Cathode nhanh nên tỉ lệ của phản ứng tỉ lệ với sự khuếch tán Oxy trên bề mặt Cathodẹ Khi điện áp âm tăng lên nữa, dòng ra của điện cực Cathode tăng lên nhanh chóng do các phản ứng khác xuất hiện, chủ yếu là sự khử của nước thành Hydrọ Nếu một điện áp cố định trong
23
vùng bằng phẳng (ví dụ -0.6 V) được đưa vào Cathode, dịng ra của điện cực sẽ tuyến tính với
nồng độ Oxy hòa tan.
Sự chuẩn độ:
Cảm biến DO cần được chuẩn độ định kỳ,vì sự đo đạc phụ thuộc vào dung dịch điện phân
trong đầu cảm biến. Các ion trong dung dịch điện phân sẽ liên kết với các ion kim loại được giải phóng, điều này sẽ thay đổi thành phần của dung dịch. Chu kỳ chuẩn độ phụ thuộc vào cảm biến DO được sử dụng, thường 1 tuần đến 1 -2 tháng.Vì dịng điện sinh ra trong cảm biến tuyến tính với DO nên ta chỉ cần 2 điểm để điều chỉnh:
- Điểm Zerọ
- Điểm bão hòa hoặc trạng thái cân bằng giữa chất lỏng và khơng khí.
Hình 2. 14. Đồ thị chuẩn độ cho cảm biến DO
Điểm Zero không phải 0V do sự dẫn điện của dung dịch phân cực hoặc do sai số của mạch tín hiệu analog. Tuy nhiên do sự chênh lệch này nhỏ (khoảng 1mV) nên ta chỉ cần chỉnh độ ở điểm bảo hòa là được.
Bảng 2. 3. Khảo sát một số loại cảm biến DO có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thơng số Giá
1
Sensorex DO6441TC/T
- Dải đo oxy hòa tan: 0~100% - Đầu ra: 4~20mA
- Chất liệu điện cực: Noryl - Catot: Bạc
- Anot: Kẽm
- Nhiệt độ: 0~50⁰ C
- Nguồn cung cấp: 12~36VDC - Dùng tích hợp cho Bộ điều
khiển của HANA
24 2
Cảm biến HI76410 của HANA
- Dải đo DO: 0~20mg/L - Áp suất : 7.5bar
- Nhiệt độ: 0~50 độ C
4.200.000Đ
3
Cảm biến DO của ATlas-Scientific
- Dải đo oxy hòa tan: 0~100%
- Đầu ra: Digital, sai số +- 0.05mg/L
- Chất liệu điện cực: Polytetra- fluoroethylene membrane
- Nhiệt độ: 0~50⁰ C
- Nguồn cung cấp: 3~5VDC
6.280.000Đ
4
Cảm biến DO Lumin-S của hãng
SENSOREX
- Thang đo DO: 0.00-20.00 mg/L
- Thân: Thép không gỉ
- Nhiệt độ: 0-50°C - Áp suất tối đa: 6 bar
- Áp cung cấp 12V
31.540.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến này đều dùng điện cực màng phủ vật liệu tổng hợp (dạng nhựa hỗn hợp), không thể ngâm lâu dưới nước và cần phải vệ sinh đầu dò sau mỗi lần
đo.
Do vậy tác giả nhận thấy, nếu ta xử lý được yếu tố điện cực không phải ngâm lâu dưới nước
bằng cách khi đo xong dùng hệ truyền động đưa điện cực lên trên mặn nước và rửa sạch đầu
do là có thể sử dụng tốt cho tất cả các loạị
Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn loại điện cực DO của hảng Atlas-
scientific [19] có chi phí phù hợp với ngõ ra tích hợp số, sử dụng tốt cho đề tài nàỵ
2.2.3. Cảm biến độ mặn
Độ mặn hay độ muối được ký hiệu S‰ (S viết tắt từ chữ salinity - độ mặn) là tổng lượng (tính
theo gram) các chất hịa tan chứa trong 1 kg nước. Trong hải dương học, người ta sử dụng độ
mặn để đặc trưng cho độ khống của nước biển, nó được hiểu như tổng lượng tính bằng gam của tất cả các chất khống rắn hồ tan có trong 1 kg nước biển. Vì tổng nồng độ các ion chính
(11 ion) chiếm tới 99,99% tổng lượng các chất khống hồ tan nên có thể coi độ mặn nước biển chính bằng giá trị nàỵ
25 Hình 2. 15. Thành phần hóa học của nước biển
Căn cứ vào độ mặn, ta có thể phân chia:
- Nước ngọt: S= 0.02 - 0.5 ‰