Chương 2 Nghiên cứu tổng quan
2.2. Nghiên cứu và lựa chọn các loại cảm biến thông số môi trường nước cho q trình n
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 khoáng 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 ‰
- Nước lợ: S= 0.5 - 16 ‰
- Nước mặn: S = 16 - 47 ‰
- Nước quá mặn: S= trên 47 ‰
Dựa trên đặc tính vật lý này, ta có 03 phương pháp đo độ mặn là: phương pháp tỷ trọng kế,
phương pháp khúc xạ kế và phương pháp độ dẫn điện.
a) Phương pháp tỷ trọng kế
Tỉ trọng được định nghĩa là tỉ số giữa tỉ trọng của dung dịch (tại nhiệt độ nhất định) trên tỉ
trọng của nước tinh khiết (tại nhiệt độ nhất định). Tỷ trọng kế sử dụng một ống cao thủy tinh với một đầu là bầu cao su có thể co giãn theo lực đẩy Asimet của dung dịch nước bên ngoài
tác động lên thành bầu.
Tỉ trọng phụ thuộc vào nhiệt độ, Khi nước biển nóng lên, nó giãn rạ Và khi lạnh đi, nó co lạị
Như là định luật chung của tự nhiên là khi nhiệt độ tăng thì tỉ trọng giảm và khi nhiệt độ giảm thì tỉ trọng tăng.
Tùy theo chất cần đo là chất gì mà người dùng có thể lựa loại tỷ trọng kế cho thích hợp. Thường thì phân ra 2 loại chính là: chất nặng hơn nước và chất nhẹ hơn nước. Và cũng tùy
theo mục đích sử dụng mà trên tỷ trọng kế có nhiệt kế kèm theo hay ko nữạ Nhẹ hơn nước thì
chủ yếu dùng để đo nồng độ rượu – Cồn kế (người pha rượu nào cũng có). Nặng hơn nước thì
dùng đo nồng độ muối – Tỷ trọng kế.
26
b) Phương pháp khúc xạ kế
Phương pháp khúc xạ kế dựa vào nguyên lý nồng độ vật chất liên quan đến chiết xuất của sóng ánh sáng trên mơi trường đó. Từ đó, sử dụng khúc xạ kế, đo góc lệch khúc xạ để nội suy
ra giá trị độ mặn tương ứng. Hình 2.12 minh họa máy đo độ mặn bằng phương pháp khúc xạ kế.
Thao tác đo: Nhỏ một vài giọt nước (có chứa muối) lên trên lăng kính ở phía đầu của khúc xạ
kế. Nước phải phủ đều và khơng được có bọt khí để đạt được kết quả chính xác. Đậy nắp trên
lăng kính. Chỉnh độ đi-ốp cho phù hợp với mắt người đọc, và đọc số vạch chuyển màu trên ống ngắm.
Hình 2. 17. Máy đo độ mặn bằng phương pháp khúc xạ kế
Mối liên hệ giữa chiết suất môi trường với độ mặn được thể hiện trong nghiên cứu của Rusby
(1967) [1]. Trong đó 'K là độ thay đổi chiết xuất giữa chiết suất của môi trường tại độ mặn S và nhiệt độ T với chiết suất của môi trường tại độ mặn 35,00 psu và ở nhiệt độ 20oC như sau :
3 5 2 6 3 2 2 35,00 5,3302.10 . 2, 274.10 3,9.10 . 10,59. ( 20) 2,5.10 . ( 20) S T T K K K K K ' ' ' ' ' (1.3)
Phương trình này tính cho 30,9 dSd 38.8 và 17 0CdT d30 0C cho dịng ánh sáng xanh của
Hg ở bước sóng O 546,227 nm.
c) Phương pháp độ dẫn điện
Độ dẫn điện (σ) là khả năng của một môi trường cho phép sự di chuyển của các hạt điện tích
qua nó, khi có lực tác động vào các hạt/ion mang điện. Ví dụ như lực tĩnh điện của điện trường. Sự di chuyển có thể tạo thành dịng điện. Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào nồng độ vật chất. Độ dẫn điện được xác định qua công thức:
Với:
x L: chiều dài của vật liệu (m)
x R: điện trở của vật liệu với dòng điện (Ohm) x A: diện tích của vật liệu
27
x Đơn vị của độ dẫn điện làm mho/mét (Ω-1m-1) hay Siemen/mét (S. m-1).
Trong dung dịch, độ dẫn điện liên quan trực tiếp đến tổng lượng muối trong dung dịch. Vì thế, từ độ dẫn điện của dung dịch ta có thể suy ra nồng độ của dung dịch.
Hình 2. 18. Minh họa điện cực dẫn điện. Được đặt trong dung môi nước muối
Cảm biến loại này bao gồm hai điện cực dẫn điện (kim loại hoặc graphite), cách nhau một khoảng cố định d, nhúng trong dung dịch cần đọ Khi ta cho một điện áp vào 2 điện cực, một dòng điện sẽ chạy từ điện cực này, qua dung dịch đến điện cực bên kiạ Biên độ của dòng điện
này liên qua trực tiếp đến độ dẫn điện của dung dịch.
Nhược điểm của loại cảm biến này là các điện cực tiếp xúc trực tiếp trực tiếp với dung dịch
nên chúng dễ bị ăn mòn hoặc bám bẩn. Điều này sẽ làm giảm độ chính xác của cảm biến. Vì thế ta nên chọn loại điện cực ít bị ăn mịn (Au, Pt) và phải vệ sinh que đo thường xuyên.
Hình 2. 19. Máy đo độ mặn EXTECH sử dụng phương pháp độ dẫn điện
Để đo được độ dẫn điện giữa hai điện cực này ta phải dùng dịng xoay chiều (AC). Vì dịng điện DC chạy qua dung dịch sẽ phá vỡ liên kết của phân tử NaCl và các ion sẽ di chuyển về hai phía của điện cực làm cho chúng ta khơng thể đọc được độ dẫn điện chính xác. Khi dịng điện xoay chiều có tần số cao (lớn hơn 1KHz) chạy qua dung dịch, các phân tử không kịp bị tách ra, mà chỉ giao động rất nhanh ở giữa hai điện cực, chúng ta sẽ đọc được độ dẫn điện
chính xác.
Bảng 2. 4. Khảo sát một số loại cảm biến độ mặn online tiêu biểu có trên thị trường
STT Tên hình minh họa Các thông số Giá
1
Ezdo ID4522T30K
- Hãng sản xuất: Ezdo - Xuất xứ: Đài Loan
- Cảm biến: Tấm Pt - Phạm vi: 0-80‰
- Cảm biến nhiệt: 30K
28
- Thân đầu đo: GFRPP
- Đầu nối: Spade Lug
Kích cỡ(mm): 170x31
2
Cảm biến của Farmtech
- Xuất xứ: Châu Âu - Cảm biến: Tấm Pt
- Phạm vi: 0-20.000 μS/cm
- Thân đầu đo: ABS
- Đầu nối: RS485 - Kích cỡ(mm): 120x12
3.600.000Đ
3
Cảm biến của ATlas-Scientific
- Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: Pt - Phạm vi: 5 − 200,000μS/cm - Cảm biến nhiệt: PT1000 - Thân đầu đo: CPVC - Kích cỡ(mm): 220x51 7.760.000Đ 4 Conductivity Probe - Hãng sản xuất: ATlas- Scientific - Xuất xứ: Mỹ - Cảm biến: kim loại
- Phạm vi: 0.07 − 50,000μS/cm
- Thân đầu đo: PVC - Kích cỡ(mm): 220x15
4.500.000Đ
Đặc điểm chung là hầu hết các cảm biến này đều dùng điện cực màng phủ vật liệu kim loai
bạch kim. Vậy xét về góc độ hiệu quả kinh tế nhóm tác giả chọn điện cực độ dẫn Atlas-
scientific [20] có chi phí phù hợp với ngõ ra tích hợp số, sẽ sử dụng tốt cho đề tài nàỵ