NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

VI VĂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC
VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

VI VĂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC
VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số

: 60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
TS. PHẠM VĂN THÀNH

HÀ NỘI - 2017


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội
trong chương tình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trường, dưới sự hướng dẫn khoa
học trực tiếp của TS. Phạm Văn Thành.
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Thành, người
thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi
để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô
tuyến và Điện tử cũng như các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình rèn luyện và học tập
tại Khoa Vật lý. Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên cùng khoa đã
giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn
tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn này.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số
QG.18.17

Hà Nội, tháng 12 năm 2017
Vi Văn Hoàng

1


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU..................................................................iv
BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT.................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.........................................................................................2
1.1. Nước và tầm quan trọng của nước.......................................................................2
1.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước...............................................................3
1.2.1. Thông số độ đục của môi trường nước..........................................................3
1.2.2. Thông số pH của môi trường nước................................................................5
1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ................5
1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trường nước..........................................................6
1.3. Giới thiệu cảm biến..............................................................................................8
1.4. Các phương pháp đo các thông số trong môi trường nước..................................9
1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục............................................................9
1.4.2. Đo pH bằng phương pháp điện cực màng thủy tinh....................................10
1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ..................................................................................10
1.4.4. Phương pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc..................................14
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ
ATMEGA 16................................................................................................................ 16
2.1. Cảm biến độ đục.................................................................................................16
2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng............................................................................16
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục.............................................17
2.2. Cảm biến pH......................................................................................................19
2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH...................................................................19
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH...................................................20
2.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20....................................................21
2.4. Cảm biến độ dẫn................................................................................................24
2.4.1. Hằng số tế bào.............................................................................................25
2.4.2. Tế bào dẫn 2 điện cực..................................................................................25
2.4.3. Tế bào dẫn 4 điện cực..................................................................................26

2


2.5. Bộ chuyển đổi Tương tự - Số (ADC).................................................................26
2.6. Lý thuyết vi điều khiển......................................................................................27
2.6.1. Khái niệm vi điều khiển..............................................................................27
2.6.2. Họ vi điều khiển AVR.................................................................................28
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG.............................................32
3.1. Hệ thống tích hợp đo 4 thông số môi trường nước (độ dẫn, độ đục, pH, nhiệt
độ )............................................................................................................................ 32
3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục.............................................................34
3.2.1. Chuẩn bị mẫu.............................................................................................. 34
3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo....................................................................................36
3.2.3. Kết quả thực nghiệm căn chỉnh hệ đo.........................................................38
3.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH...................................................................39
3.3.1. Chuẩn bị mẫu.............................................................................................. 39
3.3.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo....................................................................................39
3.3.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét................................................................40
3.4. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ...........................................................41
3.4.1. Chuẩn bị mẫu.............................................................................................. 41
3.4.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo....................................................................................42
3.4.3. Kết quả và nhận xét.....................................................................................43
3.5. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn.............................................................44
3.5.1. Chuẩn bị mẫu đo.........................................................................................44
3.5.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo....................................................................................44
3.5.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét................................................................45
3.6. Đo mẫu chất lỏng trong thực tế..........................................................................46
3.7. Chức năng cảnh báo khi có thông số vượt chuẩn...............................................48
KẾT LUẬN................................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................51

3


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ
Hình 1: Nguồn nước trên trái đất...................................................................................3
Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch..................................................4
Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8].............................................................................5
Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4
chùm tia......................................................................................................................... 9
Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27] Hình 6: Điện cực chuẩn [27]........................10
Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27]............................................................10
Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn.............................................11
Hình 9: Tiếp giáp P – N............................................................................................... 11
Hình 10: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn...........................................11
Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trường nước........12
Hình 12: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20.....................................................13
Hình 13: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và vi xử lý...................................13
Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với các thiết bị 1- wire khác....................14
Hình 15: Sự dịch chuyển của ion trong dung dịch.......................................................14
Hình 16: Kích thước lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 [10].....................15
Hình 17: Kích thước hạt nhỏ 1/10 bước sóng ánh sáng...............................................16
Hình 18: Kích thước hạt gần bằng 1/4 bước sóng ánh sáng........................................16
Hình 19: Kích thước hạt lớn hơn bước sóng ánh sáng.................................................17
Hình 20: Nguyên lý hoạt động.....................................................................................18
Hình 21: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [27].............................................19
Hình 22: Điện cực pH [33]..........................................................................................21
Hình 23: Hàm chuyển đổi của điện cực pH [33]. Hình 24: Thang pH và giá trị điện
thế [33]......................................................................................................................... 21

Hình 25: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20.........................................................22
Hình 26: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire).............................23
Hình 27: Hằng số tế bào [28].......................................................................................25
Hình 28: Sơ đồ của tế bào dẫn 2 điện cực [28]............................................................25
Hình 29: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [28].............................................26
Hình 30: Sơ khối của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC)..........................................27
4


Hình 31: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4..........................................................29
Hình 32: Hình ảnh thực tế Module Sim800c...............................................................31
Hình 33: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ, độ dẫn............................32
Hình 34: Hình ảnh thực tế của hệ thống đo đa thông số môi trường nước..................33
Hình 35: Hình ảnh các loại cảm biến...........................................................................34
Hình 36: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 1; 2; 4; 6; 8; 10 NTU).........35
Hình 37: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 100 NTU (0; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90;
100 NTU)..................................................................................................................... 35
Hình 38: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1000 NTU (0; 200; 300; 400; 500; 600;
700; 800; 900; 1000 NTU)..........................................................................................35
Hình 39: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục...............................................................36
Hình 40: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo độ đục.....................................................36
Hình 41: Quang phổ của IR-LED [36]........................................................................37
Hình 42: Sơ đồ khối chức năng của cảm biến màu TCS 3200 [39].............................37
Hình 43: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch: (a) 0 – 10
NTU; (b) 10 – 100 NTU; (c) 100 – 100 NTU..............................................................38
Hình 44: Dung dịch chuẩn pH.....................................................................................39
Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH.....................................................................40
Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH............................................40
Hình 47: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch.....................41
Hình 48: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trường nước.................................42

Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005.......................................................................42
Hình 50: Nhiệt độ đo được trong quá trình tăng nhiệt độ của nước............................43
Hình 51: Nhiệt độ đo được trong quá trình giảm nhiệt độ của nước...........................43
Hình 52: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 0 – 80 ppm (0; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60;
80 ppm)........................................................................................................................ 44
Hình 53: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 – 2000 ppm (100; 200; 400; 600;
800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 ppm).........................................................44
Hình 54: Sơ đồ khối của hệ thống đo TDS..................................................................44
Hình 55: Đồ thị biểu diễn gá trị độ dẫn hệ đo được so với dung dịch có nồng độ
chuẩn............................................................................................................................ 45
Hình 56: Hệ cảm biến đo nước chứa trong ống PVC..................................................46
Hình 57: Số liệu đo đạc được tải lên trang web thingspeak.com.................................46
Hình 58: Khu vực lấy mẫu chất lỏng tại Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm.....................47
Hình 59: Mẫu chất lỏng lấy tại khu vực Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm.....................47
Hình 60: Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động khi một hoặc nhiều thông
số vượt chuẩn............................................................................................................... 49

5


BẢNG BIỂU
Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo được (0; 2; 4; 8; 10)...........39
Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo được (30; 50; 70; 80; 100)
..................................................................................................................................... 39
Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo được (300; 600; 700; 800;
900).............................................................................................................................. 39
Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn và giá trị pH hệ chế tạo đo được và hiển thị lên
màn hiển thị LCD........................................................................................................ 41
Bảng 3: Bảng so sánh giá trị dung dịch có nồng độ chuẩn và độ dẫn hiển thị............45
Bảng 4: Bảng số liệu đo độ đục, độ dẫn, pH................................................................48

6


BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT
AC: Alternating Current
ADC: Analog-to-digital converter
ALU: Arithmetic Logic Unit
AWWA: American Water Works Association
BOD: Biochemical Oxygen Demand
CISC: Complex Intruction Set Computer
COD: Chemical Oxygen Demand
CPU: Central Processing Unit
CRC: cyclic redundancy check
DC: Direct Current; DO: Dissolved Oxygen
DS: Dissolved Solids
EC: Electrical Conductivity
I/O: Input/Output
LCD: Liquid Crystal Display
LSB: Least Significant Bit
MSB: Most Si Significant Bit
NTU: Nephelometric Turbidity Units
PC: Counter process
RISC: Reduced Intructionset Computer
SMS: Short Message Services
SRAM: Static Random Acess Memory
SS: Suspended Solids
TDS: Total Dissolved Solids
TSS: Total Suspened Soids
TS: Total Solids

7


8


LỜI MỞ ĐẦU
Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quan trọng đối với con
người, sinh vật. Ngoài những ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt thường
ngày, nước còn có ý nghĩa rất to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: giao
thông, xây dựng, y tế, sản xuất …
Theo hiến chương châu Âu về nước đã định nghĩa: "Ô nhiễm nước là sự biến
đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây
nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, cho động vật nuôi và các
loài hoang dã".
Hiện nay ô nhiễm nguồn nước là một vấn đề rất cấp bách mà con người đang
phải đối mặt. Do vậy việc tìm ra nguyên nhân và biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm
nguồn nước đang được rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và các dự án ứng dụng khoa học giải
quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước và xử lý nước thải ra đời. Trong đó, đề tài nghiên
cứu hệ đo đạc các thông số của môi trường nước bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ
dẫn, nhiệt độ,… nhằm mục đích theo dõi, đánh giá và kiểm soát chất lượng nước là
một đề tài quan trọng trong việc đánh giá và bảo vệ nguồn nước.
Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm
môi trường nước” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình.
Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nước như: Độ đục, độ
dẫn, pH, nhiệt độ. Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này
trong môi trường nước và kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để
truyền dữ liệu lên Internet. Đặc biệt hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo tới

một số điện thoại khi có một hoặc nhiều thông số vượt chuẩn.
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Nguyên lý đo các loại cảm biến và vi xử lý ATmega 16
Chương 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nước và tầm quan trọng của nước
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học
là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết
hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng
trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống [14].
Nước là thành phần quan trọng đối với cơ thể con người: Nước vận chuyển
chất dinh dưỡng và ôxy nuôi dưỡng mọi bộ phận; là dung môi hòa tan các chất, duy
trì nhiệt độ trung bình, tham gia quá trình hấp thu và chuyển hóa thức ăn thành
năng lượng để cung cấp cho mọi hoạt động của cơ thể,…
Nước dùng cho nhu cầu sản xuất công nghiệp rất lớn như tạo ra điện năng
(nhà máy thủy điện Hòa bình, thủy điện Sơn La,…), dùng để làm nguội các động
cơ, làm quay các tubin, là dung môi làm tan các hóa chất màu và các phản ứng hóa
học. Nước đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong nền sản xuất nông nghiệp
lúa nước, nuôi trồng và khai thác thủy sản,… Do đó nước có sức ảnh hưởng to lớn
đối với đời sống của con người và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất
cả các ngành nghề, lĩnh vực trong cuộc sống.
97% nước trên Trái Đất là nước muối, chỉ 3% còn lại là nước ngọt nhưng
hơn 2/3 lượng nước này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực [20].
Phần còn lại không đóng băng được tìm thấy chủ yếu ở dạng nước ngầm, và chỉ
một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí [40].

Tình trạng ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng không chỉ ở
Việt Nam mà còn xảy ra ở tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Như tình trạng ô
nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, hồ Taihu của tỉnh Giang Tô Trung Quốc, sông
Hằng ở Ấn Độ. Ở Vệt Nam các sông như sông Tô Lịch, sông Sét, sông Lừ có màu
đen và hôi thối, đặc biệt là khu công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai tạo ra nguồn nước
thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn làm nhiễm bẩn các sông ngòi và vùng phụ
cận.
Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư càng ngày càng tăng nhanh do dân số
và đô thị. Nước ngầm cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng cùng với sự ô nhiễm nước
sông hồ. Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn xảy ra ở
những vùng ven biển Thái Bình, sông Cửu Long,…

2


Hình 1: Nguồn nước trên trái đất
1.2. Các thông số đánh giá chất lượng nước
Các thông số vật lý
Các thông số vật lý để đánh giá chất lượng nước gồm: Độ đục, Màu sắc,
Nhiệt độ, pH, Tổng hàm chất lượng rắn (TS), Tổng hàm chất lượng rắn lơ lửng
(SS), Tổng hàm chất lượng rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi
(VS) [4].
Các thông số hóa học [4]
Các thông số hóa học để đánh giá chất lượng nước gồm: Độ kiềm toàn phần,
Độ cứng của nước, Hàm lượng oxygen hòa tan (DO), Nhu cầu oxygen hóa học
(COD), Nhu cầu oxygen sinh hóa (BOD), Một số thông số hóa học khác trong nước
(chì (Pb), sắt, nhôm, mangan, các hợp chất clorua, các hợp chất sunfat, hợp chất
nitơ, khí hòa tan, hàm lượng Asen, thuốc bảo vệ thực vật, chất hoạt động bề mặt),
…
Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu về một số thông

số quan trọng của môi trường nước là độ đục, pH, nhiệt độ và độ dẫn.
1.2.1. Thông số độ đục của môi trường nước
Độ đục dùng để chỉ hiện tượng đục của môi trường chất lỏng và được định
lượng bởi cường độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong môi trường [22].
Nhằm mục đích kiểm định chất lượng nước, hiệp hội AWWA (American
Water Works Association) đã định nghĩa độ đục như một phép đo không đặc hiệu
của một số hạt vật liệu không tan được có trong nước, bao gồm đất sét, bùn, tảo,
3


các hợp chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [31]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp
nồng độ các hạt lơ lưởng trong nước mà đo sự tán xạ ánh sáng gây ra bởi các hạt
đó.
Các phép đo phổ biến nhất cho độ đục ở Hoa Kỳ sử dụng thang đo độ đục
với đơn vị đo độ đục khuếch tán NTU (Nephelometric Turbidity Units). Quy trình
như sau: Chiếu một chùm sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cường độ ánh sáng bị
tán xạ ở so với chùm tia tới [25]. Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với thiết bị thu
tín hiệu (detector) thì sẽ có nhiều hạt nhỏ tán xạ các chùm tia nguồn, tương tự, ít
ánh sáng đến các detector có nghĩa là có ít hạt hơn.
Đơn vị đo độ đục NTU được sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA.
Lượng ánh sáng tán xạ ảnh hưởng bởi nhiều khía cạnh của các hạt như màu sắc,
hình dạng và phản xạ. Vì thế, thực tế các hạt nặng hơn có thể gải quyết một cách
nhanh chóng và có thể không góp phần vào việc đọc độ đục.
Mối quan hệ giữa độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS) có thể thay đổi tùy
thuộc vào vị trí mà ta thu nhập mẫu thử. Mắt người có thể phát hiện mức độ đục
khoảng dưới mức 5 hoặc 10 NTU. Mẫu nước với độ đục thấp hơn mức này có thể
nhận biết bằng mắt người, tuy nhiên những mẫu nước như vậy vẫn có thể chứa một
nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nước và có thể mang một
lượng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cư trú của các vi khuẩn
gây bệnh và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người [32].

Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch
Ngoài NTU còn có một số thang đo độ đục khác như: Đơn vị đo độ đục
Formazin khuếch tán FNU (Formazin Nephelometric Units), Đơn vị đo độ đục
Formazin FTU (Formazin Turbidity Units), Đơn vị pha loãng Formazin FAU
(Formazin Attenuation Units) [3].
Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU.
NTU = 1 đơn vị độ đục = 1mg Si/ 1L nước cất [3].
4


Ở Việt Nam, theo thông tư ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn
nước sinh hoạt phải có độ đục dưới 5 NTU.
1.2.2. Thông số pH của môi trường nước
pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung
dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó. Trong các hệ dung dịch nước, hoạt độ
của ion hiđrô được quyết định bởi hằng số điện ly của nước (Kw = 1,008 × 10−14 ở
25 °C) và tương tác với các ion khác có trong dung dịch. Do hằng số điện ly này
nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của
các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 được
coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm [15].
pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật
môi trường, cấp nước, kiểm định chất lượng nước và xử lý nước thải.
Công thức để tính pH là [15]:
pH = []

(1)

Giá trị pH được thể hiện theo thang đo 0 - 14 như sau:

Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8].
Ở Việt Nam, theo thông tư ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn
nước sinh hoạt phải có pH trong khoảng từ 6.08.5.
1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ
Khái niệm
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nóng, lạnh của một vật hoặc hệ
vật trong hệ quy chiếu được chọn. Trong môi trường nước, nhiệt độ ảnh hưởng khá
5


nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các quá trình sinh hóa… của nước. Vậy
nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nước là rất cần thiết [11].
Các thang đo nhiệt độ [11]
Để đo nhiệt độ của một vật (hệ vật) trong vật lí phải xây dựng một thang đo
chuẩn chung gọi là các thang nhiệt giai. Các thang nhiệt giai hay dùng:
a. Thang nhiệt giai Celsius
Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ của các vật theo độ C (viết tắt ).
Đây là thang đo nhiệt độ phổ biến nhất hiện nay trên toàn thế giới.
b. Thang nhiệt giai Fahrenheit
Thang nhiệt giai Fahrenheit xác định nhiệt độ của các vật theo độ F (viết
tắt ). Thang đo này được sử dụng chủ yếu ở các nước Châu Âu.
Liên hệ giữa thang nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt giai Celsius:

c. Thang nhiệt giai Kelvin
Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là
K). Thang nghiệt giai Kelvin đưa đến khái niệm độ không tuyệt đối (nhiệt độ theo
lý thuyết mà tại đó không thể xuống thấp hơn được nữa). Thang đo này thường
được sử dụng trong phòng thí nghiệm.

Mối liên hệ giữa thang nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai Celsius:

1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trường nước
Khái niệm
Độ dẫn hay độ dẫn điện 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, ví dụ như lực
tĩnh điện của điện trường. Sự di chuyển có thể tạo thành dòng điện. Cơ chế của
chuyển động này tùy thuộc vào vật chất [12].
Trong nước, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển
động của các ion tích điện. Hiện tượng này tạo ra một dòng điện và được gọi là sự
dẫn truyền ion.

6


Độ dẫn điện của nước (Electrical Conductivity - EC) liên quan đến sự có mặt
của các ion trong nước. Các ion này thường là muối của kim loại như NaCl, KCl, , ,
v.v… Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến tính độc
hại của các ion tan trong nước.
Do đó, độ dẫn điện của nước còn tượng trưng cho tổng lượng chất rắn hòa
tan trong nước TDS (Total Dissolved Solids). TDS được đo bằng ppm (phần triệu)
hoặc mg/l.
Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào nhiệt độ bởi nhiệt độ càng cao thì khả
năng dẫn điện của nước cũng càng cao. Độ dẫn điện của nước tăng lên 2-3% khi
nhiệt độ nước tăng 1 độ C, thông thường độ dẫn điện được đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn
là 25 [38].
Đơn vị đo độ dẫn điện của nước: [12]
Trong hệ SI có đơn vị chuẩn là S/m (Siemens trên mét):
1/Ohm = 1 Siemen (S) = 1000 mili Siemen (mS) = 1000000 micro Siemen ()
Đơn vị thường sử dụng để đo độ dẫn điện của nước là:

μS/cm (micro Siemens/cm) hoặc dS/m (deci Siemens/m)
Trong đó: 1000 μs/cm = 1 dS/m.
TDS và độ dẫn điện [38]
Độ dẫn điện có liên quan trực tiếp với nồng độ của các muối hòa tan trong
nước, hay tổng hoà tan chất rắn TDS. Muối tan thành các ion mang điện tích dương
và các ion mang điện tích âm, và dẫn điện.
Nước cất không chứa muối hòa tan và kết quả là nó không dẫn điện và có độ
dẫn điện bằng không.
Khi nồng độ muối đạt đến một mức độ nhất định, độ dẫn điện không còn liên
quan trực tiếp với nồng độ muối. Điều này là do các cặp ion được hình thành.
Độ dẫn EC được chuyển đổi sang TDS theo công thức sau:
TDS (ppm) = 0.64 EC (μS/cm) = 640 EC (dS/m)
Hệ số biến đổi (Conversion Factors): Máy TDS đọc kết quả độ dẫn, máy sẽ
tự động chuyển đổi giá trị này sang TDS hiển thị theo đơn vị ppm.

7


1.3. Giới thiệu cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các
đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử
lý được [2].
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp
suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như
điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác
định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m) [2]:
S = F(m)

(2)

(s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu
vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho
phép nhận biết giá trị của (m).
Các đặc trưng cơ bản của cảm biến gồm có: [2]
+ Độ nhạy: Độ nhạy S của cảm biến ở giá trị m = xác định bởi tỷ số giữa
biến thiên của đại lượng đầu ra và biến thiên của đại lượng đo ở đầu vào quanh
giá trị :
S=(

(3)

+ Độ tuyến tính: Cảm biến được gọi là tuyến tính trong một giải đo nếu có
độ nhạy không đổi ở mọi điểm trong dải đo đó.
+ Sai số: Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trị đo được bằng cảm biến
và giá trị thực của đại lượng cần đo. Nếu gọi x là giá trị thực của đại lượng cần đo,
là sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của cảm
biến là được xác định như sau:
(4)
Sai số có hai loại: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
+ Độ nhanh và thời gian hồi đáp: Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho
phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng
đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị
số của độ nhanh.
Trong luận văn này, các hệ đo sử dụng một số loại cảm biến để đo độ đục, độ
dẫn, pH và nhiệt độ trong môi trường nước.

8


1.4. Các phương pháp đo các thông số trong môi trường nước

1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục
Đục kế (thiết bị đo độ đục) bao gồm các thành phần: (1) một nguồn sáng
được chiếu trực tiếp qua một mẫu chất lỏng; (2) một buồng để giữ mẫu chất lỏng;
(3) một hoặc nhiều bộ detector quang để thu tín hiệu tán xạ ánh sáng, chúng được
đặt xung quanh buồng. Ba mẫu thiết kế của đục kế được biểu diễn ở trên Hình 4
[22].
Một đục kế là một dụng cụ điện tử/quang học có thể đánh giá độ đục bằng
cách đo sự tán xạ của ánh sáng truyền qua một mẫu nước có chứa các hạt lơ lửng
(mẫu dung dịch cần đo độ đục) [22].

Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4
chùm tia. Các thành phần: Nguồn ánh sáng (hình thang); mẫu lỏng (hình tròn); máy
phát điện-detector (hình chữ nhật); ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn); ánh sáng tán
xạ (mũi tên nhỏ).
Đục kế một chùm tia hay còn gọi là đục kế đơn chùm chỉ đo được ánh sáng
tán xạ, trong khi đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế 4 chùm tia còn có thể đo được ánh
sáng truyền qua (xen kẽ giữa hai nguồn sáng) [22].
Đục kế đơn trùm có giới hạn phát hiện trên thấp hơn so với đục kế tỷ lệ hoặc
đục kế điều chế 4 chùm tia. Đối với nước trong thì sự gia tăng độ đục sẽ dẫn đến
tán xạ ánh sáng nhiều hơn, nhưng đối với nước đủ đục việc bổ sung thêm các hạt
keo có thể gây tăng bội tán, dẫn đến một detector quang thu tín hiệu tán xạ ánh
sáng có thể cho biết rằng độ đục giảm biểu kiến [22].
Đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế độ 4 chùm tia bình thường hóa đọc tín hiệu
ánh sáng tán xạ dùng cách đọc tín hiệu ánh sáng truyền qua, hàng loạt những giá trị
thông thường vẫn có thể tuyến tính ngay cả ở độ đục rất cao. Hiện nay, trên thị
trường có rất nhiều loại đục kế khác nhau, phục vụ mục đích kiểm tra độ đục của
nước, kiểm định chất lượng nước sạch [22].

9

Trong bài luận văn này, chúng tôi đã chế tạo và sử dụng một cảm biến đo độ
đục thiết kế theo mô hình mẫu (a) tức là dạng đục kế đơn chùm (đục kế một chùm
tia). Tín hiệu tán xạ ánh sáng sẽ được detector là cảm biến màu TCS 3200 thu lại
để xử lý, giúp tìm ra độ đục của mẫu chất lỏng [4].
1.4.2. Đo pH bằng phương pháp điện cực màng thủy tinh
Điện cực thủy tinh (Glass electrode)
Điện cực thủy tinh (hay còn được gọi là điện cực màng trao đổi) là một loại
điện cực chọn lọc ion làm bằng một lớp màng thủy tinh pha tạp, nó nhạy với một
loại ion cụ thể. Ứng dụng chủ yếu của điện cực thủy tinh là dùng để đo giá trị pH.
Điện cực pH là một ví dụ về điện cực thủy tinh nhạy với ion Hidro [30].

Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27] Hình 6: Điện cực chuẩn [27]
Điện cực chuẩn (reference electrode) là điện cực có lớp vỏ thủy tinh, thay
cho màng thủy tinh chọn lọc ion ở cuối điện cực là một miếng gốm (1 lỗ chốt) để
tạo sự tiếp xúc giữa dụng dịch trong điện cực và dung dịch cần đo pH bên ngoài
điện cực. Điện cực chuẩn phải có điện thế đảm bảo ổn định.

Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27]
1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ
1.4.3.1. Cảm biến nhiệt bán dẫn [5]

10


Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn
+ Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn, được chế tạo gồm các tiếp giáp P – N kết
hợp với các mạch đo rồi tích hợp thành các vi mạch.
+ Nguyên lý: Cảm biến nhiệt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc hoạt động của
tiếp giáp P – N [2].

Hình 9: Tiếp giáp P – N
Phương trình của tiếp giáp P – N:
và

(5)

Trong đó: q là điện tích của một điện tử, K là hằng số Boltxmann, T là nhiệt
độ (K), là dòng điện ngược. Với một tiếp giáp P – N cụ thể là hằng số, khi một
dòng điện không đổi chạy qua tiếp giáp P- N thì phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ
của tiếp giáp.

Hình 10: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn
Phương trình chuyển đổi của cảm biến sẽ có dạng sau:
(6)
11


+ Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý
đơn giản.
+ Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
+ Dải đo: -50
+ Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, nước, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.
+ Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: Kiểu diode, các kiểu IC LM35,
LM335, LM45, DS18B20 …
Trong luận văn này, sử dụng cảm biến để đo nhiệt độ trong môi trường nước
là cảm biến nhiệt bán dẫn DS18B20.
1.4.3.2. Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 [7]
DS18B20 là IC cảm biến nhiệt độ, chỉ bao gồm 3 chân, đóng gói dạng TO92, 3 chân nhỏ gọn hay dạng SMD 8 chân.

Cảm biến DS18B20 trả về giá trị đo theo dạng số, có nghĩa là chúng ta
không cần phải chuyển đổi ADC như cảm biến LM35 mà chỉ cần đọc giá trị mà
DS18B20 trả về rồi xuất ra LCD.
Để đọc được giá trị nhiệt độ mà cảm biến trả về, chúng ta dùng vi điều khiển
(VĐK: AVR Atmega 16) để giao tiếp với cảm biến theo chuẩn 1- dây (1-wire). Do
sử dụng giao tiếp một dây nên chỉ cần có một chân data để truyền thông tin.

Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trường nước

12


Hình 12: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20
Đặc điểm chính của DS18B20 như sau:
- Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (1 wire)
- Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9, 10, 11, 12 bit tùy theo mục đích sử
dụng. Trong trường hợp không config thì nó tự động default ở chế độ 12 bit. Thời
gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit.
- Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55. Với khoảng nhiệt độ là -10 thì độ chính xác
là , , theo số bit config.
- Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép. Người dùng có
thể lập trình chức năng này cho DS18B20. Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị mất
khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64bit chứa trong bộ nhớ ROM
trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze. Cảm biến nhiệt độ
DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy ta có thể kiểm tra nhiệt độ với
nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này.
Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20
Sơ đồ khi sử dụng một cảm biến thể hiện như hình 13:

Hình 13: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và vi xử lý

Sơ đồ khi mắc nhiều cảm biến thể hiện như hình 14:
13


Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với các thiết bị 1- wire khác.
1.4.4. Phương pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc
Độ dẫn điện của dung dịch của chất điện phân được xác định bằng cách xác
định điện trở của dung dịch giữa hai điện cực phẳng hoặc hình trụ phân cách bằng
một khoảng cách cố định [19]. Một điện áp xoay chiều được sử dụng để tránh điện
phân. Điện trở được đo bằng một đồng hồ đo độ dẫn [10].
Trong quá trình này, cation di chuyển đến điện cực âm, các anion di chuyển
đến điện cực dương và dung dịch hoạt động như một dây dẫn điện [28].

Hình 15: Sự dịch chuyển của ion trong dung dịch
Cảm biến độ dẫn thường bao gồm 2 điện cực được cách ly với nhau. Vật liệu
điện cực thường làm bằng thép không rỉ 316, hợp kim titan-paladi hoặc cacbon.
Các điện cực được định kích thước và khoảng trống tại một khoảng cách
chính xác để cho một giá trị hằng số k, được gọi là “hằng số tế bào”. Theo lý
thuyết, hằng số này là 1.0 đối với hai điện cực có diện tích bề mặt 1 cm vuông và
đặt cách nhau 1 cm. Thể tích khoảng trống giữa hai điện cực là 1 cm khối (Hình 16)
[10].
14


Hình 16: Kích thước lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 [10].
Thể tích của dung dịch đo là diện tích của điện cực nhân với khoảng cách
giữa chúng, mối tương quan toán học không thay đổi nếu 1 đại lượng tăng và đại
lượng kia giảm theo tỷ lệ.
Dung dịch đo có 1-microSiemen/cm tế bào phải được cấu tạo với khoảng
trống giữa điện cực lớn nhưng khoảng cách giữa chúng nhỏ. Với cấu tạo như thế sẽ

cho phép tế bào có độ điện trở xấp xỉ 10,000 ohms. Bằng cách sử dụng các cảm
biến có hằng số tế bào khác nhau, thiết bị đo đạc có thể hoạt động đối với thang đo
của điện trở tế bào cho nước cực kì tinh khiết đến nước biển có độ dẫn cao [10].

15