Xây dựng hệ thống thu thập lưu trữ và xử lý số liệu đo một số thông số môi trường nước nuôi trồng thủy hải sản : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 2 07 00

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ QUANG MINH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP
LƯU TRỮ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO MỘT SỐ
THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC
NUÔI TRỒNG THỦY HẢI SẢN
LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn: GS.TS. Phan Hồng khôi

Hà nội - 2005


MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
Lời cam đoan .................................................................... Error! Bookmark not defined.
Danh mục bảng và hình vẽ …...…………………………………………………… … 5
Chương 1: Tổng quan.......................................................................................................5
1. Bối cảnh và tính cấp thiết của vấn đề .......................................................................5
2. Các thành tựu trong việc thu thập tự động các thông số môi trường .................10
3. Mục tiêu và đề xuất nghiên cứu ..............................................................................11
Chương 2: Xây dựng, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động đo các thông số của
môi trường nước ..............................................................................................................14
1. Hệ thống theo dõi chất lượng nước ........................................................................14
2. Các cảm biến đo các thông số của môi trường nước ............................................16
2.1 Cảm biến nhiệt độ ..............................................................................................16
2.2 Cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối) ................................................................23
2.3 Cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan ...................................................................29

2.4 Cảm biến đo pH .................................................................................................34
3. Môdule thu thập số liệu CR10X ............................................................................38
3.1 Cấu trúc sơ đồ mạch ...........................................................................................38
3.2 Tổ chức bộ nhớ....................................................................................................41
3.3 Tập lệnh lập trình của môdule CR10X.............................................................41
3.4 Thiết lập các thông số của môdule CR10X .....................................................43
3.5 Khởi tạo môdule CR10X....................................................................................44
4. Ghép nối .....................................................................................................................45
4.1 Giao tiếp giữa môdule thu thập, lưu trữ CR10X với máy tính (RS-232) ....45
4.2 Nguồn cung cấp...................................................................................................46
5. Kỹ thuật xử lý tín hiệu..............................................................................................47
5.1 Thu thập số liệu ...................................................................................................47
5.2 Khuyếch đại tín hiệu ...........................................................................................48


2

5.3 Nhiễu.....................................................................................................................49
5.4 Kỹ thuật nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu bằng xử lý số tín hiệu ..............50
6. Phần mềm điều khiển, thu thập và lưu trữ số liệu.................................................54
6.1 Bố cục của chương trình quản lý và điều khiển ..............................................54
6.2 Lập trình với PC208W .......................................................................................56
7. Đánh giá sai số ..........................................................................................................57
7.1 Một số phương pháp toán trong xác định giá trị đo và sai số ........................57
7.2 Đánh giá sai số của hệ thống .............................................................................61
Chương 4: Ứng dụng và mở rộng hệ thống ...............................................................63
1. Ứng dụng hệ thống đo đạc tự động.........................................................................63
2. Mở rộng ứng dụng hệ thống ....................................................................................64
2.1 Hệ thống quản lý số liệu từ xa ...........................................................................64
2.2 Hệ thống đo đạc và cảnh báo khí tượng thuỷ văn ...........................................65

3. Tính khoa học và kinh tế của hệ thống đo đạc tự động........................................67
Kết luận..............................................................................................................................69
Các công trình công bố liên quan đến luận văn .......................................................70
Tài liệu tham khảo...........................................................................................................71
Phụ lục................................................................................................................................74


3

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ
Bảng 1: Quan hệ giữa nhiệt độ, điện trở của điện trở Pt …………………………..
18
Bảng 2: Điện áp ra của cảm biến tương ứng với nhiệt độ trên nhiệt kế thuỷ ngân
...20
Bảng 3: Nhiệt độ đo được từ nhiệt kế thuỷ ngân và từ cảm biến tự chế tạo ……....
22
Bảng 4: Giá trị điện áp đo được từ cảm biến tương ứng với giá trị độ dẫn điện ......
28
Bảng 5: Nồng độ ôxy phụ thuộc nhiệt độ, độ muối và độ cao …………………… 33
Bảng 6: Thang đo và độ phân giải ...........................................................................
38
Bảng 7: Chức năng các chân tín hiệu của cổng truyền thông CR10X .................... 40
Bảng 8: Các tham số của môi trường nước ………………………………………. 62
Hình 1: Sơ đồ ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước ........
16
Hình 2: Sơ đồ cảm biến đo nhiệt độ bằng điện trở nhiệt .........................................
19
Hình 3: Đặc tuyến điện áp - nhiệt độ của cảm biến đo nhiệt độ ............................. 22
Hình 4: Đặc tuyến đáp ứng của cảm biến nhiệt độ theo thời gian ……………….. 23
Hình 5: Sơ đồ tương đương cảm biến đo độ dẫn dựa trên việc đo điện trở .............

26
Hình 6: Cảm biến đo độ dẫn (độ muối) .................................................................. 27


4

Hình 7: Đặc tuyến độ dẫn điện - điện áp ................................................................. 29
Hình 8: Thiết bị máy đo nồng độ ôxy hoà tan ........................................................
.32
Hình 9: Sự phụ thuộc nhiệt độ của nồng độ ôxy hoà tan ………………………….
33
Hình 10: Đặc tuyến đáp ứng của cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan theo thời gian
34
Hình 11: Sơ đồ đo pH dùng màng thuỷ tinh ............................................................
35
Hình 12: Mạch tiền khuếch đại: giảm nhiễu và tăng hệ số khuếch đại của pH…... 36
Hình 13: Đặc trưng pH theo giá trị tín hiệu ……………………………………… 37
Hình 14: Bản mạch đóng gói của môdule CR10X .................................................. 38
Hình 15: Các tập lệnh và bộ nhớ của môdule CR10X ............................................ 42
Hình 16: Giao diện thiết lập các thông số của hệ thống ………………………….
43
Hình 17: Màn hình hiển thị sự kết nối giữa máy tính với môdule CR10X ………. 44
Hình 18: Dòng dữ liệu trên cổng RS-232 với tốc độ 9600 baud ………………….
46
Hình 19: Mô hình thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu đo ..........................................
47
Hình 20: Sơ đồ khuyếch đại trở kháng đơn giản ....................................................
48
Hình 21: Tín hiệu tổng sau khi lấy trung bình …………………………………… 52
Hình 22: Sơ đồ xử lý trung bình đa kênh …………………………………….… ...52

Hình 23: Mô hình minh hoạ quá trình thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu …….……
53
Hình 24: Lưu đồ chương trình quản lý và điều khiển ……….…………………….
54
Hình 25: Tập thể cán bộ nghiên cứu đang kiểm tra đo đạc ….…………………… 63


5

Hình 26: Số liệu hiển thị dưới dạng trực tuyến ………….………………………...
63
Hình 27: Mô hình quản lý điều khiển từ xa ............................................................ 63
Hình 28: Mô hình dự báo và cảnh báo môi trường ………………………………. 65
Hình 29: Hệ thống đo khí tượng ..............................................................................
66

Chương 1: TỔNG QUAN
1. BỐI CẢNH VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ
Ô nhiễm môi trường trên trái đất cũng như ở Việt Nam vẫn không ngừng
tăng lên, mặc dù nhiều Quốc gia trên thế giới cũng như Việt Nam ta đã và
đang tìm các biện pháp để khắc phục. Các số liệu thống kê cho thấy mức độ ô
nhiễm môi trường ở nhiều nước trên thế giới trong đó có nước ta rất nặng nề.


6

Các chất thải công nông nghiệp không được xử lý triệt để có nhiều ảnh hưởng
tai hại đến sức khoẻ của con người và môi trường sinh thái [1]. Một trong các
biện pháp tích cực góp phần bảo vệ môi trường là nghiên cứu, sản xuất các
thiết bị đo để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường.

Cùng với sự quan tâm đó là sự ra đời của các quy định luật pháp mới
(bao gồm các quy định của Quốc gia và Quốc tế) nhằm cố gắng làm thay đổi
mối quan hệ giữa môi trường và phát triển. Đánh giá tác động môi trường là
một ví dụ quan trọng về một trong những nỗ lực đó. Ở Việt Nam ta, trong
những năm gần đây thì môi trường mới được quan tâm, đã có nhiều văn bản
luật hướng dẫn, thi hành luật bảo vệ môi trường như: Chỉ thị số 23/2005/TCTTg ngày 21/6/2005 của Thủ tướng chính phủ về đẩy mạnh công tác quản lý
chất thải rắn tại các đô thị và các khu công nghiệp; Nghị đ ịnh số 68/2008/NĐCP ngày 20/5/2005 của Chính phủ về an toàn hoá chất; và nhiều văn bản pháp
luật khác. Hiện nay, luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội thông qua tại
kỳ họp thứ 10, khoá XI [2].
Trong những năm 1990, phạm vi đánh giá tác động môi trường đã được
mở rộng hơn rất nhiều. Do đó, chúng ta có lẽ sẽ rất ngạc nhiên khi biết rằng
việc đánh giá tác động môi trường gặp phải rất nhiều sự phản đối ở nhiều
nước khác nhau, với lý do làm cản trở sự phát triển kinh tế. Thường thì sự
tăng trưởng kinh tế, cùng với nó là sự ô nhiễm môi trường, do chất thải côngnông nghiệp gây nên hiệu ứng nhà kính.
Năm 1992, các nhà môi trường đã đưa ra quan điểm phát triển bền
vững, đó là phát triển trong mức độ duy trì chất lượng môi trường, giữ cân
bằng giữa môi trường và phát triển. Trong báo cáo đánh giá tác động môi
trường, thì đo đạc và quan trắc môi trường là không thể thiếu. Quan trắc và đo
đạc sẽ cho chúng ta những số liệu về hiện trạng môi trường đó. “Quan trắc
môi trường là việc theo dõi thường xuyên chất lượng môi trường với các


7

trọng tâm, trọng điểm hợp lý nhằm phục vụ các hoạt động bảo vệ môi trường
và phát triển bền vững” [2].
Như vậy, để có được những số liệu cụ thể cho báo cáo đánh giá tác động
môi trường thì không thể thiếu các phép đo đạc và quan trắc trực tiếp hoặc
gián tiếp từ môi trường đó. Có nhiều cách để đo đạc và quan trắc môi trường
mà một trong những cách đó là sử dụng các thiết bị khoa học.

Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và
phát hiện các yếu tố vật lý, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể
hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người. Nhờ các tiến bộ
của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học,
các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng
mở rộng phạm vi ứng dụng [3]. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, các nhà khoa
học đã và đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu các cảm biến phục vụ cho việc
đo đạc các thông số của môi trường.
Trong thực tế của việc phân tích môi trường, chúng ta thường phải tiến
hành phân tích khá nhiều mẫu và yêu cầu là các kết quả phải đạt độ chính xác
cao. Các quy trình phân tích thông thường [13] đòi hỏi người phân tích phải
có khả năng và kinh nghiệm nghề nghiệp rất cao mới hạn chế được những sai
số do thực nghiệm gây ra. Ngoài ra, để có một bộ số liệu đầy đủ phân tích cả
một quá trình biến đổi của môi trường, thay việc ghi chép số liệu, vẽ đồ thị
bằng tay (dữ liệu thu được từ cách làm này thường không khách quan) thì
việc ứng dụng máy vi tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động các
thông số của môi trường đã đem lại những kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết
bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính cho ta kết quả có
độ chính xác rất cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, nhưng điều đáng quan
tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập và xử lý các kết quả đo, kể
cả việc lập bảng thống kê cũng như in ra kết quả [4].


8

Hiện nay, hai môi trường được quan tâm hơn cả, vì nó ảnh hưởng trực
tiếp đến đời sống sinh hoạt và sản xuất hàng ngày đó là môi trường nước và
môi trường không khí. Trong luận văn này, tôi đề cập đến môi trường nước
vì: Nước là tài nguyên vật liệu quan trọng nhất của loài người và sinh vật trên
trái đất. Ngoài chức năng tham gia vào chu trình sống trên, nước còn là chất

mang năng lượng (hải triều, thuỷ năng), chất mang vật liệu và tác nhân điều
hoà khí hậu, thực hiện các chu trình tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên. Có
thể nói sự sống của con người và mọi sinh vật trên trái đất phụ thuộc vào
nước.
Một trong những ngành sản xuất sử dụng môi trường nước là ngành nuôi
trồng thuỷ hải sản, chính ngành sản xuất này hiện nay rất đang được quan tâm
vì nó đem lại lợi nhuận cao cho nền kinh tế. Để có được lợi nhuận cao từ
ngành nuôi trồng thuỷ hải sản, cần phải chú ý đến môi trường cho thuỷ hải
sản phát triển, mà ở đây là môi trường nước. Trong nền kinh tế hội nhập, việc
tiến hành sản xuất không thể thủ công như xưa, ngoài ra sản phẩm làm ra
muốn xuất khẩu được thì phải đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế đặt ra, nhất là
tiêu chuẩn về môi trường. Vậy yêu cầu đặt ra là phải gắn kết với khoa học và
công nghệ thì mới phát triển sản xuất, mới đủ năng lực cạnh tranh trong nền
kinh tế hội nhập [5]. Các qui trình công nghệ, các thiết bị đo đạc, quan trắc
môi trường nhập ngoại rất đắt mà không dễ trong việc bảo hành, thay thế.
Trong khi đó ngành khoa học công nghệ của Việt Nam đã có những bước
phát triển mạnh [6]. Cần có những chính sách động viên cho việc sử các thiết
bị khoa học trong nước sản xuất.
Nhiệt độ, độ muối, nồng độ ôxy hoà tan và độ pH... là những thông số
quan trọng của môi trường nước, đặc biệt là môi trường cho nuôi trồng thuỷ
hải sản. Đo đạc, quan trắc các thông số này và so sánh với những tiêu chuẩn
cho trước đối với từng môi trường cụ thể sẽ cho ta báo cáo về tình hình môi


9

trường đó, từ đó có những điều chỉnh để giảm thiểu các tác nhân gây hại.
Trong việc nuôi trồng thuỷ hải sản, ta cần phải quan tâm theo dõi, đánh giá
môi trường nước trong suốt quá trình phát triển của thuỷ hải sản.
Hiện nay, các máy đo đạc các thông số môi trường cầm tay được bán

rộng rãi trên thị trường, với loại thiết bị này ta chỉ biết được các thông số tại
thời điểm quan sát. Số liệu được ghi chép lại, thường là không đầy đủ và
không khách quan. Để có một bộ số liệu đầy đủ, chính xác và khách quan sự
biến đổi của các yếu tố môi trường, cũng như phân tích, đánh giá tác động
môi trường trong một quá trình, một thời gian dài, thay cho việc thường
xuyên ghi chép bằng thủ công, thì việc cần có hệ thống tự động thu thập, lưu
trữ số liệu là rất cần thiết. Nhiều cơ sở nghiên cứu về nghiên cứu môi trường,
đã nhập mua các hệ thống tự động, nó có thể thu thập được các thông số môi
trường bằng các cảm biến kết nối với một hệ thiết bị thu thập, lưu trữ. Các hệ
thống nhập ngoại này có ưu điểm là hoàn chỉnh và có tính thương mại cao.
Tuy nhiên, nó có nhược điểm là khá đắt tiền, do hệ thống hoàn chỉnh nên
người sử dụng khó có thể sửa chữa, và can thiệp được. Ngoài ra, các cảm biến
sau một thời gian sử dụng thì thường bị già hoá, khó chuẩn lại, dẫn đến sai số
cho phép đo.
Chính vì những lý do đó, luận văn này đã đề cập đến việc sử dụng
môdule thu thập lưu trữ và xử lý CR10X thương mại, tiến hành khai thác, xây
dựng, phát triển và làm chủ hệ thống tự động thu thập, lưu trữ và xử lý đo các
thông số môi trường, đặc biệt là môi trường nước: nắm được các thông số
phần cứng (các mạch điện của môdule CR10X, các loại cảm biến trong đó có
loại được chế tạo và loại được mua, ghép nối chúng với môdule CR10X); xây
dựng phần mềm điều khiển việc tự động thu thập, lưu trữ, và xử lý các số liệu
đo được. Với hệ thống tự động này, đã cho phép đo tự động liên tục và
thường xuyên các thông số của môi trường nước: nhiệt độ, độ ôxy hoà tan, độ


10

muối và độ pH. Đây là các thông số chính của môi trường nước nuôi trồng
thuỷ hải sản. Ngoài ra, hệ thống này đã đưa vào ứng dụng trong đo đạc tại
một cơ sở nghiên cứu nuôi trồng thuỷ hải sản ở Nha Trang (Khánh Hoà), và

một số ứng dụng mở rộng khác của hệ thông này cho nghiên cứu trong Phòng
thí nghiệm, cũng như trong sản xuất.
2. CÁC THÀNH TỰU TRONG VIỆC THU THẬP TỰ ĐỘNG CÁC
THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
Việc nghiên cứu và chế tạo các cảm biến cũng như xây dựng các hệ
thống thiết bị cho nghiên cứu, quan trắc, đánh giá môi trường đã và đang
được các nhà khoa học quan tâm. Nhiều cơ sở nghiên cứu khoa học; các
trường đại học và các hãng đã và đang đi sâu nghiên cứu chế tạo các máy đo
cũng như các hệ thống tự động theo hai hướng chủ yếu: nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm [7, 8] với mức độ chính xác cao, sử dụng nhiều kỹ thuật
hiện đại và nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo môi trường phục vụ cho việc
theo dõi liên tục hiện trường (monitoring), hoặc lưu trữ số liệu dưới dạng
không trực tiếp (offline), đo đạc lấy số liệu theo mục đích, ý nghĩa sử dụng,
hiện đại, gọn nhẹ và dễ sử dụng. Người ta đã chế tạo được những thiết bị đo
môi trường, đặc biệt là môi trường khí có khả năng đo đồng thời nhiều thông
số với độ chính xác tương đối cao và sử dụng thuận tiện như: đo nồng độ ôxy
hoà tan, đo nhiệt độ, độ ẩm, các chất khí gây độc, cháy, nổ,...và ghép nối
chúng thành một hệ thống tự động trong việc thu thập, lưu trữ, và xử lý các
thông số đó một cách chính xác và đầy đủ - Đó là các trạm tự động quan trắc
môi trường. Trên thế giới, một số hãng lớn về thiết bị đo là: Campbell (Anh),
Hana (Ý), Cole-Parner (Mỹ)...[18, 20, 21]
Hiện nay một số cơ sở nghiên cứu và trường đại học trong nước đã và
đang tập trung nghiên cứu chế tạo, ứng dụng nhiều loại cảm biến, cũng như
xây dựng các hệ thống thiết bị đo tự động, trong đó có đo môi trường. Từ các


11

thông số môi trường đơn giản như: nhiệt độ, pH, độ muối, các loại khí độc
hại, cháy, nổ…đến các cảm biến phức tạp như cảm biến sinh học (biosensor)

để phân tích lượng đường có trong máu [23].
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây nhiều Hội nghị và đề tài Khoa
học và Công nghệ cấp Nhà nước đã được tổ chức tập trung vào hướng phát
triển các linh kiện cảm biến phục vụ cho việc phân tích và đánh giá môi
trường: Hội nghị môi trường Toàn quốc lần thứ 2 (23-25/4/2005) và chương
trình Khoa học và Công nghệ KC-02-12, là hội nghị và chương trình khoa học
công nghệ điển hình mà hướng tập trung chủ yếu là đề xuất giải pháp bảo vệ
môi trường cũng như nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các thiết bị đo. Bên
cạnh đó, rất nhiều đề tài, chương trình khác của Nhà nước và Địa phương
cũng đang được triển khai thực hiện.
Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có
những hợp tác quan trọng với các Phòng nghiên cứu của nước ngoài: Phòng
nghiên cứu và phát triển môi trường (Đại học Paris VII), Phòng Vật lý năng
lượng cao (Đại học Bách Khoa Paris), Cộng hoà Pháp, về nghiên cứu, chế tạo
các cảm biến cũng như việc xây dựng các hệ thống tự động thu thập, lưu trữ
và xử lý số liệu đo môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản: cảm biến đo độ
ôxy hoà tan [9, 10], cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối)
[11], và các cảm biến đo nồng độ khí khác [14-17] mà tôi là người trực tiếp
thực hiện triển khai công việc dưới sự hướng dẫn của GS. TS Phan Hồng
Khôi.
3. MỤC TIÊU VÀ ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU
Chính sách Quốc gia về phát triển công nghệ thông tin ở nước ta trong
thập kỷ 90 đã đề ra mục tiêu cơ bản của việc đưa các tiến bộ khoa học kỹ
thuật về công nghệ tin học và tự động hoá các khu vực sản xuất công, nông
nghiệp [6]:


12

 Tự động hoá các hoạt động thông tin và điều khiển trong quá trình sản

xuất và đưa yếu tố xử lý thông tin vào các sản phẩm nhằm nâng cao hiệu
quả và chất lượng của các quy trình sản xuất hoặc của chính sản phẩm
được sản xuất ra.
 Chuẩn bị cơ sở thông tin cho việc quyết định các biện pháp chỉ định sản
xuất.
Ngành khoa học nghiên cứu theo dõi, đánh giá môi trường cũng như nền
sản xuất nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta còn ở trình độ lạc hậu, việc ứng dụng
các tiến bộ khoa học kỹ thuật về công nghệ thông tin là một biện pháp quan
trọng để hiện đại hoá dần từng bước các ngành này. Trong giai đoạn hiện nay,
các cơ sở nghiên cứu môi trường đặc biệt là nghiên cứu môi trường nuôi trồng
thuỷ hải sản còn rất thủ công, thô sơ, dựa vào kinh nghiệm là chính. Chính
điều này đã làm hạn chế năng suất, chất lượng và hiệu quả.
Trước thực trạng đó, được sự hỗ trợ của đề tài KC-02-12, tôi cùng với
các đồng nghiệp trong Phòng thí nghiệm đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo và
đưa ra ứng dụng cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan trong nước (nước thải hay
nước nuôi thuỷ hải sản) [9, 10, 11]. Trong thực tế, ngoài thông số về nồng độ
ôxy hoà tan thì các thông số khác: như nhiệt độ, độ muối và pH cũng rất được
quan tâm, xem xét. Tôi đã có một thời gian làm việc tại 2 Phòng thí nghiệm
của Cộng hoà Pháp (Đại học Paris VII và Đại học Bách Khoa Paris) theo
chương trình hợp tác về nghiên cứu, chế tạo các cảm biến đo nhiệt độ và độ
dẫn (độ muối) cũng như thiết kế, xây dựng hệ thống đo tự động các thông số
môi trường nước.
Nội dung chính trong luận văn này là thiết kế, xây dựng hệ thống đo tự
động và lưu trữ các thông số môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản gồm có
các nhiệm vụ chính sau:


13

Từ môdule thu thập số liệu CR10X thương mại, thiết kế, xây dựng các

mạch điện tử và lập trình ghép nối với máy tính để tự động việc thu
thập, lưu trữ và xử lý số liệu môi trường nước cũng như xem xét các
tính năng của cảm biến: thời gian đáp ứng, độ lặp lại,…để đánh giá
bản chất của các quá trình xảy ra trong cảm biến, cũng như chất lượng
của môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản;
Chế tạo các cảm biến và máy đo nồng độ ôxy hoà tan trên cơ sở điện
cực kiểu Clark; cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo độ dẫn điện (độ
muối);
Đo đạc, đánh giá tính năng và hiệu quả của cảm biến trong Phòng thí
nghiệm;
Đưa hệ tự động vào đo đạc môi trường thực tế tại cơ sở nuôi trồng
thuỷ sản tại Nha Trang (Khánh Hoà);
Mở rộng hệ thiết bị đo tự động cho các ứng dụng khác.
Nội dung này đã được tôi, một thành viên của đề án, được phân công
thực hiện trong khuôn khổ của chương trình hợp tác giữa Viện Khoa học Vật
liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam với các Trường Đại học của
Cộng hoà Pháp.


14

Chương 2: XÂY DỰNG, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Hệ thống tự động đo các thông số môi trường nước đã được chúng tôi
thiết kế, xây dựng dựa trên các thiết bị, linh kiện tự chế tạo và một số các thiết
bị khác đặt mua của các hãng nước ngoài. Tôi đã ghép nối và viết phần mềm
điều khiển hệ thống nhằm mục đích tự động hoá việc thu thập các thông số
môi trường nước nuôi trồng thuỷ hải sản: nhiệt độ, độ muối, nồng độ ôxy hoà
tan và độ pH. Sau đây tôi sẽ từng bước trình bày về hệ thống tự động theo dõi
chất lượng nước.

1. HỆ THỐNG THEO DÕI CHẤT LƯỢNG NƯỚC
Hệ thống tự động theo dõi chất lượng nước là một hệ hoàn chỉnh bao
gồm phần thiết bị điện tử, điện hoá và phần mềm điều khiển cho phép người
sử dụng tiến hành đo đạc tự động và lưu trữ các số liệu đo được trong một
thời gian dài với các thông số: nhiệt độ, độ dẫn điện, độ muối, độ pH và nồng
độ ôxy hoà tan trong nước. Phạm vi đo của các thông số như sau:
 Nhiệt độ: Dải đo 0

500C, sai số 1,5%;

 Độ muối: Dải đo 0

50 g/l, sai số 1,5%;

 Độ ôxy hoà tan: Dải đo 0
 Độ pH: Dải đo 0

20 mg/l, sai số 1,5%;

14 pH, sai số 1,5%.

Các thông số chất lượng nước có thể được theo dõi liên tục trong chế độ
làm việc trực tuyến với máy tính hoặc cũng có thể cho hệ thống hoạt động
trong chế độ độc lập với nguồn cung cấp trong điều kiện đi đo xa; số liệu đo
được sau đó sẽ được chuyển sang xử lý và lưu trữ trên máy tính.
Sơ đồ khối ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước:


15

Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến đo độ dẫn
Cảm biến đo độ ôxy
Cảm biến đo pH

Điện lưới

RS 232

Môdule

Máy vi tính

CR10X
PC

Ắc-qui

Hình 1: Sơ đồ ghép nối các thiết bị trong hệ thống theo dõi chất lượng nước

Các cảm biến tương ứng với các thông số cần theo dõi được ghép với
các đầu vào của môdule thu thập số liệu lập trình được CR10X [19] thông qua
các mạch tiền khuyếch đại và biến đổi tín hiệu analog-digital, phối hợp trở
kháng phù hợp. Một chương trình phần mềm được viết và cài đặt sẵn trong
môdule CR10X sẽ tiến hành đọc tín hiệu các đầu vào và lưu trữ số liệu vào bộ
nhớ trong của môdule CR10X theo một chu kỳ xác định và có thể thay đổi
theo yêu cầu của người sử dụng.
Nguồn điện cung cấp cho môdule CR10X cũng như cho các cảm biến
hoạt động có thể lấy từ điện lưới hay từ ắc-qui. Thiết bị được lắp đặt sẵn với 1
ắc-qui để hoạt động trong điều kiện cả khi có hoặc không có điện lưới. Khi có

điện lưới, thiết bị được nuôi bằng điện lưới, phần còn lại sẽ nạp bổ sung cho
ắc-qui. Khi không có điện lưới thì nguồn duy trì hoạt động của thiết bị là
nguồn ắc-qui.
Việc ghép nối giữa hệ thiết bị đo với máy tính qua giao diện RS-232
được thực hiện nhờ một bộ ghép nối cách ly quang học cho phép tránh được
các nhiễu điện, và sốc điện từ phía máy vi tính có thể gây ảnh hưởng tới hoạt


16

động bình thường của thiết bị đo hoặc thậm chí làm hỏng các mạch lôgic điều
khiển của môdule CR10X.
Sau đây, tôi sẽ trình bày các phần cấu tạo nên hệ thống theo dõi chất
lượng nước như mô tả trên hình vẽ 1.
2. CÁC CẢM BIẾN ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC
Môdule thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu CR10X có thể cho phép nối với
nhiều loại cảm biến khác nhau, tuỳ theo mục đích và yêu cầu của người sử
dụng. Các cảm biến mà tôi sử dụng ở trong hệ thống này là: cảm biến đo nhiệt
độ, cảm biến đo nồng độ ôxy hoà tan, cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối), và
cảm biến đo độ pH. Trong bốn loại cảm biến trên, tôi đã trực tiếp tham gia
nghiên cứu và chế tạo ba loại cảm biến đầu tiên. Dưới đây tôi trình bày
nguyên tắc chung trong nghiên cứu, chế tạo các cảm biến đó:
2.1 Cảm biến nhiệt độ [3]
2.1.1 Nguyên lý đo và cách chế tạo cảm biến
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại
lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong
nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ
là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, ví
dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay điểm Curi của các
vật liệu từ tính. Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp hay

trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính
sau đây:
 Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động
nhiệt (hiệu ứng Doppler);
 Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc khí
(với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm;


17

 Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào sự chênh lệch
của nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao
động của thạch anh.
Với mục đích là đo nhiệt độ của môi trường nước cho nuôi trồng thuỷ
sản, nên khoảng nhiệt độ cần đo [00C ... 500C], và sai số cho phép là 1,5%.
Tôi đã sử dụng điện trở nhiệt Platin (Pt-100 K

tại 250C, sai số 0,5%) với các

thông số lý thuyết được cho như dưới đây:
Tại nhiệt độ T thì giá trị điện trở [3]:
R(T)=

R0.(1

+

A.T

+

B.T 2

+

C.T3)

(1)

Trong đó T đo bằng 0C và T0= 00C, R và R0 là điện trở ở nhiệt độ T và
T0. Các hệ số được xác định chính xác bằng cách đo những nhiệt độ đã biết
trước. Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R, ta xác định được
nhiệt độ cần đo. Bảng dưới đây là bảng thể hiện mối quan hệ giữa giá trị nhiệt
độ, điện trở của loại nhiệt điện trở mà tôi đã chọn để chế tạo cảm biến nhiệt
độ.
Bảng 1: Quan hệ giữa nhiệt độ, điện trở của điện trở Pt (100 K

Nhiệt độ (0C)

tại 25 0C)

Giá trị điện trở ( )

0,0

351017

2,0

315288

4,0

283558

6,0

255337

8,0

230210

10,0

207807

12,0

187803

14,0

169924


18

16,0

153923

18,0

139588

20,0

126729

22,0

115179

24,0

104796

26,0

95449

28,0

87026

30,0

79428

32,0

72567

34,0

66365

36,0

60752

38,0

55668

40,0

51058

42,0

46873

44,0

43071

46,0

39613

48,0

36465

50,0

33598

A = 1,6606438.10-3
B = 2,3952354.10-4
C = 1,1772021.10-7
Với loại nhiệt điện trở này, tôi đã thiết kế, chế tạo cảm biến đo nhiệt độ
có sơ đồ tương đương đơn giản như hình vẽ dưới đây:


19

Vex
Rs
HI

Vs

Trong đó:

Rf

Hình 2: Sơ đồ cảm biến đo nhiệt độ bằng điện trở nhiệt

Rs: Điện trở nhiệt;
Rf: Điện trở thuần;
ex được cấp một điện áp V.
Như vậy điện thế đo được trên điện trở thuần R f được tính như sau:
Vs = V.Rf/ (Rs + Rf)

(2)

Điện áp đo được tại HI và đất chính là điện áp trên điện trở R f. Do cảm
biến được ghép nối với máy tính, nên điện áp cung cấp V là 5V. Đối với cảm
biến, yêu cầu là dòng điện chạy trong mạch phải nhỏ (tránh toả nhiệt cho cảm
biến). Khi chọn điện trở Rs là 100 K

(ở 250C) đã đáp ứng được dòng chạy

qua mạch cỡ V. Mặt khác, đo điện áp của cảm biến nhiệt độ là đo vi sai (-2,5
V +2,5 V), nên R f phải được chọn sao cho R f < Rs, và tôi đã chọn R f = 30
K

(sai số 0,5%). Với mỗi giá trị điện thế đo được tương ứng với một giá trị

nhiệt độ. Việc xác định một giá trị nhiệt độ của môi trường sẽ phải dựa vào
đường đặc tuyến nhiệt độ - điện thế đo được trên điện trở R f.
2.2.2 Xác định đường đặc tuyến nhiệt độ - điện thế
Để xác định đường đặc tuyến nhiệt độ- điện thế cho cảm biến đo nhiệt
độ. Tôi đã sử dụng nhiệt kế thuỷ ngân làm chuẩn với sai số 0,5% để làm nhiệt
độ chuẩn, môi trường đo là môi trường không khí kín và môi trường nước

20

được hạn chế tối đa sự trao đổi nhiệt. Cảm biến đo nhiệt độ đã được tôi ghép
nối với hệ thống để đo điện áp ra tương ứng với nhiệt độ chỉ trên nhiệt kế
thuỷ ngân:
Bảng 2: Điện áp ra của cảm biến tương ứng với nhiệt độ trên nhiệt kế thuỷ ngân

Nhiệt độ (0C)

Điện áp (V)

1,1

0,413

5,3

0,502

10,2

0,635

14,9

0,781

19,8

0,950

25,2

1,158

30,1

1,374

34,7

1,606

40,3

1,860

44,8

2,101

50,1

2,383

Với giá trị điện áp đo được ở mỗi nhiệt độ dùng làm chuẩn cho ở bảng 2,
ta có một ánh xạ từ tín hiệu điện áp đo được vào giá trị nhiệt độ. Gọi tập giá
trị tín hiệu điện áp đo được là X, và tập giá trị nhiệt độ tương ứng là Y, một
ánh xạ F từ X vào Y:

F: X  Y
y = f(x)
Xây dựng hàm số y= f(x) bằng phương pháp khai triển đa thức:
f(x) = C0 + C1*x + C2*x2 + C3*x3 + C4*x4 + C5*x5...
Ci (i = 0..n) là các hệ số của đa thức và được xác định bằng phương pháp
bình phương cực tiểu. Với cảm biến đo nhiệt độ này: C 0 = 0,037; C1 = -2,903;
C2 = 18,751; C3 = -48,136; C4 = 77,352; C5 = -23,938.


21

Đặc tuyến nhiệt độ - điện áp cho trên hình vẽ dưới đây:

Điện áp (V)
Hình 3: Đặc tuyến điện áp - nhiệt độ của cảm biến đo nhiệt độ

Việc xác định giá trị nhiệt độ của môi trường tuân theo mối quan hệ hàm
f trên.
Để đánh giá sai số của cảm biến nhiệt độ chế tạo được, trong cùng một
môi trường được cách ly tối đa sự trao đổi nhiệt. Tôi đã so sánh nhiệt độ đo


22

được bởi nhiệt kế thuỷ ngân với nhiệt độ đo được bằng cảm biến nhiệt độ
ghép nối với hệ thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu:
Bảng 3: Nhiệt độ đo được từ nhiệt kế thuỷ ngân và từ cảm biến tự chế tạo

Nhiệt độ từ nhiệt kế thuỷ ngân (0C)

Nhiệt độ từ cảm biến (0C)

1,5

1,4

5,2

5,3

10,0

10,2

15,1

14,9

19,8

20,1

25,1

24,8

30,1

29,8

34,8

35,1

40,0

39,7

45,1

45,1

50,0

49,6

Để đo thời gian đáp ứng của cảm biến nhiệt độ, tôi đã dùng cảm biến này
đo nhiệt độ của hai môi trường có nhiệt độ khác nhau (không khí và nước).
Ban đầu cảm biến được đặt trong không khí và sau đó được nhúng vào nước,
sau thời gian khoảng 3 phút, thì giá trị mà cảm biến cho ổn định, như vậy thời
gian đáp ứng của cảm biến mà tôi chế tạo là 3 phút.
0

Nhiệt độ ( C)
Trong không khí
0

~ 26 C

Trong nước

0

0

1

2

~ 19 C
3
4

5

Thời gian (phút)


23

Các thông số kỹ thuật về đo nhiệt độ:
500C;



Dải đo nhiệt độ: 0



Sai số: 0,40C; (so với nhiệt kế thuỷ ngân)



Thời gian đáp ứng:

95 =

3 phút;

2.2 Cảm biến đo độ dẫn điện (độ muối) [11]
Các dung dịch hoá đều có khả năng dẫn điện. Để đặc trưng cho khả năng
dẫn điện của dung dịch hoá người ta sử dụng khái niệm độ dẫn điện của dung
dịch. Độ dẫn điện của dung dịch tỷ lệ với nồng độ các ion hoà tan. Thông qua
việc xác định độ dẫn điện, cho phép ta xác định một loạt các thông số quan
trọng trong việc phân tích môi trường chất lỏng: Độ muối, tổng lượng chất
rắn hoà tan, độ điện ly, độ hoà tan, thành phần phức chất... Đây là các chỉ tiêu
quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước. Đối với nước ngọt, khi độ
dẫn điện càng cao thì nồng độ ion càng lớn, tức là nước đã bị ô nhiễm nặng.
Đối với môi trường biển và vùng nước lợ, sự phát triển của các sinh vật trong
đó phụ thuộc rất nhiều vào độ muối. Chính vì thế việc đo độ dẫn điện là hết
sức cần thiết.
2.2.1 Nguyên lý của phương pháp đo độ dẫn điện
Việc đo độ dẫn điện của môi trường chất lỏng được xác định theo
nguyên tắc sau: Một dung dịch cần xác định độ dẫn điện với hệ điện cực được
nối với nguồn điện và nhúng vào dung dịch cần đo. Áp một hiệu điện thế E


24

vào hệ và đo giá trị dòng điện đi qua dung dịch. Ta biết, độ dẫn điện tỷ lệ với
cường độ dòng điện, nên qua giá trị dòng điện đo được cho ta xác định được

độ dẫn điện của dung dịch. Mặt khác, độ dẫn điện phụ thuộc vào các tính chất
như khoảng cách giữa các điện cực, tiết diện của các điện cực,...Do vậy, độ
dẫn điện của dung dịch được xác định bằng công thức dưới đây:

G

l
R.a

(3)

Trong đó G: Độ dẫn điện (S/cm)
l: Chiều dài khối dung dịch (cm)
a: Tiết diện khối dung dịch (cm2)
R: Điện trở riêng của dung dịch ( )
Thực tế, người ta thường không quan tâm đến chiều dài hay tiết diện của
khối dung dịch cần đo. Như vậy, đơn vị của độ dẫn điện là simen (S =
Khi nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện cũng tăng lên, gọi

-1

).

là hệ số của độ dẫn điện

phụ thuộc nhiệt độ, thì độ dẫn điện tại nhiệt độ T sẽ được tính như sau:
GT

=

G25[1+

(T-25)]

(4)
Trong đó, GT : Độ dẫn điện của dung dịch tại nhiệt độ T 0C.
G25: Độ dẫn điện riêng của dung dịch tại 250C.
: Hệ số nhiệt của độ dẫn điện.
Hệ số nhiệt của độ dẫn điện trong thực tế được xác định bằng các phép
đo thực nghiệm giữa hai môi trường dung dịch khác nhau và được tính theo
công thức dưới đây:

GT1 T2

GT2
25

GT1
GT2 T1

(5)

25

GT1 và GT2 là độ dẫn điện của cùng một dung dịch ở hai môi trường khác
nhau; T1, T2 là hai giá trị nhiệt độ ứng với hai môi trường đó. Đối với cảm