Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

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

VI VĂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC
VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2017


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

VI VĂN HOÀNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC
VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. PHẠM VĂN THÀNH

HÀ NỘI - 2017

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử Khoa Vật lý –Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong
chƣơng tình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trƣờng, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học
trực tiếp của TS. Phạm Văn Thành.
Trƣớc hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Phạm Văn Thành, ngƣời
thầy đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi
để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô
tuyến và Điện tử cũng nhƣ các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa
học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q 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, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và ngƣời thân đã luôn
tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q trình học tập và hoàn
thành luận văn này.
Nghiên cứu này đƣợc 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

i


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
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 2
1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc ........................................................................ 2
1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc ................................................................ 3
1.2.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 3
1.2.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc ................................................................ 5
1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ................ 5
1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 6
1.3. Giới thiệu cảm biến ............................................................................................... 8
1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc ................................... 9
1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục ............................................................ 9
1.4.2. Đo pH bằng phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh .................................... 10
1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ ................................................................................... 10
1.4.4. Phƣơng pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc .................................. 14
CHƢƠNG 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
2.5. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC)..................................................................26
ii

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
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ............................................ 32
3.1. Hệ thống tích hợp đo 4 thơng số mơi trƣờng nƣớc (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 thơng số vƣợt chuẩn. ..............................................48
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 51

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ
Hình 1: Nguồn nƣớc 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 mơi trƣờng nƣớc ....... 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 thƣớc lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 [10]. .................... 15
Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng ............................................... 16
Hình 18: Kích thƣớc hạt gần bằng 1/4 bƣớc sóng ánh sáng ........................................ 16
Hình 19: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng ................................................. 17
Hình 20: Ngun 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 tƣơng tự - số (ADC) .......................................... 27
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 thơng số mơi trƣờng nƣớc .................. 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
iv


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 trƣờng nƣớc ................................. 42
Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 ....................................................................... 42
Hình 50: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình tăng nhiệt độ của nƣớc ............................ 43
Hình 51: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình giảm nhiệt độ của nƣớc ........................... 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 đƣợc so với dung dịch có nồng độ
chuẩn............................................................................................................................. 45
Hình 56: Hệ cảm biến đo nƣớc chứa trong ống PVC .................................................. 46
Hình 57: Số liệu đo đạc đƣợc 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 Sơng Tơ 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 vƣợt chuẩn................................................................................................................ 49

v


BẢNG BIỂU
Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (0; 2; 4; 8; 10) ........... 39
Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (30; 50; 70; 80; 100). 39
Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (300; 600; 700; 800;
900) ............................................................................................................................... 39
Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn và giá trị pH hệ chế tạo đo đƣợc 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

vi

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

vii

LỜI MỞ ĐẦU
Nƣớc là một nguồn tài nguyên thiên nhiên vơ cùng quan trọng đối với con
ngƣời,sinh vật. Ngồi những ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt thƣờng
ngày, nƣớccịn có ý nghĩa rất to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: giao
thông, xây dựng, y tế, sản xuất …
Theo hiến chƣơng châu Âu về nƣớc đã định nghĩa: "Ơ nhiễm nƣớc là sự biến
đổi nói chung do con ngƣời đối với chất lƣợng nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc và gây
nguy hiểm cho con ngƣời, cho công nghiệp, nơng nghiệp, cho động vật ni và các
lồi hoang dã".
Hiện nay ô nhiễm nguồn nƣớc là một vấn đề rất cấp bách mà con ngƣời đang
phải đối mặt. Do vậy việc tìm ra nguyên nhân và biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm
nguồn nƣớc đang đƣợc rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm.
Đã có rất nhiều cơng trìnhnghiên cứu và các dựán ứng dụng khoa học giải
quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc và xử lý nƣớc thải ra đời. Trong đó, đề tài nghiên
cứu hệ đo đạc các thông số của môi trƣờng nƣớc bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ
dẫn, nhiệt độ,…nhằm mục đíchtheo dõi, đánh giá và kiểm soát chất lƣợng nƣớc là
một đề tài quan trọng trong việc đánh giá và bảo vệ nguồn nƣớc.
Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm
môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình.
Luận văn tập trung nghiên cứu về các thơng số của nƣớc nhƣ: Độ đục, độ
dẫn, pH, nhiệt độ.Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này
trong môi trƣờng nƣớc 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 thơng số vƣợt chuẩn.
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Nguyên lý đo các loại cảm biến và vi xử lý ATmega 16
Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống

1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc
Nƣớc là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có cơng thức hóa học
là H2O.Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ nhƣ tính lƣỡng cực, liên kết
hiđrơ và tính bất thƣờng của khối lƣợng riêng) nƣớc là một chất rất quan trọng
trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống [14].
Nƣớc là thành phần quan trọng đối với cơ thể con ngƣời: Nƣớc vận chuyển
chất dinh dƣỡng và ôxy nuôi dƣỡng mọi bộ phận; là dung mơi hịa tan các chất, duy
trì nhiệt độ trung bình, tham gia q trình hấp thu và chuyển hóa thức ăn thành
năng lƣợng để cung cấp cho mọi hoạt động của cơ thể,…
Nƣớc dùng cho nhu c ầu sản xuất công nghiệp rất lớn nhƣ tạo ra điện năng
(nhà máy thủy điện Hịa bình, thủy điện Sơn La,…), dùng để làm nguội các động
cơ, làm quay các tubin, là dung mơi làm tan các hóa chất màu và các phản ứng hóa
học. Nƣớc đóng vai trị quan trọng khơng thể thiếu trong nền sản xuất nông nghiệp
lúa nƣớc, nuôi trồng và khai thác thủy sản,… Do đó nƣớc có sức ảnh hƣởng to lớn
đối với đời sống của con ngƣời và là thành phần quan trọng không thể thiếu của tất
cả các ngành nghề, lĩnh vực trong cuộc sống.
97% nƣớc trên Trái Đất là nƣớc muối, chỉ 3% còn lại là nƣớc ngọt nhƣng
hơn 2/3 lƣợng nƣớc này tồn tại ở dạng sông băng và các mũ băng ở các cực [20].
Phần cịn lại khơng đóng băng đƣợc tìm thấy chủ yếu ở dạng nƣớc ngầm, và chỉ
một tỷ lệ nhỏ tồn tại trên mặt đất và trong không khí [40].
Tình trạng ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng khơng chỉ ở
Việt Nam mà cịn xảy ra ở tất cả các quốc gia trên toàn thế giới. Nhƣ tình trạng ơ
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 nhƣ sông Tô Lịch, sơng Sét, sơng Lừ có
màu đen và hơi thối, đặc biệt là khu cơng nghiệp Biên Hịa, Đồng Nai tạo ra nguồn
nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn làm nhiễm bẩn các sơng ngịi và vùng
phụ cận.

Nƣớc dùng trong sinh hoạt của dân cƣ càng ngày càng tăng nhanh do dân số
và đô thị. Nƣớc ngầm cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng cùng với sự ô nhiễm nƣớc
sông hồ. Việc khai thác tràn lan nƣớc ngầm làm cho hiện tƣợng nhiễm mặn xảy ra
ở những vùng ven biển Thái Bình, sơng Cửu Long,…

2


Hình 1: Nguồn nƣớc trên trái đất
1.2. Các thơng số đánh giá chất lƣợng nƣớc
Các thông số vật lý
Các thông số vật lý để đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ đục, Màu sắc,
Nhiệt độ, pH, Tổng hàm chất lƣợng rắn (TS), Tổng hàm chất lƣợng rắn lơ lửng
(SS), Tổng hàm chất lƣợng rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi
(VS) [4].
Các thơng số hóa học [4]
Các thơng số hóa họcđể đánh giá chất lƣợng nƣớc gồm: Độ kiềm toàn phần,
Độ cứng của nƣớc, Hàm lƣợng oxygen hịa tan (DO), Nhu cầu oxygen hóa học
(COD), Nhu cầu oxygen sinh hóa (BOD), Một số thơng số hóa học khác trong nƣớc
(chì (Pb), sắt, nhơm, mangan, các hợp chất clorua, các hợp chất sunfat, hợp chất
nitơ, khí hịa tan, hàm lƣợng 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 trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ và độ dẫn.
1.2.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc
Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của môi trƣờng chất lỏng và đƣợc định
lƣợng bởi cƣờng độ ánh sáng bị tán xạ bởi các hạt lơ lửng trong mơi trƣờng [22].
Nhằm mục đích kiểm định chất lƣợng nƣớc, hiệp hội AWWA (American
Water Works Association) đã định nghĩa độ đục nhƣ một phép đo không đặc hiệu
của một số hạt vật liệu khơng tan đƣợc có trong nƣớc, 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 lƣởng trong nƣớc 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
nhƣ sau: Chiếu một chùm sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ ánh sáng bị
tán xạ ở 900 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, tƣơng tự,
ít ánh sáng đến các detector có nghĩa là có ít hạt hơn.
Đơn vị đo độ đục NTU đƣợc sử dụng để đáp ứng với tiêu chí thiết kế EPA.
Lƣợng ánh sáng tán xạ ảnh hƣởng bởi nhiều khía cạnh của các hạt nhƣ 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 khơng 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 ngƣời có thể phát hiện mức độ đục
khoảng dƣới mức 5 hoặc 10 NTU. Mẫu nƣớc với độ đục thấp hơn mức này có thể
nhận biết bằng mắt ngƣời, tuy nhiên những mẫu nƣớc nhƣ vậy vẫn có thể chứa một
nồng độ của các hạt keo tụ làm giảm hiệu quả khử trùng nƣớc và có thể mang một
lƣợng chất gây ô nhiễm hoặc các chất rắn này còn là nơi cƣ trú của các vi khuẩn
gây bệnh và ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con ngƣời [32].

Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch
Ngồi NTU cịn có một số thang đo độ đục khác nhƣ: Đơn vị đo độ đục
Formazin khuếch tán FNU (Formazin Nephelometric Units), Đơn vị đo độ đục
Formazin FTU (Formazin Turbidity Units), Đơn vịpha loãng Formazin FAU
(Formazin Attenuation Units) [3].
Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU.

NTU = 1 đơn vị độ đục = 1mg Si𝑂2 / 1L nƣớc cất [3].
4


Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn
nƣớc sinh hoạt phải có độ đục dƣới 5 NTU.
1.2.2. Thơng số pH của môi trƣờng nƣớc
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 nƣớc, hoạt độ
của ion hiđrô đƣợc quyết định bởi hằng số điện ly của nƣớc (Kw = 1,008 × 10−14 ở
25 °C) và tƣơng 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 hiđrơxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nƣớc có giá trị pH nhỏ hơn 7 đƣợc
coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 đƣợc coi là có tính kiềm [15].
pH có vai trị quan trọng trong hầu hết các q trình của lĩnh vực kỹ thuật
môi trƣờng, cấp nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc và xử lý nƣớc thải.
Công thức để tính pH là [15]:
pH = −𝑙𝑜𝑔10 [𝐻+]

(1)

Giá trị pH đƣợc thể hiện theo thang đo 0 - 14 nhƣ sau:

Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8].
Ở Việt Nam, theo thông tƣ ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất
lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT ngày 17/06/2009 quy định tiêu chuẩn
nƣớc sinh hoạt phải có pH trong khoảng từ 6.0÷8.5.
1.2.3. Thơng số nhiệt độ của mơi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ
Khái niệm

Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sựnóng, lạnh của một vật hoặc hệ
vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn. Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độảnh hƣởng khá
5


nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các q trình sinh hóa… của nƣớc.Vậy
nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nƣớc 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 đƣợc sử dụng chủ yếu ở các nƣớc Châu Âu.
Liên hệ giữa thang nhiệt giai Fahrenheit và nhiệt giai Celsius:
℃=

5
℉ − 32
9

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 đƣa đến khái niệm độ không tuyệt đối (nhiệt độ theo
lý thuyết mà tại đó khơng thể xuống thấp hơn đƣợc nữa). Thang đo này thƣờng
đƣợc sử dụng trong phịng thí nghiệm.
Mối liên hệ giữa thang nhiệt giai Kelvin và nhiệt giai Celsius:
𝐾 = ℃ + 273

1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trƣờng nƣớc
Khái niệm
Độ dẫn hay độ dẫn điện là khả năng của một môi trƣờng cho phép sự di
chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có lực tác động vào các hạt, ví dụ nhƣ lực
tĩnh điện của điện trƣờng. Sự di chuyển có thể tạo thành dịng điện.Cơ chế của
chuyển động này tùy thuộc vào vật chất [12].
Trong nƣớc, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển
động của các ion tích điện. Hiện tƣợng này tạo ra một dòng điện và đƣợc gọi là sự
dẫn truyền ion.
6


Độ dẫn điện của nƣớc (Electrical Conductivity - EC) liên quan đến sự có mặt
của các ion trong nƣớc. Các ion này thƣờng là muối của kim loại nhƣ NaCl, KCl,
𝑆𝑂2−4 ,𝑁𝑂−3 , 𝑃𝑂−4 v.v… Tác động ô nhiễm của nƣớc có độ dẫn điện cao thƣờng
liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nƣớc.
Do đó, độ dẫn điện của nƣớc còn tƣợng trƣng cho tổng lƣợng chất rắn hòa
tan trong nƣớc TDS (Total Dissolved Solids). TDS đƣợc đo bằng ppm (phần triệu)
hoặc mg/l.
Độ dẫn điện của nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ bởi nhiệt độ càng cao thì khả
năng dẫn điện của nƣớc cũng càng cao.Độ dẫn điện của nƣớc tăng lên 2-3% khi
nhiệt độ nƣớc tăng 1 độ C, thông thƣờng độ dẫn điện đƣợc đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn
là 25 ℃[38].
Đơn vị đo độ dẫn điện của nƣớc: [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
(𝜇𝑆)
Đơn vị thƣờng sử dụng để đo độ dẫn điện của nƣớc là:
μS/cm (microSiemens/cm) hoặc dS/m (deciSiemens/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 hịa tan trong
nƣớc, hay tổng hồ tan chất rắn TDS. Muối tan thành các ion mang điện tích dƣơng
và các ion mang điện tích âm, và dẫn điện.
Nƣớc cất khơng chứa muối hịa tan và kết quả là nó khơng dẫn điện và có độ
dẫn điện bằng khơng.
Khi nồng độ muối đạt đến một mức độ nhất định, độ dẫn điện khơng cịn liên
quan trực tiếp với nồng độ muối.Điều này là do các cặp ion đƣợc hình thành.
Độ dẫn EC đƣợc 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 lƣợng vật lý và các
đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử
lý đƣợc [2].
Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp
suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện (nhƣ
điện tích, điện áp, dịng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác
định giá trị của đại lƣợng đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo (m) [2]:
S = F(m)

(2)

(s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lƣợng đầu
vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho
phép nhận biết giá trị của (m).

Các đặc trƣng cơ bản của cảm biến gồm có: [2]
+ Độ nhạy: Độ nhạy S của cảm biến ở giá trị m = 𝑚𝑖 xác định bởi tỷ số giữa
biến thiên ∆𝑠 của đại lƣợng đầu ra và biến thiên ∆𝑚 của đại lƣợng đo ở đầu vào
quanh giá trị𝑚𝑖 :
∆𝑠

)
∆𝑚 𝑚=𝑚 𝑖

S=(

(3)

+ Độ tuyến tính: Cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một giải đo nếu có
độ nhạy khơng đổi ở mọi điểm trong dải đo đó.
+ Sai số: Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trị đo đƣợc bằng cảm biến
và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Nếu gọi x là giá trị thực của đại lƣợng cần đo,
∆𝑥 là sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của
cảm biến là 𝛿 đƣợc xác định nhƣ sau:
𝛿=

∆𝑥
𝑥

× 100(%) (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 trƣng của cảm biến cho
phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng
đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lƣợng đƣợc 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 trƣờng nƣớc.
8


1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc
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
đƣợc chiếu trực tiếp qua một mẫu chất lỏng; (2) một buồng để giữ mẫu chất lỏng;
(3) một hoặc nhiều bộ detectorquang để thu tín hiệu tán xạ ánh sáng, chúng đƣợc
đặt xung quanh buồng. Ba mẫu thiết kế của đục kế đƣợc 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 nƣớc 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 trịn); 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 đƣợc ánh sáng
tán xạ, trong khi đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế 4 chùm tia cịn có thể đo đƣợc 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 nƣớc trong thì sự gia tăng độ đục sẽ dẫn đến
tán xạ ánh sáng nhiều hơn, nhƣng đối với nƣớc 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 thƣờng hóa đọc tín hiệu

ánh sáng tán xạ dùng cách đọc tín hiệu ánh sáng truyền qua, hàng loạt những giá trị
thông thƣờng vẫn có thể tuyến tính ngay cả ở độ đục rất cao. Hiện nay, trên thị
trƣờng có rất nhiều loại đục kế khác nhau, phục vụ mục đích kiểm tra độ đục của
nƣớc, kiểm định chất lƣợng nƣớc 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 mơ hình mẫu (a) tức là dạng đục kế đơn chùm (đục kế một chùm
tia). Tín hiệu tán xạ ánh sáng sẽ đƣợc detector 900 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 phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh
Điện cực thủy tinh (Glass electrode)
Điện cực thủy tinh (hay còn đƣợc 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, đƣợc 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
Phƣơng trình của tiếp giáp P – N:
𝐼𝐷 = 𝐼0 𝑒

𝑞 .𝑉 𝐴𝐾
𝐾𝑇

− 1 và𝑉𝐴𝐾 =

𝐾𝑇
𝑞

𝐼 +𝐼0

ln⁡
(𝐷

𝐼0

) (5)

Trong đó: q là điện tích của một điện tử, K là hằng số Boltxmann, T là nhiệt

độ (K), 𝐼0 là dòng điện ngƣợc.Với một tiếp giáp P – N cụ thể 𝐼0 là hằng số, khi một
dịng điện khơng đổi 𝐼𝐷 chạy qua tiếp giáp P- N thì 𝑉𝐴𝐾 phụ thuộc tuyến tính vào
nhiệt độ của tiếp giáp.

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


𝑉0 = 𝑠. 𝑇 𝐾 = 𝑠. (273 + 𝑡[℃])(6)
+ Ƣu điểm: Giá thành thấp, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý
đơn giản.
+ Khuyết điểm: Khơng chịu nhiệt độ cao, kém bền.
+ Dải đo: -50÷ 150℃
+ Ứng dụng: Đo nhiệt độ khơng khí, nƣớc, 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 trƣờng nƣớc
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
khơng cần phải chuyển đổi ADC nhƣ cảm biến LM35 mà chỉ cần đọc giá trị mà
DS18B20 trả về rồi xuất ra LCD.
Để đọc đƣợc 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 thơng tin.

Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc

12


Hình 12: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20
Đặc điểm chính của DS18B20 nhƣ 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 trƣờng hợp khơng 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÷ 125℃. Với khoảng nhiệt độ là -10÷ 85℃
thì độ chính xác là ±0.5℃, ±0.25℃, ±0.125℃, ±0.0625℃ theo số bit config.
-Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vƣợt ngƣỡng cho phép. Ngƣời 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 đƣợc 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 nhƣ 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 nhƣ hình 14:
13


Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với các thiết bị 1- wire khác.
1.4.4. Phƣơng pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc
Độ dẫn điện của dung dịch của chất điện phân đƣợc 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 đƣợc sử dụng để tránh điện
phân. Điện trở đƣợc 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 dƣơng và dung dịch hoạt động nhƣ một dây dẫn điện [28].

Hình 15: Sự dịch chuyển của ion trong dung dịch
Cảm biến độ dẫn thƣờng bao gồm 2 điện cực đƣợc cách ly với nhau. Vật liệu
điện cực thƣờng làm bằng thép không rỉ 316, hợp kim titan-paladi hoặc cacbon.
Các điện cực đƣợc định kích thƣớc và khoảng trống tại một khoảng cách
chính xác để cho một giá trị hằng số k, đƣợc 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 vng 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 thƣớc 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 tƣơng quan tốn học khơng thay đổi nếu 1 đại lƣợng tăng và đại
lƣợng kia giảm theo tỷ lệ.
Dung dịch đo có 1-microSiemen/cm tế bào phải đƣợc cấu tạo với khoảng
trống giữa điện cực lớn nhƣng khoảng cách giữa chúng nhỏ. Với cấu tạo nhƣ 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 nƣớc cực kì tinh khiết đến nƣớc biển có độ dẫn cao [10].

15


CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ

ATMEGA 16
2.1. Cảm biến độ đục
2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng
Tính chất quang học đƣợc trình bày theo độ đục là sự tƣơng tác giữa ánh
sáng và các hạt lơ lửng trong nƣớc. Chiếu trực tiếp một chùm sáng đơn sắc qua một
mơi trƣờng nƣớc hồn tồn tinh khiết, ngay cả những phân tử trong nƣớc tinh khiết
cũng tán xạ ánh sáng ở một mức độ nhất định.Vì vậy, khơng có dung dịch nào là
khơng có độ đục (khơng có dung dịch có độ đục bằng 0) [24].
Trong các mẫu chứa có những chất rắn lơ lửng thì cách thức phát tán ánh
sáng sẽ phụ thuộc vào kích thƣớc, hình dáng và thành phần của các hạt tƣơng tác
với bƣớc sóng ánh sáng (màu) của tia sáng tới.
Sự phân bố không gian của ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kích
thƣớc hạt với bƣớc sóng của tia tới. Các hạt càng nhỏ so với bƣớc sóng thì cho
phân bố tán xạ tƣơng đối đối xứng, lƣợng ánh sáng phát tán gần nhƣ bằng nhau
theo hai phía trƣớc và sau (Hình 17) [24].

Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng
Mơ tả: Tán xạ đối xứng
Khi kích thƣớc hạt tăng so với bƣớc sóng, ánh sáng tán xạ từ các điểm khác
nhau của hạt tạo nên phần giao thoa thêm về phía trƣớc, sự giao thoa chồng chập
ánh sáng tán xạ ở phía trƣớc của hạt thì có cƣờng độ lớn hơn so với các hƣớng khác
(Hình 18 và Hình 19) [24].

Hình 18: Kích thƣớc hạt gần bằng 1/4 bƣớc sóng ánh sáng
Mơ tả: Tán xạ tập trung về phía trƣớc
16