Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

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

PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ
THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG NƢỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2016


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

PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ
THÔNG SỐ 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 - 2016


Phạm Thị Tuyết Nhung

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đƣợc thực hiện 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 trình 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 biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Thành, ngƣời
thầy đã trực tiếp hƣớng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi có thể
hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý
Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt những khoảng thời gian
tôi học tập tại bộ môn. Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các em cùng khoa đã giúp
đỡ tơi rất nhiều trong q trình làm luận văn này.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trƣờng
Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến
và Điện tử đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian rèn luyện,
học tập, nghiên cứu tại khoa Vật lý.
Đặc biệt, tôi xin cảm ơn sự quan tâm, chăm sóc, động viên của bố mẹ, em
trai, ngƣời thân và bạn bè trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ
này.
Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số
QG.15.11.

Hà Nội, tháng 12 năm 2016

Phạm Thị Tuyết Nhung

i


Phạm Thị Tuyết Nhung

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vi
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................3
1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc ....................................................................3
1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc............................................................4
1.2.1. Các thông số vật lý .....................................................................................4
1.2.1.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc ................................................4
1.2.1.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc ......................................................5
1.2.1.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ [10]
...........................................................................................................................6
1.2.2. Các thơng số hóa học..................................................................................7
1.3. Giới thiệu cảm biến...........................................................................................7
1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc ..............................9
1.4.1. Các phƣơng pháp đo độ đục .......................................................................9
1.4.2. Các phƣơng pháp đo pH ...........................................................................10
1.4.3. Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5] ............................................................12
CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ .......................................................20
2.1. Cảm biến độ đục .............................................................................................20

2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng [24] .................................................................20
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục ..........................................21
2.2. Cảm biến pH ...................................................................................................23
2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH ................................................................23
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH ................................................25
2.3. Cảm biến nhiệt độ ...........................................................................................27
2.3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20 .........................................27

ii


Phạm Thị Tuyết Nhung

2.4. Lý thuyết ADC ...............................................................................................30
2.4.1. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC) .......................................................30
2.4.1.1. Khái niệm ...........................................................................................30
2.4.1.2. Phân loại ADC và nguyên lý hoạt động ............................................30
2.5. Lý thuyết vi điều khiển ...................................................................................31
2.5.1. Các khái niệm quan trọng .........................................................................31
2.5.2. Giới thiệu họ vi điều khiển AVR .............................................................33
2.5.2.1. Tổng quan AVR và sơ lƣợc về bộ KIT AVR V4 ..............................33
2.5.2.2. Vi điều khiển Atmega 16 [40] ...........................................................34
2.6. Lý thuyết về LCD [30] ...................................................................................42
2.6.1. Khái niệm .................................................................................................42
2.6.2. Nguyên lý hiển thị của màn hình tinh thể lỏng ........................................42
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG .........................................44
3.1. Hệ thống tích hợp đo 3 thông số môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ) ....44
3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục .........................................................46
3.2.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................46
3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................48

3.2.3. Khảo sát độ nhạy của cảm biến đo độ đục ...............................................50
3.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH ...............................................................53
3.3.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................53
3.3.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................54
3.3.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét .............................................................55
3.4. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ .......................................................57
3.4.1. Chuẩn bị mẫu............................................................................................57
3.4.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................57
3.4.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét .............................................................58
KẾT LUẬN ...............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61
PHỤ LỤC ..................................................................................................................64

iii


Phạm Thị Tuyết Nhung

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trên trái đất .............................................................3
Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch ...............................................5
Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14 ............................................................................6
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 hiện-detector (hình chữ nhật), ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn), ánh sáng tán
xạ (mũi tên nhỏ). .........................................................................................................9
Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) .......................10
Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] ......................................................................10
Hình 7: Điện cực chuẩn [31] .....................................................................................10
Hình 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31] .........................................................11

Hình 9: Cấu trúc cơ bản của ISFET ..........................................................................12
Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện.......................................................13
Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện ................................................................................13
Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại .........................................14
Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại ...........................................15
Hình 14: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn ........................................15
Hình 15: Tiếp giáp P-N .............................................................................................16
Hình 16: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn ........................................16
Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế bức xạ.....................................................17
Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ....18
Hình 19: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 ..................................................18
Hình 20: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và Vi xử lý ...............................19
Hình 21: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với các thiết bị 1-wire
khác. .........................................................................................................................19
Hình 22: Kích thƣớc hạt nhỏ hơn 1 10 bƣớc sóng ánh sáng ....................................21
Hình 23: Kích thƣớc hạt gần bằng 1 4 bƣớc sóng ánh sáng .....................................21
Hình 24: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng ..............................................21
Hình 25: Nguyên lý hoạt động ..................................................................................22
Hình 26: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [31] .........................................24
Hình 27: Điện cực màng thủy tinh ............................................................................24
Hình 28: Điện cực pH ...............................................................................................26
Hình 29: Hàm chuyển đổi của điện cực pH ..............................................................26
Hình 30: Thang pH và giá trị điện thế ......................................................................27
Hình 31: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 ......................................................27
Hình 32: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire) ..........................28
Hình 33: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) ..................................30
Hình 34: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4 ......................................................34
Hình 35: Hình ảnh thực của AVR Atmega 16 ..........................................................34

iv

Phạm Thị Tuyết Nhung

Hình 36: Sơ đồ khối của Atmega 16 .........................................................................36
Hình 37: Sơ đồ chân Atmega 16 ...............................................................................38
Hình 38: Sơ đồ cấu trúc Atmega 16 ..........................................................................39
Hình 39: Sơ đồ bộ nhớ chƣơng trình.........................................................................40
Hình 40: Chu kỳ truy xuất SRAM ............................................................................41
Hình 41: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu ..................................................................................41
Hình 42: Màn hiển thị LCD 16x2 .............................................................................42
Hình 43: Ánh sáng đi qua lớp lọc đơn cực................................................................43
Hình 44: Ánh sáng đi qua 2 lớp lọc đơn cực.............................................................43
Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ ......................................44
Hình 46: Hình ảnh thực của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ.................................45
Hình 47: Các cảm biến đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống..................................45
Hình 48: Hình ảnh thực board mạch và các giá trị hiển thị trên LCD ......................46
Hình 49: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1 NTU (0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1 NTU)..47
Hình 50: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 2; 4; 6; 8; 10 NTU)..........47
Hình 51: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 10 – 100 NTU (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70;
80; 90; 100 NTU) ......................................................................................................48
Hình 52: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 100 – 1000 NTU (100; 200; 300; 400; 500;
600; 700; 800; 900; 1000 NTU) ................................................................................48
Hình 53: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục ............................................................49
Hình 54: (a) Sơ đồ nguyên lý (b) mạch chế tạo của cảm biến độ đục ......................49
Hình 55: Quang phổ của IR-LED .............................................................................49
Hình 56: Sự phụ thuộc của cơng suất của IR-LED vào cƣờng độ dịng điện ...........49
Hình 57: Sơ đồ các khối chức năng của cảm biến TCS 3200 [9] .............................50
Hình 58: Sự phụ thuộc của tần số đầu ra (output) vào độ đục trong khoảng từ 01000 NTU với cƣờng độ dòng điện qua IR-LED là : (a) 5 mA; (b) 10 mA; (c) 20
mA; (d) 30 mA; (e) 40 mA. ......................................................................................51

Hình 59: Đồ thị độ nhạy của cảm biến độ đục ..........................................................52
Hình 60: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch ..............53
Hình 61: Dung dịch chuẩn pH ..................................................................................53
Hình 62: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH ..................................................................54
Hình 63: Mạch khuếch đại tín hiệu của điện cực pH ................................................55
Hình 64: Mạch thiết kế hệ đo pH ..............................................................................55
Hình 65: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch ..................56
Hình 66: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ..............................57
Hình 67: Giá trị nhiệt độ, pH, độ đục hiển thị lên LCD............................................57
Hình 68: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 ....................................................................58
Hình 69: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình giảm nhiệt độ của nƣớc ........................58
Hình 70: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình tăng nhiệt độ của nƣớc .........................59

v


Phạm Thị Tuyết Nhung

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Các ký tự có thể hiển thị lên LCD ...............................................................43
Bảng 2: Bảng độ nhạy của cảm biến độ đục và cƣờng độ dòng điện (I), .................52
Bảng 3: Bảng so sánh giá trị pH chuẩn và pH hiển thị .............................................56

vi


Phạm Thị Tuyết Nhung

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC: Analog-to-Digital Converter

ALU: Arithmetic Logic Unit
BOD: Biochemical Oxygen Demand
CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
COD: Chemical Oxygen Demand; CPU: Central Processing Unit
CRC: Cyclic Redundancy Check
DO: Dissolved Oxygen; DS: Dissolved Solids
EEPRAM: Electrically Erasable Programmable Random Access Memory
EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
EGFET: Extended-Gate Field-Effect Transistor
FET: Field-Effect Transistor
IC: Integrated Circuit
ISFET: Ion Sensitive Field – Effect Transistor
I/O: Input/Output
LCD: Liquid Crystal Display
LSB: Least Significant Bit
MSB: Most Significant Bit
MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
NTU: Nephelometric Turbidity Units
RISC: Reduced Intruction Computer
SPI: Serial Peripheral Interface
SRAM: Static Random Access Memory
SS: Suspended Solids
TS: Total Solids; TSS: Total Suspended Solids
VĐK: Vi Điều Khiển
VS: Volatile Solids

vii


Phạm Thị Tuyết Nhung

MỞ ĐẦU
Nƣớc là nhân tố vô cùng quan trọng đối với sự sống. Nƣớc không chỉ phục
vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn thuần mà còn đóng vai trị trọng yếu để tạo ra
năng lƣợng hỗ trợ nền kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, duy trì các
dịch vụ sinh thái và những yếu tố khác trong xã hội.
Ô nhiễm nƣớc là sự thay đổi theo chiều xấu đi của các tính chất vật lý - hoá
học - sinh học của nƣớc, với sự xuất hiện của các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho
nguồn nƣớc trở nên độc hại với con ngƣời và sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa
dạng sinh vật trong nƣớc. Hiện nay, cùng với tốc độ lan truyền nhanh và quy mơ
ảnh hƣởng rộng thì ơ nhiễm nƣớc đang là vấn đề đáng lo ngại không chỉ của nƣớc ta
mà là hiện trạng chung của các quốc gia trên tồn thế giới.
Đã có rất nhiều những cơng trình nghiên cứu khoa học quy mơ phịng thí
nghiệm và các dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc, xử
lý nƣớc thải sinh hoạt và cơng nghiệp ra đời. Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo các
thông số của môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn...)
nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc là một đề tài mang tính thời sự và cấp
thiết hiện nay.
Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi
trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình.
Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nƣớc nhƣ độ đục, pH,
nhiệt độ. Sau đó nghiên cứu, tìm hiểu và chế tạo các hệ đo các thông số này trong
mơi trƣờng nƣớc.
Về khả năng ứng dụng thực tiễn, có thể ứng dụng các hệ đo trong luận văn
để đo các thông số của môi trƣờng nƣớc là độ đục, pH, nhiệt độ của các loại chất
lỏng khác nhau nhƣ: nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống, nƣớc thải
sinh hoat và cơng nghiệp,... Có thể áp dụng trong các quy trình đo đạc và xử lý
nƣớc thải hoặc kiểm định chất lƣợng nƣớc.
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan

Chƣơng 2: Lý thuyết và nguyên lý
Chƣơng 3: Thiết kế và khảo sát hệ thống

1


Phạm Thị Tuyết Nhung

Chƣơng 1 tìm hiểu và trình bày tổng quan về nƣớc và tầm quan trọng của
nƣớc, các thơng số của mơi trƣờng nƣớc, tìm hiểu chi tiết về các đại lƣợng đo là các
thông số độ đục, pH, nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc, giới thiệu về cảm biến và các
phƣơng pháp đo một số thông số mơi trƣờng nƣớc.
Chƣơng 2 trình bày về lý thuyết và nguyên lý chung, nghiên cứu nguyên lý
hoạt động của các cảm biến, các hệ đo, lý thuyết vi điều khiển, bộ chuyển đổi tƣơng
tự - số, màn hiển thị tinh thể lỏng.
Chƣơng 3 trình bày về tồn hệ thống nói chung, tiếp đó là phần thực nghiệm
với các hệ đo độ đục, pH, nhiệt độ của hệ thống, đƣa ra kết quả khảo sát cảm biến,
nhận xét từng hệ đo, và đánh giá tổng thể toàn hệ thống.
Do thời gian thực hiện cịn hạn chế, có nhiều khó khăn về trang thiết bị, tài
liệu. Do đó luận văn chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, rất
mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến và chỉ bảo của quý thầy cô và bạn đọc.

2


Phạm Thị Tuyết Nhung

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc
Nƣớc chiếm 70% diện tích quả đất. Trong lƣợng nƣớc có mặt trên quả đất,

nƣớc đại dƣơng chiếm khoảng 97%, nƣớc đóng băng ở các cực chiếm khoảng 2%,
còn lại khoảng 1% là “nƣớc ngọt” (ao hồ, sơng, nƣớc ngầm...)[4].
Nƣớc có mặt ở khắp mọi nơi và là thành phần quan trọng không thể thiếu của
tất cả các ngành nghề và mọi lĩnh vực trong cuộc sống. Nƣớc đóng vai trị quan
trọng trong cơng nghiệp khai thác và nuôi trồng thủy hải sản, nƣớc giúp tạo ra điện
năng (nhà máy thủy điện Hịa Bình, thủy điện Sơn La, thủy điện IaLy...), nƣớc đóng
vai trị khơng thể thiếu trong nền nông nghiệp lúa nƣớc của các dân tộc Á Đông từ
thuở sơ khai cho đến tận bây giờ. Nƣớc là nhân tố chính của dây chuyền cơng
nghiệp sản xuất nƣớc giải khát,... Sức ảnh hƣởng to lớn của nƣớc đối với đời sống
con ngƣời là một điều không thể phủ nhận đƣợc.

Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trên trái đất
Hiện nay, với tình trạng ơ nhiễm ngày một nặng và dân số ngày càng tăng,
nƣớc sạch dự báo sẽ sớm trở thành một thứ tài nguyên quý giá không kém dầu mỏ
trong thế kỷ trƣớc. Nhƣng không nhƣ dầu mỏ có thể thay thế bằng các loại nhiên
liệu khác nhƣ điện, nhiên liệu sinh học, khí đốt... Nƣớc không thể thay thế và trên
thế giới tất cả các dân tộc đều cần đến nó để bảo đảm cuộc sống của mình, cho nên
3


Phạm Thị Tuyết Nhung

vấn đề nƣớc trở thành chủ đề quan trọng trên các hội đàm quốc tế và những mâu
thuẫn về nguồn nƣớc đã đƣợc dự báo trong tƣơng lai [12].
Ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc ngày càng nghiêm trọng khơng chỉ với Việt Nam
mà cịn là thực trạng đáng báo động của các quốc gia trên toàn Thế giới, nhƣ tình
trạng ơ nhiễm trên bờ biển Barrow ở Alaska, sông Citarum ở Indonesia, sông Hằng
ở Ấn Độ, và sông Tô Lịch, sông Cầu, sông Nhuệ, sông Đồng Nai ở Việt Nam (có
khoảng thời gian nƣớc sơng bị acid hóa với pH xuống dƣới mức 4, nhiều sông ở
nƣớc ta bị ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nghiêm trọng với các chỉ số vƣợt mức tiêu

chuẩn cho phép từ 2 cho đến 50 lần, nhất là hàm lƣợng Colifrom, chỉ số COD, hàm
lƣợng NH 4  ,...
Để đánh giá chất lƣợng của nƣớc, ngƣời ta đã sử dụng rất nhiều các tiêu chí
khác nhau dựa trên các thơng số của mơi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, độ màu, độ dẫn,
độ cứng...)

1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc
1.2.1. Các thông số vật lý
Các thơng số vật lý gồm có: pH, Nhiệt độ, Màu sắc, Độ đục, Tổng hàm
lƣợng chất rắn (TS), Tổng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng (SS), Tổng hàm lƣợng chất
rắn hòa tan (DS), Tổng hàm lƣợng các chất dễ bay hơi (VS).
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 và nhiệt độ.
1.2.1.1. Thông số độ đục của môi trường nước
Độ đục dùng để chỉ hiện tƣợng đục của một 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, các
vật chất hữu cơ và các chất vô cơ khác [35]. Phép đo độ đục không đo trực tiếp
nồng độ các hạt lơ lửng 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). Dùng một
quy trình nhƣ sau: chiếu một chùm ánh sáng vào một mẫu chất lỏng và đo cƣờng độ
ánh sáng bị tán xạ ở 90o so với chùm tia [28]. Nếu có nhiều ánh sáng tiếp xúc với

4


Phạm Thị Tuyết Nhung

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 giải 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 thập
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 gây ảnh hƣởng nghiêm trọng
đến sức khỏe con ngƣời [36].

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 vị pha loãng Formazin FAU
(Formazin Attenuation Units) [3].
Trong đó: 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU.
1 NTU= 1 đơn vị độ đục= 1mg SiO2 / 1L nƣớc cất [3].
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.
1.2.1.2. Thông số pH của môi trường nước

5

Phạm Thị Tuyết Nhung

Thuật ngữ pH đƣợc sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính bazơ
(tính kiềm) của dung dịch. Giá trị pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion Hiđrô ( H +
), hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion Hiđrơ ( H + ). pH có vai trị
quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trƣờng, cấp nƣớc,
kiểm định chất lƣợng nƣớc và xử lý nƣớc thải.
Cơng thức để tính pH là [14]:
(1)

pH= - log10 [H+ ]

pH đƣợc chia thành thang điểm từ 0 đến 14 nhƣ sau:

Hình 3: Thang chia pH từ 0 đến 14
pH = 7 là dung dịch trung tính
pH < 7 là dung dịch acid
pH > 7 là dung dịch kiềm
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 .
1.2.1.3. Thông số nhiệt độ của môi trường nước và các thang đo nhiệt độ [10]
Khái niệm
Nhiệt độ là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sự nóng, lạnh của một vật hoặc hệ
vật trong hệ quy chiếu đƣợc chọn. Trong môi trƣờng nƣớc, nhiệt độ ảnh hƣởng khá
nhiều đến độ đục, pH, độ cứng, độ màu và các quá trình sinh hóa... của nƣớc. Vậy
nên, việc xác định nhiệt độ của mẫu nƣớc cần nghiên cứu là rất cần thiết.
Một số thang đo nhiệt độ

6

Phạm Thị Tuyết Nhung

a. Thang nhiệt giai Celsius
Thang nhiệt giai Celsius xác định nhiệt độ của các vật theo độ C (viết tắt o C
). 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
là o F ). Thang đo này đƣợc sử dụng chủ yếu ở các nƣớc Châu Âu.
c. Thang nhiệt giai Kelvin
Thang nhiệt giai Kelvin xác định nhiệt độ của các vật theo độ K (viết tắt là
K). Thang đo này thƣờng đƣợc sử dụng trong các phịng thí nghiệm.
Trong đó, mối liên hệ giữa các thang đo đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
o

C=

5 o
 F-32
9

K= o C+273

và

1.2.2. Các thơng số hóa học
Các thơng số hóa học gồm có: Độ kiềm tồn phần, Độ cứng của nƣớc, Hàm
lƣợng oxigen hòa tan (DO), Nhu cầu oxigen hóa học (COD), Nhu cầu oxigen sinh
hóa (BOD), Một số thơng số hóa học khác trong nƣớc (sắt, nhơm, mangan, các hợp

chất Clorua, các hợp chất Sulfat, các hợp chất Nitơ...). Hiện nay, một số thông số
quan trọng để đánh giá chất lƣợng nƣớc bị nhiễm độc bởi các chỉ số về hàm lƣợng
các chất độc hại có trong nƣớc nhƣ: hàm lƣợng Mê tan, hàm lƣợng Asen, Nitrit, Chì
(Pb), thuốc bảo vệ thực vật, các loại chất độc khác,...
Ngoài ra, chỉ tiêu vi sinh của nƣớc đƣợc đánh giá qua chỉ số E.Coli.
Để xác định đƣợc giá trị của các thông số môi trƣờng nƣớc cần phải sử dụng
các loại cảm biến thích hợp.

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 thơng tin cho phép xác
định giá trị của đại lƣợng đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo (m) [2]:
7


Phạm Thị Tuyết Nhung

S=F(m)

(2)

Ngƣời ta gọi (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).
Ví dụ: Cảm biến nhiệt dùng để chuyển đại lƣợng vật lý không điện (nhiệt độ)
thành tín hiệu điện (điện áp) có thể đo đạc và xử lý đƣợc.

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
trong lân cận của mi :
 s 
S 

 m mmi

(3)

-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, đƣợc đánh giá bằng %. 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  đƣợc xác định nhƣ sau:


x
100 (%)
x

(4)

Sai số có hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
-Độ tuyến tính: Cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo nếu có độ
nhạy khơng đổi ở mọi điểm trong dải đo đó.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia thành hai nhóm chính:
Cảm biến vật lý: Cảm biến sóng điện từ, cảm biến ánh sáng, cảm biến tia tử
ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp
suất, cảm biến âm thanh, cảm biến rung động, cảm biến khoảng cách, cảm biến

chuyển động, gia tốc, từ trƣờng, trọng trƣờng,...
Cảm biến hóa học: cảm biến độ ẩm, cảm biến PH, cảm biến ion, hợp chất
đặc hiệu, khói,... [11]
Trong luận văn này, các hệ đo có sử dụng một số loại cảm biến để đo độ đục,
pH và nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc.

8


Phạm Thị Tuyết Nhung

1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc
1.4.1. Các phƣơng pháp đo độ đục
Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục [22]
Hầu hết đục kế (thiết bị đo độ đục) chứa: (1) một nguồn ánh sáng đƣợc chiếu
trực tiếp qua một mẫu chất lỏng; (2) một buồng để giữ mẫu chất lỏng; và (3) một
hoặc nhiều bộ detector quang 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.
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).

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 hiện-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 bốn chùm tia cịn có thể đo đƣợc
ánh sáng truyền qua (xen kẽ giữa hai nguồn sáng). Đục kế đơn chùm 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. Đục kế tỷ lệ và đục kế điều chế độ bốn 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.

9


Phạm Thị Tuyết Nhung

Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay)
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 đƣợc detector 90o là cảm biến màu TCS 3200 thu
lại để xử lý, giúp tìm ra độ đục của mẫu chất lỏng.
1.4.2. Các phƣơng pháp đo pH
1.4.2.1. Đo pH bằng phương 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 Hidrô [33].

Hình 7: Điện cực chuẩn [31]

Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31]

10


Phạm Thị Tuyết Nhung

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 dung dịch trong điện cực và dung dịch cần đo pH bên ngồi
điện cực. Điện cực chuẩn phải có điện thế đảm bảo ổn định.

Hình 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31]
1.4.2.2. Đo pH bằng phương pháp ISFET
a. Định nghĩa
ISFET (Ion sensitive Field – Effect Transistor) là phƣơng pháp đo pH sử
dụng các transistor hiệu ứng trƣờng. Cảm biến pH này đo nồng độ ion ( H + hoặc
OH- ), gây ra một điện thế bề mặt ở cổng cách điện (gate insulator). Chúng hoạt

động nhƣ một thiết bị thế năng hoạt động tƣơng tự nhƣ một transistor hiệu ứng
trƣờng oxit kim loại bán dẫn MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect
Transistor) [25].
b. Cấu tạo và hoạt động của FET [25]
Một transistor hiệu ứng trƣờng (FET) bao gồm ba điện cực: cực nguồn
(source), cực máng (drain) và cực cổng (gate). Điện áp giữa source và drain của
FET điều chỉnh dòng điện ở điện áp cổng. Cụ thể, cơ chế điều khiển dòng này dựa
trên một điện trƣờng đƣợc tạo ra bởi điện áp đặt vào cổng gate. Đồng thời, dòng này
cũng dẫn điện đƣợc bởi có một loại hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) tùy thuộc
vào từng loại FET (kênh n hoặc kênh p). Một điện áp dƣơng đƣợc đặt lên cổng gate
tạo ra các điện tích dƣơng (lỗ trống) bị đẩy ra khỏi vùng chất nền phía dƣới cổng
gate.

Khi một điện áp đƣợc đặt vào giữa drain và source với kênh đƣợc tạo ra, một
dòng điện chạy qua kênh n này thông qua các điện tử di động (FET loại n). Trong
trƣờng hợp của một bán dẫn loại p, đặt một điện áp cổng dƣơng đã cạn kiệt lƣợng

11


Phạm Thị Tuyết Nhung

hạt mang và làm giảm độ dẫn điện, trong khi đó đặt một điện áp cổng âm dẫn đến
sự tích tụ của các hạt mang và sự tăng lên của độ dẫn điện (hiệu ứng ngƣợc xảy ra
trong chất bán dẫn loại n). Các điện áp đặt vào cổng gate tạo ra một điện trƣờng
phát triển theo hƣớng thẳng đứng [26].

Hình 9: Cấu trúc cơ bản của ISFET
Hiện nay, transistor hiệu ứng trƣờng mở rộng cổng EGFET (extended-gate
field-effect transistor) đã đƣợc giới thiệu để thay thế cho việc chế tạo các ISFET
[19]. EGFET là một cấu trúc để tách riêng biệt FET ra khỏi mơi trƣờng hóa chất,
trong đó một màng hóa nhạy đƣợc đặt vào cuối của đƣờng tín hiệu mở rộng từ các
cổng điện cực FET [34]. Cấu trúc này có rất nhiều lợi thế khi so sánh với ISFET
nhƣ sự không nhạy sáng, thụ động và đóng gói đơn giản, hình dạng linh hoạt của
các vùng cổng mở rộng... [20].
Đã có nhiều nghiên cứu khảo sát về cảm biến màng, cụ thể về EGFET
(Extended-Gate Field-Effect Transistor) là ZnO [27]. Vì ZnO có nhiều đặc tính nổi
bật nhƣ khơng độc hại, an tồn sinh học, và đặc tính trao đổi electron (điện tử) tốt
[18].
1.4.3. Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5]
Một số loại cảm biến đo nhiệt độ thông dụng:
1.4.3.1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

12


Phạm Thị Tuyết Nhung

Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
- Nguyên lý: Hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck. Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa
đầu nóng và đầu lạnh của cặp nhiệt điện thì ở ngõ ra của cặp nhiệt sẽ xuất hiện sức
điện động e phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ và phụ thuộc vào bản chất của vật
liệu dùng chế tạo cảm biến [2].

Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện
Sức điện động e sinh ra ở 2 đầu cặp nhiệt đƣợc tính bởi cơng thức:
e  K T1  T2   K .T

(5)

Trong đó: K đƣợc xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào bản chất kim loại
cấu tạo cặp nhiệt, T là độ chênh lệch nhiệt độ.
- Ưu điểm: Bền, đo đƣợc nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số nhƣ nhiệt độ môi trƣờng, độ
nhạy không cao.
- Dải đo: -100 o C÷1400 o C
- Ứng dụng: Trong sản xuất cơng nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia cơng vật liệu,
lị nhiệt, môi trƣờng khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,...
1.4.3.2. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

13

Phạm Thị Tuyết Nhung

Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại
- Cấu tạo: Gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, nikel, platinum,…đƣợc quấn tùy
theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay
đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất
định [2].
Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức
sau:
R(T )  R0 1  AT  BT 2  CT 3 

(6)

Trong đó: T đo bằng oC , R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở
của cảm biến ở 0o C , A, B, C là các hằng số và đƣợc xác định bằng cách đo điện trở
của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trƣớc.
Ở nhiệt độ thấp, phƣơng trình trên có dạng sau:
R(T )  R0 (1  T )

(7)

Với  là hệ số nhiệt của điện trở và phụ thuộc vào loại kim loại cấu tạo nên nhiệt
điện trở.
- Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây
không hạn chế.
- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện
- Dải đo: -200÷700 o C
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trƣờng hay gia

cơng vật liệu, hóa chất…
1.4.3.3. Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

14


Phạm Thị Tuyết Nhung

Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
- Nguyên lý: Điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi [2].
Phƣơng trình biểu diễn sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:
  1 1 

T 

R(T )  R0   exp      

 T0 
  T T0  

2

(8)

Trong đó: T đo bằng oC , R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở
của cảm biến ở 0o C ,  là hệ số nhiệt của điện trở.
- Ưu điểm: Bền, giá thành thấp, dễ chế tạo.
- Khuyết điểm: Tính chất phi tuyến, khơng đo đƣợc ở nhiệt độ cao.
- Dải đo: 50 150 o C

- Ứng dụng: Làm các mạch chức năng bảo vệ nhƣ mạch báo quá nhiệt, mạch bù
nhiệt, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử...
1.4.3.4. Cảm biến nhiệt bán dẫn

Hình 14: 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.

15


Phạm Thị Tuyết Nhung

-Nguyên lý: Cảm biến nhiệt bán dẫn hoạt động dựa trên nguyên tắc hoạt động của
tiếp giáp P-N [2].

Hình 15: Tiếp giáp P-N
Phƣơng trình của tiếp giáp P-N:
VAK
 q.KT

I D  I0  e
 1



và
VAK 

(9)

KT  I D  I 0 
ln 

q
 I0 

Trong đó: q là điện tích của 1 điện tử, K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ (K), I 0
là dòng điện ngƣợc.
Với một tiếp giáp P-N cụ thể I 0 là hằng số, khi một dịng điện khơng đổi I D
chạy qua tiếp giáp P-N thì VAK phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp.

Hình 16: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn
Phƣơng trình chuyển đổi của cảm biến sẽ có dạng sau:
V0  s.T [K ]  s.(273  t[ oC ])

(10)

- 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÷150 o C
- Ứng dụng: Đo nhiệt độ khơng khí, nƣớc, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.

16