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

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

1. 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
2. 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
3. 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 tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi 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 tôi rất nhiều trong quá 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
4. 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 thông 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
5. 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
6. 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 tròn), 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 14 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
7. 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 công suất của IR-LED vào cƣờng độ dòng 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 0- 1000 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
8. 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
9. 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
10. 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 trò 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 mô ảnh hƣởng rộng thì ô nhiễm nƣớc đang là vấn đề đáng lo ngại không chỉ của nƣớc ta mà là hiện trạng chung của các quốc gia trên toàn thế giới. Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu khoa học quy mô phòng 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 công 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 môi 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 công 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