Một giải pháp xử lý tín hiệu nhỏ từ cảm biến pH ứng dụng kiểm soát nguồn nước trong nuôi trồng thủy sản

MỘT GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU NHỎ TỪ CẢM BIẾN PH ỨNG DỤNG KIỂM SOÁT NGUỒN NƯỚC TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN
A NEW METHOD FOR PROCESSING MINOR SIGNAL FROM PH
SENSOR APPLYING IN MONITORING WATER ENVIRONMENT IN
AQUACULTURE
Nguyễn Hữu Phát, Nguyễn Xuân Kiểm, và Trần Quốc Đạt
Viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Trong bài này, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết về cách thức hoạt động của một điện cực pH thủy tinh, cũng như các bước xử lý tín hiệu nhỏ lấy được từ điện cực pH. Để thực hiện giải pháp, chúng tôi sử dụng một điện cực pH thủy tinh, module mạch khuếch đại, vi điều khiển Arduino và một màn hình LCD để hiện thị kết quả đo được. Thực nghiệm đã nhận biết nhanh chóng sự thay đổi nồng độ pH của các nguồn nước khác nhau với thời gian đáp ứng nhỏ hon 30s để đạt được sự ổn định. Quá trình thực nghiệm của chúng tôi chia làm ba bước. Đầu tiên, chúng tôi tìm hiểu rõ cách hoạt động của một điện cực pH, giúp chúng tôi đưa ra một module mạch hợp lí. Bước thứ hai, thiết kế một module mạch dựa trên cơ sở lý thuyết đã có. Và bước cuối cùng, thực hiện quá trình đo và xử lí kết quả đo được sử dụng những dung dịch chuẩn độ pH.
Từ khóa: Điện cực pH; Arduino; dung dịch chuẩn; nồng độ pH; năng lượng
ABSTRACT
In this article, we present the details for operation of a glass pH electrode and the steps to process the minor signal from pH electrodes. We use a glass pH electrode, amplifier module, and Arduino microcontroller to conduct our method and an LCD screen to display the measured results. The experiment quickly shows the change of pH concentration of the different water sources with the response time less than 30 seconds to achieve the stability. The process of our experiment divides into three steps. Firstly, we define the operation of a pH electrode that helps us design a logical cfrcuit module. Secondly, we design a cfrcuit module based on the signal processing theory. Finally, we conduct the measuring process and settle the results using the standard pH concentration.
Key words: pH electrode; Arduỉno; NH3; NO3; pH concentration, energy consumption
Mở đầu	hưởng rất nhiều đến chất lượng của nước,
,	đặc biệt với nước hồ nuôi thủy sản thì
Nồng độ pH là một trong những việc hiết chlhh xác nồng độ pH là rất cần thông sô đặc trung cũa nuớc. Nó ánh Mjt ráu hết các hồ nuôi ngày nay đều
CÓ sử dụng một hệ thống đo đạc và xử lí nồng độ pH, để có thể đưa ra những biện pháp kịp thời khi có sự thay đổi nồng độ pH trong hồ nuôi. Tuy nhiên các thiết bị hiện có giá thành thường rất cao nên khó có khả năng áp dụng đại trà [1]. Do đó trong phạm vi bài báo này, chúng tôi sẽ xây dựng một phương pháp đo pH đơn giản dựa trên cơ sở lý thuyết về điện cực pH thủy tinh và mạch xử lý tín hiệu khi đầu ra nhỏ. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí không quá đắt nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác cao đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
Giải pháp thực hiện
Cách thức hoạt động của điện cực pH
Định nghĩa độ pH
pH là chỉ số đo độ hoạt động của các ion Hidro (H+) trong dung dịch. Thông thường, nồng độ Hidro trong các dung dịch có giá trị từ 1.0 mol/1 đến 10-14 mol/1. Biểu diễn nồng độ hidro bằng các con số này gây ra khó khăn. Do đó, các nhà khoa học tìm cách dễ dàng hơn để biểu diễn giá trị nồng độ ion hidro. Có một số phương pháp đã được đưa ra nhưng phương pháp được cộng đồng quốc tế chấp nhận là thang đo pH. Khái niệm này được S.P.L. Sorensen (1868-1939) đưa ra vào năm 1909. Công thức tính độ pH của dung dịch bất kì do ông đưa ra như sau [2]:
pH = -ZoglOp/+] (1)
Như vậy, thang đo pH sẽ có giá trị trong khoảng từ 0 đến 14. Nước tinh khiết có pH bằng 7 được gọi là trung tính, những dung dịch có pH nhỏ hơn 7 được gọi là axit, dung dịch có pH lớn hơn 7 được gọi là bazơ.
Nguyên lỉ đo độ pH
Một điện cực pH được cấu tạo bởi hai loại thủy tinh. Thân điện cực được làm bằng loại thủy tinh không dẫn điện và đầu điện cực thường có dạng hình bầu. Một điện thế cỡ mV sẽ được sinh ra giữa tiết diện của đầu thủy tinh pH với dung dịch lỏng bên ngoài. Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Độ khác nhau của điện thế tạo ra bởi lớp bên ngoài và lớp thủy hợp bên trong điện cực có thể đo bằng điện cực bạc hoặc bạc clorua. Vì dung dịch bên trong điện cực thủy tinh là dung dịch chuẩn nên giá trị pH của nó không thay đổi, cho nên điện thế thay đổi chỉ do giá trị pH của dung dịch bên ngoài gây ra và có thể đo được. Nguyên lí đo độ pH dựa trên công thức Nemst [3]:
2.303RT	...
E = E0	(2)
F
Trong đó:
E điện thế đầu ra điện cực pH(volt),
Eo là điện thế chuẩn ( volt),
R là hằng số khí lí tưởng R= 8.3144,
T là nhiệt độ môi trường (oK ),
F là hằng số Faraday F=96485.
Như vậy ở nhiệt độ T = 25°c, công thức Nemst sẽ là: E = Eo - 0.059*pH. Giá trị 0.059 được coi là hằng số Nemst và nó thay đổi theo nhiệt độ, ở 80°C giá trị này là 0.07. Theo cách tính trên, ta sẽ có thông số điện áp đầu ra của điện cực pH như trên bảng 1.
Bảng 1. Điện thế điện cực pH.
pH
15°c
25°c
50°C
80°C
0
378
413
448
490
2
270
295
320
350
4
162
177
192
220
6
54
59
64
70
8
-54
-59
-64
-70
10
-162
-177
-192
-220
12
-270
-295
-320
-350
14
-378
-413
-448
-490
2.2. Module mạch đề xuất
Nhìn vào bảng thông số điện áp của điện cực pH ở trên, ta có thể thấy là với pH lớn hơn 7 thì điện áp tạo ra sẽ mang dấu âm và với pH nhỏ hơn 7 thì điện áp tạo ra sẽ mang dấu dương. Ở 25°c, giá trị điện áp nằm trong khoảng từ -413mV đến 413mV ứng với từ pH 14 đến pH 0. Do điện áp quá nhỏ nên chúng ta cần một module mạch khuếch đại để có thể lấy được tín hiện từ điện cực pH thủy tinh. Ở đây chúng tôi đề xuất một sơ đồ khối cho mạch khuếch đại như hình 1.
Hình 1. Sơ đồ khối mạch khuếch đại.
Trước hết, nguồn điện áp tạo ra từ phản ứng điện ly như trong điện cực pH là rất nhỏ, tối đa là khoảng 550mV tùy loại điện cực. Ta có thể tính được điện áp này theo phương trình Nemst ở trên. Ví dụ ở lOOoC, tương ứng với pH 0 sẽ là:
__ 2,303.(100 + 273).8,3144 _
96485
= 518mV
Điện áp này là kết quả của phản ứng hóa học nên nó mang theo cả dòng điện bên trong nó. Dòng điện mang theo này có khả năng gây nhiễu hoặc phá hủy các Opamp nhận tín hiệu. Vì vậy, các Oparnp dùng trong các ứng dụng này phải có trở kháng đầu vào cực cao để có thể triệt tiêu hoàn toàn dòng điện này đi và chỉ lấy tín hiệu điện áp để xử lí. Đến đây, câu hỏi đặt ra là nếu tại đầu vào của Opamp gắn với điện cực pH ta mắc thêm một điện trở lớncỡ 10MÍ2 thì có tốt hơn không? Chúng tôi đã thử nghiệm mắc nối tiếp một điện trở 10MQ và kết quả cho thấy tín hiệu từ điện cực pH có sự sụt áp. Nhưng vấn đề xảy ra là sự sụt áp này không tuyến tính với nhau, ví dụ tín hiệu 177mV thì còn 150mV và tín hiệu -177mV còn -120mV. Việc này dẫn đến Opamp làm việc sai lệch và rất khó tính toán khi chuẩn độ. Do đó, không thể mắc thêm một điện trở bất kì tại đầu vào pH được. Qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy giá trị điện trở phù hựp mắc vào là từ 1KÍ1 đến 100KÍ1 Để xây dựng được một module mạch khuếch đại chính xác, cần lưu ý khi chọn linh kiện. Có rất nhiều loại Opamp có thể sử dụng cho mạch khuếch đại, nhưng để đo được tín hiệu pH chính xác thì chúng tôi sử dụng các Opamp có trở kháng đầu vào ít nhất là cỡ TeraOm. Ở module mạch khuếch đại này, chúng tôi đề xuất sử dụng Opamp CA3140, trởkháng đầu vào của Opamp này là 1.5TQ, dòng điện đầu vào cũng rất thấp, khoảng lOpA khi cấp nguồn ±15V. Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng Opamp OPA111 thayvì CA3140 để đạt độ chính xác cao hơn. Hình 2 là sơ đồ mô phỏng của mạch khuếch đại mà chúng tôi đã sử dụng.
Hình 2. Sơ đồ mô phỏng mạch khuếch đại.
Ở sơ đồ này chúng tôi sử dụng hai Opmap CA3140, Opamp thứ nhất gắn với đầu vào của điện cực pH dùng cho bộ khuếch đại, Opamp thứ hai có đầu ra nối với chân ADC của vi xử lí dù ng cho mạch trừ điện áp. Sơ đồ trên chúng tôi dùng để mô phỏng, sử dụng phần mềm Proteus. Trong sơ đồ này, chúng tôi thay thế điện cực pH thực tế bằng một nguồn Vsource có thể điều chỉnh được mức điện áp. Nguồn cấp cho Opamp CA3140 là nguồn đối xứng, ở đây chúng tôi sử dụng nguồn đối xứng ±5V. Hình 3 là sơ đồ mạch tạo nguồn điện áp ±5V.
Sau quá trình mô phỏng, chúng tôi đưa ra sơ đồ thực tế như hình 4 [4].
U4
7912
7905
Hình 3. Sơ đồ nguyên lí nguồn ±5V.
Hình 4. Sơ đồ nguyên lỉ thực tế [4],
Khi lắp thực tế, chúng tôi sử dụng thêm hai tụ điện 1JJ.F mắc vào chân 2 và chân 6 của Opamp, tác dụng của hai tụ điện này là để ổn định tín hiệu cho mạch. Opamp CA3140 thứ nhất dùng để khuếch đại tín hiệu từ điện cực pH. Hệ số khuếch đại trong sơ đồ này là:
G = l + ^- = 6
R1 (4)
Giả sử với pH 0 và pH 14, tín hiệu điện áp do điện cực tạo ra ở 25°c sẽ là 413mV và -413mV. Do đó, điện áp đầu ra của Opamp thứ nhất sẽ là: ± 413x6 = ±2.47 V. Thông thường, các chân analog của các vi điều khiển có thể cảm nhận được mức điện áp từ 0V-5V. Do đó, chúng ta sẽ phải xử lí tín hiệu ra từ Opamp thứ nhất để chân analog của vi điều khiển có thể cảm nhận được. Có rất nhiều sự lựa chọn ở đây, còn chúng tôi sử dụng một mạch khuếch đại vi sai đơn giản để thực hiện. Trước hết ta xem xét sơ đồ của một mạch khuếch đại vi sai đơn giản như hình 5 [5].
Hình 5. Mạch khuếch đại vỉ sai [5].
Theo sơ đồ trên, ta sẽ có:
Trong mạch này, chúng tôi sử dụng R3=R4=10KQ, Rl=R2=100KQ. Chúng tôi đã thử với nhiều loại điện trở và kết quả với Rl=R2=100KÍÌ đạt độ chính xác cao nhất. Như vậy, điện áp đầu ra của Opamp thứ hai sẽ là: Vout = Voffset - Vin. Trong đó, Vin là điện áp đầu ra của Opamp thứ nhất. Vì Vin như tính toán ở trên là từ -2.47V đến 2.47V nên Voffset
21
chúng tôi sử dụng ở đây là 2.5V. Cách đơn giản nhất để có Voffset này là dùng cách mắc phân áp với nguồn +5V như hình vẽ, hoặc có thể sử dụng một IC nguồn để tạo ra được nguồn ổn định hơn và tín hiệu điện áp sẽ đi vào chân ADC của vi điều khiển:
Viow = Vũffsct-Vin= 0.03V	(6)
vhigh = Voffiet - (-Vin) = 4.97V (7)
Như vậy, điện ảp đầu ra của module mạch khuếch đại sẽ là từ 0.03V đến 4.97V tương ứng với pH 0 đến pH 14. Chân analog của vi điều khiển có thể cảm nhận rất tốt dải điện áp này. Với sơ đồ nguyên lí cơ bản trên, chúng tôi tiến hành lắp mạch trên board mạch trắng, sau đó làm mạch in của module khi đã điều chỉnh ổn định.
2.3. Xử lí kết quả đo được
Các bước tiến hành đo như sau:
Bước 1: Lắp mạch theo sơ đồ nguyên lí ở trên hình 4.
Bước 2: Tiến hành đo với các dung dịch chuẩn pH 4, pH 7, và pH 10.
Bước 3: Sau khi đã có được số liệu đo ở trên, chúng tôi tính toán sự thay đổi điện áp với mỗi đơn vị pH.
Các kết quả đạt được
3.1. Kết quả thực hiện đo
Chúng tôi tiến hành đo trên chân Ao của Arduino 2560 với ba mẫu nồng độ pH chuẩn tương ứng là 4, 7, và 10. Ket quả được thể hiện như sau. Với dung dịch pH = 4, 7, và 10 sau 5s cho xuất kết quả 1 lần như trên bảng 2, 3, và 4.
Bảng 2.Tín hiệu đo được với pH = 4.
Thời gian (s)
Đầu ra khuếch đại
(mV) ’
Tín hiệu pH tính được
(mV)’
Nồng độ pH
5
1442.8
176.2
4.01
10
1436.56
177.24
3.99
15
1436.56
177.24
3.99
20
1442.8
176.2
4.01
25
1442.8
176.2
4.01
30
1447
175.5
4.02
TB
1440.1
176.65
4.00
Bảng 3.Tỉn hiệu đo được với pH =7.
Thòi gian (s)
Đầu ra khuyếch đại (mV)
Tín hiệu pH tính được (mV]
Nồng độpỄ
5
2458
7
6.88
10
2458
7
6.88
15
2458.72
6.88
6.88
20
2458.72
6.88
6.88
25
2458.72
6.88
6.88
30
2458
7
6.88
TB
2458.18
6.97
6.88
Bảng 4.Tín hiệu đo được với pH =10.
Thời gian ís)
Đầu ra khuếch đại
(mV) *
Tín hiệu pH tính được (mV)
Nồng độ pH
5
3554.8
-175.8
9.98
10
3554.8
-175.8
9.98
15
3570.16
-178.36
10.02
20
3570.16
-178.36
10.02
25
3554.8
-175.8
9.98
30
3575.44
-179.24
10.03
TB
3567.04
-177.85
10.01
3.2. Thảo luận
Với mạch mắc như trên, ở nhiệt độ phòng, chúng tôi thu được tín hiệu ứng với pH=4 là 1440,lmV, và với pH=7 là 2458,18mV. Như vậy độ chênh lệch điện áp làl018,08mV. Đem kết quả này chia cho hệ số khuếch đại là 6, ta có độ lệch áp ứng với 3 độ pH làl 69,68 mV.Do đó khi pH tăng 1 độ thì tín hiệu điện áp sẽ tăng 56,56 mV/pH. Ta thấy có sự khác biệt so với bảng thông số điện áp chuẩn ở 25°c là 59mV/pH. Sự khác biệt này do nhiều yếu tố, đặc biệt phải kể đến những nguyên nhân như điều kiện thực nghiệm không thật sự đạt tiêu chuẩn như trong phương trình của Nemst; các điện cực pH khác nhau có sai số khác nhau; và chính độ pH của những dung dịch chuẩn ở các nhiệt độ khác nhau cũng cho giá trị khác nhau.Trong thực tế, hầu hết các thực nghiệm về đo nồng độ pH đều có sự sai khác so với bảng điện áp chuẩn. Tuy nhiên sai khác này thường không được vượt quá 5%. Nếu như sử dụng bảng điện áp chuẩn ở đây, ta sẽ có tính pH = 4 theo pH =7 như sau: 7-2.87=4,13pH, độ lệch so với giá trị pH = 4 là 3.25%.
Kết luận
Chúng tôi nhận thấy để có thể thiết kế một mạch đo pH chính xác thì cần chú trọng về một số vấn đề sau: lựa chọn linh kiện phù hợp với mạch, cụ thể ở đây là Opamp phải đạt điều kiện trở kháng đầu vào cao, và để mạch hoạt động ổn định thì việc chống nhiễu cho mạch cũng rất quan trọng. Ngoài ra, do sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới tín hiệu của điện cực pH nên cần một cảm biến nhiệt độ đi kèm để có thể thực hiện việc bù nhiệt cho mạch. Với mạch đo thiết kế như ở trên, chứng tôi đã lấy được tín hiệu từ điện cực pH và xử lí đưa ra nồng độ pH tương ứng với các loại dưng dịch. Thực nghiệm cũng cho thấy giá trị sai số của mạch không vượt quá 5%.
Lòi cảm on
Kết quả nghiên cứu này nằm trong phạm vi nghiên cứu của nhiệm vụ KH&CN: Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây giám sát môi trường nước phục vụ phát triển nuôi tôm chân trắng tại Quảng Ninh được thực hiện tại Hợp đồng số 16/2015/HĐ- KHCN ký giữa Sở Khoa học và Công nghệ Quảng Ninh và Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
TÀI LỆU THAM KHẢO
EMIN, Online:
Sorensen Invents the pH Scale, Online 
pH electtode, Online:
EUTECH INSTRUMENTS, Online:
Mạch khuyech đại thuật Toán,
0nline: .hcmut.edu. vn/~bmthanh/KTDT/Chuong4_Opamp.pdf