Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
Lời nói đầu

Môn học cảm biến và xử lý tín hiệu đo là một trong những môn quan trọng nhất của người kỹ
sư điện, hơn nữa đối với chúng em là những học viên chuyên ngành điều khiển và tự động hóa
thì môn học này lại càng quan trọng. Đo lường luôn là khâu đầu tiên quyết định chất lượng hệ
thống trong điều khiển bất cứ một quá trình nào, từ đơn giản đến phức tạp, từ điều khiển các
mạch điện tử công suất đến các máy plc trong công nghiệp, từ nông nghiệp đến công nghiệp, y
tế, quốc phòng…Từ ý nghĩa quan trọng, rộng lớn của môn học, chúng em luôn mong muốn phải
học thật tốt để nâng cao vốn kiến thức, nắm vững và mở rộng hiểu biết chuyên ngành. Bài tìm
hiểu này là một cơ hội để chúng em thực hiện điều đó. Qua đây, chúng em cũng xin chân thành
cảm ơn cô giáo TS Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn chúng em, cho chúng
em những kiến thức cần thiết, quý báu, để chúng em có thể thực hiện được bài tìm hiểu này. Một
lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn cô.
Do hiểu biết cũng như khả năng đọc hiểu tiếng Anh còn hạn chế, bài tìm hiểu này chắc chắn
còn nhiều sai sót, vì vậy chúng em kính mong nhận được những lời nhận xét đóng góp của cô và
các bạn để bài viết này được hoàn thiện hơn. Hà Nội ngày 26 tháng 2 năm 2013
động của ion H
+
) thành tín hiệu điện như điện
áp hoặc dòng điện. Kỹ thuật đo được nhấn
mạnh ở đây là sử dụng điện cực màng thủy
tinh, cùng một số kỹ thuật khác như pHFETs
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất
nhiều loại máy pH phổ biến, không chỉ đo pH
mà còn tích hợp đo nhiệt độ, độ mặn, độ dẫn
điện,…
Hình bên là một số máy đo pH thương phẩm
trên thị trường.

Máy đo pH /ORP/EC/TDS/mặn/nhiệt độ điện tử để bàn Mi180 Máy đo pH /EC/TDS cầm tay MARTINI SM801 (0.0 - 14.0pH; 0 - 1990
uS/cm; 0 - 1990 ppm)

1. Định nghĩa

pH là đại lượng không thứ nguyên dùng để chỉ hoạt độ của ion H
+
trong dung dịch được tính
bằng công thức sau:
pH=-log
10

< 5,6
Dịch vị dạ dày
2,0
Sữa
6,5
Nước chanh
2,4
Nước tinh khiết
7,0
Cola
2,5
Nước bọt của người khỏe mạnh
6,5 – 7,4
Dấm
2,9
máu
7,34 – 7,45
Nước cam hay táo
3,5
Nước biển
8,0
Bia
4,5
Xà phòng
9,0– 10,0
Cà phê
5,0
Amoniac dùng trong gia đình
11,5


loại kiềm, trong đó thành phần silica SiO
2
chiếm 70%. Ví dụ máy đo pH thương phẩm điện cực
thuỷ tinh được làm từ thủy tinh Corning mang nhãn hiệu 015 có thành phần bao gồm 22% Na
2
O;
6% CaO; 72% SiO
2
. Khi nghiên cứu cấu trúc của màng thủy tinh này người ta thấy về bản chất
màng tương tự như một mạng khung silicat 


trong đó mỗi nguyên tử silic liên kiết với bốn
nguyên tử oxi, mỗi nguyên tử oxi trong đó lại đồng thời liên kết với hai nguyên tử silic. Ở giữa
những khe của mạng 


lại có những cation kim loại kiềm Na
+
hoặc Ca
2+
có đủ điện tích để
trung hòa với các nhóm 


có trong mạng. Các cation kim loại kiềm có một điện tích như
Na
+
là những cation linh hoạt sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc dẫn ion qua màng theo cơ chế
trao đổi ion với dung dịch cần đo pH. Ngoài ra canxi oxit CaO được thêm vào nhằm thay đổi cấu

Khi nhúng hai điện cực: điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần đo pH thì xuất
hiện các mức điện thế khác nhau. Hình 2.2 minh họa sự khác nhau giữa các mức điện thế này Hình 2.2 Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo

Từ hình vẽ trên từ trái qua phải ta có thể liệt kê các mức điện áp như sau:
- Điện áp giữa dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl với dung dịch điện ly KCl 3M (filling
solution) trong điện cực mẫu.
- Điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu với dung dịch cần đo pH
(sample). Điện áp này rất nhỏ có thể bỏ qua.
- Điện áp giữa dung dịch cần đo pH với dung dịch điện ly KCl 3M (filling solution)
trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.
- Và cuối cùng là điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M với dây bạc phủ bạc clorua
Ag/AgCl trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh.
Ta thấy điện áp giữa điện cực mẫu và điện cực màng thủy tinh chính bằng điện áp giữa dung
dịch cần đo pH với dung dịch KCl 3M trong điện cực chỉ thị, giá trị điện áp này còn gọi là điện
áp màng được tính theo công thức sau:

, ,
net b inner b outer
  
 

Trong đó ϕ
b,inner

c t c t pH
F a F



   

Ở nhiệt độ 25
0
C hệ số 2.3


bằng 59mV/pH, ta có công thức đơn giản sau:

'''
ons tan 0.059
net
c t pH

 

Trong đó 
,,,
là hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ. Ta thấy phương trình có dạng tuyến
tính y=ax+b. Bằng cách đo điện áp của hai hay nhiều dung dịch biết trước độ pH ta dựng được
đường chuẩn biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo pH như hình 2.3 Hình 2.3 Đường chuẩn biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo pH
Cảm biến và xử lý tín hiệu đo


+ 2

= 

+ 2


Cũng như điện cực bạc/ bạc clorua, điện thế của điện cực calomel phụ thuộc vào nồng độ ion
Cl
-
. Do động năng của phản ứng lớn, nồng độ Cl
-
ổn định hơn so với ở điện cực bạc/ bạc clorua
vì vậy phép đo pH dùng điện cực loại này chính xác hơn. Tuy nhiên nhiệt độ hoạt động cho phép
của điện cực calomel là 70
0
C, còn đối với điện cực bạc/ bạc clorua nhiệt độ này là 100
0
C.
Một loại điện cực mẫu nữa cũng rất phổ biến là loại điện cực platin dựa trên sự phân ly các
muối iotdua thành ion iot. Khác với các phản ứng oxi hóa khử trong các điện cực Ag/AgCl và
calomel Hg/HgCl
2
, cả iot và các muối của nó đều tan, dẫn đến điện thế của điện cực không phụ
thuộc vào nhiệt độ.
Sự tiếp xúc giữa dung dịch chất điện ly chứa trong điện cực mẫu và dung dịch cần đo pH
được gọi là tiếp xúc lỏng (liquid function). Điện thế ở chỗ tiếp xúc này nhỏ nhất khi nồng độ
dung dịch điện ly cao, độ khuyếch tán của các cation và anion tương đương nhau. Với điện cực
Ag/AgCl và calomel, dung dịch kali clorua với nồng độ bão hòa 3mol/lit, được dùng thông dụng

Hình 2.3 Phương pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trường

pHFET khác với mosfet thường ở chỗ: cực gate của mosfet được thay thế bằng điện cực
màng đáp ứng pH được làm bằng silicon nitride, nhôm oxit, tantanlum oxit, tiếp xúc trực tiếp với
dung dịch cần đo pH. Giống như đo pH bằng điện cực màng thủy tinh, điện cực mẫu cũng tiếp
xúc với trực tiếp với dung dịch cần đo pH. Một điện áp thích hợp được sinh ra trên điện cực mẫu
(phụ thuộc vào tính chất lớp silicon) nạp cho tụ được hình thành bởi lớp silicon, lớp cách điện,
và dung dịch mẫu. Điện áp V
ds
giữa hai cực drain và source sẽ gây ra dòng I
ds
được tính bằng
công thức sau:

2
( 2.3 )
2
ds
ds ds g T
RT V
i AV C V V pH
F
   

Trong đó A là hệ số hình học, V
ds
là điện áp giữa cực drain và source, C
2
là điện dung cực
gate, V

mà đã được bán trên thị trường đó là sensor đo pH dùng điện cực kim loại/oxit kim loại và điện
cực màng lỏng.
Đo pH sử dụng điện cực kim loại/oxit kim loại
Đây là kỹ thuật đo cho phép ứng dụng với ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn. Những
điện cực kim loại này có nhiều hình dáng từ dây kim loại, đĩa, màng film mỏng, mà trên đó phủ
lớp oxit. Lớp oxit này hình thành do oxi hóa bằng nhiệt, oxi hóa điện hóa hoặc oxi hóa bằng hơi.
Các loại điện cực loại này có: W/W
2
O
3
, Sb/Sb
2
O
3
, Pt/PtO
2
, Ru/RuO
2
, Pb/PbO
2
, và Ir/IrO
2
. Trong
môi trường có ion H
+
các oxit kim loại này bị oxi hóa đến số oxi hóa thấp hơn, ví dụ như IrO
2
:

2 2 3 2

Cảm biến và xử lý tín hiệu đo
Kết luận

Để thực hiện bài tìm hiểu này chúng em đã tìm, đọc và dịch các tài liệu tiếng anh cùng một
số tài liệu giáo trình đo lường khác. Chúng em đã cố gắng tìm hiểu nguyên lý các cách đo pH
khác nhau, trong đó đi sâu vào tìm hiểu đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh. Trong quá trình
thực hiện, chúng em đã gặp phải một số khó khăn nhất là việc phải dịch tài liệu tiếng anh và do
việc đo pH liên quan rất nhiều đến kiến thức về hóa học, không phải là chuyên ngành mà chúng
em hiểu sâu nắm vững, tuy nhiên nhóm em gồm hai thành viên là Nguyễn Duy Long và Lê Thị
Kim Chung đã cố gắng khắc phục, thực hiện, hoàn thành bài viết này. Quá trình thực hiện bài
viết này đã cho chúng em cơ hội, để tìm hiểu thêm về cách đo pH và quan trọng hơn là khả năng
tự giải quyết một vấn đề đặt ra, đối mặt với những vấn đề vô cùng đa dạng và phức tạp khác sau
này. Do kiến thức và khả năng dịch tài liệu tiếng anh còn hạn chế, cũng như thời gian vừa học
vừa làm nên bài viết còn nhiều thiếu xót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của cô giáo cùng các bạn, để bài viết này được hoàn thiện hơn.

1. TS Nguyễn Thị Lan Hương. Cảm biến và xử lý tín hiệu đo.

2. John G. Webster. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook CRCnetBASE
1999.

3. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa. Kỹ thuật đo lường các đại lượng
vật lý.

4. B E Noltingk. Instrumentation Reference Book.