Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và cảnh báo đa thông số môi trường không khí và nước (01/04/2025)

Tình trạng ô nhiễm môi trường nước và không khí đã rât nghiêm trọng trên toàn thế giới nói chung cũng như tại các nước đang phát triển nói riêng do tình trạng công nghiệp hóa và khai thác khoáng sản. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo các loại cảm biến cũng như các thiết bị đo đa thông số môi trường đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Từ năm 2018-2022, TS. Đỗ Trung Kiên thuộc Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã chủ trì thực hiện nhiệm vụ “Nghiên cứu chế tạo hệ thống giám sát và cảnh báo đa thông số môi trường không khí và nước”.

Mô hình đo và bố trí thí nghiệm.

Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng thành công hệ thống có thể đo đạc, thu thập và xử lý tích hợp thông số môi trường nước và không khí gồm: nhiệt độ, pH, độ đục, tổng lượng chất rắn hòa tan, lượng oxy hòa tan DO của môi trường nước; nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO₂ và khí CO, chỉ số mật độ hạt bụi PM2.5 và PM10 của không khí. Đặc biệt, hệ thống có khả năng lưu trữ và truyền về trung tâm điều khiển các thông số thông qua mạng di động GPRS, 3G/4G. Các kết quả lưu trữ có thể truy vấn thông qua tin nhắn SMS. Hệ thống sẽ tự động cảnh báo khi một trong các thông số vượt quá tiêu chuẩn tới một số điện thoại xác định dựa theo các tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng không khí. Vị trí đo đạc được định vị bằng GPS sẽ được gửi trực tiếp về trung tâm theo thời gian thực. Các kết quả đo được lưu trữ và cập nhập liên tục lên webserver và bảng điện tử hiển thị.

Triển khai nhiệm vụ, nhóm tác giả nghiên cứu chế tạo và khảo sát hoạt động cảm biến đo trở kháng dung dịch sử dụng mạch cộng hưởng thụ động LC. Hệ thống cảm biến được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm hai thành phần chính: mạch đọc tín hiệu cấu thành bởi một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép với máy phân tích mạng Network Analyzer và mạch phát hiện là một cuộn cảm đồng phẳng hình xoắn ốc được ghép nối tiếp với một cấu trúc cảm biến tạo thành một khung cộng hưởng cảm biến LC của mạch phát hiện. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, sự thay đổi tần số cộng hưởng khi kênh dẫn được bơm đầy dung dịch NaCl với nồng độ khác nhau, lần lượt là 10 mM, 50 mM, 100 mM, 500 mM và 1M so với kênh dẫn được làm đầy bởi nước DI. Đồng thời, kết quả tương ứng cho cấu trúc đề xuất giữa mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Comsol Physcis và kết quả phép đo thực nghiệm. Trong cả kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm về sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng khi kênh được bơm đầy NaCl với các nồng độ khác nhau, ứng với nồng độ NaCl tăng thì tần số cộng hưởng của khung cộng hưởng cảm biến LC giảm tường ứng. Ứng với nồng độ dung dịch NaCl thay đổi từ 10 mM đến 1 M, giá trị thực nghiệm đo được của tần số cộng hưởng thay đổi từ khoảng 124 MHz tới 116 MHz, nhỏ hơn so với tính toán mô phỏng. Sự sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết này có thể do sai số trong việc chế tạo cuộn cảm trên nền mạch in FR4 và sự không lý tưởng của các thông số điện (hằng số điện môi, độ dẫn) của các vật liệu trong thực tế.

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát hoạt động cảm biến đo nhiệt độ sử dụng mạch cộng hưởng thụ động LC khi hằng số điện môi εr của môi trường giữa 2 bản tụ C thay đổi. Hằng số điện môi ε_r phụ thuộc vào bản chất môi trường, nhiệt độ của chất điện môi,… Khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi sẽ làm thay đổi hằng số điện môi ε của vật liệu điện môi dẫn đến thay đổi điện dung của tụ điện C từ đó thay đổi tần số cộng hưởng của mạch LC. Ăng ten ngoài và cuộn cảm L của mạch LC được chế tạo giống nhau dạng xoắn ốc vuông sử dụng mạch in FR4. Máy gia nhiệt được sử dụng để thay đổi nhiệt độ trong khoảng từ 30 đến 150^oC; máy phân tích mạng được sử dụng để đo sự phụ thuộc của giá trị S11 vào nhiệt độ của mẫu đo, từ đó tính ra được sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào nhiệt độ. Nghiên cứu cũng đo được độ nhạy của cảm biến là 19.73 kHz/^oC, độ tuyến tính đạt được là R²=0.96762. Nhằm tăng độ nhạy của cảm biến nhiệt độ sử dụng mạch thụ động LC, thanh nano ZnO được phủ lên phần tụ điện C của mạch LC. Trong nghiên cứu này, dung dịch ZnO(NO)₃.6H₂O pha với dung dịch hexametylentetramin (CH₂)₆N₄ theo tỉ lệ 1:1, nồng độ thay đổi 25 mM, 50 mM và 80 mM. Về cấu trúc LC đã được phủ thanh nano ZnO cho thấy thanh nano ZnO đã phủ thành công lên tụ điện C của cấu trúc LC khi nồng độ dung dịch cơ sở thay đổi từ 25 mM đến 80 mM, mật độ của thanh nano ZnO tăng lên khi nồng độ tăng lên. Điều này dự đoán độ nhạy của cảm biến sẽ tăng khi nồng độ dung dịch cở sở tăng lên. Sau khi thanh nano ZnO mọc thành công lên cấu trúc LC, mạch thụ động LC được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ. Kết quả cho thấy độ nhạy của cảm biến đã tăng lên và đạt được từ 30.8 đến 32.9 kHz/^oC so với 19.7 kHz/^oC của cảm biến LC không sử dụng thanh nano ZnO. Độ tuyến tính tăng lên R2=0.97372~0.9961 so với không sử dụng thanh nano ZnO. Độ nhạy của cảm biến là tương đương và tốt hơn so với các nghiên cứu khác về cảm biến nhiệt độ sử dụng mạch LC thụ động. Nghiên cứu cũng chế tạo và khảo sát hoạt động cảm biến đo độ đục online dùng phương pháp đo ánh sáng tán xạ khuếch tán theo chuẩn ISO 7027. Các cảm biến được chế tạo có thể ứng dụng để xây dựng hệ đo thông số môi trường nước.

Nghiên cứu đã chế tạo thành công trạm quan trắc có khả năng đo đạc, thu thập và cảnh báo sơ bộ tình trạng ô nhiễm môi trường nước và không khí qua mạng không dây, hiển thị lên websever và bảng điện tử, trong đó hệ thống đo đa thông số môi trường nước với các thông số có thể đo gồm nhiệt độ, pH, TDS, DO và độ đục. Hệ thống có khả năng đo online các thông số và truyền dữ liệu thu thập được lên trang web thingspeak.com, cảnh báo khi một trong các thông số vượt chuẩn. Hệ thống đo đa thông số môi trường không khí gồm các thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO₂, khí CO; nồng độ bụi PM2.5 và PM10; có khả năng đánh giá chất lượng không khí AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam và đo online các thông số và truyền dữ liệu thu thập được lên trang web thingspeak.com, khả năng cảnh báo khi một trong các thông số vượt chuẩn. Hệ thống tích hợp các thông số đo được của 2 hệ thống đo môi trường nước và môi trường không khí lên hệ thống trung tâm có khả năng lưu trữ số liệu bằng thẻ SD, hiển thị giá trị đo được qua bảng điện tử và trang web sử dụng ngôn ngữ HTML. Đặc biệt, hệ thống trung tâm có thể truy xuất các số liệu đo được thông qua tin nhắn sms giúp đơn giản quá quá trình truy xuất dữ liệu đặc biệt ở các vùng khó khăn về kết nối mạng.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.