1. Định nghĩa cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến
Cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến là thiết bị phân tích chính xác, liên tục phát hiện các thông số vật lý và hóa học của các vùng nước trong thời gian thực. Nó chuyển đổi những thay đổi nhỏ về nồng độ chất hoặc cường độ đặc tính thành tín hiệu điện tiêu chuẩn, có thể xử lý, cho phép ghi, hiển thị và phân tích dữ liệu tự động 24/7 cho các hệ thống giám sát môi trường nước.
Nói một cách đơn giản, cơ chế hoạt động cốt lõi của cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến dựa vào hai khả năng chính:
cảm biến và
chuyển đổi tín hiệu..
Cảm biến : Được trang bị các bộ phận nhạy cảm chuyên dụng như điện cực ion, màng thấm và đầu dò quang học, cảm biến sẽ kích hoạt các phản ứng vật lý hoặc hóa học cụ thể với các chất mục tiêu trong mẫu nước để ghi lại những thay đổi về chất lượng nước theo thời gian thực.
Chuyển đổi tín hiệu : Những thay đổi tinh tế được tạo ra bởi các phản ứng (bao gồm chênh lệch điện thế, dòng điện, cường độ ánh sáng và nhiệt độ) được chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra điện tiêu chuẩn, bao gồm tín hiệu dòng điện tương tự 4–20 mA và tín hiệu truyền thông kỹ thuật số.
Là phần cứng cốt lõi của hệ thống giám sát môi trường nước thông minh, cảm biến giám sát chất lượng nước trực tuyến được triển khai rộng rãi ở
Hệ thống giám sát chất lượng nước nuôi trồng thủy sản , trạm giám sát tự động trực tuyến, phao giám sát môi trường nước, tàu giám sát di động và các kịch bản giám sát thời gian thực của nước công nghiệp.
2. Năm thông số đo chất lượng nước thông thường
Năm thông số chất lượng nước thông thường là các chỉ số cơ bản và có căn cứ nhất để đánh giá trạng thái cơ bản của môi trường nước, bao gồm các khía cạnh đặc tính vật lý, hóa học và sinh thái của các vùng nước. Các thông số cốt lõi được công nhận rộng rãi như sau:
Nhiệt độ nước : Một thông số hiệu chỉnh cơ bản cho hầu hết các phép đo chất lượng nước. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng oxy hòa tan trong nước, hoạt động của vi sinh vật và tốc độ phản ứng hóa học của nước, đóng vai trò là tài liệu tham khảo cơ bản để đánh giá môi trường nước.
Giá trị pH : Một chỉ số quan trọng đặc trưng cho độ axit và độ kiềm của các vùng nước. Nó ảnh hưởng sâu sắc đến sự tồn tại và sinh sản của các sinh vật dưới nước, cũng như sự di cư, biến đổi và làm giàu các chất ô nhiễm khác nhau trong nước.
Oxy hòa tan (DO) : Đề cập đến nồng độ oxy phân tử hòa tan trong nước. Đây là chỉ số đánh giá quan trọng để đánh giá khả năng tự làm sạch của các vùng nước và đánh giá tình trạng sức khỏe của môi trường sinh thái dưới nước.
Độ dẫn điện : Gián tiếp phản ánh tổng nồng độ các ion hòa tan trong nước, tương ứng với độ mặn của nước và tổng chất rắn hòa tan (TDS). Nó có thể mô tả một cách hiệu quả mức độ khoáng hóa và mức độ ô nhiễm vô cơ của các vùng nước.
Độ đục : Biểu thị mức độ cản sáng của các vùng nước do trầm tích lơ lửng, tảo, mảnh vụn hữu cơ và các chất dạng hạt khác gây ra. Đây là một chỉ số vật lý và hình ảnh quan trọng để đánh giá độ sạch của nước và mức độ ô nhiễm lơ lửng.
Lưu ý : Cấu hình của năm tham số thông thường có thể được điều chỉnh một chút cho các tình huống ứng dụng cụ thể. Đối với các nhu cầu giám sát riêng lẻ, thế oxy hóa khử (ORP) hoặc độ mặn có thể thay thế một phần các thông số, trong khi năm chỉ số trên vẫn là cấu hình tiêu chuẩn được áp dụng rộng rãi và được ngành công nhận rộng rãi nhất.
3. Phân loại và nguyên lý cảm biến chất lượng nước quang học
Cảm biến chất lượng nước quang học nhận ra việc phát hiện thông số chất lượng nước dựa trên các đặc tính tương tác quang học giữa các chất nước và ánh sáng, bao gồm sự hấp thụ ánh sáng, tán xạ, huỳnh quang và lân quang. Với đặc điểm không tiêu thụ thuốc thử, tốc độ phản hồi nhanh và khả năng chống nhiễu điện từ mạnh mẽ, chúng đã trở thành thiết bị giám sát chủ đạo trong việc phát hiện môi trường nước có độ chính xác cao. Các loại và ứng dụng chính được tóm tắt dưới đây:
3.1 Cảm biến phổ hấp thụ tia cực tím (UV-Vis)
Nguyên tắc làm việc : Theo Định luật Beer-Lambert, cảm biến phát hiện cường độ hấp thụ ánh sáng của mẫu nước ở bước sóng tử ngoại và khả kiến cụ thể, đồng thời tính toán định lượng nồng độ các chất gây ô nhiễm mục tiêu thông qua mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ và nồng độ chất.
Ứng dụng chính : Phát hiện theo thời gian thực nhu cầu oxy hóa học (COD), nitơ nitrat (NO3-N), tổng lượng carbon hữu cơ (TOC) và các chất ô nhiễm hữu cơ đặc trưng như chuỗi benzen trong nước.
3.2 Cảm biến huỳnh quang
Nguyên lý làm việc : Chiếu xạ các mẫu nước bằng ánh sáng kích thích có bước sóng cụ thể và phát hiện cường độ ánh sáng phát xạ bước sóng dài được tạo ra bởi sự kích thích của các chất huỳnh quang trong nước, để thực hiện giám sát định lượng các chất mục tiêu.
Ứng dụng chính
• Cảm biến diệp lục-a: Ước tính sinh khối và mật độ tảo bằng cách phát hiện cường độ huỳnh quang diệp lục trong nước, đưa ra cảnh báo sớm về hiện tượng tảo nở hoa và hiện tượng phú dưỡng trong nước.
• Cảm biến CDOM/FDOM: Theo dõi nồng độ chất hữu cơ hòa tan có màu (CDOM) và chất hữu cơ hòa tan huỳnh quang (FDOM), áp dụng để theo dõi ô nhiễm hữu cơ và đánh giá sinh thái nước.
• Cảm biến chất ô nhiễm dầu mỏ: Sử dụng các đặc tính huỳnh quang độc đáo của hydrocarbon thơm đa vòng trong các chất dầu mỏ để thực hiện giám sát trực tuyến sự cố tràn dầu và ô nhiễm dầu trong nước.
3.3 Cảm biến độ đục/ánh sáng tán xạ
Nguyên lý làm việc : Phát hiện cường độ tán xạ ánh sáng do các hạt lơ lửng trong nước tạo ra. Nó chủ yếu áp dụng các chế độ phát hiện ánh sáng tán xạ 90° hoặc phát hiện ánh sáng truyền qua 180° để định lượng độ đục của nước.
Các ứng dụng chính : Đo độ đục của nước theo thời gian thực trực tiếp và có độ chính xác cao trong nước mặt, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp.
3.4 Cảm biến quang phổ laze
Nguyên tắc làm việc : Sử dụng tia laser làm nguồn sáng, có ưu điểm là độ đơn sắc cao, độ sáng cao và độ nhiễu thấp. Kết hợp với quang phổ Raman và công nghệ quang phổ hấp thụ laser diode có thể điều chỉnh, nó đạt được khả năng phát hiện dấu vết siêu nhạy.
Ứng dụng chính : Phát hiện các khí hòa tan dạng vết (metan, carbon dioxide, v.v.) và các chất ô nhiễm vi mô nồng độ thấp trong nước, thích hợp để giám sát tốt môi trường nước tiêu chuẩn cao.
4. Phân loại cảm biến chất lượng nước ion
Cảm biến chất lượng nước ion là thiết bị phát hiện chuyên nghiệp các chất ion cụ thể trong nước. Công nghệ cốt lõi của họ dựa trên các điện cực chọn lọc ion và các nguyên lý cảm biến điện hóa tiên tiến. Chúng có thể nắm bắt chính xác hoạt động và nồng độ của các ion mục tiêu trong mẫu nước, có cấu trúc đơn giản, phản ứng nhanh và chi phí thấp, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong giám sát chỉ số ion chất lượng nước thông thường.
