Cảm biến đo màu


Cảm biến được sử dụng để làm gì ?

Cảm biến đo màu (Máy đo màu) được sử dụng để xác định nồng độ của một dung dịch bằng cách phân tích màu của dung dịch đó. Màu của một dung dịch có thể phụ thuộc vào bản chất của dung dịch hoặc sự thay đổi phụ thuộc vào nồng độ dung dịch một chất phản ứng. Nghiên cứu đo màu đóng vai trò cần thiết trong nhiều ngành khoa học, như hóa học, sinh học và các ngành liên quan… Cảm biến đo xác định lượng ánh sáng của từng bước sóng chọn lọc truyền qua một dung dịch mẫu thí nghiệm.

maydomau1

Sử dụng cảm biến như thế nào ?

Cảm biến này được sử dụng với thiết bị thu thập và xử lí tín hiệu cầm tay Addestation aMixer MGA. Xin vui lòng tham khảo phần Thí nghiệm minh họa tại trang tiếp theo về chi tiết cách sử dụng cảm biến này với thiết bị aMixer MGA.

Để chọn lựa bước sóng kích thích mong muốn, ban cần điều chỉnh nút chọn bước sóng (xem hình 2) để chọn một trong 3 bước sóng sau: 625 nm (ánh sáng đỏ), 520 nm (ánh sáng xanh lá cây), và 465nm (ánh sáng xanh nước biển).

maydomau2

Màu của dung dịch là màu pha trộn của các ánh sáng mà ánh sáng đó không bị hấp thụ bởi dung dịch. Vì thế, bạn có thể dùng ánh sáng có màu sắc khác so với màu dung dịch để cho ánh sáng đó bị hấp thụ và từ đó bạn có thể thu được kết quả thí nghiệm có độ chính xác cao. Ví dụ như với dung dịch đồng (II) sunfat (Cu2SO4) màu xanh nước biển, sử dụng ánh sáng màu đỏ (525nm) để có kết quả thí nghiệm tốt nhất.

Ngoài ra, có một phương pháp thí nghiệm đơn giản hơn như sau: bạn có thể cho một lọ thủy tinh nhỏ có chứa dung dịch muốn làm thí nghiệm vào cảm biến đo màu và kiểm tra xem ánh sáng đó có bước sóng nào được truyền qua dung dịch với hệ số truyền ánh sáng thấp nhất. Nhiều thí nghiệm về đo màu thường cho biết bước sóng ánh sáng nên sử dụng. Hãy sử dụng ánh sáng có bước sóng gần với giá trị đó nhất.

Lọ thủy tính kích cỡ 1cm x 1cm được thiết kế để chứa dung dịch thí nghiệm. Lọ thủy tinh đó có hai mặt có kẻ và hai mặt nhẵn. Khi cầm lọ thủy tinh, chú ý chỉ luôn cầm ở mặt có kẻ. Khi cho lọ thủy tinh vào trong máy đo màu, một mặt có kẻ của lọ phải được hướng về phía bạn (xem hình 5) sao cho mặt nhẵn của lọ thủy tinh thẳng hàng với nguồn phát ánh sáng (xem hình 3).

maydomau3

Hệ số truyền ánh sáng và hệ số hấp thụ ánh sáng:

Hệ số truyền ánh sáng cho biết lượng ánh sáng được truyền qua dung dịch. Hệ số truyền ánh sáng có thể được biểu điễn là tỉ số giữa cường độ ánh sáng của chùm sáng truyền qua dung dịch, It và cuờng độ ánh sáng chùm ban đầu Io. Hệ số truyền ánh sáng được biểu diễn bằng công thức sau

T = It /Io ———- (1)

Máy đo màu tạo ra một hiệu điện thế với sự thay đổi giá trị hiệu điện thế tỉ lệ thuận với hệ số truyền ánh sáng. Nghịch đảo của hệ số truyền ánh sáng của dung dịch thay đổi theo loga thập phân (cơ số 10) với tích số của ba hệ số; e hệ số hập thụ phân tử của dung dịch; b chiều rộng của lọ thủy tinh ; C và nồng độ mol của dung dịch.

log (1/T) = εbC ———- (2)

Một số thí nghiệm về ánh sáng có liên quan đến hệ số hấp thụ ánh sáng. Hệ số hấp thụ ánh sáng được biểu diễn bằng công thức sau:

A = log(1/T) ———- (3)

Dựa vào hai phương trình (2) và (3), thu được phương trình sau:

A = εbC ———- (4)

Công thức trên cho thấy luợng ánh sáng bị hấp thụ vởi dung dịch phụ thuộc vào khả năng hấp thụ ánh sáng của dung dịch đó, độ dài quãng đường ánh sáng truyền qua dung dịch và nồng độ của dung dịch. Giá trị e và b có thể coi là hằng số do e của cùng một dung dịch chứa trong lọ thủy tinh, với chiều rộng b của lọ không đổi. Với giả thiết trên, phương trình (4) có thể biểu diễn dưới dạng sau :

A = k C

Với k là hệ số tỉ lệ, k là hằng số. Theo phương trình trên, hệ số hấp thụ ánh sáng của một dung dịch tỉ lệ với nồng độ của dung dịch đó. Theo Định luật Beer.

Trong phần mềm và hướng dẫn sử dụng Addestation, hệ số truyền ánh sáng được biểu diễn dưới dạng %T. As T = %T/100, Phương trình (3) có thể được biểu điễn như sau:

A = log(100/%T) = 2 – log%T

Sử dụng định luật Beer để xác định nồng độ của một dung dịch :

Để xác định nồng độ một dung dịch, ta sử dụng phương pháp sau:

Sử dụng một cảm biến đo màu để xác định hệ số truyền ánh sáng T, của dung dịch với nồng độ đã biết, sau đó vẽ đồ thị của giá trị log (100 /%T) theo nồng độ của dung dịch.

Đo hệ số truyền ánh sáng, Tu của dung dịch đó với nồng độ chưa biết. Sau đó từ đồ thị log(100/%Tu) theo nồng độ dung dịch, sủ dụng phép nội suy với giá trị  (100/%T) của dung dịch với nồng độ chưa biết đo được ở trên, bạn sẽ xác định được nồng độ của dung dịch đó (xem hình 4)

maydomau4

 

Thông số kỹ thuật

1. Chú ý

Cảm biến này được thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng giáo dục, nghĩa là không được sử dụng trong bất kì các ứng dụng thương mại, công nghiệp, y học hoặc nghiên cứu nào khác.

2. Chuẩn hóa

Sự chuẩn hóa là không cần thiết đối với cảm biến này do cảm biến đã được chuẩn hóa trước khi chuyển hàng.

3. Thông số

Phạm vi hoạt động  : 0% – 100% T

Bước sóng  : 625 nm (ánh sáng đỏ), 520 nm (ánh sáng xanh lá cây), 465 nm (ánh sáng xanh nước biển)

Thí nghiệm minh họa. Xác định nồng độ của một dung dịch

1. Mục đích

Tự tìm hiểu phương pháp sử dụng cảm biến đo màu qua một thí nghiệm đơn giản về xác định nồng độ của dung dịch.

2. Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị cầm tay aMixer MGA;
Cảm biến đo màu;
Nước cất,
Dung dịch CuSO4 0.05 mol/dm³;
Dung dịch CuSO4 0.1 mol/dm³;
Dung dịch CuSO4 0.2 mol/dm³;
Dung dịch CuSO4 0.3 mol/dm³;
Dung dịch CuSO4 0.4 mol/dm³;
Mẫu A chứa dung dịch CuSO4 với nồng độ chưa xác định.
3. Các bước thí nghiệm
    1.Bật công tắc thiết bị aMixer MGA như ở hình 5. Màn hình của thiết bị hiện ra như ở hình 6.
maydomau5maydomau6
    2.Kết nối cảm biến đo màu vào Kênh 1 của thiết bị aMixer MGA. Đặt cái lẫy của đầu cắm cảm biến về phía đường kẻ trắng (Hình 7), và cắm vào; một tiếng “click” sẽ phát ra.
maydomau7
    3.Cảm biến đo màu có chức năng tự động nhận cảm biến. Trong khi kết nối, cảm biến sẽ tự động đo. Một hội thoại sẽ xuất hiện, lựa chọn ‘Máy đo màu (%T)’ (Hình 8) và ấn ‘Chạy’. Đảm bảo rằng dòng ‘Kênh 1: Máy đo màu (%T)’ xuất hiện (Hình 9); nó biểu thị cảm biến này đã được kết nối chính thức và sẵn sàng thu thập dữ liệu.
maydomau8maydomau9
    4.Chuyển sang chế độ đo “Dạng đồng hồ kim” bằng cách chọn ô icon3 như ở hình 9.
    5.Chọn bước sóng ánh sáng “625nm” sử dụng nút chọn bước sóng trên cẩm biến đo màu.
    6.Đổ nước thường vào lọ thủy tinh (cuvette) cho tới khi đầy ¾ lọ và đậy nắp lọ lại. Dán nhãn lên mặt nhám của lọ thủy tinh ghi lại nồng độ dung dịch của lọ. Chọn ô icon1 để chuẩn hóa cảm biến đo màu (Hình 9).
    7.Đổ dung dịch CuSO4 0.05 mol/dm³ vào lọ thủy tinh (cuvette) cho tới khi đầy ¾ lọ và đậy nắp lọ lại. Dán nhãn lên mặt nhám của lọ thủy tinh ghi lại nồng độ dung dịch của lọ.

Lưu ý: (i) Dung dịch không được chứa bọt khí. Nếu tồn tại bọt khí, đảo lật lọ dung dịch vài lần đến khi loại bỏ hết các bọt khí. (ii) Lau sạch và khô thành bên ngoài của lọ thủy tinh.

    8.Đặt lọ dán nhãn dung dịch CuSO4 0.05 mol/dm³ vào cảm biến đo màu và đậy nắp cảm biến đo màu. Lưu ý: Lọ thủy tinh có 2 mặt nhám và 2 mặt nhẵn. Cần đảm bảo chắc chắn rằng mặt nhẵn của lọ thủy tinh phải thẳng hàng với nguồn sáng (xem hình 10 trong trang 3).
maydomau10
    9.Chọn ô icon01 để bắt đầu thu thập dữ liệu (bạn cũng có thể ấn nút màu xanh trên thiết bị aMixer MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu). Bạn sẽ nhìn thấy chữ đang chạy “Giá trị đo …” (Hình 11) khi các dữ liệu được thu thập. Giá trị độ truyền qua cũng sẽ được hiển thị như ở hình 11.
maydomau11
    10.Lặp lại từ bước (7) đến bước (9) sử dụng dung dịch CuSO4 các nồng độ khác nhau như 0.1 mol/dm³, 0.2 mol/dm³, 0.3 mol/dm³, 0.4 mol/dm³ và mẫu A.
4. Phân tích
maydomaub1
    1.Vẽ đồ thị của giá trị log (100/%T) theo nồng độ dung dịch CuSO4.
    2.Cho biết log (100/%T) = k C, với C là nồng độ mol/dm³ của dung dịch CuSO4. Hãy ước tính giá trị của k từ đồ thị trên. Chú ý rằng hệ số tỉ lệ k có thể được xác định từ hệ số góc của đồ thị.
    3.Xác định nồng độ của dung dịch CuSO4 trong mẫu thí nghiệm A ?

Gợi ý:  Bạn có thể xác định nồng độ dung dịch CuSO4 trong mẫu A dựa vào đồ thị trên bằng một trong hai phương pháp sau (i) Sử dụng phương pháp nội suy từ đồ thị trên, hoặc (ii) sử dụng công thức đã cho ở câu hỏi 2 và giá trị của k đã xác định được.