Nghiên cứu nâng cao chất lượng đo nồng độ khí độc hại trong môi trường công nghiệp dùng mạng nơ ron

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, chất lượng khơng khí mơi trường dân sinh môi trường công nghiệp ngày xuống thấp Sự gia tăng nguồn khí thải nhân tạo từ hoạt động công nghiệp sinh hoạt đưa vào khí hàng trăm khí độc hại như: H2S, NH3, SO2, NOx, CO, CO2, O3 Đây hiểm họa sống đại mà lĩnh vực sản xuất ngày phát triển Bên cạnh việc nâng cao chất lượng sản xuất có tính bền vững bảo vệ mơi trường cơng tác giám sát, cảnh báo chất lượng khơng khí quan trọng Trong môi trường công nghiệp loại khí độc hại vượt tỷ lệ giới hạn định ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lao động môi trường sống người Do vậy, vấn đề nâng cao chất lượng đo lường, giám sát loại khí độc hại để đưa giải pháp hạn chế, loại bỏ chúng nhiệm vụ cấp bách quan trọng việc bảo vệ môi trường an sinh xã hội Về vấn đề này, giới Việt Nam có nhiều nhà khoa học quan tâm cơng bố nhiều kết nghiên cứu Tuy nhiên, môi trường công nghiệp phức tạp với pha trộn nhiều loại khí, bên cạnh yếu tố nhiệt độ độ ẩm mơi trường dẫn đến làm suy giảm độ xác phép đo Vì vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng cho phép đo nồng độ khí cịn tồn nhiều bất cập, hạn chế cần phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án ứng dụng ANN để nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí H2S, NH3 CO Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án cảm biến loại bán dẫn đo nồng độ khí độc hại môi trường công nghiệp Phạm vi nghiên cứu: Các loại cảm biến bán dẫn có đặc tính phi tuyến làm việc điều kiện bị ảnh hưởng yếu tố môi trường nhiệt độ độ ẩm với hỗn hợp khí đầu vào, từ đề xuất cấu trúc cảm biến ANN để nâng cao độ xác cho phép đo Phương pháp nghiên cứu 4.1 Nghiên cứu lý thuyết Luận án tập trung phân tích ưu, nhược điểm cảm biến bán dẫn phần tử quan trọng hệ thống đo phát nồng độ khí độc hại môi trường công nghiệp để đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng phép đo Nghiên cứu lý thuyết ANN nói chung ANN MLP nói riêng, ứng dụng ANN đề xuất xây dựng cấu trúc cảm biến có tích hợp ANN để nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn 4.2 Mô thực nghiệm kiểm chứng kết Kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết mô off-line phần mềm Matlab để đánh giá kết đạt giải pháp đề xuất Xây dựng mơ hình thực nghiệm tiến hành kiểm chứng thực nghiệm cảm biến thực cho ứng dụng loại trừ sai số yếu tố ảnh hưởng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án có ý nghĩa khoa học thực tiễn lĩnh vực đo lường ANN Ý nghĩa khoa học: Sử dụng phương pháp ứng dụng ANN, cơng cụ với khả tính tốn song song, bền với nhiễu lỗi số liệu đầu vào, có khả thực thi dạng phần mềm phần cứng để nâng cao chất lượng cảm biến đo nồng độ khí Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án sử dụng để tích hợp, cải tiến, chế tạo cảm biến bán dẫn đo nồng độ chất khí mơi trường cơng nghiệp Những đóng góp luận án Nghiên cứu số vấn đề lý luận mô phỏng, kiểm nghiệm thực tế nhằm ứng dụng ANN để nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí H2S, NH3 CO khí thải công nghiệp cụ thể ứng dụng:  Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN để bù sai số yếu tố ảnh hưởng, ANN có cấu trúc đơn giản có đầu vào nhiệt độ, số nơ-ron lớp ẩn thấp từ 1→2 nơ-ron để xấp xỉ xác đặc tính ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tới kết đo, từ làm sở cho ứng dụng bù, phần bù dùng phương pháp nội suy tuyến tính tính tốn, đóng góp khác biệt với cơng trình khác sử dụng ANN có hai đầu vào nhiệt độ, độ ẩm số lớp ẩn, số nơron lớp ẩn lớn  Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN có khả loại trừ tính phản ứng đa khí có khả phân biệt ước lượng xác nồng độ khí thành phần có hỗn hợp khí đầu vào  Xây dựng cấu trúc cảm biến ứng dụng mạng ANN điều chỉnh đặc tính cảm biến  Ngồi cịn đóng góp xây dựng cấu trúc cảm biến tích hợp ba chức như: Bù sai số nhiệt độ độ ẩm, khắc phục tính phản ứng đa khí điều chỉnh đặc tính cảm biến Kết cấu luận án Mở đầu: Trình bày vấn đề chung luận án, tóm tắt nội dung nghiên cứu, đóng góp kết cấu luận án Chương Tổng quan cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí mơi trường cơng nghiệp Giới thiệu cảm biến bán dẫn, số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phép đo, tổng quan cơng trình nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn, từ tổng hợp lại vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu cho giải pháp nâng cao chất lượng đo nồng độ khí độc hại mơi trường cơng nghiệp Chương Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo nâng cao chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí Đây nội dung nghiên cứu luận án, luận án đề xuất cấu trúc cảm biến ứng dụng ANN, cụ thể ANN MLP để giảm sai số ảnh hưởng, loại trừ tính phản ứng đa khí điều chỉnh đặc tính để nâng cao chất lượng cho cảm biến bán dẫn đo nồng độ chất khí Chương Mô giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo nồng độ khí đề xuất Ở chương tác giả thực mô phần mềm Matlab/Mfile giải pháp đề xuất luận án Sử dụng sở lý thuyết cấu trúc đề xuất chương Chương Xây dựng hệ thống thực nghiệm ứng dụng ANN bù sai số yếu tố ảnh hưởng cảm biến Với kết chương xác định thông số tối ưu cấu trúc ANN để triển khai thiết bị thực Sử dụng nồng độ khí chuẩn cảm biến MQ136 có ứng dụng ANN để bù sai số yếu tố ảnh hưởng đo nồng độ khí H2S nhằm khẳng định kết nghiên cứu lý thuyết Phần cuối kết luận hướng phát triển, danh mục tài liệu tham khảo cơng trình công bố luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN BÁN DẪN ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ TRONG MƠI TRƯỜNG CƠNG NGHIỆP Trong chương trình bày tiêu chuẩn chất lượng số chất khí độc hại mơi trường khơng khí, để từ làm sở lựa chọn cảm biến đo nồng độ khí mơi trường cơng nghiệp Tiếp theo nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến, tổng quan cơng trình nghiên cứu phương pháp nâng cao chất lượng cảm biến, tổng hợp lại vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu cho giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo nồng độ khí độc hại mơi trường công nghiệp 1.1 Tầm quan trọng loại cảm biến đo nồng độ khí độc hại 1.1.1 Ảnh hưởng chất khí độc hại đến sức khỏe người Như biết, người sống mơi trường sống thiếu khơng khí Tuy nhiên mơi trường khơng khí bị nhiễm nặng nề Ơ nhiễm mơi trường khơng khí vấn đề xúc môi trường đô thị, công nghiệp làng nghề nước ta giai đoạn phát triển Ô nhiễm mơi trường khơng khí có tác động xấu đến sức khoẻ người, ảnh hưởng đến hệ sinh thái biến đổi khí hậu, Cơng nghiệp hố mạnh, thị hố phát triển nguồn khí thải gây nhiễm mơi trường khơng khí nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng khơng khí theo chiều hướng xấu lớn yêu cầu bảo vệ mơi trường khơng khí quan trọng Trong loại khí độc hại phải kể tới: Khí CO (nguồn khí thải từ lị than, động ô tô, xe máy…), khí H 2S khí NH3 (nguồn khí thải sản xuất nơng nghiệp) ba loại khí độc hại hàng ngày người thường xuyên tiếp xúc - Khí CO (Cacbomonoxit), loại khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, tạo cháy khơng hồn tồn ngun liệu chứa Các bon (C) Khi hít phải CO vào máu khiến cho thể bị ngạt Ở nồng độ nhỏ gây đau đầu chóng mặt Ở nồng độ lớn gây tổn hại đến hệ thống tim mạch chí gây tử vong Khí CO hình thành nơi đốt than thiếu ơxy, từ khói thải lị gạch nơi mà than cháy khơng triệt để, ống khói nhà máy nhiệt điện dùng than đá, nồi nấu nhựa đường, khí xả động tơ, xe máy hay bếp than - Khí H2S (hidrosunfua), mang mùi thum thủm trứng thối, cực độc dễ cháy nổ H2S khí gây ngạt chúng tước đoạt ơxy mạnh; hít phải nạn nhân bị ngạt, bị viêm màng kết H2S tác động vào mắt, bị bệnh phổi hệ thống hơ hấp bị kích thích mạnh thiếu ơxy, gây thở gấp ngừng thở H2S nồng độ cao gây tê liệt hơ hấp nạn nhân bị chết ngạt Khí H2S xuất đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu (than đá, dầu ) chứa nhiều lưu huỳnh H2S bốc lên từ bùn ao, đầm thiếu ôxy (là nguyên nhân làm cá chết ngạt) hay trang trại nuôi gia cầm cơng nghiệp - Khí NH3 (amoniac) chất khí độc, có mùi khai, tan nhiều nước Trong mơi trường tự nhiên, amoniac có đất, vi khuẩn tạo trình phân hủy xác động, thực vật, chất thải từ động vật NH xuất phát từ nguồn khí nước thải nông nghiệp, công nghiệp, xem chất gây độc hại mơi trường Độc tính chất tùy thuộc vào nồng độ dạng tiếp xúc Ở hàm lượng thấp, NH gây cảm giác cay buốt, hàm lượng cao khiến mù lịa, mùi làm người dị ứng nghiêm trọng Chất xem nguyên nhân lâu dài bệnh viêm cuống phổi Xuất phát từ ảnh hưởng xấu số chất khí độc hại trên, Bộ Tài ngun mơi trường đưa quy chuẩn nồng độ tối đa cho phép số khí bảng 1.1 Bảng 1.1 Nồng độ tối đa cho phép số chất độc hại khơng khí xung quanh [1, 2] TT Thơng số Cơng thức hóa học Nồng độ cho phép (g/m3) Amoniac [2] NH3 200 Hydrosunfua [2] H2S 42 Cacbon monoxit [1] CO 30000 Dựa vào thông số bảng 1.1 làm sở lựa chọn cảm biến đo cảnh báo nồng độ khí mơi trường cơng nghiệp 1.1.2 Giới thiệu chung cảm biến đo nồng độ khí Trên hình 1.1 trình bày sơ đồ nguyên lý hệ thống đo giám sát khí mơi trường cơng nghiệp Các nồng độ khí cần đo cảnh báo cảm nhận cảm biến tương ứng, xử lý tín hiệu đo qua chuyển đổi, truyền thông để lưu trữ, hiển thị, cảnh báo Trong hệ thống khâu quan trọng định đến chất lượng hệ thống cảm biến đo nồng độ khí khâu toàn hệ thống, tiếp xúc trực tiếp với mơi trường đo Khí H2S Cảm biến Xử lí tín hiệu Chuyển đổi Truyền thơng tin qua mạng Ethernet công nghiệp -Hiển thị -Lưu trữ -In kết Khí CO Cảm biến Xử lí tín hiệu Chuyển đổi Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống giám sát nồng độ chất khí mơi trường cơng nghiệp Đo nồng độ loại khí người ta thường dùng loại cảm biến khác [8, 23] Các cảm biến đo nồng độ khí truyền thống có độ xác cao sắc ký khí, thiết bị phân tích phổ linh động ion, thiết bị phân tích phổ khối lượng thiết bị phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại Tuy nhiên, thiết bị đo có hạn chế như: kích thước lớn, cấu tạo phức tạp, giá thành cao, trình vận hành sử dụng thiết bị khó khăn thời gian phân tích dài Vì lý đó, thiết bị lắp đặt cố định khơng thích hợp cho việc thực phân tích nhanh trực tiếp trường Để đáp ứng với yêu cầu thực tế, cảm biến khí hóa học sở vật liệu dạng rắn (solid-state chemical gas sensor), cảm biến bán dẫn, cảm biến nhiệt xúc tác, cảm biến điện hóa, cảm biến dựa hiệu ứng trường số linh kiện bán dẫn, v.v nghiên cứu ứng dụng nhiều thực tế Cảm biến nhiệt xúc tác phù hợp cho phát khí cháy nổ vùng nồng độ cao Trong cảm biến bán dẫn phù hợp cho phát khí oxy hóa/khử vùng nồng độ thấp, sử dụng nhiều hệ thống đo phát khí độc hại môi trường công nghiệp Do mà cảm biến bán dẫn ứng dụng rộng rãi công nghiệp Nguyên lý làm việc cảm biến bán dẫn dựa thay đổi độ dẫn điện màng bán dẫn hấp thụ chất khí bề mặt nhiệt độ từ 150oC ÷ 500oC Có hai loại cảm biến bán dẫn sử dụng thông dụng làm từ xít kim loại: Loại màng dày làm từ ơ-xít thiếc (SnO2): loại khơng có tính chọn lọc thường dùng để phát thay đổi lớn lượng khí độc khí cháy; Loại cảm biến màng mỏng làm từ VO3 (tri-ơxít vonfam): dùng chủ yếu để phát khí hydro sunfua  Loại màng dày (SnO2) [8, 23] Loại cảm biến màng dày hình 1.2 thường cấu tạo cách nung kết ơ-xít thiếc lên điện cực gốm Điện cực mặt phẳng với sợi nung mặt lại, dạng ống với sợi nung xuyên qua ống Cuộn dây Lớp thiếc Cuộn dây Lớp thiếc Hình 1.2 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) Cơ chế phát khí cần đo loại phức tạp, đặc biệt với khí độc Nó kết hợp phản ứng bề mặt bao gồm hấp thụ khí cần đo Khi cảm biến khơng cấp nguồn, khí cần đo bám vào bề mặt dễ dàng hậu cảm biến phải nhiều để ổn định lại, điều xảy cảm biến không cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp thời gian ngắn Khi cảm biến phát có khí, điện trở lớp ơ-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi điện trở khơng tuyến tính với nồng độ khí, cần phải tuyến tính hố Cảm biến loại dễ bị ảnh hưởng độ ẩm ô-xy Với lượng nhỏ độ ẩm ơ-xy gây ổn định cho cảm biến, chí không làm việc điều kiện làm việc bình thường phục hồi trở lại  Loại màng mỏng (VO3) [8, 23] Cảm biến màng mỏng cấu tạo vật liệu không dẫn điện gắn với hai nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ơ-xít kim loại gắn vào điện cực Các phận nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Bề mặt lớp ơ-xít kim loại bình thường hấp thụ ơ-xy tạo trường điện từ đẩy electron khỏi bề mặt Khi có khí cần đo, khí đẩy ô-xy (bằng cách chiếm chỗ phản ứng), từ giải phóng electron để dẫn điện, thay đổi độ dẫn điện chất bán dẫn Độ dẫn điện chất bán dẫn nguồn tín hiệu Do ứng dụng rộng rãi công nghiệp nên cảm biến bán dẫn nghiên cứu phát triển nhiều giải pháp để nâng cao chất lượng hoàn thiện 1.2 Tổng quan số giải pháp nâng cao chất lượng cảm biến đo nồng độ khí 1.2.1 Các ưu, nhược điểm cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí Cảm biến bán dẫn có nhiều ưu điểm [4, 8] như: Độ nhạy cao, thời gian hồi đáp nhỏ, mạch điều khiển đơn giản, dễ vận hành, phản ứng với nhiều loại khí độc, hại Tuy nhiên cảm biến bán dẫn có nhiều nhược điểm, cụ thể sau: Cảm biến làm việc mơi trường cụ thể, ln chịu ảnh hưởng môi trường đo Khi nhiệt độ độ ẩm môi trường đo khác điều kiện tiêu chuẩn (ToC=20oC, RH%=65%) kết đo thay đổi rõ rệt, gây sai số cho kết đo hình 1.3 Hình 1.3 Đặc tính phụ thuộc cảm biến MQ136 vào nhiệt độ độ ẩm [45] 10