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 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 � xuất loại trừ tính phản ứng đa khí 43 2.8 Phương pháp nội suy tuyến tính 45 2.9 Cấu trúc cảm biến đề xuất điều chỉnh đặc tính 48 2.10 2.11 Sơ đồ khối hệ tích hợp hai chức bù sai số điều chỉnh đặc tính Sơ đồ khối hệ tích hợp ba chức bù, loại trừ tính phản ứng đa khí tuyến tính hóa đặc tính 49 50 3.1 Lưu đồ thuật tốn cho q trình luyện ANN 54 3.2 Các điểm mẫu (a) đường xấp xỉ biến thiên theo độ ẩm nhiệt độ hàm tuyến tính (b) 56 viii 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Đường xấp xỉ biến thiên theo nhiệt độ độ ẩm ANN MLP Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ độ ẩm cảm biến MQ7 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc đầu cảm biến MQ7 vào nhiệt độ (a) độ ẩm RH%= 33% (b) RH%=85% Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ độ ẩm cảm biến MQ136 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc đầu cảm biến MQ136 với nhiệt độ độ ẩm (a) RH%= 33% (b) RH%=85% Biểu đồ biến thiên theo nhiệt độ độ ẩm cảm biến TSG2602 Xấp xỉ đặc tính phụ thuộc đầu cảm biến TGS 2602 với nhiệt độ độ ẩm (a) RH%= 40% (b) RH%=85% 57 57 57 58 58 59 59 3.10 Kịch cho ứng dụng mô 60 3.11 Kết bù sai số đo nồng độ khí CO=100(ppm) 61 3.12 Kết bù sai số đo nồng độ khí CO=500(ppm) 61 3.13 Kết bù sai số đo nồng độ khí H2S=50(ppm) 62 3.14 Kết bù sai số đo nồng độ khí H2S=100(ppm) 62 3.15 Kết bù sai số đo nồng độ khí NH3=5(ppm) 63 3.16 Kết bù sai số đo nồng độ khí NH3=10(ppm) 63 3.17 Cấu trúc mạng 3x3x2 65 3.18 Kết ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 3x3x2 66 3.19 Kết ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc 3x3x2 66 3.20 Cấu trúc mạng 3x4x2 67 3.21 Kết ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 3x4x2 68 ix 3.22 Kết ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 3x4x2 68 3.23 Cấu trúc mạng 4x3x2 68 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 Kết ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 4x3x2 Kết ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 4x3x2 Cấu trúc mạng 4x4x2 69 69 70 Kết ước lượng nồng độ khí NH3 với cấu trúc mạng 4x4x2 Kết ước lượng nồng độ khí H2S với cấu trúc mạng 4x4x2 71 71 3.29 Cấu trúc mạng lựa chọn 1x1x1 72 3.30 Đặc tính cảm biến MQ135 đo nồng độ khí CO 72 3.31a Xấp xỉ đặc tính cảm biến MQ135 đo khí CO 73 3.31b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu cảm biến từ 0÷5V 73 3.31c Đặc tính cảm biến MQ135 sau tuyến tính hóa 74 3.32 Đặc tính cảm biến TGS2600 đo nồng độ khí CO 74 3.33a Xấp xỉ đặc tính cảm biến TGS2600 75 3.33b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu 75 3.33c Đặc tính cảm biến TGS2600 sau tuyến tính hóa 76 3.34 Đặc tính cảm biến MQ7 đo nồng độ khí CO 76 3.35a Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu 77 3.35b Đặc tính cảm biến MQ7 sau tuyến tính hóa 77 3.35c Đặc tính sau hiệu chỉnh cảm biến MQ7 77 x 3.36 Đặc tính cảm biến TGS2444 đo nồng độ khí NH3 78 3.37a Xấp xỉ đặc tính cảm biến TGS2444 đo khí NH3 78 3.37b Mạng MLP chuẩn hóa điện áp đầu 78 3.37c Đặc tính cảm biến TGS2444 sau tuyến tính hóa 79 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 Các kết bù ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tuyến tính hóa đặc tính cảm biến nồng độ khí biến thiên (T=35oC, RH=80%) Kết bù ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tuyến tính hóa đặc tính cảm biến nồng độ khí biến thiên (T=35oC, RH=80%) (a) sai lệch so với đặc tính tuyến tính lý tưởng (b) Kết bù ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm tuyến tính hóa đặc tính cảm biến nhiệt độ độ ẩm thay đổi (nồng độ khí 1000ppm khơng thay đổi) Kết ước lượng thành phần khí NH3 chưa bù ba cảm biến trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 30÷35oC, độ ẩm từ 45÷50% Các kết ước lượng thành phần NH3 bù ba cảm biến trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 30÷35oC, độ ẩm từ ÷50% Các kết ước lượng thành phần khí H2S chưa bù ba cảm biến trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 30÷35oC, độ ẩm từ 45÷50% Các kết ước lượng thành phần khí H2S từ giá trị đo bù ba cảm biến trường hợp nhiệt độ biến thiên ngẫu nhiên từ 30 ÷ 35oC, độ ẩm từ 45 ÷ 50% 81 81 82 85 86 86 87 4.1 Sơ đồ khối thiết bị đo 90 4.2 Thiết bị chế tạo 91 4.3 Thiết bị đo với bình khí chuẩn H2S 92 xi 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 Lò tạo mơi trường đo có nhiệt độ độ ẩm chuẩn đạt ToC=20oC, RH=65% Thiết bị đặt khoang lò để tạo giá trị độ ẩm nhiệt độ khác Lò tạo mơi trường đo có nhiệt độ độ ẩm đạt ToC=40oC, RH=33% Lò tạo mơi trường đo có nhiệt độ độ ẩm đạt ToC=30oC, RH=85% Kết so sánh trước sau bù ANN mô với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=33% Kết so sánh trước sau bù ANN thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=33% Kết so sánh trước bù mô trước bù thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=33% Kết so sánh sau bù mô sau bù ANN thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=33% Kết so sánh trước sau bù ANN mơ với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=85% Kết so sánh trước sau bù thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=85% Kết so sánh trước bù mô trước bù thực nghiệm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC độ ẩm RH=85% Kết so sánh bù mô nồng độ khí chuẩn =10ppm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC Kết so sánh bù thực nghiệm nồng độ khí chuẩn =10ppm với nhiệt độ thay đổi (20÷50)oC xii 92 92 93 93 95 95 96 97 97 98 98 99 99 ...3 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... biến bán dẫn phần tử quan trọng hệ thống đo phát nồng độ khí độc hại mơi 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,...0 3.11 Kết bù sai số đo nồng độ khí CO=100(ppm) 61 3.12 Kết bù sai số đo nồng độ khí CO=500(ppm) 61 3.13 Kết bù sai số đo nồng độ khí H2S=50(ppm) 62 3.14 Kết bù sai số đo nồng độ khí H2S=100(ppm