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

M U Tính c p thi t c a đ tài Hi n nay, ch t l ng không khí mơi tr ng dân sinh c ng nh môi tr ng công nghi p ngày xu ng th p S gia t ng ngu n khí th i nhân t o t ho t đ ng công nghi p sinh ho t đ a vào khí quy n hàng tr m t n khí đ c h i nh : H2S, NH3, SO2, NOx, CO, CO2, O3 ây m t nh ng hi m h a cu c s ng hi n đ i mà l nh v c s n xu t ngày phát tri n Bên c nh vi c nâng cao ch t l ng s n xu t có tính b n v ng b o v mơi tr ng cơng tác giám sát, c nh báo ch t l ng khơng khí c ng r t quan tr ng Trong mơi tr ng cơng nghi p lo i khí đ c h i n u v t m t t l gi i h n nh t đ nh s nh h ng tr c ti p đ n s c kh e ng i lao đ ng c ng nh môi tr ng s ng c a ng i Do v y, v n đ nâng cao ch t l ng đo l ng, giám sát lo i khí đ c h i đ đ a gi i pháp h n ch , lo i b chúng nhi m v c p bách quan tr ng vi c b o v môi tr ng an sinh xã h i V v n đ này, th gi i Vi t Nam có nhi u nhà khoa h c quan tâm công b nhi u k t qu nghiên c u c a Tuy nhiên, môi tr ng công nghi p r t ph c t p v i s pha tr n c a r t nhi u lo i khí, bên c nh y u t nhi t đ đ m c a môi tr ng c ng d n đ n làm suy gi m đ xác c a phép đo Vì v y v n đ nghiên c u nâng cao ch t l ng cho phép đo n ng đ khí v n t n t i nhi u b t c p, h n ch c n ph i ti p t c nghiên c u, hoàn thi n M c đích nghiên c u M c đích nghiên c u c a lu n án ng d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 CO i t ng nghiên c u ph m vi nghiên c u i t ng nghiên c u c a lu n án c m bi n lo i bán d n đo n ng đ khí đ c h i môi tr ng công nghi p Ph m vi nghiên c u: Các lo i c m bi n bán d n có đ c tính phi n làm vi c u ki n b nh h ng c a y u t môi tr ng nh nhi t đ đ m v i h n h p khí đ u vào, t đ xu t c u trúc c m bi n ANN đ nâng cao đ xác cho phép đo Ph ng pháp nghiên c u 4.1 Nghiên c u lý thuy t Lu n án t p trung phân tích nh ng u, nh c m c m bi n bán d n ph n t quan tr ng h th ng đo phát hi n n ng đ khí đ c h i môi tr ng công nghi p đ đ xu t ph ng pháp nâng cao ch t l ng phép đo Nghiên c u lý thuy t ANN nói chung ANN MLP nói riêng, ng d ng ANN đ xu t xây d ng c u trúc c m bi n có tích h p ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n 4.2 Mô ph ng th c nghi m ki m ch ng k t qu Ki m ch ng k t qu nghiên c u lý thuy t b ng mô ph ng off-line ph n m m Matlab đ đánh giá nh ng k t qu đ t đ c c a gi i pháp đ xu t Xây d ng mơ hình th c nghi m ti n hành ki m ch ng b ng th c nghi m c m bi n th c cho ng d ng lo i tr sai s c a y u t nh h ng ụ ngh a khoa h c th c ti n c a đ tài Lu n án có ý ngh a khoa h c th c ti n l nh v c đo l ng ANN Ý ngh a khoa h c: xu t ph ng pháp ng d ng m i ANN đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n đo n ng đ khí Ph ng pháp góp ph n ti p t c minh ch ng ANN công c v i kh n ng tính tốn song song, b n v i nhi u l i c a s li u đ u vào, có kh n ng th c thi d i d ng ph n m m ho c ph n c ng Ý ngh a th c ti n: K t qu nghiên c u c a lu n án có th s d ng đ tích h p, c i ti n, ch t o m i c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí mơi tr ng cơng nghi p Nh ng đóng góp m i c a lu n án Nghiên c u m t s v n đ lý lu n mô ph ng, ki m nghi m th c t nh m ng d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H 2S, NH3 CO khí th i công nghi p c th ng d ng:  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN đ bù sai s c a y u t nh h ng nh nhi t đ , đ m, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào nhi t đ môi tr ng, s n -ron l p n th p ch t 1÷2 n -ron đ x p x xác đ c tính nh h ng c a nhi t đ đ m t i k t qu đo, t làm c s cho ng d ng bù Ph n bù s d ng ph i h p ph ng pháp n i suy n tính tính tốn b ng m ng ANN, đóng góp m i khác bi t v i cơng trình khác s d ng ANN có hai đ u vào nhi t đ , đ m s l p n, s n -ron l p n l n  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có kh n ng lo i tr tính ph n ng đa khí hay nói cách khác có kh n ng phân bi t c l ng xác đ c n ng đ khí thành ph n có h n h p khí đ u vào  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có th u ch nh đ c tính c a c m bi n  Ngồi đóng góp xây d ng c u trúc c m bi n tích h p ba ch c n ng nh : Bù sai s nhi t đ đ m, kh c ph c tính ph n ng đa khí u ch nh đ c tính c a c m bi n CH NG T NG QUAN V CÁC C M BI N BÁN D N O N NG KHệ TRONG MÔI TR NG CÔNG NGHI P 1.1 T m quan tr ng c a lo i c m bi n đo n ng đ khí đ c h i 1.1.1 nh h ng c a ch t khí đ c h i đ n s c kh e ng i Ơ nhi m mơi tr ng khơng khí có tác đ ng x u đ n s c kho ng i, nh h ng đ n h sinh thái bi n đ i khí h u, Cơng nghi p hố m nh, th hố phát tri n ngu n khí th i gây nhi m mơi tr ng khơng khí nhi u Trong lo i khí đ c h i ph i k t i: Khí CO (ngu n khí th i t lò than, đ ng c tơ, xe máy…), khí H2S khí NH3 (ngu n khí th i s n xu t nông nghi p) m t lo i khí hàng ngày ng i th ng xuyên ti p xúc B Tài nguyên môi tr ng đ a nh ng quy chu n n ng đ t i đa cho phép c a m t s khí Do đó, đ b o v mơi tr ng cơng tác giám sát, c nh báo ch t l ng khơng khí vô quan tr ng 1.1.2 Ải i thi u chung v c m bi n đo n ng đ khí Trên hình 1.1 trình bày s đ nguyên lý m t h th ng đo giám sát n ng đ ch t khí mơi tr ng cơng nghi p Khí H2S Khí CO C m bi n X lí tín hi u Chuy n đ i Truy n thông tin qua m ng Ethernet công nghi p C m bi n X lí tín hi u -Hi n th -L u tr -In k t qu Chuy n đ i Hình 1.1 S đ h th ng giám sát n ng đ ch t khí mơi tr ng công nghi p o n ng đ lo i khí ng i ta th ng dùng lo i c m bi n khác nhau: [8, 23] c m bi n đo n ng đ khí truy n th ng có đ xác cao s c ký khí, thi t b phân tích ph Tuy nhiên, thi t b đo có h n ch nh : kích th c l n, c u t o ph c t p, giá thành cao, trình v n hành s d ng thi t b khó kh n th i gian phân tích dài Do đó, thi t b đ u đ c l p đ t c đ nh khơng thích h p cho vi c th c hi n phân tích nhanh tr c ti p t i hi n tr ng đáp ng đ c v i yêu c u th c t , c m bi n khí hóa h c c s v t li u d ng r n, c m bi n bán d n, c m bi n nhi t xúc tác, c m bi n n hóa, c m bi n d a hi u ng tr ng c a m t s linh ki n bán d n, v.v đ c nghiên c u ng d ng nhi u th c t Nguyên lý làm vi c c a c m bi n bán d n d a s thay đ i đ d n n c a màng m ng bán d n h p th ch t khí b m t nhi t đ t 150oC ÷ 500oC Có hai lo i c m bi n bán d n đ c s d ng thông d ng nh t đ c làm t ô-xít kim lo i: Lo i màng dày (SnO2) lo i màng m ng (VO3) 1.2 T ng quan v m t s gi i pháp nơng cao ch t l ng c m bi n đo n ng đ khí 1.2.1 Các u, nh c m c a c m bi n bán d n C m bi n bán d n có nhi u u m [4, 8]: nh y cao, th i gian h i đáp nh , m ch u n đ n gi n, d v n hành, ph n ng đ c v i nhi u lo i khí đ c, h i Tuy nhiên c m bi n bán d n c ng có nhi u nh c m, c th nh sau: B nh h ng b i y u t môi tr ng nhi t đ đ m, ph n ng v i đa khí đ c tính làm vi c phi n 1.2.2 T ng quan gi i pháp nâng cao ch t l ng V i u nh c m c a c m bi n bán d n đ s d ng t t c n ph i có gi i pháp nâng cao ch t l ng là:  Bù sai s c a y u t nh h ng nhi t đ đ m c a mơi tr ng đo  Lo i tr tính ph n ng đa khí  i u ch nh đ c tính c a c m bi n 1.3 Tình hình nghiên c u nơng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí 1.3.1 Tình hình nghiên c u ngồi n c Các cơng trình nghiên c u ngồi n c v v n đ nâng cao ch t l ng đo n ng đ khí đ c nhi u tác gi quan tâm, gi i quy t theo hai h ng chính: - Gi i pháp truy n th ng, ng d ng k thu t vi x lý [23, 25…] Tuy nhiên gi i pháp s d ng m ch ph n c ng th ng thích h p h n cho nhà s n xu t n c ngồi trình đ cơng ngh ch t o n c ch a đáp ng đ c yêu c u đ xác cao - Gi i pháp bù b ng ph n m m xây d ng hàm u ch nh đ c trình bày [20, 31, 50…] Nhìn chung, đa s ph ng pháp tính tốn, x lý ho c có u c u tính tốn l n, ho c yêu c u v thi t b ho c m ch tích h p cao Các ph ng pháp đ n gi n h n nh thu t tốn n tính hóa, LUT, ph i ch p nh n sai s l n h n M t khác ph ng pháp ch a đ t đ c tính t h p c đ ng cao c u trúc c a h th ng đo tránh nh ng nh c m c a ph ng pháp truy n th ng, gi i pháp ng d ng công c hi n đ i nh lý thuy t m , lý thuy t ANN đ c nghiên c u tri n khai K t qu c a hàng lo t cơng trình ch ng minh cho tính kh thi [14, 15, 18, 38 ] Tuy nhiên ng d ng ANN có c u trúc m ng ph c t p (MLP đ u vào) [33], s n -ron l p n cho toán bù sai s c a y u t nh h ng l n (11 n -ron n [14], 25 n -ron n [9]), k t qu sai s l n 14,3ppm [15] V i m t h n h p nhi u khí m ng MLP ch nh n d ng mà không đ a k t qu c l ng xác n ng đ c a khí thành ph n Khi c l ng đ c n ng đ khí l i dùng lo i m ng ph c t p, ho c ph i k t h p hai lo i m ng (m ng lai) [15] 1.3.2 Tình hình nghiên c u n c Cơng trình [9] ng d ng ANN MLP đ thơng minh hóa c m bi n đo l ng xây d ng m t thu t toán thi t k ANN ng d ng cho c m bi n đo l ng đ t đ c thông s c u trúc t i u cho c u trúc ANN Tác gi c a [9] nghiên c u m t s toán c th n tính hóa đ c tính c a c m bi n có d ng đ ng cong sang d ng đ ng th ng, đ ng th i ng d ng ANN đ bù sai s y u t nh h ng c a nhi t đ mà ch a xét t i s nh h ng c a đ m C u trúc ANN ph c t p t i đ u vào cho ng d ng bù sai s c a c m bi n đo đ pH gây b i y u t nh h ng nhi t đ dung d ch, s n -ron l p n xác đ nh đ c tr ng h p 25 n -ron Ngoài c hai tốn n tính hóa bù sai s đ c gi i quy t đ c l p, riêng r ch a tích h p m t lo i c m bi n k t qu ch d ng l i tốn mơ ph ng ch a có th c nghi m 1.4 nh h ng nghiên c u c a lu n án Qua t ng k t cơng trình nghiên c u n c áp d ng gi i pháp đ nâng cao ch t l ng cho c m bi n bán d n đo n ng đ khí nh n th y: Các gi i pháp nghiên c u đ u có nh ng u, nh c m nh t đ nh Gi i pháp truy n th ng đ n gi n nh ng tính hi u qu l i khơng cao Gi i pháp hi n đ i dùng lo i m ng ph c t p nh SOM, ART hay m ng lai, m ng đ n gi n MLP l i có c u trúc ph c t p, s đ u vào nhi u, s l p n s n -ron l p n l n, u s nh h ng l n đ n t c đ x lý H n n a cơng trình nghiên c u tr c ch c n ng nâng cao ch t l ng cho m t phép đo đ c l p, m t ch c n ng cho m t c m bi n riêng r , ch a tích h p đ c nhi u ch c n ng m t c m bi n, ch a gi i quy t đ c ng d ng v a bù sai s c a y u t nh h ng v a lo i tr tính ph n ng đa khí v a u ch nh đ c tính c m bi n Ngồi hi n th c hóa ANN đ c nghiên c u ng d ng nhi u n c có cơng ngh tiên ti n, nh ng chip n -ron th ng ph m có đ c gi i thi u [26, 27] V n đ đ t c n nghiên c u hi n th c hóa ANN u ki n Vi t Nam, n i đ a hóa vi c thi t k c m bi n có áp d ng gi i pháp nâng cao ch t l ng dùng ANN cho c m bi n đo n ng đ khí mơi tr ng cơng nghi p ây nhi m v có tính c p thi t có tính kh thi cao tình hình cơng nghi p đ t n c phát tri n, môi tr ng b ô nhi m hu ho i T khía c nh nghiên c u đó, v n đ nghiên c u đ c đ t ng d ng ANN có c u trúc đ n gi n đ kh c ph c nh c m c a c m bi n bán d n 1.5 K t lu n ch ng Ch ng th c hi n:  T ng quan v c m bi n gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí  T ng quan cơng trình nghiên c u nâng cao ch t l ng c m bi n khí liên quan, ch rõ nh ng v n d gi i quy t nh ng v n đ t n t i c a h ng nghiên c u  Xác đ nh rõ n i dung nghiên c u c a lu n án ng d ng ANN có c u trúc đ n gi n đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n b ng gi i quy t n i dung sau: Bù sai s c a y u t nh h ng, kh c ph c tính ph n ng đa khí, u ch nh đ c tính c a c m bi n sau tích h p c ba ch c n ng m t h th ng đo n ng đ khí Các nghiên c u lý thuy t c a ch ng s ti n đ c s lý lu n cho ch ng xây d ng c u trúc h th ng đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n Ch ng NG D NG M NG N -RON NHÂN T O NÂNG CAO CH T L NG C M BI N BÁN D N O N NG KHÍ 2.1 C s lỦ thuy t c a ANN MLP Trong lu n án ng d ng ANN MLP v i c u trúc đ n gi n, h p lý đ c l a ch n gi i pháp c ba v n đ đ c đ c p đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n đo n ng đ khí 2.2 ng d ng ANN nơng cao ch t l ng c m bi n 2.2.1 C u trúc c m bi n ng d ng ANN nâng cao ch t l ng c m bi n Lu n án đ xu t m t c u trúc c m bi n chung ng d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n đo n ng đ khí mơi tr ng cơng nghi p đ c th hi n hình 2.1 M c đích đ a khâu n -ron vào c m bi n nh m t o nh ng đ c tính mong mu n cho ng d ng nâng cao ch t l ng u c a c m bi n m i có ng d ng ANN s có nh ng tính ch t u vi t h n đ u c a c m bi n c C u trúc có hai khâu ch c n ng chính: c m bi n chuy n đ i n -ron N ng đ ch t khí c n đo CB MNN C m bi n n ron M ch đo th c p Hình 2.1 S đ c u trúc chung c a c m bi n s c p n -ron 2.2.2 S d ng ANN bù sai s c a y u t nh h ng c a nhi t đ đ m 2.2.2.1 Các ph ng pháp c n bù sai s c a y u t nh h ng c a nhi t đ đ m Các gi i pháp lo i tr theo ph ng pháp truy n th ng ph ng pháp s d ng m ch ph n c ng s d ng ph n m m M ch s d ng nhi t n tr bù nhi t Nh đ i v i c m bi n bán d n (SnO2), đ bù nhi t đ , [25] s d ng m t n tr nhi t To có h s nhi t n tr âm có m c đ bi n thiên ph thu c vào nhi t đ c ng t ng đ ng v i c m bi n, n áp đ u c a m ch đo s n đ nh h n theo nhi t đ gi i pháp c ng đ c hãng Firago áp d ng vào dòng c m bi n TGS [18] Bù b ng hàm hi u ch nh Bên c nh vi c s d ng ph n t bù nhi t, đ i v i m ch đo có s d ng vi x lý, ta có th s d ng hàm hi u ch nh nh sau: s d ng tín hi u ToC RH% t hai c m bi n đo nhi t đ đo đ m, t xây d ng hàm hi u ch nh nh (2.1): (2.1) ycorr  a  b yold  c.T  d RH Trong yold, ycorr tín hi u đ u tr c sau bù, a, b, c, d h s hay l ng hi u ch nh t ng ng nh m t lo t hàm hi u ch nh [20, 31, 50] Bù b ng b ng nh h ng Khi nghiên c u c m bi n [4] ch r ng gi i pháp đ lo i tr nh ng y u t nh h ng r t khó Khơng nh ng th nh ng c m bi n khác m t công ngh ch t o, nh h ng c ng khác th c m bi n thông minh ng i ta th ng bù nh h ng c a y u t không mang thông tin c m bi n s d ng nh sau: Quá trình đo đ c mô t nh (2.2) y = f(x, a, b, ) (2.2) Ph ng trình c b n c a c m bi n có d ng (2.2) nguyên t c ho t đ ng c a c m bi n Trong x đ i l ng c n đo, a, b, y u t nh h ng t i phép đo Gi s đo u ki n tiêu chu n, đ c tính t nh c a c m bi n yo(x) Xét t i m t m đo th k k t qu đo yok(xk) Khi có s thay đ i c a y u t a, b…, giá tr th k đo đ c ySk(xk) V y ta có sai s c a phép đo nh (2.3): ∆y = yok(xk) - ySk(xk) (2.3) Xét cho kho ng bi n đ i nh xung quanh giá tr t i m t m, lúc sai s c a đ i l ng đ u có y u t nh h ng khác, đ c vi t l i nh (2.4): y  f f f x  a  b  x x x (2.4) f , ∆b nh h ng c a y u t a, b t i k t qu đo y B ng th c nghi m, s li u v a x s nh h ng c a y u t a, b, đ c thu th p đ c bi u di n b ng 2.1 S li u b ng đ c ghi vào b nh c a c m bi n Khi x lý s li u c a trình đo, đ bù sai s nh h ng h vi x lý (ho c máy tính) s tham chi u b ng (theo ch ng trình) đ có đ c giá tr ∆ij t ng ng, sau n i suy n tính giá tr c a đ i l ng mà ta ph i bù, đ lo i sai s s nh h ng c a y u t A B ng 2.1 B ng s li u LUT v sai s y u t nh h ng X1 X2 Xi Xn XX A A1 X’11 A12 ∆11 ∆1n A2 A21 A22 ∆21 ∆2n Aj Aj1 Aj2 ∆ji ∆in Am Am1 Am2 ∆mi ∆mn Nh n xét: V i ph ng pháp bù sai s nh ta th y gi i pháp bù b ng m ch ph n c ng th ng dành cho nhà s n xu t n c ngồi Q trình x lý s li u đ lo i tr sai s gây b i y u t nh h ng nh hai ph ng pháp l i đ c th c hi n trình đo c ng có nh ng nh c m nh t đ nh, v i thu t toán tu n t c a k thu t máy tính truy n th ng, v n đ v th i gian x lý V n đ không gây c n tr v i nh ng tr ng h p khơng đòi h i nhanh k t qu đo Nh ng s n xu t hi n đ i, nhi u q trình cơng ngh đ c u n t đ ng, t i có r t nhi u đ i l ng c n đo x lý k t qu nhanh, nhi u phép đo đòi h i làm vi c mi n th i gian th c s m t nh c m l n 2.2.2.2 xu t c u trúc c m bi n bù sai s c a y u t nh h ng kh c ph c nh c m đó, m t h ng gi i quy t v n đ nêu ng d ng tính tốn n -ron Ý t ng c a gi i pháp chuy n tính tốn x lý s li u đo l ng t ch g n li n v i trình đo v trình thi t k ch t o Thay trình hi u ch nh s li u đo đ c, lo i b nh h ng c a sai phân b ng trình ánh x hàm nhi u bi n, c p nh t t c th i giá tr y u t nh h ng t i k t qu đo Lúc này: không ph i y = f(x,a,b, ) mà z = f(x1,x2,x3, ) Trong tr ng h p này, sai s gây b i y u t nh h ng đ c tính tốn đ lo i tr thi t k ch t o c m bi n Các k t qu x lý s đ c đ a vào bên b thông s c u trúc c a c m bi n n -ron, c th c a khâu chuy n đ i n -ron V i nh ng u m c a ph ng pháp dùng ANN đ bù sai s c a y u t nh h ng cho c m bi n bán d n đ c tác gi l a ch n đ xu t b i c u trúc th hi n hình 2.3 Vout M ch chu n hố Rs (ppm, T , RH%) ppm Rs KRS MLP T MLP N i suy tính tốn Rs Rs (ppm, 20 C, 65%) Ro KRS RH% Hình 2.3 C u trúc c m bi n đ c đ xu t bù sai s c a y u t nh h ng C u trúc h g m đ u vào: u vào th nh t tín hi u thu đ c t đ u Vout c a c m bi n b bi n thiên b i y u t nh h ng nhi t đ đ m, đ u vào th hai th ba t hai c m bi n nhi t đ đ m đo đ c t môi tr ng đo s d ng hai ANN nh ng m i m ng ch có m t đ u vào nhi t đ , ANN đóng vai trò x p x đ c tính s ph thu c c a Rs/R0 vào y u t nh h ng nhi t đ ToC đ m RH%, m t nh ng b c quan tr ng nh t b i t giá tr bi n thiên ta m i tính tốn đ c l ng c n bù C s lý thuy t c a ng d ng bù nh sau: • D a datasheet c a nhà s n xu t cung c p có bi u đ quan h Rs/R0 theo nhi t đ đ m Rs/R0= f(ToC, RH%), bi u đ cho bi t s nh h ng c a tín hi u nhi t đ đ m t i đ u c a c m bi n • Bù sai s : chuy n đ i đ u Rs/R0 (là hàm ph thu c vào n ng đ khí ppm c n đo) đo đ c nhi t đ đ m b t k sang m t u ki n tiêu chu n nhi t đ ToC=20oC đ m RH%=65%, sau tính n ng đ ppm c n đo Nhi m v th nh t đ c gi i quy t nh sau: Dùng ANN MLP đ x p x đ c tính bi n thiên theo nhi t đ t i đ m RH% th p (th ng 33% ho c 40% tùy theo m i lo i c m bi n) t i đ m RH% cao (th ng 85%) theo m m u tr i đ u tồn mi n c a đ c tính mà nhà s n xu t cung c p, đ ng f1(ToC) f2(ToC) hình 2.4 Trong f1(ToC) đ c x p x b i m ng MLP1, f2(ToC) đ c x p x b i m ng MLP2, m i m ng có m t đ u vào nh t nhi t đ môi tr ng đo: (2.5) f1 T o   F  RH 40%; T o  ; f2 T o   F  RH 85%; T o  t Nh v y s khác bi t ch ANN ch có nh t m t đ u vào dùng đ x p x ng đ i xác s nh h ng c a nhi t đ , đ m c a môi tr ng t i k t qu đo Rs Ro f1(T ) = F(RH% th p, T ) f2(T ) = F(RH% cao, T ) T Hình 2.4 X p x hai đ c tính f1(To) f2(To) gi i quy t nhi m v th 2, b c đ c tính tốn nh sau:  B c 1: Khí có n ng đ X (ppm) c n đo t ng ng v i nhi t đ To đ RH% mơi tr ng đo đ u c a c m bi n khí n áp Vout: m X (ppm, T , RH %)  Vout (T , RH %)  B c 2: T m ch chu n hóa đ u c a c m bi n nh hình 2.5 Ta có n tr c a c m bi n t i u ki n làm vi c (nhi t đ đ m) Rs VC  VL  RL VL  Rs  (2.6) RL VC  VL  (2.7) VL M t khác VL=Vout, thay VC, RL vào (2.7) ta tính đ c Rs c a c m bi n t i nhi t đ đ m c a môi tr ng (Rs b bi n thi n) nh (2.8): R V  Vout  (2.8)  Rs T o , RH %  L C Vout   Hình 2.5 M ch chu n hóa đ u cho c m bi n bán d n [46] • B c 3: T đ c tính c a c m bi n cho, c n ph i xác đ nh m t h s bi n đ i kRs đ chuy n đ i giá tr n tr c a c m bi n v u ki n làm vi c tiêu chu n To=20oC, RH=65% nh (2.9)        Rs T o , RH % KRs T o , RH %    Rs 20o C , 65%   Rs (2.9) Ro f1(T ) = F(RH% th p, T ) X% f2(T ) = F(RH% cao, T ) T Hình 2.6 c tính fx(To) đ c n i suy theo f1 f2 Giá tr h s bi n đ i KRs đ c tính b ng ph ng pháp n i suy gi a hai đ ng cong x p x b ng hai m ng MLP hình 2.6, đ có đ c đ c tính fx(To) t i đ m trung gian (X%) MLP2 T o   MLP1 T o  KRs To , RH   noisuy  f1; f2    RH %  RH low   MLP1 T o  RH high  RH low (2.10)  B c 4: Thay KRs vào (2.9) ta thu đ c:   Rs ppm, 20o C , 65%    Rs T o , RH %, ppm  o KRs T , RH %  (2.11) • B c 5: T giá tr n tr Rs tính đ c theo (2.11) giá tr n tr đ c tr ng R0 c a c m bi n, d a vào đ c tính cho c a c m bi n ta c l ng đ c n ng đ khí c n đo u ki n tiêu chu n: Rs (2.12)  ppm  X  ppm R0 Theo (2.12) X(ppm) đ c bù v giá tr đo t i u ki n To=20oC RH(%)=65% 2.2.3 S d ng ANN kh c ph c tính ph n ng đa khí c a c m bi n Lu n án đ xu t gi i pháp đa c m bi n ng d ng ANN MLP có c u trúc đ n gi n v a có kh n ng phân bi t v a có kh n ng c l ng đ c n ng đ khí thành ph n th hi n hình 2.7: Gi s ch c n ng c a c u trúc cho ta kh n ng phát hi n c l ng hai thành ph n khí c n đo Gas1 Gas2 h n h p khí xây d ng hàm truy n đ t ng c (t ch s c a c m bi n suy đ c n ng đ c a thành ph n khí đ u vào: gas1, gas2), m t b s li u m u h c t h p c a giá tr n ng đ cho khí gas1 n ng đ cho gas2 có d ng {PPMi1, PPMi2, SenS1, SenS2} đ c xây d ng 10 ng th i m t b s li u m u t h p m u t thành ph n n ng đ khí gas1 n ng đ khí gas2 đ ki m tra B s li u m u đ c s d ng đ tính hàm truy n đ t ng c, nên m ng ANN s đ c hu n luy n đ ng v i véc-t đ u vào xi={Sensi1, Sensi2} đáp ng đ u di={ppmi1, ppmi2} %Gas1 CB1 CB2 %Gas2 Vout Vout %Gas1 CBn MNN %Gas2 Vout n Hình 2.7 C u trúc c m bi n đ c đ xu t đ lo i tr tính ph n ng đa khí 2.2.4 S d ng ANN u ch nh đ c tính c a c m bi n c tính c a đa s c m bi n s c p phi n Nhu c u n tính hóa đ c tính c a c m bi n ln đ t đ i v i m ch đo th c p trình kh c đ cho thi t b đo Ph ng pháp n tính hóa đ c th c hi n b ng ph n c ng ph n m m M ch ph n c ng m ch t o hàm c s nh ng bi n tr , diod bán d n, ho c m ch s d ng khu ch đ i thu t tốn [11] Ngồi m ch ph n m m nh [4] Trong [4] ph ng pháp n tính hóa t ng đo n hay g i ph ng pháp n i suy n tính, thay đ c tính b ng m t đ ng g p khúc n tính hóa t ng đo n theo nguyên lý th hi n hình 2.8 Hình 2.8 Ph ng pháp n i suy n tính Tr ng h p đ c tính c a tín hi u x sau c m bi n m t hàm phi n c a đ i l ng đo , t c x( ) - m t hàm phi n (hình 2.8) Thay kh c đ đ c tính đo vào b nh ta có th thay x( ) b ng m t đ ng g p khúc n tính hóa t ng đo n v i 11 sai s o Ph ng pháp g i ph ng pháp n i suy n tính Ph ng pháp n i suy n tính có u m n u ta n tính hóa đo n th ng cách tính tốn đ n gi n nhiên sai s ∆y s l n Còn n u ta xác đ nh nhi u đo n th ng sai s s nh nh ng vi c tính tốn l i ph c t p th c t s m x p x c ng khơng nhi u Ngồi ph ng pháp n tính hóa t ng đo n đ u ch nh đ c tính ra, [9] dùng gi i pháp ANN n tính hóa đ ng đ c tính d ng đ ng cong b c hai thành m t đ ng th ng toàn đ i đo Trong lu n án tác gi dùng ANN đ u ch nh đ c tính c a c m bi n bán d n đo n ng đ khí nh sau: c tính c a c m bi n phi n ph ng trình c b n c a c m bi n ch a xác đ nh đ c Do v y đ n tính hóa đ c tính, kh i u ch nh đ c tính tr ng h p có hai ch c n ng: - M t dùng ANN MLP x p x đ c tính Vout1=f(x) c a c m bi n bi t h u h n m m u đ ng đ c tính lý t ng mà nhà s n xu t cung c p; - Hai dùng m ng MLP đ t o m t đ ng đ c tính Vout2=f(Vout1), lúc Vout2=g(f(x)) đ c n tính hóa d i d ng 2.9 (2.26) Vout  g Vout1   g  f  x   a  x  b C u trúc đ M u khí X[ppm] c đ xu t hình 2.9: C m bi n Vout1[V] Kh i u ch nh Vout2[V] Hình 2.9 C u trúc c m bi n đ c đ xu t hi u ch nh đ c tính đ u c a kh i u ch nh hình 2.9 ta đ c Vout2=g(f(x)) n tính 2.3 Tích h p hai ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng vƠ hi u ch nh đ c tính c m bi n Trên c s nghiên c u gi i quy t t ng toán riêng r th c hi n, đ n áp đ u c a c m bi n t l n tính v i n ng đ khí sau bù sai s c a y u t nh h ng c n m t c u trúc tích h p hai ch c n ng đ c đ a nh hình 2.10 C m bi n khí T Vra Bù nhi t đ đ m Vra_bù i u ch nh đ c tính (tuy n tính hố) Vra_tuy n tính RH% Hình 2.10 S đ kh i c a h tích h p hai ch c n ng v a bù sai s hi u ch nh 2.4 Tích h p ba ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng, lo i tr tính ph n ng đa khí vƠ n tính hóa đ c tính c m bi n C u trúc ANN phù h p, đáp ng đ ch c n ng tích h p c m bi n đ nâng cao ch t l ng phép đo đ c th hi n hình 2.11: 12 M u đa khí [X1,X2, ,Xn][ppm] Ma tr n M Vra = [V1,…,VM] c m bi n khí T RH% Bù nhi t đ đ m Vra_bù Lo i tr tính ph n ng đa Vra_tuy n tính khí n tính hố đ c tính Hình 2.11 S đ kh i c a h tích h p ba ch c n ng bù, lo i tr tính ph n ng đa khí n tính hóa đ c tính đ u c a c m bi n 2.5 K t lu n ch ng Trong ch ng nêu nh ng u m c a ANN nói chung m ng MLP nói riêng ng d ng cho c m bi n đo l ng, đ c bi t ng d ng nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí xu t m t c u trúc chung c a c m bi n n -ron ba c u trúc t ng ng gi i quy t ba ch c n ng nâng cao ch t l ng đ c l p c th nh sau:  Bù sai s c a y u t nh h ng t i c m bi n: Trong h th ng bù này, hai m ng MLP có ch c n ng x p x đ c tính bi n thiên c a nhi t đ t ng ng đ m hai m c th p cao, sau dùng n i suy n tính đ tính tốn bù, đ u c a h th ng n ng đ khí đ c bù t ng ng nhi t đ đ m tiêu chu n ây m t đ xu t m i so v i ph ng pháp khác;  Lo i tr tính ph n ng đa khí: có ch c n ng phát hi n c l ng xác n ng đ khí thành ph n có h n h p;  i u ch nh đ c tính: u ch nh đ c tính tác gi th c hi n ng d ng dùng ANN MLP x p x đ c tính c a c m bi n sau l i dùng MLP đ n tính hóa đ c tính v a x p x , m khác bi t c a lu n án so v i [9] xu t c u trúc c m bi n n -ron tích h p hai ch c n ng bù sai s u ch nh đ c tính c u trúc tích h p ba ch c n ng m t h th ng - m t gi i pháp hoàn thi n đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí Ch ng MƠ PH NG CÁC GI I PHÁP NỂNG CAO CH T L NG C M BI N O N NG KHệ XU T 3.1 Thi t k ANN Lu n án s d ng m t s c m bi n bán d n MQ, TGS SP3AQ2 v i 03 lo i khí CO, NH3 H2S nh phân tích ch ng T t c thông s v d i đo c a c m bi n đ c l y t datasheet c a chúng th hi n b ng 3.1 B ng 3.1 Các c m bi n l a ch n d i đo c a chúng [45, 46, 47, 48, 49] C m bi n D i đo khí CO D i đo khí NH3 D i đo khí H2S (ppm) (ppm) (ppm) MQ7 50 4000 MQ135 10 100 10 200 MQ136 10 100 200 TGS 2600 100 13 TGS 2602 30 0,1 TGS 2444 300 0,3 SP3AQ2 30 10 M t c u trúc đ nh hình cho ANN c a ng d ng c th v i thông s c b n đ c li t kê b ng 3.2: B ng 3.2 B thông s c u trúc c a ANN STT Thông s Xác đ nh Lo i m ng Truy n th ng l p S đ u vào Tùy vào toán c th S n -ron l p S n -ron l p n N, xác đ nh luy n m ng Hàm truy n c a n -ron l p n a1 = tansig (IW1p1+b1) Hàm truy n c a n -ron l p a2 = purelin (LW2a1+b2) T p tr ng s c a n -ron l p n N, xác đ nh luy n m ng L ng bù c a n -ron l p n N, xác đ nh luy n m ng T p tr ng s c a n -ron l p N, xác đ nh luy n m ng 10 L ng bù c a n -ron l p N, xác đ nh luy n m ng Các m ng MLP lu n án s đ c hu n luy n theo ph ng pháp h c có h ng d n (supervised learning) v i m t b s li u g m m u Thu t toán h c đ c l a ch n thu t toán kinh n Leveberg – Marquadrt [3, 7] đ c tích h p th vi n Neural Networks Toolbox c a Matlab Hàm m c tiêu c a thu t toán h c hàm t ng sai s t i ngõ c a m ng b s li u h c, đ c đ nh ngh a b i: p (3.1)  häc   yi  di i 1 v i p – s m u, di – giá tr đ u đích c n đ t c a m u th i, yi – giá tr đ u th c t t m ng 3.2 Bù sai s y u t nh h ng 3.2.1 X p x đ ng đ c tính ph thu c nhi t đ , đ m c a c m bi n Trên hình 3.4 th hi n đ ng đ c tính bi u di n s nh h ng c a nhi t đ đ m đo n ng đ khí CO c a c m bi n MQ7, Hình 3.4 Bi u đ bi n thiên theo nhi t đ đ m c a c m bi n MQ7 [46] K t qu x p x đ ng đ c tính dùng m ng MLP ta đ c đ ng bi u di n s ph thu c c a đ u c m bi n vào nhi t đ t i đ m RH=33% (hình 3.5a) đ m RH=85% (hình 3.5b) 14 a) b) Hình 3.5 X p x đ c tính ph thu c c a đ u c m bi n MQ7 vào nhi t đ đ m: a) đ ng có RH=33%; b) đ ng có RH=85% 3.2.2 Tính tốn bù sai s Sau dùng m ng MLP x p x đ c tính ph thu c c a đ u c m bi n v i d i nhi t đ thay đ i đ m hai n ng đ RH= 33% (40%) RH=85% ph n tính tốn bù K ch b n mơ ph ng đ c th hi n hình 3.10 t m t giá tr n ng đ khí chu n ( u ki n tiêu chu n có nhi t đ t=20oC, đ m RH=65%), sau kh o sát l n l t v i giá tr nhi t đ đ m khác Vout m giá tr ppm = const 20 C, 65% t1 t2 t3 t Hình 3.10 K ch b n cho tốn mơ ph ng  Tr ng h p 2: Trong kho ng th i gian t 0÷t1, mơ ph ng v i m t n ng đ khí b t k u ki n tiêu chu n t=20oC, RH=65%;  Tr ng h p 3, 4, , 9: kho ng th i gian t t1÷t2, mơ ph ng m t n ng đ khí, đ m RH%=35%, nh ng cho nhi t đ thay đ i, t ng t 20 ÷ 50oC b c thay đ i 5oC, nh v y có tr ng h p; 15  Tr ng h p 10, 11, , 15: kho ng th i gian t t2÷t3 m t n ng đ khí, nhi t đ ToC=50oC, nh ng đ m thay đ i RH t ng 35÷85% b c thay đ i 10%, nh v y có tr ng h p K t qu mô ph ng đo n ng đ khí CO c a c m bi n MQ7 hình 3.11 cho th y: tr c hồnh th hi n 15 tr ng h p mơ ph ng t ng ng 15 tr ng h p hình 3.10, tr c tung th hi n giá tr Meassure Vout giá tr n áp đo đ c ch a bù, No_Correctedout n ng đ khí (ppm) thu đ c ch a bù Correctedout n ng đ khí (ppm) thu đ c th c hi n bù C th đo n ng đ khí có giá tr 100(ppm) v i nhi t đ đ m bi n thiên n áp đ u c ng b bi n thiên D i bi n đ i n áp r t l n t ≈1.5 ÷ 2(V), t ng ng v i bi n thiên n ng đ khí l n t 92÷118(ppm) Sau bù, giá tr n ng đ đ t ≈100,05(ppm) so v i giá tr đ t =100(ppm), t ng ng v i sai s t ng đ i đ t đ c ≈0.05% Hình 3.13 K t qu bù sai s đo Hình 3.11 K t qu bù sai s đo n ng n ng đ khí H2S 50 ppm đ khí CO 100 ppm Trên hình 3.13 bi u di n k t qu bù sai s đo n ng đ khí H2S 50(ppm) T hình v cho th y: d i bi n đ i n áp đ u thay đ i t ≈1.6÷1.9(V), t ng ng n ng đ t 40÷90(ppm) ch a bù Khi đ c bù, giá tr n ng đ đo đ c 49,95(ppm), t ng ng v i sai s t ng đ i đ t đ c ≈0.1% Nh n xét: Các k t qu mô ph ng bù sai s c a c m bi n b i y u t nh h ng c a môi tr ng đo nhi t đ đ m v i sai s r t nh nh t đ t 0.01% sai s l n nh t đ t 0,1%, m t sai s lý t ng cho dòng c m bi n bán d n 16 3.3 Lo i tr tính ph n ng đa khí c a c m bi n 3.3.1 Thi t k ANN Lu n án xây d ng m t b s li u m u v i thành ph n khí có n ng đ khác nhau, bao g m 7710 m u đ c chia thành hai t p m u con: 66 m u đ h c 7644 m u đ ki m tra mơ hình Trong 66 m u đ h c, t h p c a 11 giá tr n ng đ khí NH3 t 2÷20(ppm) v i b c thay đ i 2(ppm) giá tr n ng đ khí H2S t 1÷3(ppm) v i b c thay đ i 0,5(ppm) Các m u có d ng PPMi1 , PPMi , Sensi1 , Sensi  , 7644 m u đ ki m tra, t h p c a 182 giá tr n ng đ khí NH3 t 2÷20(ppm) v i b c thay đ i 0,1(ppm) 42 giá tr n ng đ khí H2S t 1÷3(ppm) v i b c thay đ i 0,07(ppm) B s li u m u đ c s d ng đ tính hàm truy n đ t ng c v y m ng MLP s đ c hu n luy n đ ng v i véc t đ u vào xi  Sensi1 , Sensi  , i s c m bi n (i=3,4) đáp ng đ u di  PPMi1 , PPMi  , i s khí c n c l ng (i=2) Quá trình h c b ng b m u s li u h c cho t i h i t , r i ki m tra kh n ng khái quát hóa b ng b s li u m u ki m tra 3.3.2 K t qu mô ph ng dùng b c m bi n MQ136, TẢS2602 SP3AQ2  M ng có c u trúc 3x3x2, t ng ng đ u vào t c m bi n, n -ron n đ u ra: Hình 3.18 K t qu c l ng n ng đ Hình 3.19 K t qu c l ng n ng đ NH3 v i c u trúc m ng 3x3x2 H2S v i c u trúc 3x3x2 3.3.3 Dùng b c m bi n MQ136, TẢS2602, TẢS2444 SP3AQ2 Trên hình 3.24, k t qu c l ng n ng đ thành ph n khí NH3 có sai s l n nh t 0,10(ppm) sai s trung bình 0,02(ppm) Trên hình 3.25, k t qu c l ng n ng đ thành ph n khí H2S có sai s l n nh t 0,129(ppm) sai s trung bình 0,016(ppm) 17 Hình 3.24 K t qu c l ng n ng đ Hình 3.25 K t qu c l ng n ng đ NH3 v i c u trúc m ng 4x3x2 H2S v i c u trúc m ng 4x3x2 3.4 i u ch nh đ c tính đ nh y c a c m bi n 3.4.1 K t qu mô ph ng c tính đ nh y c a c m bi n MQ135 hình 3.30 đ c tính theo h t a đ loga Hình 3.30 Ta bi u di n l i nh (3.1): c tính c m bi n MQ135 [38] log( ppm) 3,9510  log  Rs R0   2,7757 (3.1) Sau ch n m đ c tính nh sau: MQ135_CO_Log = [10 20 50 100 130 160 200 108.846 104.643 98.799 88.933 87.774 86.332 84.663] K t qu mô ph ng x p x đ c tính c hai ph ng pháp, m t dùng ph ng pháp n tính hóa t ng đo n, hai dùng m ng MLP: K t qu x p x đ ng đ c tính bi t m b ng ph ng pháp x p x n tính x p x b ng m ng MLP đ c th hi n hình 3.31a Có th nh n th y, ph ng pháp x p x n tính ch có kh n ng tái t o đ c tính theo đ ng g p khúc, khơng hồn tồn phù h p v i 18 b n ch t v t lý c a c m bi n Do v y n u dùng ph ng pháp này, đ t ng đ xác, ta c n có nhi u m đo m u chu n ban đ u h n (l n h n 7), mà u áp d ng vào m đo th c nghi m r t khó kh n Tuy nhiên v i ph ng pháp s d ng m ng MLP cho phép t o thành đ c tính tr n, đ n tr , bi n thiên đ ng bi n qua xác m đo m u Trên hình 3.31b m ng MLP chu n hóa n áp đ u c a c m bi n (đã đ c chu n hóa đ u Vout=0÷5V)  Sai s c c đ i: 4.4611(ppm) Hình 3.31a X p x đ c tính c a c m bi n MQ135 đo khí CO Hình 3.31b M ng MLP u ch nh n áp đ u c a c m bi n Hình 3.31c c tính c a c m bi n MQ135 sau n tính hóa Trên hình 3.31c k t qu so sánh gi a ph ng pháp n tính hóa đ c tính c a c m bi n MQ135 b ng m ng MLP (Vout corrected) ph ng pháp n tính hóa lý t ng (Ideal linear) ng Vout uncorrected đ ng đ c tính ban đ u c a c m bi n ch a đ c n tính hóa chu n hóa Sai l ch c a đ c tính t o b i MLP so v i đ c tính n tính lý t ng:  Sai s trung bình: 1.8278(ppm)  Sai s c c đ i: 4.4611(ppm) 19 3.4.2 Nh n xét D a vào k t qu mô ph ng ng d ng m ng MLP đ u ch nh đ c tính Vout=f(ppm) cho m t s lo i c m bi n bán d n, ph n x p x l i đ ng đ c tính có d ng g n v i d ng đ ng cong lý thuy t c a c m bi n, u ch ng minh tính kh thi s d ng MLP, m ng có c u trúc đ n gi n m ng n -ron có l p n, s n -ron l p n đ x p x đ ng cong c a c m bi n v i m t s h u h n t 3, 4, …7 m cho tr c, t n tính hóa đ c tính c a c m bi n d i d ng đ ng th ng v i sai s đ t đ c nh 3.6 Ph i h p ba ch c n ng bù nhi t đ , đ m, lo i tr tính đa khí vƠ n tính hóa đ c tính đ u c a c m bi n  Ti n hành tính tốn, mơ ph ng m t s tr ng h p v i b s li u h c chung g m tr ng h p n ng đ hai thành ph n khí thay đ i: NH3 t 0÷20(ppm) v i b c thay đ i 2ppm (t ng c ng 11 tr ng h p), H2S nh n giá tr {0; 1; 1,5; 2,0; 2,5; 3} (6 tr ng h p), u ki n nhi t đ đ m c đ nh v i T=20oC, RH=65%, t ng h p có 66 m u s li u h c  Th nghi m v i s li u: n ng đ NH3 bi n thiên t 2÷20(ppm) v i b c thay đ i 0.1ppm (t ng c ng 182 tr ng h p), n ng đ H2S bi n thiên t 1÷3(ppm) v i b c 0,05ppm (42 tr ng h p), u ki n nhi t đ bi n thiên ng u nhiên nh kho ng t T=30÷35oC đ m bi n thiên ng u nhiên kho ng RH=40÷50(%), v y t ng h p có 7644 m u s li u ki m tra Hình 3.41 K t qu c l ng thành ph n Hình 3.42 Các k t qu c l ng thành NH3 ch a bù c a ba c m bi n ph n NH3 bù c a ba c m bi n tr ng h p nhi t đ bi n thiên t 30 ÷ tr ng h p nhi t đ bi n thiên t 30 ÷ 35oC, đ m t 45 ÷ 50% 35oC, đ m t 45 ÷ 50% K t qu mô ph ng th hi n hình 3.41, đó: Tr c hồnh th hi n m u s li u ki m tra, tr c tung th hi n đ ng Origianal NH3 ppm n ng đ khí NH3 c a 20 m u, đ ng Estimated NH3 ppm n ng đ c l ng đ c không th c hi n bù sai s c a y u t nh h ng, đ ng Error NH3 ppm sai s th hi n toàn t p b s li u m u Ta có th nh n th y, ch a bù v i m c bi n thiên c a n ng đ NH3 kho ng t 0÷20(ppm) sai s c l ng l n Trung bình c a sai s 4,7(ppm), sai s l n nh t 12,4(ppm) i v i thành ph n khí H2S, k t qu đ c th hi n nh hình 3.43, c ng có th nh n th y ch a bù sai s l n, v i giá tr trung bình c a sai s 1,0(ppm) sai s l n nh t ≈ 3(ppm) Hình 3.43 Các k t qu c l ng thành Hình 3.44 Các k t qu c l ng thành ph n H2S ch a bù c a ba c m bi n ph n H2S bù c a ba c m bi n T=30÷35oC, RH=45÷ 50% T=30÷35oC, RH=45÷ 50% Sau ti n hành bù sai s nhi t đ đ m, k t qu thu đ c th hi n hình 3.42 hình 3.44 cho hai thành ph n khí NH3 H2S t ng ng i v i thành ph n khí NH3 sau bù nhi t đ đ m sai s c l ng gi m đáng k , trung bình c a sai s ch 0,3(ppm), sai s l n nh t ch 1,6(ppm) i v i thành ph n khí H2S, k t qu đ c th hi n nh hình 3.44, giá tr trung bình c a sai s 0,08(ppm) sai s l n nh t 0,3(ppm) 3.7 K t lu n ch ng Ch ng th c hi n mô ph ng ng d ng nâng cao ch t l ng c a c m bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 CO v i t t c c u trúc đ xu t ch ng Vi c ki m tra c u trúc đ xu t b ng mơ ph ng cho phép đánh giá tính đ n c a c s lý lu n đ t ra, k t qu c th nh sau:  Bù sai s c a chuy n đ i s c p gây b i y u t nh h ng c a môi tr ng đo nhi t đ đ m v i sai s r t nh ≈ 0.05%, v y c m bi n v i gi i pháp ANN bù y u t nh h ng nhi t đ đ m mơi tr ng gây s có đ xác cao h n ho t đ ng môi tr ng th c t 21  Kh c ph c tính ph n ng đa khí c a c m bi n s d ng ba ho c b n c m bi n có kh n ng v a phát hi n v a c l ng xác n ng đ khí thành ph n đ t sai s t đ i dao đ ng t 0.09÷0.2(ppm)  i u ch nh đ c tính có h u h n m làm vi c c a c m bi n v i đ xác cao, c m bi n có đ c tính đ c chu n hóa n tính hóa s thu n l i h n cho ng i s d ng trình tích h p vào thi t b đo, h h u x lý s đ n gi n xác h n  Tính kh thi c a hai ph ng án t ng h p v a bù sai s c a nhi t đ , đ m v i n tính hóa đ c tính c a c m bi n đ t sai s đo t đ i 37,6(ppm); sai s đo t ng đ i 3,76% đo n ng đ CO 1000(ppm) V a bù nhi t đ , đ m, lo i tr tính ph n ng đa khí n tính hóa đ c tính c a c m bi n đo n ng đ khí NH3 trung bình c a sai s đ t đ c ch 0,3(ppm), sai s l n nh t ch 1,6(ppm) V i khí H2S giá tr trung bình c a sai s đ t đ c 0,08(ppm) sai s l n nh t 0,3(ppm) Ch ng XỂY D NG H TH NG TH C NGHI M NG D NG ANN BÙ SAI S NH H NG C A C M BI N 4.1 t v n đ Do u ki n th c t l y m u n ng đ ch t khí t i Vi n o l ng Qu c gia C c tiêu chu n đo l ng ch t l ng H i Phòng h n ch , s l ng lo i ch t khí khơng nhi u m i lo i khí ch có m t n ng đ nh t, vi c pha loãng đ có nhi u n ng đ khí khác ch a có thi t b đ t tiêu chu n Do v y mơ hình th c nghi m ch ti n hành đ c v i c m bi n MQ136 đo n ng đ khí H2S cho toán bù sai s c a y u t nh h ng nhi t đ đ m 4.2 K t qu tri n khai Hình 4.2 Thi t b ch t o Q trình mơ ph ng th c nghi m cho ng d ng bù nh h ng c a nhi t đ đ m có k ch b n nh sau: Dùng khí chu n có n ng đ 10ppm đ th c hi n ng d ng bù, gi nguyên giá tr n ng đ khí, sau thay đ i giá tr nhi t đ đ m:  Tr ng h p 1: t giá tr đ m RH=33%, nhi t đ bi n thiên t (20÷50)oC Các giá tr nhi t đ đ c dùng đ kh o sát nh sau: 20, 30, 35 50OC  Tr ng h p 2: T ng giá tr đ m lên RH=85%, nhi t đ bi n thiên t (20÷50)oC Các k t qu đ t đ c th hi n b ng 4.1÷4.3 22 B ng 4.1 K t qu mô ph ng th c nghi m đo n ng đ khí H2S ch a bù v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH= 33% Nhi t đ N ng đ K t qu mô Sai s K t qu th c Sai s (0C) H 2S ph ng t ng đ i nghi m t ng đ i chu n ch a bù (%) ch a bù (%) (ppm) (ppm) (ppm) 20 10 10.02 0.22 10.2 30 10 10.2 11.34 13.4 35 10 10.45 4.5 11.73 17.3 50 10 11.01 10,1 12.26 22.6 B ng 4.2 K t qu mô ph ng th c nghi m đo n ng đ khí H2S ch a bù v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH= 85% Nhi t đ N ng đ K t qu mô Sai s K t qu th c Sai s (0C) H 2S ph ng t ng đ i nghi m t ng đ i chu n ch a bù (%) ch a bù (%) (ppm) (ppm) (ppm) 20 10 10.4 11.4 14 30 10 12.64 11.02 10.2 16.4 35 50 10 10 11.50 12.01 15 20.1 13.21 14.26 B ng 4.3 K t qu mô ph ng th c nghi m đo khí H2S bù N ng đ K t qu mô Sai s K t qu th c H 2S ph ng t ng đ i nghi m t chu n bù (%) bù (ppm) (ppm) (ppm) 20 10 10.001 0.01 10.25 30 10 10.002 0.02 10.251 Nhi t đ (0C) 32.1 42.6 Sai s ng đ i (%) 2.5 2.51 35 10 10.003 0.03 10.253 2.53 50 10 10.005 0.04 10.255 2.55 K t qu cho nhi t đ bi n thiên t (20÷50)oC giá tr đ m t i RH=33% đo đ c ch a ng d ng bù, ta th y sai s l n so v i tín hi u đ t, sai s ≈ 0.22% max ≈ 10.1% K t qu đ c ANN bù ch t l ng c a phép đo đ c c i thi n rõ r t, sai s gi m xu ng ≈ 0.01 % 4.3 K t lu n ch ng Ch ng 4, xây d ng thành cơng mơ hình th c nghi m ng d ng ANN nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n MQ136 đo n ng đ khí H 2S B s li u có đ c sau hu n luy n off line - ANN đ c cài đ t vào b vi x lý c a mơ hình, làm sáng t thêm tính kh thi cho gi i pháp nâng cao ch t l ng cho c m bi n bán d n đo n ng đ khí ng d ng m ng MLP 23 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N Lu n án đ t đ c nh ng k t qu nh t đ nh h ng tìm ki m gi i pháp cơng c khác đ gi i quy t ng d ng nâng cao ch t l ng c m bi n đo l ng ch t khí Nh ng k t qu đ t đ c Nghiên c u m t s v n đ lý lu n mô ph ng, ki m nghi m th c t nh m ng d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 CO mơi tr ng công nghi p c th ng d ng sau:  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN đ bù sai s c a y u t nh h ng, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào nhi t đ (so v i ANN đ u vào nhi t đ đ m c a công trình khác), s n -ron l p n th p ch n ron đ x p x xác đ c tính nh h ng c a nhi t đ đ m t i k t qu đo, t làm c s cho ng d ng bù, ph n bù ch dùng ph ng pháp n i suy n tính tính tốn, đóng góp m i khác bi t v i cơng trình khác s d ng ANN ng th i sai s đ t đ c r t nh (sai s ≈0.05%÷0.1%) nh h n 37÷59 l n so v i sai s (3.7% 5.9%) cơng trình [33] đ i t ng ph ng pháp  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có c u trúc r t đ n gi n ch 44-2, dùng t i thi u t i đa c m bi n có kh n ng phân bi t c l ng xác đ c n ng đ khí thành ph n NH3 H2S  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có th chu n hóa l i sau n tính hóa đ c tính c a c m bi n v i sai s l n nh t ≈0.02%  Ngồi đóng góp xây d ng c u trúc c m bi n tích h p nhi u ch c n ng nh v a bù sai s nhi t đ đ m v a kh c ph c tính đa khí v a u ch nh đ c tính c a c m bi n m t h th ng  Khi áp d ng ANN đ ch t o c m bi n th c t , v n đ sai s c a y u t nh h ng nhi t đ đ m đ c bù r t hi u qu , sai s ch a bù b ng th c nghi m nh nh t ≈2% v i tr ng h p đ m 33% l n nh t 32.6% ng v i đ m 85%, sau ng d ng ANN vào bù sai s th c nghi m gi m xu ng ≈2.5% H ng phát tri n ti p theo Lu n án có th đ c phát tri n ti p theo h ng sau:  ng d ng gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n s d ng lo i m ng n -ron khác m ng MLP  Nghiên c u nâng cao ch t l ng lo i c m bi n bán d n khác  K t qu m i c a lu n án đ t đ c có th phát tri n ti p theo: - V khoa h c: hoàn thi n gi i pháp nâng cao ch t l ng cho c m bi n đo n ng đ khí lo i bán d n nói riêng c m bi n khí nói chung môi tr ng công nghi p c n phát tri n thêm gi i pháp nâng cao khác nh : bù sai s ng u nhiên, bù sai s h th ng… - V th c nghi m: Ti n hành th c nghi m v i hai gi i pháp u ch nh đ c tính lo i tr tính đa khí c a c m bi n 24 ... nhi m môi tr ng không khí nhi u Trong lo i khí đ c h i ph i k t i: Khí CO (ngu n khí th i t lò than, đ ng c ô tô, xe máy…), khí H2S khí NH3 (ngu n khí th i s n xu t nơng nghi p) m t lo i khí hàng... 1.3 Tình hình nghiên c u nơng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí 1.3.1 Tình hình nghiên c u ngồi n c Các cơng trình nghiên c u ngồi n c v v n đ nâng cao ch t l ng đo n ng đ khí đ c nhi... pháp nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí  T ng quan cơng trình nghiên c u nâng cao ch t l ng c m bi n khí liên quan, ch rõ nh ng v n d gi i quy t nh ng v n đ t n t i c a h ng nghiên