Luận án tiến sĩ hóa học chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí h2s, NH3 và CO

M U Tính c p thi t c a đ tài Hi n nay, ch t l tr ng khơng khí mơi tr ng dân sinh c ng nh môi 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 đư 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 v ng b o v mơi tr ng công tác giám sát, c nh báo ch t l khí c ng r t quan tr ng Trong mơi tr n uv ng i lao đ ng c ng nh môi tr ng đo l ng không ng công nghi p lo i khí đ c h i t m t t l gi i h n nh t đ nh s nâng cao ch t l ng s n xu t có tính b n nh h ng tr c ti p đ n s c kh e ng s ng c a ng i Do v y, v n đ 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 xư h i V v n đ này, th gi i Vi t Nam đư 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 it ng nghiên c u vƠ ph m vi nghiên c u it 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 mơi 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 đ nh h ng c a y u t môi tr ng nh nhi t 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 đư 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 vƠ th c ti n c a đ tƠi 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: S d ng ph ng pháp ng d 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 đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n đo n ng đ khí 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 H2S, NH3 CO khí th i cơng 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 ut nh h ng, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào nhi t đ , s n -ron l p n th p ch t đ c tính nh h n -ron đ x p x xác 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 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 có kh n ng phân bi t xác đ  cl ng 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 K t c u c a lu n án M đ u: Trình bày v n đ chung c a lu n án, tóm t t v n i dung nghiên c u, nh ng đóng góp m i k t c u c a lu n án Ch môi tr ng T ng quan v c m bi n bán d n đo n ng đ khí ng cơng nghi p Gi i thi u v c m bi n bán d n, m t s y u t nh h ng đ n ch t l phép đo, t ng quan cơng trình đư nghiên c u ph cao ch t l ng pháp nâng ng c m bi n bán d n, t t ng h p l i v n đ t n t i c n ti p t c nghiên c u cho gi i pháp nâng cao ch t l môi tr Ch ng ng đo n ng đ khí đ c h i ng cơng nghi p ng ng d ng m ng n -ron nhân t o nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí ây n i dung nghiên c u c a lu n án, lu n án đ xu t c u trúc c m bi n ng d ng ANN, c th ANN MLP đ gi m sai s nh h ng, lo i tr tính ph n ng đa khí u ch nh đ c tính đ nâng cao ch t l ng cho c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí Ch ng Mơ ph ng gi i pháp nâng cao ch t l n ng đ khí đ xu t ch ng c m bi n đo ng tác gi th c hi n mô ph ng ph n m m Matlab/Mfile gi i pháp đ xu t c a lu n án S d ng c s lý thuy t c u trúc đư đ xu t ch Ch c ay ut ng ng Xây 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 V i k t qu c a ch ng xác đ nh đ c thông s t i u c a c u trúc ANN đ tri n khai thi t b th c S d ng n ng đ khí chu n c m bi n MQ136 có ng d ng ANN đ bù sai s c a y u t nh h ng đo n ng đ khí H2S nh m kh ng đ nh k t qu nghiên c u lý thuy t Ph n cu i k t lu n h ng phát tri n, danh m c tài li u tham kh o cơng trình đư cơng b c a lu n án CH NG T NG QUAN V CÁC C M BI N BÁN D N O N NG KHệ TRONG MƠI TR Trong ch ng s trình bày tiêu chu n ch t l h i môi tr ph nh h ng m t s ch t khí đ c ng khơng khí, đ t làm c s l a ch n c m bi n đo n ng đ khí mơi tr y ut NG CƠNG NGHI P ng cơng nghi p Ti p theo nghiên c u m t s ng đ n c m bi n, t ng quan cơng trình đư nghiên c u ng pháp nâng cao ch t l ng c m bi n, t ng h p l i v n đ t n t i c n ti p t c nghiên c u cho gi i pháp nâng cao ch t l n ng đ khí đ c h i môi tr ng c m bi n đo 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 Nh bi t, ng i không th s ng đ thi u khơng khí Tuy nhiên mơi tr r t n ng n Ô nhi m mơi tr v i mơi tr ng khơng khí m t v n đ b c xúc đ i phát tri n hi n Ô nhi m môi tr i, nh h ng s ng ng không khí hi n b nhi m ng đô th , công nghi p làng ngh kho ng c n u môi tr i n c ta giai đo n ng khơng khí có tác đ ng x u đ n s c 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, áp l c làm bi n đ i ch t l khơng khí theo chi u h ng x u l n u c u b o v mơi tr ng ng khơng khí quan tr ng 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) ba lo i khí đ c h i hàng ngày ng i th ng xuyên ti p xúc - Khí CO (Cacbomonoxit), lo i khí khơng màu, khơng mùi, khơng v , t o s cháy khơng hồn tồn c a ngun li u ch a Các bon (C) Khi hít ph i CO s vào máu n cho c th b ng t đau đ u chóng m t n ng đ nh có th gây nh ng n ng đ l n h n có th gây t n h i đ n h th ng tim m ch th m chí gây t vong Khí CO hình thành nh ng n i đ t than thi u ơxy, nh t khói th i c a lò g ch n i mà than cháy không tri t đ , ng khói nhà máy nhi t n dùng than đá, n i n u nh a đ ng, khí x đ ng c tơ, xe máy hay b p than - Khí H2S (hidrosunfua), mang mùi hôi thum th m nh tr ng th i, c c đ c d cháy n H2S khí gây ng t chúng t c đo t ơxy r t m nh; hít ph i n n nhân có th b ng t, b viêm màng k t H2S tác đ ng vào m t, b b nh v ph i h th ng hơ h p b kích thích m nh thi u ơxy, có th gây th g p ng ng th H2S n ng đ cao có th gây tê li t hơ h p n n nhân b ch t ng t Khí H2S xu t hi n đ t cháy không hoàn toàn nhiên li u (than đá, d u ) ch a nhi u l u hu nh H2S c ng b c lên t bùn ao, đ m thi u ôxy (là nguyên nhân làm cá ch t ng t) hay trang tr i nuôi gia c m cơng nghi p - Khí NH3 (amoniac) m t ch t khí đ c, có mùi khai, tan nhi u n c Trong môi tr ng t nhiên, amoniac có đ t, vi khu n t o trình phân h y xác đ ng, th c v t, ch t th i t đ ng v t NH3 xu t phát t ngu n khí n c th i nông nghi p, công nghi p, đ ch t gây đ c h i môi tr ng d ng ti p xúc hàm l c tính c a ch t tùy thu c vào n ng đ ng th p, NH3 gây c m giác cay bu t, hàm l cao có th n mù lòa, mùi có th làm ng đ c xem id ng ng nghiêm tr ng Ch t c xem nguyên nhân lâu dài c a b nh viêm cu ng ph i Xu t phát t nh ng nh h Tài nguyên môi tr ng x u c a m t s ch t khí đ c h i trên, B ng đư đ a nh ng quy chu n n ng đ t i đa cho phép c a m t s khí nh b ng 1.1 B ng 1.1 N ng đ t i đa cho phép c a m t s ch t đ c h i không khí xung quanh [1, 2] TT Thơng s Cơng th c hóa h c N ng đ cho phép (g/m3) Amoniac [2] NH3 200 Hydrosunfua [2] H2S 42 Cacbon monoxit [1] CO 30000 D a vào thông s b ng 1.1 làm c s l a ch n c m bi n đo c nh báo n ng đ khí mơi tr ng công nghi p 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 khí môi tr ng công nghi p Các n ng đ khí c n đo c nh báo đ nh n b ng c m bi n t cc m ng ng, x lý tín hi u đo r i qua b chuy n đ i, truy n thông đ l u tr , hi n th , c nh báo Trong h th ng m t nh ng khâu r t quan tr ng quy t đ nh đ n ch t l ng c a h th ng c m bi n đo n ng đ khí b i khâu đ u tiên toàn b h th ng, ti p xúc tr c ti p v i môi tr Khí H2S Khí CO C m bi n ng đo X lí tín hi u Chuy n đ i Truy n thơng 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 [8, 23] Các 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 linh đ ng ion, thi t b phân tích ph kh i l ng thi t b phân tích ph h p th h ng ngo i 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 Vì lý 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 (solid-state chemical gas sensor), 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 v.v đ ng c a m t s linh ki n bán d n, c nghiên c u ng d ng nhi u th c t C m bi n nhi t xúc tác phù h p cho phát hi n khí cháy n vùng n ng đ cao Trong c m bi n bán d n phù h p cho phát hi n khí oxy hóa/kh vùng n ng đ th p, đ c s d ng nhi u h th ng đo phát hi n khí đ c h i mơi tr ng công nghi p Do v y mà c m bi n bán d n đ c ng d ng r ng rãi công nghi p 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 bán d n h p th ch t khí b m t 150oC ÷ 500oC Có hai lo i c m bi n bán d n đ đ nhi t đ t c s d ng thông d ng nh t c làm t xít kim lo i: Lo i màng dày làm t ơ-xít thi c (SnO2): lo i khơng có tính ch n l c th ng đ c dùng đ phát hi n s thay đ i l n l Lo i c m bi n màng m ng đ ng khí đ c khí cháy; c làm t VO3 (tri-ơxít vonfam): đ c dùng ch y u đ phát hi n khí hydro sunfua  Lo i màng dày (SnO2) [8, 23] Lo i c m bi n màng dày hình 1.2 th nung k t ơ-xít thi c lên m t n c c b ng g m ng đ c c u t o b ng cách i n c c có th m t m t ph ng v i s i nung m t m t l i, ho c d ng ng v i s i nung xuyên qua ng Cu n dây L p thi c Cu n dây L p thi c Hình 1.2 C m bi n bán d n màng d y thi c ơ-xít (SnO2) C ch phát hi n khí c n đo lo i r t ph c t p, đ c bi t v i khí đ c Nó s k t h p ph n ng b m t bao g m c s h p th khí c n đo Khi c m bi n khơng đ c c p ngu n, khí c n đo bám vào b m t d dàng h n h u qu c m bi n ph i m t r t nhi u gi đ c c m bi n không đ n đ nh l i, u x y c c p ngu n hay nhi t đ làm vi c th p th i gian r t ng n Khi c m bi n phát hi n có khí, n tr c a l p ơ-xít thi c gi m xu ng t l v i n ng đ khí T l thay đ i c a n tr khơng n tính v i n ng đ khí, c n ph i đ b nh h ng b i đ c n tính hố C m bi n lo i d m ô-xy V i m t l ng nh đ m ho c ơ-xy c ng có th gây m t n đ nh cho c m bi n, th m chí khơng làm vi c cho đ n u ki n làm vi c bình th ng đ c ph c h i tr l i  Lo i màng m ng (VO3) [8, 23] C m bi n màng m ng đ c c u t o b ng m t v t li u n n không d n n g n v i hai ho c nhi u n c c d n n V t li u ô-xít kim lo i đ c g n vào gi a n c c Các b ph n đ c nung nóng nhi t đ làm vi c thích h p B m t l p ơ-xít kim lo i bình th tr ng s h p th ô-xy t o m t ng n t đ y electron kh i b m t Khi có khí c n đo, khí s đ y ô-xy (b ng cách chi m ch ho c ph n ng), t gi i phóng electron đ d n n, thay đ i đ d n n c a ch t bán d n d n n c a ch t bán d n ngu n tín hi u Do đ đ l c ng d ng r ng rãi công nghi p nên c m bi n bán d n c nghiên c u phát tri n nhi u gi i pháp đ nâng cao ch t ng hoàn thi n 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 đo n ng đ khí C m bi n bán d n có nhi u u m [4, 8] nh : 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: C m bi n làm vi c m t môi tr c a môi tr ng đo Khi nhi t đ đ ng c th , ln ch u nh h m c a môi tr ng ng đo khác u ki n tiêu chu n (ToC=20oC, RH%=65%) k t qu đo thay đ i rõ r t, gây sai s cho k t qu đo nh hình 1.3 Hình 1.3 c tính s ph thu c c a c m bi n MQ136 vào nhi t đ đ 10 m [45] TÀI LI U THAM KH O TƠi li u Ti ng Vi t [1] BTNMT (2009) Quy chu n K thu t Qu c gia v ch t l ng khơng khí xung quanh, QCVN 05 [2] BTNMT (2009) Quy chu n K thu t Qu c gia v m t s ch t đ c h i không khí xung quanh QCVN 06 [3] Bùi Cơng C ng, Nguy n Doưn Ph c (2003) H m m ng n -ron ng d ng, NXB KH&KT [4] Lê V n Doanh đ ng tác gi (2007) Các b c m bi n đo l ng u n, NXB KH&KT [5] Ph m Th đ il ng ng v t lý t p NXB Giáo d c [6] Ph m Th đ il ng Hàn đ ng tác gi (2003) K thu t đo l ng Hàn đ ng tác gi (2003) K thu t đo l ng ng v t lý t p NXB Giáo d c [7] Tr n Hoài Linh (2014) M ng n -ron ng d ng x lý tín hi u, NXB Bách khoa Hà N i [8] Tr n Hoài Linh (2005-2006) Thi t k ch t o thi t b th h m i đo ki m tra môi tr ng, UTCN, i h c Bách Khoa Hà n i [9] Cao Minh Quy n (2005) Thơng minh hóa c m bi n đo l ng c s m ng n -ron nhân t o, Lu n án Ti n s [10] Nguy n ình Thúc (2000) M ng n -ron ph ng pháp ng d ng, NXB Giáo d c [11] D ng Minh Trí (2004) C m bi n ng d ng, NXB KH&KT TƠi li u Ti ng Anh [12] Kieu An Ngo, Pascal Lauque (2006) Identification of Toxic Gases using Steady – State and transient Responses of Gas sensor array, Myu Tokyo [13] Baha Hakim, Zohir Dibi (2009) A Novel Neural Network-Based 105 Technique for Smart Gas Sensors Operating in a Dynamic Environment, Open Access, ISSN 1424-8220 [14] Baraboi.B, Cretu.M, Fosalau.C, Donciu.C (2001) Gas Analysis System Based On Artificial Neural Networks, 11th IMEKO Symposium, Portugal, pp 380-383 [15] Brudzewski.D, Osowski.S (1999) Gas Analysis System Composed Of A Solid-State Sensor Array And Hybrid Neural Network Structure, Sensors and Actuators B: Chemical, vol 55(1), pp 38-46 [16] Carlo.Di, Falasconi.S, Sanchez.M, Scionti.E, Squillero.A, G & Tonda.A (2011) Increasing pattern recognition accuracy for chemical sensing by evolutionary based drift compensation, Pattern Recognition Letters 32(13): 1594–1603 [17] Chen.D & Chan P (2008) An intelligent isfet sensory system with temperature and drift compensation for long-term monitoring, Sensors Journal, IEEE 8(12): 1948–1959 [18] Davide.F, Di Natale, C & D’Amico (1994) A Self-organizing multisensor systems for odour classification: Internal categorization, adaptation, and drift rejection, Sensors and Actuators B, vol (18-19), pp 244–250 [19] Divekar.S.N, Pawar.S.N (2015) PIC Microcontroller & PC Based Multi Sensors Artificial Intelligent Technique for Gas Identificatio, IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering [20] Eugster W, Kling G.W (2012) Performance Of A Low-Cost Methane Sensor For Ambient Concentration Measurements In Preliminary Studies, Atmospheric Measurement Technique, vol 5, pp 1925–1934 [21] Eungyeong Kim, Seok Lee, Jae Hun Kim, Chulki Kim, Young Tae Byun, Hyung Seok Kim and Taikjin Lee (2012) Pattern Recognition for 106 Selective Odor Detection with Gas Sensor Arrays, Open Access, ISSN 1424-8220 [22] Figaro, Technical Information on Usage of TGS Sensors for Toxic and Explosive Gas Leak Detectors [23] Gerald L.Anderson, David M.Hadden (1999) The gas Monitoring HandBook, New York [24] Gardner.J.W, Bartlett.P.N (1999) Electronic Noses: Principles and Applications, Oxford University Press, Oxford [25] Jacob Fraden (2015) Handbook Of Modern Sensors, Springer [26] Jacek M, Zurada (1997) Introduction to Artificial Neural Systems, West publishing company [27] Liu Jin, Brook.A, Kenichi Hirotsu (2005) A CMOS Feedforward Neural–Network Chip with on-chip parallel Learning for Oscillation Cancellation, IEEE Transactions on Neural Network [28] Llobet.E, Brezmes.J, Ionescu.R, Vilanova.X, Al-Khalifa.S, Gardner.J.W, Barsan.N & Correig.X (2012) Wavelet transform and fuzzy artmapbased pattern recognition for fast gas identification using a microhotplate gas sensor, Sensors and Actuators B: Chemical 83(1-3): 238– 244 [29] Lecce Di Vincenzo, Marco Calabrese (2011) Describing Non-selective Gas Sensors Behaviour via Logical Rules, The 5th International Conference on Sensor Technologies and Applications (SENSORCOMM), pp 6-11 [30] Maxim Integrated, TUTORIAL 1839 (2002) Sensor Temperature Compensation Using the Four DAC Signal Conditioning Architecture, https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1839 [31] Morsi Iman (2010) Electronic Nose System and Artificial Intelligent 107 Techniques for Gases Identification, “Data Storage”, InTech, chapter 11 [32] Natale Di C, Martinelli.E.A; D’Amico.A (2002) Counteraction of environmental disturbances of electronic nose data by independent component analys, Sensors and Actuators B: Chemical 82(2-3): 158– 165 [33] Nenova Z., Dimchev G (2013) Compensation of the Impact of Disturbing Factors on Gas Sensor Characteristics, Acta Polytechnica Hungarica Vol 10, No 3, pp 97-111 [34] Pearce.T.C, Shiffman.S.S, Nagle.H.T & Gardner.J.W (2003) Handbook of machine olfaction, Weinheim: Wiley-VHC [35] Dae-Sik Lee, Ho-Yong Jung, Jun-Woo Lim, Minho Lee, Sang-Woo Ban, Jeung-Soo Huh, Duk-Dong Lee (2000) Explosive Gas Recognition System Using Thick Film Sensor Array And Neural Network, Sensors and Actuators B 71 90-98 [36] Roj Jerzy, Henryk Urzedniczok (2015) Correction Of Gas Sensor Dynamic Errors By Means Of Neural Networks, Measurement Automation Monitoring, vol 61, no 12, pp 538-541 [37] Siegel.M.W, Olfaction Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors and Neural Networks, Carnegie Mellon University, The Robotics Institute Pittsburgh, PA 15213, USA [38] Vlachos.D, Fragoulis.D & Avaritsiotis.J (1997) An adaptive neural network topology for degradation compensation of thin film tin oxide gas sensors, Sensors and Actuators B: Chemical 45(3), pp 223–228 [39] Winter.P.W, Brote.G, Wood.H (1998) Mixed Gas Concentration Measurement Using Neural Networks, IC FUSION, pp 716-720 [40] Wold.S, Esbensen.K & Geladi.P (1987) Principal component analysis, Chemiometrics Intell., Lab Syst 2: 37–52 108 [41] Zhang Lei, Fengchun Tian, Xiongwei Peng, Lijun Dang, Guorui Li, Shouqiong Liu, Chaibou Kadri (2013) Standardization Of Metal Oxide Sensor Array Using Artificial Neural Networks Through Experimental Design, Sensors and Actuators B: Chemical, vol 177, pp 947-955 [42] Zimmerman Naomi, Albert A Presto, Sriniwasa P.N Kumar, Jason Gu, Aliaksei Hauryliuk, Ellis S Robinson, Allen L Robinson, Ramachandran Subramanian (2017) Closing The Gap On Lower Cost Air Quality Monitoring: Machine Learning Calibration Models To Improve Low-Cost Sensor Performance, Journal of Atmospheric Measurement Techniques [43] Zuppa, M., Distante, C., Persaud, K C & Siciliano P (2006) Recovery Of Drifting Sensor Responses By Means Of DWT Analysis, Sensors and Actuators B: Chemical 120(2): 411–416 [44] https://www.olimex.com/Products/Components/Sensors/SNS-MQ135/ resources/SNS-MQ135.pdf [45] http://www.sensorica.ru/pdf/MQ-136.pdf [46] https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf [47] http://www.figarosensor.com/products/2600pdf.pdfTGS2602 [48] http://www.figarosensor.com/products/docs/2444%20ProdInfo%280613 %29.pdf [49] https://www.google.com/search?source=hp&ei=PV76W8r4KMu78QX8 m7q4Dw&q=sp3aq2+datasheet&oq=%09SP3AQ2&gs_l=psyab.1.0.35i39.2415.5276 7320 0.0 0.4024.5784.0j1j81j1 1j2 gws-wiz 0.JbC0mIyyNdU# [50] https://patents.google.com/patent/US2014/0356971 Dec.4.2014 109 M CL C Trang L i cam đoan …………… .…………………………………… … .i L i cám n ii M c l c .iii Danh m c ch vi t t t kí hi u vi Danh m c b ng vii Danh m c hình viii M U 1 Tính c p thi t c a đ tài M c đích nghiên c u it Ph ng nghiên c u ph m vi nghiên c u ng pháp nghiên c u Ý ngh a khoa h c th c ti n c a đ tài Nh ng đóng góp m i c a lu n án K t c u c a lu n án CH NG T NG QUAN V KHệ TRONG MÔI TR CÁC C M BI N BÁN D N O N NG 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 1.1.2 Gi i thi u chung v c m bi n đo n ng đ khí 1.2 T ng quan v m t s gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n đo n ng đ khí………………………………………………………………………………10 1.2.1 Các u, nh c m c a c m bi n bán d n đo n ng đ khí 10 1.2.2 T ng quan gi i pháp nâng cao ch t l 1.3 Tình hình nghiên c u nâng cao ch t l ng 12 ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí………………………………………………………………………………22 1.3.1 Tình hình nghiên c u ngồi n c 22 1.3.2 Tình hình nghiên c u n c 23 1.4 nh h ng nghiên c u c a lu n án 23 iii 1.5 K t lu n ch CH NG CH T L ng 24 NG D NG M NG N -RON NHÂN T O NÂNG CAO NG C M BI N BÁN D N O N NG KHệ 26 2.1 C s lý thuy t c a ANN MLP 26 2.1.1 Nh ng m m nh c a ANN 26 2.1.2 M ng n -ron MLP 31 2.2 C u trúc c m bi n ng d ng ANN nâng cao ch t l ng c m bi n 33 2.2.1 C u trúc c m bi n ng d ng ANN nâng cao ch t l 2.2.2 S d ng ANN bù sai s c a y u t nh h ng c m bi n 33 ng c a nhi t đ đ m 34 2.2.3 S d ng ANN kh c ph c tính ph n ng đa khí c a c m bi n 42 2.2.4 S d ng ANN u ch nh đ c tính c a c m bi n 44 2.3 Tích h p hai ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng u ch nh đ c tính c m bi n 49 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 n tính hóa đ c tính 49 2.5 K t lu n ch CH ng 50 NG MÔ PH NG CÁC GI I PHÁP NÂNG CAO CH T L C M BI N O N NG KHệ NG XU T 52 3.1 Thi t k ANN 52 3.2 Bù sai s y u t 3.2.1 X p x đ nh h ng 55 ng đ c tính ph thu c nhi t đ , đ m c a c m bi n 55 3.2.2 Tính tốn bù sai s 59 3.3 Lo i tr tính ph n ng đa khí c a c m bi n 64 3.3.1 Thi t k ANN 64 3.3.2 K t qu mô ph ng dùng b ba c m bi n MQ136, TGS2602 SP3AQ2 65 3.3.3 K t qu mô ph ng dùng b c m bi n MQ136, TGS2602, TGS2444 SP3AQ2 68 3.4 i u ch nh đ c tính c a c m bi n 71 iv 3.4.1 K t qu mô ph ng 72 3.4.2 Nh n xét 79 3.5 Tích h p hai ch c n ng bù nhi t đ - đ m u ch nh đ c tính cho c m bi n…………………………………………………………………………… 79 3.6 Tích h p ba ch c n ng bù nhi t đ , đ m, lo i tr tính đa khí n tính hóa đ c tính đ u c a c m bi n 83 3.7 K t lu n ch CH NG XÂY D NG H ANN BỐ SAI S 4.1 ng 87 NH H TH NG TH C NGHI M NG D NG NG C A C M BI N 89 t v n đ 89 4.2 K t qu tri n khai 90 4.3 K t lu n ch ng 100 K T LU N 101 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH ẩ CÔNG B 103 TÀI LI U THAM KH O 105 PH L C…………………………………………………………………… PL v DANH M C CÁC CH VI T T T VÀ Kụ HI U Ch vi t t t Gi i thích ART Adaptive Resonance Theory ICA Independent Component Analysis LUT Look Up Table MLP Multi Layer Perceptron ANN Artificial Neural Network PCA Principal Component Analysis RF Random Forest SOM Self Organizing Maps VLSI Very Large Scale Integrated IW Các tr ng s gi a đ u vào n -ron n b1 Các tr ng s gi a đ u vào bias n -ron n LW b2 Các tr ng s gi a n -rôn n đ u Các tr ng s gi a đ u vào bias n -rôn n vi DANH M C CÁC B NG S b ng Tên b ng Trang 1.1 N ng đ t i đa cho phép c a m t s ch t đ c h i khơng khí xung quanh nh h 2.1 B ng s li u LUT v sai s y u t ng 3.1 Các c m bi n l a ch n d i đo c a chúng 52 3.2 B thông s c u trúc c a ANN 53 3.3 Các c m bi n l a ch n mô ph ng d i đo c a chúng 64 3.4 B thông s c a ANN v i c u trúc 3x3x2 66 3.5 B thông s c a ANN v i c u trúc 3x4x2 67 3.6 B thông s c a ANN v i c u trúc 4x3x2 69 3.7 B thông s c a ANN v i c u trúc 4x4x2 70 3.8 B thông s c u trúc c a m ng 1x1x1 80 3.9 B thông s c a ANN v i c u trúc 3x3x2 84 4.1 K t qu mô ph ng th c nghi m đo n ng đ khí H2S 93 ch a bù v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ 4.2 m RH=33% K t qu mơ 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 4.3 37 m RH=85% K t qu mô ph ng th c nghi m đo n ng đ khí H2S đư bù vii 94 94 DANH M C CÁC HÌNH S hình Tên hình Trang 1.1 S đ h th ng giám sát khí mơi tr 1.2 C m bi n bán d n màng d y thi c ô-xít (SnO2) 1.3 c tính s ph thu c c a c m bi n MQ136 vào nhi t đ đ m 10 1.4 Ph n ng đa khí c a c m bi n MQ7 (a) MQ136 (b) 11 1.5 Tuy n tính hóa t ng đo n d a m t s m m u 21 2.1 S đ c u trúc chung c a c m bi n s c p n -ron 33 2.2 2.3 ng công nghi p Gi i pháp bù nhi t đ b ng n tr nhi t (a) so sánh m c đ bám c a n áp tham chi u bù (các m o) có bù (các m  ) theo n áp đích (các m  ) C u trúc c m bi n đ c đ xu t bù sai s c a y u t nh h ng 35 39 2.4 X p x l i hai đ c tính f1(To) f2(To) 40 2.5 M ch chu n hóa đ u cho c m bi n bán d n 40 2.6 c tính fx(To) đ 2.7 C u trúc c m bi n đ 2.8 Ph 2.9 C u trúc c m bi n đ 2.10 2.11 c n i suy theo f1 f2 41 c đ xu t lo i tr tính ph n ng đa khí ng pháp n i suy n tính 45 c đ xu t u ch nh đ c tính 48 S đ kh i c a h tích h p hai ch c n ng bù sai s u ch nh đ c tính 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 3.1 L u đ thu t tốn cho trình luy n ANN 3.2 Các m m u (a) đ ng x p x bi n thiên theo đ nhi t đ b ng hàm n tính (b) viii 43 49 50 54 m 56 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 ng x p x bi n thiên theo nhi t đ đ m b ng ANN MLP Bi u đ bi n thiên theo nhi t đ đ m c a c m bi n MQ7 X p x đ c tính ph thu c c a đ u c m bi n MQ7 vào nhi t đ (a) đ m RH%= 33% (b) RH%=85% Bi u đ bi n thiên theo nhi t đ đ m c a c m bi n MQ136 X p x đ c tính ph thu c c a đ u c m bi n MQ136 v i nhi t đ đ m (a) RH%= 33% (b) RH%=85% Bi u đ bi n thiên theo nhi t đ đ m c a c m bi n TSG2602 X p x đ c tính ph thu c c a đ u c m bi n TGS 2602 v i nhi t đ đ m (a) RH%= 40% (b) RH%=85% 57 57 57 58 58 59 59 3.10 K ch b n cho ng d ng mô ph ng 60 3.11 K t qu bù sai s đo n ng đ khí CO=100(ppm) 61 3.12 K t qu bù sai s đo n ng đ khí CO=500(ppm) 61 3.13 K t qu bù sai s đo n ng đ khí H2S=50(ppm) 62 3.14 K t qu bù sai s đo n ng đ khí H2S=100(ppm) 62 3.15 K t qu bù sai s đo n ng đ khí NH3=5(ppm) 63 3.16 K t qu bù sai s đo n ng đ khí NH3=10(ppm) 63 3.17 C u trúc m ng 3x3x2 65 3.18 K t qu 3x3x2 66 3.19 K t qu 3.20 C u trúc m ng 3x4x2 67 3.21 K t qu 3x4x2 68 c l cl c l ng n ng đ khí NH3 v i c u trúc m ng ng n ng đ khí H2S v i c u trúc 3x3x2 ng n ng đ khí NH3 v i c u trúc m ng ix 66 3.22 K t qu 3x4x2 3.23 C u trúc m ng 4x3x2 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 K t qu 4x3x2 K t qu 4x3x2 c l ng n ng đ khí H2S v i c u trúc m ng 68 c l ng n ng đ khí NH3 v i c u trúc m ng 69 c l ng n ng đ khí H2S v i c u trúc m ng 69 C u trúc m ng 4x4x2 K t qu 4x4x2 K t qu 4x4x2 68 70 c l ng n ng đ khí NH3 v i c u trúc m ng 71 c l ng n ng đ khí H2S v i c u trúc m ng 71 C u trúc m ng đ c l a ch n 1x1x1 c tính c a c m bi n MQ135 đo n ng đ khí CO 72 72 3.31a X p x đ c tính c a c m bi n MQ135 đo khí CO 73 3.31b M ng MLP chu n hóa n áp đ u c a c m bi n t 0÷5V 73 3.31c c tính c a c m bi n MQ135 sau n tính hóa 74 3.32 c tính c a c m bi n TGS2600 đo n ng đ khí CO 74 3.33a X p x đ c tính c a c m bi n TGS2600 75 3.33b M ng MLP chu n hóa n áp đ u 75 3.33c c tính c a c m bi n TGS2600 sau n tính hóa 76 3.34 c tính c a c m bi n MQ7 đo n ng đ khí CO 76 3.35a M ng MLP chu n hóa n áp đ u 77 3.35b c tính c a c m bi n MQ7 sau n tính hóa 77 3.35c c tính sau hi u ch nh c a c m bi n MQ7 77 x 3.36 c tính c a c m bi n TGS2444 đo n ng đ khí NH3 78 3.37a X p x đ c tính c a c m bi n TGS2444 đo khí NH3 78 3.37b M ng MLP chu n hóa n áp đ u 78 3.37c 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 c tính c a c m bi n TGS2444 sau n tính hóa Các k t qu bù nh h ng nhi t đ đ m n tính hóa đ c tính c a c m bi n n ng đ khí bi n thiên (T=35oC, RH=80%) K t qu bù nh h ng nhi t đ đ m n tính hóa đ c tính c a c m bi n n ng đ khí bi n thiên (T=35oC, RH=80%) (a) sai l ch so v i đ c tính n tính lý t ng (b) K t qu bù nh h ng nhi t đ đ m n tính hóa đ c tính c a c m bi n nhi t đ đ m thay đ i (n ng đ khí 1000ppm không thay đ i) K t qu c l ng thành ph n khí NH3 ch a bù c a ba c m bi n tr ng h p nhi t đ bi n thiên ng u nhiên t 30÷35oC, đ m t 45÷50% Các k t qu c l ng thành ph n NH3 đư bù c a ba c m bi n tr ng h p nhi t đ bi n thiên ng u nhiên t 30÷35oC, đ m t ÷50% Các k t qu c l ng thành ph n khí H2S ch a bù c a ba c m bi n tr ng h p nhi t đ bi n thiên ng u nhiên t 30÷35oC, đ m t 45÷50% Các k t qu c l ng thành ph n khí H2S t giá tr đo đư bù c a ba c m bi n tr ng h p nhi t đ bi n thiên ng u nhiên t 30 ÷ 35oC, đ m t 45 ÷ 50% 79 81 81 82 85 86 86 87 4.1 S đ kh i c a thi t b đo 90 4.2 Thi t b ch t o 91 4.3 Thi t b đo v i bình khí chu n 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 t o mơi tr ng đo có nhi t đ đ m chu n đ t ToC=20oC, RH=65% Thi t b đ t khoang lò đ t o giá tr đ m nhi t đ khác Lò t o mơi tr ng đo có nhi t đ đ m đ t ToC=40oC, RH=33% Lò t o mơi tr ng đo có nhi t đ đ m đ t ToC=30oC, RH=85% K t qu so sánh tr c sau bù ANN b ng mô ph ng v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=33% K t qu so sánh tr c sau bù ANN b ng th c nghi m v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=33% K t qu so sánh tr c bù b ng mô ph ng tr c bù b ng th c nghi m v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=33% K t qu so sánh sau bù b ng mô ph ng sau bù ANN b ng th c nghi m v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=33% K t qu so sánh tr c sau bù ANN b ng mô ph ng v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=85% K t qu so sánh tr c sau bù b ng th c nghi m v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=85% K t qu so sánh tr c bù b ng mô ph ng tr c bù b ng th c nghi m v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC đ m RH=85% K t qu so sánh bù b ng mô ph ng n ng đ khí chu n =10ppm v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC K t qu so sánh bù b ng th c nghi m n ng đ khí chu n =10ppm v i nhi t đ thay đ i (20÷50)oC xii 92 92 93 93 95 95 96 97 97 98 98 99 99 ... 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 khí th i cơng nghi p c th ng d ng:  Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN... [2] NH3 200 Hydrosunfua [2] H2S 42 Cacbon monoxit [1] CO 30000 D a vào thông s b ng 1.1 làm c s l a ch n c m bi n đo c nh báo n ng đ khí mơi tr ng cơng nghi p 1.1.2 Ải i thi u chung v c m bi n đo. .. môi tr c a môi tr ng đo Khi nhi t đ đ ng c th , ln ch u nh h m c a môi tr ng ng đo khác u ki n tiêu chu n (ToC=20oC, RH%=65%) k t qu đo thay đ i rõ r t, gây sai s cho k t qu đo nh hình 1.3 Hình