Bài báo cáo về cảm biến khí thuận từ của sinh viện đại học bách khoa môn học cảm biến
MỞ ĐẦU Các cảm biến đo nồng độ của một thành phần trong hỗn hợp khí phát triển rất mạnh, đặc biệt liên quan đến việc kiểm tra nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Trong số các cảm biến thành phần khí, cảm biến oxy chiếm vị trí đặc biệt quan trọng. Việc phân tích chính xác và nhanh chóng thành phần oxy đã cho phép triển khai rộng rãi các ứng dụng của cảm biến oxy. Mặc dù có khá nhiều loại cảm biến oxy khác nhau nhưng cảm biến khí thuận từ khá được quan tâm bởi tính chính xác và khả năng phát hiện được nồng độ oxy thấp, được sử dụng nhiều trong các ngành, các ứng dụng quan trọng. Dưới đây em xin trình bày nguyên lý hoạt động một vài loại cảm biến khí thuận từ cơ bản được ứng dụng trong thực tế. Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Đức Vượng đã giúp em hoàn thành đề tài này. I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Khi một chất khí đặt trong gradient của một cảm ứng từ B , nó chịu tác dụng của lực song song với từ trường có hướng và cường độ phụ thuộc độ từ hóa 2 0 2 BgraddVFd Trong đó: 0 là độ từ thẩm của chân không dV là vi phân thể tích Đa số các chất khí là nghịch từ ( âm). Tuy nhiên một số chất khí như O 2 , NO, NO 2 có ít nhất một điện tử tự do và là chất thuận từ ( dương). Chúng có khả năng từ hóa mạnh hơn nhiều so với các chất khí khác. Chất khí O 2 NO NO 2 H 2 N 2 CO CO 2 Ar 100 45 4 -0,12 -0,36 -0,35 -0,63 -0,58 Khi một hỗn hợp các chất khí khác nhau đặt trong từ trường, chỉ có các chất khí thuận từ bị từ trường tác động. Ngoài ra các chất khí thuận từ còn có một tính chất đặc biệt là độ từ hóa của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ: tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối. Dựa trên hai tính chất trên của các khí thuận từ người ta đã chế tạo ra các cảm biến khí thuận từ để đo thành phần chất khí, chủ yếu đo nồng độ oxy vì oxy là khí thuận từ có độ từ hóa lớn nhất. II. CẤU TẠO 1. Cảm biến kiểu từ động (the magnetodynamic) Cấu tạo của cảm biến kiểu “quả tạ” được biểu diễn ở hình dưới Trong buồng kín để khí phân tích thổi qua gồm có: - Hai nam châm (magnet). - Một cấu trúc kiểu quả tạ cầm tay (dumbbell) gồm 2 hình cầu rỗng đường kính 2 mm bằng thạch anh, bên trong chứa đầy khí nito được nối cứng với nhau và treo bằng một sợi dây silic rất mảnh, trên đó gắn một chiếc gương nhỏ (mirro). Vị trí ban đầu của mỗi quả cầu tương ứng với một đầu vào của nam châm. - Ngoài ra còn có nguồn phát tia sáng (light source) và bộ cảm biến ánh sáng (light detector). Nguyên lý hoạt động Khi cho chất khí phân tích thổi vào trong buồng với một tốc độ rất thấp (dưới 200 ml/ph), nếu trong hỗn hợp khí có chứa O 2 , oxy sẽ bị hút về phía có từ trường mạnh nhất và đẩy quả tạ quay xung quanh sợi dây treo chúng cho đến khi lực tác động của từ trường cân bằng với ngẫu lực xoắn của sợi dây. Góc quay của quả tạ tỉ lệ với nồng độ oxy trong mẫu khí phân tích. Tia sáng phản xạ từ chiếc gương nhỏ sẽ phản ánh vị trí góc của bộ phận xoay, được nhận biết thông qua cảm biến ánh sáng. Từ đó ta tính được nồng độ oxy. Độ nhạy của cảm biến có thể được cải thiện bằng phương pháp “số không”: các quả cầu được đưa trở lại vị trí cân bằng ban đầu bằng cách tác động một điện trường giữa hai điện cực. Đo hiệu điện thế giữa hai điện cực này sẽ xác định được hàm lượng oxy. Thiết bị được chuẩn với khí nito và một chất khí có hàm lượng biết trước, thường là không khí khô. Để tránh ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ từ hóa của chất khí cần phân tích, các phép đo thường được tiến hành ở nhiệt độ 50 o C. Ưu điểm của thiết bị: - Hoạt động ở mọi vị trí. - Có thể sử dụng thiết bị dưới dạnh xách tay. - Độ ổn định của “điểm không” rất tốt. - Không cần sợi dây đốt nóng. Các nhược điểm chính: - Thời gian hồi đáp lớn (từ 10 s đến 1 phút). - Độ nhạy thấp (nồng độ khí phải lớn hơn 100 vpm). - Nhạy cảm với rung động. 2. Cảm biến kiểu đối lưu từ-nhiệt (the thermomagnetic) Nguyên lý Khi một chất khí thuận từ (ví dụ oxy) bị nung nóng trong từ trường, oxy nóng trở nên kém từ tính hơn và sẽ bị dòng oxy lạnh tràn vào chiếm chỗ. Dòng oxy lạnh này lại bị nung nóng và dẫn đến sự xuất hiện của “luồng gió từ”. Cấu tạo và hoạt động Chất khí cần phân tích (sample gas) lưu chuyển trong một ống hình xuyến đặt thẳng đứng. Một đoạn ống ở vị trí nằm ngang (tuyệt đối) nối thông hai nhánh của hình xuyến. Đoạn ống nằm ngang được cuốn xung quanh bằng hai sợi đốt platin (coils) tạo thành một phần của cầu Wheatstone. Một trong hai điện trở này được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu (magnetic field). Trước khi phân tích, cho dòng khí trơ thổi qua ống hình xuyến để cân bằng cầu Wheatstone. Sau đó cho dòng khí cần phân tích vào ống hình xuyến. Nếu trong thành phần khí có chứa oxy, nó sẽ bị hút vào đường ống nằm ngang, ở đó do bị nung nóng nên độ từ hóa của oxy giảm đi và do vậy bị thay thế bởi luồng oxy lạnh hơn. Sự giảm nhiệt của hai sợi đốt dưới tác dụng của dòng khí trong đoạn ống nằm ngang sẽ khác nhau làm cho cầu mất cân bằng. Sự mất cân bằng này là hàm của nồng độ oxy cần phân tích. Ưu điểm: giá thành thấp và có thể loại bỏ được sự rối loạn xảy ra do các chất khí nghịch từ gây nên. Nhược điểm: - Cần đặt ống hình xuyến một cách hợp lý và chính xác để tránh sự đối lưu nhiệt trong đoạn ống nằm ngang. - Sự có mặt của các thành phần khí khác có hệ số dẫn nhiệt rất khác oxy (như H 2, He, CO 2 ) sẽ gây nên sai số lớn trong phép đo. - “Điểm không” không phụ thuộc vào việc chuẩn cầu đo, tức là phụ thuộc vào sự ổn định của các điện trở và của lưu lượng khí. Một số thiết bị phân tích khác có trang bị cảm biến phát hiện chất khí dựa trên nguyên lý “áp suất từ”. Chất khí phân tích lưu thông trong hai ống đồng dạng đặt ở đầu vào của một nam châm điện (A) tạo ra từ trường biến thiên. Một phần của hai ống được nung nóng tại R và T. Theo hiệu ứng từ nhiệt, giữa hai ống sẽ có sự khác nhau về áp suất, nó biến đổi cùng với tần số từ trường nhưng có biên độ là hàm của nồng độ oxy trong khí phân tích. Màng M có tác dụng để đo biến đổi này. Ưu điểm của thiết bị loại này là có thời gian hồi đáp nhỏ hơn nhiều so với loại đối lưu từ-nhiệt. 3. Cảm biến kiểu từ khí (the magnetopneumatic) Cảm biến dựa trên hiệu ứng Quincke và có sơ đồ cấu tạo như hình dưới Nguyên lý hoạt động Trong từ trường oxy có xu hướng tập trung lại, trong đó các chất khí nghịch từ hoàn toàn không chịu tác động nào. Một dòng khí bổ trợ (auxiliary gas), thường là khí nghịch từ, chạy đối xứng trong hai nhánh A và B. Ở đầu cuối nhánh B có đặt một nam châm vĩnh cửu (magnet). Dòng khí cần phân tích (sample gas) được đưa vào hai nhánh đối xứng của cấu trúc hình vành khăn. Nếu dòng khí cần phân tích có chứa oxy, nó sẽ bị hút về phía từ trường, do đó làm giảm tốc độ dòng chảy của dòng khí phụ trợ tại nhánh B. Sự khác biệt về tốc độ dòng chảy trong hai nhánh A và B tỉ lệ với nồng độ khí oxy và được đo bằng hai cảm biến (thermistor) đặt tại hai nhánh A và B. Từ đó ta sẽ suy ra được nồng độ oxy. Một kiểu cảm biến khác cũng dựa trên hiệu ứng Quincke có cấu tạo như sau Nguyên lý hoạt đông Dòng khí chuẩn (reference gas) được đưa đến hai nhánh đối xứng, do có khe hẹp (restriction) ở mỗi nhánh nên dòng khí được tăng tốc. Dòng khí phân tích được đưa vào đoạn cuối hai nhánh như hình vẽ. Một từ trường biến thiên (pulsating magnetic field) phát ra ở cuối nhánh trên. Nếu trong dòng khí phân tích có oxy, nó sẽ bị hút về phía từ trường, do đó sinh ra áp suất biến thiên mà độ lớn tỉ lệ với nồng độ oxy. Áp suất đó tạo thành một dòng khí trong đường ống dọc nối hai nhánh đối xứng. Một cảm biến lưu lượng nhỏ (microflow sensor) được đặt trong đường ống dọc để đo biến đổi này, từ đó tính ra nồng độ oxy. Ưu điểm - Do khí phân tích không tiếp xúc trực tiếp với cảm biến phát hiện nên loại cảm biến này có thể đo được các loại khí ăn mòn. - Sẽ không có tín hiệu ở cảm biến phát hiện nếu trong khí phân tích không có oxy, do đó không có sự trôi “điểm không”. Nhược điểm Cần có một lượng khí chuẩn đưa vào phù hợp với khí phân tích hoặc phù hợp với các phép phân tích khác nhau. III. MỘT SỐ DẠNG CẢM BIẾN KHÍ THUẬN TỪ TRONG THỰC TẾ IV. ỨNG DỤNG Các loại máy phân tích khí thuận từ thường được sử dụng trong việc phân tích hiệu suất cháy, kiểm tra độ tinh khiết của không khí thở và bầu khí quyển, đo nồng độ oxy trong phòng thí nghiệm và trong các thiết bị y tế . . khí khác. Chất khí O 2 NO NO 2 H 2 N 2 CO CO 2 Ar 100 45 4 -0 ,12 -0 ,36 -0 ,35 -0 ,63 -0 ,58 Khi một hỗn hợp các chất khí khác nhau đặt trong từ trường, chỉ. Ưu điểm của thiết bị: - Hoạt động ở mọi vị trí. - Có thể sử dụng thiết bị dưới dạnh xách tay. - Độ ổn định của “điểm không” rất tốt. - Không cần sợi dây