Một trong những −u thế rõ rệt của các vi mạch FPAA vμ công cụ thiết kế AnadigmDesignerđ2 lμ giúp tạo ra đ−ợc những khối chức năng analog có thể thay đổi hμm truyền đạt một cách dễ dμng. Ng−ời thiết kế có thể sử dụng vi mạch FPAA để tạo ra các bộ điều khiển ( controller ) PID có các thông số có thể đặt
Cuộn sơ cấp Thứ cấp A Thứ cấp B
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
đ−ợc một cách đơn giản vμ có thể tự chỉnh để thích nghi với các đặc tính của đối t−ợng. Điều nμy tr−ớc đây chỉ có thể đạt đ−ợc với các bộ điều khiển số, còn với các bộ điều khiển t−ơng tự dùng kỹ thuật thông th−ờng thì rất khó khăn.
Để thiết kế một bộ điều khiển PID theo mô hình ở hình 3-2.10 với kỹ thuật thiết kế thông th−ờng ta phải sử dụng một số vi mạch khuyếch đại thuật toán vμ
các phần tử mạch khác ( điện trở, tụ điện...). Việc thiết lập vμ điều chỉnh các thông số truyền đạt của mạch cho phù hợp với tính chất của đối t−ợng điều khiển cũng rất khó khăn.
Tuy nhiên, nếu sử dụng công nghệ FPAA thì công việc sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiềụ Chỉ cần một chip FPAA, ng−ời thiết kế có thể tạo ra đ−ợc một bộ điều khiển PID với việc thiết lập vμ chỉnh định các thông số rất dễ dμng. Ngoμi ra, cùng với chip FPAA nμy ng−ời thiết kế có thể tạo ra thêm nhiều tính năng hơn nữa cho thiết bị. Hình 3-2.11 mô tả một ví dụ sử dụng một chip FPAA cho cả hai chức năng : chuẩn hoá tín hiệu đo từ sensor vμ thực hiện thuật toán điều khiển PID. Proportional Integral Derivative SUM e = error signal Output = P ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ∫ + dt de D dt e I e .
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Theo sơ đồ nμy, một tín hiệu đo yếu có thể chứa các thμnh phần nhiễu từ sensor đ−ợc đ−a tới khối vμo analog thứ nhất của FPAẠ Tại đây, tín hiệu đ−ợc khuyếch đại bằng một mạch khuyếch đại chopper vμ khử sai lệch offset bằng một khối CAM cộng/ trừ (SumDif). Hμm truyền của sensor cũng có thể phi tuyến, trong tr−ờng hợp đó ta sử dụng một khối CAM tạo hμm truyền ( TransferFuntion) để tuyến tính hoá.
Tín hiệu ra của CAM TransferFuntion ( tuyến tính với tín hiệu cần đo ) đ−ợc đ−a vμo khối CAM Sum/Dif tiếp theo để so sánh với giá trị đặt (Set-point). Điện áp sai lệch từ CAM nμy lại đ−ợc đ−a tới mạch xử lý PID gồm một CAM tích phân (Integrator), một CAM vi phân (Differentiator), vμ một CAM Sum/ Dif có ba lối vμọ
Sensor
Set-point
Hình 3-2.11 Một bộ điều khiển PID sử dụng FPAA
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Do tính chất lấy mẫu tín hiệu của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện, cho nên để có đ−ợc dạng tín hiệu liên tục ở cửa ra ta có thể dùng thêm một mạch Sample and Hold (CAM Hold).
Tiếp theo, ta xét một ví dụ cụ thể về một thiết bị điều khiển mức chất lỏng trong bình chứạ Với các thiết bị điều khiển loại nμy ng−ời ta th−ờng sử dụng luật điều khiển PI ( tỷ lệ tích phân). Mô hình hệ điều khiển mức chất lỏng theo luật PI mô tả trên hình 3-2.12
Hình 3-2.13 lμ sơ đồ mô tả việc thực hiện bộ điều khiển PI đó bằng một vi mạch FPAẠ Tín hiệu đo lấy từ sensor đ−ợc so sánh với tín hiệu set-point qua khối CAM SumDif thứ nhất, tín hiệu ra của nó đ−ợc xử lý PI nhờ một khối CAM Integrator vμ khối CAM SumDif thứ haị Cũng giống nh− ở tr−ờng hợp trên, để có đ−ợc tín hiệu ra dạng liên tục ta dùng thêm một khối CAM Hold tại đầu ra của mạch điều khiển.
Đối t−ợng
Đặt mức ban đầu
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Hệ thống mạch giao diện ( Interface Circuit) kết nối giữa bộ điều khiển dùng FPAA vμ đối t−ợng bình chứa thực hiện chức năng cấp nguồn cho mạch đo mức vμ điều khiển đóng mở valve
Sensor Set-point
Control
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Ch−ơng 4 : ứng dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO 4.1 Tầm quan trọng của việc đo khí co
Khí Cacbon Monoxide ( CO ) lμ một loại khí không mùi, không mμu, không kích thích vμ không gây tổn th−ơng niêm mạc do đó giác quan ít phát hiện ra khí nμỵ Khí CO đ−ợc tạo thμnh chủ yếu do đốt cháy không hoμn toμn những chất có chứa cacbon. Có rất nhiều nguồn tạo ra khí CO xung quanh nhμ nh− lμ lò n−ớng, bếp than, bếp ga, khí thải của xe ôtô, xe gắn máỵ Khói thuốc lá cũng lμ nguồn quan trọng tạo ra ô nhiễm khí CỌ ở các nhμ máy, công x−ởng, hμm l−ợng CO th−ờng đạt giá trị cao trong các môi tr−ờng có diễn ra quá trình cháy nh− lò cao, khoang lò hơi, luyện kim, lọc dầu, động cơ chạy bằng xăng dầu, máy phát điện, bãi đậu xe kín trong nhμ...vvv
Cơ chế về tính độc của CO đ−ợc công nhận nhiều nhất lμ sự liên kết mạnh mẽ của CO vơi hemoglobin(Hb). Sự liên kết nμy lμm giảm Hb vμ từ đó lμm giảm l−ợng O2 huyết do giảm vận chuyển O2 của các hồng cầu tới các bộ phận của cơ thể vμ ngăn cản sự phân ly O2 khỏi Hb trong mao mạch. Nh− vậy CO gây ra thiếu O2 dẫn tới giảm chức năng của các cơ quan vμ tổ chức nhậy cảm nh− não, tim, nội mạc mạch máu vμ tiểu cầu, do đó ảnh h−ởng đến sức khoẻ.
Khi hμm l−ợng CO trong không khí nhỏ, nạn nhân có thể mệt mỏi, hoa mắt, chóng mặt, buồn nôn, đau đầụ Khi nồng độ CO trong môi tr−ờng gia tăng, tim vμ não của nạn nhân bị ảnh h−ởng nặng nề có thể dẫn đến tử vong. Mức độ ngộ độc khí CO phụ thuộc vμo ba yếu tố : Nồng độ khí CO trong môi tr−ờng, khoảng thời gian tồn tại nồng độ đó vμ c−ờng độ lμm việc hay tốc độ hít thở của mỗi ng−ờị Khi ở trong môi tr−ờng mμ nồng độ CO khoảng 80 ữ100 ppm trong vòng 1
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
đến 2 giờ, có thể lμm giảm c−ờng độ lμm việc, tức ngực, loạn nhịp tim. ở nồng độ 100 ữ200 ppm ngộ độc khí CO có biểu hiện nh− nhức đầu, buồn nôn, đầu óc kém minh mẫn. Hệ thống thần kinh trung −ơng bị tê liệt, hôn mê, vμ dẫn đến tử vong với nồng độ khí CO ở 700 ppm hoặc lớn hơn trong vòng một giờ.
Một số tổ chức an toμn vμ sức khỏe thế giới đặt ra những giới hạn cho phép nồng độ khí CO ở nơi lμm việc, nhμ x−ởng, khu công nghiệp nh− sau:
- Tổ chức an to n vệ sinh Hoa Kỳ ( OSHA ) đ−a ra giới hạn chấp nhận đ−ợc đối với nồng độ khí CO lμ 50ppm trong 8 giờ lμm việc
- Viện an toμn sức khoẻ quốc gia Mỹ ( NIOSHA ) đề nghị giới hạn đối với nồng độ khí CO lμ 35 ppm trong 8 giờ lμm việc.
Do khí CO lμ khí không mùi, không mμu, không kích thích nên sự hiện diện của khí CO trong không khí rất khó phát hiện vμ khi nạn nhân bị nhiễm độc CO việc chuẩn đoán bệnh cũng rất khó khăn dẫn đến tình trạng tử vong nhanh chóng. Chính vì vậy CO đ−ợc mệnh danh lμ thủ phạm giết ng−ời lặng lẽ .
Qua đó có thể thấy việc sự dụng các thiết bị đo, giám sát nồng độ khí CO trong nhμ, công x−ởng, môi tr−ờng, nơi lμm việc trở thμnh nhu cầu rất bức thiết để đảm bảo sức khoẻ cho mọi ng−ờị
4.2 Các Ph−ơng pháp đo vμ cảm biến đo khí CO 4.2.1 Các ph−ơng pháp đo khí
Có nhiều ph−ơng pháp đo nồng độ chất khí, đó lμ các ph−ơng pháp sau :
- Ph−ơng pháp điện hoá : các dụng cụ đo nồng độ vật chất dựa trên sự ứng dụng các chuyển đổi điện hoá.
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
- Ph−ơng pháp iôn hoá : đây lμ ph−ơng pháp dựa trên sự iôn hoá các chất cần phân tích vμ đo dòng điện iôn hoá để xác định nồng độ của các chất đó
- Ph−ơng pháp phổ : lμ ph−ơng pháp dựa trên khả năng hấp thụ, bức xạ, tán xạ, phản xạ hoặc khúc xạ có chọn lọc của các chất khác nhau với các loại bức xạ khác nhau
- Ph−ơng pháp phân tích nhiệt : lμ ph−ơng pháp đo độ dẫn nhiệt của thμnh phần trong hợp chất khí vμ nồng độ của thμnh phần ấỵ
- Ph−ơng pháp sắc kí : Khi phân tích những hợp chất phức tạp ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp sắc kí. Ph−ơng pháp nμy thực hiện bằng cách chia hợp chất thμnh các thμnh phần riêng rẽ nhờ hiện t−ợng hút. Hợp chất khí phân tích đ−ợc chuyển dịch nhờ các khí mang ở dạng khí hoặc hơi qua một ống dμi nhỏ ( cột sắc kí) chứa đầy chất hút tập trung không di chuyển. Do sự lμm chậm có lựa chọn đ−ợc thực hiện bằng chất hút, các thμnh phần bị hút ít đi qua tr−ớc, do đó có sự phân chia hợp chất thμnh nhiều thμnh phần khác nhau, những thμnh phần nμy đ−ợc di chuyển qua cột sắc kí thμnh những vùng riêng rẽ vμ theo trình tự đ−ợc dẫn đi bằng khí mang. Mỗi thμnh phần đ−ợc đ−a ra khỏi cột với thời gian khác nhau, nồng độ của chúng đ−ợc xác định theo tỉ số diện tích của mỗi khoảng với diện tích của tất cả sắc phổ.
4.2.2 Các cảm biến đo khí CO
Các cảm biến đo nồng độ khí CO th−ờng đ−ợc sử dụng trong thực tế th−ờng lμ các cảm biến kiểu bán dẫn, cảm biến điện tr−ờng vμ cảm biến điện hóạ Sau đây chúng ta xét một vμi cảm biến th−ờng đ−ợc sử dụng trên thị tr−ờng.
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
a) Cảm biến kiểu bán dẫn ( Metal Oxide Semiconductor sensor)
Vật liệu trong sensor lμ oxit kim loại, loại điển hình lμ SnO2. Khi một tinh thể oxit kim loại nh− SnO2 ở nhiệt độ cao trong không khí, oxy đ−ợc hút, bám vμo bề mặt tinh thể. Các electron tự do trên bề mặt tinh thể di chuyển bám vμo oxy, kết quả để lại điện tích d−ơng trên lớp diện tích bề mặt. Điện thế trên bề mặt đ−ợc xem nh− hμng rμo điện thế ngăn cản dòng chảy electron.
Trong sensor, dòng điện chảy qua lớp tiếp xúc ( danh giới điểm ) của những tinh thể rất nhỏ SnO2 .Tại danh giới điểm (grain boundary), oxy bám vμo tạo thμnh một hμng rμo điện thế, ngăn cản các phân tử mang di chuyển một cách tự dọ Điện trở của sensor chính lμ hμng rμo điện tích nμỵ Với sự có mặt của khí khử oxy nh− CO, H2 sẽ lμm mật độ oxy mang điện tích âm trên bề mặt giảm, vì vậy độ cao hμng rμo điện thế trong danh giới điểm giảm. Độ cao hμng rμo giảm sẽ giảm điện trở của sensor.
Phản ứng giữa CO vμ Oxy đ−ợc hấp thụ trên bề mặt tinh thể SnO2 :
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển (SnO x) O ad(SnO x) O2 2 * 2 2 1 − → + (4.1) ( ) ( )* 2 2 2x CO SnO x SnO ad O CO+ − → + (4.2)
Trong thực tế mối liên hệ giữa điện trở sensor vμ nồng độ chất khí cần đo đ−ợc mô tả bởi công thức
n
c K
R≅ * − (4.3)
Trong đó : R : lμ điện trở của sensor c : lμ nồng độ của khí cần đo K : lμ hệ số đo
n : có giá trị từ 0,3 ữ 0,8 tuỳ thuộc vμo chất cấu tạo sensor
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
b) Cảm biến điện tr−ờng ( Field Effect sensor)
Công nghệ chế tạo FE sensor dựa trên sự tác động của chất khí lên chất bán dẫn oxit kim loại của transistor tr−ờng (MOSFET). Do sự tích điện tích trên cổng tiếp xúc( chân gate của MOSFET) với phân tử khí dẫn đến sự thay đổi điện áp trong tín hiệu của sensor.
Điện áp trên chân gate điều khiển dòng điện đi qua MOSFET. Những phân tử khí sẽ tác động lên điện áp của chân gate lμm chân gate tích điện do đó chân gate của MOSFET sẽ đ−ợc cộng thêm một điện áp nhất định vμ lμm thay đổi dòng điện chạy trong sensor. Trong MOSFET sensor chân gate vμ chân drain đ−ợc nối với nhau vμ sensor hoạt động chỉ với hai cực.
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Lựa chọn nhiệt độ, kim loại chế tạo chân gate sẽ tạo ra các sensor phát hiện các loại khí khác nhaụ Với những sensor đ−ợc lμm từ chất bán dẫn silicon (Si)
Hình 4-2.4 . Hình minh hoạ nguyên lý lμm việc của sensơ
Gas Concentration [ppm]
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
nh− Si-MOSFET, nhiệt độ hoạt động lμ 150 2000C. Với những sensor đ−ợc lμm từ chất bán dẫn silicon carbide (SiC) nh− SiC-MOSFET, nhiệt độ hoạt động từ 200-6000C.
c) Cảm biến điện hoá (Electrochemical sensor)
Cấu trúc đơn giản nhất của electrochemical cell lμ thiết kế hai cực, bao gồm mμng bán thấm, bể chứa chất điện phân, một cực working, một cực counter. Những cực nμy th−ờng đ−ợc đ−ợc phủ một lớp bề mặt PTFE với một hỗn hợp xúc tác, th−ờng lμ platinum, chất nμy lμm tăng phản ứng của khí cần đọ Trong hầu hết các tr−ờng hợp, khí khuyếch tán vμo cell, tác động trên bề mặt của cực working, sinh ra các ion ( H+) vμ electron (e-). Các ion dịch chuyển đến cực counter thông qua chất điện phân trong khi các electron dịch chuyển đến cực counter thông qua mạch ngoμị Tổ hợp các electron vμ ion tại cực counter sẽ kết thúc phản ứng mμ không có bất cứ phần tử nμo của cell bị tiêu haọ Khối l−ợng electron sinh ra tỉ lệ với khối l−ợng khí, đo dòng điện chảy qua mạch ngoμi ta sẽ đo đ−ợc nồng độ chất khí.
Các phản ứng trong sensor gồm
Working : 2CO + 2H2O → 2CO2 + 4H+ + 4e- (4.4) Counter : 4H+ + 4e- + 2O2 → 2H2O (4.5)
Hoμng Tú Uyên Ngμnh Đo l−ờng vμ các Hệ thống Điều khiển
Những −u điểm của nguyên lý electrochemical lμ : đ−ờng đặc tính lμ tuyến tính, ổn định trong một thời gian dμi, giá cả hợp lý. Điều nμy đ−ợc chứng minh phổ biến trong các thiết bị báo động khí CO trong nhμ, công x−ởng, thị tr−ờng thiết bị báo cháỵ
Để sensor electrochemical ở hiệu quả cao, điện thế trên hai đầu cực cần phải đ−ợc thay đổi để trợ giúp quá trình oxi hoá vμ giảm các phản ứng hoá học. Điện thế ở cực sensing vμ cực counter sẽ thay đổi ng−ợc chiều nhaụ Tuy nhiên trong mạch đo, sau sensor bao giờ cũng có một mạch khuyếch đạị Khi hoạt động mạch khuyếch đại sẽ giữ điện thế hai cực của sensor không thay đổi chiều, do đó sensor không lμm việc với hiệu quả cao nhất. Khi nồng độ khí ở mức cao, điện thế ở cả hai cực của sensor hơi âm. Điều nμy sẽ lμm tăng phản ứng ở cực counter nh−ng giới hạn hoạt động ở cực sensing, kết quả lμ tạo ra đ−ờng đặc tính không tuyến tính.
Mặt khác tất cả các linh kiện điện tử đều có một dung sai hoạt động, do đó nó không hoạt động tốt tại mọi thời điểm. Một OpAmp bao giờ cũng có một điện áp U0 giữa hai đầu vμo của nó, trong nhiều tr−ờng hợp điện áp nμy có thể gây ra những sai khác trong tín hiệụ Khi mμ sensor hai cực thay đổi chiều điện áp hai cực sẽ lμm tín hiệu sensor sai lệch khoảng 3 ữ 4mV. Điều nμy có thể xảy ra khi sensor hoạt động trong khoảng thời gian dμi, trong nồng độ chất khí caọ
Vì vậy sensor hai cực th−ờng đ−ợc giới hạn sử dụng trong những ứng dụng đo nồng độ thấp của chất khí. Đối với những lĩnh vực khác, đặc biệt trong công