Ưu điểm: Có khả năng hoạt động tốt ở môi trường có độ ẩm thấp. Có thể phát hiện được nhiểu loại khí, bao gồm cả khí dễ cháy. Giá của loại cảm biến này rẻ hơn rất nhiều so với các dòng cảm biến khác.
Nhược điểm: Đầu ra của các cảm biến MOS thay đổi lôgarit với nồng độ khí. Điều này giới hạn độ chính xác của cảm biến và phạm vi đo tổng thể của cảm biến. Những thay đổi về nồng độ oxy, độ ẩm và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Mặc dù cảm biến MOS có chi phí tương đối thấp, nhưng độ ổn định và độ lặp lại của cảm biến kém. Tiêu thụ điện năng cao do sự gia nhiệt của nguyên tố, hạn chế việc sử dụng cảm biến này trong các thiết bị di động. Cảm biến MOS thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện khí cố định có chi phí thấp, có mạch điều khiển điện tử.
2.3 Lựa chọn cảm biến cho thiết bị đo độ ô nhiễm không khí
Đề tài đặt ra mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị đo độ ô nhiễm không khí theo tiêu chuẩn của Việt Nam. Các giá trị cần phải đo đạc và tính toán trên thiết bị là nồng độ của các chất ô nhiễm sau: SO2, CO, NOx, O3, PM10, TSP.
Qua việc khảo sát, tìm hiểu cách sử dụng các loại cảm biến đo độ ô nhiểm không khí. Đánh giá khả năng ứng dụng của từng loại cảm biến, mức độ đáp ứng cũng như giá thành của từng loại cảm biến. Các cảm biến sau được lựa chọn thử nghiệm trên thiết bị bao gồm:
Cảm biến đo bụi PM10, PM2.5 Nova SDS011: Đây là cảm biến đo bụi theo phương pháp tán xạ hồng ngoại có thể đo được nồng độ của bụi PM10 và PM2.5 với một độ chính xác tương đối và giá thành rẻ. Kết quả đo đạc từ cảm biến cũng có thể cải thiện thông qua việc xử lý bằng phần mềm và một quy trình vận hành, bảo dưỡng cảm biến hợp lý.
Cảm biến đo nồng độ CO MQ7: Đây là cảm biến đo nồng độ CO được sử dụng rất phổ biến hiện nay trên các thiết bị phát hiện CO giá rẻ. Ưu diểm của cảm biến này là độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, dải đo rộng, tuổi thọ cao, và mạch vận hành đơn giản. Tuy nhiên việc ứng dụng cảm biến này vào một thiết bị quan trắc đòi hỏi việc thiết kế phần cứng, quá trình đo đạc và tính toán cũng như quá trình hiệu chuẩn cảm biến khá phức tạp. Một vấn đề nữa là kết quả đo của cảm biến bị ảnh hưởng khá nhiều bởi hiện tượng nhiễu chéo với các chất khác và cả với sự có mặt của độ ẩm, Oxy không khí … vì vậy nên môi trường sử dụng của cảm biến này cũng bị hạn chế. Việc cảm biến bán dẫn được lựa chọn ứng dụng trên thiết bị nhằm đánh giá lại hiệu năng của cảm biến đồng thời tìm phương pháp tăng cường độ chính xác cho cảm biến để tận dụng tối đa ưu thế của dòng cảm biến này.
Cảm biến đo nồng độ SO2 ME3-SO2: Đây là một cảm biến đo nồng độ khí thuộc dòng cảm biến điện hóa. Đây là dòng cảm biến có độ chính xác cao, có thể phát hiện khí ở nồng độ rất thấp và mỗi cảm biến được thiết kế đổi tối ưu cho từng khí mục tiêu cụ thể. Tuy nhiên giá của dòng cảm biến này khá cao.
Cảm biến đo nồng độ NO2 SPEC 3SP_NO2: Tương tự với cảm biến SO2 đây cũng là một cảm biến thuộc dòng cảm biến điện hóa, tuy nhiên thiết kế của cả biến được thu nhỏ để có thể tối ưu cho các thiết bị đo đạc di động. Dòng cảm biến này có mức tiêu thụ năng lượng rất thấp, hoạt động ở mức điện áp 3.3V và có tuổi thọ rất cao có thể lên tới 10 năm.
Cảm biến đo nồng độ CO2 MH Z19B: Đây là môt cảm biến khí hồng ngoại phổ biến, có thước nhỏ, sử dụng nguyên lý hồng ngoại không phân tán (NDIR) để phát hiện sự tồn tại của CO2 trong không khí, có độ chọn lọc cao, không phụ thuộc nồng độ oxy và tuổi thọ cao . Bên trong cảm biến có tích hợp bù nhiệt độ; với hai dạng tín hiệu đầu ra UART và đầu ra PWM.
Đề tài sẽ đi xây dựng phần cứng, phần mềm để có thể kết nối với các cảm biến và đọc được giá trị từ chúng phục vụ cho việc tính toán giá trị AQI. Xây dựng quy trình vận hành và hiệu chỉnh cho từng cảm biến. Đồng thời tìm kiếm và thử nghiệm các phương pháp nhằm tối ưu kết quả đo đạc của các cảm biến, qua đó đánh giá độ tin cậy cũng như mức độ phù hợp của từng cảm biến cho việc đối với việc theo dõi chất lượng không khí này.
Chƣơng 3 XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 3.1 Thiết kế phần cứng
3.1.1 Tổng quan thiết bị
Thiết bị được thiết kế bao gồm 5 khối chính: Khối xử lý trung tâm, Khối thời gian thực, khối giao tiếp với cảm biến khí, khối hiển thị và khối cấp nguồn.
Khối xử lý trung tâm đảm nhận vai trò đọc kết quả từ các cảm biến, tính toán và đưa ra kết quả về nồng độ các chất ô nhiễm.
Khối thời gian thực cung cấp giá trị thời gian thực cho quá trình cập nhật và lưu trữ kết quả đo đạc, tính toán.
Khối giao tiếp với cảm biến bao gồm các mạch kết nối với các loại cảm biến đo khí khác nhau như cảm biến bán dẫn, cảm biến điện hóa, modul cảm biến có đầu ra PWM, modul cảm biến có đầu ra I2C…
Khối hiển thị đảm nhận vai trò hiển thị các kết quả tính toán và làm đầu vào nhập liệu thông số cho thiết bị. Khối nguồn tạo ra các mức điện áp khác nhau cấp cho các khối chức năng khác.
Khối xử lý trung tâm (Arduino Mega 2560)
Khối hiển hị và nhập liệu Khối giao tiếp
với cảm biến
Khối nguồn
3V3, 5V, 1,5 V 3,3V, 5V
7,5V
Khối thời gian thực