Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo. Vai trũ cảm biến đo là nhận tớn hiệu ỏp suất P và chuyển đổi sang dạng tớn hiệu khỏc. Phần lớn cỏc cảm biến đo ỏp suất đều cú tớn hiệu ra dưới dạng dịch chuyển cơ học. Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang dạng tớn hiệu điện
hay tớn hiệu ỏp suất khớ nộn để truyền về cho thiết bị chỉ thị đo thường đặt ở phũng điều khiển trung tõm.
+ Cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm ỏp thay đổi
Một trong những phương phỏp khỏ phổ biến để đo lưu lượng dịch thể chất khớ và hơi quỏ nhiệt chảy trong đường ống là hiệu ỏp suất hai bờn thiết bị thu hẹp. Thiết bị thu hẹp đúng vai trũ cảm biến đo, được đặt trong đường ống tạo nờn điểm thắt dũng chảy cục bộ trong đường ống dẫn. Như vậy tại vị trớ đặt thiết bị thu hẹp tốc độ của dũng chảy tăng lờn. Động năng tăng sẽ dẫn đến thế năng của dũng chảy giảm xuống. Tại vựng đặt thiết bị thu hẹp sẽ cú hiện tượng chuyển đổi thế năng sang động năng của dũng chảy. Trước thiết bị thu hẹp ỏp suất đột ngột tăng, sau khe hẹp ỏp suất đột ngột giảm. Hai bờn thiết bị thu hẹp sẽ xuất hiện ỏp suất ∆P phụ thuộc vào lưu lượng của dũng chảy.
Và Lưu lượng: q = K. ∆P
Trong đú K phụ thuộc vào thiết diện khe hở.
Hệ thống đo lưu lượng theo độ giảm ỏp thay đổi bao gồm: cảm biến đo là thiết bị thu hẹp chuyển tớn hiệu lưu lượng q sang hiệu ỏp suất ∆P. Thiết bị chuyển đổi II chuyển tớn hiệu hiệu ỏp suất ∆P sang tớn hiệu dũng chuẩn điện ỏp một chiều (0
ữ 5mA; 0 ữ 20mA; 4 ữ 20mA). Ưu điểm của tớn hiệu dũng là cú thể truyền đi xa mà khụng bị tổn thất trờn đường dẫn. Phần tử thứ 3 trong hệ thống là bộ xử lý tớn hiệu III. Bộ xử lý này thực hiện chức năng đầu tiờn là chuyển tớn hiệu dũng nhận được sang tớn hiệu ỏp chuẩn (0 ữ 5V hoặc 1 ữ 10V một chiều). Bước thứ hai là xỏc định giỏ trị lưu lượng tức thời q trờn cơ sở điện ỏp U và cỏc thụng số cỏc cụng thức tớnh lưu lượng. Đồng thời nú cũng tớnh tổng lượng vật chất chảy qua đường ống theo cụng thức tớch phõn:
Q = ∫ qdt (1.14)
* Cỏc cảm biến ỏp lực:
+ Load cell
Load cell là cảm biến được thiết kế riờng biệt để đo lực. Cấu tạo của nú gồm một thanh dầm cú dỏn 4 cảm biến đo biến dạng (4 điện trở tenzo) tại những vị trớ bảo đảm gần như chớnh xỏc tuyệt đối là khi thành dầm biến dạng thỡ hai cảm biến chịu biến dạng kộo cú cựng điện trở (R - ∆R) và hai cảm biến cũn lại chịu biến dạng nộn cú cựng điện trở (R - ∆R). Load cell được chế tạo rất nhiều loại với những giới hạn khỏc nhau. Trong giới hạn làm việc đặc tớnh của load cell được xem là tuyến tớnh. Khi sử dụng load cell cần phải biết giới hạn đo, cỏc điều kiện làm việc, điện ỏp nguồn cung cấp và độ nhạy của load cell.
* Cỏc cảm biển đo nồng độ khớ CO
Cỏc cảm biến đo lưu lượng khớ CO thường được sử dụng trong thực tế là cỏc cảm biến kiểu bỏn dẫn, cảm biến điện trường và cảm biến điện hoỏ.
+ Cảm biến kiểu bỏn dẫn (Metal OOxxide Semiconductor senser)
Vật liệu trong sensor là ụxớt kim loại, loại ,điển hỡnh là SnO2. Khi một tinh thể kim loại như SnO2 ở nhiệt độ cao trong khụng khớ, oxy được hỳt bỏm vào bề mặt tinh thể. Cỏc ờlờctron tự do trờn bề mặt tinh thể di chuyển bỏm vào oxy, kết qủa để lại điện tớch dương trờn lớp điện tớch bề mặt. Điện thế trờn bề mặt được xem như hàng rào điện thế ngăn cản dũng chảy electron.
Trong sensor, dũng điện chảy qua lớp tiếp xỳc ( danh giới điểm) của những tinh thể rất nhỏ SnO2. Tại danh giới điểm ( grain boundary), oxy bỏm vào tạo thành một hàng rào điện thế, ngăn cản cỏc phõn tử mang di chuyển một cỏch tự do. Điện trở của sensor chớnh là hàng rào điện tớch này. Với sự cú mặt của khớ khử oxy như CO, H2 sẽ làm mật độ oxy mang điện tớch õm trờn bề mặt giảm, vỡ vậy độ cao hàng rào điện thế trong danh giới điểm giảm. Độ cao hàng rào giảm sẽ giảm điện trở của sensor.
Phản ứng giữa CO và Oxy được hấp thụ trờn bề mặt tinh thể SnO2
1 O + (SnO ) * → O−ad (SnO ) 2 2 2 x 2 x (1.15) CO + O−ad(SnO ) → CO + (SnO ) (1.16)
Hỡnh 1.14. Mụ hỡnh tạo hàng rào điện thế khi cú khớ CO
Trong thực tế mối liờn hệ giữa điện trở sensor và nồng độ chất khớ cần đo được mụ tả bởi cụng thức
R ≅ K *c−n
Trong đú: R: Là điện trở của sensor c: Là nồng độ của khớ cần đo K: Là hệ số đo
(1.17)
n: cú giỏ trị từ 0,3 ữ 0,8 tuỳ thuộc vào chất cấu tạo senssor
Hỡnh 1.15. Đặc tớnh điển hỡnh của MOS sensor + Cảm biến điện trường (Field Effect sensor)
Cụng nghệ chế tạo FE sensor dựa trờn sự tỏc động của chất khớ lờn chất bỏn dẫn oxit kim loại của transistor trường (MOSFET). Do sự tớch điện tớch trờn cổng tiếp xỳc (chõn gate của MOSFET) với phõn tử khớ dẫn đến sự thay đổi điện ỏp trong tớn hiệu của sensor.
Điện ỏp trờn chõn gate điều khiển dũng điện đi qua MOSFET. Những phõn tử khớ sẽ tỏc động lờn điện ỏp của chõn gate làm chõn gate tớch điện do đú chõn gate của MOSFET sẽ được cộng thờm một điện ỏp nhất định và làm thay đổi dũng điện trong sensor. Trong MOSFET sensor chõn gate và chõn drain được nối với nhau và sensor hoạt động chỉ với hai cực.
Hỡnh 1.17. Đường đặc tớnh điển hỡnh của FE sensor
Lựa chọn nhiệt độ, kim loại chế tạo chõn gate sẽ tạo ra cỏc sensor phỏt hiện cỏc loại khớ khỏc nhau. với những sensor được làm từ chất bỏn dẫn silicon (Si) như SI-MOSFET, nhiệt độ hoạt động là từ 100 ữ 2000oC. Với những sensor được làm từ chất bỏn dẫn silicon carbide (SiC) như SiC-MOSFET, Nhiệt độ hoạt động từ 200 ữ 6000oC.
+ Cảm biến điện hoỏ (Electrochemical sensor)
Cấu trỳc đơn giản nhất của electrochemical cell là thiết kế hai cực, bao gồm màng bỏm thấm, bể chứa chất điện phõn, một cực working một cực counter. những cực này thường được phủ một lớp bề mặt PTFE với một hỗn hợp xỳc tỏc, thường là platinum, chất này làm tăng phản ứng của khớ cần đo. Trong hầu hết cỏc trường hợp, khớ khuếch tỏn vào cell, tỏc động trờn bề mặt của cực working, sinh ra cỏc ion (H+) và electron (e-). Cỏc ion dịch chuyển đến cực counter thụng qua chất điện phõn trong khi cỏc electron dịch chuyển đến cực counter thụng qua mạch ngoài. Tổ hợp cỏc ion và electron và ion tại cực counter sẽ kết thỳc phản ứng mà khụng cú bất cứ phần tử nào của cell bị tiờu hao. Khối lượng electron sinh ra tỉ lệ với khối lượng khớ, đo dũng điện chẩy qua mạch ngoài sẽ đo được nồng độ chất khớ.
Working: 2CO + 2H2O → 2CO2+ 4H+ + 4e- (1.18) Counter: 4H+ + 4e -+ 2O2 → 2H2O (1.19)
Hỡnh 1.18.Two electron sensor
Những ưu điểm của nguyờn lý electrochemical là: Đường đặc tớnh là tuyến tớnh, ổn định trong một thời gian dài, giỏ cả hợp lý. Điều này được chứng minh chủ yếu trong cỏc thiết bị bỏo động khớ CO trong nhà, cụng xưởng, thị trường thiết bị bỏo chỏy.
Để sensor electrochemical ở hiệu quả cao, điện thế trờn hai đầu cực cần phải được thay đổi để trợ giỳp quỏ trỡnh oxi hoỏ và làm giảm cỏc phản ứng hoỏ học. Điện thế ở cực sensing và cực counter sẽ thay đổi ngược chiều nhau. Tuy nhiờn trong mạch khếch đại sẽ giữ điện thế hai cực của sensor khụng thay đổi chiều, do đú sensor khụng làm việc với hiệu quả cao nhất. Khi nồng độ khớ ở mức cao, điện thế ở cả hai cực của sensor hơi õm. Điều này sẽ làm tăng phản ứng ở cực counter nhưng giới hạn hoạt động ở cực sensing, kết quả là tạo ra đường đặc tớnh khụng tuyến tớnh.
Mặt khỏc tất cả cỏc linh kiện điện tử đều cú một dung sai hoạt động, do đú nú khụng hoạt động tốt tại mọi thời điểm, một OpAmp bao giờ cũng cú một điện ỏp Uo giữa hai đầu vào của nú, trong nhiều trường hợp, điện ỏp này cú thể gõy ra những sai khỏc tớn hiệu. Khi mà sensor hai cực thay đổi chiều điện ỏp hai cực sẽ làm cho tớn hiệu sensor thay đổi khoảng 3 ữ 4mV. Điều này cú thể xẩy ra khi sensor hoạt động trong một thời gian dài, trong nồng độ chất khớ cao.
Vỡ vậy sensor hai cực thường được giới hạn sử dụng trong những ứng dụng đo nồng độ thấp của chất khớ. Đối với những lĩnh vực khỏc, đặc biệt trong cụng nghiệp, sensor ba cực thường được sử dụng. Sensor ba cực cú thờm cực thứ ba (cực reference), cực này được giữ trong khớ quyển, khụng tiếp xỳc với khớ cần đo, khụng tham gia vào cỏc phản ứng hoỏ học và quỏ trỡnh oxy hoỏ. Do đú điện thế của cực này được giữ khụng đổi. Trong hoạt động của sensor, người ta đo điện ỏp giữa hai cực sensing và reference để xỏc định nồng độ chất khớ. Điều này cho phộp điện thế của cực counter thay đổi khi cần thiết mà khụng ảnh hưởng kết quả đo. Sensor ba cực hoạt động hiệu quả hơn và thường được sử dụng để đo giỏm sỏt nồng độ chất khớ với dải đo rộng, độ phõn giải cao, thời gian đỏp ứng nhanh, hoạt động ổn định
Hỡnh 1.19. Đường đặc tớnh điển hỡnh của electrochemical sensor
Cú nhiều nhà sản xuất sensor đo nồng độ khớ CO vớ dụ như: tập đoàn Figaro, hóng Nemoto, hóng AppiedSenso… nhưng những sensor đo nồng độ khớ CO trờn thị trường chủ yếu ứng dụng cỏc nguyờn lý làm việc đó trỡnh bày ở trờn.
Từ những đường đặc tớnh điển hỡnh của sensor đo nồng độ khớ CO ta cú thể thấy với MOS sensor và FE sensor đường đặc tớnh là phi tuyến, với electrochemical sensor đường đặc tớnh ra là tuyến tớnh, tuy nhiờn tớn hiệu ra là rất nhỏ cỡ (àA). Để đo được nồng độ của cỏc chất khớ cần phải cú mạch bự phi tuyến (Đối với cỏc MOS
sensor và FE sensor ) và phải mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn, khụng cú điện ỏp offset, khụng bị ảnh hưởng bởi nhiễu (đối với electrochemical sensor)
CHƢƠNG 2