CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ỨNG DỤNG CHO
4.3. Thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí CO và HC
Các thiết bị đo khí được thiết kế chế tạo cho cảnh báo đo đạc nồng độ khí CO và HC trong môi trường không khí trên cơ sở các cảm biến đã được nghiên cứu và chế tạo. Thiết bị đo khí này được thiết kế dựa trên kỹ thuật vi điện tử phù hợp cho từng loại cảm biến khí và mục đích ứng dụng khác nhau.
Đối với một thiết bị đo khí sử dụng cảm biến hóa học, một yêu cầu quan trọng là các quá trình chỉnh chuẩn và bảo dưỡng thiết bị. Với yêu cầu này, kỹ thuật điện tử dựa trên vi xử lý được sử dụng trong thiết kế chế tạo thiết bị đo khí.
Hình 4.15 là sơ đồ các khối trong thiết kế thiết bị đo khí dựa trên cảm biến khí CO và HC gồm:
1. Cảm biến: biến đổi tham số nồng độ khí thành tín hiệu điện 2. Nguồn nuôi cảm biến: tạo nhiệt độ hoạt động của cảm biến
4. Hiển thị, cảnh báo: hiển thị kết quả đo; các cảnh báo về: tình trạng máy, tình trạng cảm biến, nồng độ khí vượt các ngưỡng giới hạn 5. Phần kết nối: chức năng kết nối máy tính PC và kết nối hệ thống
mạng cho mục đích thu thập, xử lý số liệu và đặc biệt cho quá trình chỉnh chuẩn bảo dưỡng thiết bị
6. Vi xử lý: điều hành toàn bộ hoạt động của thiết bị
Hình 4.15: Sơ đồ các khối trong thiết bị đo khí.
Trong thực tế ứng dụng, thiết kế điện tử cho thiết bị đo hoạt động liên tục và gián đoạn cũng có nhiều điểm khác nhau. Ví dụ như: sử dụng nguồn Pin hay nguồn điện áp cố định; quy trình lấy mẫu đo; quy trình cấp nhiệt cho cảm biến, lưu trữ hiển thị kết quả, v.v.. Trong luận án này, mạch điện tương đương trong thiết kế thiết bị đo sử dụng cảm biến độ dẫn điện cho phát hiện khí CO được trình bày trên hình 4.16. Ở đó, Vheater là điện áp cung cấp cho bếp vi nhiệt, Vref là điện áp chuẩn ổn định cho mạch lấy tín hiệu cảm biến biến, Rheater là điện trở của bếp vi nhiệt, Rsensor là điện trở cảm biến, RC là điện trở phần bù, R là điện trở thuần, Vout là điện áp tín hiệu lối ra của cảm biến. Hình 4.16 là mạch điện lấy tín hiệu điện trở cảm biến sử dụng nguồn điện áp chuẩn (Vref) thường được sử dụng cho thiết kế thiết bị đo. Ngoài ra, tín hiệu điện trở của cảm biến còn được thiết kế theo nguồn dòng chuẩn. Tuy nhiên, so với thiết bị đo thiết kế trên cơ sở nguồn điện áp thì nguồn dòng phức tạp và giá thành cao hơn nhiều. Nhược điểm của cảm biến trên cơ sở độ dẫn điện của oxit bán dẫn đó là điện trở cảm biến thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Trong các thiết bị đo khí thường được sử dụng các kỹ thuật khác nhau để loại bỏ các ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến
cũng như kết quả đo của thiết bị. Việc bù trừ này có thể được thực hiện dựa trên phần mềm hoặc phần cứng của thiết bị. Trong luận án này, cảm biến CO đã chế tạo có sử dụng bộ lọc than hoạt tính nên có thể loại bỏ ảnh hưởng độ ẩm tới tín hiệu ra của cảm biến. Ngoài ra, trên hình 4.16, RC là cảm biến nhiệt điện trở đóng vai trò bù trừ nhiệt độ cho điện trở cảm biến (Rsensor). Các kỹ thuật này giúp cho cảm biến hoạt động ổn định.
Hình 4.16: Sơ đồ mạch điện tương đương lấy tín hiệu của cảm biến trong thiết bị đo khí CO.
Nhược điểm của cảm biến trên cơ sở độ dẫn điện của oxit bán dẫn đó là điện trở cảm biến thay đổi theo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Trong các thiết bị đo khí thường được sử dụng các kỹ thuật khác nhau để loại bỏ các ảnh hưởng tới tín hiệu của cảm biến cũng như kết quả đo của thiết bị. Việc bù trừ này có thể được thực hiện dựa trên phần mềm hoặc phần cứng của thiết bị. Trong luận án này, cảm biến CO đã chế tạo có sử dụng bộ lọc than hoạt tính nên có thể loại bỏ ảnh hưởng độ ẩm tới tín hiệu ra của cảm biến. Ngoài ra, trên hình 4.16, RC là cảm biến nhiệt điện trở đóng vai trò bù trừ nhiệt độ cho điện trở cảm biến (Rsensor).
Trong khi đó mạch điện tương đương trong thiết kế thiết bị đo sử dụng cảm biến nhiệt xúc tác khí HC là mạch cầu như trên hình 4.17. Ở đó, VCC là điện thế cấp cho cảm biến hoạt động, Rref là điện trở của bộ phần bù, Rsensor là điện trở của bộ phận nhạy khí, RV là biến trở, R là điện trở thuần và Vout là điện áp tín hiệu ra.
Đối với cả hai loại cảm biến, tín hiệu điện áp ra (Vout) được thu thập, xử lý, hiển
Hình 4.17: Sơ Sơ đồ mạch điện tương đương lấy tín hiệu của cảm biến trong thiết bị đo khí HC.
Hình 4.18: Ảnh chụp thiết bị đo và cảnh báo nồng độ khí CO và HC.
Đặc trưng tín hiệu ra của các loại cảm biến phụ thuộc vào nồng độ khí có thể tuyến tính hoặc không tuyến tính. Vì vậy, việc xử lý các số liệu thu được đều dựa trên phần mềm điều khiển vi xử lý. Một số thiết bị đã nghiên cứu chế tạo trên cơ sở ứng dụng các cảm biến khí CO và HC trong luận án này gồm:
1. Thiết bị đo khí CO dạng cầm tay, vùng nồng độ 10÷1000 ppm.
2. Thiết bị đo và cảnh báo khí CO dạng treo tường (hoạt động liên tục), vùng nồng độ 10÷250 ppm.
3. Thiết bị đo khí LPG dạng cầm tay, vùng nồng độ 0÷100 %LEL.
4. Thiết bị đo khí CH4 dạng cầm tay, vùng nồng độ 0÷100 %LEL.
5. Thiết bị đo khí HC dạng treo tường (hoạt động liên tục), vùng nồng độ 0÷100 %LEL.
Hình 4.18 là ảnh chụp thiết bị đo khí CO (trái) và HC (phải) thế hệ mới nhất, đây là thiết bị dạng treo tường có khả năng hoạt động liên tục đo đạc cảnh báo nồng độ khí CO và HC trong môi trường không khí.
Bảng 4.5 là tổng hợp các thông số kỹ thuật của các thiết bị đo khí CO và HC. Các thiết bị được thiết kế chế tạo ở đây có đặc điểm: chức năng chỉnh chuẩn qua máy tính PC (phần mềm đi kèm); chức năng thông báo cảm biến hỏng; chức năng ghép nối thành hệ thống mạng các thiết bị đo; màn hình chỉ thị nồng độ khí (LCD, LED); sử dụng nguồn điện (pin Ni-MH hoặc nguồn 5 VDC).
Bảng 4.5: Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị đo khí CO và HC đã chế tạo.
Thông số kỹ thuật Thiết bị đo CO Thiết bị đo HC*
Dải đo 1÷250 ppm; 10÷1000 ppm 0÷100 %LEL**
Độ phân giải 1 ppm 1 %LEL
Độ chính xác ±10 ppm ±5 %LEL
Thời gian đáp ứng >30 s ~10 s
Màn hình LCD, LED
Nguồn nuôi Pin Ni-MH, 220VAC - 5VDC
Chức năng khác Chỉnh chuẩn thiết bị (phần mềm ghép nối PC).
Chức năng báo cảm biến hỏng.
Thiết bị đo gián đoạn hoặc hoạt động liên tục.
* HC: gồm các khí Methane (CH4), LPG (C3H8, C4H10), n-hexane (C6H14).
** LEL: ngưỡng cháy nổ mức thấp, với khí C3H8 làm chuẩn thì 100 %LEL = 2 % thể tích.
Các thiết bị đo khí CO và HC đã được thử nghiệm ở phòng thí nghiệm và đo đạc và thử nghiệm tại Trung Tâm Đo Lường Việt Nam - Tổng Cục Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng (xem phụ lục về các kết quả đo và thử nghiệm thiết bị). Một số thiết bị đo khí CO và HC này đã được triển khai ứng dụng trong thực tế tại Việt Nam, ví dụ về các cơ sở sử dụng: Trường Đại học giao thông vận tải Hà Nội; Công ty Hồng Hà – Bộ Quốc Phòng; Trung tâm thử nghiệm khí thải