CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ỨNG DỤNG CHO
4.2. Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí HC
4.2.2. Đặc trưng nhạy khí HC của cảm biến nhiệt xúc tác kiểu Pellistor
Hình 4.11 là điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 phụ thuộc vào điện áp nguồn Vcc tại 1% các khí HC (CH4, C3H8, C4H10 và C6H14). Kết quả cho thấy vùng điện áp Vcc tối ưu cho cảm biến hoạt động là lân cận 2,8 V. Đặc trưng này cho thấy cảm biến cho độ nhạy khá giống nhau đối các khí HC và chỉ riêng khí CH4 là cảm biến có độ nhạy thấp nhất.
Hình 4.12 điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 phụ thuộc nồng độ các khí (CH4, C3H8, C4H10 và C6H14) tại điện áp nguồn Vcc = 2,8 V. Các đường đặc trưng này chỉ ra sự phụ thuộc tuyến tính điện áp ra Vout vào nồng độ khí HC. Đặc trưng này của cảm biến nhiệt xúc tác sẽ thuật lợi cho việc thiết kế thiết bị đo, đặc biệt là trong quá trình chỉnh chuẩn.
Hình 4.11: Điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 phụ thuộc vào điện áp nguồn Vcc.
Hình 4.12: Điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 phụ thuộc vào nồng độ khí HC.
Cảm biến nhiệt xúc tác thường có thời gian hồi đáp nhanh. Đặc trưng hồi đáp của cảm biến nhiệt xúc tác trong nghiên cứu này được thực hiện như sau:
cảm biến được hoạt động trong buồng đo có thể tích 50 cm3, khí chuẩn (từ bình khí 1% C3H8) với lưu lượng 500 mL/phút qua buồng đo. Hình 4.13 là thời gian hồi đáp của cảm biến SmFeO3 tại điện áp Vcc khác nhau (1,2; 2,0 và 2,6 V). Kết
quả cho thấy đây là loại cảm biến có thời gian hồi đáp rất nhanh chỉ khoảng 10 giây. Với thời gian hồi đáp này, cảm biến là phù hợp cho thiết bị đo đạc và cảnh báo liên tục nồng độ khí tại hiện trường.
Hình 4.13: Đường đặc trưng hồi đáp của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 trong 1% khí C3H8 tại các điện áp nguồn Vcc khác nhau.
Độ ổn định của cảm biến nhiệt xúc tác chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu nhạy khí. Tính không ổn định của cảm biến phụ thuộc vào tính ổn định của vật liệu nhạy khí là do khi hoạt động ở nhiệt độ cao (với cảm biến loại này nhiệt độ cỡ 400 oC) làm thay đổi tính chất, ví dụ như: sự thay đổi cấu trúc tinh thể, sự lớn
lên kích thước hạt, hoặc là sau khi cảm biến hoạt động trong môi trường khí oxy hóa khử có nồng độ cao thời gian kéo dài, v.v.. Tuy nhiên, cảm biến nhiệt xúc tác là loại cảm biến có độ ổn định cao do có sự bù trừ nhiệt độ và độ ẩm. Hình 4.14 là kết quả khảo sát thể hiện độ ổn định điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 được đo trong môi trường không khí và môi trường 1% khí C3H8. Ở đây, mẫu đo được thực hiện một ngày một lần. Kết quả trên hình 4.14 cho thấy điện áp Vout của cảm biến trong hai môi trường là rất ổn định. Trong không khí, độ biến thiên điện áp Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 khoảng ± 1mV, và trong 1% khí C3H8 là khoảng ± 2 mV.
Hình 4.14: Độ ổn định điện áp ra Vout của cảm biến nhiệt xúc tác SmFeO3 đo trong không khí và 1% C3H8.
So sánh thông số của cảm biến HC chế tạo được với cảm biến thương mại Bảng 4.4 so sánh các thông số của cảm biến HC chế tạo được với cảm biến TGS-8610 của hãng Figaro, Nhật Bản [178]. Kết quả này cho thấy cảm biến HC chế tạo được khá tương đương với TGS-8610.
Bảng 4.4: So sánh các thông số của cảm biến nhiệt xúc tác khí HC chế tạo được với cảm biến TGS-8610.
Thông số kỹ thuật Cảm biến HC Cảm biến TGS-8610
Nguyên lý Nhiệt xúc tác Nhiệt xúc tác
Vật liệu nhạy khí SmFeO3 SnO2
Loại khí HC: (CH4, C3H8,
C4H10, LPG, v.v..) HC: (CH4, C3H8, C4H10, v.v..)
Dải đo 0÷100 %LEL 0÷100 %LEL
Độ phân giải 20÷25 mV/5000 ppm C3H8
7÷11 mV/1800 ppm C4H10
Thời gian đáp ứng ~10 s <15 s
Nguồn nuôi 2.8V, 160mA 3V, 175mA
Kết luận chung về cảm biến nhiệt xúc tác khí HC trên cơ sở SmFeO3:
• Tín hiệu ra phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ khí HC.
• Điện áp cấp cho cảm biến hoạt động trong khoảng 2÷3 V
• Thời gian hồi đáp nhanh khoảng 10 s.
• Cảm biến có độ ổn định cao.
• Cảm biến này phù hợp cho thiết kế thiết bị đo khí HC trong dải nồng độ cao cỡ phần trăm thể tích.