Để khảo sát các tính chất nhạy khí của cảm biến và các quá trình chỉnh chuẩn cảm biến và thiết bị đo khí cần có một hệ tạo ra môi trường khí càng giống môi trường thực tế các tốt. Yêu cầu chung đối với hệ tạo nồng độ khí là:
1. Tạo buồng đo có nồng độ khí chuẩn xác định.
2. Có thể chia và trộn nhiều hơn hai loại khí với nhau.
3. Buồng tạo độ ẩm.
4. Có khả năng khảo sát đồng thời nhiều cảm biến.
5. Thời gian để đạt nồng khí trong buồng đo phải đủ ngắn.
6. Các thiết bị điều khiển và ghi nhận số liệu.
Có hai phương pháp để tạo nồng độ khí mong muốn trong buồng đo:
Một là, nồng độ khí trong buồng đo được bơm trực tiếp từ bình khí chuẩn với một nồng độ khí đã được xác định. Phương pháp này tạo ra hệ môi trường khí tĩnh và có ưu điểm tiêu tốn khí chuẩn ít. Tuy nhiên, nhược điểm của của phương pháp này là không linh hoạt, khó điều khiển để đạt các nồng độ khí khác nhau và khó trộn nhiều loại khí khác nhau. Phương pháp này cũng khó loại bỏ được việc khuếch tán và thẩm thấu khí ra bên ngoài buồng đo hoặc các tác nhân khác (ví dụ như độ ẩm) của môi trường không khí vào trong buồng đo. Phương pháp này thường được dùng cho việc chỉnh chuẩn thiết bị đo khí.
Hai là, phương pháp trộn khí từ các nguồn khí chuẩn theo nguyên lý trộn thể tích từ các dòng khí liên tục với tỷ lệ lưu lượng xác định [148,149] hay còn gọi là trộn theo thể tích. Đây là phương pháp khá linh hoạt có thể đạt nhiều giá trị nồng độ khí trong dải nồng độ rộng từ mức ppb (một phần tỷ) đến % thể tích, trộn được nhiều loại khí trong buồng đo và cho thời gian đạt được nồng độ khí trong buồng đo nhanh. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế sự thay đổi nồng độ khí trong buồng đo do tương tác với vật liệu nhạy khí và do sự hấp phụ/giải hấp với vật liệu cấu thành buồng đo hoặc là do thẩm thấu ra ngoài. Nhược điểm của phương pháp này là lượng khí tiêu thụ lớn và có khả năng sinh ra hiệu ứng làm lạnh môi trường buồng đo khi hoạt động ở điều kiện có lưu lượng khí cao. Đây là phương
pháp phù hợp cho nghiên cứu khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu và cảm biến.
Hệ phân tích tính chất nhạy khí trong luận án này được thiết kế và xây dựng theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2.6. Cơ sở vật chất của hệ thống này gồm có:
• Nguồn khí chuẩn (CO, CO2, C3H8, C4H10, C6H14, H2, NO2, v.v.), bình khí chuẩn được nhập từ hãng Singapore Oxygen Air Liquide Pte Ltd. (SOXAL).
• Các bộ vi điều khiển lưu lượng lập trình được (Mass Flow Controllers – MFC; AALBORG, model GFC-17, USA).
• Ống dẫn khí, van đóng mở và van hạ áp (Swagelok, USA).
• Nguồn thế một chiều lập trình được (Programmable Direct Current Voltage Supply; Unicorn, model UDP-1510, Korea);
nguồn dòng lập trình được (Keithley, model 6220, USA); bộ thu số liệu (Data Acquisition; Keithley, model 2700, USA); máy đo độ ẩm (HBTM-7MK-C, Russia); và máy tính PC.
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của hệ phân tích tính chất nhạy khí theo phương pháp trộn thể tích.
Hệ thiết bị phân tích tính chất nhạy khí được hoạt động như sau: khí chuẩn từ các bình chứa qua van hạ áp tới các bộ điều khiển lưu lượng (MFC); sau đó các dòng khí với lưu lượng xác định được trộn đều trong buồng trộn và đưa đến buồng đo. Nồng độ khí trong buồng đo được xác định theo công thức sau:
i i
total
C V
=V
Ở đây, Ci là nồng độ khí i mong muốn tại buồng đo; Vi là lưu lượng khí i cần trộn chảy qua buồng đo; và Vtotal là tổng lưu lượng qua buồng đo. Độ ẩm được tạo trong buồng đo bằng nguyên lý nồng độ hơi bão hòa. Khí mang (O2 và N2) được thổi qua bình chứa nước (hình 2.6), bình này có khả năng khống chế và điều khiển nhiệt độ. Cơ sở phương pháp này, giả thiết bọt khí trong bình độ ẩm là hình cầu với bán kính cố định và tốc độ khí không đổi thì nồng độ hơi nước liên hệ với bán kính bọt khí theo phương trình [148]:
2 2 2
1
( ) / o 1 ( 1) exp(n / )
n
C t C ∞ Dn t R
=
= +∑ − − π
Ở đó, Co là nồng độ bề mặt, D là hệ số khuyết tán, R là bán kính, C(t) là nồng độ tại tâm bọt khí theo hàm thời gian. Trong hệ này, độ ẩm trong buồng đo được kiểm tra so sánh với thiết bị đo độ ẩm (HBTM-7MK-C).
Hình 2.7: Ảnh hệ phân tích tính chất nhạy khí.
Bộ phận thu nhận tín hiệu cảm biến được thực hiện qua Keithley, model 2700. Máy tính PC dùng cho điều khiển các thiết bị: bộ điều khiển lưu lượng
(MFC), bộ thu nhận số liệu và các nguồn dòng thế. Hình 2.7 là ảnh chụp hệ thiết bị phân tích tính chất nhạy khí.