CHƢƠNG 3. ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC CO VÀ KIỂM THỬ CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO

42



CHƢƠNG 3. ĐẦU ĐO KHÍ ĐỘC CO VÀ KIỂM THỬ CHUẨN HÓA ĐẦU ĐO

3.1. Đặt vấn đề

Môi trường là một khái niệm bao gồm 3 lĩnh vực không khí, nước và đất. Là

những yếu tố tạo nên thiên nhiên. Mức độ ô nhiễm môi trường phụ thuộc nhiều vào

các nguồn thải thiên nhiên và nhân tạo. Vì vậy, để kiểm soát mức độ ô nhiễm môi

trường cần thiết phải tiến hành đo các tác nhân gây ô nhiễm.

Đối với môi trường không khí, sự ô nhiễm nhiều hay ít phụ thuộc vào các chất

độc hại được đưa vào không khí trong quá trình hoạt động của thiên nhiên cũng như

các hoạt động phát triển của con người.

Trong các khí thải độc hại do con người tạo ra như SO2, NOx, CO, CO2, O3,

bụi,… thì CO là chất khí rất nguy hiểm. Trong điều kiện mức độ ô nhiễm không khí do

khí thải của quá trình cháy nhiên liệu hóa thạch gia tăng như hiện nay, khả năng nồng

độ CO trong không khí vượt quá ngưỡng cho phép rất dễ xảy ra.

Để bảo vệ sức khỏe cộng đồng, việc chế tạo và lắp đặt các cảm biến báo động

CO trong nhà ở và những nơi làm việc có nguy cơ ô nhiễm CO là rất cần thiết.

Vì vậy, việc đẩy mạnh nghiên cứu chế tạo và tối ưu hóa các đầu đo khí độc ứng

dụng cho mạng cảm biến không dây là thực sự cần thiết và ý nghĩa.

3.2. Đầu đo khí độc CO.

Do yêu cầu của cảm biến là để ghép nối với mạng cảm biến không dây nên vấn

đề về tiêu thụ năng lượng được đặt lên hàng đầu. Vì vậy cảm biến khí dạng điện hóa

(Electrochemical Sensors) là một lựa chọn hợp lý, được sử dụng để chế tạo đầu đo khí

cho mạng cảm biến không dây. Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên nguyên tắc

chuyển hóa năng thành điện năng vì vậy không cần phải cung cấp thêm năng lượng

cho cảm biến, mặt khác mạch điện xử lý tín hiệu không cần phức tạp và tiêu thụ năng

lượng lớn như các loại cảm biến khác.

3.2.1. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors)

Trong số các loại cảm biến, cảm biến điện hóa đóng một vai trò rất lớn, và hiện

nay vẫn đang dẫn đầu thị phần các loại cảm biến. Một số lượng khổng lồ các cảm biến

điện hóa đã được chế tạo, thương mại và được sử dụng trong các lĩnh vực từ y học,

môi trường cho đến kĩ thuật, nông nghiệp. Các nghiên cứu phát triển cảm biến điện

hóa đi theo rất nhiều hướng và nhận được sự đóng góp của một số lớn các nhà khoa

học – kĩ thuật.

Hiện nay, đa số các cảm biến khí kiểu điện hóa đều là cảm biến 3 điện cực (một

số loại có 2 điện cực và có thể là 4 điện cực) bao gồm: điện cực làm việc – working

electrode, điện cực đối - counter electrode và điện cực tham chiếu - reference

electrode. Điện cực làm việc là một điện cực chọn lọc ion, được bao phủ bằng một lớp

mỏng dung dịch điện ly. Ngoài cùng là một màng mỏng, thông thường bằng polymer.



43



Lớp màng này rất mỏng, chỉ từ 0.01 – 0.1 mm có thể cho phép khí thấm qua nhưng

không cho nước hoặc ion thẩm thấu, do đó độ chọn lọc của các loại cảm biến điện hóa

khá cao. Điện cực và các bộ phận khác thường được chứa trong một vỏ nhựa, phía trên

có một lỗ để khí đi vào trong và phía dưới là các chân dẫn điện nối từ các điện cực ra

bên ngoài.

Cấu tạo chung của cảm biến điện hóa như hình 3.1:



Hình 3.1. Cấu tạo chung của cảm biến điện hóa



Khí cần đo thấm qua lớp màng mỏng polymer đi vào lớp dung dịch điện ly. Tại

đây nó tham gia một cân bằng hóa học, có thể tiêu thụ hoặc sinh ra các ion được điện

cực chọn lọc ion phát hiện (thông thường là trường hợp sinh ra hoặc tiêu thụ proton

H+ và điện cực tương ứng là điện cực đo pH). Từ sự đo đạc thế hoặc dòng sinh ra,

lượng khí thấm qua màng, từ đó lượng khí có ở trong mẫu phân tích được tính toán.

Lượng khí giới hạn có thể được phát hiện tùy thuộc vào lượng dung dịch điện

ly trong cảm biến ít hay nhiều. Ngoài sự phụ thuộc vào cấu tạo, đáp ứng của điện cực

còn tùy vào thành phần của dung dịch điện ly và các yếu tố hình học của điện cực

(bằng phẳng, nhám, diện tích bề mặt điện cực…)

- Mô tả họat động:

Khí sau khi khuyếch tán vào trong bộ cảm biến, đi qua màng xốp và tới điện

cực làm việc, nơi nó bị oxy hóa hoặc bị khử. Phản ứng điện hóa này sẽ tạo một dòng

điện đi ra mạch bên ngoài. Ngoài việc đo dòng điện sinh ra, khuếch đại và thực hiện

chức năng xử lý tín hiệu khác, mạch điện bên ngoài còn phải duy trì điện áp giữa điện

cực làm việc và điện cực đối (với cảm biến hai điện cực) hoặc giữa điện cực làm việc

và điện cực tham chiếu (với loại ba điện cực). Tại điện cực đối một phản ứng tương

đương và ngược lại xảy ra, như vậy nếu tại điện cực làm việc là quá trình oxy hóa, thì

tại điện cực đối là quá trình khử và ngược lại. Vì vậy điện cực đối có vai trò bù lại

lượng điện tích đã đi ra/vào điện cực làm việc.

- Phản ứng khuếch tán có kiểm soát:



44



Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào lượng khí mục tiêu bị oxy hóa ở điện cực

làm việc. Cảm biến thường được thiết kế sao cho lượng khí cung cấp bị hạn chế bởi sự

khuếch tán và do đó dòng điện sinh ra từ các cảm biến tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí.

Đầu ra tuyến tính là một trong những lợi thế của cảm biến điện hóa so với các công

nghệ cảm biến khác (ví dụ như hồng ngoại), mà đầu ra phải được tuyến tính hóa trước

khi chúng có thể được sử dụng. Một đầu ra tuyến tính cho phép đo chính xác hơn với

nồng độ thấp và hiệu chuẩn đơn giản hơn nhiều .

Việc kiểm soát quá trình khuyếch tán còn có một số ưu điểm khác. Ví dụ thay

đổi lớp màng chắn khuyếch tán cho phép các nhà sản xuất tạo làm cho cảm biến thích

ứng với một phạm vi nồng độ khí mục tiêu cụ thể. Ngoài ra, vì các màng khuyếch tán

chủ yếu là cơ khí, nên việc hiệu chuẩn của cảm biến có xu hướng ổn định hơn theo

thời gian và do đó các thiết bị đo dựa trên cảm biến điện hóa yêu cầu bảo dưỡng ít hơn

nhiều so với một số công nghệ đo khác. Về nguyên tắc, độ nhạy của cảm biến có thể

được tính toán dựa trên các đặc tính khuyếch tán của đường dẫn khí vào cảm biến,

mặc dù vậy lỗi phát sinh trong quá trình đo lường đặc tính khuyếch tán làm cho việc

tính toán ít chính xác hơn so với việc căn chỉnh dựa trên khí mẫu.

- Độ nhạy xuyên giữa các khí khác nhau:

Đối với một số chất khí như ethylene oxide, độ nhay xuyên có thể là một vấn đề

bởi vì ethylene oxide đòi hỏi một chất xúc tác rất tích cực tại điện cực làm và điện thế

cao cho quá trình oxy hóa của nó. Do đó các khí dễ oxy hóa như rượu và carbon

monoxide cũng sẽ cùng tham gia tạo ra phản ứng chung. Mặc dù vậy vấn đề độ nhạy

xuyên có thể được loại bỏ thông qua việc sử dụng một bộ lọc hóa học, ví dụ như các

bộ lọc cho phép các khí mục tiêu đi qua nhưng cản trở với và loại bỏ các khí gây nhiễu

khác.

Tuy cảm biến điện hóa có nhiều ưu điểm, nhưng nó không thích hợp cho tất cả

các loại khí. Kể từ khi phát hiện cơ chế liên quan đến quá trình oxy hóa, khử khí, cảm

biến điện hóa thường chỉ thích hợp cho các loại khí có hoạt động điện hóa. Mặc dù vậy

nó vẫn có thể phát hiện các loại khí trơ điện hóa theo kiểu gián tiếp nếu khí tương tác

với các loại khác trong cảm biến sau đó tạo ra một đáp ứng. Cảm biến điện hóa của

carbon dioxide là một ví dụ của phương pháp này và nó đã được thương mại hoá trong

nhiều năm.

3.2.2. Cảm biến khí CO-AF

Cảm biến CO – AF là cảm biến khí của Công ty Alphasense sensors (nước

Anh) sản xuất. Đây là loại cảm biến điện hóa nhạy với khí CO, được sử dụng để chế

tạo các đầu đo ghép nối với mạng cảm biến không dây. Nó có khả năng đo được khí

CO có nồng độ từ 0 đến 5000 ppm, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 25s và giới hạn nồng độ



45



tối đa là 10000ppm. Cảm biến CO-AF làm việc trong điều kiện môi trường ở nhiệt độ

từ -300C đến 500C, áp suất từ 80kPa đến 120 kPa và độ ẩm từ 15%rh đến 90%rh. Thời

gian hoạt động liên tục cho đến khi độ nhạy còn 80% là trên 24 tháng, thời gian sử

dụng trên 5 năm. Khi gặp trường hợp nồng độ CO vượt quá giới hạn tối đa, cảm biến

sẽ tự hồi phục sau khi nồng độ giảm xuống dưới giới hạn cho phép mà các đặc tính

vẫn không thay đổi.

Cảm biến khí CO-AF [11] có dạng như hình 3.2:



Hình 3.2. Cảm biến khí CO - AF



Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của môi trường, cụ thể

được mô tả trong hình 3.3:



Hình 3.3. Biểu đồ sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ của cảm biến



46



Đáp ứng dòng điện ra của cảm biến tăng theo nồng độ khí CO khảo sát từ 0%

đến 2% như hình 3.4:



Hình 3.4. Đáp ứng của cảm biến theo các bƣớc nhảy từ 0 đến 2% CO



3.2.3. Mạch điều khiển cảm biến khí CO-AF

Mạch điều khiển cảm biến khí CO [11, AAN 105-03], gồm 3 phần: phần điều

khiển cực đối (IC2), phần biến đổi dòng thành áp (IC1) và FET nối tắt 2 cực WE và

RE (Q1) (hình 3.7).



Hình 3.6. Đầu đo khí CO-AF



Hình 3.7. Sơ đồ mạch điều khiển cảm biến CO



- Mạch điều khiển cực đối: IC2 có tác dụng cấp dòng cho cực đối để cân bằng

dòng điện yêu cầu bởi cực làm việc. Lối vào đảo của IC2 được nối vào cực tham chiếu



47



của cảm biến và không được tiêu thụ dòng điện đáng kể từ điện cực tham chiếu, vì vậy

cần chọn bộ OA có dòng vào bias dưới 5nA. Khi mạch bắt đầu hoạt động, Q1 ở trạng

thái trở kháng cao và IC2 duy trì cực điện thế trên WE tương đương với RE, nếu điện

áp offset của IC2 lớn sẽ làm cho điện thế trên WE và RE bị dịch, trong khi đó cảm

biến có điện dung khá lớn sẽ phát sinh một dòng điện đáng kể khi điện áp bị dịch. Vì

vậy cần lựa chọn IC2 có thế offset nhỏ (dưới 0.1mV).

- Mạch đo dòng tại cực WE: IC1 có tác dụng tạo ra điện áp tỷ lệ với dòng điện

ở cực WE. Tụ C3 để giảm nhiễu tần số cao.

Điện áp tạo ra từ IC1 sẽ được đưa vào bộ ADC của vi điều khiển

MSP430F2013 để chuyển đổi thành tín hiệu số và truyền đi (hình 3.8)



Hình 3.8. Sơ đồ mô tả chuyển đổi thành tín hiệu số



- FET nối tắt: để cảm biến hoạt động ổn định thì điện thế trên 2 cực WE và RE

phải bằng nhau, và thời gian để điện thế trên hai cực này bằng nhau phải mất đến vài

giờ. Vì vậy để cảm biến có thể hoạt động ngay sau khi mạch được cấp nguồn thì trước

đó điện áp trên WE và RE phải bằng nhau. Do đó FET Q1 dùng để nối tắt WE và RE

khi mạch bị ngắt nguồn. Khi mạch được cấp nguồn trở lại thì Q1 sẽ cấm và không còn

tác dụng trong mạch.

3.3. Chuẩn hóa đầu đo khí CO:

Khi chế tạo đầu đo khí, ta không thể tạo ra đầu đo có thể hoạt động chính xác

ngay lần đầu. Bởi vì, trên thực tế cùng một loại cảm biến nhưng khi sản xuất ra thì các

thông số kỹ thuật của chúng không thể giống nhau (về lý thuyết là giống nhau). Mặt

khác, theo nhà cung cấp thì khoảng quy đổi giữa dòng điện và nồng độ khí hấp thụ

cũng rất rộng (ví dụ senser CO-AF từ 55nA đến 90nA tương ứng với 1ppm). Chính vì

vậy, khi chế tạo và lập trình cho đầu đo sẽ không xác định được giá trị quy đổi chính

xác của cảm biến là bao nhiêu.

Để đầu đo có thể hoạt động đo các thông số môi trường một cách chính xác, ta

phải có khí chuẩn với nồng độ biết trước để thực hiện việc chuẩn hóa đầu đo.



48



Trong chương 2 đã trình bày quá trình chế tạo các nồng độ khí khác nhau phục

vụ cho việc chuẩn hóa đầu đo. Phần này sẽ trình bày việc chuẩn hóa đầu đo khí CO từ

một số nồng độ khí đã pha chế ở phần trên.

3.3.1. Đo thử nghiệm lần đầu:

Ta thực hiện đo với các túi khí CO có nồng độ là 0,2%; 0,1% và 0,05% ở điều

kiện nhiệt độ phòng là 250C, áp suất là 1 atm.

- Lắp đặt nút mạng, nút mạng cơ sở và gắng đầu đo CO-AF vào nút mạng 1 như

hình 3.9.



Hình 3.9. Lắp đặt nút mạng WSN và đầu đo CO



- Cấp nguồn cho nút mạng gắn cảm biến và nút mạng cơ sở, ta thực hiện đo

nồng độ CO trong môi trường không khí xung quanh.

Kết quả đo như sau: nút mạng 1 đo được 0 ppm, nút mạng 2 và 3 chưa có dữ

liệu (do nút 2 và 3 không có đầu đo khí CO) (hình 3.10).



49



Hình 3.10. Đo nồng độ CO trong không khí



- Cho đầu đo khí CO vào túi nilon, thực hiện hút chân không cho túi (hình

3.11). Sau đó bơm khí CO nồng độ 0,2% vào trong túi đựng đầu đo (hình 3.12):



Hình 3.11. Cho đầu đo vào túi hút chân không



Hình 3.12. Đo khí CO 0,2%



Thực hiện đo 5 lần, mỗi lần cách nhau 10 phút với mỗi nồng độ khí CO 0,2%;

CO 0,1% và CO 0,05%, ta thu được kết quả trong bảng 3.1.



50

Số lần đo

Nồng độ



Kết quả lần 1



Kết quả lần 2 Kết quả lần 3



Kết quả lần 4 Kết quả lần 5



Trung bình



(ppm)



(ppm)



(ppm)



(ppm)



(ppm)



(ppm)



CO 0,05%



356



362



397



364



321



380



CO 0,1%



787



708



737



722



781



707



CO 0,2%



1594



1558



1519



1562



1517



1590



Bảng 3.1. Kết quả đo thử nghiệm lần đầu



Mặt khác, như kết quả tính toán ở trong chương 2 ta có:

Khối lượng CO nguyên chất trong một lít CO 0,2% là 2,28267mg

Khối lượng CO nguyên chất trong một lít CO 0,1% là 1,14372mg

Khối lượng CO nguyên chất trong một lít CO 0,05% là 0,57074mg



Áp dụng công thức quy đổi:



ppm 



24,45  mg



m3



M



(3.1)



Đổi nồng độ CO ra ppm như sau:

-



Nồng độ CO theo đơn vị ppm được tính trong 1m3 khí CO 0,2% là:

24,45  2282,67

 1992,548 ppm

28,01



-



Nồng độ CO theo đơn vị ppm được tính trong 1m3 khí CO 0,2% là:

24,45  1143,72

 998,356 ppm

28,01



-



Nồng độ CO theo đơn vị ppm được tính trong 1m3 khí CO 0,2% là:

24,45  570,74

 498,2 ppm

28,01



Như vậy, so sánh giữa 2 kết quả trên ta thấy kết quả của đầu đo là chưa chính

xác và cần phải hiệu chỉnh lại.

3.2.2. Hiệu chỉnh lại đầu đo khí CO

Để hiệu chỉnh đầu đo khí, ta thực hiện như sau:

- Bước 1: Đọc giá trị ADC:

Trong đầu đo sử dụng chip MSP430F2013 của hãng Texas Instruments, đây

là vi điều khiển có bộ ADC 16 bit, được sử dụng để chuyển tín hiệu điện áp tương tự

sau khi khuyếch đại từ IC1 cảm biến thành tín hiệu số.

Để đọc dữ liệu sau khi chuyển đổi từ tương tự thành số của MSP430F2013, ta

sử dụng lệnh:



51



int Raw_ADC_Value;

//khai báo biến

Raw_ADC_Value = SD16MEM0; //đọc ADC

Sau khi khai báo lệnh đọc dữ liệu trên vào phần mềm, ta kết nối đầu đo vào

máy tính thông qua thiết bị debug và nạp chương trình. Sau đó vừa debug chương trình

để quan sát giá trị biến Raw_ADC_Value vừa thực hiện đo nồng độ CO trong không

khí ta thu được dữ liệu số có giá trị trong nhãn Value (màu vàng) ở hình 3.13



Hình 3.11. Đọc giá trị ADC



Tiếp theo, lần lượt bơm khí CO với các nồng độ tương ứng: CO 0,05%; CO

0,1% và CO 0,2% vào túi nilon chứa đầu đo bên trong, ta thu được các giá trị số như

sau:

Khí CO



Giá trị ADC

(Raw_ADC_Value )



Không khí



15980



CO 0,05%



23126



CO 0,1%



31814



CO 0,2%



48925



- Bước 2: Tính nồng độ khí CO, vì dòng điện sinh ra tỉ lệ tuyến tính với nồng

độ CO nên ta có phương trình:

PCO = a. Raw_ADC_Value + b



(3.2)



52



Trong đó, đã biết giá trị của ADC và nồng độ CO thực tế tương ứng với các

nồng độ CO ở trên tại 4 điểm, từ đó ta có thể tìm được mối liên hệ giữa giá trị ADC và

nồng độ CO như hình 3.12.

Giá trị ADC

Khí CO



(Raw_ADC_Value )



Nồng độ CO (ppm)



Không khí



15980



0



CO 0,05%



23126



498,2



CO 0,1%



31814



998,356



CO 0,2%



48925



1992,548



Sử dụng phần mềm Excel, ta có dạng phương trình như sau:



Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ CO và ADC



Từ đồ thị trên ta thấy mối quan hệ giữa nồng độ khí chuẩn và giá trị điện áp có

dạng tuyến tính, và phương trình có dạng:

y = 0,0599x – 921,21

Kết hợp với phương trình (3.2) ta suy ra y là nồng độ CO (ppm), x là giá trị

ADC và các hệ số a và b.

Từ kết quả này, ta lập trình lại cho đầu đo:

- Lệnh tính nồng độ ban đầu:

Raw_ADC_Value = SD16MEM0;

// đọc ADC

Pco = Raw_ADC_Value*0,06353 – 1020,408; // tính nồng độ khí CO

- Lệnh sau khi hiệu chỉnh:

Raw_ADC_Value = SD16MEM0;



// đọc ADC