Nghiên cứu thiết bị đo đa kênh với nhiều cảm biến khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dƣới sự
hƣớng dẫn nhiệt tình của cô giáo Ths.Trần Thị Phƣơng Thảo. Các số liệu, kết
quả trong đồ án là hoàn toàn xác thực.
Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài
liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không đƣợc ghi trong phần
tài liệu tham khảo.

Sinh viên

Lƣu Đình Công

1


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện Điện tử trƣờng Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi trong quá
trình tìm hiểu và nghiên cứu các vấn đề liên quan đến đồ án tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo Ths.Trần Thị Phƣơng Thảo, ngƣời có
kinh nghiệm giảng dạy lâu năm cùng kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực Sensor
đã nhiệt tình hƣớng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đồ án này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn học, bạn bè đã góp ý,
hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Cuối cùng tôi xin cảm
ơn đến gia đình những ngƣời thân đã luôn bên cạnh tôi, ủng hộ, động viên tôi,
tạo động lực để tôi cố gắng hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

2


LỜI MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nƣớc ta đang tiến nhanh, tiến mạnh trên con đƣờng công nghiệp hóa
hiện đại hóa đất nƣớc. Cùng với sự nỗ nực bên trong, kết hợp với mở rộng hợp
tác đầu tƣ với nƣớc ngoài, nền kinh tế nƣớc ta đang có những bƣớc tăng trƣởng
mạnh mẽ để có thể hòa nhập đƣợc với khu vực và thế giới.
Đi đôi với sự phát triển không ngừng của lực lƣợng sản xuất, kỹ thuật đo
lƣờng - điều khiển hiện đại có sự phát triển nhảy vọt. Đó là nhờ sự kết hợp chặt
chẽ giữa lý thuyết đo lƣờng và điều khiển hiện đại với công cụ toán học. Các
dụng cụ, thiết bị đo lƣờng đang đƣợc sử dụng trong sản xuất và đời sống hàng
ngày đòi hỏi phải có tính năng và cấp chính xác cao hơn trƣớc nhiều. Sự thay
đổi này không những tác động vào khu vực sản xuất, mà còn tác động mạnh mẽ
đến các cơ quan đo lƣờng cấp trên. Ngành kỹ thuật thông tin đo lƣờng cũng
không ngừng phát triển cả về chất lƣợng và lĩnh vực hoạt động.
Đo các tham số môi trƣờng là đòi hỏi cấp thiết của cuộc sống hiện đại, là
kết quả của những tiến bộ khoa học và công nghệ. Do ngày nay mức độ ô nhiễm
của môi trƣờng ngày càng tăng bởi các nguồn khí thải nhân tạo từ các khu công
nghiệp ngày càng nhiều. Hoạt động công nghiệp và sinh hoạt đã đƣa vào khí
quyển hàng trăm tấn khí độc hại bao gồm: SO2, NOx, CO, CO2, O3... ảnh hƣởng
trực tiếp đến môi trƣờng sống và sức khoẻ con ngƣời. Chính vì vậy việc đo và
cảnh báo hàm lƣợng của các chất khí độc hại này là rất cấp thiết, đo cùng một
thiết bị đo với nhiều kênh đo là các loại cảm biến khí khác nhau. Từ tình hình
thực tế em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết bị đo đa kênh với nhiều cảm biến
khí”.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu các cảm biến khí.
- Nghiên cứu hệ thống đo lƣờng đa kênh đo nồng độ chất khí.
3


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

a. Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu thiết bị đo đa kênh
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu một số loại cảm biến khí
- Mô phỏng hệ thống đo đa kênh với nhiều cảm biến khí.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập dữ liệu từ các cảm biến khí, thiết kế thiết bị đo đa kênh cho các
cảm biến khí này.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Tổng hợp về hệ thống đo nồng độ khí
- Mô phỏng và phân tích sai số hệ thống đo - kiểm tra nồng độ khí CO và
khí NO2.
Ý nghĩa thực tiễn
- Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành với các học phần:
Kỹ thuật Sensor, Kỹ thuật đo lƣờng điện…

4


Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................. 3
CHƢƠNG 1. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ ............... 6
1.1. Một số phƣơng pháp đo nồng độ khí ............................................... 9
1.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2]..................... 9
1.1.2. Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors) [2] ..................... 12
1.1.3. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors) [2] .................. 14
1.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) [2] ........................... 15
1.2. Một số loại cảm biến đo nồng độ khí trong thực tế [5] ................. 16

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐO ĐA KÊNH ..................... 23
2.1. Cấu trúc hệ thống đo lƣờng đa kênh [4] ........................................ 23
2.1.1. Hệ thống đo một kênh ............................................................. 23
2.1.2. Sơ đồ hệ thống đo đa kênh...................................................... 25
2.2 Các khối biến đổi trong hệ thống đo lƣờng[4]………………….23
2.2.1. Các chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (Cảm biến).......................... 25
2.2.2. Bộ biến đổi tƣơng tự số........................................................... 27
2.2.3. Biến đổi chuẩn hoá ................................................................. 32
2.2.4. Điều khiển và chuyển mạch kênh ........................................... 33
2.2.5. Bộ chỉ thị ................................................................................. 35
CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HAI KÊNH ĐO NỒNG ĐỘ
KHÍ CO VÀ NO2 ................................................................................................ 37
3.1. Sơ đồ khối hệ thống 2 kênh đo nồng độ khí CO và NO2............... 37
3.1.1. Mô phỏng chuyển đổi đo nồng độ chất khí ............................ 37
3.1.2. Mô phỏng khối chuẩn hóa tín hiệu ......................................... 38
3.1.3. Mô phỏng khối chuyển kênh .................................................. 39
3.1.4. Mô phỏng bộ biến đổi tƣơng tự - số ....................................... 43
3.2 Mô phỏng hệ thống hai kênh đo nồng độ khí CO và NO2…….44
KẾT LUẬN ............................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 53

5


Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác
Hình 1.2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)
Hình 1.3. Cấu tạo cảm biến điện hóa
Hình 1.4. Cảm biến CTX 300
Hình 1.5. Sơ đồ đầu đo có hiển thị nối với mạch ngoài

Hình 1.6. Sơ đồ đầu đo không hiển thị nối với mạch ngoài
Hình 1.7. cảm biến MQ6
Hình 1.8. Cấu trúc cảm biến MQ6
Hình 1.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-6
Hình 1.10. Cấu tạo cảm biến MQ-7
Hình 1.11. Mạch ghép nối cảm biến MQ-7
Hình 1.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-7
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo một kênh
Hình 2.2. Hệ thống đo lường đa kênh
Hình 2.3. Đặc tuyến động chuyển đổi đặc trưng cho phản xạ
Hình 2.4. Sơ đồ phân loại các chuyển đổi
Hình 2.5 Bộ biến đổi tương tự -số
Hình 2.6. Sơ đồ khối của bộ biến đổi thời gian-xung tích phân hai lần
Hình 2.7. Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi thời gian-xung tích phân hai lần
Hình 2.8. Sơ đồ bộ điều khiển kênh theo nguyên tắc thứ nhất
Hình 2.9. Biểu đồ thời gian của bộ điều khiển kênh theo nguyên tắc thứ nhất
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển kênh dùng bộ chia nhị phân

6


Hình 2.11. Biểu đồ thời gian của bộ điều khiển kênh dùng bộ chia nhị phân
Hình 2.12. Sơ đồ khối của một dụng cụ đo hiển thị số
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống đo nồng độ khí CO và NO2
Hình 3.2. Mô phỏng đầu đo khí CO và NO2 trên Matlab và đặc tính thu được
Hình 3.3. Mô phỏng khối chuyển đổi chuẩn hoá
Hình 3.4. Mô phỏng nguyên lý chuyển kênh
Hình 3.5. Mô phỏng chuyển mạch
Hình 3.6. Mô phỏng bộ điều khiển kênh bằng so sánh mức và đồ thị
Hình 3.7. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển kênh theo phương pháp đếm và đồ thị

Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển kênh theo phương pháp đếm
Hình 3.9. Bộ biến đổi tương tự - số thời gian một nhịp
Hình 3.10. Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi tương tự - số
Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng bộ BĐTT-S
Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng hệ thống hai kênh

7


Danh mục các bảng
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát mô phỏng hệ thống đo nồng độ khí CO và NO2

8


CHƢƠNG 1. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ
1.1. Một số phƣơng pháp đo nồng độ khí
Các”thiết bị đo khí sử dụng phân tích phổ có độ chính xác rất cao nhƣng
lại cồng kềnh, phức tạp, thƣờng chỉ phù hợp cho việc sử dụng trong phòng thí
nghiệm. Để có đƣợc các thiết bị gọn nhẹ, đơn giản cho các ứng dụng ngoài hiện
trƣờng hoặc xách tay và dựa vào 3 tiêu chí cơ bản là: đơn giản, ổn định, chi phí
bảo trì thấp thì các phƣơng pháp đo thông dụng nhất đƣợc trình bày sau đây
thƣờng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong”thực tế.
1.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2]
a. Nguyên lý chung
Cảm biến”dạng đốt xúc tác đƣợc sử dụng để đo nồng độ của thành phần
khí có khả năng cháy. Phần tử chính của cảm biến gồm một cuộn dây đƣợc bọc
bởi lớp vật liệu thủy tinh hoặc gốm, và tiếp theo nó lại tiếp tục đƣợc phủ một lớp
chất xúc tác. Cuộn dây đƣợc đốt nóng bằng dòng điện dẫn qua làm cháy khí cần
đo (ví dụ nhƣ hydrocarbon CHC - Conbustible HydroCarbon) xung quanh nó.

Khí cần đo khí cháy sẽ sinh ra nhiệt lƣợng tỉ lệ với nồng độ của khí, nhiệt lƣợng
làm tăng nhiệt độ của cuộn dây và điện trở của nó cũng tăng lên tỷ lệ. Sự thay
đổi điện trở này đƣợc đo bởi mạch điện, nó chính là nguồn tín hiệu đo nồng độ
khí mong muốn. Đây là phƣơng pháp đo khá thông dụng nhất để phát hiện các
khí dễ cháy nhƣ CHC.
Ƣu điểm của cảm biến loại này là nhỏ gọn, tín hiệu đƣợc tạo ra trực tiếp
từ việc khí bị đốt và đây cũng chính là thuộc tính của khí mà cảm biến đo đƣợc
(khí cháy). Cảm biến loại này có giá thành thấp, ổn định và dễ hiệu chỉnh, bảo
trì.
Nhƣợc điểm là sự suy giảm độ nhạy của cảm biến sau nhiều lần sử dụng
nên cần phải thƣờng xuyên hiệu chỉnh lại. Khi xảy ra các phản ứng cháy, môi
trƣờng đo dễ bị nhiễm độc ví dụ nhƣ nếu trong hỗn hợp đốt có silicone (dù là
lƣợng rất nhỏ) hay halocarbon. Nếu không có biện pháp ngăn chặn hữu hiệu sẽ
9


gây nguy hiểm cho ngƣời sử dụng.Một số cảm biến có thể bị hỏng hoàn toàn khi
hoạt động liên tục ở môi trƣờng có nồng độ khí cháy”cao.
b. Cấu trúc của cảm biến
Cảm biến đốt xúc tác”đƣợc cấu tạo từ hai phần tử riêng biệt, một phần tử
(gọi là phần tử đo) đƣợc tạo ra từ cuộn dây nhỏ đƣợc bọc kín bằng vật liệu gốm
hoặc thủy tinh, sau đó đƣợc phủ một lớp chất xúc tác. Lớp gốm có tác dụng
giảm thiểu sự bay hơi của cuộn dây và tăng cƣờng độ bền vật lý. Phần tử thứ hai
(phần tử tham chiếu) cũng có cấu tạo giống phần tử thứ nhất, ngoại trừ là thay vì
phủ một lớp chất xúc tác thì nó đƣợc phủ bởi một lớp tráng mạ, nó đƣợc dùng để
bù sai số do ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng, độ ẩm, thay đổi áp suất và sự lão
hóa của phần tử đo.
Cách vật liệu gốm và chất xúc tác đƣa vào phần tử đo và cách mạ phần tử
tham chiếu là hai bƣớc rất quan trọng để có đƣợc cảm biến có độ nhạy cao, ổn
định và tuổi thọ kéo dài. Để đo đƣợc loại khí dễ cháy thì tính trơ của phần tử

tham chiếu là rất quan trọng, nếu cả hai phần tử đều đốt cháy khí thì sẽ không
tạo ra đƣợc tín hiệu. Phƣơng pháp thông dụng hay đƣợc dùng là phủ lên phần tử
tham chiếu một lớp thủy tinh”cách nhiệt.
c. Cấu tạo vỏ cảm biến
Vỏ”của cảm biến loại này đóng vai trò quan trọng với độ ổn định và độ
nhạy của cảm biến. Vỏ của cảm biến đốt xúc tác thƣờng đƣợc làm bằng nhôm ôxít, thép, thép không gỉ hoặc bằng nhựa dẻo. Lựa chọn chất liệu nên theo tiêu
chuẩn môi trƣờng mà cảm biến đƣợc lắp đặt. Ô-xít nhôm là vật liệu phù hợp với
hầu hết các ứng dụng, kể cả sử dụng trong môi trƣờng nƣớc biển miễn là có vật
liệu phù hợp giữa vỏ cảm biến, vỏ bộ chuyển đổi và hộp nối. Thép không rỉ tốt
hơn nhôm ô-xít, dùng ở môi trƣờng có độ ẩm cao, có khí ăn mòn chẳng hạn nhƣ
khí clo. Xem cấu tạo cảm biến ở hình 1.1.
Hai phần tử (phần tử đo và phần tử bù) đƣợc đặt trong một lớp vỏ chống
lửa bằng vật liệu nhƣ mô tả trên, ngăn cách giữa hai phần tử này là một lớp
10


màng cách nhiệt để hạn chế sự ảnh hƣởng nhiệt lƣợng sinh ra do khí bị đốt cháy
bởi phần tử đo sang phần tử bù. Hai đầu dây của mỗi phần tử đƣợc gắn vào 2
cọc kim loại, các cọc này đi xuyên qua lớp cách điện có vòng hãm kim loại, xem
hình 1.1. Toàn bộ cảm biến lại đƣợc bảo vệ bởi lớp vỏ nữa ở bên ngoài, vỏ này
có tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi bị va đập và có lớp màng chống bụi ở mặt trên
để chống bụi bẩn bám vào cảm biến.
Đặc thù của cảm biến loại này là tuổi thọ sẽ giảm dần theo thời gian, tuỳ
vào độ khắc nhiệt của môi trƣờng lắp đặt thì tuổi thọ sẽ kéo dài hơn hoặc ngắn
đi. Đến một thời điểm nào đó việc thay cảm biến là không thể tránh khỏi,
thƣờng thời gian khoảng 2 năm hoặc ngắn hơn.
Nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi lắp cảm biến phải có khả năng chống
rung. Để chống rung, các nhà chế tạo cần phải lƣu ý đến cách lắp ráp cảm biến,
nếu sử dụng loại dây dẫn mềm dẻo nối từ hạt phần tử đo tới cọc nối dây thì sẽ
làm cho cảm biến có khả năng chống rung. Khả năng chống va đập cũng rất

quan trọng, vì trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt thì khó tránh khỏi cảm
biến có thể bị rơi, bị va chạm.
Chất liệu làm chất xúc tác cũng đóng vai trò hết sức quan trọng. Cấu trúc
của chất này ảnh hƣởng nhiều đến hoạt động của cảm biến, chất xúc tác có nhiều
diện tích tiếp xúc thì tuổi thọ của cảm biến càng cao. Hai chất xúc tác thƣờng
đƣợc sử dụng cho loại cảm biến này là Platium và Palladium. Palladium hoạt
động ở nhiệt độ 400oC và mất ổn định ở nhiệt độ 650oC. Platium hoạt động tốt
nhất ở nhiệt độ 800oC và không ổn định ở nhiệt độ 1200oC trở lên. Mỗi loại có
những ƣu nhƣợc điểm riêng, Palladium nhiệt độ làm việc thấp hơn nên tiêu tốn ít
năng lƣợng hơn, độ trôi điểm 0 ít hơn, nhƣng khả năng chống độc kém hơn
Platium. Ngày nay, các nhà chế tạo hay sử dụng Platium hơn, do khả năng hoạt
động ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống độc tốt hơn Palladium. Platium
ít không bị ảnh hƣởng bởi khí độc, phù hợp với môi trƣờng có nhiệt độ cao, và
có khả năng đo liên tục. Tuy nhiên, nó có nhƣợc điểm là khả năng trôi điểm 0
11


lớn do hoạt động ở nhiệt độ cao. Các nhà chế tạo thƣờng lƣu ý sử dụng bọc cuộn
dây bằng chất liệu gốm để giảm trôi điểm”“0”.
Chắn bụi

Lọc bụi

Tấm chắn nhiệt
Hạt cảm biến

Vỏ chống lửa kim loại xốp

Cực dẫn điện

Chân đế cực

Thân cảm biến

Gen lắp cảm biến
vào thiết bị
Lớp chất đổ đầy bằng
gốm hoặc epoxy
Dây dẫn

Hình 1.1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác
1.1.2. Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors) [2]
a. Nguyên lý chung
Dựa trên”sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ
chất khí trên bề mặt ở nhiệt độ từ 150oC đến 500oC. Loại cảm biến này chủ yếu
sử dụng đo khí độc, rất ít sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon. Chất
lƣợng của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất.
Cảm biến loại này có tính lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đáp ứng bị
ảnh hƣởng rất nhiều bởi độ ẩm môi trƣờng; sự suy giảm độ nhạy cũng không
phát hiện đƣợc nếu không hiệu chuẩn lại; có thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liên

12


tục khí ở nồng độ cao; và có thể bị nhiễm độc bởi một lƣợng nhỏ chất silicone,
halocarbon.
Có hai loại cảm biến loại này đƣợc sử dụng thông dụng nhất đƣợc làm từ
ô-xít kim loại: loại cảm biến màng mỏng đƣợc làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam),
đƣợc dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít thiếc
(SnO2), loại này không có tính chọn lọc và thƣờng đƣợc dùng để phát hiện sự

thay đổi lớn lƣợng khí độc và khí”cháy.
b. Loại màng dày (SnO2)
Loại này”thƣờng đƣợc cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một điện
cực bằng gốm. Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt
còn lại, hoặc ở dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.2).
Cơ chế phát hiện khí ga loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khí độc. Nó
là sự kết hợp các các phản ứng trên bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khí ga. Khi
cảm biến không đƣợc cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hơn và hậu quả
là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra ngay cả khi
cảm biến bị mất cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn.
Khi cảm biến phát hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ
với nồng độ khí. Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do
đó nó cần phải đƣợc tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ bị ảnh hƣởng bởi độ
ẩm và ô-xy. Với một lƣợng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định
cho cảm biến, thậm chí dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình
thƣờng đƣợc phục hồi”trở lại.

13


Hình 1.2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)
c. Loại màng mỏng (VO3)
Loại này”đƣợc cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với hai
hoặc nhiều điện cực dẫn điện. Vật liệu ô-xít kim loại đƣợc gắn vào giữa các điện
cực. Các bộ phận này đƣợc nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp.
Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thƣờng sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một
trƣờng điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy
(bằng cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn
điện, tức nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện của chất bán
dẫn ô-xít kim loại chính là nguồn”tín hiệu.

1.1.3. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors) [2]
Cảm biến”này thực chất là một pin nhiên liệu rất nhỏ bao gồm hai điện
cực chính đƣợc đặt vào dung dịch điện phân. Một cực gọi là cực làm việc
(anode), tại cực này xảy ra các phản ứng ô-xy hóa giữa dung dịch với chất khí
cần đo tạo ra các electron và các ion tự do. Cực thứ 2 (cathode) sẽ tạo ra phản
ứng giữa các ion đƣợc tạo ra ở cực thứ nhất với các chất ngoài không khí để
14


trung hòa điện tích trong dung dịch, từ đó sinh ra dòng điện do electron tự do.
Đo đƣợc dòng điện này sẽ xác định đƣợc nồng độ khí cần đo. Loại cảm biến này
thƣờng đƣợc dùng để đo khí CO, H2S, ô-xít ni-tơ,”clo.

Hình 1.3. Cấu tạo cảm biến điện hóa
Loại này có thể sử dụng để đo một loại khí hoặc hơi riêng biệt với độ
chính xác cao; không dễ bị nhiễm độc; đo đƣợc nồng độ khí ở hàm lƣợng rất
nhỏ cỡ ppm, nhƣng có nhƣợc điểm là chỉ làm việc ở giải nhiệt độ hẹp; tuổi thọ
ngắn (khoảng 6 tháng); tuổi thọ cảm biến bị giảm đi nếu sử dụng trong môi
trƣờng quá khô ráo và nóng.
1.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) [2]
a. Nguyên lý
Các loại cảm biến”hấp thụ ánh sángđang ngày càng có giá thành rẻ hơn và
có độ ổn định cao. Loại cảm biến này thƣờng đƣợc sử dụng để đo các loại khí
hấp thụ ánh sáng và thƣờng là trong dải ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng mắt
ngƣời nhìn thấy, hoặc ánh sáng tia tử ngoại. Có nhiều loại khí đƣợc đo bằng loại
này và có độ ổn định rất cao nhƣ: CO, CO2, Clo, hyđrôxianua, khí ga lạnh.

15

Cảm biến sử dụng hai chùm tia phản xạ hồng ngoại chiếu vào buồng phân
tích, bộ phận màn che làm cho hai chùm tia không liên tục nhƣng luôn xảy ra
đồng thời, một chùm đƣa vào buồng phân tích đƣợc để hở để chất khí cần đo lọt
vào, một chùm tia đƣợc đƣa qua buồng chuẩn và đƣa đến bộ phận phát hiện. Khi
có chất khí hấp thụ năng lƣợng tia hồng ngoại thì bộ phát hiện nhận đƣợc ít bức
xạ hồng ngoại hơn bình thƣờng, sự suy giảm này tỉ lệ với nồng độ chất khí cần
đo.
Ƣu điểm của loại cảm biến này là có thể sử dụng để đo một loại khí cụ
thể; ít khi phải hiệu chỉnh lại so với các loại cảm biến khác; các bộ phận đo
không tiếp xúc trực tiếp với chất khí cần đo; không cần yêu cầu phải có một
lƣợng ô-xy tối thiểu nhƣ các cảm biến đốt xúc tác; bảo trì ít.
Tuy nhiên, nó có hạn chế nhƣ bị ảnh hƣởng bởi độ ẩm và nƣớc; bụi bẩn
có thể làm các cơ cấu quang học, làm giảm đáp ứng của cảm biến giá thành”cao.
1.2. Một số loại cảm biến đo nồng độ khí trong thực tế [5]
a) Cảm biến CTX 300
Đƣợc xây dựng”theo nguyên lý điện hoá, sử dụng ở điều kiện khắc nghiệt
nhờ vật liệu bền, kết cấu hợp lý, tấm mạch in gắn trên giá thép không rỉ, vỏ hộp
làm từ hợp chất pôlyme chống ăn mòn. Cấu tạo của cảm biến CTX 300 biểu
diễn trên”hình 1.4.

Hình 1.4. Cảm biến CTX 300
Đầu đo dùng cảm biến CTX 300 có các tham số sau đây:

16


- Nguồn”một chiều: 15- 32 V, dòng dƣới 30 mA đối với đầu đo không
hiển thị, dƣới 150 mA đối với đầu đo có hiển thị:
- Đầu đo có hiển thị nối với mạch ngoài theo sơ đồ 3 dây với điện trở
mạch vòng cực đại 200  (Xem hình 1.5)

- Đầu đo không hiển thị nối với mạch ngoài theo sơ đồ 2 dây” (Xem hình
1.6)
4÷ 20mA

CTX 300
có hiển thị

Thiết bị đo
thứ cấp
Nguồn một chiều

Hình 1.5. Sơ đồ đầu đo có hiển thị nối với mạch ngoài
4÷ 20mA



Thiết bị đo
thứ cấp

CTX 300
không hiển thị
Nguồn một chiều

Hình 1.6. Sơ đồ đầu đo không hiển thị nối với mạch ngoài
Tham số cảm biến:
- Phạm vi đo: NO2: 0÷30 ppm, CO: 0÷10 ppm
- Mức tác động nhỏ hơn một phút;
- Nhiệt độ không khí 10  50C
b) Cảm biến MQ6
MQ6”là cảm biến khí LPG (Liquified Petroleum Gas) do hãng Hanwei

Sensor Đài Loan sản xuất là loại cảm biến dựa trên nguyên lý độ dẫn điện (cảm
biến bán dẫn). Vật liệu của cảm biến là thiếc oxit (SnO2) có độ dẫn điện thấp
trong không khí sạch. Khi khí cần phát hiện là các khí dễ cháy tồn tại, độ dẫn
17


điện của cảm biến tăng cùng với nồng độ khí. Với mạch điện chuyển đổi đơn
giản thực hiện việc chuyển đổi sự thay đổi độ dẫn điện của cảm biến tƣơng ứng
với nồng độ khí. Cảm biến khí MQ6 có độ chính xác cao để phát hiện các khí
Propane, Butan và LPG, nó cũng đáp ứng tốt với khí đốt tự nhiên. Cảm biến có
thể đƣợc sử dụng để phát hiện khí dễ cháy khác nhau, đặc biệt là khí mê-tan với
chi phí thấp và thích hợp cho các ứng dụng”khác nhau.

Hình 1.7. cảm biến MQ6
- Đặc tính”của cảm biến:
+ Độ nhạy tốt với khí dễ cháy trong phạm vi rộng
+ Độ nhạy cao với Propane, Butan và LPG
+ Tuổi thọ cảm biến cao và chi phí thấp
+ Mạch điều khiển đơn giản
- Ứng dụng:
+ Phát hiện khí gas rò rỉ trong gia đình
+ Phát hiện các khí dễ cháy trong công”nghiệp

18


Hình 1.8. Cấu trúc cảm biến MQ6
1. Lớp nhạy khí vật liệu SnO2

2. Điện cực vật liệu Au

3. Dây điện cực vật liệu Pt

4. Cuộn gia nhiệt vật liệu hợp kim Ni-Cr

5. Ống gốm phủ Al2O3

6. Chống nổ bằng lƣới thép 100 không rỉ

(SUS316)
7. Vòng kẹp bằng đồng mạ niken

8. Đế bằng nhựa bakelite

9. Chân nối bằng đồng mạ niken

Cấu trúc”của cảm biến MQ6 đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.8, cảm biến đƣợc tạo bởi
một lớp rất mỏng Al2O3 phủ trên ống gốm, lớp thiếc oxit nhạy khí (SnO2), điện
cực đo lƣờng và bộ gia nhiệt đƣợc cố định vào một lớp vỏ làm bằng thép không
rỉ và nhựa. Bộ gia nhiệt cung cấp điều kiện làm việc cần thiết cho cảm biến.
Cảm biến MQ6 có 6 chân, 4 chân đƣợc dùng để lấy tín hiệu, 2 chân còn lại sử
dụng cho bộ sấy.
Cảm biến này chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm nên khi khảo sát, với
mỗi giá trị đo đƣợc phải xác định luôn nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng tƣơng
ứng. Hình 1.8 thể hiện sự ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ ẩm của môi trƣờng đến
cảm biến MQ-6. Với trở tải RL = 20 kΩ, nồng độ khí 1000ppm LPG, nhƣng ở
điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau điện trở của cảm biến cũng nhận giá
trị”khác nhau.

19

Hình 1.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-6
c) Cảm biến khí MQ-7
Cảm biến khí”MQ-7 có độ nhạy cao với carbon monoxide nên đƣợc dùng
để phát hiện khí CO trong gia đình, trong công nghiệp hoặc trên xe ôtô. Cảm
biến này cũng có cấu tạo gồm một ống trụ làm bằng AL2O3, lớp cảm biến khí
làm bằng SnO2, các điện cực và sợi đốt đƣợc gắn cố định vào một lớp vỏ làm
bằng nhựa và thép không rỉ. Sợi đốt này cung cấp nhiệt lƣợng cần thiết cho cảm
biến trong quá trình hoạt động. Cảm biến MQ-7 có 6 chân trong đó có 4 chân là
tín hiệu và 2 chân là”sợi đốt.

20


Hình 1.10. Cấu tạo cảm biến MQ-7
Nguyên tắc”hoạt động của MQ-7 có điểm khác với cảm biến MQ-6. Với
MQ-7 không phải liên tục cấp điện cho sợi đốt mà phải cấp theo quy tắc 60s đốt
nóng ở điện áp 5v, và 90s đốt nóng ở điện áp 1,4v. Điện trở của cảm biến (RAB)
giảm tỷ lệ thuận với nồng độ khí CO mà cảm biến cảm nhận. Thời điểm lấy mẫu
của cảm biến là 25s cuối của quá trình đốt nóng ở điện áp 1,4V. Trong mạch
trên điện trở RL kết hợp với điện trở của cảm biến (RAB) tạo thành mạch phân áp.
Điện áp trên RL tỷ lệ thuận với nồng độ khí mà cảm biến”cảm nhận đƣợc.

Hình 1.11. Mạch ghép nối cảm biến MQ-7
Điện trở”của MQ-7 là khác nhau với các loại cảm biến và khí khác nhau.
Vì thế, khi sử dụng cần phải hiệu chỉnh lại độ nhạy của cảm biến. Nên tiến hành
hiệu chỉnh ở điều kiện không khí chứa 200 ppm CO và điều chỉnh điện trở (RL)
bằng 10 kΩ (hoặc khoảng 10 kΩ đến 47 kΩ).
Cảm biến này chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm nên khi khảo sát, với

mỗi giá trị đo đƣợc phải xác định luôn nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng tƣơng
ứng. Hình 1.12 bên dƣới thể hiện sự ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ ẩm của môi
trƣờng đến cảm biến MQ7. Với trở tải RL=40 kΩ, nồng độ khí 1000ppm LPG,
nhƣng ở điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau điện trở của cảm biến cũng nhận
giá trị”khác nhau.

21


Hình 1.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm với cảm biến MQ-7

22


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐO ĐA KÊNH
2.1. Cấu trúc hệ thống đo lƣờng đa kênh [4]
Hệ thống”thông tin đo lƣờng là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để
tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lƣờng qua
khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về dạng tiện cho việc đo và điều khiển.
Hệ thống thông tin đo lƣờng đƣợc phân thành nhiều nhóm:
- Hệ thống đo lƣờng;
- Hệ thống kiểm tra tự động;
- Hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật;
- Hệ tổ hợp đo lƣờng tính toán.
Để đo các đại lƣợng không điện ta biến đổi nó về các đại lƣợng điện
thông qua chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (CĐSC) còn gọi là cảm biến đo lƣờng.
Nhƣ vậy phƣơng tiện đo không điện đƣợc xây dựng từ CĐSC và máy đo
điện thứ cấp, trong đó có bộ biến đổi thứ cấp tƣơng tự (BĐTCTT) hoặc bộ biến
đổi tƣơng tự-số (BĐTT-S) và thiết bị”hiển thị.
2.1.1. Hệ thống đo một kênh

Trên hình 2.1 đƣa ra sơ đồ hệ thống đo một kênh. Trong đó có các khối:
CĐSC với hàm biến đổi phi tuyến, bộ biến đổi chuẩn hoá (BĐCH), BĐTT-S
(BĐ thời gian-xung tích phân hai lần), bộ tạo hàm thời gian (THTG), bộ HTS và
bộ điều khiển.

23


Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo một kênh
Sơ đồ một kênh đƣợc xét với mục đích đƣa ra phƣơng pháp tính và lựa
chọn tham số biến đổi cho từng kênh và tƣơng tự nhƣ vậy cho các kênh khác của
hệ thống tổng quát.
Nếu hàm biến đổi của chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp sau khi loại bỏ thành
phần một chiều và chuẩn hoá có dạng:
U = KCH( b.X + c.X2)

(2.1)

thì điện áp ở đầu ra bộ tích phân trong BĐTT-S khi kết thúc thời gian T1
của bƣớc 1 tích phân đƣợc xác định:
Un = KKĐ. KCH.T1.( b.X + c.X2)/ RC

(2.2)

Điện áp ở đầu ra bộ tích phân sau khi kết thúc bƣớc 2 tích phân có dạng:
Up = u(t).Tx/ RC

(2.3)

ở đây u(t)- điện áp ra bộ THTG; R, C - điện trở vào và điện dung hồi tiếp

bộ tích phân.
Nếu u(t) = -(B + CTx) và theo nguyên lý của bộ biến đổi thời gian-xung
tích phân hai lần ta có:
Un = Up
Hay KKĐ. KCH.T1.( b.X + c.X2) = (B + CTx).Tx

(2.4)

Khoảng thời gian Tx đƣợc lấp đầy bằng dãy xung chuẩn tần số f0 và mã ra
Nx tỉ lệ thuận với đại lƣợng vào thông qua hệ số K=10n, n- số nguyên dƣơng và
Nx=K.X, khi đó (2.4) đƣợc biến đổi về dạng:
KKĐ. KCH.T1.( b.X + c.X2) = (B. K.X/ f0) + C.(K.X/ f0)2

(2.5)

Từ đây ta rút ra điều kiện chọn tham số của hệ thống một kênh:
KKĐ. KCH.T1. b = B. K/ f0
KKĐ. KCH.T1c = C.(K/ f0)2

(2.6)
24


Khi thực hiện điều kiện (2.6) ta tuyến tính hoá đƣợc hàm biến đổi của
BĐSC.
2.1.2. Sơ đồ hệ thống đo đa kênh
Sơ đồ hệ thống đo nhiều kênh đƣa ra trên hình 2.2. Chức năng của các
khối đã đƣợc giải trình rõ khi phân tích các khối chức năng của hệ thống.

Hình 2.2. Hệ thống đo lường đa kênh

Trên hình 2.2a,b đƣa ra sơ đồ hệ thống đo lƣờng - kiểm tra tƣơng ứng cho
hai dạng biến đổi thứ cấp và hiển thị, trong đó khối điều khiển (ĐK) và chuyển
mạch (CM) làm nhiệm vụ phân kênh theo thời gian.
2.2. CÁC KHỐI BIẾN ĐỔI TRONG HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG [4]
2.2.1. Các chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (Cảm biến)
Chuyển đổi”đo lƣờng sơ cấp đo các đại lƣợng không điện là một chuyển
đổi đo lƣờng dùng để biến đổi các đại lƣợng không điện đầu vào cần đo về các
đại lƣợng vật lý khác thuận tiện cho việc thu nhận, biến đổi tiếp, lƣu giữ và hiển
thị thông tin về đại lƣợng”đo.
Các tham số của chuyển đổi :

25