Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu nâng cao chất lượng đo nồng độ khí độc hại trong môi trường công nghiệp dùng mạng nơ-ron

M
U
1. Tính c p thi t c a đ tài
Hi n nay, ch t l ng không khí trong môi tr ng dân sinh c ng nh môi tr ng
công nghi p ngày càng xu ng th p. S gia t ng các ngu n khí th i nhân t o t các ho t
đ ng công nghi p và sinh ho t đã đ a vào khí quy n hàng tr m t n khí đ c h i nh :
H2S, NH3, SO2, NOx, CO, CO2, O3... ây là m t trong nh ng hi m h a trong cu c
s ng hi n đ i khi mà l nh v c s n xu t ngày càng phát tri n. Bên c nh vi c nâng cao
ch t l ng s n xu t có tính b n v ng và b o v môi tr ng thì công tác giám sát, c nh
báo ch t l ng không khí c ng r t quan tr ng. Trong môi tr ng công nghi p các lo i
khí đ c h i n u v t quá m t t l gi i h n nh t đ nh s nh h ng tr c ti p đ n s c
kh e ng i lao đ ng c ng nh môi tr ng s ng c a con ng i. Do v y, v n đ nâng
cao ch t l ng đo l ng, giám sát các lo i khí đ c h i đ đ a ra các gi i pháp h n ch ,
lo i b chúng là nhi m v c p bách và quan tr ng trong vi c b o v môi tr ng và an
sinh xã h i.
V v n đ này, trên th gi i và Vi t Nam đã và đang có nhi u các nhà khoa h c
quan tâm và công b nhi u k t qu nghiên c u c a mình. Tuy nhiên, môi tr ng công
nghi p r t ph c t p v i s pha tr n c a r t nhi u lo i khí, bên c nh đó y u t nhi t đ
và đ m c a môi tr ng c ng d n đ n làm suy gi m đ chính xác c a các phép đo. Vì
v y v n đ nghiên c u nâng cao ch t l ng cho các phép đo n ng đ khí v n còn t n
t i nhi u b t c p, h n ch c n ph i ti p t c nghiên c u, hoàn thi n.
2. M c đích nghiên c u
M c đích nghiên c u c a lu n án là ng d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m
bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 và CO.
3. i t ng nghiên c u và ph m vi nghiên c u
i t ng nghiên c u c a lu n án là các c m bi n lo i bán d n đo n ng đ khí đ c
h i trong môi tr ng công nghi p.
Ph m vi nghiên c u: Các lo i c m bi n bán d n có đ c tính phi tuy n làm vi c
trong đi u ki n b nh h ng c a y u t môi tr ng nh nhi t đ và đ m v i h n h p
khí đ u vào, t đó đ xu t các c u trúc c m bi n ANN đ nâng cao đ chính xác cho
phép đo.

4. Ph ng pháp nghiên c u
4.1. Nghiên c u lý thuy t
Lu n án t p trung phân tích nh ng u, nh c đi m các c m bi n bán d n là ph n t
quan tr ng trong h th ng đo và phát hi n n ng đ các khí đ c h i trong môi tr ng
công nghi p đ đ xu t ph ng pháp nâng cao ch t l ng phép đo.
Nghiên c u lý thuy t ANN nói chung và ANN MLP nói riêng, ng d ng ANN đ
xu t xây d ng c u trúc c m bi n có tích h p ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n
bán d n.
4.2. Mô ph ng và th c nghi m ki m ch ng k t qu
Ki m ch ng các k t qu nghiên c u lý thuy t b ng mô ph ng off-line trên ph n
m m Matlab đ đánh giá nh ng k t qu đ t đ c c a các gi i pháp đã đ xu t.
Xây d ng mô hình th c nghi m ti n hành ki m ch ng b ng th c nghi m trên c m
bi n th c cho ng d ng lo i tr sai s c a y u t nh h ng.
1


5. ụ ngh a khoa h c và th c ti n c a đ tài
Lu n án có ý ngh a khoa h c và th c ti n trong l nh v c đo l ng và ANN.
Ý ngh a khoa h c:
xu t ph ng pháp ng d ng m i ANN đ nâng cao ch t
l ng c a c m bi n đo n ng đ khí. Ph ng pháp này góp ph n ti p t c minh ch ng
ANN là công c v i kh n ng tính toán song song, b n v i nhi u và l i c a s li u đ u
vào, có kh n ng th c thi d i d ng ph n m m ho c ph n c ng.
Ý ngh a th c ti n: K t qu nghiên c u c a lu n án có th s d ng đ tích h p, c i
ti n, ch t o m i các c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí trong môi tr ng công
nghi p.
6. Nh ng đóng góp m i c a lu n án
Nghiên c u m t s v n đ lý lu n và mô ph ng, ki m nghi m th c t nh m ng
d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H 2S, NH3 và CO
trong khí th i công nghi p c th là trong các ng d ng:

 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN đ bù sai s c a y u t nh
h ng nh nhi t đ , đ m, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào là nhi t
đ môi tr ng, s n -ron l p n th p ch t 1÷2 n -ron đ x p x chính xác các
đ c tính nh h ng c a nhi t đ và đ m t i k t qu đo, t đó làm c s cho
ng d ng bù. Ph n bù s d ng ph i h p ph ng pháp n i suy tuy n tính và tính
toán b ng m ng ANN, đây là đóng góp m i và khác bi t v i các công trình
khác s d ng ANN có hai đ u vào là nhi t đ , đ m và s l p n, s n -ron
l p n l n.
 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có kh n ng lo i tr tính
ph n ng đa khí hay nói cách khác có kh n ng phân bi t và c l ng chính
xác đ c n ng đ khí thành ph n có trong h n h p khí đ u vào.
 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có th đi u ch nh đ c tính
c a c m bi n.
 Ngoài ra còn đóng góp xây d ng c u trúc c m bi n tích h p ba ch c n ng nh :
Bù sai s nhi t đ và đ m, kh c ph c tính ph n ng đa khí và đi u ch nh đ c
tính c a c m bi n.
CH

NG 1. T NG QUAN V CÁC C M BI N BÁN D N O N NG
KHệ TRONG MÔI TR
NG CÔNG NGHI P
1.1. T m quan tr ng c a các lo i c m bi n đo n ng đ khí đ c h i
1.1.1. nh h ng c a các ch t khí đ c h i đ n s c kh e con ng i
Ô nhi m môi tr ng không khí có tác đ ng x u đ n s c kho con ng i, nh
h ng đ n các h sinh thái và bi n đ i khí h u,... Công nghi p hoá càng m nh, đô th
hoá càng phát tri n thì ngu n khí th i gây ô nhi m môi tr ng không khí càng nhi u.
Trong các lo i khí đ c h i đó ph i k t i: Khí CO (ngu n khí th i t các lò than, đ ng
c ô tô, xe máy…), khí H2S và khí NH3 (ngu n khí th i trong s n xu t nông nghi p) là
m t trong các lo i khí hàng ngày con ng i chúng ta th ng xuyên ti p xúc. B Tài
nguyên môi tr ng đã đ a ra nh ng quy chu n n ng đ t i đa cho phép c a m t s khí

này. Do đó, đ b o v môi tr ng thì công tác giám sát, c nh báo ch t l ng không khí
là vô cùng quan tr ng.
2


1.1.2. Ải i thi u chung v c m bi n đo n ng đ khí
Trên hình 1.1 trình bày s đ nguyên lý m t h th ng đo và giám sát n ng đ ch t
khí trong môi tr ng công nghi p.
Khí H2S
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
..
Khí CO

C m bi n

X lí tín hi u

Chuy n đ i

Truy n thông tin
qua m ng
Ethernet công
nghi p

C m bi n

X lí tín hi u

-Hi n th
-L u tr
-In k t qu

Chuy n đ i

Hình 1.1. S đ h th ng giám sát n ng đ ch t khí trong môi tr ng công nghi p
o n ng đ các lo i khí ng i ta th ng dùng các lo i c m bi n khác nhau: [8, 23]
các c m bi n đo n ng đ khí truy n th ng có đ chính xác cao đó là s c ký khí, thi t b
phân tích ph ... Tuy nhiên, các thi t b đo này có h n ch nh : kích th c l n, c u t o
ph c t p, giá thành cao, quá trình v n hành s d ng thi t b khó kh n và th i gian phân
tích dài. Do đó, các thi t b này đ u đ c l p đ t c đ nh và không thích h p cho vi c
th c hi n phân tích nhanh và tr c ti p t i hi n tr ng.
đáp ng đ c v i yêu c u
th c t , các c m bi n khí hóa h c trên c s v t li u d ng r n, c m bi n bán d n, c m
bi n nhi t xúc tác, c m bi n đi n hóa, c m bi n d a trên hi u ng tr ng c a m t s
linh ki n bán d n, v.v. đ c nghiên c u và ng d ng nhi u trong th c t . Nguyên lý
làm vi c c a các c m bi n bán d n là d a trên s thay đ i đ d n đi n c a màng m ng
bán d n khi h p th ch t khí trên b m t nhi t đ t 150oC ÷ 500oC. Có hai lo i c m
bi n bán d n đ c s d ng thông d ng nh t đ c làm t ô-xít kim lo i: Lo i màng dày

(SnO2) và lo i màng m ng (VO3)
1.2. T ng quan v m t s gi i pháp nơng cao ch t l ng c m bi n đo n ng đ khí
1.2.1. Các u, nh c đi m c a c m bi n bán d n
C m bi n bán d n có nhi u u đi m [4, 8]:
nh y cao, th i gian h i đáp nh ,
m ch đi u khi n đ n gi n, d v n hành, ph n ng đ c v i nhi u lo i khí đ c, h i.
Tuy nhiên các c m bi n bán d n c ng có nhi u nh c đi m, c th nh sau: B nh
h ng b i y u t môi tr ng là nhi t đ và đ m, ph n ng v i đa khí và đ c tính làm
vi c phi tuy n.
1.2.2. T ng quan các gi i pháp nâng cao ch t l ng
V i các u nh c đi m c a c m bi n bán d n thì đ s d ng t t chúng ta c n ph i
có các gi i pháp nâng cao ch t l ng đó là:
 Bù sai s c a y u t nh h ng nhi t đ và đ m c a môi tr ng đo
 Lo i tr tính ph n ng đa khí
3



i u ch nh đ c tính c a các c m bi n
1.3. Tình hình nghiên c u nơng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí
1.3.1. Tình hình nghiên c u ngoài n c
Các công trình nghiên c u ngoài n c v v n đ nâng cao ch t l ng đo n ng đ
khí đ c nhi u tác gi quan tâm, gi i quy t theo hai h ng chính:
- Gi i pháp truy n th ng, đó là ng d ng k thu t vi x lý [23, 25…]. Tuy nhiên
gi i pháp s d ng m ch ph n c ng th ng thích h p h n cho các nhà s n xu t n c
ngoài vì trình đ công ngh ch t o trong n c ch a đáp ng đ c yêu c u đ chính
xác quá cao.
- Gi i pháp bù b ng ph n m m là xây d ng các hàm đi u ch nh đ c trình bày
[20, 31, 50…].
Nhìn chung, đa s các ph ng pháp tính toán, x lý ho c có yêu c u tính toán khá

l n, ho c yêu c u v thi t b ho c m ch tích h p cao. Các ph ng pháp đ n gi n h n
nh các thu t toán tuy n tính hóa, LUT,... ph i ch p nh n sai s l n h n. M t khác các
ph ng pháp này ch a đ t đ c tính t h p và c đ ng cao trong c u trúc c a h th ng
đo.
tránh nh ng nh c đi m c a các ph ng pháp truy n th ng, gi i pháp ng d ng
các công c hi n đ i nh lý thuy t m , lý thuy t ANN đ c nghiên c u và tri n khai.
K t qu c a hàng lo t các công trình đã ch ng minh cho tính kh thi đó [14, 15, 18,
38..]. Tuy nhiên ng d ng ANN có c u trúc m ng ph c t p (MLP 3 đ u vào) [33], s
n -ron l p n cho bài toán bù sai s c a y u t nh h ng quá l n (11 n -ron n [14],
25 n -ron n [9]), k t qu sai s l n 14,3ppm [15]. V i m t h n h p nhi u khí m ng
MLP ch nh n d ng mà không đ a ra k t qu
c l ng chính xác n ng đ c a các khí
thành ph n. Khi c l ng đ c n ng đ khí thì l i dùng các lo i m ng ph c t p, ho c
ph i k t h p hai lo i m ng (m ng lai) [15].
1.3.2. Tình hình nghiên c u trong n c
Công trình [9] đã ng d ng ANN MLP đ thông minh hóa c m bi n đo l ng là
xây d ng m t thu t toán thi t k ANN ng d ng cho c m bi n đo l ng đ t đ c các
thông s c u trúc t i u cho c u trúc ANN. Tác gi c a [9] đã nghiên c u m t s bài
toán c th đó là tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n có d ng đ ng cong sang d ng
đ ng th ng, đ ng th i ng d ng ANN đ bù sai s do y u t nh h ng c a nhi t đ
mà ch a xét t i s nh h ng c a đ m. C u trúc ANN ph c t p t i 2 đ u vào cho
ng d ng bù sai s c a c m bi n đo đ pH gây b i y u t nh h ng là nhi t đ dung
d ch, s n -ron l p n xác đ nh đ c trong tr ng h p này là 25 n -ron. Ngoài ra c
hai bài toán tuy n tính hóa và bù sai s đ c gi i quy t đ c l p, riêng r ch a tích h p
trên cùng m t lo i c m bi n và k t qu ch d ng l i bài toán mô ph ng ch a có th c
nghi m.
1.4. nh h ng nghiên c u c a lu n án
Qua t ng k t các công trình nghiên c u trong và ngoài n c áp d ng các gi i pháp
đ nâng cao ch t l ng cho c m bi n bán d n đo n ng đ khí nh n th y: Các gi i pháp
đã nghiên c u đ u có nh ng u, nh c đi m nh t đ nh. Gi i pháp truy n th ng thì đ n

gi n nh ng tính hi u qu l i không cao. Gi i pháp hi n đ i thì dùng các lo i m ng
ph c t p nh SOM, ART hay các m ng lai, m ng đ n gi n MLP thì l i có c u trúc
ph c t p, s đ u vào nhi u, s l p n và s n -ron l p n l n, đi u này s nh h ng
4


l n đ n t c đ x lý. H n n a các công trình nghiên c u tr c các ch c n ng nâng cao
ch t l ng cho m t phép đo còn đ c l p, m t ch c n ng cho m t c m bi n riêng r ,
ch a tích h p đ c nhi u ch c n ng trên cùng m t c m bi n, ch a gi i quy t đ c ng
d ng v a bù sai s c a y u t nh h ng v a lo i tr tính ph n ng đa khí và v a đi u
ch nh đ c tính c m bi n. Ngoài ra hi n th c hóa ANN đã đ c nghiên c u và ng
d ng nhi u các n c có công ngh tiên ti n, nh ng chip n -ron th ng ph m đã có
và đ c gi i thi u trong [26, 27]. V n đ đ t ra c n nghiên c u là hi n th c hóa ANN
trong đi u ki n Vi t Nam, n i đ a hóa vi c thi t k các c m bi n có áp d ng các gi i
pháp nâng cao ch t l ng dùng ANN cho c m bi n đo n ng đ khí trong môi tr ng
công nghi p. ây là nhi m v có tính c p thi t và có tính kh thi cao trong tình hình
công nghi p đ t n c đang phát tri n, môi tr ng đang b ô nhi m và hu ho i. T
khía c nh nghiên c u đó, v n đ nghiên c u đ c đ t ra là ng d ng ANN có c u trúc
đ n gi n đ kh c ph c các nh c đi m c a c m bi n bán d n.
1.5. K t lu n ch ng 1
Ch ng 1 đã th c hi n:
 T ng quan v c m bi n và các gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n
đo n ng đ khí.
 T ng quan các công trình nghiên c u nâng cao ch t l ng c m bi n khí liên
quan, ch rõ nh ng v n d đã gi i quy t và nh ng v n đ t n t i c a h ng
nghiên c u này.
 Xác đ nh rõ n i dung nghiên c u c a lu n án là ng d ng ANN có c u trúc đ n
gi n đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n b ng gi i quy t các n i dung sau: Bù
sai s c a y u t nh h ng, kh c ph c tính ph n ng đa khí, đi u ch nh đ c tính
c a c m bi n sau đó tích h p c ba ch c n ng trên cùng m t h th ng đo n ng đ

khí.
Các nghiên c u lý thuy t c a ch ng 1 s là ti n đ và c s lý lu n cho ch ng 2
xây d ng c u trúc h th ng đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n.
Ch

ng 2.

NG D NG M NG N -RON NHÂN T O NÂNG CAO CH T
L
NG C M BI N BÁN D N O N NG
KHÍ
2.1. C s lỦ thuy t c a ANN MLP
Trong lu n án ng d ng ANN MLP v i c u trúc đ n gi n, h p lý đ c l a ch n là
gi i pháp trong c ba v n đ chính đ c đ c p đ nâng cao ch t l ng c a c m bi n
đo n ng đ khí.
2.2. ng d ng ANN nơng cao ch t l ng c m bi n
2.2.1. C u trúc c m bi n ng d ng ANN nâng cao ch t l ng c m bi n
Lu n án đ xu t m t c u trúc c m bi n chung ng d ng ANN đ nâng cao ch t
l ng c m bi n đo n ng đ khí trong môi tr ng công nghi p đ c th hi n trên hình
2.1.
M c đích đ a khâu n -ron vào c m bi n là nh m t o ra nh ng đ c tính mong mu n
cho ng d ng nâng cao ch t l ng. u ra c a c m bi n m i có ng d ng ANN s có
nh ng tính ch t u vi t h n đ u ra c a c m bi n c . C u trúc có hai khâu ch c n ng
chính: c m bi n và chuy n đ i n -ron.
5


N ng đ ch t
khí c n đo

CB

MNN

C m bi n n ron

M ch đo th c p

Hình 2.1. S đ c u trúc chung c a c m bi n s c p n -ron
2.2.2. S d ng ANN bù sai s c a các y u t nh h ng c a nhi t đ và đ m
2.2.2.1. Các ph ng pháp c đi n bù sai s c a các y u t nh h ng c a nhi t đ và đ m
Các gi i pháp lo i tr theo ph ng pháp truy n th ng là ph ng pháp s d ng
m ch ph n c ng và s d ng ph n m m.
1. M ch s d ng nhi t đi n tr bù nhi t
Nh đ i v i các c m bi n bán d n (SnO2), đ bù nhi t đ , [25] s d ng m t đi n
tr nhi t To có h s nhi t đi n tr âm và có m c đ bi n thiên ph thu c vào nhi t đ
c ng t ng đ ng v i c m bi n, khi đó đi n áp đ u ra c a m ch đo s n đ nh h n
theo nhi t đ và gi i pháp này c ng đ c hãng Firago áp d ng vào dòng c m bi n TGS
[18].
2. Bù b ng các hàm hi u ch nh
Bên c nh vi c s d ng các ph n t bù nhi t, đ i v i các m ch đo có s d ng vi x
lý, ta có th s d ng các hàm hi u ch nh nh sau: s d ng tín hi u ToC và RH% t hai
c m bi n đo nhi t đ và đo đ m, t đó xây d ng hàm hi u ch nh nh (2.1):
(2.1)
ycorr  a  b. yold  c.T  d .RH
Trong đó yold, ycorr là tín hi u đ u ra tr c và sau khi bù, còn a, b, c, d là các h s
hay l ng hi u ch nh t ng ng nh m t lo t các hàm hi u ch nh trong [20, 31, 50].
3. Bù b ng b ng nh h ng
Khi nghiên c u các c m bi n [4] ch ra r ng các gi i pháp đ lo i tr nh ng y u t
nh h ng này r t khó. Không nh ng th

nh ng c m bi n khác nhau cùng m t công
ngh ch t o, nh h ng này c ng khác nhau vì th trong các c m bi n thông minh
ng i ta th ng bù nh h ng c a các y u t không mang thông tin ngay trên c m
bi n s d ng nh sau:
Quá trình đo đ c mô t nh (2.2).
y = f(x, a, b,...)
(2.2)
Ph ng trình c b n c a các c m bi n có d ng (2.2) là nguyên t c ho t đ ng c a
các c m bi n. Trong đó x là đ i l ng c n đo, còn a, b,... là các y u t nh h ng t i
phép đo.
Gi s khi đo trong đi u ki n tiêu chu n, đ c tính t nh c a c m bi n là yo(x). Xét t i
m t đi m đo th k nào đó k t qu đo là yok(xk). Khi có s thay đ i c a y u t a, b…,
giá tr th k đo đ c là ySk(xk). V y ta có sai s c a phép đo nh (2.3):
∆y = yok(xk) - ySk(xk)
(2.3)
Xét cho kho ng bi n đ i nh xung quanh giá tr t i m t đi m, lúc này sai s c a đ i
l ng đ u ra khi có các y u t nh h ng khác, đ c vi t l i nh (2.4):

6


y 

f
f
f
x  a  b  ...
x
x
x

(2.4)

f , ∆b là nh h ng c a y u t a, b t i k t qu đo y. B ng th c nghi m, s li u v
a
x
s nh h ng c a y u t a, b, đ c thu th p và đ c bi u di n trong b ng 2.1. S li u
trong b ng đ c ghi vào b nh c a c m bi n. Khi x lý s li u c a quá trình đo, đ bù
sai s nh h ng h vi x lý (ho c máy tính) s tham chi u b ng (theo ch ng trình)
đ có đ c giá tr ∆ij t ng ng, sau đó n i suy tuy n tính ra giá tr c a đ i l ng đó
mà ta ph i bù, đ lo i sai s do s nh h ng c a y u t A.
B ng 2.1. B ng s li u LUT v sai s do y u t nh h ng
X1
X2
...
Xi
Xn
XX
A
A1
X’11
A12
...
∆11
∆1n
A2
A21
A22
...
∆21

∆2n
...
...
...
...
...
...
Aj
Aj1
Aj2
...
∆ji
∆in
Am
Am1
Am2
...
∆mi
∆mn

Nh n xét: V i 3 ph ng pháp bù sai s nh trên ta th y gi i pháp bù b ng m ch
ph n c ng th ng dành cho các nhà s n xu t n c ngoài. Quá trình x lý s li u đ
lo i tr sai s gây b i các y u t nh h ng nh hai ph ng pháp còn l i đ c th c
hi n trong quá trình đo c ng có nh ng nh c đi m nh t đ nh, đó là v i thu t toán tu n
t c a k thu t máy tính truy n th ng, thì v n đ v th i gian x lý. V n đ này không
gây c n tr v i nh ng tr ng h p không đòi h i nhanh k t qu đo. Nh ng trong s n
xu t hi n đ i, nhi u quá trình công ngh đ c đi u khi n t đ ng, t i đó có r t nhi u
đ i l ng c n đo và x lý k t qu nhanh, nhi u phép đo đòi h i làm vi c trong mi n
th i gian th c thì đây s là m t nh c đi m l n.
2.2.2.2.

xu t c u trúc c m bi n bù sai s c a y u t nh h ng
kh c ph c nh c đi m đó, m t h ng gi i quy t v n đ nêu trên là ng d ng
tính toán n -ron. Ý t ng c a gi i pháp là chuy n các tính toán x lý s li u đo l ng
t ch g n li n v i quá trình đo v quá trình thi t k ch t o. Thay quá trình hi u ch nh
s li u đo đ c, lo i b nh h ng c a các sai phân b ng quá trình ánh x hàm nhi u
bi n, c p nh t t c th i giá tr các y u t nh h ng t i k t qu đo. Lúc này: không ph i
y = f(x,a,b,..) mà là z = f(x1,x2,x3,..). Trong tr ng h p này, sai s gây b i các y u t
nh h ng đ c tính toán đ lo i tr ngay trong khi thi t k ch t o c m bi n. Các k t
qu x lý s đó đ c đ a vào bên trong b thông s c u trúc c a c m bi n n -ron, c
th là c a khâu chuy n đ i n -ron. V i nh ng u đi m c a ph ng pháp dùng ANN
đ bù sai s c a y u t nh h ng cho c m bi n bán d n đ c tác gi l a ch n và đ
xu t b i c u trúc th hi n trên hình 2.3.

7


Vout

M ch chu n
hoá

Rs (ppm, T , RH%)

ppm

Rs
KRS

MLP 1
T

MLP 2

N i
suy
và
tính
toán

Rs
Rs (ppm, 20 C, 65%)

Ro

KRS

RH%

Hình 2.3. C u trúc c m bi n đ c đ xu t bù sai s c a y u t nh h ng
C u trúc h g m 3 đ u vào: u vào th nh t là tín hi u thu đ c t đ u ra Vout c a
c m bi n b bi n thiên b i các y u t nh h ng nhi t đ và đ m, đ u vào th hai và
th ba t hai c m bi n nhi t đ và đ m đo đ c t môi tr ng đo. đây s d ng hai
ANN nh ng m i m ng ch có m t đ u vào nhi t đ , ANN đóng vai trò x p x đ c tính
s ph thu c c a Rs/R0 vào các y u t nh h ng là nhi t đ ToC và đ m RH%, đây
là m t trong nh ng b c quan tr ng nh t b i t các giá tr bi n thiên này ta m i tính
toán ra đ c l ng c n bù.
C s lý thuy t c a ng d ng bù nh sau:
• D a trên datasheet c a nhà s n xu t cung c p có bi u đ quan h Rs/R0 theo nhi t
đ và đ m Rs/R0= f(ToC, RH%), bi u đ này cho bi t s nh h ng c a tín hi u
nhi t đ và đ m t i đ u ra c a c m bi n.

• Bù sai s : chuy n đ i đ u ra Rs/R0 (là hàm ph thu c vào n ng đ khí ppm c n
đo) đo đ c nhi t đ và đ m b t k sang m t đi u ki n tiêu chu n là nhi t đ
ToC=20oC và đ m RH%=65%, sau đó tính ra n ng đ ppm c n đo.
Nhi m v th nh t đ c gi i quy t nh sau: Dùng ANN MLP đ x p x các đ c
tính bi n thiên theo nhi t đ t i đ m RH% th p (th ng là 33% ho c 40% tùy theo
m i lo i c m bi n) và t i đ m RH% cao (th ng là 85%) theo các đi m m u tr i đ u
trên toàn mi n c a đ c tính mà nhà s n xu t cung c p, đó là 2 đ ng f1(ToC) và f2(ToC)
trên hình 2.4.
Trong đó f1(ToC) đ c x p x b i m ng MLP1, f2(ToC) đ c x p x b i m ng
MLP2, m i m ng có m t đ u vào duy nh t là nhi t đ môi tr ng đo:
(2.5)
f1 T o   F  RH 40%; T o  ;
f2 T o   F  RH 85%; T o 
t

Nh v y s khác bi t ch là ANN ch có duy nh t m t đ u vào dùng đ x p x
ng đ i chính xác s nh h ng c a nhi t đ , đ m c a môi tr ng t i k t qu đo.
8


Rs

Ro

f1(T ) = F(RH% th p, T )

f2(T ) = F(RH% cao, T )
T

Hình 2.4. X p x hai đ c tính f1(To) và f2(To)

gi i quy t nhi m v th 2, các b c đ c tính toán nh sau:
 B c 1: Khí có n ng đ X (ppm) c n đo t ng ng v i nhi t đ To và đ
RH% môi tr ng đo thì đ u ra c a c m bi n khí là đi n áp Vout:

m

X (ppm, T , RH %)  Vout (T , RH %)

 B c 2: T m ch chu n hóa đ u ra c a c m bi n nh hình 2.5. Ta có đi n tr c a
c m bi n t i đi u ki n làm vi c (nhi t đ và đ m).

Rs VC  VL

RL
VL
 Rs 

(2.6)

RL VC  VL 

(2.7)
VL
M t khác VL=Vout, thay VC, RL vào (2.7) ta tính đ c Rs c a c m bi n t i nhi t đ
và đ m c a môi tr ng (Rs đã b bi n thi n) nh (2.8):
R V  Vout 
(2.8)
 Rs T o , RH %  L C
Vout





Hình 2.5. M ch chu n hóa đ u ra cho c m bi n bán d n [46]
• B c 3: T các đ c tính c a c m bi n đã cho, c n ph i xác đ nh m t h s bi n
đ i kRs đ chuy n đ i giá tr đi n tr c a c m bi n v đi u ki n làm vi c tiêu
chu n To=20oC, RH=65% nh (2.9).
9





 
 

 Rs T o , RH %
KRs T o , RH %  
 Rs 20o C , 65%





Rs

(2.9)

Ro

f1(T ) = F(RH% th p, T )

X%
f2(T ) = F(RH% cao, T )
T

Hình 2.6. c tính fx(To) đ c n i suy theo f1 và f2
Giá tr h s bi n đ i KRs đ c tính b ng ph ng pháp n i suy gi a hai đ ng cong
đã x p x b ng hai m ng MLP trên hình 2.6, đ có đ c đ c tính fx(To) t i các đ m
trung gian (X%).
MLP2 T o   MLP1 T o 
KRs To , RH   noisuy  f1; f2  
 RH %  RH low   MLP1 T o 
RH high  RH low
(2.10)
 B c 4: Thay KRs vào (2.9) ta thu đ c:





Rs ppm, 20o C , 65% 





Rs T o , RH %, ppm



o

KRs T , RH %



(2.11)

• B c 5: T giá tr đi n tr Rs tính đ c theo (2.11) và giá tr đi n tr đ c tr ng
R0 c a c m bi n, d a vào đ c tính đã cho c a c m bi n ta c l ng đ c n ng
đ khí c n đo trong đi u ki n tiêu chu n:
Rs
(2.12)
 ppm  X  ppm
R0
Theo (2.12) thì X(ppm) đã đ c bù v giá tr đo t i các đi u ki n To=20oC và
RH(%)=65%
2.2.3. S d ng ANN kh c ph c tính ph n ng đa khí c a c m bi n
Lu n án đ xu t gi i pháp đa c m bi n ng d ng ANN MLP có c u trúc đ n gi n
v a có kh n ng phân bi t v a có kh n ng c l ng đ c n ng đ khí thành ph n
th hi n trên hình 2.7:
Gi s ch c n ng c a c u trúc cho ta kh n ng phát hi n và c l ng hai thành
ph n khí c n đo Gas1 và Gas2 trong h n h p khí.
xây d ng hàm truy n đ t ng c (t ch s c a các c m bi n suy ra đ c n ng
đ c a các thành ph n khí đ u vào: gas1, gas2), m t b s li u m u h c là t h p c a
các giá tr n ng đ cho khí gas1 và n ng đ cho gas2 có d ng {PPMi1, PPMi2, SenS1,
SenS2} đã đ c xây d ng.
10

ng th i m t b s li u m u là t h p các m u t các thành ph n n ng đ khí
gas1 và n ng đ khí gas2 đ ki m tra. B s li u m u này đ c s d ng đ tính hàm
truy n đ t ng c, nên m ng ANN s đ c hu n luy n đ ng v i các véc-t đ u vào
xi={Sensi1, Sensi2} và đáp ng đ u ra là di={ppmi1, ppmi2}

%Gas1

CB1

CB2

%Gas2

Vout 1
Vout 2
%Gas1

.
.
.
.
CBn

MNN
%Gas2

Vout n

Hình 2.7. C u trúc c m bi n đ c đ xu t đ lo i tr tính ph n ng đa khí
2.2.4. S d ng ANN đi u ch nh đ c tính c a c m bi n
c tính c a đa s các c m bi n s c p là phi tuy n. Nhu c u tuy n tính hóa đ c
tính c a c m bi n luôn đ t ra đ i v i m ch đo th c p trong quá trình kh c đ cho thi t
b đo.
Ph ng pháp tuy n tính hóa này đã đ c th c hi n b ng ph n c ng và ph n m m.
M ch ph n c ng là các m ch t o hàm trên c s nh ng bi n tr , các diod bán d n,
ho c các m ch s d ng khu ch đ i thu t toán [11]. Ngoài ra là các m ch ph n m m
nh [4]
Trong [4] là ph ng pháp tuy n tính hóa t ng đo n hay còn g i là ph ng pháp n i
suy tuy n tính, thay đ c tính b ng m t đ ng g p khúc tuy n tính hóa t ng đo n theo
nguyên lý th hi n trên hình 2.8

Hình 2.8. Ph ng pháp n i suy tuy n tính
Tr ng h p đ c tính c a tín hi u x sau c m bi n là m t hàm phi tuy n c a đ i
l ng đo , t c là x( ) - là m t hàm phi tuy n (hình 2.8). Thay vì kh c đ đ c tính đo
vào b nh ta có th thay x( ) b ng m t đ ng g p khúc tuy n tính hóa t ng đo n v i
11


sai s o. Ph ng pháp này còn g i là ph ng pháp n i suy tuy n tính. Ph ng pháp
n i suy tuy n tính có u đi m là n u ta tuy n tính hóa ít đo n th ng thì cách tính toán
đ n gi n tuy nhiên sai s ∆y s l n. Còn n u ta xác đ nh nhi u đo n th ng thì sai s s
nh nh ng vi c tính toán l i ph c t p và trong th c t s đi m x p x c ng không
nhi u.
Ngoài ph ng pháp tuy n tính hóa t ng đo n đ đi u ch nh đ c tính ra, trong [9]
dùng gi i pháp ANN tuy n tính hóa đ ng đ c tính d ng đ ng cong b c hai thành
m t đ ng th ng trên toàn đ i đo.
Trong lu n án tác gi dùng ANN đ đi u ch nh đ c tính c a c m bi n bán d n đo
n ng đ khí nh sau:

c tính c a c m bi n là phi tuy n và ph ng trình c b n c a c m bi n ch a xác
đ nh đ c. Do v y đ tuy n tính hóa đ c tính, kh i đi u ch nh đ c tính trong tr ng
h p này có hai ch c n ng:
- M t là dùng ANN MLP x p x đ c tính Vout1=f(x) c a c m bi n khi bi t h u h n
các đi m m u trên đ ng đ c tính lý t ng mà nhà s n xu t cung c p;
- Hai là dùng m ng MLP đ t o ra m t đ ng đ c tính Vout2=f(Vout1), lúc này
Vout2=g(f(x)) đã đ c tuy n tính hóa d i d ng 2.9.
(2.26)
Vout 2  g Vout1   g  f  x   a  x  b
C u trúc đó đ
M u khí
X[ppm]

c đ xu t trên hình 2.9:
C m bi n

Vout1[V]

Kh i đi u ch nh

Vout2[V]

Hình 2.9. C u trúc c m bi n đ c đ xu t hi u ch nh đ c tính
đ u ra c a kh i đi u ch nh hình 2.9 ta đ c Vout2=g(f(x)) tuy n tính.
2.3. Tích h p hai ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng vƠ hi u ch nh đ c tính
c m bi n
Trên c s nghiên c u và gi i quy t t ng bài toán riêng r đã th c hi n, đ đi n áp
đ u ra c a c m bi n t l tuy n tính v i n ng đ khí sau khi bù sai s c a các y u t
nh h ng c n m t c u trúc tích h p hai ch c n ng đ c đ a ra nh hình 2.10
C m bi n khí

T

Vra
Bù nhi t đ
và đ m

Vra_bù

i u ch nh
đ c tính
(tuy n tính
hoá)

Vra_tuy

n tính

RH%

Hình 2.10. S đ kh i c a h tích h p hai ch c n ng v a bù sai s và hi u ch nh
2.4. Tích h p ba ch c n ng bù sai s c a y u t nh h ng, lo i tr tính ph n ng
đa khí vƠ tuy n tính hóa đ c tính c m bi n
C u trúc ANN phù h p, đáp ng đ các ch c n ng tích h p trong c m bi n đ nâng
cao ch t l ng phép đo đ c th hi n trên hình 2.11:

12


M u đa khí

[X1,X2,..,Xn][ppm]

Ma tr n M Vra = [V1,…,VM]
c m bi n khí
T
RH%

Bù nhi t đ
và đ m

Vra_bù

Lo i tr tính
ph n ng đa Vra_tuy n tính
khí và tuy n
tính hoá đ c
tính

Hình 2.11. S đ kh i c a h tích h p ba ch c n ng bù, lo i tr tính ph n ng đa khí
và tuy n tính hóa đ c tính đ u ra c a c m bi n
2.5. K t lu n ch ng 2
Trong ch ng 2 đã nêu ra nh ng u đi m c a ANN nói chung và m ng MLP nói
riêng khi ng d ng cho c m bi n đo l ng, đ c bi t là ng d ng nâng cao ch t l ng
c m bi n bán d n đo n ng đ khí.
xu t m t c u trúc chung c a c m bi n n -ron và ba c u trúc t ng ng gi i
quy t ba ch c n ng nâng cao ch t l ng đ c l p c th nh sau:
 Bù sai s c a y u t nh h ng t i c m bi n: Trong h th ng bù này, hai m ng
MLP có ch c n ng x p x đ c tính bi n thiên c a nhi t đ t ng ng đ m hai
m c th p và cao, sau đó dùng n i suy tuy n tính đ tính toán bù, đ u ra c a h
th ng là n ng đ khí đ c bù t ng ng nhi t đ và đ m tiêu chu n. ây là

m t đ xu t m i so v i các ph ng pháp khác;
 Lo i tr tính ph n ng đa khí: có ch c n ng phát hi n và c l ng chính xác
n ng đ khí thành ph n có trong h n h p;
 i u ch nh đ c tính:
đi u ch nh đ c tính tác gi th c hi n ng d ng dùng
ANN MLP x p x đ c tính c a c m bi n sau đó l i dùng MLP đ tuy n tính hóa
đ c tính v a x p x , đây là đi m khác bi t c a lu n án so v i [9].
xu t c u trúc c m bi n n -ron tích h p hai ch c n ng bù sai s và đi u ch nh
đ c tính và c u trúc tích h p ba ch c n ng trong cùng m t h th ng - m t gi i pháp
hoàn thi n đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí.
Ch

ng 3. MÔ PH NG CÁC GI I PHÁP NỂNG CAO CH T L
NG C M
BI N O N NG
KHệ
XU T
3.1. Thi t k ANN
Lu n án s d ng m t s c m bi n bán d n MQ, TGS và SP3AQ2 v i 03 lo i khí là
CO, NH3 và H2S nh đã phân tích trong ch ng 1. T t c các thông s v d i đo c a
các c m bi n đ c l y t datasheet c a chúng th hi n trên b ng 3.1.
B ng 3.1. Các c m bi n l a ch n và d i đo c a chúng [45, 46, 47, 48, 49]
C m bi n
D i đo khí CO
D i đo khí NH3
D i đo khí H2S
(ppm)
(ppm)
(ppm)
MQ7

50 4000
MQ135
10 100
10 200
MQ136
10 100
1 200
TGS 2600
1 100
13


TGS 2602
1 30
0,1 3
TGS 2444
1 300
0,3 3
SP3AQ2
3 30
1 10
M t c u trúc đ nh hình cho ANN c a ng d ng c th v i các thông s c b n
đ c li t kê trên b ng 3.2:
B ng 3.2. B thông s c u trúc c a ANN
STT
Thông s
Xác đ nh
1
Lo i m ng
Truy n th ng 2 l p

2
S đ u vào
Tùy vào bài toán c th
3
S n -ron l p ra
1
4
S n -ron l p n
N, xác đ nh khi luy n m ng
5
Hàm truy n c a các n -ron l p n
a1 = tansig (IW1p1+b1)
6
Hàm truy n c a các n -ron l p ra
a2 = purelin (LW2a1+b2)
7
T p tr ng s c a n -ron l p n
N, xác đ nh khi luy n m ng
8
L ng bù c a n -ron l p n
N, xác đ nh khi luy n m ng
9
T p tr ng s c a n -ron l p ra
N, xác đ nh khi luy n m ng
10
L ng bù c a n -ron l p ra
N, xác đ nh khi luy n m ng
Các m ng MLP trong lu n án s đ c hu n luy n theo ph ng pháp h c có h ng
d n (supervised learning) v i m t b s li u g m m u. Thu t toán h c đ c l a ch n
là thu t toán kinh đi n Leveberg – Marquadrt [3, 7] đ c tích h p trong th vi n

Neural Networks Toolbox c a Matlab.
Hàm m c tiêu c a thu t toán h c là hàm t ng sai s t i ngõ ra c a m ng trên b s
li u h c, đ c đ nh ngh a b i:
p
(3.1)
2
 häc   yi  di
i 1

v i p – s m u, di – giá tr đ u ra đích c n đ t c a m u th i, yi – giá tr đ u ra th c
t t m ng.
3.2. Bù sai s các y u t nh h ng
3.2.1. X p x đ ng đ c tính ph thu c nhi t đ , đ m c a c m bi n
Trên hình 3.4 th hi n đ ng đ c tính bi u di n s nh h ng c a nhi t đ và đ
m khi đo n ng đ khí CO c a c m bi n MQ7,

Hình 3.4. Bi u đ bi n thiên theo nhi t đ và đ m c a c m bi n MQ7 [46]
K t qu x p x các đ ng đ c tính khi dùng m ng MLP ta đ c 2 đ ng bi u di n
s ph thu c c a đ u ra c m bi n vào nhi t đ t i đ m RH=33% (hình 3.5a) và đ
m RH=85% (hình 3.5b).
14


a)

b)

Hình 3.5. X p x đ c tính ph thu c c a đ u ra c m bi n MQ7 vào nhi t đ và đ m:
a) đ ng có RH=33%; b) đ ng có RH=85%.
3.2.2. Tính toán bù sai s

Sau khi dùng m ng MLP x p x đ c tính ph thu c c a đ u ra c m bi n v i d i
nhi t đ thay đ i và đ m hai n ng đ RH= 33% (40%) và RH=85% là ph n tính
toán bù. K ch b n mô ph ng đ c th hi n trên hình 3.10. t m t giá tr n ng đ khí
chu n ( đi u ki n tiêu chu n có nhi t đ t=20oC, đ m RH=65%), sau đó kh o sát
l n l t v i các giá tr nhi t đ và đ m khác nhau.
Vout

2 đi m giá tr
ppm = const
20 C, 65%

0

t1

t2

t3

t

Hình 3.10. K ch b n cho bài toán mô ph ng
 Tr ng h p 1 và 2: Trong kho ng th i gian t 0÷t1, mô ph ng v i m t n ng đ
khí b t k
đi u ki n tiêu chu n t=20oC, RH=65%;
 Tr ng h p 3, 4, ..., 9: trong kho ng th i gian t t1÷t2, mô ph ng m t n ng đ
khí, cùng đ m RH%=35%, nh ng cho nhi t đ thay đ i, t ng t 20 ÷ 50oC
b c thay đ i 5oC, nh v y có 7 tr ng h p;

15

 Tr ng h p 10, 11, ..., 15: trong kho ng th i gian t t2÷t3 cùng m t n ng đ khí,
cùng nhi t đ ToC=50oC, nh ng đ m thay đ i RH t ng 35÷85% b c thay đ i
10%, nh v y có 6 tr ng h p.
K t qu mô ph ng đo n ng đ khí CO c a c m bi n MQ7 trên hình 3.11 cho th y:
tr c hoành th hi n 15 tr ng h p mô ph ng t ng ng 15 tr ng h p trên hình 3.10,
tr c tung th hi n các giá tr Meassure Vout là giá tr đi n áp đo đ c khi ch a bù,
No_Correctedout là n ng đ khí (ppm) thu đ c khi ch a bù và Correctedout là n ng đ
khí (ppm) thu đ c khi đã th c hi n bù. C th là khi đo n ng đ khí có giá tr
100(ppm) v i nhi t đ và đ m bi n thiên thì đi n áp đ u ra c ng b bi n thiên. D i
bi n đ i đi n áp r t l n t ≈1.5 ÷ 2(V), t ng ng v i bi n thiên n ng đ khí l n t
92÷118(ppm). Sau khi bù, giá tr n ng đ đ t ≈100,05(ppm) so v i giá tr đ t
=100(ppm), t ng ng v i sai s t ng đ i đ t đ c là ≈0.05%.

Hình 3.13. K t qu bù sai s khi đo
Hình 3.11. K t qu bù sai s khi đo n ng
n ng đ khí H2S 50 ppm
đ khí CO 100 ppm
Trên hình 3.13 bi u di n k t qu bù sai s khi đo n ng đ khí H2S là 50(ppm) T
hình v cho th y: d i bi n đ i đi n áp đ u ra thay đ i t ≈1.6÷1.9(V), t ng ng là
n ng đ t 40÷90(ppm) khi ch a bù. Khi đ c bù, giá tr n ng đ đo đ c
49,95(ppm), t ng ng v i sai s t ng đ i đ t đ c là ≈0.1%.
Nh n xét: Các k t qu mô ph ng bù sai s c a c m bi n b i các y u t nh h ng
c a môi tr ng đo là nhi t đ và đ m v i sai s r t nh nh t đ t 0.01% và sai s l n
nh t đ t 0,1%, đây là m t sai s lý t ng cho dòng c m bi n bán d n.

16

3.3. Lo i tr tính ph n ng đa khí c a c m bi n
3.3.1. Thi t k ANN
Lu n án xây d ng m t b s li u m u v i các thành ph n khí có n ng đ khác
nhau, bao g m 7710 m u đ c chia thành hai t p m u con: 66 m u đ h c và 7644
m u đ ki m tra mô hình. Trong đó 66 m u đ h c, là t h p c a 11 giá tr n ng đ khí
NH3 t 2÷20(ppm) v i b c thay đ i 2(ppm) và 6 giá tr n ng đ khí H2S t 1÷3(ppm)
v i b c thay đ i 0,5(ppm). Các m u này có d ng PPMi1 , PPMi 2 , Sensi1 , Sensi 2  , 7644
m u đ ki m tra, là t h p c a 182 giá tr n ng đ khí NH3 t 2÷20(ppm) v i b c
thay đ i 0,1(ppm) và 42 giá tr n ng đ khí H2S t 1÷3(ppm) v i b c thay đ i
0,07(ppm).
B s li u m u này đ c s d ng đ tính hàm truy n đ t ng c do v y m ng MLP
s đ c hu n luy n đ ng v i các véc t đ u vào xi  Sensi1 , Sensi 2  , i là s các c m
bi n (i=3,4) và đáp ng đ u ra là di  PPMi1 , PPMi 2  , i là s các khí c n c l ng
(i=2). Quá trình h c b ng b m u s li u h c cho t i khi h i t , r i ki m tra kh n ng
khái quát hóa b ng b s li u m u ki m tra.
3.3.2. K t qu mô ph ng khi dùng b 3 c m bi n MQ136, TẢS2602 và SP3AQ2
 M ng có c u trúc 3x3x2, t ng ng là 3 đ u vào t 3 c m bi n, 3 n -ron n và 2
đ u ra:

Hình 3.18. K t qu
c l ng n ng đ
Hình 3.19. K t qu
c l ng n ng đ
NH3 v i c u trúc m ng 3x3x2
H2S v i c u trúc 3x3x2
3.3.3. Dùng b 4 c m bi n MQ136, TẢS2602, TẢS2444 và SP3AQ2
Trên hình 3.24, k t qu
c l ng n ng đ thành ph n khí NH3 có sai s l n nh t
là 0,10(ppm) và sai s trung bình là 0,02(ppm).
Trên hình 3.25, k t qu

c l ng n ng đ thành ph n khí H2S có sai s l n nh t là
0,129(ppm) và sai s trung bình là 0,016(ppm).
17


Hình 3.24. K t qu
c l ng n ng đ
Hình 3.25. K t qu
c l ng n ng đ
NH3 v i c u trúc m ng 4x3x2
H2S v i c u trúc m ng 4x3x2
3.4. i u ch nh đ c tính đ nh y c a c m bi n
3.4.1. K t qu mô ph ng
c tính đ nh y c a c m bi n MQ135 trên hình 3.30 là đ c tính theo h t a đ
loga.

Hình 3.30.
Ta bi u di n l i nh (3.1):

c tính c m bi n MQ135 [38]

log( ppm) 3,9510  log  Rs R0   2,7757

(3.1)

Sau đó ch n 7 đi m trên đ c tính nh sau:
MQ135_CO_Log = [10
20
50
100

130
160
200
108.846 104.643 98.799 88.933 87.774 86.332 84.663]
K t qu mô ph ng khi x p x đ c tính trên c hai ph ng pháp, m t là dùng
ph ng pháp tuy n tính hóa t ng đo n, hai là dùng m ng MLP: K t qu x p x đ ng
đ c tính khi bi t 7 đi m b ng ph ng pháp x p x tuy n tính và x p x b ng m ng
MLP đ c th hi n trên hình 3.31a. Có th nh n th y, ph ng pháp x p x tuy n tính
ch có kh n ng tái t o đ c tính theo đ ng g p khúc, không hoàn toàn phù h p v i các
18


b n ch t v t lý c a c m bi n. Do v y n u dùng ph ng pháp này, đ t ng đ chính xác,
ta c n có nhi u đi m đo m u chu n ban đ u h n (l n h n 7), mà đi u này khi áp d ng
vào các đi m đo th c nghi m r t khó kh n. Tuy nhiên v i ph ng pháp s d ng m ng
MLP cho phép t o thành đ c tính tr n, đ n tr , bi n thiên đ ng bi n và đi qua chính
xác các đi m đo m u.
Trên hình 3.31b m ng MLP chu n hóa đi n áp đ u ra c a c m bi n (đã đ c chu n
hóa đ u ra Vout=0÷5V).
 Sai s c c đ i: 4.4611(ppm)

Hình 3.31a. X p x đ c tính c a c m bi n
MQ135 đo khí CO

Hình 3.31b. M ng MLP đi u ch nh đi n
áp đ u ra c a c m bi n

Hình 3.31c. c tính c a c m bi n MQ135 sau khi tuy n tính hóa
Trên hình 3.31c là k t qu so sánh gi a ph ng pháp tuy n tính hóa đ c tính c a
c m bi n MQ135 b ng m ng MLP (Vout corrected) và ph ng pháp tuy n tính hóa lý

t ng (Ideal linear).
ng Vout uncorrected là đ ng đ c tính ban đ u c a c m bi n
ch a đ c tuy n tính hóa và chu n hóa.
Sai l ch c a đ c tính t o b i MLP so v i đ c tính tuy n tính lý t ng:
 Sai s trung bình: 1.8278(ppm)
 Sai s c c đ i: 4.4611(ppm)

19


3.4.2. Nh n xét
D a vào các k t qu mô ph ng khi ng d ng m ng MLP đ đi u ch nh đ c tính
Vout=f(ppm) cho m t s lo i c m bi n bán d n, ph n x p x l i đ ng đ c tính có
d ng g n v i d ng đ ng cong lý thuy t c a c m bi n, đi u đó ch ng minh tính kh
thi khi s d ng MLP, m ng có c u trúc đ n gi n đó là m ng n -ron có 1 l p n, và s
n -ron l p n là 1 đ x p x đ ng cong c a c m bi n v i m t s h u h n t 3, 4, 5
…7 đi m cho tr c, t đó tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n d i d ng đ ng th ng
v i sai s đ t đ c nh .
3.6. Ph i h p ba ch c n ng bù nhi t đ , đ m, lo i tr tính đa khí vƠ tuy n tính
hóa đ c tính đ u ra c a c m bi n
 Ti n hành tính toán, mô ph ng m t s tr ng h p v i b s li u h c chung g m
các tr ng h p n ng đ hai thành ph n khí thay đ i: NH3 t 0÷20(ppm) v i b c
thay đ i 2ppm (t ng c ng 11 tr ng h p), H2S nh n các giá tr {0; 1; 1,5; 2,0;
2,5; 3} (6 tr ng h p), đi u ki n nhi t đ và đ m c đ nh v i T=20oC,
RH=65%, t ng h p có 66 m u s li u h c.
 Th nghi m v i các s li u: n ng đ NH3 bi n thiên t 2÷20(ppm) v i b c thay
đ i 0.1ppm (t ng c ng 182 tr ng h p), n ng đ H2S bi n thiên t 1÷3(ppm) v i
b c 0,05ppm (42 tr ng h p), đi u ki n nhi t đ bi n thiên ng u nhiên nh
trong kho ng t T=30÷35oC đ
m bi n thiên ng u nhiên trong kho ng

RH=40÷50(%), v y t ng h p có 7644 m u s li u ki m tra.

Hình 3.41. K t qu
c l ng thành ph n Hình 3.42. Các k t qu
c l ng thành
NH3 khi ch a bù c a ba c m bi n trong ph n NH3 khi đã bù c a ba c m bi n trong
tr ng h p nhi t đ bi n thiên t 30 ÷
tr ng h p nhi t đ bi n thiên t 30 ÷
35oC, đ m t 45 ÷ 50%
35oC, đ m t 45 ÷ 50%
K t qu mô ph ng th hi n trên hình 3.41, trong đó: Tr c hoành th hi n các m u
s li u ki m tra, tr c tung th hi n đ ng Origianal NH3 ppm là n ng đ khí NH3 c a
20


các m u, đ ng Estimated NH3 ppm là n ng đ
c l ng đ c khi không th c hi n
bù sai s c a y u t nh h ng, đ ng Error NH3 ppm là sai s th hi n trên toàn t p
b s li u m u. Ta có th nh n th y, khi ch a bù v i m c bi n thiên c a n ng đ NH3
trong kho ng t 0÷20(ppm) thì sai s
c l ng là khá l n. Trung bình c a sai s là
4,7(ppm), sai s l n nh t là 12,4(ppm).
i v i thành ph n khí H2S, k t qu đ c th
hi n nh trên hình 3.43, c ng có th nh n th y khi ch a bù sai s khá l n, v i giá tr
trung bình c a sai s là 1,0(ppm) và sai s l n nh t là ≈ 3(ppm).

Hình 3.43. Các k t qu
c l ng thành
Hình 3.44. Các k t qu
c l ng thành

ph n H2S khi ch a bù c a ba c m bi n khi ph n H2S khi đã bù c a ba c m bi n khi
T=30÷35oC, RH=45÷ 50%
T=30÷35oC, RH=45÷ 50%
Sau khi ti n hành bù sai s do nhi t đ và đ m, k t qu thu đ c th hi n trên
hình 3.42 và hình 3.44 cho hai thành ph n khí NH3 và H2S t ng ng.
i v i thành
ph n khí NH3 sau khi bù nhi t đ và đ m thì sai s
c l ng đã gi m đáng k , trung
bình c a sai s ch còn 0,3(ppm), sai s l n nh t ch còn 1,6(ppm).
i v i thành ph n
khí H2S, k t qu đ c th hi n nh trên hình 3.44, giá tr trung bình c a sai s là
0,08(ppm) và sai s l n nh t là 0,3(ppm).
3.7. K t lu n ch ng 3
Ch ng 3 đã th c hi n mô ph ng ng d ng nâng cao ch t l ng c a các c m
bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 và CO v i t t c các c u trúc đã đ xu t trong
ch ng 2. Vi c ki m tra các c u trúc đã đ xu t b ng mô ph ng cho phép đánh giá tính
đúng đ n c a c s lý lu n đ t ra, k t qu c th nh sau:
 Bù sai s c a chuy n đ i s c p gây ra b i các y u t nh h ng c a môi
tr ng đo là nhi t đ và đ m v i sai s r t nh ≈ 0.05%, do v y c m bi n
v i gi i pháp ANN bù y u t nh h ng do nhi t đ và đ m môi tr ng gây
ra s có đ chính xác cao h n khi ho t đ ng trong môi tr ng th c t .

21


 Kh c ph c tính ph n ng đa khí c a c m bi n khi s d ng ba ho c b n c m
bi n có kh n ng v a phát hi n v a c l ng chính xác n ng đ khí thành
ph n đ t sai s tuy t đ i dao đ ng t 0.09÷0.2(ppm).
 i u ch nh đ c tính khi có h u h n đi m làm vi c c a c m bi n v i đ chính
xác cao, c m bi n có đ c tính đã đ c chu n hóa và tuy n tính hóa s thu n

l i h n cho ng i s d ng trong quá trình tích h p vào các thi t b đo, các h
h u x lý s đ n gi n và chính xác h n.
 Tính kh thi c a hai ph ng án t ng h p v a bù sai s c a nhi t đ , đ m
v i tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n đ t sai s đo tuy t đ i là 37,6(ppm);
sai s đo t ng đ i là 3,76% khi đo n ng đ CO là 1000(ppm). V a bù nhi t
đ , đ m, lo i tr tính ph n ng đa khí và tuy n tính hóa đ c tính c a c m
bi n đo n ng đ khí NH3 thì trung bình c a sai s đ t đ c ch còn 0,3(ppm),
sai s l n nh t ch còn 1,6(ppm). V i khí H2S thì giá tr trung bình c a sai s
đ t đ c là 0,08(ppm) và sai s l n nh t là 0,3(ppm).
Ch

ng 4. XỂY D NG H TH NG TH C NGHI M NG D NG ANN BÙ
SAI S
NH H
NG C A C M BI N
4.1. t v n đ
Do đi u ki n th c t l y m u n ng đ các ch t khí t i Vi n o l ng Qu c gia và
C c tiêu chu n đo l ng ch t l ng H i Phòng còn h n ch , s l ng các lo i ch t khí
không nhi u và m i lo i khí ch có m t n ng đ duy nh t, vi c pha loãng đ có nhi u
n ng đ khí khác nhau ch a có thi t b đ t tiêu chu n. Do v y mô hình th c nghi m
ch ti n hành đ c v i 1 c m bi n MQ136 đo 1 n ng đ khí H2S cho bài toán bù sai s
c a y u t nh h ng nhi t đ và đ m.
4.2. K t qu tri n khai

Hình 4.2. Thi t b ch t o
Quá trình mô ph ng và th c nghi m cho ng d ng bù nh h ng c a nhi t đ và
đ m có k ch b n nh sau: Dùng khí chu n có n ng đ 10ppm đ th c hi n ng d ng
bù, gi nguyên giá tr n ng đ khí, sau đó thay đ i các giá tr nhi t đ và đ m:
 Tr ng h p 1: t giá tr đ m RH=33%, nhi t đ bi n thiên t (20÷50)oC.
Các giá tr nhi t đ đ c dùng đ kh o sát nh sau: 20, 30, 35 và 50OC.

 Tr ng h p 2: T ng giá tr đ m lên RH=85%, nhi t đ bi n thiên t
(20÷50)oC.
Các k t qu đ t đ c th hi n trên các b ng 4.1÷4.3.
22


B ng 4.1. K t qu mô ph ng và th c nghi m đo n ng đ khí H2S khi ch a bù v i nhi t
đ thay đ i (20÷50)oC và đ m RH= 33%
Nhi t đ
N ng đ
K t qu mô
Sai s
K t qu th c
Sai s
(0C)
H 2S
ph ng
t ng đ i
nghi m
t ng đ i
chu n
khi ch a bù
(%)
khi ch a bù
(%)
(ppm)
(ppm)
(ppm)
20
10

10.02
0.22
10.2
2
30
10
10.2
2
11.34
13.4
35
10
10.45
4.5
11.73
17.3
50
10
11.01
10,1
12.26
22.6
B ng 4.2. K t qu mô ph ng và th c nghi m đo n ng đ khí H2S khi ch a bù v i nhi t
đ thay đ i (20÷50)oC và đ m RH= 85%
Nhi t đ
N ng đ
K t qu mô
Sai s
K t qu th c
Sai s

(0C)
H 2S
ph ng
t ng đ i
nghi m
t ng đ i
chu n
khi ch a bù
(%)
khi ch a bù
(%)
(ppm)
(ppm)
(ppm)
20
10
10.4
4
11.4
14
30
10
12.64
11.02
10.2
16.4
35
50

10

10

11.50
12.01

15
20.1

13.21
14.26

B ng 4.3. K t qu mô ph ng và th c nghi m đo khí H2S khi đã bù
N ng đ
K t qu mô
Sai s
K t qu th c
H 2S
ph ng
t ng đ i
nghi m
t
chu n
khi đã bù
(%)
khi đã bù
(ppm)
(ppm)
(ppm)
20
10

10.001
0.01
10.25
30
10
10.002
0.02
10.251

Nhi t đ
(0C)

32.1
42.6
Sai s
ng đ i
(%)
2.5
2.51

35
10
10.003
0.03
10.253
2.53
50
10
10.005
0.04

10.255
2.55
K t qu khi cho nhi t đ bi n thiên t (20÷50)oC và giá tr đ m t i RH=33% đo
đ c khi ch a ng d ng bù, ta th y sai s này khá l n so v i tín hi u đ t, sai s min ≈
0.22% và max ≈ 10.1%. K t qu đã đ c ANN bù và ch t l ng c a phép đo đ c c i
thi n rõ r t, sai s gi m xu ng còn ≈ 0.01 %.
4.3. K t lu n ch ng 4
Ch ng 4, đã xây d ng thành công mô hình th c nghi m ng d ng ANN nâng
cao ch t l ng c m bi n bán d n MQ136 đo n ng đ khí H 2S.
B s li u có đ c sau khi hu n luy n off line - ANN đ c cài đ t vào b vi x
lý c a mô hình, làm sáng t thêm tính kh thi cho gi i pháp nâng cao ch t l ng cho
c m bi n bán d n đo n ng đ khí ng d ng m ng MLP.

23


K T LU N VÀ H
NG PHÁT TRI N
Lu n án đã đ t đ c nh ng k t qu nh t đ nh trong h ng tìm ki m các gi i pháp
và công c khác nhau đ gi i quy t ng d ng nâng cao ch t l ng c m bi n đo l ng
ch t khí.
1. Nh ng k t qu đ t đ c
Nghiên c u m t s v n đ lý lu n và mô ph ng, ki m nghi m th c t nh m ng
d ng ANN đ nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n đo n ng đ khí H2S, NH3 và CO
trong môi tr ng công nghi p c th là trong các ng d ng sau:
 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN đ bù sai s c a y u t nh
h ng, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào là nhi t đ (so v i ANN 2 đ u
vào nhi t đ và đ m c a các công trình khác), s n -ron l p n th p ch 1 n ron đ x p x chính xác các đ c tính nh h ng c a nhi t đ và đ m t i k t qu
đo, t đó làm c s cho ng d ng bù, ph n bù ch dùng ph ng pháp n i suy
tuy n tính và tính toán, đây là đóng góp m i và khác bi t v i các công trình khác

s d ng ANN.
ng th i sai s đ t đ c r t nh (sai s ≈0.05%÷0.1%) nh h n
37÷59 l n so v i sai s (3.7% và 5.9%) trong công trình [33] cùng đ i t ng và
cùng ph ng pháp.
 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có c u trúc r t đ n gi n ch 44-2, dùng t i thi u là 3 và t i đa là 4 c m bi n có kh n ng phân bi t và c
l ng chính xác đ c n ng đ khí thành ph n NH3 và H2S.
 Xây d ng c u trúc c m bi n ng d ng m ng ANN có th chu n hóa l i sau đó
tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n v i sai s l n nh t ≈0.02%.
 Ngoài ra còn đóng góp xây d ng c u trúc c m bi n tích h p nhi u ch c n ng nh
v a bù sai s nhi t đ và đ m còn v a kh c ph c tính đa khí và v a đi u ch nh
đ c tính c a c m bi n trên cùng m t h th ng.
 Khi áp d ng ANN đ ch t o c m bi n trong th c t , v n đ sai s c a y u t nh
h ng nhi t đ và đ m đ c bù r t hi u qu , sai s khi ch a bù b ng th c
nghi m nh nh t là ≈2% v i tr ng h p đ m 33% và l n nh t là 32.6% ng v i
đ m là 85%, sau khi ng d ng ANN vào bù sai s th c nghi m gi m xu ng còn
≈2.5%.
2. H ng phát tri n ti p theo
Lu n án có th đ c phát tri n ti p theo các h ng sau:
 ng d ng gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n s d ng các lo i m ng n -ron
khác m ng MLP.
 Nghiên c u nâng cao ch t l ng các lo i c m bi n bán d n khác.
 K t qu m i c a lu n án đ t đ c có th phát tri n ti p theo:
- V khoa h c:
hoàn thi n các gi i pháp nâng cao ch t l ng cho c m bi n đo
n ng đ khí lo i bán d n nói riêng và c m bi n khí nói chung trong môi tr ng
công nghi p c n phát tri n thêm các gi i pháp nâng cao khác nh : bù sai s ng u
nhiên, bù sai s h th ng…
- V th c nghi m: Ti n hành th c nghi m v i hai gi i pháp là đi u ch nh đ c tính
và lo i tr tính đa khí c a c m bi n.
24