Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Ngành chăn nuôi truyền thống, đặc biệt là chăn nuôi gà, đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến cả nước và không khí Ô nhiễm này không chỉ tạo ra mùi hôi khó chịu mà còn phát sinh khí độc, gây hại cho sức khỏe gia cầm và con người Nguyên nhân chính là do việc xử lý chất thải kém và thiếu thiết bị đo kiểm soát khí thường xuyên, dẫn đến sự gia tăng nồng độ khí NH3 trong môi trường.
H2S, độc phát tán, gây bệnh đường hô hấp cho vật nuôi đặc biệt là gây nguy hiểm cho con người
Theo QCVN 01 - 99: 2012/BNNPTNT [3] quy định chỉ tiêu thông số kỹ thuật và nồng độ các khí cho môi trường không khí chuồng nuôi như bảng 1
Bảng 1: Yêu cầu vệ sinh môi trường không khí chuồng nuôi
TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn max
6 Độ nhiễm khuẩn không khí Vk/m 3 4x10 3
Dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật quy định trong bảng 1, ta thấy có 2 thông số khí quan trọng đó là khí NH3 và H2S cần kiểm soát
Khi thiết bị đo phát hiện nồng độ khí H2S và NH3 vượt ngưỡng cho phép, các trang trại chăn nuôi cần thực hiện các biện pháp xử lý kịp thời Những biện pháp này bao gồm cơ học, lý và hóa học nhằm khử mùi và loại bỏ các tác nhân gây hại cho sức khỏe con người và gia cầm.
Việc phát triển thiết bị đo, giám sát và cảnh báo nồng độ khí độc hại tại các trang trại nuôi gà là rất cần thiết Điều này không chỉ đáp ứng xu thế phát triển mà còn góp phần bảo vệ môi trường, phục vụ nhu cầu giám sát của các cấp quản lý.
Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Các thiết bị phân tích khí truyền thống như sắc ký khí, thiết bị phân tích phổ linh động ion, phổ khối lượng và phổ hấp thụ hồng ngoại vẫn được sử dụng nhưng gặp nhiều hạn chế như kích thước lớn, cấu tạo phức tạp, chi phí cao và thời gian phân tích dài Để đáp ứng nhu cầu thực tế về thiết bị gọn nhẹ và dễ sử dụng cho ứng dụng ngoài trời hoặc di động, các cảm biến khí hóa học dựa trên vật liệu dạng rắn, cảm biến độ dẫn điện, cảm biến nhiệt xúc tác, cảm biến điện hóa và cảm biến dựa trên hiệu ứng trường của các linh kiện bán dẫn như họ Mq đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị đo khí NH3 đáp ứng các yêu cầu sau:
Thiết bị nhỏ gọn, dễ dàng cầm tay, cho phép hiển thị nồng độ khí trực tiếp trên màn hình LCD Nó còn được trang bị đèn LED cảnh báo và còi báo động, giúp người sử dụng nhận biết tình trạng an toàn một cách nhanh chóng.
- Thiết bị làm việc được trong môi trường công nghiệp, chống nước, bụi và
4 chống nhiễu lớn từ máy biến áp;
- Lưu trữ số liệu, truyền và trao đổi số liệu với bộ nhớ của thiết bị và máy tính;
- Thiết bị có thể chạy nguồn điện lưới hay chạy pin;
- Có khả năng kết nối với máy tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Tổng hợp về phương pháp đo nồng độ khí NH3 dùng Mq135
- Mô phỏng thiết bị đo khí NH3 Ý nghĩa thực tiễn
Chúng tôi đã phát triển thiết bị đo nồng độ khí NH3 sử dụng cảm biến Mq135, đảm bảo hoạt động ổn định và có khả năng hiển thị kết quả trên màn hình LCD cũng như trên máy tính.
Thiết bị này được sử dụng để đo nồng độ khí NH3 trong các trang trại nuôi gà công nghiệp, giúp các chủ trang trại có biện pháp xử lý kịp thời khi nồng độ khí vượt quá ngưỡng cho phép, từ đó bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.
Thiết bị được sử dụng như một mô hình để khảo sát và thu thập dữ liệu nhằm tìm ra phương pháp cải thiện độ chính xác cho thiết bị đo sử dụng cảm biến Mq135.
- Đề tài làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành với các học phần:
Kỹ thuật Sensor, Kỹ thuật đo lường điện, Xử lý số tín hiệu
NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN MQ135 ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3
ĐẶT VẤN ĐỀ
Để hiệu quả trong việc đo lường và giám sát nồng độ khí tại các trang trại nuôi gà công nghiệp, việc bố trí mô hình và các điểm đặt thiết bị đo là rất quan trọng.
THIẾT BỊ ĐO ĐIỂM 1 (SLAVE)
THIẾT BỊ THU THẬP TRUNG TÂM (MASTER)
THIẾT BỊ ĐO ĐIỂM 2 (SLAVE)
THIẾT BỊ ĐO ĐIỂM 3 (SLAVE)
THIẾT BỊ ĐO ĐIỂM 4 (SLAVE)
PC Các phần mềm tích hợp
Để đo nồng độ khí NH3 trong trang trại gà, cần thực hiện tại các vị trí quan trọng như 4 góc và giữa chuồng đối với chuồng hở, cũng như 4 điểm thoát khí và giữa chuồng đối với chuồng kín Việc đo đạc được thực hiện hàng tháng với 3 đợt, mỗi đợt kéo dài 3 ngày liên tiếp, vào các thời điểm 6h, 12h, 18h và 23h Do đó, hệ thống cần tích hợp ít nhất 4 đầu đo để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong việc theo dõi nồng độ khí.
Các tín hiệu từ các điểm đo, được gọi là Slave, được thu thập bởi một Master trung tâm Master này kết nối với máy tính để xử lý dữ liệu qua mạng.
Các cảm biến có chức năng thu thập thông tin đo từ đối tượng và chuyển đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện Sau đó, tín hiệu từ cảm biến được đưa vào quá trình chuẩn hóa tín hiệu (CHTH), nơi các bộ CHTH tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0.
7 đến 5 V), đưa tín hiệu vào bộ vi xử lý trung tâm Bộ ADC tích hợp sẵn trong vi xử lý trung tâm sẽ biến thành các tín hiệu số
Kết quả được đưa hiển thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hay ghi vào bộ nhớ ngoài (SD)
Cảm biến MQ135, sản xuất bởi hãng Hanwei Sensor Đài Loan, có khả năng phát hiện khí NH3 hiệu quả Đây là loại cảm biến khí dựa trên nguyên lý độ dẫn điện, sử dụng vật liệu thiếc oxit (SnO2) với độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Cảm biến này được thiết kế với hình dạng đặc trưng như hình 1.1.
Cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ khí ở nhiệt độ cao Nó bao gồm một ống trụ bằng AL2O3, một vật liệu ô-xít kim loại, được gắn giữa các điện cực Các bộ phận này được nung nóng đến nhiệt độ làm việc thích hợp Điện cực có dạng mặt phẳng với sợi nung ở một bên, và tất cả được gắn cố định vào lớp vỏ làm bằng nhựa và thép không rỉ Sợi đốt cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho cảm biến trong quá trình hoạt động.
Cảm biến MQ135 có 6 chân trong đó có 4 chân là tín hiệu và 2 chân là sợi đốt
Cảm biến khí hoạt động dựa trên nguyên lý giảm điện trở của lớp ô-xít thiếc khi phát hiện khí, tương ứng với nồng độ khí độc như NOx, NH3, và CO Tuy nhiên, cảm biến này chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ và độ ẩm, do đó cần ghi nhận các yếu tố này trong quá trình đo Hình 1.2 minh họa tác động của nhiệt độ và độ ẩm đến cảm biến MQ135.
8 tải RL kΩ, nồng độ khí 100ppm LPG, nhưng ở điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau điện trở của cảm biến cũng nhận giá trị khác nhau
Ro: Điện trở cảm biến ở 100ppm của NH3 trong không khí, 33% RH và nhiệt độ 20 0
Rs: Điện trở cảm biến ở 100ppm của NH3 nhiệt độ và độ ẩm khác nhau
Cảm biến MQ135 chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ và độ ẩm môi trường, với tính chọn lọc thấp và độ nhạy kém Độ nhạy của cảm biến có thể suy giảm mà không được phát hiện nếu không được hiệu chuẩn lại Ngoài ra, cảm biến này có thể hỏng hoàn toàn nếu đo liên tục khí ở nồng độ cao và dễ bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ silicone hoặc halocarbon.
XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN MQ135
Thông số kỹ thuật của MQ135 như sau:
- Điện áp của bộ nung: 5V±0,1AC/DC;
- Điện trở tải: Thay đổi được (2kΩ-47kΩ);
- Điện trở của bộ nung: 33Ω±5%;
- Khoảng phát hiện đến 300 ppm NH 3
Sơ đồ kết nối làm việc của cảm biến được thể hiện trong hình 1.3.[6]
Hình 1.3 Mạch nguyên lý làm việc
Cảm biến yêu cầu hai nguồn điện áp: điện áp bộ nung (VH) và điện áp cung cấp (VC) Nguồn VH cung cấp nhiệt độ làm việc cho cảm biến, trong khi nguồn VC tạo điện áp (Vout) trên điện trở tải (RL) khi kết nối với cảm biến Cả hai nguồn VC và VH có thể sử dụng chung một mạch nguồn để tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến Để đạt hiệu suất tốt nhất, giá trị điện trở tải RL nên được chọn phù hợp, với giá trị lý tưởng là 20kΩ, trong dải từ 10kΩ đến 47kΩ.
Công suất của cảm biến:
(1.1) Điện trở của cảm biến:
Trong mạch điện, điện trở R L kết hợp với điện trở của cảm biến (R AB ) tạo thành mạch phân áp, trong đó điện áp trên R L tỷ lệ thuận với nồng độ khí mà cảm biến phát hiện.
1.2.2 Xây dựng đặc tính đầu ra của cảm biến
Dựa vào đặc tính logarit của cảm biến trên hình 1.4 [6]:
Hình 1.4 Đặc tính logarit của cảm biến
Dựa vào đặc tính logarit của cảm biến mà nhà sản xuất cung cấp ta xây dựng lại được:
(1.4) là công thức diễn tả mối quan hệ hàm số của đại lượng đầu ra so với đại lượng đầu vào của cảm biến Mq135 Vout=f(ppm)
1.2.3 Mô phỏng đặc tính đầu ra của cảm biến Vout=f(ppm) Đặc tính đầu ra Vout=f(ppm) của cảm biến mô phỏng được như hình 1.5:
Hình 1.5 Đặc tính đầu ra Vout = f (ppm) của cảm biến Mq135 Đặc tính có dạng đường cong Nghiên cứu khoa học
MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 TRÊN
SƠ ĐỒ KHỐI THIẾT BỊ ĐO
Trên hình 2.1 đưa ra sơ đồ hệ thống đo nồng độ khí NH3 sử dụng cảm biến MQ135
Trong đó có các khối: cảm biến, BBĐTT-S (bộ biến đổi tương tự - số), bộ chỉ thị số hiển thị kết quả đo
Hình 2.1 Mô hình mô phỏng cảm biến MQ135.
MÔ PHỎNG CÁC KHỐI CHỨC NĂNG
2.2.1 Khối cảm biến đo khí NH 3
Cảm biến khí được chuẩn hóa đầu ra với tín hiệu điện áp Vout từ 0 đến 5 V dựa trên nồng độ khí (ppm), như mô phỏng trong hình 2.2.
Từ phương trình đặc tính 1.4 ta thực hiện xây dựng trên simulink như sau:
Hình 2.2 Mô hình mô phỏng khối cảm biến đo khí NH 3
2.2.2 Bộ biến đổi tương tự - số [5]
“Trên hình 2.3a đưa ra sơ đồ nguyên lý BĐTT-S xây dựng theo nguyên lý biến đổi thời gian một nhịp, kèm theo hình 1.8b là biểu đồ thời gian
Hình 2.3 Bộ biến đổi tương tự -số a) Sơ đồ nguyên lý; b) Biểu đồ thời gian
Trên sơ đồ N0 1 , N02, N03 là các xung có chức năng như sau:
- N01 làm nhiệm vụ khởi động vônmét;
- N02 tác động vào trigơ để khoá (K);
Quá trình hoạt động bắt đầu khi mở máy, sau đó máy phát xung chuẩn được khởi động qua bộ chia tần, tạo ra điện áp răng cưa tại thời điểm t1 Tín hiệu đầu ra từ máy phát điện áp răng cưa sẽ được sử dụng cho các ứng dụng tiếp theo.
Điện áp mẫu URC (Uk) được đưa vào bộ so sánh để so sánh với điện áp cần đo UX Từ đầu ra của máy phát điện áp răng cưa, ta có xung đầu tiên đến trigơ, được đặt ở vị trí thích hợp để thông khoá (K) Việc này cho phép các xung mang tần số chuẩn (f0) đi qua khoá (K) đến bộ đếm và chỉ thị số.
Tại thời điểm t2, khi UX bằng URC, thiết bị so sánh phát xung thứ hai (N 0 2) tác động đến trigơ khoá (K) Thời gian từ t1 đến t2 được ký hiệu là tx, từ đó hình thành mối quan hệ quan trọng.
Với máy phát áp răng cưa, t c.Tr và t RC là hằng số, do đó, điện áp U X t tỷ lệ thuận với số lượng xung n đến bộ đếm trong khoảng thời gian tx.
- Sơ đồ hình 2.3 được mô phỏng trên matlab như hình 2.4
Hình 2.4 Bộ biến đổi tương tự - số
BBDTT-S được tạo bởi các khối: khuếch đại (Gain), tích phân (Integrater), so sánh (SS), tạo xung chuẩn (Clock)
Kết quả mô phỏng trong hình 2.5 minh họa nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi như ở hình 2.3, với ba đồ thị thể hiện sự thay đổi theo thời gian Đồ thị đầu tiên hiển thị đặc tính điện áp răng cưa và điện áp cần đo (tín hiệu đầu ra từ cảm biến đo khí) Đồ thị thứ hai là biểu đồ xung thời gian khi điện áp cần đo cắt điện áp răng cưa Cuối cùng, đồ thị thứ ba thể hiện số xung tỷ lệ với điện áp cần đo trong khoảng thời gian đo Như vậy, số xung mà bộ đếm ghi nhận tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra của cảm biến.
Hình 2.5 Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi tương tự- số
Bộ biến đổi tương tự-số tạo ra số xung tỷ lệ với điện áp đầu ra của cảm biến, trong khi bộ chỉ thị số có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp này thành giá trị nồng độ khí cần đo.
Hình 2.6 Sơ đồ mô phỏng thiết bị đo NH 3 trên Matlab với các nồng độ khí lần lượt là
Với các kết quả đo được hiển thị trên bộ hiện số ta nhận thấy kết quả này có sai số rất nhỏ không đáng kể
2.3 NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG ĐẾN KẾT QUẢ ĐO
Dựa vào hình 1.2, đường đặc tính của cảm biến được nhà sản xuất cung cấp đã được mô phỏng lại trong Matlab, với yếu tố nhiệt độ môi trường được thể hiện rõ trong hình 2.7.
Trong dải nhiệt độ từ -10 đến 50 độ C, tỉ số Rs/Ro có sự suy giảm đáng kể Cụ thể, khi nhiệt độ môi trường giảm so với mức chuẩn 20 độ C, tỉ số Rs/Ro sẽ tăng lên, trong khi nếu nhiệt độ môi trường tăng so với 20 độ C, tỉ số này lại giảm.
Để phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm biến MQ135, chúng tôi đã mô phỏng hệ thống đo với khối nhiệt độ bổ sung vào đầu vào của cảm biến Các giá trị nhiệt độ khác nhau được thể hiện trong các hình 2.8, 2.9, 2.10 và 2.11.
Hình 2.8 Kết quả đo khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường là 5 o C
Hình 2.9 Kết quả đo khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường là 20 o C
Hình 2.10 Kết quả đo khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường là 30 o C
Hình 2.11 Kết quả đo khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường là 35 o C
Và bảng 2.1 cho thấy sai số tuyệt đối của phép đo
Bảng 2.1 Sai số tuyệt đối của phép đo khi nhiệt độ môi trường thay đổi
Nhiệt độ ( o C) Nồng độ chuẩn (ppm) Nồng độ đo được (ppm) Sai số tuyệt đối
Kết quả khảo sát về ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến kết quả đo đã được mô phỏng trên Matlab, và thống kê sai số của kết quả đo được trình bày trong bảng 2.1, là cơ sở quan trọng cho bài toán bù sai số nhiệt độ trong phép đo.
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NH 3 DÙNG MQ135
NHIỆM VỤ CỦA THIẾT BỊ
Thiết bị đo có các khối cơ bản sau:
- Khối chuẩn hóa tín hiệu;
- Bộ nhớ dung lượng cao (thẻ nhớ SD);
- Màn hình hiển thị LCD;
- Khối vi xử lý trung tâm;
- Và khối kết nối mạng từ xa
Vi xử lý trung tâm
Khối chuẩn hóa tín hiệu
Hình 3.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo
Cảm biến thu thập thông tin đo từ đối tượng và chuyển đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện Tín hiệu sau cảm biến được đưa vào quá trình chuẩn hóa tín hiệu (CHTH), nơi các bộ CHTH tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 đến 5 V Tín hiệu chuẩn này sau đó được gửi đến bộ vi xử lý trung tâm, nơi bộ ADC tích hợp sẽ chuyển đổi thành các tín hiệu số.
Kết quả được đưa hiển thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hay ghi vào bộ nhớ ngoài (SD)
CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI
Cảm biến thông dụng là MQ135 Cụ thể, nguyên lý hoạt động và mô tả của các cảm biến này như sau:
MQ135 là loại cảm biến khí có độ nhạy cao với khí NH3 nên được dùng để phát hiện khí NH3 Cảm biến có hình dạng như hình 3
3.2.2 Khối chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu
Tín hiệu từ sensor thường có mức áp rất thấp (khoảng mV), do đó cần sử dụng bộ chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu (CHTH) để khuếch đại tín hiệu lên mức 0 ÷ 5 V trước khi đưa vào khối ADC của vi xử lý trung tâm Sơ đồ nguyên lý của khối chuẩn hóa tín hiệu được trình bày trong hình 1.5.
Mạch sử dụng khuếch đại đo lường AD620 để khuếch đại điện áp từ cảm biến AD620 là IC khuếch đại vi sai chất lượng cao, cho phép điều chỉnh hệ số khuếch đại từ 1 đến 1000 bằng cách thay đổi giá trị điện trở khuếch đại Đặc tính khuếch đại của nó phụ thuộc vào nhiệt độ, với điện áp offset tối đa là 0.6 µV/ºC Điện áp ra từ cảm biến MQ135 cần được khuếch đại lên 10 lần trước khi đưa vào bộ ADC bên trong vi xử lý.
Hình 3.3 Khối chuẩn hóa tín hiệu
Để đảm bảo việc lưu trữ dữ liệu lâu dài, thiết bị đo không chỉ cần có khả năng truyền trực tiếp hiển thị trên LCD và lưu trữ trên PC, mà còn phải được trang bị một bộ nhớ ngoài với dung lượng lớn.
Thiết bị đo này sử dụng thẻ nhớ SD 2GB, cho phép lưu trữ kết quả đo trong thời gian dài, lên đến nhiều tháng Thẻ nhớ được kết nối với vi xử lý thông qua giao thức SPI.
Hình 3.4 Thẻ nhớ dung lượng cao SD (trái) và mạch nguyên lý ghép nối vào vi xử lý
3.2.4 Khối hiển thị kết quả
Phím bấm và LCD cho phép người sử dụng có thể quan sát các thông số ngay tại vị trí
Để đáp ứng nhu cầu hiển thị đơn giản, chúng ta chọn sử dụng màn hình LCD 16x2, bao gồm 2 dòng đơn sắc với khả năng hiển thị 16 ký tự ASCII mỗi dòng.
Hình 3.5 Hình ảnh của màn hình LCD (trái) và mạch nguyên lý ghép nối vào vi xử lý
3.2.5 Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo
Để đáp ứng yêu cầu về tốc độ tính toán, thiết bị được trang bị vi xử lý trung tâm ARM STM32F101 với tốc độ 72MHz Vi xử lý này có thư viện hỗ trợ cho hầu hết các khối chức năng quan trọng như ADC, giao tiếp UART và LCD.
OSC_OUT OSC_IN VCC VCC VCC VCC G N D
VBAT MOSI1 MISO1 SCK1 SCS1 P4_0 IN1 C 6 C 7 C 8 C 9
Hình 3.6 Khối vi xử lý trung tâm
KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THIẾT BỊ
Các thiết kế đã được kiểm tra kỹ lưỡng trên sơ đồ nguyên lý và mạch cứng, sử dụng công nghệ ARM STM32F101 Thiết bị này có kích thước nhỏ gọn, với các thông số 16cm x 9cm x 42cm.
Hình 3.7 Hình ảnh của mạch in
Sau khi thi công và đóng hộp, thiết bị đã được thử nghiệm hoàn chỉnh trên phần mềm mô phỏng Các sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch cứng cũng đã được hoàn thiện Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, chỉ 10,5 x 7,5 x 2 cm.
Hình 3.8 Hình ảnh của thiết bị
Thiết bị chế tạo nhạy với khí tạo ra đã được sử dụng để đo và lấy mẫu số liệu tại Viện Đo lường Việt Nam Tuy nhiên, hiện tại nguồn khí NH3 chuẩn chỉ có một nồng độ duy nhất.
Các thiết bị ngoại vi như màn hình, phím điều khiển và thẻ nhớ hoạt động hiệu quả, trong khi kênh truyền thông đảm bảo kết nối ổn định giữa các thiết bị và máy tính trung tâm.
