Nghiên cứu và phát triển bộ cảm biến đo nồng độ khí hoạt động dựa trên cơ sở tự

Vì điều kiện công việc, trong luận văn em mới chỉ thực hiện được việc tìmhiểu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến khí, một số phương pháp điềukhiển nhiệt độ, đi sâu nghiên cứu,

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ CẢM BIẾN ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ

HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN CƠ SỞ TỰ ĐỐT NÓNG

Chuyên nghành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS HOÀNG SĨ HỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là:Nguyễn Ngọc Nam

Sinh ngày 05 tháng 6 năm 1980

Học viên lớp cao học khoá 2012B – Ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển Trường đại học Bách khoa Hà Nội

-Hiện đang công tác tại Viện kỹ thuật Phòng không-Không quân, Quân chủng Phòngkhông-Không quân

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và phát triển bộ cảm biến đo nồng độ khí hoạt

động dựa trên cơ sở tự đốt nóng” do thầy giáo, TS Hoàng Sĩ Hồng hướng dẫn là

công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đềcương Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịutrách nhiệm với lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 24 tháng 4 năm 2015.

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian

hồi phục cảm biến khí

16

3.2.1 Mô hình động học của đối tượng điều khiển 46

CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID Bộ điều khiển gồm 3 khâu tỉ lệ, tích phân, vi phânVĐK Vi Điều Khiển

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2 Phân loại theo sự thay đổi trong đáp ứng của vật liệu cảm biến 14Bảng 2.1 Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong bộ điều khiển PID 34Bảng 2.2 Phương pháp Ziegler–Nichols ước lượng tham số bộ điều khiển PID 35

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.4 Sự phụ thuộc độ nhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3vào nhiệt độ 17

Hình 1.6 Độ nhạy cảm biến ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO, SnO2với khí CO 19Hình 1.7 Độ nhạy của Pt-SnO2-Fe2O3và SnO2-Fe2O3đối với khí CO 19Hình 1.8 Độ nhạy cảm biến SnO2với khí O3khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi 20

Hình 1.11 Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác 22

Hình 1.13 Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến SnO2-Pd theonhiệt độ

23

Hình 2.7 Phương pháp ZN tính độ trễ và hằng số thời gian của quá trình 33

Hình 2.10 Ánh xạ mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết quả một biến đầu vào 41Hình 2.11 Ánh xạ mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết quả nhiều biến đầu vào 41

Hình 3.3 Ảnh hưởng của các yếu tố tới tham số bộ điều khiển 46

Hình 3.7 Đáp ứng của hệ thống gồm bộ điều khiển PID2(s) với H1(s) và H2(s) 50

LỜI NÓI ĐẦU

Thế giới đang trong thời kỳ phát triển rất nhanh của khoa học, công nghệ đặt ratrách nhiệm to lớn cho mỗi chúng ta, những người làm việc trong lĩnh vực khoa học, kỹthuật, trách nhiệm ứng dụng khoa học, công nghệ thế giới phục vụ công cuộc côngnghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin,công nghệ vật liệu, các thiết bị cảm biến cho phép xây dựng các hệ thống tự động điềukhiển ngày càng thông minh, chính xác, trong đó các thiết bị cảm biến đóng vai tròcung cấp thông tin đầu vào cho hệ thống Đề tài luận văn là một ví dụ nhỏ của việc xâydựng một bộ cảm biến tin cậy

Trong khuôn khổ luận văn em đã kế thừa kết quả Đồ án tốt nghiệp của sinh viênNguyễn Tràng Tiến trong việc nghiên cứu, khảo sát, xây dựng hàm truyền của lò vinhiệt với phôi cảm biến chưa phủ vật liệu cảm biến, mạch điện điều khiển nhiệt độ cho

lò vi nhiệt Vì điều kiện công việc, trong luận văn em mới chỉ thực hiện được việc tìmhiểu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến khí, một số phương pháp điềukhiển nhiệt độ, đi sâu nghiên cứu, hoàn thiện thuật toán điều khiển, ổn định nhiệt độ lò

vi nhiệt bằng bộ điều khiển PID mờ ; tính toán, mô phỏng hoạt động của bộ điều khiểnPID mờ trong matlab, simulink

Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, và đặc biệt dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Hoàng Sĩ Hồng, luận văn đã được hoàn thành.

Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót

Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Nguyễn Ngọc Nam

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN KHÍ

1.1 Một số khái niệm và phân loại

Cảm biến khí là thiết bị dùng để phát hiện có hay không loại khí nào đó và nồng độcủa khí đó là bao nhiêu Như vậy, cảm biến khí gồm hai thành phần là vật liệu tươngtác với môi trường, tạo phản ứng và thiết bị đọc phản ứng, chuyển đổi thành dạng cóthể xử lý và định lượng Trong những năm gần đây, cảm biến khí được sử dụng rấtrộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, an ninh công cộng, trong lĩnh vực bảo

vệ môi trường, phục vụ cuộc sống xã hội,

Khi nói về cảm biến khí là nói đến một số đặc tính của cảm biến như: độ nhạy lànồng độ khí nhỏ nhất cảm biến có thể phát hiện; độ chọn lọc là khả năng cảm biếnphát hiện khí nào đó trong hỗn hợp khí; thời gian đáp ứng là thời gian từ khi nồng độkhí đạt đến mức nào đó cho đến khi cảm biến phát hiện; tính thuận nghịch là khả năngvật liệu cảm biến khôi phục trạng thái cũ;

Các phương

pháp cảm

biến khí

Các phươngpháp dựa trên

sự thayđổi độ dẫnđiện của vậtliệu

Các phươngpháp khác dựatrên nhữngbiến đổi khác

Các phương pháp dùng bán dẫn oxit kim loạiCác phương pháp ứng dụng Polime

Các phương pháp dùng ống nano cacbonCác phương pháp dùng vật liệu hút ẩm

Các phương pháp với thị giácCác phương pháp với thính giác

Các phương pháp dựatrên việc đo sắc phổ khíCác phương pháp dựa

Có rất nhiều loại cảm biến khí được thực hiện theo nhiều nguyên lý khác nhau, nhưthể hiện ở hình 1.1, nhưng có thể chia làm hai loại lớn là cảm biến khí kiểu thay đổi độdẫn điện của vật liệu cảm biến và loại dựa trên những thay đổi các đặc tính khác Cảmbiến khí kiểu thay đổi độ dẫn điện lại được chia thành nhiều loại nhỏ hơn như: cảmbiến trên cơ sở ứng dụng oxit kim loại, cảm biến trên cơ sở ứng dụng polyme, cảm biếntrên cơ sở ứng dụng ống nano carbon,

Một chất ôxi hóa (hay tác nhân ôxi hóa) là một hợp chất hóa học có khả năng chuyểngiao các nguyên tử ôxy hoặc một chất thu các điện tử trong một phản ứng ôxi hóa khử

Ví dụ về quá trình ôxi hóa

Phản ứng tạo ra ôxít sắt (III):

4Fe + 3O2→ 2Fe2O3

Trong phương trình trên, sắt (Fe) có số ôxi hóa ban đầu bằng 0 và bằng 3+ sau phảnứng Đối với ôxy (O) thì số ôxi hóa của nó ban đầu là 0 và giảm xuống 2- Các thay đổinày có thể xem xét như là hai nửa của phản ứng diễn ra đồng thời:

1 Quá trình ôxi hóa: Fe0→ Fe3++ 3e−

2 Quá trình khử: O2+ 4e− → 2 O2−

Sắt (Fe) bị ôxi hóa do số ôxi hóa của nó tăng lên và nó là chất khử do nó cấp các điện

tử cho ôxy (O) Ôxy (O) bị khử do số hóa trị của nó giảm và nó là chất ôxi hóa do nónhận các điện tử từ sắt (Fe)

Chất khử (hay tác nhân khử) là một nguyên tố hóa học hay một hợp chất trong cácphản ứng ôxi hóa khử có khả năng khử một chất khác Để thực hiện điều đó nó trởthành chất bị ôxi hóa, và vì thế nó là chất cho điện tử trong phản ứng ôxi hóa khử Ví

dụ, trong phản ứng dưới đây:

2Mg(rắn) + O2→ 2Mg2+(rắn) + 2O

2-Chất khử trong phản ứng này là magiê Magiê cho hai điện tử hóa trị và trở thành mộtion, điều này cho phép nó cũng như ôxy trở nên bền vững

Phản ứng Ôxy hóa khử bao gồm tất cả các phản ứng hóa học trong đó các nguyên tử

có trạng thái Ôxy hóa thay đổi, phản ứng Ôxy hóa khử thường liên quan đến việcchuyển giao điện tử (electron) giữa các đối tượng hóa học

1.2 Nguyên lý, cấu tạo cảm biến khí

1.2.1 Cảm biến trên cơ sở ứng dụng oxit kim loại

Hình 1.2 Cấu trúc chung của các cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn[7]

Vật liệu cảm biến thông dụng nhất là oxit kim loại vì oxit kim loại bao gồm rất nhiềuloại sở hữu các đặc tính vật lý bao trùm phạm vi rộng từ điện môi, bán dẫn, dẫn, siêudẫn, từ tính và có một số ưu điểm là rẻ và độ nhạy cao Nói chung, oxit kim loại có thểchia làm hai loại là dẫn và không dẫn Loại không dẫn gồm các loại chỉ có một trạngthái oxi hoá, còn loại dẫn có thể hình thành nhiều trạng thái oxi hoá hơn so với loạikhông dẫn, do đó loại oxit kim loại dẫn được ứng dụng nhiều hơn làm vật liệu cảmbiến Cấu trúc chung của các cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn như hình 1.2

Nguyên lý làm việc của cảm biến oxit kim loại dựa trên phản ứng oxi hoá khử giữacác phân tử chất khí và các phân tử oxit trên bề mặt cảm biến Quá trình này bao gồmhai bước: (1) phản ứng oxi hoá khử, trong đó O- trên bề mặt cảm biến phản ứng với

phân tử chất khí tạo ra những thay đổi về điện tích trên bề mặt cảm biến, và đến (2):những thay đổi về điện tích trên bề mặt cảm biến dẫn đến sự thay đổi độ cao hàng ràothế năng lượng làm ảnh hưởng đến sự chuyển động tự do của dòng các phần tử mangđiện tích trên bề mặt vật liệu cảm biến dẫn đến những thay đổi về trở kháng của vậtliệu cảm biến.

Cảm biến khí dựa trên cơ sở oxit bán dẫn được phân loại theo chiều thay đổi độ dẫnkhi có khí có tính khử, là loại n (độ dẫn tăng như ZnO, SnO2) hoặc loại p (độ dẫn giảmnhư Cr2O3, CuO) Kiểu phân loại này liên hệ với kiểu dẫn của oxit bán dẫn được xácđịnh bởi bản chất của phần tử mang điện tích trên bề mặt cảm biến là các điện tử haycác lỗ trống

Đối với loại n, các phần tử mang điện tích chủ yếu là điện tử Khi tiếp xúc với cácchất khí có tính khử thì độ dẫn sẽ tăng, mặt khác các chất khí có tính oxi hoá sẽ làmgiảm các phần tử mang điện dẫn đến làm giảm độ dẫn điện của vật liệu cảm biến.Tương tự, đối với cảm biến loại p với các lỗ trống là thành phần mang điện tích chủyếu, khi tiếp xúc với các khí có tính oxi hoá sẽ có độ dẫn tăng, mặt khác khi tiếp xúcvới các chất khí có tính khử, độ dẫn của vật liệu cảm biến sẽ giảm Bảng sau tổng kếtphản ứng của mỗi loại vật liệu cảm biến đối với tính chất oxi hoá/khử của chất khí.Bảng 1.1 : Phân loại oxit kim loại dựa trên độ dẫn[15]

Loại n ZnO, MgO, CaO, TiO2, WO3, SnO2, In2O3, Al2O3,

Ga2O3, V2O5, Nb2O5, ZrO2

Loại p Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, NiO, PdO, Ag2O,

Bi2O3, Sb2O3, TeO2

Bảng 1.2 : Phân loại theo sự thay đổi trong đáp ứng của vật liệu cảm biến[15]

Phản ứng giữa các phân tử chất khí và các phân tử trên bề mặt chất cảm biến phụthuộc vào số lượng những sự tiếp xúc giữa chúng tức là phụ thuộc vào nồng độ chấtkhí Ngoài ra phản ứng này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, vật liệucảm biến, cấu tạo cảm biến, Phản ứng giữa các phân tử chất khí và các phân tử trên

bề mặt chất cảm biến quyết định độ nhạy của cảm biến, là một đặc tính quan trọng củacảm biến

Những thay đổi về trở kháng có thể được ghi nhận bằng việc đo sự thay đổi điện áp,điện dung, chức năng làm việc,

Loại n hoạt động như sau: oxy trong không khí phản ứng với bề mặt cảm biến và hútcác electron tự do trên bề mặt hoặc ở bề mặt các hạt oxit Điều này làm tăng điện trởcủa vùng bởi vì các hạt mang điện bị giảm Làm tăng rào cản giữa các hạt oxit, giảmtính cơ động của các hạt mang điện Tuy nhiên nếu cảm biến làm việc với các khí H2,

CH4, CO, H2S thì điện trở oxit sẽ giảm bởi vì khí trên phản ứng với oxy giải phóngelectron Điều này làm giảm rào cản điện thế do đó làm tăng độ dẫn điện của oxit.Loại p phản ứng với các khí oxy hoá như O2, NO2, Cl2 bởi vì các khí trên lấy đielectron và tạo các lỗ trống

R(g) + O-(s) → RO(g) + e

Ở đây, e là electron của oxit, R(g) là khí có tính khử, g là gas, s là bề mặt

Hầu hết các cảm biến oxit kim loại làm việc ở nhiệt độ cao vì các phản ứng oxi hoáxảy ra ở nhiệt độ cao Lớp oxit cần được đưa đến nhiệt độ cao để tăng khả năng hút

bám của các phân tử khí với bề mặt oxit Điều này được thực hiện bởi các sợi đốt nónghoặc các đĩa nhỏ Thành phần đốt nóng được ‘in’ vào phía sau của đế để tạo nhiệt độlàm việc mong muốn Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các thành phần cảm biến và các

bộ đốt nóng kích thước nhỏ cỡ μm bằng công nghệ mạch tích hợp và điều khiển nhiệt

độ bằng dãy xung điện áp với khoảng thời gian đốt nóng giảm thiểu Điều này chophép cảm biến làm việc với sự tiêu tốn năng lượng nhỏ nhất

Phương pháp chế tạo màng mỏng và dầy được ứng dụng để chế tạo các cảm biến oxitkim loại Lớp màng oxit kim loại được làm lắng đọng sử dụng kỹ thuật screenprinting-

in lụa, spincoating, RF sputtering, Màng dầy là từ 10 dến 300 μm, màng mỏng từ 6đến 1000nm

Kim loại xúc tác đôi khi được phủ lên trên oxit kim loại để tăng độ nhạy đối với loạikhí nào đó

1.2.2 Cảm biến trên cơ sở ứng dụng polyme

Nói chung, cảm biến oxit kim loại giảm đáng kể độ nhạy với các khí vô cơ nhưamoniac và một số loại hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như alcohol (C2H5OH) vàformaldehyde Một số loại hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác không thể phát hiện đượcbởi các cảm biến trên cơ sở oxit kim loại Từ những hạn chế này của cảm biến oxit kimloại, người ta đã nghiên cứu cảm biến trên cơ sở ứng dụng các polyme Cho dù một sốnghiên cứu cảm biến khí trên cơ sở các polyme đã được ứng dụng phát hiện khí vô cơnhư CO2, NH3, nhưng chúng được ứng dụng rộng rãi để phát hiện các hợp chất hữu cơ

dễ bay hơi hoặc chất dung môi ở trạng thái hơi như alcohols, hợp chất thơm,

Cũng như vật liệu oxit kim loại, khi lớp polyme tiếp xúc với các phân tử chất khí,những đặc tính vật lý của lớp polyme như khối lượng, đặc tính điện môi thay đổi do sựhút bám của các phân tử chất khí Đặc biệt là do có nhiều cơ chế hút bám giữa các phân

tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi với các polyme như tương tác lưỡng cực và liên kếthydro và các quá trình này có thể xảy ra ở nhiệt độ bình thường Dựa trên những thayđổi của tính chất vật lý, polyme cũng được chia làm hai loại là dẫn và không dẫn

Polyme dẫn có độ dẫn điện thay đổi khi tiếp xúc với nhiều loại khí hữu cơ và vô cơkhác nhau Polyme dẫn có thể sử dụng làm cảm biến khí bao gồm polypyrrole (PPy),polyaniline (PAni), polythiophene (PTh) và các dẫn xuất của chúng Thông thường độdẫn của riêng polyme rất nhỏ nên để có thể làm cảm biến khí cần có nhiều công đoạn

xử lý như phản ứng oxi hoá khử, Qua quá trình xử lý, Polyme trở thành dẫn hoặc bándẫn

Cảm biến khí trên cơ sở Polyme có một số khuyết điểm như : thời gian không ổn địnhlâu, tính không thuận nghịch và tính chọn lọc kém Khả năng làm việc có thể bị thayđổi bởi môi trường làm việc

1.2.3 Cảm biến trên cơ sở ứng dụng ống nano Carbon

Những vật liệu cảm biến như oxit kim loại thường gặp vấn đề độ nhạy kém làm việc

ở nhiệt độ phòng trong khi ống nano carbon thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu bởi

sự hứa hẹn trở thành vật liệu cảm biến khí với độ nhạy cao Ống nano carbon có độnhạy cao với lượng rất nhỏ khí như alcohol, ammonia (NH3), carbon dioxide (CO2) andnitrogen oxide (NOx) ở nhiệt độ bình thường Độ nhạy cao cho phép chế tạo các cảmbiến rẻ, nhẹ, dễ cấu hình và có ưu điểm hơn các vật liệu cảm biến với độ hút bám cao,

tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, thời gian đáp ứng nhanh, dẫn đến sự thay đổinhanh các tính chất về điện như điện dung và trở kháng

Ống nano carbon có thời gian đáp ứng và tính chất khác nhau với các loại khí khácnhau Khi dùng làm cảm biến, nó cần được thêm các chất khác để tăng độ nhạy và tínhchọn lọc

1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục cảmbiến khí

Cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn có cấu tạo như hình 1.3 Độ nhạy của cảm biếnđược định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện áp đo được khi cảm biến trong môi trường khícần đo (Vg) và điện áp đo được khi cảm biến ở môi trường ngoài không khí (Va) chia

cho điện áp đo được khi cảm biến được đặt trong môi trường không khí nhân với100%.

%Trong những trường hợp khác nhau thường có yêu cầu độ nhạy của cảm biến khíkhác nhau, ví dụ như trong công nghiệp với yêu cầu không cao, độ nhạy có thể tínhtheo đơn vị phần nghìn ppth (parts per thousand), còn trong phòng thí nghiệm với yêucầu độ chính xác cao, độ nhạy có thể là phần triệu ppm (parts per million) hoặc phần tỷppb (parts per billion) Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến như:1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy

Hình 1.4 Sự phụ thuộc độ nhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3vào nhiệt độ[12]

Lò vi nhiệt

Cảm biến

Giắc kết nối

R0Hình 1.3 Sơ đồ kết nối một cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến khí Hình 1.4 thể hiện độnhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3 đối với mỗi khí CO, H2S, NH3, CH4, C2H5OH cùngnồng độ 800ppm, là một hàm của nhiệt độ Đồ thị cho thấy, cảm biến rất nhạy với COnhưng không nhạy với H2S, NH3, CH4, C2H5OH ở nhiệt độ 850C và ở 2000C, cảm biếnrất nhạy với C2H5OH mà không nhạy với CO, H2S, NH3, CH4 Loại cảm biến này cóthể được dùng để phát hiện C2H5OH ở nhiệt độ 2000C.

Hình 1.5 Đáp ứng của ZnO với 100ppmchlorobenzene and ethanol[1]

Hay trong một khảo sát khác hình 1.5, đáp ứng của cảm biến ZnO đối vớichlorobenzene and ethanoltăng và đạt đến giá trị cực đại ở nhiệt độ nhất định rồi giảmnhanh khi nhiệt độ tăng

Như vậy, sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào nhiệt độ không những được ứngdụng để chọn nhiệt độ làm việc có độ nhạy cao nhất mà còn để tăng tính chọn lọc củacảm biến với loại khí nào đó

1.3.2 Ảnh hưởng của vật liệu đến độ nhạy

Độ nhạy của cảm biến không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của cảm biến màcòn phụ thuộc vào vật liệu làm cảm biến

Hình 1.6 Độ nhạy cảm biến ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO và SnO2với khí CO[1]Hình 1.6 cho thấy độ nhạy của ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO và SnO2 đối với khí COnồng độ 200ppm, sau 20 phút tiếp xúc, là hàm phụ thuộc nhiệt độ Với SnO2, độ nhạycao khi cảm biến ở nhiệt độ khoảng 2600C và giảm khi nhiệt độ tăng lên trên 3000C.Mặt khác, ZnO thể hiện độ nhạy không đáng kể với CO Khi thêm SnO2, hỗn hợp chủyếu ZnO có độ nhạy tăng đáng kể (~7 ở nhiệt độ 3600C) (đường 90ZT- 90mol% ZnO,

10 mol% SnO2) và độ nhạy ~8 ở nhiệt độ 3600C (đường 80ZT) Nhiệt độ cảm biếnnhạy nhất tăng từ 2600C lên 350-3600C Với hỗn hợp có thành phần chính là SnO2

(2mol% ZnO), độ nhạy cao hơn và ở nhiệt độ cao hơn so với chỉ SnO2

Hình 1.7 Độ nhạy của Pt-SnO2-Fe2O3và SnO2-Fe2O3đối với khí CO[12]

Ta thấy rằng, với việc cho thêm vào SnO2-Fe2O3một ít Pt, hỗn hợp mới thu được làPt-SnO2-Fe2O3 đã nhạy hơn với khí CO rất nhiều lần so với SnO2-Fe2O3, như trên hình1.7.

1.3.3 Ảnh hưởng của cấu tạo lớp cảm biến đến độ nhạy cảm biến

Hình 1.8 cho ta thấy rằng, khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi (1) d~40÷50nm, (2)d~80÷90nm, (3) d ~280÷320nm, thì đáp ứng của cảm biến (S = Rgas/Rair) thay đổi và do

đó độ nhạy của cảm biến thay đổi

Hình 1.8 Độ nhạy cảm biến SnO2với khí O3khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi[3]

Ở một nghiên cứu khác về ảnh hưởng của cấu trúc cảm biến với độ nhạy cảm biến,người ta thêm các điểm chất xúc tác trên bề mặt lớp SnO2 với các độ dầy lớp xúc táckhác nhau, như hình 1.9:

Hình 1.9 Quá trình tạo chất xúc tác trên bề mặt chất liệu cảm biến[2]

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác[2]

Hình 1.10 cho thấy độ nhạy của SnO2sau khi thêm các điểm Pd có độ dầy khác nhau

ở nhiệt độ làm việc và tiếp xúc với khí CH4 nồng độ 200ppm Độ nhạy của cảm biến

tăng từ 52% đến 99,2% khi tăng độ dầy của các điểm Pd từ 2nm đến 10nm và độ nhạygiảm khi tiếp tục tăng độ dầy các điểm Pd.

Hình 1.11 Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác[2]

Hình 1.11 thể hiện trở kháng của lớp cảm biến phụ thuộc cả nhiệt độ và độ dầy lớp

Pd thêm vào Trở kháng của các trường hợp giảm tới giá trị nhỏ nhất ở nhiệt độ nhấtđịnh (160 – 2000C) và sau đó tăng dần Từ quan sát trên cho thấy ban đầu từ khi nhiệt

độ còn thấp tăng dần, quá trình hút bám hoá học là không thể đảo ngược, và rồi quátrình đảo ngược khi nhiệt độ cao hơn một nhiệt độ nào đó bởi sự tăng tính oxy hoá ởnhiệt độ cao hơn

1.3.4 Ảnh hưởng của chất xúc tác đến độ nhạy cảm biến

Hình 1.12 thể hiện sự phụ thuộc của trở kháng (Rg) theo nhiệt độ của cảm biến SnO2

với khí CH4 nồng độ 200ppm khi có các chất xúc tác Pd, Pt, Au, Ag, Ni, NiO, Au2O3

và khi không có các chất xúc tác Ta thấy rằng mỗi loại chất xúc tác có ảnh hưởng khácnhau đến độ nhạy của cảm biến SnO2, có loại làm tăng độ nhạy, có loại khác làm giảm

Hình 1.12 Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào loại chất xúc tác[2]1.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ với thời gian đáp ứng, phục hồi

Ngoài độ nhạy của cảm biến khí thì thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của cảmbiến khí cũng là các thông số quan trọng

Hình 1.13 Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến SnO2-Pd theo nhiệt

độ[2]

Hình 1.13 cho thấy sự thay đổi của thời gian đáp ứng và thời gian phục hồi của cảmbiến SnO2-Pd theo sự thay đổi của nhiệt độ Trung bình thời gian đáp ứng của cảm biếnSnO2-Pd thay đổi trong khoảng từ 26 giây đến 87 giây, thời gian hồi phục thay đổitrong khoảng từ 70 giây đến 110 giây.

1.4 Kết luận chương

Nhìn chung có rất nhiều nguyên lý của cảm biến khí như dựa trên độ dẫn điện, dựatrên các đặc tính quang, cơ, nhiệt, và cảm biến khí có nhiều các đặc tính lý, hoá rấtnhạy cảm với các điều kiện môi trường Với loại cảm biến khí dựa trên sự thay đổi độdẫn điện, qua phân tích trong chương này cho thấy, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độnhạy của cảm biến như vật liệu, chất xúc tác, cấu tạo, nhiệt độ, độ ẩm, trong đó nhiệt

độ làm việc không chỉ ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến mà còn ảnh hưởng đến độ lọclựa, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của cảm biến, nên việc thay đổi nhiệt độ làmviệc của cảm biến để có những đặc tính tốt nhất cho mỗi trường hợp cụ thể là một yêucầu cần giải quyết Với việc chọn nhiệt độ làm việc của cảm biến để có các đặc tính tốtnhất thì vấn đề đặt ra là phải luôn giữ ổn định nhiệt độ làm việc của cảm biến Ngoài

ra, bộ điều khiển ổn định nhiệt độ cần đáp ứng yêu cầu đưa nhanh cảm biến về nhiệt độlàm việc mong muốn nếu nhiệt độ làm việc bị thay đổi để thời gian gián đoạn là ít nhất.Với mục đích đó, trên cơ sở kế thừa kết quả xây dựng mô hình hàm truyền của đốitượng lò vi nhiệt và thực hiện phần cứng trong tài liệu [13], các chương sau của luậnvăn đi vào xây dựng, mô phỏng chương trình điều khiển, ổn định nhiệt độ cho lò vinhiệt bằng vi điều khiển với thuật toán điều khiển dạng PID mờ

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Điều khiển học nói chung và điều khiển nhiệt độ nói riêng đã có những bước pháttriển nhanh chóng, mạnh mẽ với các lý thuyết ngày càng tối ưu, hiệu quả và các tài liệucũng rất phổ biến Trong luận văn, để việc trình bày vấn đề có tính hệ thống, em tómlược lại ngắn gọn một số vấn đề cơ bản của một số phương pháp điều khiển

2.1 Điều khiển đóng/ngắt (ON/OFF)

Hình 2.1 Nhiệt độ đầu ra của điều khiển đóng/ngắtPhương pháp này dựa trên việc đo nhiệt độ đầu ra, nếu nhiệt độ thấp hơn mộtngưỡng nào đó thì nối mạch thiết bị cấp nhiệt, nếu nhiệt độ đầu ra đạt ngưỡng nào đóthì ngắt mạch thiết bị cấp nhiệt Là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giáthành rẻ, nhưng với phương pháp này, nhiệt độ đầu ra sẽ dao động quanh nhiệt độ đặtchứ không ổn định, như trên hình 2.1 Phương pháp này thường dùng trong những đốitượng không có yêu cầu cao, cho phép khoảng nhiệt rộng

2.2 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một cơ chế vòng điều khiển phản hồi tổng quát được sử dụngrộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID được sử dụng

phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toánmột giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mongmuốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị tínhiệu điều khiển quá trình.

Trong miền thời gian liên tục thì sơ đồ bộ điều khiển PID như hình 2.2:

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

(2.2)Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là

P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định

tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ

biến đổi sai số Tổng của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua mộtphần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt

Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số

tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâunày tạo thành biến điều khiển (MV) Ta có:

được gọi là hệ số khuếch đại tỉ lệ, như hình 2.3.

Hình 2.3 Ảnh hưởng của thành phần tỉ lệ trong bộ điều khiển PID[14]

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

trong đó

Pout: thành phần tỉ lệ của đầu ra

Kp: hệ số khuếch đại tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: sai số = SP − PV = giá trị đặt – giá trị đầu ra

t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Hệ số khuếch đại tỉ lệ lớn làm cho thay đổi lớn ở đầu ra đối với mỗi giá trị sai số nào

đó Nếu hệ số khuếch đại tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, hệ sốkhuếch đại tỉ lệ nhỏ làm cho đáp ứng đầu ra nhỏ ngay cả khi sai số đầu vào lớn, và làm

cho bộ điều khiển kém nhạy Nếu hệ số khuếch đại tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển

có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

* Độ trượt (Droop, offset)

Điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không cho kết quả xác lập tại giá trị mong muốn của

nó Thành phần tỉ lệ có nghĩa đòi hỏi sai số phải khác không, do đó nói chung điềukhiển tỉ lệ hoạt động với một sai số không đổi gọi là độ trượt

Độ trượt tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại của quá trình và tỉ lệ thuận với hệ sốkhuếch đại tỉ lệ, và là một khiếm khuyết không thể tránh được của điều khiển tỉ lệthuần túy Độ trượt có thể được loại trừ bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộđiều khiển PI hoặc PID)

Bất chấp độ trượt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế trong công nghiệp chỉ ra rằngkhâu tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển và thành phần tỉ lệnên chiếm tỉ lệ lớn của lệnh điều khiển

* Khâu tích phân

Hình 2.4 Ảnh hưởng của thành phần tích phân trong bộ điều khiển PID [14]

Khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn khoảng

thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) được nhân

với hằng số tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Tỉ trọng của khâu

tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi hằng số tích phân, K i

Thành phần tích phân được cho bởi:

trong đó

Iout: thành phần tích phân của đầu ra

Ki: hằng số tích phân, một thông số điều chỉnh

e: sai số = giá trị đặt – giá trị tức thời

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

τ: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tớiđiểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuynhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiếngiá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với cáchướng khác)

* Khâu vi phân

Hình 2.5 Ảnh hưởng của thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID[14]

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc củasai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này vớihằng số vi phân Kd Tỉ trọng của khâu vi phân trên tất cả các hành vi điều khiển đượcgiới hạn bởi hằng số vi phân, Kd.

Thừa số vi phân được cho bởi:

(2.6)trong đó

Dout: thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Hằng số vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP − PV

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này làđáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được

sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường

độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽkhuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thểkhiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và hằng số vi phân đủ lớn

* Tổng hợp

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều

khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của

giải thuật PID là:

(2.7)trong đó các thông số điều chỉnh là:

Hệ số tỉ lệ, Kp

giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, tỉ trọng khâu tỉ lệcàng lớn Một giá trị hệ số tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định.

Hệ số tích phân, Ki

giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lốcàng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phảiđược triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

Hệ số vi phân, Kd

giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và cóthể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu trong phép vi phân sai số

* Điều chỉnh vòng lặp

Điều chỉnh một vòng điều khiển là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó (hệ số

tỉ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân) tới giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu Độ ổn định làmột yêu cầu căn bản, nhưng ngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những hành vi khácnhau, những ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâuthuẫn với nhau Hơn nữa, vài quá trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến cácthông số làm việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ không làm việc khi quá trình khởi động từkhông tải; điều này có thể khắc phục bằng việc sử dụng các thông số khác nhau chonhững khu vực hoạt động khác nhau Các bộ điều khiển PID thường cung cấp các điềukhiển có thể chấp nhận được thậm chí không cần điều chỉnh, nhưng kết quả nói chung

có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và kết quả có thể không chấpnhận được nếu điều chỉnh kém

Điều chỉnh PID là một bài toán khó, ngay cả khi chỉ có 3 thông số và về nguyên tắc

là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trong những hạnchế của điều khiển PID Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vònglặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minh sáng chế; phần nàymiêu tả vài phương pháp thủ công truyền thống để điều chỉnh vòng lặp

* Độ ổn định