Luận án Tiến sĩ Hóa học: Chất lượng cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí H2S, NH3 và CO

Luận án trình bày các loại cảm biến bán dẫn có đặc tính phi tuyến làm việc trong điều kiện bị ảnh hưởng của yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm với hỗn hợp khí đầu vào, từ đó xuất các cấu trúc cảm biến ANN để nâng cao độ chính xác cho phép đo.

1

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 đư 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 xư h i

V v n đ này, trên th gi i và Vi t Nam đư 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

2

3 i t ng nghiên c u vƠ 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

5 ụ ngh a khoa h c vƠ th c ti n c a đ tƠi

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: S d ng ph ng pháp ng d 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

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 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, ANN có c u trúc đ n gi n có m t đ u vào là nhi t

đ , 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 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 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 đó là 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

4

7 K t c u c a lu n án

M đ u: Trình bày các v n đ chung c a lu n án, tóm t t v n i dung

nghiên c u, nh ng đóng góp m i và k t c u c a lu n án

Ch ng 1 T ng quan v các c m bi n bán d n đo n ng đ khí trong

môi tr ng công nghi p

Gi i thi u v c m bi n bán d n, m t s y u t nh h ng đ n ch t l ng phép đo, t ng quan các công trình đư nghiên c u và các ph ng pháp nâng cao ch t l ng c m bi n bán d n, t đó t ng h p l i các v n đ còn t n t i c n

ti p t c nghiên c u cho gi i pháp nâng cao ch t l ng đo n ng đ khí đ c h i trong môi tr ng công nghi p

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 đo n ng đ khí

ây là n i dung nghiên c u chính c a lu n án, lu n án đ xu t c u trúc

c m bi n ng d ng ANN, c th là ANN MLP đ gi m sai s nh h ng, lo i

tr tính ph n ng đa khí và đi u ch nh đ c tính đ nâng cao ch t l ng cho

c m bi n bán d n đo n ng đ ch t khí

Ch ng 3 Mô ph ng các gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n đo

n ng đ khí đ xu t ch ng này tác gi th c hi n mô ph ng trên ph n

Ph n cu i cùng là k t lu n và h ng phát tri n, danh m c các tài li u

tham kh o và các công trình đư công b c a lu n án

5

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

Trong ch ng này s trình bày tiêu chu n ch t l ng m t s ch t khí đ c

h i trong môi tr ng không khí, đ t đó làm c s l a ch n các c m bi n đo

n ng đ khí trong môi tr ng công nghi p Ti p theo là nghiên c u m t s

y u t nh h ng đ n c m bi n, t ng quan các công trình đư nghiên c u và các ph ng pháp nâng cao ch t l ng c m bi n, t ng h p l i các v n đ còn

t n t i c n ti p t c nghiên c u cho gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n đo

n ng đ khí đ c h i 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

Nh chúng ta bi t, con ng i không th s ng đ c n u môi tr ng s ng thi u không khí Tuy nhiên môi tr ng không khí hi n nay đang b ô nhi m

r t n ng n Ô nhi m môi tr ng không khí đang là m t v n đ b c xúc đ i

v i môi tr ng đô th , công nghi p và các làng ngh n c ta trong giai đo n phát tri n hi n nay 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, áp l c làm bi n đ i ch t l ng không khí theo chi u h ng x u càng l n do đó yêu c u b o v môi tr ng không khí càng quan tr ng 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 ba trong các lo i khí đ c h i hàng ngày con ng i chúng ta th ng xuyên ti p xúc

- Khí CO (Cacbomonoxit), là lo i khí không màu, không mùi, không v ,

t o ra do s cháy không hoàn toàn c a nguyên li u ch a Các bon (C) Khi hít

6

ph i CO s đi vào máu khi n cho c th b ng t n ng đ nh có th gây đau đ u chóng m t nh ng n ng đ l n h n có th gây t n h i đ n h th ng tim m ch th m chí gây t vong Khí CO hình thành nh ng n i đ t than thi u ôxy, nh t khói th i c a lò g ch n i mà than cháy không tri t đ , ng khói nhà máy nhi t đi n dùng than đá, các n i n u nh a đ ng, khí x đ ng

c ô tô, xe máy hay b p than

- Khí H2S (hidrosunfua), mang mùi hôi thum th m nh tr ng th i, c c

đ c và d cháy n H2S là khí gây ng t vì chúng t c đo t ôxy r t m nh; khi hít ph i n n nhân có th b ng t, b viêm màng k t do H2S tác đ ng vào m t,

b các b nh v ph i vì h th ng hô h p b kích thích m nh do thi u ôxy, có th gây th g p và ng ng th H2S n ng đ cao có th gây tê li t hô h p và n n nhân b ch t ng t Khí H2S xu t hi n do đ t cháy không hoàn toàn các nhiên

li u (than đá, d u ) ch a nhi u l u hu nh H2S c ng b c lên t bùn ao, đ m thi u ôxy (là nguyên nhân làm cá ch t ng t) hay trong các trang tr i nuôi gia

c m công nghi p

- Khí NH3 (amoniac) là m t ch t khí đ c, có mùi khai, tan nhi u trong

n c Trong môi tr ng t nhiên, amoniac có đ t, do các vi khu n t o ra và quá trình phân h y xác đ ng, th c v t, ch t th i t đ ng v t NH3 còn xu t phát t các ngu n khí và n c th i trong nông nghi p, công nghi p, đ c xem

là ch t gây đ c h i môi tr ng c tính c a ch t này tùy thu c vào n ng đ

và d ng ti p xúc hàm l ng th p, NH3 gây c m giác cay bu t, hàm l ng cao có th khi n mù lòa, mùi có th làm con ng i d ng nghiêm tr ng Ch t này đ c xem là nguyên nhân lâu dài c a b nh viêm cu ng ph i

Xu t phát t nh ng nh h ng x u c a m t s ch t khí đ c h i trên, B

Tài nguyên môi tr ng đư đ a ra nh ng quy chu n n ng đ t i đa cho phép

c a m t s khí này nh trong b ng 1.1

D a vào các thông s trên b ng 1.1 làm c s l a ch n các c m bi n đo

và c nh báo n ng đ khí trong môi tr ng công nghi p

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 khí trong môi tr ng công nghi p Các n ng đ khí c n đo và c nh báo đ c c m

nh n b ng các c m bi n t ng ng, x lý tín hi u đo r i qua các b chuy n

đ i, truy n thông đ l u tr , hi n th , c nh báo Trong h th ng này m t trong

nh ng khâu r t quan tr ng quy t đ nh đ n ch t l ng c a h th ng đó là các

c m bi n đo n ng đ khí b i nó là khâu đ u tiên trong toàn b h th ng, ti p xúc tr c ti p v i môi tr ng đo

C m bi n

C m bi n

X lí tín hi u Chuy n đ i

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

X lí tín hi u Chuy n đ i

Truy n thông tin qua m ng Ethernet công nghi p Khí H 2 S

8

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 linh đ ng ion, thi t b phân tích ph

kh i l ng và thi t b phân tích ph h p th h ng ngo i 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 Vì lý 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 (solid-state chemical gas sensor), 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

C m bi n nhi t xúc tác phù h p cho phát hi n khí cháy n trong vùng

n ng đ cao Trong khi đó c m bi n bán d n phù h p cho phát hi n khí oxy hóa/kh trong vùng n ng đ th p, đ c s d ng nhi u trong các h th ng đo

và phát hi n khí đ c h i trong môi tr ng công nghi p Do v y mà c m bi n bán d n đ c ng d ng r ng rãi trong công nghi p

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 bán d n khi h p th ch t khí trên b m t nhi t đ t

 Lo i màng dày (SnO2) [8, 23]

Lo i c m bi n màng dày trên hình 1.2 th ng đ c c u t o b ng cách nung k t ô-xít thi c lên m t đi n c c b ng g m i n c c này có th là m t

9

m t ph ng v i s i nung m t m t còn l i, ho c d ng ng v i s i nung xuyên qua ng

Hình 1.2 C m bi n bán d n màng d y thi c ô-xít (SnO2)

th i gian r t ng n Khi c m bi n phát hi n có khí, đi n tr c a l p ô-xít thi c

gi m xu ng t l v i n ng đ khí T l thay đ i c a đi n tr không tuy n tính

v i n ng đ khí, do đó nó c n ph i đ c tuy n tính hoá C m bi n lo i này d

10

g n vào gi a các đi n c c Các b ph n này đ c nung nóng nhi t đ làm

vi c thích h p

B m t l p ô-xít kim lo i bình th ng s h p th ô-xy và t o ra m t

tr ng đi n t đ y các electron ra kh i b m t Khi có khí c n đo, khí này s

đ y ô-xy (b ng cách chi m ch ho c ph n ng), t đó gi i phóng các electron

đ d n đi n, nó thay đ i đ d n đi n c a ch t bán d n d n đi n c a ch t bán d n chính là ngu n tín hi u

Do đ c ng d ng r ng rãi trong công nghi p nên c m bi n bán d n luôn đ c nghiên c u và phát tri n nhi u các gi i pháp đ nâng cao ch t

đi m, c th nh sau:

C m bi n làm vi c trong m t môi tr ng c th , nó luôn ch u nh h ng

c a môi tr ng đo Khi nhi t đ và đ m c a môi tr ng đo khác đi u ki n tiêu chu n (To

C=20oC, RH%=65%) thì các k t qu đo thay đ i rõ r t, gây ra sai s cho k t qu đo nh trên hình 1.3

Hình 1.3 c tính s ph thu c c a c m bi n MQ136 vào nhi t đ và đ m [45]

11

Trên hình 1.3 bi u di n đ c tính s ph thu c đ u ra c a c m bi n MQ136 vào nhi t đ và đ m Giá tr t s đi n tr Rs và đi n tr Ro (Rs/Ro)

c a c m bi n b thay đ i khá rõ r t khi nhi t đ thay đ i t -10÷50o

C so v i

đi m 20o

C, t ng ng v i hai đ ng đ c tính th hi n s bi n thiên đ m 33% và 85% Vì v y vi c bù sai s c a y u t nh h ng này là m t nhi m v thi t y u

M t đ c đi m n a là h u h t các lo i c m bi n có kh n ng ph n ng v i nhi u lo i khí áp ng đ u ra c a c m bi n là đáp ng x p ch ng t nhi u

y u t nh h ng Trên hình 1.4a, trong đó tr c hoành là n ng đ (ppm) c a các khí thành ph n, tr c tung là t s Rs/Ro c a c m bi n, nh v y MQ7 ph n

ng v i 3 lo i khí CO, H2, CH4 và trên hình 1.4b MQ136 ph n ng v i khí

CO, H2S, NH4,…, do v y v i m t giá tr đ u ra chúng ta khó có th c l ng chính xác n ng đ c a t ng thành ph n khí trong h n h p Do đó ng d ng phát hi n và c l ng n ng đ c a m t thành ph n khí s ph c t p và khó

kh n khi có h n h p khí trong môi tr ng đo

Hình 1.4 Ph n ng đa khí c a c m bi n: a) MQ7 [46] và b) MQ136 [45] Ngoài ra, ch c n ng c a c m bi n là ánh x m i quan h gi a đ i l ng

v t lý c n đo v i m t đ i l ng đi n đ u ra c a b n thân c m bi n Ánh x

12

này đ c th hi n b ng đ c tính đáp ng M i m t c m bi n đ u đ c ch t o

t th c th v t lý, b ng nh ng v t li u c th , theo nh ng công ngh c th

Do v y, m c dù đ c ch t o theo nh ng nguyên lý gi ng nhau, trong nh ng

đi u ki n gi ng nhau, các chuy n đ i v n không đ ng nh t v tính ch t Theo

th i gian, v t li u bi n đ i d n v ch t, sinh ra quá trình lão hoá khi n s sai khác nêu trên càng t ng h n và ngày càng rõ r t, gây ra s thay đ i c a các

đ c tính H n th n a, đa s đ c tính c a c m bi n là phi tuy n, do v y nhu

c u đi u ch nh đ c tính đ u ra đ thu n ti n h n cho m ch đo th c p là r t

c n thi t

Qua phân tích nh ng đ c đi m chung, u khuy t đi m c a các lo i c m

bi n bán d n đo n ng đ khí th i công nghi p trên, ta th y đ s d ng t t các

lo i c m bi n này thì gi i pháp nâng cao ch t l ng c m bi n là vô cùng quan

tr ng T đó lu n án xác đ nh đ i t ng nghiên c u là các lo i c m bi n bán

d n và t p trung nghiên c u m t s gi i pháp nâng cao ch t l ng nh : Bù sai

s c a các y u t nh h ng, kh c ph c tính ph n ng đa khí và đi u ch nh

đ c tính cho c m bi n

1.2.2 T ng quan các gi i pháp nâng cao ch t l ng

1. Các ph ng pháp bù sai s nhi t đ và đ m c a môi tr ng đo

Theo [17], các c m bi n khí có đ n đ nh không cao, tu i th th ng

th p, trong quá trình làm vi c ch u nh h ng l n c a các đi u ki n môi

tr ng nh nhi t đ , đ m và k c áp su t khí quy n [4] ch ra r ng, m t trong nh ng sai s khó lo i tr nh t trong các c m bi n là sai s gây ra b i các y u t nh h ng c a môi tr ng (hay các y u t không mang thông tin)

ư có nhi u ph ng pháp đ gi i quy t ng d ng này Trong [34] chia các

gi i pháp này thành 04 nhóm chính đó là:

 Hi u ch nh đ nh k , th ng xuyên;

 Các ph ng pháp l c;

13

 Các ph ng pháp thích nghi

 Các mô hình thông minh

Tuy nhiên theo dòng l ch s phát tri n c a các c m bi n thì ph ng pháp

bù sai s này đ c chia thành 2 nhóm: Ph ng pháp x lý truy n th ng và

ph ng pháp hi n đ i

 Ph ng pháp x lý truy n th ng: Nhóm ph ng pháp này đ c phát tri n cùng v i thành t u trong l nh v c công ngh v t li u bán d n, công ngh vi đi n t đ th c hi n ch c n ng bù sai s gây ra b i y u t nh h ng: Công trình [22] nghiên c u nguyên lý làm vi c c a các c m bi n d ng MOX d a trên s h p th hóa h c và s gi i phóng các khí trên b m t c a

c m bi n c tính đ u ra c a c m bi n là đi n tr R sph thu c vào n ng đ

s suy gi m đi n tr c a c m bi n do nhi t đ môi tr ng xung quanh vì nhi t

đ môi tr ng đư nh h ng m nh đ n đ c tính nh y c m do thay đ i t l

ph n ng hóa h c Ngoài ra, đ m làm gi m giá tr t ng tr t ng đ ng c a

c m bi n áp ng c a c m bi n d ng MOX ph thu c m nh vào các thông

s nhi t đ và đ m do h i n c h p th trên b m t c a c m bi n Do v y trong m ch s d ng m t đi n tr bù nhi t có m c đ bi n thiên ph thu c vào nhi t đ c ng t ng đ ng v i nhi t đ 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

Trong [24] đư nghiên c u các ph ng pháp l c Có hai nhóm ph ng pháp l c chính: đó là nhóm các ph ng pháp x lý đ ng c b n và nhóm các

ph ng pháp x lý theo t n s Nhóm các ph ng pháp x lý theo đ ng c

b n s d ng tín hi u đo t i th i đi m ban đ uy (0)(ho c t i th i đi m ch a có

14

thành ph n khí c n đo xu t hi n) đ hi u ch nh l i đ u ra c a c m bi n y t ( ) Nhóm này có 3 ph ng pháp hi u ch nh nh sau:

new

y t y y

y



 (1.4) Các ph ng pháp l c theo t n s , l c wavelet đ c trình bày trong trong [28, 43] Ph ng pháp l c wavelet đ c đánh giá cao h n các ph ng pháp

l c t nh (các b l c thông th p, thông cao hay ch n d i, ) do phân tích wavelet không nh ng cho phép ch n các t n s c n l c, mà còn cho phép

ch n c a s th i gian c n l c i u này phù h p v i tr ng thái làm vi c theo xung c a các c m bi n khi có lu ng khí th i qua b m t

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

0 or

s

c r

R ppm

R

   

  (1.6)

15

Trong [31], tác gi đư kh o sát vi c s d ng 4 hàm tuy n tính và phi tuy n c a c m bi n cùng nhi t đ đ hi u ch nh l i ch s c a đ c tính Các hàm đ c s d ng trong đó là:

đ c tri n khai song song g n nh tuy t đ i

M ng n -ron đư đ c nhi u tác gi đ xu t trong các công trình v c

l ng, nh n d ng, d báo, S d ng trong x lý tín hi u t các c m bi n nói chung và c m bi n đo khí nói riêng, có th k t i các công trình [18] dùng

m ng SOM đ kh c ph c hi n t ng trôi d t đ ng c s , [38] dùng m ng ART v i m c đích t ng t

16

Trong [33], m t m ng n -ron MLP 3 đ u vào đư đ c dùng đ bù sai s nhi t đ và đ m cho hai c m bi n TGS813 và TGS2611 Sai s đ t đ c dao đ ng trong kho ng t 3,7% đ n 5,9% t ng ng cho hai c m bi n đư l a

ch n

c tính chuy n đ i đ pH thành tín hi u đi n th c a đi n c c b nh

h ng b i nhi t đ bù sai s này [9] dùng m ng ANN có c u trúc 2-25-1,

nh ng không xét t i y u t nh h ng c a đ m

Các h s hi u ch nh còn đ c tìm ki m b ng các thu t toán t i u hóa, các thu t toán ti n hóa [16]

d ng thi t b , m ch tích h p, hãng Maxim Integrated [24] đ xu t s

d ng mô hình thêm 2 m ch DAC ho c 4 m ch DAC vào c u trúc ph n c ng

c a Ogam Technology và c m bi n SHT2230 c a Sensirion in Switzerland,

đ phát hi n l n l t t ng thành ph n khí CO, C6H6, C7H8, NH3 và NO2 Các tác gi s d ng 3 m ng MLP ho t đ ng song song v i cùng c u trúc 6 đ u vào ( ng v i 6 c m bi n), 10 n -ron n và 1 đ u ra ( ng v i n ng đ khí đang xét) K t qu đ t đ c có đ t ng quan cao 98,87 – 99% so v i giá tr g c Tuy nhiên các tác gi ch th nghi m cho t ng khí đ u vào mà không ph i th nghi m tr ng h p cho h n h p nhi u thành ph n khí cùng m t lúc

Trong [39] đ kh c ph c tính đa khí cho các c m bi n c a City Technology, m t h 5 c m bi n đư đ c s d ng song song đ t o tín hi u đo

xu t hi n c a thành ph n khí O3, LPG/LNG, NOx, alcohol, smoke, VOC,

CO, and NH3 trong h n h p Gi i pháp ch phát hi n có hay không có thành

mô hình ANN đ so sánh K t qu cho th y trong đa s các tr ng h p, c m

bi n TGS822 có đ nh y cao nh t (tr tr ng h p khí metan nhi t đ th p thì các c m bi n TGS813, MQ-7, TGS2600 có đ nh y cao h n) đây, tác

gi không dùng ma tr n c m bi n mà dùng đ c l p t ng cái đ so sánh đ

nh y và đ chính xác c a các c m bi n

Trong [14], m ng n -ron MLP đ c s d ng đ làm kh i nh n d ng mà không c l ng thành ph n khí trong h n h p có th ch a t 1 đ n 3 thành

ph n H2, CH4, C4H10 đây m ng c m bi n g m 3 c m bi n 813,

TGS-842 và TGS-2610, còn m ng MLP có c u trúc 3-11-3, đ c hu n luy n trên

c s k t qu đo c a 320 h n h p v i các thành ph n n ng đ khí khác nhau, dao đ ng trong kho ng t 500 đ n 1000ppm Mô hình s d ng thêm c m bi n nhi t đ và đ m đ bù ch s c a c m bi n tr c khi đ a vào kh i nh n

d ng, tuy nhiên v n th y c u trúc ANN có 3 đ u vào K t qu th nghi m cho

th y có th phát hi n chính xác đ c 98,7% các tr ng h p

18

Trong [13] s d ng ma tr n 3 c m bi n TGS8xx (đó là TGS813, TGS821 và TGS823) c a Figaro cho ng d ng nh n d ng các thành ph n khí Các c m bi n đ c xây d ng các mô hình bù sai s do nhi t đ và đ m m t cách đ c l p Tuy nhiên các tác gi s d ng các c u trúc khá l n đ bù sai s ,

ví d nh m ng 2 l p n v i 3 đ u vào (ch s c a c m bi n, nhi t đ , đ m),

9 n -ron n l p 1, 8 n -ron n l p 2 và 1 n -ron đ u ra đ c s d ng cho c m

bi n TGS822

Trong [37] trình bày v kh n ng ng d ng ANN trong phân lo i các

h n h p khí t ng h p t 3 khí ethanol, methanol và heptane (phân lo i các

h n h p ch a t 1 đ n 2 thành ph n, t ng c ng có 6 tr ng h p) M ng MLP

đ c s d ng có 33 đ u vào (g m 17 giá tr đo liên ti p t 1 c m bi n và 16

hi u s gi a hai giá tr đo liên ti p), t 5 đ n 10 n -ron n và 6 n -ron đ u ra

V i 1900 m u s li u, m ng có th nh n d ng chính xác 1814 m u, đ t 96% đây ch dùng 1 c m bi n nh ng đo 17 th i đi m liên ti p (trong quá trình quá đ đ xác đ nh đ ng cong bi n thiên c a đi n áp đ u ra, t đó suy ra

đ c các thành ph n khí trong h n h p đo)

Trong [35] s d ng ma tr n 9 c m bi n đ xác đ nh các thành ph n 3 khí cháy n methane, propane, and butane M ng có 9 đ u vào ( ng v i s đo t

9 c m bi n), 8 n -ron n và 9 đ u ra ( ng v i 9 tr ng h p n ng đ khác nhau c a 3 lo i khí) đ c s d ng đ tính toán và mô ph ng K t qu hu n luy n đ t đ c đ chính xác v nh n d ng 100%

M t công c khác là các h suy lu n lô-gic m đư đ c đ xu t s d ng Các tác gi trong [29] đư áp d ng lý thuy t này đ phân lo i nh ng không c

l ng m t trong ba thành ph n khí là CO, SO2 và NH3 trên c s h th ng đo

g m 3 c m bi n MQ131, MQ136 c a Hanwei và TGS2602 c a Figaro Các tác gi đư ch ng t r ng m t h suy lu n đ n gi n g m 4 lu t suy lu n là đ

đi n áp trên c m bi n, x2 đi n tr c a t i và x3 nhi t đ Các k t qu tính toán cho th y c m bi n TGS-822, m ng MLP v i c u trúc g m 2 đ u vào, 5

n -ron n và 1 đ u ra đ t đ c sai s 0,66% và c m bi n TGS-2600 sai s 0,16% Tác gi c ng b c đ u áp d ng m ng lô-gic m Mamdani đ xây

d ng hàm suy lu n Tuy nhiên do s d ng 5 phân đo n cho m i bi n đ u vào nên t ng c ng h th ng có 5x5x5=125 lu t, do v y d n t i hi n t ng h c quá

kh p khi n cho sai s ki m tra l n

Ngoài ra, trong [36] đư ch ra r ng m ng n -ron còn đ c s d ng đ

c l ng nhanh giá tr đo h i t c a c m bi n trong tr ng h p c n t ng t c

đ đáp ng c a h th ng đo M ng đ c s d ng có 2 đ u vào là 2 giá tr liên

ti p c a đi n áp đ u ra c a c m bi n u(n-1) và u(n) (l y m u v i chu k 20s),

4 n -ron n và 1 n -ron đ u ra Sai s trung bình thu đ c nh h n 5% Tuy nhiên tác gi đư không xét đ n quá trình quá đ đó là tr ng h p khi ch s đo

ch a n đ nh do các c m bi n khí có t c đ ph n ng ch m, n ng đ đ u vào thay đ i thì ph i m t th i gian sau ch s c a c m bi n m i n đ nh, có nh ng

tr ng h p ph i 5 phút m i n đ nh

Trong [15], m ng n -ron lai g m m t m ng Kohonen ghép n i v i m t

m ng MLP đ u ra đư đ c s d ng đ x lý tín hi u t m t ma tr n 5 c m

bi n g m 3 c m bi n d ng MOX c a Figaro là TGS-815, TGS-822, TGS-842

và 2 c m bi n d ng đi n hóa c a Nemoto (là NAP-11A và NAP-11AE) Các

m u h n h p khí đ c đo đi u ki n tiêu chu n To

=23oC, đ m RH  70%

20

và có th ch a t 1 đ n 4 thành ph n khí là CO, CH4, methanol và propan/butan v i n ng đ t 50 đ n 1000(ppm) Sai s c l ng trung bình

đ t 14,3(ppm)

Ngoài gi i pháp ng d ng ANN, trong [40] đ xu t s d ng phân tích PCA đ x lý tín hi u t m t ma tr n c m bi n, do xu t phát t quan đi m khi

có nhi u c m bi n đo cùng m t h n h p khí thì khi có m t thành ph n khí

bi n thiên s t o ra các bi n thiên đ ng b t ng ng trong các c m bi n Trong [12], phân tích PCA dùng 6 c m bi n và m t c m bi n đ m đ phát

3. i u ch nh đ c tính c a các c m bi n

đi u ch nh đ c tính đ u ra c a c m bi n, thông th ng:

 Tr c tiên x p x l i đ c tính c m bi n khi có h u h n đi m làm vi c

d a trên đ c tính lý t ng ho c l y m u t th c nghi m (qua ngu n khí chu n ho c thi t b đo có đ chính xác cao)

 Sau đó tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n:

Tuy n tính hóa đ c tính c a c m bi n có nh ng ph ng pháp sau:

- Tuy n tính hóa t ng đo n [4]: trong đó, t m t s đi m m u chu n

21

ph i càng l n mà đi u đó không ph i lúc nào c ng đáp ng đ c Không

nh ng v y nh c đi m c a ph ng pháp này còn là v n đ th i gian đ x lý tín hi u và sai s c a ph ng pháp là t ng đ i l n

Hình 1.5 Tuy n tính hóa t ng đo n d a trên m t s đi m m u

- Ph ng pháp tuy n tính hóa đ c tính trên toàn d i đo c a c m bi n [9]:

m t d ng đ c tính đ ng cong b c hai, sau đó dùng ANN đ tuy n tính hóa sang d ng đ ng th ng Trong [42], mô hình RF đư đ c s d ng đ đi u

ch nh đ c tính c a c m bi n

22

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 đư 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 ng d ng 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 khác có c u trúc ph c t p, ho c ph i k t h p hai lo i m ng [15]

23

1.3.2 Tình hình nghiên c u trong n c

Công trình [9] đư ng d ng ANN MLP đ thông minh hóa c m bi n đo

l ng, c th 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] đư nghiên c u m t s ng d ng 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 bù sai s do y u t nh h ng c a nhi t đ mà ch a xét t i nh

h ng c a đ m C u trúc ANN ph c t p: 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, 25

n -ron l p n Ngoài ra, ng d ng 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 ng d ng 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 đư 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, m ng lai,

m ng MLP 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 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 đ u ra cho c m bi n Ngoài ra hi n th c hóa ANN đư 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 đư có và đ c gi i thi u trong [26, 27] V n đ đ t ra c n

24

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

25

ng đa khí c a c m bi n, 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

26

CH NG 2 NG D NG M NG N -RON NHÂN T O NÂNG CAO

có th th c hi n vi c ng d ng ANN vào ng d ng nâng cao ch t

l ng c m bi n đư đ xu t ch ng 1 Trong ch ng này, lu n án s t p trung nghiên c u v nh ng đi m m nh c a ANN, c th là m ng MLP, đi sâu tìm hi u v ng d ng c a ANN trong các c m bi n đo l ng đ đ xu t c u trúc c m bi n ng d ng m ng MLP đ nâng cao ch t l ng cho c m bi n đo

n ng đ khí

2.1 C s lỦ thuy t c a ANN MLP

2.1.1 Nh ng đi m m nh c a ANN

M ng n -ron đ c ng d ng và phát tri n t kh n ng hu n luy n đ c

đ tính toán c a nó Tr c h t nó là m t c u trúc phân tán song song đ có th

có đ c kh n ng h c và khái quát hoá S khái quát hoá giúp cho m ng n ron đ a ra đ c nh ng thông tin t ng h p đ chính xác, m c dù thông tin vào

-ch a t ng g p trong quá trình hu n luy n Hai kh n ng x lý này c a ANN giúp cho chúng có th gi i quy t nh ng v n đ ph c t p có quy mô l n mà k thu t tính toán truy n th ng v n đang g p khó kh n trong gi i quy t hi n nay Tuy nhiên, m ng n -ron không th t mình đ a ra gi i pháp, đúng h n là chúng c n đ c tích h p vào trong h th ng k thu t Nh ng nhi m v ph c

t p đ c tách thành nh ng nhi m v đ n gi n, và m ng n -ron đư đ c gán

m t t p con các nhi m v (ánh x , nh n d ng, ghi nh liên k t, đi u khi n)

M ng n -ron có nh ng thu c tính và kh n ng h u ích sau:

 X lý phi tuy n: M t ph n t n -ron đ c xem nh m t thi t b phi tuy n M ng n -ron đ c t o b i chính nh ng n -ron đó, b i v y nó

c ng phi tuy n H n n a, s phi tuy n là m t kh n ng đ c bi t, trong

đó nó phân tán kh p m ng M ng có kh n ng tính toán, x lý v i

nh ng m i quan h phi tuy n i u này là quan tr ng vì r t nhi u

27

quan h gi a các đ i l ng g p trong các ng d ng k thu t là phi tuy n

 Ánh x vào/ra (input-output mapping): Mô hình lu t h c ph bi n c a

m ng n -ron là h c có h ng d n (supervised leanrning) Ban đ u

m ng ch g m m t s h u h n các ph n t x lý (hay n -ron đ n v )

k t n i v i nhau thành m t c u trúc nh t đ nh, các n -ron ch a có thông s Sau khi đ c hu n luy n, m i n -ron đ u có thông s c a mình ó là giá tr c a các tr ng s đ u vào w, l ng bù b hay còn

đ c g i là l ng hi u ch nh và hàm truy n c a n -ron T p h p t t c các thông s c a toàn b n -ron trong m ng đ c g i là b thông s

c u trúc c a m ng Tr c khi luy n m ng s n -ron trong m ng, c u trúc m ng đ c hi u là m t t p h p các n -ron đ n l đ c đ u n i thành m t lo i m ng nào đó theo m t cách th c xác đ nh b i các nhà thi t k b c đ u tiên c a quá trình hu n luy n m ng, ch ng trình

hu n luy n đ a ra s l a ch n t t p h p ng u nhiên các giá tr c a các thông s c u trúc V i b thông s này, m ng th c hi n vi c tính toán c a mình đ k t xu t nh ng s li u đ u ra Ch ng trình luy n

ch c n ng h c b sung đ đi u ch nh l i đáp ng đ u ra khi môi

tr ng xung quanh thay đ i M ng n -ron c ng có th d dàng hu n

28

luy n l i toàn b đ gi i quy t nh ng thay đ i l n trong môi tr ng

v n hành ho c đ s d ng trong các môi tr ng m i H n n a, khi

v n hành trong môi tr ng đ ng m ng n -ron có th h c b sung đ thay đ i đáp ng đ u ra trong th i gian th c C u trúc t nhiên c a

m ng n -ron ph c v cho phân lo i m u, x lí tín hi u và đi u khi n

ng d ng i đôi v i nh ng ch c n ng y là kh n ng thích ng v i môi tr ng t o nên công c lý t ng cho vi c phân lo i mô hình thích

h p, tín hi u x lí thích h p, và đi u khi n thích h p Gi s r ng h

th ng c a chúng ta v n hành trong môi tr ng đ ng do đó ph i thi t

k sao cho có s thích nghi cao h n Tuy nhiên s thích ng không

ph i lúc nào c ng mang l i hi u qu cao Ví d nh m t h th ng có

h ng s th i gian thích nghi nh nên r t nh y v i thay đ i c a môi

tr ng, nó s ph n ng v i c nh ng cái nhi u c a môi tr ng nên

m ng

 Thông tin ng c nh (fault tolerance): Ki n th c đ c đ i di n b i chính c u trúc và tr ng thái kích ho t c a m ng n -ron T t c n -ron

29

trong m ng đ u b nh h ng b i s ho t đ ng c a n -ron khác Do

đó thông tin ng c nh là có quan h t nhiên v i m ng n -ron

 S ch nh l i: M t m ng n -ron đ c xây d ng trong ph n c ng có

kh n ng ch nh l i l n Theo ngh a này, s th c hi n c a nó làm gi m

s ph c t p d i nh ng đi u ki n ho t đ ng đ i l p Ch ng h n, n u

m t n -ron ho c liên k t c a nó b h ng; nó s g i l i trong b d tr thay th Tuy nhiên, do thông tin phân tán trong m ng, t n th t thông tin là khá l n tr c khi ph n h i l i toàn b Nh v y, theo nguyên t c

m t m ng n -ron s gi m hi u su t ho t đ ng ch không ph i b m t mát thông tin hoàn toàn

 Tính kh thi trên các m ch VLSI: Tính song song l n c a m ng n ron t o cho b n thân nó ti m n ng tính toán m nh Nét đ c tr ng này

-t o cho m ng n -ron phù h p kh n ng th c hi n VLSI u đi m đ c

bi t c a VLSI là cung c p nh ng hành vi ph c t p Nó có th s d ng

m ng n -ron nh công c cho nh ng ng d ng trong h th i gian th c

nh nh n d ng, x lí tín hi u, và đi u khi n

 Tính t ng t v i n -ron sinh h c: Thi t k m ng và thi t k tính toán

n -ron nhân t o đ c thúc đ y b i ý t ng mô ph ng ho t đ ng c a

h th n kinh sinh h c là b nưo ó là b ng ch ng đ kh ng đ nh r ng,

t ng t nh h n -ron sinh h c, x lí song song, kh n ng ch nh l i

c a ANN không ch là kh n ng t nhiên mà còn có th khai thác chúng khía c nh s c m nh và t c đ cao Các nhà sinh v t h c coi

m ng n -ron nhân t o nh công c làm sáng t s k l c a n -ron sinh h c Ch ng h n, nh ng m ng th n kinh đ c s d ng đ cung

c p ki n th c v nh ng vi m ch ho t đ ng trong h th ng làm m t v n

đ ng, và cách chúng x lí tín hi u M t khác các nhà nghiên c u phân tích ho t đ ng c a n -ron sinh h c đ b t ch c gi i quy t nh ng v n

30

đ ph c t p c a k thu t S mô ph ng n -ron sinh h c c ng h u ích trong l nh v c khác Nó c ng giúp ta hi u c u trúc v t lý c a n -ron sinh h c

Tuy m i đ c nghiên c u và phát tri n có k t qu trong kho ng h n 25

n m tr l i đây, nh ng ANN đư có r t nhi u ng d ng và mi n ng d ng

 Trí tu nhân t o, xây d ng các h chuyên gia

Nh ng l nh v c ng d ng ANN nêu ph n trên đ c phân ra m t cách

t ng đ i B n ch t c a các ng d ng c n m l nh v c đ u có c s là nh n

d ng m u

X lý nh là m t quá trình ph c t p nh ng b n ch t c a quá trình này là ANN so sánh nh đang xét v i các m u đư bi t tr c đ tái t o l i nh g c sau khi b sai l ch vì m t nguyên nhân nào đó

X lý tín hi u, phân tích tín hi u đ a ch n đ d báo khí t ng c ng d a trên nguyên lý nh n d ng m u B i l c s c a quá trình phân tích c ng là ANN so sánh cái thu nh n đ c v i nh ng cái đư đ c h c t tr c

Xây d ng các h chuyên gia trong nhi u l nh v c khác nhau c ng gi ng

nh xây d ng h chuyên gia trong ch n đoán và ch a b nh Mà b n ch t c a

ho t đ ng chuyên gia trong khám b nh c ng là quá trình nh n d ng b nh đang khám so v i các b nh đư đ c xác đ nh theo các bi u hi n c a tri u ch ng lâm sàng trong quá kh

31

Nh ng m u nêu trong nh ng quá trình trên đ u g n v i k t qu đo

l ng Tuy nhiên trên không đ c p đo l ng b ng ph ng ti n nào Thông

th ng có th hi u r ng đó là k t qu đo l ng b ng nh ng ph ng pháp truy n th ng b i các thi t b đo truy n th ng ANN ch đ c s d ng cho quá trình phân tích và x lý s li u sau khi đo

M t ng d ng có quy mô nh h n ng d ng c a h chuyên gia là ng

d ng c a k thu t đo l ng N u phân tích ch c n ng c a thi t b đo, hay h p

h n là c m bi n đo l ng, thì th y rõ ch c n ng c a chúng là l p l i theo

m u Ch “m u” đây có hai ngh a

Trong lý thuy t ANN, m u đ c hi u là m t t p h p s li u t ng ng

v i m t ph n ng “kích thích - đáp ng”, “vào - ra” dùng đ luy n m ng

i v i ng d ng đo l ng, t p m u luôn đ c đ m b o theo hai

ph ng di n, s l ng và ch t l ng ó là s l ng m u có đ đ xây d ng các t p m u luy n m ng và đ chính xác đ m b o m c c n thi t

N u dùng ANN trong đo l ng, s m u đ luy n m ng bao gi c ng

đ m b o, vì nói chung m i thi t b đo đ u có chu n cao h n Do đó, vi c ti n hành đo theo ph ng pháp chu n đ l y thêm m u thì v m t nguyên t c là hoàn toàn không b gi i h n

2.1.2 M ng n -ron MLP

V i các ph n t n -ron c b n, ta có th xây d ng mô hình c u trúc

m ng bao g m nhi u n -ron V m t lý thuy t ta có th xây d ng m t m ng

v i cách ghép n i tu ý t o nên nhi u lo i ANN [3, 10] m i lo i m ng l i có

nh ng u, nh c đi m nh t đ nh và l nh v c ng d ng riêng c a nó, tuy nhiên trong lu n án này v i ng d ng đ t ra c n gi i quy t thì m ng MLP là lo i

m ng thích h p nh t, b i:

32

 Nó có th ánh x nh ng đ ng cong có d ng nh đ c tính vào - ra khác nhau c a c m bi n MLP có th đào t o đ c, nên có th hu n luy n MLP đ nó ánh x đ c tính theo ý mu n

 V i b m u cho tr c ta có th xây d ng MLP, trên c s đó có th

th c hi n ch c n ng nâng cao ch t l ng c m bi n đo l ng theo ngh a t o ra nh ng đ c tính mong mu n c a c m bi n, t đ ng bù giá

tr v i các bi n đ i c a môi tr ng làm nh h ng đ n phép đo đ lo i

tr các sai s , đ m b o đ chính xác c a phép đo, lo i tr nh c đi m tính ch n l c kém c a c m bi n

 Vi c ng d ng tính toán MLP t o ra kh n ng th c hi n quá trình x

lý s li u trong quá trình thi t k m ng, do đó khi ho t đ ng MLP c n

r t ít th i gian đ x lý s li u, trong khi các h tính toán theo ki u truy n th ng thì quá trình x lý s li u l i di n ra trong ti n trình th c

hi n phép đo theo ch ng trình đư xây d ng Ch ng trình tính toán

và x lý s li u bao g m t p h p nhi u dãy l nh, đ th c hi n ch ng trình c n th i gian đ th c hi n tu n t t ng l nh trong nh ng dãy

l nh đó cho t i khi k t thúc ch ng trình

 Quá trình luy n m ng, xét v m t ch c n ng g n nh t ng đ ng v i quá trình l p và cài đ t ch ng trình cho các h tính toán theo ph ng pháp truy n th ng Nh ng quá trình luy n m ng l i có th th c hi n khi thi t k MLP, ngh a là ngoài quá trình đo Chính đi u này cho phép rút ng n th i gian th c hi n phép đo, gi m th i gian x lý thông tin trong quá trình đo

Nh v y dùng MLP v i các l p, t i m i l p (tr l p đ u vào) ta có các

n -ron, gi a hai l p có các k t n i có tr ng s Các nghiên c u đư ch ng minh đ c r ng ta ch c n s d ng t i đa 2 l p n là có th mô hình hóa m t hàm phi tuy n v i đ chính xác tùy ch n [9] Ph n l n ch dùng m t l p n,

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

C m bi n đo l ng thông minh d a trên n n k thu t vi x lý, t c là trên

c s k thu t s truy n th ng tuy đư có đ c nhi u u đi m l n, nh ng c ng còn t n t i nh ng h n ch nh t đ nh M t trong nh ng h n ch đó là s d ng

k thu t tính toán theo ch ng trình tu n t c a ph ng pháp s truy n th ng

V n đ này s gây khó kh n khi ph i th c hi n hàng tri u phép tính trong m t giây

Do v y đ kh c ph c đ c nh ng nh c đi m c a c m bi n đo l ng thông minh d a trên n n k thu t vi x lý và phát huy nh ng u đi m c a ANN trong x lý tín hi u đo l ng 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 ch ra trên hình 2.1

N ng đ ch t

C m bi n n ron M ch đo th c pHình 2.1 S đ c u trúc chung c a c m bi n s c p n -ron

M c đích đ a khâu n -ron vào c m bi n là nh m t o ra nh ng đ c tính

đ u ra mong mu n cho ng d ng nâng cao ch t l ng u ra c a c m bi n

34

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

 Khâu CB đ u tiên là các c m bi n bán d n truy n th ng có đ u ra là

đ i l ng đi n, còn đ u vào là n ng đ khí c n đo đây có th g m

m t hay nhi u c m bi n, đi u này ph thu c vào m c đích và yêu c u

c a ng d ng đ c xét đ n khi ti n hành đo m t đ i l ng nh t đ nh

 Khâu chuy n đ i n -ron là m t ANN nh n và x lý tín hi u sau c m

bi n đ nâng cao ch t l ng c a phép đo

Lu n án xem xét nh ng v n đ có liên quan đ n c m bi n, đó là c th hóa c u trúc trên hình 2.1 cho các ng d ng bù sai s c a y u t nh h ng,

35

đ u ra c a m ch đo (VRL chân +) 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 c a hãng [18]

Hình 2.2 a) Gi i pháp bù nhi t đ b ng đi n tr nhi t, b) so sánh m c đ bám c a

đi n áp tham chi u khi không có bù (các đi m o) và khi có bù (các đi m  ) theo

đi n áp đích (các đi m  ) [25]

Trong đó:

- Thermistor: nhi t đi n tr bù nhi t

- ALARM: chuông báo

- Comparator: m ch so sánh

- VRL: đi n áp trên đi n tr RL

- Vref – full comp: đ ng đi n áp tham chi u khi có bù

- Vref– w/o Th: đ ng đi n áp tham chi u khi không có bù

corr old

y   a b y  c T  d RH (2.1) 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

36

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 r t khó lo i tr 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 trên ngay c m bi n s d ng y nh sau:

Quá trình đo đ c mô t nh (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):

   

ok k sk k

   (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):

di n trong b ng 2.1 S li u c a b ng 2.1 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

37

máy tính) s tham chi u b ng 2.1 (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 đo mà ta ph i bù,

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 trên, 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

A

X

lo i c m bi n, đó là c m bi n đo n ng đ khí, c m bi n đo nhi t đ , hay c m

bi n đo đ m i u quan tr ng là trong c ba tr ng h p trên, 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 trên hình 2.3

C u trúc h g m 3 đ u vào: 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 l i 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

đi n tr c a c m bi n t i đi u ki n làm vi c (nhi t đ và đ m)

Hình 2.5 M ch chu n hóa đ u ra cho c m bi n bán d n [46]