Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến cảm biến khí MQ136

ThS. Trần Thị Phương Thảo Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: TS. Vương Đức Phúc ThS. Trần Tiến Lương

TÓM TẮT: Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của tham số môi trường đến kết quả đo của cảm biến MQ136 khi nó làm việc trong điều kiện môi trường khác với điều kiện tiêu chuẩn. Dựa vào đặc tính mối quan hệ giữa điện trở của cảm biến và nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh mà nhà sản xuất cung cấp để mô phỏng cảm biến đo khí H₂S. Kết quả mô phỏng tương ứng với một số giá trị nhiệt độ và độ ẩm khác nhau của môi trường. Với sai số tương đối của phép đo tính toán được là cơ sở cho bài toán bù sai số của nhiệt độ và độ ẩm do môi trường gây ra đối với cảm biến MQ136.

TỪ KHÓA: Cảm biến MQ136, H₂S, ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm.

Abstract: The paper studied the effects of environmental parameters to measurement results of MQ136 sensor working in the non-standard environmental. Base on the characteristics of the relationship between the resistance of the sensor and the temperature and humidity of the surrounding environment provided by manufacturers to simulate the H₂S sensor. The simulation results are performed with some different values of environment temperature and humidity. The relative error of measurement is the basis for offsetting the errors of MQ136 sensor caused by environment temperature and humidity.

Keywords: Sensor MQ136, H₂S, Influence of temperature and humidity.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Các cảm biến bao giờ cũng hoạt động trong một môi trường cụ thể. Các thông số của môi trường như: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, từ trường trái đất hay từ trường của những dòng điện lớn... có thể gây ra sai số cho những kết quả đo. Trong đó, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường là những đại lượng ảnh hưởng lớn tới kết quả của nhiều phép đo, nhất là khi nó tác động không đồng đều tới cảm biến và đối tượng đo, đặc biệt là đối với các cảm biến khí dòng bán dẫn như MQ136,135, 2... Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và độ ẩm của môi trường tới cảm biến khí là rất cần thiết.

Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài, đề tài nghiên cứu về cảm biến đo lường thông minh đã có những bước phát triển nhảy vọt [1,3,4,5]. Việc nghiên cứu những ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ vào lĩnh vực đo lường là nhu cầu hết sức cấp thiết. Những cảm biến khi được chế tạo có độ chính xác cao bởi nó đã được tính toán để bù lại các loại sai số trong quá trình đo, bằng các biện pháp bù khác nhau [3,4]. Tuy nhiên, để có thể bù được các sai số này, ta phải có các số liệu về sự ảnh hưởng của từng yếu tố. Do đó, cần thiết phải nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm để tính toán sai số tương đối của phép đo, quá trình được nghiên cứu với số liệu của cảm biến đo nồng độ khí MQ136. Đó cũng là nội dung chính được đề xuất trong bài báo này.

2. CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN MQ136 [6]

Hình 2.1: Cảm biến MQ136

 

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch

Cảm biến đo nồng độ khí MQ136 là loại cảm biến dựa trên nguyên lý độ dẫn điện có đặc điểm như Hình 2.1. Cảm biến cho kết quả nhanh, độ nhạy cao, mạch điều khiển đơn giản, giá thành rẻ nên được sử dụng trong các thiết bị kiểm soát chất lượng không khí trong các tòa nhà, văn phòng, rất thích hợp cho việc phát hiện khí H₂S. Hình 2.2 là mạch nguyên lý cơ bản của cảm biến.

Với điện trở của cảm biến:

R_s=(V_C/Vout  -1) x R_L                                                                          (1)

Hình 2.3 là đường đặc tính quan hệ giữa tỉ số Rs/R₀ và nồng độ khí, trong đó R₀ là điện trở trong của cảm biến tại điều kiện môi trường có nhiệt độ 20⁰C và độ ẩm 65%. Ngoài ra, điện trở Rs/R₀  của cảm biến còn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường xung quanh như đặc tính Hình 2.4.

Hình 2.3: Đặc tính quan hệ giữa tỉ số Rs/R0 và ppm

 

Hình 2.4: Đặc tính quan hệ giữa tỉ số Rs/R0 và nhiệt độ, độ ẩm

  

3. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ ĐO KHÍ H₂S SỬ DỤNG CẢM BIẾN MQ136

3.1. Mô phỏng khi chưa xét tới các yếu tố ảnh hưởng

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng thiết bị đo khí H2S sử dụng cảm biến MQ136

 

Trên Hình 3.1 đưa ra sơ đồ khối thiết bị đo nồng độ khí H₂S sử dụng cảm biến MQ136. Trong đó có các khối: Cảm biến, BBĐTT-S (bộ biến đổi tương tự - số), bộ chỉ thị số hiển thị kết quả đo. Sau đây là cấu trúc và nguyên lý của các khối:

- Khối cảm biến đo H₂S: Với tín hiệu đầu vào là nồng độ khí (ppm) cảm biến đã được chuẩn hóa đầu ra dưới dạng điện áp Vout = (0÷5) V theo công thức 2 và có cấu trúc được mô phỏng như Hình 3.2.

V_out = 100 / (20 + 15,417 X R₀ X ppm^-0,594 )  (2)

Hình 3.2: Khối cảm biến MQ136

 

- Bộ biến đổi tương tự - số:

Trên Hình 3.3 đưa ra sơ đồ nguyên lý bộ BĐTT-S và Hình 3.4 là sơ đồ mô phỏng trên Matlab được xây dựng theo nguyên lý biến đổi thời gian một nhịp [2].

Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ BĐTT-S

 

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng bộ BĐTT-S

 

- Bộ chỉ thị số có nhiệm vụ biến đổi từ điện áp ra sau bộ BĐTT-S thành nồng độ khí cần đo để hiển thị kết quả theo công thức 3.

`harr` ppm = ((100 - 20Vout)/(15,417 x R₀ x Vout))^(1/0.594)(3)

Bộ chỉ thị này được mô phỏng trên Simulink như Hình 3.5:

Hình 3.5: Cơ cấu chỉ thị trên Simulink

Kết quả thu được trong trường hợp mô phỏng theo sơ đồ tổng thể Hình 3.1 khi chưa xét đến sự ảnh hưởng của yếu tố môi trường (điều kiện tiêu chuẩn), cho độ chính xác là tuyệt đối.

3.2. Mô phỏng khi xét đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh

Trong trường hợp này ta xét sự phụ thuộc của MQ136 vào nhiệt độ và độ ẩm như sau:

Hình 3.6: Hàm miêu tả sự phụ thuộc trên Simulink

 Kết quả đo nồng độ khí H₂S với các giá trị nhiệt độ thay đổi tại độ ẩm 33%RH:

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng nồng độ khí H2S khi nhiệt độ tiêu chuẩn là 200C

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng nồng độ khí H2S khi nhiệt độ 350C

Tương tự như trên với một số kết quả mô phỏng các giá trị khác nhau của nhiệt độ ở độ ẩm 85%. Ta có bảng đánh giá sai lệch giá trị đo của cảm biến khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm môi trường.

Bảng 3.1. Bảng sai số tương đối nồng độ khí H2S khi nhiệt độ thay đổi tại độ ẩm 33%RH					Bảng 3.2. Bảng sai số tương đối nồng độ khí H2S khi nhiệt độ thay đổi tại độ ẩm 85%RH
Nhiệt độ (0C)	ppm (chuẩn)	ppm (đo)	Sai số tương đối (%)		Nhiệt độ (0C)	ppm (chuẩn)	ppm (đo)	Sai số tương đối (%)
-10	10	4,008	59,92		-10	10	4,947	50,53
5	10	6,965	30,35		5	10	7,794	22,06
20	10	10,01	0,1		20	10	11,4	14
30	10	11,34	1,34		30	10	12,64	26,4
35	10	11,73	1,73		35	10	13,21	32,1
50	10	12,26	22,6		50	10	14,26	42,6

Nhận xét: Với kết quả mô phỏng và các giá trị sai số tương đối thống kê trên Bảng 3.1 và 3.2, ta thấy cảm biến làm việc với nhiệt độ thay đổi từ (-5÷50)⁰C với 2 giá trị thay đổi của độ ẩm lần lượt là 33% và 85% là rất lớn, cực đoan nhất là sai số tương đối lên tới 50%.

4. KẾT LUẬN

Cảm biến MQ136 được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, tuy nhiên nó một nhược điểm là cảm biến có sai số gây ra bởi các yếu tố do điều kiện môi trường không giống với điều kiện tiêu chuẩn. Những sai số này được gọi là sai số gây bởi các yếu tố ảnh hưởng, cần được loại bỏ. Với kết quả đã mô phỏng trên Simulink Matlab đối với cảm biến khi có sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến kết quả đo cho ta thấy, nếu không bù sai số này thì kết quả đo bị ảnh hưởng rất lớn. Dựa trên kết quả thu được của báo này làm cơ sở cho bài toán tự động bù sai số do ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến kết quả đo nồng độ khí H₂S của cảm biến MQ136 để nâng cao độ chính xác cho phép đo.

Tài liệu tham khảo

[1]. Đào Khắc An (2000), Một số hoạt động về nghiên cứu phát triển linh kiện cảm biến, Hội nghị toàn quốc về TĐH Hà Nội VICA.

[2]. Phạm Thượng Hàn và đồng các tác giả (2003), Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý, tập 1,2, NXB. Giáo dục.

[3]. Phạm Thượng Hàn, Cao Minh Quyền (2005), Bù sai số gây ra bởi các yếu tố ảnh hưởng trong cảm biến nơ-ron, Báo cáo Khoa học tại Hội nghị Đo lường toàn quốc.

[4]. Phạm Thượng Hàn và đồng các tác giả (2005), Bù sai số hệ thống trên cơ sở ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo, Báo cáo Khoa học tại Hội nghị Đo lường toàn quốc.

[5]. Trần Hoài Linh (2014), Mạng nơ-ron và ứng dụng trong xử lý tín hiệu, NXB. Bách khoa Hà Nội.

[6]. Datasheet MQ136.