Diễn đàn Thế Giới Hoá Học - View Single Post

**F91** · 08-06-2008

4. Một số loại đầu dò khác

a. Đầu dò oxit kim loại bán dẫn

Đầu dò này hiện nay chiếm một thị phần tương đối lớn trên thế giới. Các sản phẩm thương mại đã xuất hiện cách đây khoảng 50 năm. Năm 1968, riêng tập đoàn Figaro đã bán được trên 50 triệu đầu dò ở thị trường Nhật Bản. Hiện nay, các loại đầu dò này chủ yếu được sử dụng trong đời sống hàng ngày: phân tích cồn trong hơi thở, sử dụng trong lò vi sóng, kiểm tra CO tại các bãi gởi xe, chuông báo cháy…
Hiện nay, nhiều nghiên cứu vẫn đang tập trung vào tìm kiếm vật liệu mới để có thể nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, thu nhỏ kích cỡ đầu dò…

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Hiện tượng một lớp màng oxit mỏng phản ứng với sự có mặt của khí trong không khí đã được biết đến và nghiên cứu từ lâu. Cơ chế chính của hiện tượng này chính là sự thay đổi nồng độ O2 hấp phụ ngay trên bề mặt các oxit bán dẫn. Các anion oxy hình thành trên bề mặt bằng cách lấy electron của vật bán dẫn. Khi mật độ điện tích trong chất bán dẫn giảm sẽ ngăn ngừa oxy hấp phụ thêm vào, đồng thời làm giảm sự chuyển động của electron giữa các hạt nhỏ oxit. Độ dẫn của màng oxit này do đó cũng giảm.

Quá trình hấp phụ O2 và oxy hóa khí trên bề mặt oxit kim loại

Trên hình vẽ là một lớp oxit thiếc SnO2, thuộc loại bán dẫn loại n. Có thể mô tả quá trình ứng với CO bằng các phản ứng
Hấp phụ oxy: (SnO2 + e-) + 1/2O2 → SnO2(O-)(ad)
Oxy hóa khí: SnO2(O-)(ad) + CO → (SnO2 + e-) + CO2
Đầu dò trên hình 16c gồm một ống nhỏ bằng gốm được tráng lên một lớp mỏng bằng SnO2 và chất xúc tác thích hợp. Một cuộn dây điện trở được nung nóng ở bên trong giúp giữ đầu dò ở nhiệt độ làm việc (giữa 200 – 500oC). Tín hiệu xuất ra bằng cách đo điện trở giữa hai điện cực nằm ở hai đầu ống.
Độ chọn lọc của các loại đầu dò này có thể được cải tiến bằng cách thêm vào oxit của các kim loại quý, thay đổi nhiệt độ làm việc hoặc thay đổi kích cỡ hạt oxit.

Ưu điểm: Thời gian phản ứng nhanh, tin cậy; Có độ nhạy cao đối với hầu hết tất cả các khí (kể cả các hydrocacbon bão hòa, CO và NO); Khả năng chống ăn mòn cao, sức bền cơ học tốt; Giá rẻ, dễ chế tạo.
Nhược điểm: Nhiệt độ làm việc cao, tiêu tốn năng lượng không cần thiết; Độ chọn lọc kém.

b. Đầu dò polymer dẫn

Các đầu dò này dựa vào sự thay đổi của điện trở tấm polymer khi có khí hấp phụ vào trong. Các dẫn xuất của polypyrrole và polyaniline là những loại polymer được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất. Tất cả các polymer này đều có hệ thống electron π liên hợp trong toàn phân tử, và điều này làm cho chúng có khả năng dẫn điện.

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Một màng mỏng polymer được phủ lên trên bề mặt điện cực, có thể bằng con đường polymer hóa hóa học, tuy nhiên thông thường bằng phương pháp điện hóa. Quá trình polymer thường diễn ra trực tiếp trên điện cực cần phủ.
Điện trở của polymer này được đo thường xuyên. Khi các phân tử khí hấp phụ vào trong cấu trúc của polymer, điện trở của lớp polymer này sẽ giảm. Tín hiệu này sẽ được ghi nhận và cho kết quả nồng độ khí có trong mẫu.
Độ nhạy và độ chọn lọc của loại đầu dò này có thể thay đổi bằng cách thay đổi các nhóm thế gắn trên sườn polymer, chiều dài phân tử polymer và điều kiện tiến hành polymer hóa. Đầu dò này có thể hoạt động ở điều kiện thường và rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ.
Những ưu điểm dễ thấy của loại đầu dò này là độ nhạy cao, kích cỡ nhỏ và có giá thành rẻ. Chúng đặc biệt rất nhạy đối với những hợp chất phân cực. Bên cạnh đó, vì nguyên tắc hoạt động dựa trên việc đo điện trở nên bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ và độ ẩm. Hơn nữa, đường nền không ổn định do thường xuyên xảy ra sự thay đổi cấu trúc polymer khi xảy ra phản ứng với các chất không mong muốn.

c. Đầu dò mềm (soft sensors)

Đây là một lĩnh vực còn rất mới nhưng trong những năm gần đây đã đạt được thành tựu rất đáng kể. Với nhu cầu giám sát lượng khí thải ngày càng lớn trong công nghiệp đã nảy sinh một vấn đề, đó chính là chi phí cho việc chế tạo, lắp đặt, vận hành, bảo trì, sửa chữa và thay thế các đầu dò rất tốn kém. Việc nghiên cứu chế tạo các đầu dò “mềm”, tức là các đầu dò ảo được lập trình để vận hành trên máy vi tính, sẽ phá bỏ được hàng rào nói trên. Việc ứng dụng các đầu dò “mềm” này cũng từng bước được đưa vào trong thực tiễn, từ công nghiệp lọc dầu, hóa chất, xi măng, công nghiệp năng lượng, giấy cho đến công nghiệp năng lượng hạt nhân, môi trường đô thị… Sự xuất hiện của loại đầu dò này cũng đã góp phần chứng minh con người đã thấu hiểu một cách tường tận quá trình sản xuất của mình, từ đó hạn chế, giảm thiểu những rủi ro có khả năng xảy ra.
Có nhiều nguyên nhân có thể giải thích cho sự phát triển rất nhanh của loại đầu dò này:
• Chi phí sản xuất, vận hành rẻ hơn nhiều so với các loại đầu dò khác. Không cần có chi phí sửa chữa, thay thế.
• Chúng có thể làm việc một cách song song, cung cấp các thông tin có ích cho việc phát hiện lỗi sai và sửa chữa các loại đầu dò khác.
• Đầu dò “mềm” có thể chạy trên các chương trình hiện thời. Các thông số có thể dễ dàng thay đổi khi hệ thống thay đổi.
• Cung cấp tín hiệu ngay tức thời, hoặc trong một số trường hợp có thể cung cấp tín hiệu trước khi quá trình xảy ra. Qua đó cho phép tiên đoán các lỗi tồn tại trong hệ thống sản xuất và khắc phục được rủi ro, tai nạn.

Ví dụ về một đầu dò “mềm”

Các bước thiết kế đầu dò “mềm” có thể thực hiện theo sơ đồ sau đây.

• Thu thập, sàng lọc dữ liệu: các dữ liệu cần được thu thập một cách có hệ thống và khoa học. Sử dụng các phương pháp thống kê để loại bỏ những dữ liệu không thích hợp.
• Mô hình hóa: lựa chọn mô hình hồi quy tuyến tính, phi tuyến hoặc hồi quy đa biến thích hợp. Thông thường người ta sử dụng phương pháp logic mờ, mạng neuron nhân tạo hoặc phối hợp các phương pháp để đưa ra được phương trình hồi quy.
• Đánh giá, ước lượng.
• Chuẩn hóa mô hình: đây là bước khó khăn nhất để đưa mô hình về tiệm cận với kết quả ở hiện thực. Các dữ liệu sử dụng để chuẩn hóa phải hoàn toàn khác các dữ liệu để xây dựng mô hình.
Các kết quả thu được hầu như rất khớp với các giá trị thu được.

Kết quả mô phỏng hàm lượng khí CO trong mẫu

Kết quả mô phỏng hàm lượng khí NOx trong một ống khói nhà máy

Kết quả mô phỏng và đo đạc lượng khí H2S bằng phương pháp mạng neuron nhân tạo

Kết quả mô phỏng hàm lượng khí SO2 trong liên tiếp nhiều ngày so với đo đạc thực tế.

Thực tế hiện nay, nhiều nhà sản xuất đã nhận ra tiềm năng to lớn của loại đầu dò mới này và đang dần chuyển sang chế độ “đầu dò song song” – đầu dò “mềm” hoạt động song song và bổ sung cho các loại đầu dò khác. Trong tương lai không xa, hi vọng loại đầu dò tiên tiến này sẽ trở thành nhân tố chính trong các nhà máy và xí nghiệp.

(The end.)

08-06-2008	Mã bài: 26817 #3
F91 Moderator Tham gia ngày: Dec 2005 Location: Nha Trang Posts: 53 Thanks: 7 Thanked 82 Times in 35 Posts Groans: 0 Groaned at 0 Times in 0 Posts Rep Power: 36	4. Một số loại đầu dò khác a. Đầu dò oxit kim loại bán dẫn Đầu dò này hiện nay chiếm một thị phần tương đối lớn trên thế giới. Các sản phẩm thương mại đã xuất hiện cách đây khoảng 50 năm. Năm 1968, riêng tập đoàn Figaro đã bán được trên 50 triệu đầu dò ở thị trường Nhật Bản. Hiện nay, các loại đầu dò này chủ yếu được sử dụng trong đời sống hàng ngày: phân tích cồn trong hơi thở, sử dụng trong lò vi sóng, kiểm tra CO tại các bãi gởi xe, chuông báo cháy… Hiện nay, nhiều nghiên cứu vẫn đang tập trung vào tìm kiếm vật liệu mới để có thể nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc, thu nhỏ kích cỡ đầu dò… • Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Hiện tượng một lớp màng oxit mỏng phản ứng với sự có mặt của khí trong không khí đã được biết đến và nghiên cứu từ lâu. Cơ chế chính của hiện tượng này chính là sự thay đổi nồng độ O2 hấp phụ ngay trên bề mặt các oxit bán dẫn. Các anion oxy hình thành trên bề mặt bằng cách lấy electron của vật bán dẫn. Khi mật độ điện tích trong chất bán dẫn giảm sẽ ngăn ngừa oxy hấp phụ thêm vào, đồng thời làm giảm sự chuyển động của electron giữa các hạt nhỏ oxit. Độ dẫn của màng oxit này do đó cũng giảm. Quá trình hấp phụ O2 và oxy hóa khí trên bề mặt oxit kim loại Trên hình vẽ là một lớp oxit thiếc SnO2, thuộc loại bán dẫn loại n. Có thể mô tả quá trình ứng với CO bằng các phản ứng Hấp phụ oxy: (SnO2 + e-) + 1/2O2 → SnO2(O-)(ad) Oxy hóa khí: SnO2(O-)(ad) + CO → (SnO2 + e-) + CO2 Đầu dò trên hình 16c gồm một ống nhỏ bằng gốm được tráng lên một lớp mỏng bằng SnO2 và chất xúc tác thích hợp. Một cuộn dây điện trở được nung nóng ở bên trong giúp giữ đầu dò ở nhiệt độ làm việc (giữa 200 – 500oC). Tín hiệu xuất ra bằng cách đo điện trở giữa hai điện cực nằm ở hai đầu ống. Độ chọn lọc của các loại đầu dò này có thể được cải tiến bằng cách thêm vào oxit của các kim loại quý, thay đổi nhiệt độ làm việc hoặc thay đổi kích cỡ hạt oxit. Ưu điểm: Thời gian phản ứng nhanh, tin cậy; Có độ nhạy cao đối với hầu hết tất cả các khí (kể cả các hydrocacbon bão hòa, CO và NO); Khả năng chống ăn mòn cao, sức bền cơ học tốt; Giá rẻ, dễ chế tạo. Nhược điểm: Nhiệt độ làm việc cao, tiêu tốn năng lượng không cần thiết; Độ chọn lọc kém. b. Đầu dò polymer dẫn Các đầu dò này dựa vào sự thay đổi của điện trở tấm polymer khi có khí hấp phụ vào trong. Các dẫn xuất của polypyrrole và polyaniline là những loại polymer được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất. Tất cả các polymer này đều có hệ thống electron π liên hợp trong toàn phân tử, và điều này làm cho chúng có khả năng dẫn điện. • Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Một màng mỏng polymer được phủ lên trên bề mặt điện cực, có thể bằng con đường polymer hóa hóa học, tuy nhiên thông thường bằng phương pháp điện hóa. Quá trình polymer thường diễn ra trực tiếp trên điện cực cần phủ. Điện trở của polymer này được đo thường xuyên. Khi các phân tử khí hấp phụ vào trong cấu trúc của polymer, điện trở của lớp polymer này sẽ giảm. Tín hiệu này sẽ được ghi nhận và cho kết quả nồng độ khí có trong mẫu. Độ nhạy và độ chọn lọc của loại đầu dò này có thể thay đổi bằng cách thay đổi các nhóm thế gắn trên sườn polymer, chiều dài phân tử polymer và điều kiện tiến hành polymer hóa. Đầu dò này có thể hoạt động ở điều kiện thường và rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ. Những ưu điểm dễ thấy của loại đầu dò này là độ nhạy cao, kích cỡ nhỏ và có giá thành rẻ. Chúng đặc biệt rất nhạy đối với những hợp chất phân cực. Bên cạnh đó, vì nguyên tắc hoạt động dựa trên việc đo điện trở nên bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ và độ ẩm. Hơn nữa, đường nền không ổn định do thường xuyên xảy ra sự thay đổi cấu trúc polymer khi xảy ra phản ứng với các chất không mong muốn. c. Đầu dò mềm (soft sensors) Đây là một lĩnh vực còn rất mới nhưng trong những năm gần đây đã đạt được thành tựu rất đáng kể. Với nhu cầu giám sát lượng khí thải ngày càng lớn trong công nghiệp đã nảy sinh một vấn đề, đó chính là chi phí cho việc chế tạo, lắp đặt, vận hành, bảo trì, sửa chữa và thay thế các đầu dò rất tốn kém. Việc nghiên cứu chế tạo các đầu dò “mềm”, tức là các đầu dò ảo được lập trình để vận hành trên máy vi tính, sẽ phá bỏ được hàng rào nói trên. Việc ứng dụng các đầu dò “mềm” này cũng từng bước được đưa vào trong thực tiễn, từ công nghiệp lọc dầu, hóa chất, xi măng, công nghiệp năng lượng, giấy cho đến công nghiệp năng lượng hạt nhân, môi trường đô thị… Sự xuất hiện của loại đầu dò này cũng đã góp phần chứng minh con người đã thấu hiểu một cách tường tận quá trình sản xuất của mình, từ đó hạn chế, giảm thiểu những rủi ro có khả năng xảy ra. Có nhiều nguyên nhân có thể giải thích cho sự phát triển rất nhanh của loại đầu dò này: • Chi phí sản xuất, vận hành rẻ hơn nhiều so với các loại đầu dò khác. Không cần có chi phí sửa chữa, thay thế. • Chúng có thể làm việc một cách song song, cung cấp các thông tin có ích cho việc phát hiện lỗi sai và sửa chữa các loại đầu dò khác. • Đầu dò “mềm” có thể chạy trên các chương trình hiện thời. Các thông số có thể dễ dàng thay đổi khi hệ thống thay đổi. • Cung cấp tín hiệu ngay tức thời, hoặc trong một số trường hợp có thể cung cấp tín hiệu trước khi quá trình xảy ra. Qua đó cho phép tiên đoán các lỗi tồn tại trong hệ thống sản xuất và khắc phục được rủi ro, tai nạn. Ví dụ về một đầu dò “mềm” Các bước thiết kế đầu dò “mềm” có thể thực hiện theo sơ đồ sau đây. • Thu thập, sàng lọc dữ liệu: các dữ liệu cần được thu thập một cách có hệ thống và khoa học. Sử dụng các phương pháp thống kê để loại bỏ những dữ liệu không thích hợp. • Mô hình hóa: lựa chọn mô hình hồi quy tuyến tính, phi tuyến hoặc hồi quy đa biến thích hợp. Thông thường người ta sử dụng phương pháp logic mờ, mạng neuron nhân tạo hoặc phối hợp các phương pháp để đưa ra được phương trình hồi quy. • Đánh giá, ước lượng. • Chuẩn hóa mô hình: đây là bước khó khăn nhất để đưa mô hình về tiệm cận với kết quả ở hiện thực. Các dữ liệu sử dụng để chuẩn hóa phải hoàn toàn khác các dữ liệu để xây dựng mô hình. Các kết quả thu được hầu như rất khớp với các giá trị thu được. Kết quả mô phỏng hàm lượng khí CO trong mẫu Kết quả mô phỏng hàm lượng khí NOx trong một ống khói nhà máy Kết quả mô phỏng và đo đạc lượng khí H2S bằng phương pháp mạng neuron nhân tạo Kết quả mô phỏng hàm lượng khí SO2 trong liên tiếp nhiều ngày so với đo đạc thực tế. Thực tế hiện nay, nhiều nhà sản xuất đã nhận ra tiềm năng to lớn của loại đầu dò mới này và đang dần chuyển sang chế độ “đầu dò song song” – đầu dò “mềm” hoạt động song song và bổ sung cho các loại đầu dò khác. Trong tương lai không xa, hi vọng loại đầu dò tiên tiến này sẽ trở thành nhân tố chính trong các nhà máy và xí nghiệp. (The end.)