Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí (PM10, SOX, NOX)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí (PM10, SOX, NOX)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN LONG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (PM10, SOX, NOX) LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội – 2018
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN LONG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (PM10, SOX, NOX) Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Mạnh Thắng Hà Nội – 2018
3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ (PM10, SOX, NOX) Nguyễn Văn Long Khóa QH-2016-I, ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử Tóm tắt luận văn thạc sĩ Ô nhiễm không khí là sự gia tăng quá mức của các chất có hại trong bầu khí quyển. Các chất này có thể là các hạt rắn, các giọt chất lỏng hoặc khí. Nguồn gốc của các chất này có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự gia tăng bất thường này tạo ra những tác động xấu đến con người và và hệ sinh thái. Trong bối cảnh hiện nay với sự gia tăng đột biến của các nguồn gây ô nhiễm trong không khí, việc theo dõi, giám sát nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí đang trở nên rất cần thiết cho mỗi quốc gia. Trong luận văn này, chúng tôi xây dựng một giải pháp thiết kế thiết bị đo lường chất lượng không khí ứng dụng cho việc theo dõi liên tục nồng độ của các chất ô nhiễm trong không khí. Thiết bị được thiết kế với kích thước nhỏ, tính di động cao, có thể nhanh chóng triển khai lắp đặt để theo dõi chất lượng không khí tại một khu vực mới. Cảm biến sử dụng trên thiết bị được tích hợp từ các modul cảm biến rời rạc có chi phí thấp được bán phổ biến trên thị trường như cảm biến CO, NOx, PM10, PM2.5, SOx Phần mềm đo đạc, tính toán trên thiết bị cho phép giao tiếp với nhiều dòng cảm biến khác nhau đồng thời có thể tính toán chỉ số chất lượng không khí AQI theo các tiêu chuẩn hiện hành. Việc tìm hiểu một cách tổng quát về các dòng cảm biến đang được sử dụng phổ biến hiện nay cũng được thực hiện, qua đó các loại cảm biến phù hợp được lựa chọn đưa vào thiết bị. Một thiết bị mẫu cũng được xây dựng để chạy thử và đánh giá tính khả thi của giải pháp. Từ khóa: AQI, cảm biến đo nồng độ khí, cảm biến MQx, cảm biến đo nồng độ khí DNIR, cảm biến đo bụi Laser, cảm biến điện hóa SPEC sensor.
4. LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí (PM10, SOx, NOx)” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực hiện
5. LỞI CẢM ƠN Trải qua một quá trình học tập và làm việc tại trường, em đã trang bị thêm cho mình được nhiều kiến thức quý báu cho cuộc sống và công việc. Luận văn này cũng là kết quả từ sự nỗ lực của bản thân cũng như sự chỉ bảo tận tình từ các thầy cô giáo đã dạy dỗ và hướng dẫn em. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Phạm Mạnh Thắng người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô trong khoa khoa Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi thực hiện đề tài luận văn. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Quang điện tử - Viện ứng dụng Công Nghệ đã tạo điều kiện hỗ trợ về cả thời gian và công việc để em có điều kiện tốt nhất cho việc hoàn thành luận văn này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho em rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Hà Nội, ngày tháng năm 201 Sinh viên thực hiện
6. Mục lục MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ AQI ....................................................................... 4 1.1 Khái niệm ................................................................................................. 4 1.2 Tính toán AQI .......................................................................................... 4 1.2.1 Tính toán AQI sử dụng bảng đối chiếu ............................................... 4 1.2.2 Tính toán AQI sử dụng các công thức đơn giản ................................. 6 1.2.3 Tính toán AQI sử dụng các công thức phức tạp .................................. 8 1.2.4 Phương pháp tính toán AQI tại Việt Nam ......................................... 10 Chương 2 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN ĐO CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ ... 12 2.1 Cảm biến đo bụi ..................................................................................... 12 2.1.1 Ô nhiễm bụi ....................................................................................... 12 2.1.2 Phương pháp đo ô nhiễm bụi............................................................. 13 2.2 Cảm biến đo nồng độ khí ....................................................................... 15 2.2.1 Cảm biến điện hóa ............................................................................. 16 2.2.2 Cảm biến hạt xúc tác ......................................................................... 17 2.2.3 Cảm biến hồng ngoại ......................................................................... 19 2.2.4 Cảm biến bán dẫn (MOS) .................................................................. 20 2.3 Lựa chọn cảm biến cho thiết bị đo độ ô nhiễm không khí .................... 21 Chương 3 XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 23 3.1 Thiết kế phần cứng ................................................................................ 23 3.1.1 Tổng quan thiết bị .............................................................................. 23 3.1.2 Khối xử lý trung tâm ......................................................................... 23 3.1.3 Khối thời gian thực ............................................................................ 24 3.1.4 Mạch giao tiếp với các cảm biến MQx ............................................. 24 3.1.5 Mạch giao tiếp với cảm biến điện hóa .............................................. 26 3.1.6 Mạch giao tiếp với các cảm biến có đầu ra I2C ................................ 30 3.1.7 Khối giao tiếp với cảm biến .............................................................. 35 3.1.8 Mạch giao tiếp với LCD hiển thị các thông số đo đạc ...................... 37 3.2 Lập trình phần mềm ............................................................................... 40 3.2.1 Đo đạc và tính toán giá trị từ cảm biến MQx .................................... 40
7. 3.2.2 Đọc và tính toán nồng độ NO2 từ cảm biến điện hóa ........................ 48 3.2.3 Đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến có đầu ra I2C ............................... 50 3.2.4 Tính toán AQI ................................................................................... 57 3.2.5 Hiển thị giá trị, cài đặt thông số ........................................................ 59 3.3 Hiệu chỉnh thiết bị.................................................................................. 60 3.3.1 Các vấn đề cần lưu ý trước khi hiệu chuẩn cảm biến ........................ 60 3.3.2 Hiểu về các thông số của cảm biến ................................................... 60 3.3.3 Các bước hiệu chỉnh cảm biến .......................................................... 62 3.3.4 Vận hành thử, đánh giá sản phẩm ..................................................... 64 Chương 4 KẾT LUẬN ....................................................................................... 66
8. DANH MỤC CÁC CHỮ KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Chữ đầy đủ Ý nghĩa AQI Air quality index Chỉ số chất lượng không khí IOT Internet Of Things Internet Vạn Vật AQMS Air Quality Monitoring Hệ thống giám sát chất System lượng không khí TIA Transimpedance Amplifier Bộ khuếch đại Transimpedance NDIR Nondispersive Infrared Cảm biến NDIR IR Infrared Hồng ngoại TSP Total Suspended Particles Tổng số hạt lơ lửng PM Particulate Matter Hạt vật chất ppb parts per billion Một phần tỷ. ppm parts per million Một phần triệu SPM Suspended Particulate Hạt vật chất lơ lửng Matter PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocacbon thơm đa Hydrocarbon vòng BAM Beta Attenuation Monitors Thiết bị giám sát suy giảm beta HVS High-Volume Samplers Lượng mẫu lớn LEL Lower Explosive Limit Giới hạn nổ dưới MOS Metal Oxide Semiconductor Bán dẫn oxit kim loại UART Universal Asynchronous Bộ truyền nhận nối tiếp Receiver Transmitter không đồng bộ PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng WE Working Electrode Điện cực phản ứng RE Reference Electrode Điện cực tham chiếu CE Couter Electrode Điện cực nghịch đảo LPO Low Pulse Occupancy Thời gian xung thấp
9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Tương ứng giữa giá trị thông số và giá trị AQI ..................................... 5 Bảng 1-2: Tiêu chuẩn chất lượng không khí tại Anh ............................................. 5 Bảng 1-3: Các thông số và giá trị tiêu chuẩn dùng để tính AQI ............................. 7 Bảng 1-4: Tiêu chuẩn chất lượng không khí của Astralia ...................................... 7 Bảng 1-5: Các mức AQI đang được áp dụng tại Astralia ....................................... 8 Bảng 1-6: Các mức AQI tại Hoa Kỳ....................................................................... 8 Bảng 1-7: Các chỉ số trên và chỉ số dưới dùng để tính AQI ................................... 9 Bảng 1-8: Tiêu chuẩn không khí của Hoa Kỳ ........................................................ 9 Bảng 3-1: Thông số Ký thuật MH-Z19 ................................................................ 31 Bảng 3-2: Mô tả đầu vào ra của MH-Z19 ............................................................. 31 Bảng 3-3: Thông số kỹ thuật màn TFT SPI 240 x 320 ......................................... 37 Bảng 3-4: Thông số kỹ thuật cảm biến NO2 ......................................................... 49 Bảng 3-5: Độ nhiễu chéo của cảm biến với các loại khí khác .............................. 49 Bảng 3-6: Giá trị giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh ...... 57 Bảng 3-7: Giá trị điện trở tải đề xuất của một số cảm biến .................................. 61 Bảng 3-8: Nồng độ khí để xác định giá trị R0 ...................................................... 62
10. Danh mục hình ảnh Hình 2-1: Thiết bị giám sát suy giảm beta ............................................................ 13 Hình 2-2: Thác va chạm (Cascade impactor). ...................................................... 14 Hình 2-3: Cảm biến đo bụi theo phương pháp tán xạ ........................................... 15 Hình 2-4: Nguyên lý cảm biến điện hóa ............................................................... 16 Hình 2-5: Cấu tạo cảm biến điện hóa ................................................................... 16 Hình 2-6: Nguyên lý của cảm biến hạt xúc tác ..................................................... 18 Hình 2-7: Mạch cầu Wheatstone với hai phần tử C và D ..................................... 18 Hình 2-8: Mối liên hệ giữa nồng độ khí và điện áp đầu ra ................................... 18 Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý cảm biến DNIR ......................................................... 19 Hình 2-10: Nguyên lý làm việc của cảm biến MOS ............................................. 21 Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quan của thiết bị ......................................................... 23 Hình 3-2: Sơ đồ cấu tạo modul Arduino Mega 2560 ........................................... 24 Hình 3-3: Mạch thời gian thực DS1307 ............................................................... 24 Hình 3-4: Modul cảm biến MQ7 .......................................................................... 25 Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối cảm biến MQ7 ..................................... 26 Hình 3-6: Cảm biến SPEC 3SP_NO2 ................................................................... 27 Hình 3-7: Cảm biến điện hóa với 3 chân cơ bản .................................................. 27 Hình 3-8: Sơ đồ mạch cảm biến điện hóa đơn giản .............................................. 28 Hình 3-9: Mạch khuếch đại TIA ........................................................................... 29 Hình 3-10: Mạch TIA với khối cấp nguồn ........................................................... 29 Hình 3-11: So đồ nguyên lý mạch giao tiếp với cảm biến điện hóa ..................... 30 Hình 3-12: Cảm biến CO2 MH-Z19 ..................................................................... 31 Hình 3-13: Cảm biến đo bụi SDS011 ................................................................... 32 Hình 3-14: Bên trong một cảm biến đo bụi nhiễu xa Laser ................................. 33 Hình 3-15: Dữ liệu thô từ cảm biến theo điện áp ................................................. 33 Hình 3-16: Cảm biến đọc giá trị LPO ................................................................... 34 Hình 3-17: Mối liên hệ giữa LPO và kích thước hạt ............................................ 34 Hình 3-18: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối với cảm biến ........................................ 36 Hình 3-19: Mạch in modul giao tiếp với cảm biến ............................................... 36 Hình 3-20: Mạch giao tiếp với cảm biến .............................................................. 37 Hình 3-21: Kết nối màn TFT LCD với Arduino thông qua trở phân áp .............. 39 Hình 3-22: Mạch in TFT LCD Shield .................................................................. 39 Hình 3-23: Mạch giao tiếp với LCD ..................................................................... 39 Hình 3-24: Sơ đồ nguyên lý cảm biến MQx ......................................................... 40 Hình 3-25: Sơ đồ kết nối cảm biến MQx .............................................................. 41 Hình 3-26: Đường cong đặc tính của cảm biến MQ7........................................... 42 Hình 3-27: Công cụ WebPlotDigitizer ................................................................. 43 Hình 3-28: Đồ thị đường đặc trưng của MQ7 với thang đo tuyến tính ................ 44 Hình 3-29: Biến thiên điện áp đầu ra VRL với nồng độ CO .................................. 45