Phân tích ưu nhược điểm của các loại cảm biến không khí chi phí thấp (low-cost air sensor)

Tầm quan trọng của ô nhiễm không khí và các vấn đề liên quan đến nó đang thúc đẩy việc triển khai các trạm quan trắc chất lượng không khí trên toàn thế giới. Cách tiếp cận phổ biến nhất để quan trắc chất lượng không khí là dựa vào các trạm quan trắc môi trường, tuy nhiên chi phí mua thiết bị và duy trì vận hành rất tốn kém. Do đó, số lượng các trạm quan trắc môi trường được lắp đặt không nhiều, dẫn đến độ phân giải không gian cho phép đo bị hạn chế. Gần đây, cảm biến chất lượng không khí chi phí thấp đã nổi lên như một giải pháp thay thế có thể cải thiện mức độ chi tiết của việc giám sát. Tuy nhiên, việc sử dụng các cảm biến chất lượng không khí giá rẻ gây ra một số thách thức: chúng bị nhạy cảm chéo giữa các chất ô nhiễm xung quanh khác nhau; chúng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài, chẳng hạn như giao thông, thay đổi thời tiết và hành vi của con người; và độ chính xác của chúng suy giảm theo thời gian. Định kỳ hiệu chuẩn lại có thể cải thiện độ chính xác của các cảm biến chi phí thấp, đặc biệt với hiệu chuẩn dựa trên máy học, đã cho thấy nhiều hứa hẹn do khả năng hiệu chuẩn cảm biến tại hiện trường.

Trong bài viết này, phân tích ưu nhược điểm của một số loại cảm biến không khí chi phí thấp phổ biến hiện nay.

Cảm biến không khí được chia thành 2 loại dựa theo loại chất ô nhiễm mà chúng đo: chất ô nhiễm dạng khí phổ biến: CO, NO_x, SO₂, O₃, CH₄, CO₂,…và chất ô nhiễm dạng hạt như PM₁₀, PM_2.5,…

1. Cảm biến đo các chất ô nhiễm dạng khí

Trong các đơn vị cảm biến chi phí thấp cho các chất ô nhiễm dạng khí, có thể xác định bốn loại công nghệ cảm biến chính: cảm biến bán dẫn oxit kim loại (MOS), cảm biến điện hóa (EC), cảm biến hồng ngoại không phân tán (NDIR) và cảm biến máy dò quang ion hóa (PID).

Cảm biến MOS là một công nghệ cảm biến phổ biến để theo dõi nồng độ khí của một số chất ô nhiễm, chẳng hạn như hydrocacbon phi metan (NMHC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO₂), nitrogen dioxide (NO₂), sự kết hợp của nitơ oxit (NO) và NO₂ (NO_x) và ozon (O₃). Cảm biến MOS bao gồm phần tử gia nhiệt và phần tử cảm biến oxit kim loại bán dẫn. Lò sưởi làm ấm bề mặt của phần tử cảm biến lên đến 300–500 ° C, sau đó có thể phát hiện các khí thông qua phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt của nó. Phản ứng này gây ra sự thay đổi độ dẫn điện của phần tử cảm biến, có thể được theo dõi bằng cách sử dụng mạch bên ngoài để đo mức khí được phát hiện.

Cảm biến EC là công nghệ giá rẻ phổ biến khác để theo dõi nồng độ khí. Cảm biến EC đã được sử dụng để giám sát CO, NO, NO₂, O₃ và sulfur dioxide (SO₂). Các cảm biến này phát hiện khí bằng phản ứng oxy hóa-khử, sử dụng các điện cực được phân tách bằng chất điện ly, chẳng hạn như axit khoáng. Điện cực làm việc tiếp xúc với cả chất điện phân và không khí xung quanh, được giám sát qua màng xốp. Phản ứng tạo ra một dòng điện giữa các điện cực, có thể được đo từ các chân bên ngoài của cảm biến.

Cảm biến NDIR bao gồm nguồn sáng hồng ngoại, buồng lấy mẫu khí quyển, bộ lọc quang học và máy dò. Khi một chất khí đi qua buồng, ánh sáng do nguồn hồng ngoại phát ra sẽ truyền qua nó, và một số tần số bị hấp thụ tùy thuộc vào chất khí. Phần còn lại của ánh sáng chiếu vào bộ lọc quang học và bộ tách sóng, tạo ra các tần số thông qua một dòng điện. Cảm biến NDIR chủ yếu được sử dụng để phát hiện nồng độ. Tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các khí khác thông qua sự thay đổi bước sóng của ánh sáng.

Cảm biến PID hoạt động bằng cách chiếu sáng các hợp chất sử dụng các photon UV năng lượng cao. Quá trình này dẫn đến việc các hợp chất trở nên ion hóa khi chúng hấp thụ các photon UV và dẫn đến một dòng điện có thể được bắt bởi một máy dò bên trong cảm biến. Nồng độ của thành phần đo được trong hợp chất càng lớn thì càng tạo ra nhiều ion và dòng điện càng lớn. Khả năng của cảm biến PID để phân tích các mẫu có nồng độ thấp trong nhiệt độ và áp suất xung quanh làm cho chúng phù hợp để triển khai trong nhiều môi trường, điều này đã làm cho cảm biến PID đặc biệt phù hợp để phân tích các hạt nhỏ và khí trong các thí nghiệm quy mô nhỏ được kiểm soát . Tuy nhiên, độ nhạy với nước và giá thành tương đối cao làm cho cảm biến PID kém phù hợp cho việc triển khai dày đặc trong thời gian dài.

Bảng 1. So sánh ưu, nhược điểm của các loại cảm biến đo chất ô nhiễm dạng khí

Cảm biến	Chi phí	Kích thước	Tuổi thọ	Độ nhạy	Sai lệch	Sự chính xác	Tiêu tốn năng lượng	Hiệu chuẩn	Thời gian phản hồi	Các vấn đề đã biết
MOS	Thấp	Nhỏ	Dài	Cao	Có	Thấp	Cao	Thường xuyên	Nhanh	Nhạy cảm chéo với độ ẩm và các khí khác. Độ nhạy giảm ở nhiệt độ cao
EC	Thấp	Nhỏ	Ngắn	Cao	2%-15%/năm	Tốt	Thấp	Hợp lý	≈ 120 giây	Nhạy cảm với nhiệt độ. Độ ẩm thấp và nhiệt độ cao có thể làm cho chất điện phân của cảm biến bị khô.
NDIR	Cao	Nhỏ	Dài	Cao	(0,4 ± 0,4) %	Cao	Thấp	Thường xuyên	≈ 20 giây	Nhiễu phổ và giới hạn phát hiện cao. Độ nhạy chéo ít nhất với hơi nước.
PID	Cao	Nhỏ	Dài	Cao	20% trong vài tuần	Cao	Thấp	Thường xuyên	Nhanh ≈ 1giây	Nhạy cảm cao với độ ẩm cao hoặc hơi nước.

 

Nói chung, sự lựa chọn giữa các công nghệ cảm biến phụ thuộc vào đặc điểm của việc triển khai. Cảm biến MOS và EC có giá rẻ nhất và do đó phù hợp nhất cho việc triển khai quy mô lớn, trong khi cảm biến PID và NDIR phù hợp hơn với việc triển khai thưa thớt hơn. Về độ chính xác, cảm biến MOS và EC có hiệu suất tương đương, với cảm biến EC tiết kiệm năng lượng hơn, nhưng cảm biến MOS có khả năng phục hồi cao hơn. Đặc biệt, cảm biến EC không yêu cầu lò sưởi điện, nhưng chúng có thể bị hỏng trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp. Cảm biến MOS cũng bền hơn cảm biến EC. Về mặt hiệu chuẩn, cả hai cảm biến đều nhạy cảm với điều kiện thời tiết và nồng độ của các khí khác, điều này cho thấy rằng các biến này cần được đưa vào mô hình hiệu chuẩn. Về thiết kế cảm biến, cảm biến MOS có thể gây nhiễu chéo cho các cảm biến khác bằng cách đốt nóng không khí bên trong bộ phận cảm biến. Do đó, bộ phận cảm biến và các chu kỳ cảm biến cần được thiết kế cẩn thận để giảm thiểu rủi ro của các tác động đó.

2. Cảm biến đo các chất ô nhiễm dạng hạt

Cảm biến vật chất dạng hạt giám sát mật độ hạt bằng cách đánh giá những thay đổi trong đặc tính của không khí đi qua cảm biến. Không giống như cảm biến khí có thể được điều chỉnh để phát hiện các chất ô nhiễm khác nhau, cảm biến vật chất hạt không thể xác định thành phần chính xác của chất ô nhiễm. Tuy nhiên, chúng có thể được điều chỉnh để nhận ra các hạt có kích thước khác nhau.

Công nghệ cảm biến vật chất dạng hạt chi phí thấp hiện tại chủ yếu dựa trên bộ phân loại kích thước khuếch tán (DiSC) hoặc cảm biến hạt tán xạ ánh sáng (LSP). DiSCs hoạt động bằng cách nạp không khí đi qua cảm biến và ước tính mật độ hạt từ tổng điện tích sau khi áp dụng các giai đoạn lọc trên không khí được tích điện. LSPs hoạt động bằng cách sử dụng sự tán xạ ánh sáng để ước tính mật độ của các hạt.

Chi phí sản xuất của DiSC có chi phí thiết lập trả trước cao, vì chúng yêu cầu phòng sạch và các trang thiết bị đặc biệt khác. Do đó, việc sản xuất và lắp ráp số lượng cảm biến thấp có chi phí đơn vị cao (≈ $ 10 000). Ngoài ra, thiết bị thử nghiệm để đánh giá chất lượng và hiệu suất của cảm biến DiSC có thể tốn kém. Một vấn đề khác với cảm biến DiSC là khu vực cảm biến có thể trở nên không sạch, do đó cần phải làm sạch nó thường xuyên.

Bảng 2. So sánh ưu, nhược điểm của cảm biến đo chất gây ô nhiễm dạng hạt

Cảm biến	Chi phí	Kích thước	Tuổi thọ	Độ nhạy	Sai lệch	Sự chính xác	Tiêu tốn năng lượng	Hiệu chuẩn	Thời gian phản hồi	Các vấn đề đã biết
DiSC	Cao	Nhỏ	Tốt	Tốt	Có	Tốt	Cao	Hàng năm (cho thiết bị) Hàng giờ (cho phần mềm)	1 giây	Thiết bị có thể tạo ra kết quả sai nếu sol khí đi vào mang điện tích dương cao. Không thể phân biệt giữa phân bố kích thước hạt hẹp và rộng.
LSP	Rất thấp	Nhỏ	Tốt	Kém	Không	Kém	Thấp	Thường xuyên	≈ 30 giây	Trộn tất cả các kích thước hạt, sự thay đổi của dòng không khí làm giảm độ chính xác.

 

Cảm biến DiSC có độ nhạy cao và hầu như không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hoặc các điều kiện môi trường khác. Tuy nhiên, chúng cần được bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo bề mặt phát hiện vẫn đủ sạch. Mặt khác, LSP dễ bị thay đổi thời tiết nhưng ít yêu cầu bảo trì hơn, làm cho chúng phù hợp hơn cho việc triển khai dài hạn. Trong khi các công nghệ cảm biến vật chất dạng hạt khác tồn tại, chúng không phù hợp cho việc triển khai chi phí thấp do chi phí thiết bị cảm biến cao hơn và kích thước lớn hơn của đơn vị cảm biến.

Thời tiết ảnh hưởng đến nồng độ của các hạt trong không khí và do đó các phép đo của cảm biến. Do đó, cảm biến vật chất dạng hạt thường yêu cầu thông tin về điều kiện thời tiết bất kể công nghệ cảm biến bên dưới có nhạy cảm với thời tiết hay không. Gió lớn có thể làm phân tán nồng độ hạt, trong khi độ ẩm cao làm cho các hạt tụ lại với nhau, làm tăng nồng độ của nó. Ảnh hưởng của nhiệt độ chưa thật sự rõ ràng.

Nhung Nguyễn tóm tắt và lược dịch

---

Bài báo gốc:

Concas, Francesco & Mineraud, Julien & Lagerspetz, Eemil & Varjonen, Samu & Liu, Xiaoli & Puolamäki, Kai & Nurmi, Petteri & Tarkoma, Sasu. (2021). Low-Cost Outdoor Air Quality Monitoring and Sensor Calibration: A Survey and Critical Analysis. https://www.researchgate.net/publication/337944305_Low-Cost_Outdoor_Air_Quality_Monitoring_and_Sensor_Calibration_A_Survey_and_Critical_Analysis