Hiện nay nhu cầu về các hệ thống quan trắc khí thải tự động trong các cơ sở sản xuất công nghiệp là rất lớn. Tuy nhiên, chưa có đơn vị, tổ chức nào nghiên cứu và sản xuất được các sản phẩm phục vụ nhu cầu trên. Các hệ thống quan trắc hiện nay đều được nhập khẩu từ các hãng trên thế giới với giá thành đắt đỏ, lên tới hàng trăm triệu với mỗi bộ đo nồng độ khí, và hàng tỷ đồng với hệ thống quan trắc hoàn chỉnh. Do đó, việc đặt ra các mục tiêu nghiên cứu thiết kế, tiếp cận công nghệ chế tạo các đầu đo nồng độ khí, nghiên cứu chế tạo bộ thu thập dữ liệu tập trung, phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính nhằm tạo ra hệ thống quan trắc khí thải tự động là rất cần thiết.

Với mục tiêu nghiên cứu, thiết kế, tiếp cận công nghệ chế tạo các thiết bị đo nồng độ các loại khí thải có nhiều trong các nhà máy phân bón và hóa chất là SO2 và HF. Viện Nghiên cứu điện tử, tin học và tự động hóa (Bộ Công Thương) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo một số cảm biến trong hệ thống quan trắc khí thải công nghiệp dựa trên nguyên lý quang học”.

Sau hai năm thực hiện, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công thiết bị đo HF (phạm vi đo từ 5 - 50ppm) và thiết bị đo SO2 (phạm vi đo từ 50 - 200ppm). Các thiết bị sử dụng nguồn điện 220V, sai số trong phạm vi giám sát là +5% với thời gian đáp ứng đo dưới 30 giây.

Qua nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thu phát hồng ngoại, tử ngoại, các vấn đề kỹ thuật quang học, bám sát mục tiêu cụ thể do đơn vị phối hợp đặt ra, nhóm đề tài đã lựa chọn được phương pháp đo cho từng loại khí.

Cụ thể, phương pháp đo khí dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng là những công nghệ mới, có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp truyền thống điện hoá, đặc biệt với bài toán quan trắc khí thải liên tục. Do đó, nhóm lựa chọn phương pháp hấp thụ ánh sáng để đo nồng độ khí hai loại khí HF và SO2.

Bước sóng hấp thụ mạnh và thông dụng với khí HF là 1273nm và 2475nm. Với khí SO2 là 2460nm và 4020nm. Căn cứ vào những nghiên cứu về thị trường cung ứng vật tư linh kiện, nhóm thực hiện lựa chọn phương pháp TDLAS để đo nồng độ khí HF tại bước sóng 1273nm.

Đối với khí SO2, các laser Diode tại bước sóng 2460nm và 4020nm có giá thành đắt đỏ, tương đương vài chục ngàn USD/cặp thu phát laser, trong khi đó SO2 cũng hấp thụ mạnh ánh sáng trong dải tử ngoại. Do đó nhóm lựa chọn phương pháp DOAS để đo nồng độ khí SO2.

Để chế tạo thiết bị đo, nhóm đề tài đã lựa chọn phương pháp TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption spectroscopy) để chế tạo thiết bị đo nồng độ HF và phương pháp DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) để chế tạo thiết bị đo nồng độ khí SO2.

Dựa trên yêu cầu cụ thể của doanh nghiệp, năng lực kỹ thuật và mục tiêu đề tài đặt ra, nhóm nghiên cứu sẽ tự thiết kế chế tạo hoặc đặt mua các chi tiết kỹ thuật cần thiết để hoàn thiện các bộ thiết bị đo. Các phần linh kiện cứng cần thiết như khoang chứa mẫu khí đo, module cụm đo, khối truyền thông, giao diện HMI, khung vỏ thiết bị… được nghiên cứu, chế tạo hoặc lựa chọn đặt mua thiết bị và lắp ráp theo sơ đồ đã được xây dựng.

Các phần mềm nhúng cho các thiết bị đo cũng là một yếu tố quan trọng quyết định độ chính xác của thiết bị. Để thực hiện các chức năng cơ bản của hai hệ thống đo là cảnh báo, truyền thông, tương tác với người điều khiển, các phần mềm nhúng được thiết kế bao gồm: phần mềm nhúng cho các thiết bị đo khí; phần mềm nhúng cho bộ thu thập dữ liệu; phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính.

Qua thử nghiệm, đối sánh với số liệu lưu trữ của xí nghiệp cho thấy các thiết bị hoạt động ổn định trong thời gian dài. Kết quả đo SO2 từ thiết bị của đề tài so với thiết bị đo của xí nghiệp nằm trong khoảng sai số cho phép, đa phần nhỏ hơn 3.5% - 5%.

Từ đây, nhóm đề tài kết luận đã hoàn thành đầy đủ các nội dung đăng ký. Hai sản phẩm của đề tài là bộ thu thập dữ liệu tập trung datalogger và phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính sẽ được cung cấp cho Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao. Với thiết bị đo khí, do các yêu cầu phải có CO, CQ nên sản phẩm thiết bị đo HF và SO2 chưa được sử dụng.