Memmert Editor

Tủ sấy đối lưu tự nhiên MEMMERT UF30 đã được sử dụng trong một thí nghiệm nhằm nâng cao độ chính xác của cảm biến CO2 dựa trên công nghệ NDIR dùng để phân tích hơi thở.

Bạn có thể đọc toàn bộ báo cáo tại đây. Nghiên cứu này tiến hành phân tích thành phần hóa học trong hơi thở của con người. Hơi thở của chúng ta chứa hơn 3.000 loại khí khác nhau. Trong đó, rất nhiều loại khí đóng vai trò là “dấu ấn sinh học” giúp phát hiện bệnh lý, dù chúng chỉ tồn tại ở nồng độ cực kỳ nhỏ (đo bằng ppm – phần triệu, hoặc ppb – phần tỷ).

Để có thể đo lường chính xác các dấu ấn sinh học mỏng manh này, việc quan trọng nhất là phải kiểm soát và giảm thiểu các yếu tố gây nhiễu, bao gồm: hơi nước (độ ẩm), sự thay đổi về áp suất và sự biến thiên nhiệt độ của luồng khí thở ra.

Nghiên cứu đặc biệt tập trung vào việc theo dõi sự biến đổi nồng độ khí CO2 trong quá trình thở ra. Quá trình hô hấp này được chia thành 4 giai đoạn rõ rệt và được thể hiện trực quan thông qua một biểu đồ sóng có tên là Capnography (biểu đồ theo dõi nồng độ CO2).

Để đáp ứng những điều kiện kiểm soát môi trường khắt khe của thí nghiệm, Tủ sấy MEMMERT UF30 — một thiết bị thuộc dòng tủ sấy chuyên dụng — đã được sử dụng.

Các giai đoạn thở ra được xác định dựa trên nồng độ CO2 thở ra

Các nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu

Mô hình phân tích hoạt động của cảm biến

Trong nghiên cứu này, các chuyên gia đã đánh giá hiệu suất của loại cảm biến CO2 sử dụng công nghệ hồng ngoại không phân tán (NDIR), nhằm xác định khả năng đo lường nồng độ khí CO2 chính xác đến mức nào.

Các thành phần của cảm biến NDIR: P0 (λ) là công suất bức xạ tới buồng thu (detector) khi không có khí trong buồng khí (a), PABS (λ) là công suất bức xạ tới buồng thu khi có khí thử nghiệm trong buồng khí (b)

Cảm biến được các nhà nghiên cứu thiết lập thành một mô hình lý thuyết trên máy tính để xác định các đặc tính quang phổ (cách ánh sáng bị hấp thụ).

Những dữ liệu về quá trình hấp thụ ánh sáng đó (gọi là phổ hấp thụ) tiếp tục được đưa vào phân tích chi tiết bằng một phần mềm chuyên dụng có tên là Hitran-PC.

Đồng thời, các chuyên gia tiến hành chạy các mô phỏng thử nghiệm ảo. Bước này giúp họ quan sát và nhận diện rõ ràng các hiện tượng vật lý cốt lõi đang thực sự diễn ra bên trong hệ thống cảm biến NDIR.

Các thông số chính của các thành phần trong mô hình cảm biến NDIR

Để xác định mức độ tin cậy của thiết bị, các nhà nghiên cứu đã tiến hành các bài kiểm tra cảm biến ở nhiều mức áp suất và nhiệt độ khác nhau. Mục tiêu là tìm hiểu xem sự thay đổi của hai yếu tố môi trường này ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác của cảm biến NDIR.

Phân tích thực tế đã chứng minh rằng, sự biến thiên của nhiệt độ và áp suất gây ra tác động trực tiếp lên hai yếu tố kỹ thuật quan trọng:

    1. Độ hấp thụ bức xạ: Làm thay đổi mức độ cản ánh sáng của luồng khí thở ra.

    2. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR): Làm ảnh hưởng đến độ rõ nét và độ trong trẻo của tín hiệu thu về.

Kết luận: Chính sự xáo trộn của hai yếu tố kỹ thuật nêu trên đã trực tiếp làm suy giảm độ chính xác tổng thể của cảm biến NDIR trong quá trình đo đạc nồng độ CO2.

Phân tích ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ

Để đánh giá chính xác tác động của môi trường, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích sâu vào hệ thống thu tín hiệu (detector) của cảm biến thông qua hai bước kỹ thuật:

  • Đo lường mức độ nhiễu: Trong quá trình hoạt động, các linh kiện điện tử luôn tự sinh ra một lượng “tạp âm” nhất định do tác động của nhiệt độ. Các kỹ sư đã tính toán mức độ nhiễu nội bộ này dựa trên dòng nhiễu nhiệt (những sai lệch dòng điện rất nhỏ phát sinh do sự dao động nhiệt bên trong thiết bị).

  • Xác định công suất tương đương nhiễu (NEP): Từ các số liệu về nhiễu nhiệt kể trên, nhóm nghiên cứu đã xác định được chỉ số NEP. Hiểu một cách đơn giản, thông số này cho biết đâu là mức thay đổi nồng độ CO2 nhỏ nhất mà cảm biến vẫn có thể nhận diện được một cách rõ ràng, sắc nét mà không bị lẫn vào các tạp âm của máy.

Sự thay đổi độ hấp thụ CO2 trên vạch hấp thụ khí đã chọn (a), Độ hấp thụ CO2 trong buồng khí và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) dưới dạng hàm của áp suất không khí do con người thở ra (b)

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của cảm biến đạt mức 17,85 dB. Chỉ số này khẳng định rằng tín hiệu dữ liệu mà máy thu được rất mạnh và rõ ràng, không bị lấn át bởi các nhiễu loạn nội bộ hay môi trường.

Khi đánh giá tác động của nồng độ CO2, các chuyên gia phát hiện ra một ưu điểm lớn: Sự thay đổi nồng độ CO2 chỉ tác động đến độ hấp thụ ánh sáng của khí (đúng theo nguyên lý hoạt động vật lý của máy), nhưng hoàn toàn không làm suy giảm chất lượng tín hiệu đo đạc. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu gần như được duy trì cố định, với mức sai số hoặc dao động cực kỳ nhỏ (chưa tới 0,5%).

Thiết lập hệ thống thí nghiệm để kiểm tra cảm biến CO2. T – cảm biến nhiệt độ, P – cảm biến áp suất

Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng Tủ sấy MEMMERT UF30, bộ điều khiển lưu lượng khối MKS Type 1179A, cảm biến nhiệt độ và áp suất BMP280, cùng với cảm biến UTECH UT100C ETCO2. Các hàm hiệu chỉnh được đánh giá và tính toán bằng phần mềm OriginPro 2020.

Ảnh hưởng của áp suất đến kết quả đọc của cảm biến CO2 UT100C trước và sau khi hiệu chỉnh
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đọc của cảm biến CO2 UT100C trước và sau khi hiệu chỉnh
Các hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đối với các phép đo của cảm biến CO2  

Kết luận

Cảm biến CO2 NDIR được sử dụng phổ biến để đo lường nồng độ khí carbon dioxide (CO2) trong hơi thở của bệnh nhân. Tuy nhiên, trên thực tế, áp suất và nhiệt độ của luồng không khí đi qua cảm biến không phải lúc nào cũng được hệ thống giám sát và đo lường song song. Sự thiếu sót này chính là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến các kết quả đo bị sai lệch.

Để khắc phục triệt để vấn đề này, một quy trình hiệu chỉnh nhằm bù trừ các tác động của áp suất và nhiệt độ đã được áp dụng thử nghiệm trên dòng cảm biến CO2 UT100C. Kết quả mang lại rất ấn tượng: Các hệ số hiệu chỉnh đã giúp giảm độ không đảm bảo đo (sai số tương đối) từ 19% xuống mức dưới 5%.

Việc áp dụng các bước hiệu chỉnh này là một yêu cầu quan trọng cần xem xét kỹ lưỡng đối với bất kỳ quy trình phân tích nào sử dụng cảm biến CO2 NDIR, bởi các hiện tượng vật lý gây sai số tương tự gần như chắc chắn sẽ xảy ra trên mọi thiết bị.

Tính đúng đắn của toàn bộ quy trình hiệu chỉnh này đã được chứng minh và xác thực cả trên mô hình lý thuyết lẫn trong môi trường thực nghiệm thực tế, với sự hỗ trợ đắc lực của Tủ sấy MEMMERT UF30 — một thiết bị kiểm soát nhiệt độ nổi bật thuộc dòng Tủ sấy của MEMMERT.

Giới thiệu về Tủ sấy MEMMERT

Tủ sấy MEMMERT là một thiết bị thuộc dòng tủ sấy SingleDISPLAY và TwinDISPLAY của thương hiệu MEMMERT. Tủ cung cấp dải nhiệt độ lên đến +300°C và người dùng có thể linh hoạt lựa chọn giữa đối lưu tự nhiên hoặc tuần hoàn không khí cưỡng bức.

Tủ rất dễ vận hành nhờ bảng điều khiển trực quan và được trang bị các tính năng lập trình chu kỳ nhiệt độ và trao đổi khí, cũng như hệ thống gia nhiệt sơ bộ không khí (pre-heated fresh air system) giúp ngăn ngừa sự dao động nhiệt độ (đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ tối ưu).

Tủ được chế tạo từ vật liệu thép không gỉ chất lượng cao, chống ăn mòn và cung cấp hàng loạt các tùy chọn cho việc lập trình, lưu trữ dữ liệu thông qua các cổng giao tiếp, bộ ghi dữ liệu (data logger) tích hợp và phần mềm AtmoCONTROL. Sản phẩm còn đi kèm với chế độ bảo hành 01 năm. Ngoài ra, model Um có thể được sử dụng như một thiết bị y tế chuyên dụng để làm nóng các túi chườm nóng, silicate và APS ứng dụng trong vật lý trị liệu.