Trong môi trường đô thị hiện đại, đặc biệt là tại các tầng hầm tòa nhà, khí carbon monoxide (CO) – một loại khí độc không màu, không mùi – luôn tiềm ẩn nguy cơ đe dọa sức khỏe con người. Việc phát hiện sớm và cảnh báo kịp thời nồng độ khí CO là yếu tố then chốt để bảo vệ an toàn cho cư dân và nhân viên trong tòa nhà. Khí CO sinh ra khi các nhiên liệu chứa carbon như than, gas, xăng, dầu… bị đốt cháy không hoàn toàn. Trong các khu vực kín như hầm để xe, phòng máy hoặc tầng hầm của các tòa nhà, khí CO có thể tích tụ nhanh chóng và trở thành mối nguy hiểm lớn cho sức khỏe con người. Đó là lý do vì sao cảm biến khí CO ngày càng trở thành thiết bị không thể thiếu trong các công trình dân dụng và công nghiệp hiện đại. Đặc biệt, trong các tầng hầm tòa nhà, nơi phương tiện thường xuyên ra vào và thải khí CO, việc lắp đặt cảm biến CO là điều bắt buộc để đảm bảo an toàn cho cư dân và người làm việc bên trong.
Định nghĩa
Cảm biến CO (Carbon Monoxide Sensor) là một thiết bị quan trọng trong hệ thống cảnh báo toàn diện, chuyên dùng để phát hiện khí CO (carbon monoxide) trong không khí. Khí CO là một loại khí độc, không màu, không mùi và không vị, khiến nó khó được phát hiện bằng các giác quan thông thường. Tuy nhiên, CO có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe, bao gồm ngộ độc nặng và thậm chí tử vong nếu tiếp xúc ở nồng độ cao trong thời gian dài.
Việc sử dụng cảm biến khí CO giúp cảnh báo sớm về sự hiện diện của khí CO, giảm thiểu nguy cơ tiềm ẩn và bảo vệ người sử dụng khỏi những nguy hại không thể nhìn thấy của loại khí này.
Nguyên lý hoạt động
Theo nguyên lý phản ứng của cảm biến carbon monoxide chủ yếu được chia thành các loại sau:
Nguyên lý bán dẫn
Nguyên lý làm việc: độ nhạy của cảm biến bán dẫn với khí phụ thuộc vào nhiệt độ tại đó phần tử nhạy được đốt nóng. Để phát hiện carbon monoxide, nhiệt độ tối ưu để phần tử nhạy được đốt nóng là dưới 100oC. Nhiệt độ này là thấp hơn nhiều nhiệt độ phát hiện của các khí khác (như butan, metan, hydro,...). Tuy nhiên, nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng của cacbon monoxit giảm và các đặc tính nhạy cảm dễ bị ảnh hưởng bởi hơi nước trong không khí.
Ưu điểm: giá rẻ và hiệu quả tốt.
Nhược điểm: sử dụng nhiều điện năng, không phù hợp với nguồn điện ắc quy, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm, các luồng gió…, khả năng chống nhiễu kém, tỷ lệ báo giả cao.
Nguyên lý đốt cháy xúc tác
Ưu điểm: đo lường chính xác, phản hồi nhanh và tuổi thọ cao.
Nhược điểm: nằm trong dải khí dễ cháy, không có tính chọn lọc, có nguy cơ bắt lửa cao dễ cháy nổ. Hầu hết các hơi nguyên tố hữu cơ nguyên tố đều có thể gây hỏng cảm biến.
Nguyên lý điện hóa
Khi đặt một hiệu điện thế cố định vào các điện cực âm và dương của tế bào điện phân, phản ứng xảy ra đồng thời trên điện cực làm việc và điện cực ngược.
Phản ứng tổng thể là carbon monoxide bị oxy hóa thành carbon dioxide, tạo ra dòng điện tử hình thành dòng điện bên ngoài. Sự cân bằng điện tích được hoàn thành bởi sự di chuyển của các hạt mang điện điện trong chất điện phân.Tính năng lớn nhất của cảm biến carbon monoxide điện hóa là: dòng điện hoàn toàn tỷ lệ với nồng độ carbon monoxide, tín hiệu đầu ra có mối quan hệ tuyến tính tốt với nồng độ khí. Vì vậy việc xử lý và hiển thị tín hiệu rất dễ dàng. Một ưu điểm khác là phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng, không cần gia nhiệt, cho nên giữa hai điện cực có thể dùng pin, dễ dàng lắp đặt.
Ưu điểm: Kích thước nhỏ, điện năng tiêu thụ thấp, độ nhạy cao, ổn định tốt, tuyến tính tốt, độ lặp lại tốt, tốc độ phản hồi nhanh, tuổi thọ cao.
Nhược điểm: Giá cả, hiệu suất, quy trình, hiệu suất chống nhiễu, sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm giữa các hãng khá khác nhau.
Nguyên tắc NDIR hồng ngoại
Nguyên lý hoạt động: Các phân tử gồm hai nguyên tử khác nhau sở hữu mômen lưỡng cực (tích của chiều dài lưỡng cực và điện tích ở một đầu). Khi chất khí được chiếu bằng ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ bị hấp thụ bởi cấu trúc phân tử khí.
Ưu điểm: phạm vi đo rộng, độ chính xác, tin cậy cao, tính chọn lọc tốt, không có hiệu ứng hấp phụ, ít chịu ảnh hưởng yếu tố gây nhiễu của môi trường và tuổi thọ cao.
Nhược điểm: giá thành khá cao, khó bảo trì, kích thước lớn, không phù hợp với các dụng cụ cầm tay, không phù hợp với nguồn điện lâu dài.
Các loại cảm biến
1. Cảm biến CO độc lập (standalone)
Cảm biến CO độc lập là một thiết bị quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe toàn diện của con người, đặc biệt là trong các không gian sống hoặc làm việc có nguy cơ cao bị ô nhiễm khí CO. Đây là loại cảm biến hoạt động độc lập, không cần kết nối với hệ thống nhà thông minh hay bất kỳ mạng điều khiển phức tạp nào.
Điều này mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, vì thiết bị có thể dễ dàng lắp đặt và sử dụng mà không cần trải quaquá trình cài đặt hay tích hợp vào hệ thống lớn. Bạn có thể đặt cảm biến ở bất kỳ vị trí nào trong nhà hoặc văn phòng mà bạn chọn là thiết bị cần thiết, chẳng hạn như gần bếp gas, lò nướng hoặc trong phòng ngủ – những khu vực có khả năng tích tụ khí CO cao.
2. Cảm biến CO kết nối smarthome (WiFi, Zigbee)
Loại cảm biến CO này không chỉ hoạt động độc lập mà còn có khả năng kết nối với hệ thống nhà thông minh thông qua các giao thức như WiFi hoặc Zigbee, mang lại lợi ích và sự linh hoạt vượt trội cho người sử dụng.
Khi kết nối với hệ thống nhà thông minh, cảm biến khí CO có thể gửi thông báo trực tiếp đến điện thoại hoặc các thiết bị thông minh khác của bạn ngay khi phát hiện nồng độ khí CO vượt quá mức an toàn. Điều này giúp người dùng có thể nhận được cảnh báo đáp ứng kịp thời dù họ ở bất cứ đâu trong nhà hoặc ngay cả khi đang ở bên ngoài.
3. Thiết bị tích hợp cả hai
Thiết bị cảm biến này là một giải pháp kết hợp toàn diện giữa cảm biến khí CO và cảm biến khói, mang lại khả năng bảo vệ an toàn tối ưu cho người sử dụng. Việc kết hợp cả hai loại cảm biến thông minh trong cùng một thiết bị giúp gia đình bạn được bảo vệ khỏi cả hai mối nguy hiểm phổ biến: ngộ độc CO và khói. Đây là một tính năng đặc biệt quan trọng, vì trong nhiều trường hợp, khí CO và khói có thể xuất hiện đồng thời trong không gian sống, ví dụ như khi có hỏa hoạn hoặc các chất đốt cháy không hoàn toàn.
Ngăn ngừa ngộ độc CO
Cảm biến khí CO được thiết kế để đo nồng độ CO theo thời gian và phát ra âm thanh cảnh báo trước khi mức CO nguy hiểm tích tụ trong môi trường, đưa ra cảnh báo đầy đủ cho mọi người để thông gió khu vực hoặc sơ tán một cách an toàn. Một số cảm biến được tích hợp với hệ thống còn có khả năng gửi cảnh báo đến trung tâm giám sát, giúp điều phối dịch vụ khẩn cấp khi cần thiết.
Mặc dù cảm biến CO không thể thay thế cảm biến khói và ngược lại, nhưng trên thị trường vẫn có loại cảm biến kết hợp khói/CO. Trong gia đình, một số nguồn phát thải CO phổ biến gồm ngọn lửa trần, máy sưởi di động, máy nước nóng, ống khói bị tắc, hoặc việc vận hành xe và nướng đồ ăn trong gara.
Cảm biến khí CO có thể chạy bằng pin hoặc dùng nguồn DC/AC (có hoặc không có pin dự phòng). Các cảm biến CO chạy bằng pin được quảng cáo tuổi thọ pin lên tới 10 năm. Cảm biến khí trong thiết bị báo động CO có tuổi thọ giới hạn, thường từ hai đến năm năm. Các mẫu máy mới hơn được thiết kế để báo hiệu nhu cầu thay thế sau một khoảng thời gian đã định. Cảm biến CO đều có nút "kiểm tra" giống như máy báo khói, nhưng nút kiểm tra chỉ kiểm tra pin, mạch điện tử và còi chứ không kiểm tra khả năng cảm nhận khí gas của chuông báo.
Theo hướng dẫn về carbon monoxide của Hiệp hội phòng cháy chữa cháy, cảm biến CO phải được lắp đặt ở từng khu vực phòng ngủ trong nhà và mỗi cảm biến phải được đặt "trên tường, trần nhà hoặc vị trí khác như được chỉ định trong hướng dẫn lắp đặt đi kèm". Cảm biến CO có sẵn dưới dạng mẫu độc lập hoặc thiết bị được kết nối với hệ thống có thể được giám sát từ xa.
