Thiết bị đo khí sử dụng công nghệ FPAA

Loại này có thể sử dụng để đo một loại khí hoặc hơi riêng biệt với độ chính xác cao; không dễ bị nhiễm độc; đo được nồng độ khí ở hàm lượng rất nhỏ cỡ ppm, nhưng có nhược điểm là chỉ làm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-PHẠM VĂN HIẾU

THIẾT BỊ ĐO KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN

Hà Nội – Năm 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-PHẠM VĂN HIẾU

THIẾT BỊ ĐO KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan quyển luận văn thạc sỹ khoa học: “Thiết bị đo khí sử dụng công nghệ FPAA” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

PGS.TSKH Trần Hoài Linh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành quyển luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2012

Học viên

Phạm Văn Hiếu

Hình 1.1 Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác 11 

Hình 1.2 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) 14 

Hình 1.3 Cấu tạo cảm biến điện hóa 17 

Hình 1.4 Tam giác bốc lửa 25 

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của mạch an toàn tia lửa hoạt động theo nguyên tắc hạn chế khả năng gây cháy nổ bằng cách hạn chế năng lượng điện và nhiệt độ bề mặt Mạch bao gồm thành phần cơ bản: nguồn điện, điện trở, điện cảm và điện dung .27 

Hình 1.6 Mạch thuần trở 27 

Hình 1.7 a) Đường đặc tính bốc lửa tối thiểu theo nhóm khí cho thiết bị điện dùng trong khai thác mỏ (nhóm I) b) Đường đặc tính giới hạn nổ cao và giới hạn nổ thấp của từng loại khí 28 

Hình 1.8 Hàng rào an toàn dùng đi-ốt zener 31 

Hình 1.9 Kết nối thiết bị giữa vùng an toàn và vùng nguy hiểm thông qua rào chắn antoàn tia lửa dùng đi-ốt zener .32 

Hình 1.10 Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp 33 

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 35 

Hình 2.2 Vi xử lý trung tâm PSoC 36 

Hình 2.3 Sơ cấu trúc của chíp PSoC1 và sơ đồ chân của chíp CY8C29566 37 

Hình 2.4 Chip FPAA AN231E04 40 

Hình 2.5 LCD 2x8 ký tự và Chíp DS1307 41 

Hình 2.6 Thẻ nhớ dung lượng lớn SD (1GB) 42 

Hình 2.7 Opto-Coupler PC817 và sơ đồ kết nối liên động cắt điện của thiết bị đo.42  Hình 2.8 IC Max3080 43 

Hình 2.9 IC AM422 44 

Hình 2.10.Cảm biến khí mê-tan của Nemoto 46 

Hình 2.11 Đặc tính của cảm biến khí mê-tan NPL-13S 47 

Hình 2.12 Sensor NAP-701 47 

Hình 2.13 Đặc tính đầu ra của sensor NAP-701 48 

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị 50 

Hình 3.2 Sơ đồ khối ghép nối giữa PSoC và FPAA 51 

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối chân của chip FPAA AN231E04 51 

Hình 3.4 a: Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến khí CH4 52 

Hình 3.4 b: Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến CO điện hóa 52 

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối phím bấm 55 

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối phím bấm “E” 56 

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối LCD2x8 56 

Hình 3.10 Sơ đồ mạch còi đèn và tín hiệu cắt điện 57 

Hình 3.11 Sơ đồ mạch truyền thông 58 

Hình 3.12 Sơ đồ mạch truyền 4-20mA 58 

Hình 3.13 Sơ đồ mạch bộ ắc quy 59 

Hình 3.14 Sơ đồ mạch ổn áp cảm biến CH4 59 

Hình 3.15 Sơ đồ mạch ổn áp mạch chính 60 

Hình 3.16 Các mô-đun lựa chọn đặt cấu hình cho chíp PSoC 62 

Hình 3.17 Phầm cấu hình chung 63 

Hình 3.18 Đặt cấu hình cho ADC 64 

Hình 3.19 Đặt cấu hình cho DAC 64 

Hình 3.20 Đặt cấu hình cho SPI 65 

Hình 3.21 Đặt cấu hình cho giao tiếp thẻ SD 65 

Hình 3.22 Đặt cấu hình cho giao tiếp thẻ SD 66 

Hình 3.23 Cấu hình tài nguyên chíp PSoC 67 

Hình 3.24 Sơ đồ mạch tương đương an toàn tia lửa của thiết bị 69 

Hình 3.25 Cấu tạo vỏ 77 

Hình 3.26 Ghi nhãn thiết bị 78 

Hình 3.27 Bo mạch 78 

Hình 4.1 Cấu trúc chương trình 79 

Hình 4.2 Mô tả bật/tắt thiết bị bằng phím mềm 80 

Hình 4.3 Trình tự menu cài đặt thiết bị 81 

Hình 4.4 Trình tự chế độ hiệu chỉnh 84 

Hình 4.5 Chu kỳ đo của cảm biến CH4 85 

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán đo 87 

Hình 4.7 Giao diện phần mềm công cụ 89 

Hình 4.8 Kiến trúc hệ thống 90 

Hình 4.9 Mô hình khi triển khai tại mỏ 91 

Hình 4.10 Mô hình thiết kế phòng giám sát tập trung 93 

Hình 4.11 Kết cấu của trạm cục bộ 94 

Hình 4.12 Giao diện giám sát sơ đồ đường lò 95 

Hình 4.13 Giao diện giám sát đồ thị 96 

Hình 5.2 Thiết bị đo khí hoàn thiện 98 

MỞ ĐẦU 7  

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÍ VÀ TIÊU CHUẨN PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ KHÍ BỤI NỔ 9  

1.1 Tổng quan các phương pháp đo khí 10 

1.1.1 Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) 10 

1.1.2 Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors) 13 

1.1.3 Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors) 16 

1.1.4 Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) 19 

1.2 Một số tiêu chuẩn phòng nổ sử dụng trong khai thác hầm lò và nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa 22 

1.2.1 Giới thiệu tiêu chuẩn phòng nổ 22 

1.2.2 Điều kiện gây cháy nổ 25 

1.2.3 Nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa 26 

CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU VỀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ 35  

2.1 Khối xử lý trung tâm 35 

2.2 Khối FPAA 39 

2.3 Khối hiển thị LCD, bộ định thời gian thực và phím bấm 41 

2.4 Bộ nhớ ngoài 41 

2.5 Khối cảnh báo 42 

2.6 Khối giao tiếp truyền thông RS485 43 

2.7 Khối giao tiếp tương tự 43 

2.8 Khối nguồn cung cấp 44 

2.9 Cảm biến 44 

2.10 Vỏ thiết bị 48 

2.11 Hệ thống quan trắc khí mỏ 48 

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO KHÍ 50  

3.1 Sơ đồ khối mạch thiết bị 50 

3.4 Còi đèn, tín hiệu cắt điện 56 

3.5 Khối truyền dữ liệu 57 

3.6 Ắc-quy 58 

3.7 Khối nguồn ổn áp 59 

3.8 Khối xử lý trung tấm 60 

3.9 Phân tích và thiết kế mạch an toàn tia lửa 68 

3.10 Thiết kế vỏ 76 

3.11 Bo mạch 78 

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT BỊ VÀ ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG GIÁM SÁT KHÍ 79  

4.1 Thiết kế phần mềm 79 

4.1.1 Chương trình khởi động và tắt thiết bị 80 

4.1.2 Chương trình xử lý menu 80 

4.1.2 Chế độ hiệu chỉnh mềm 81 

4.1.3 Lấy mẫu và xử lý phép đo 85 

4.1.4 Truyền thông 88 

4.1.5 Phần mềm cấu hình máy đo trên máy tính PC 89 

4.2 Đề xuất hệ thống giám sát khí 90 

4.2.1 Kiến trúc hệ thống 90 

4.2.2 Mô tả các thành phần và tính năng hệ thống 91 

CHƯƠNG V: CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN 97  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104  

Phụ lục A Các đường cong đặc tính 105  

Phụ lục B Quy trình thử nghiệm thiết bị 108  

Phụ lục C Định dạng chuỗi dữ liệu 110

MỞ ĐẦU

Ngành khai thác mỏ trên thế giới và ở Việt Nam nói riêng đang ngày càng khai thác xuống sâu, đi kèm với nó là mức độ chứa khí và thoát khí càng cao, trong những năm vừa qua nhiều các vụ tai nạn do nổ khí đã xảy ra (ở Việt Nam đã xảy ra các vụ nổ khí mê-tan ở mỏ than Mạo Khê làm chết 19 người, mỏ Thống Nhất làm chết 8 người và ở mỏ Khe Chàm làm chết 8 người), do đó vấn đề kiểm soát khí là rất quan trọng Hầu hết các nước trên thế giới đều có quy định bắt buộc đối với các

mỏ khai thác hầm lò phải trang bị hệ thống kiểm soát khí, nâng cao an toàn và tăng năng suất khai thác, do vậy nhu cầu về thiết bị đo khí là rất cao Hơn nữa với đặc thù các cảm biến khí thường là phi tuyến và độ trôi lớn nên cần được hiệu chỉnh hoặc thay thế đầu đo thường xuyên, đây cũng là yếu tố làm tăng nhu cầu làm chủ được công nghệ để chế tạo thiết bị trong nước

Hai loại khí cần kiểm soát chính trong hầm mỏ là khí CH4 và khí CO Khí CH4 là thành phần khí chủ yếu tích tụ trong các vỉa than và thoát ra ngoài trong quá trình khai thác, khi lượng khí thoát ra nhiều hoặc là thông gió trong mỏ không đáp ứng kịp nó sẽ làm giảm lượng ô-xy trong không khí gây hại cho sức khỏe thợ mỏ Một yếu tố hết sức nguy hiểm nữa đó là khi nồng độ khí CH4 trong không khí đạt đến khoảng giới hạn cháy nổ, nếu gặp được nguồn phát sinh tia lửa sẽ gây cháy nổ dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho con người và tài sản Còn khí CO là khí phát sinh do quá trình cháy thiếu ô-xy trong hầm mỏ, nhất là khi xảy ra cháy nổ khí CH4 trong hầm mỏ thì lượng khí CO sinh ra rất nhiều, phát hiện sớm sự xuất hiện khí này sẽ hỗ trợ mỏ tiến hành các biện pháp sơ tán kịp thời tránh nhiễm độc CO Thực

tế trong các vụ nổ khí mỏ thì số lượng người chết do nhiễm độc khí CO sinh ra nhiều hơn so với số người chết do va đập trực tiếp từ vụ nổ Do đó, thiết kế thiết bị

đo khí CH4 và khí CO cho hầm mỏ là nội dung chính của luận văn

Ngày nay kỹ thuật đo lường đã đạt được những bước tiến rất cao, giảm thời gian thiết kế sản phẩm thương mại tới mức tối đa có thể nhờ sử dụng các kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý có mật độ tích hợp cao và sự phát triển của công nghệ thông tin Đây là điều hết sức thuận lợi cho các kỹ sư thiết kế chế tạo các thiết bị đo lường nói chung và thiết bị đo khí nói riêng nhằm đáp ứng được nhu cầu sử dụng tại nơi họ sinh sống và giảm tối đa mọi chi phí do phải nhập ngoại Luận văn sử dụng công nghệ FPAA và vi điều khiển PSoC làm nền tảng cho việc thiết kế thiết bị đo khí

Đề tài đặt ra các mục đích và các kết quả cần đạt được như sau:

- Tìm hiểu các phương pháp đo khí, tiêu chuẩn cháy nổ và nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa

- Tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ FPAA và công nghệ PSoC

- Thiết kế máy đo nồng độ khí trong hầm mỏ sử dụng công nghệ FPAA

- Chương 3: Phân tích và thiết kế thiết bị đo khí phòng chống cháy nổ

- Chương 4: Xây dựng phần mềm thiết bị và hệ thống giám sát khí

- Chương V: Các kết quả thực hiện

- Kết quả nghiên cứu và hướng phát triển

Nội dung nghiên cứu của luận văn cho thấy khả năng ứng dụng công nghệ FPAA, PSoC trong việc chế tạo thiết bị đo lường nói chung và thiết bị đo khí nói riêng sử dụng trong môi trường công nghiệp có nguy cơ cháy nổ như các mỏ than khai thác hầm lò ở Việt Nam

Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan, chủ quan khác, nội dụng luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo PGS.TSKH Trần Hoài Linh đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÍ VÀ TIÊU CHUẨN PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ

KHÍ BỤI NỔ

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển nói chung, thiết bị đo là một trong những thiết bị trọng yếu, quyết định rất lớn tới chất lượng của tòan hệ thống Trong thiết kế thiết bị đo, trước tiên ta cần xem xét tới phương pháp đo và cảm biến để có được các lựa chọn thích hợp cho phạm vi áp dụng của thiết bị Trong chương này sẽ trình bày về một số phương pháp đo khí cũng như tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ trong hầm lò nói riêng và trong môi trường có khí bụi nổ nói chung để từ đó làm cơ

sở lựa chọn các cảm biến đo khí cho các thiết bị đo trong luận văn Có rất nhiều các phương pháp đo khí khác nhau và các nhà sản xuất không ngừng cải tiến công nghệ chế tạo cảm biến dựa trên các phương pháp đo này nhằm có được các cảm biến có

độ bền cao, độ nhạy cao, giải tuyến tính rộng và tiêu thụ ít năng lượng Xem xét 3 tiêu chí cơ bản là đơn giản, ổn định, chi phí bảo trì thấp thì các phương pháp đo thông dụng nhất được sử dụng hiện nay là: nguyên lý đo đốt xúc tác, nguyên lý đo hấp thụ tia hồng ngoại, nguyên lý đo điện hóa và nguyên lý đo bán dẫn

Ngoài ra, đối với các thiết bị sử dụng trong môi trường có nguy cơ cháy nổ thì đều có yêu cầu bắt buộc các thiết bị này phải tuân thủ các yêu cầu về cháy nổ của môi trường đó Do mục tiêu của luận văn là thiết kế thiết bị đo khí sử dụng trong môi trường khai thác hầm lò có khí bụi nổ nên thiết bị cần thiết phải thiết kế đáp ứng các tiêu chuẩn để được sử dụng trong môi trường này Có nhiều cách chống cháy nổ khác nhau cho các loại thiết bị khác nhau trong môi trường này, trong luận văn này đã lựa chọn tiêu chuẩn chống cháy nổ kiểu an toàn tia lửa, đây là phương pháp thông dụng nhất áp dụng cho các thiết bị điện tử trong môi trường cháy nổ

1.1 Tổng quan các phương pháp đo khí

1.1.1 Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor)

a Nguyên lý chung

Phần tử chính của cảm biến gồm một cuộn dây được bọc bởi lớp vật liệu thủy tinh hoặc gốm, và tiếp theo nó lại tiếp tục được phủ một lớp chất xúc tác Cuộn dây được đốt nóng bằng dòng điện dẫn qua làm cháy khí hydrocarbon CHC

(Conbustible HydroCarbon) xung quanh nó Khí CHC cháy sẽ sinh ra nhiệt lượng tỉ

lệ với nồng độ của khí cần đo, nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của cuộn dây và điện trở của nó cũng tăng lên tỷ lệ Sự thay đổi điện trở này được đo bởi mạch điện, nó chính là nguồn tín hiệu đo nồng độ khí mong muốn Đây là phương pháp đo thông dụng nhất phát hiện khí hydrocarbon cháy (CHC) Phương pháp đo này không sử dụng cho phát hiện khí H2S và một số loại khí độc khác

Ưu điểm của cảm biến loại này là nhỏ gọn, tín hiệu được tạo ra trực tiếp từ việc khí bị đốt và đây cũng chính là thuộc tính của khí mà cảm biến đo được (khí cháy) Cảm biến loại này có giá thành thấp, ổn định và dễ hiệu chỉnh, bảo trì

Nhược điểm là không phát hiện được sự suy giảm độ nhạy của cảm biến trừ khi hiệu chỉnh lại Dễ bị nhiễm độc bởi một lượng rất nhỏ silicone, halocarbon nếu không có biện pháp ngăn chặn hữu hiệu; hệ số tín hiệu so với nhiễu nhỏ; tín hiệu có thể về 0 nếu tỉ lệ phần trăm hỗn hợp khí cháy cao vượt quá định mức; thậm chí một

số cảm biến có thể bị hỏng hoàn toàn khi hoạt động liên tục ở môi trường có nồng

độ khí cháy cao

b Mô tả cấu trúc cảm biến

Cảm biến đốt xúc tác được cấu tạo từ hai phần tử riêng biệt, một phần tử (gọi

là phần tử đo) được tạo ra từ cuộn dây nhỏ được bọc kín bằng vật liệu gốm hoặc thủy tinh, sau đó được phủ một lớp chất xúc tác Lớp gốm có tác dụng giảm thiểu sự bay hơi của cuộn dây và tăng cường độ bền vật lý Phần tử thứ hai (phần tử tham chiếu) cũng có cấu tạo giống phần tử thứ nhất, ngoại trừ là thay vì phủ một lớp chất xúc tác thì nó được phủ bởi một lớp tráng mạ, nó được dùng để bù sai số do ảnh hưởng nhiệt độ môi trường, độ ẩm, thay đổi áp suất và sự lão hóa của phần tử đo

Cách vật liệu gốm và chất xúc tác đưa vào phần tử đo và cách mạ phần tử tham chiếu là hai bước rất quan trọng để có được cảm biến có độ nhạy cao, ổn định

và tuổi thọ kéo dài Để đo được loại khí CHC dễ cháy thì tính trơ của phần tử tham chiếu là rất quan trọng, nếu cả hai phần tử đều đốt cháy khí thì sẽ không tạo ra được tín hiệu Phương pháp thông dụng hay được dùng là phủ lên phần tử tham chiếu một lớp thủy tinh cách nhiệt

c Cấu tạo vỏ cảm biến

Vỏ của cảm biến loại này đóng vai trò quan trọng với độ ổn định và độ nhạy của cảm biến Vỏ của cảm biến đốt xúc tác thường được làm bằng nhôm ô-xít, thép, thép không gỉ, và đôi khi bằng nhựa dẻo Lựa chọn chất liệu nên theo tiêu chuẩn môi trường mà cảm biến được lắp đặt Ô-xít nhôm là vật liệu phù hợp với hầu hết các ứng dụng, kể cả sử dụng trong môi trường nước biển miễn là có vật liệu phù hợp giữa vỏ cảm biến, vỏ bộ chuyển đổi và hộp nối Thép không rỉ tốt hơn nhôm ô-xít, dùng ở môi trường có độ ẩm cao, có khí ăn mòn chẳng hạn như khí clo Xem cấu tạo cảm biến ở hình 1.1

Hình 1.1 Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác

Tấm chắn nhiệt

Vỏ chống lửa kim loại xốp

Chân đế cực

Hai phần tử (phần tử đo và phần tử bù) được đặt trong một lớp vỏ chống lửa bằng vật liệu như mô tả trên, ngăn cách giữa hai phần tử này là một lớp màng cách nhiệt để hạn chế sự ảnh hưởng nhiệt lượng sinh ra do khí bị đốt cháy bởi phần tử đo sang phần tử bù Hai đầu dây của mỗi phần tử được gắn vào 2 cọc kim loại, các cọc này đi xuyên qua lớp cách điện có vòng hãm kim loại, xem hình 1.1 Toàn bộ cảm biến lại được bảo vệ bởi lớp vỏ nữa ở bên ngoài, vỏ này có tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi bị va đập và có lớp màng chống bụi ở mặt trên để chống bụi bẩn bám vào cảm biến

Đặc thù của cảm biến loại này là tuổi thọ sẽ giảm dần theo thời gian, tuỳ vào

độ khắc nhiệt của môi trường lắp đặt thì tuổi thọ sẽ kéo dài hơn hoặc ngắn đi Đến một thời điểm nào đó việc thay cảm biến là không thể tránh khỏi, thường thời gian khoảng 2 năm hoặc ngắn hơn

Nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi lắp cảm biến phải có khả năng chống rung Để chống rung, các nhà chế tạo cần phải lưu ý đến cách lắp ráp cảm biến, nếu

sử dụng loại dây dẫn mềm dẻo nối từ hạt phần tử đo tới cọc nối dây thì sẽ làm cho cảm biến có khả năng chống rung Khả năng chống va đập cũng rất quan trọng, vì trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt thì khó tránh khỏi cảm biến có thể bị rơi, bị

va chạm

Chất liệu làm chất xúc tác cũng đóng vai trò hết sức quan trọng Cấu trúc của chất này ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của cảm biến, chất xúc tác có nhiều diện tích tiếp xúc thì tuổi thọ của cảm biến càng cao Hai chất xúc tác thường được sử dụng cho loại cảm biến này là Platium và Palladium Palladium hoạt động ở nhiệt

độ 400oC và mất ổn định ở nhiệt độ 650oC Platium hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ

800oC và không ổn định ở nhiệt độ 1200oC trở lên Mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng, Palladium nhiệt độ làm việc thấp hơn nên tiêu tốn ít năng lượng hơn, độ trôi điểm không ít hơn, nhưng khả năng chống độc kém hơn Platium Ngày nay, các nhà chế tạo hay sử dụng Platium hơn, do khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao

và khả năng chống độc tốt hơn Palladium Platium ít không bị ảnh hưởng bởi khí độc, phù hợp với môi trường có nhiệt độ cao, và có khả năng đo liên tục Tuy nhiên,

nó có nhược điểm là khả năng trôi điểm không lớn do hoạt động ở nhiệt độ cao Các

nhà chế tạo thường lưu ý sử dụng bọc cuộn dây bằng chất liệu gốm để giảm trôi điểm không

Vấn đề chống đánh lửa

Cảm biến hoạt động ở nhiệt độ cao nên chúng chính là nguồn phát lửa Để sử dụng được trong vùng có nguy cơ cháy nổ thì cảm biến phải đảm bảo là an toàn đối với tia lửa hoặc có thể nói chúng phải là loại phòng nổ Do đó cần thiết phải có khả năng chống lửa, tuy nhiên khi bổ sung tính năng này thì đồng thời cảm biến cũng bị hạn chế nhất định Các vấn đề của bộ phận chống lửa như sau:

- Ngăn chặn cháy nổ bên trong vỏ cảm biến truyền ra môi trường khí cháy

đo và gây ra sai số

- Bảo vệ cảm biến khỏi bị ngạt do tốc độ thoát ra rất cao của khí cháy

- Làm giảm hệ số tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu của cảm biến (SNR – to-Noise Ratio)

Signal Làm giảm thời gian đáp ứng của cảm biến

Tính chất xốp, diện tích bề mặt và bề dày của vỏ chống lửa là nhân tố chính ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của cảm biến Do đó cần xem xét đến độ lớn của các yếu tố này để sao cho thời gian đáp ứng của cảm biến ở mức độ chấp nhận được nhưng đồng thời vẫn đảm bảo được cảm biến chống được lửa, khả năng ổn định điều kiện gió, chống ngạt ở mức độ chấp nhận được

1.1.2 Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors)

a Nguyên lý chung

Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên bề mặt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC Loại cảm biến này chủ yếu sử dụng đo khí độc, rất ít sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon Chất lượng của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất

Cảm biến loại này cú tớnh lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đỏp ứng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi độ ẩm mụi trường; sự suy giảm độ nhạy cũng khụng phỏt hiện được nếu khụng hiệu chuẩn lại; cú thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liờn tục khớ ở nồng

độ cao; và cú thể bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ chất silicone, halocarbon

Cú hai loại cảm biến loại này được sử dụng thụng dụng nhất được làm từ ụ-xớt kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ụ-xớt Vonfam), được dựng chủ yếu phỏt hiện khớ hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ụ-xớt thiếc (SnO2), loại này khụng cú tớnh chọn lọc và thường được dựng để phỏt hiện sự thay đổi lớn lượng khớ độc và khớ chỏy

b Loại màng dày (SnO 2 )

Loại này thường được cấu tạo bằng cỏch nung kết ụ-xớt thiếc lờn một điện cực bằng gốm Điện cực này cú thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt cũn lại, hoặc ở dạng ống với sợi nung xuyờn qua ống (xem hỡnh 1.2)

Cuộn dây đốt nóng

Lớp thiếc ô-xít phủ trên ống gốm

Cuộn dây đốt nóng

Lớp thiếc ô-xít phủ trên ống gốm

Hỡnh 1.2 Cảm biến bỏn dẫn màng dầy thiếc ụ-xớt (SnO2)

Cơ chế phỏt hiện khớ ga loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khớ độc Nú là sự kết hợp cỏc cỏc phản ứng trờn bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khớ ga Khi cảm biến khụng được cấp nguồn, khớ ga bỏm vào bề mặt dễ dàng hơn và hậu quả là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra ngay cả khi cảm biến bị mất

cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn Khi cảm biến phát hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do đó nó cần phải được tuyến tính hoá Cảm biến loại này dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và ô-xy Với một lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định cho cảm biến, thậm chí dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình thường được phục hồi trở lại

c Loại màng mỏng (VO 3 )

Loại này được cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với hai hoặc nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ô-xít kim loại được gắn vào giữa các điện cực Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp

Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một trường điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy (bằng cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn điện, tức nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn Độ dẫn điện của chất bán dẫn ô-xít kim loại chính

là nguồn tín hiệu

d Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến bán dẫn

Có 6 yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của cảm biến mà người sử dụng nên biết

để lựa chọn và đánh giá cảm biến bán dẫn: (1) lựa chọn ô-xít kim loại, (2) nhiệt độ làm việc, (3) đặc tính hấp thụ khí, (4) độ ẩm, (5) nhiệt độ môi trường, (6) quá trình hoạt động của cảm biến

Vật liệu bán dẫn là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến toàn bộ đặc tính của cảm biến bán dẫn Thông thường các nhà sản xuất bổ sung thêm các vật liệu phụ để gia tăng đặc tính của chất bán dẫn, mục đích là để ổn định nhiệt độ của ô-xít kim loại ở nhiệt độ làm việc tốt nhất

Nhiệt độ làm việc của cảm biến bán dẫn ảnh hưởng rất nhiều đến đường đặc tính và độ nhạy của tín hiệu Chính vì thế mà các nhà sản xuất luôn mong muốn nhiệt độ làm việc của cảm biến luôn không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, từ đó đường đặc tính tín hiệu mới được tuyến tính hoá với độ chính xác cao

Đặc tính hấp thụ khí ga của ô-xít bán dẫn là yếu tố cần thiết để cảm biến loại này đo được nồng độ khí với lượng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu xung quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải được lựa chọn kỹ càng Khả năng hấp thụ khí độc của nước là rất mạnh, nước ngưng tụ bám vào các lỗ của bộ phận chống lửa sẽ làm mất tác dụng của cảm biến Biện pháp hữu hiệu nhất hiện giờ là cung cấp một nguồn năng lượng đủ cho cảm biến làm việc để hạn chế ảnh hưởng của độ ẩm và ngăn chặn nước ngưng tụ và bộ phận chống lửa của cảm biến

Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu không được cấp nguồn ở môi trường có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn Các nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 giờ trước khi cảm biến hoạt động chính thức hoặc hiệu chỉnh cảm biến

1.1.3 Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors)

a Nguyên lý

Cảm biến này thực chất là một pin nhiên liệu rất nhỏ bao gồm hai điện cực

chính được đặt vào dung dịch điện phân Một cực gọi là cực làm việc (anode), tại

cực này xảy ra các phản ứng ô-xy hóa giữa dung dịch với chất khí cần đo tạo ra các

electron và các ion tự do Cực thứ 2 (cathode) sẽ tạo ra phản ứng giữa các ion được

tạo ra ở cực thứ nhất với các chất ngoài không khí để trung hòa điện tích trong dung dịch, từ đó sinh ra dòng điện do electron tự do Đo được dòng điện này sẽ xác định được nồng độ khí cần đo Loại cảm biến này thường được dùng để đo khí CO, H2S, ô-xít ni-tơ, clo

Loại này có thể sử dụng để đo một loại khí hoặc hơi riêng biệt với độ chính xác cao; không dễ bị nhiễm độc; đo được nồng độ khí ở hàm lượng rất nhỏ cỡ ppm, nhưng có nhược điểm là chỉ làm việc ở giải nhiệt độ hẹp; tuổi thọ ngắn (khoảng 6 tháng); tuổi thọ cảm biến bị giảm đi nếu sử dụng trong môi trường quá khô ráo và nóng

b Một số đặc điểm của cảm biến điện hoá

Khí nhiễu

Khí nhiễu là khí khác với khí cảm biến cần đo và gây ra sự sai lệch của cảm biến với loại khí cần đo, giống như các loại cảm biến khác cảm biến điện hoá không

có đặc tính hoàn toàn rõ rệt Cho dù điện cực và chất điện phân được chế tạo hết sức cẩn trọng, hay thay đổi điện áp của điện cực cảm ứng và màng lọc hoá học thì cũng rất khó để có một sự xúc tác làm cho cảm biến không đáp ứng với khí nhiễu ngoài loại khí cần đo Hơn nữa việc sử dụng các màng lọc sẽ làm chậm đáp ứng của cảm biến

Hình 1.3 Cấu tạo cảm biến điện hóa

Cơ chế nghẽn

Nghẽn là tình trạng làm giảm chức năng của cảm biến hoặc có thể làm dừng hoạt động cảm biển Thông thường sự nghẽn sẽ không làm hỏng cảm biến hoàn toàn Có một số cơ chế nghẽn mà cảm biến điện hoá gặp phải:

- Hiện tượng đông cứng chất điện phân: khi nhiệt độ của cảm biến giảm

thì giảm các phản ứng hoá học mà có thể nhận biết được bằng tín hiệu

có xu hướng giảm đi Đến một thời điểm nào đó cảm biến sẽ dừng hoạt động Khi nhiệt độ trở lại bình thường thì cảm biến lại phục hồi trở lại

Do đó, khi sử dụng cảm biến điện hoá ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ làm việc của nó thì nên hâm nóng truớc khi sử dụng Nhiệt độ thấp nhất mà cảm biến điện hoá hoạt động được với thời gian kéo dài là 0oC

- Thiếu ô-xy: ô-xy là thành phần cơ bản trong các phản ứng với chất khí

Nếu ngăn chặn ô-xy cấp vào điện cực âm thì có thể không duy trì được dòng tín hiệu Dưới điều kiện làm việc bình thường, thì có thể lượng ô-

xy được cấp vào ở mức vừa đủ khi cảm biến đo một nồng độ nhỏ khí ga

trong không khí Nhưng nếu cảm biến đo nồng độ khí ga lớn kéo dài vượt quá một chu kỳ đo, hoặc nhiều loại khí ga khác nhau được cấp vào cảm biến, thì lượng ô-xy sẵn có cho một phản ứng sẽ được sử dụng nhiều hơn, và có thể dẫn đến sự thiếu hụt ô-xy trong các chu kỳ đo tiếp theo Khi đo ở môi trường có nồng độ ô-xy thấp thì cần thiết phải phân tách luồng tiếp cận không khí của điện cực âm, vì cảm biến điện hoá cần một lượng ô-xy để tạo phản ứng hoá học

- Những loại khí gây ra phản ứng nghịch: những loại khí hoặc hơi có tính

khử điện hoá ở cực âm sẽ gây ra phản ứng nghịch trong cảm biến điện hoá, chúng làm mất chức năng của cảm biến là để phát hiện chất khí ô-

xy hoá Vấn đề tương tự sẽ xảy ra với loại cảm biến điện hoá được thiết

kế để đo chất khí có tính khử

Cơ chế nhiễm độc

Bị nhiễm độc sẽ lầm cho cảm biến bị thoái hoá không phục hồi được Nếu bị nhiễm chất độc kéo dài thường sẽ dẫn đến hỏng cảm biến vĩnh viễn Hầu hết các cảm biến loại này không bị nhiễm độc trực tiếp nhưng có thể bị nhiễm độc gián tiếp Một số nhiễm độc hay gặp:

- Hơi dung môi hoà tan: nồng độ cao hơi dung môi hoà tan có thể phá huỷ lớp vỏ chất dẻo và màng lọc của cảm biến Một số hơi dung môi thông dụng nhất có thể gây hại cho cảm biến (còn tuỳ vào cấu tạo của từng loại cảm biến): cồn, Xeton, Pyridine, Amin, dung môi clo

- Nhiệt độ cao: hoạt động liên tục ở môi trường nhiệt độ cao (thường khoảng trên 40oC) sẽ làm khô và làm chín chất điện phân Ở nhiệt độ trên 30oC, rất nhiều cảm biến loại này bắt đầu mất tín hiệu đầu ra, giảm

độ nhạy

Thay đổi áp suất và độ cao

Cảm biến điện hoá không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi áp suất của môi trường trong dải thay đổi ±10% Tuy nhiên, nếu có sự thay đổi đột ngột áp suất sẽ nén nhiều khí ga vào cảm biến hơn và tạo ra dòng tín hiệu quá độ, dòng này sẽ nhanh chóng giảm về không trở về trạng thái làm việc bình thường Tuy vậy, đôi khi dòng tín hiệu bất thường này cũng gây ra các cảnh báo ảo

Ảnh hưởng của độ ẩm

Cảm biến điện hoá không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ ẩm như cảm biến bán dẫn Tuy nhiên, nếu hoạt động liên tục trong môi trường có độ ẩm dưới 15% và trên 90% sẽ làm thay đổi nồng độ của chất điện phân và ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến Quá trình này diễn ra rất chậm phụ thuộc vào nhiệt độ, chất điện phân và màng chắn bay hơi Khi độ ẩm tăng làm tăng dung tích của chất điện phân, đến một thời điểm nào đó dung tích chất điện phân vượt quá khoảng cho phép và gây rò rỉ chất điện phân Hơn nữa, độ ẩm cao làm chất điện phân dễ bị đóng băng hơn Ngược lại, khi điều kiện làm việc khô ráo, nồng độ a-xít chất điện phân tăng lên, tạo

ra hiện tượng kết tinh và tạo điều kiện cho a-xít tấn công các bộ phận làm kín, làm cảm biến dễ bị nhiễm độc

1.1.4 Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors)

a Nguyên lý

Các loại cảm biến hấp thụ ánh sánh đang ngày càng có giá thành rẻ hơn và có

độ ổn định cao Loại cảm biến này thường được sử dụng để đo các loại khí hấp thụ ánh sáng và thường là trong dải ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng mắt người nhìn thấy, hoặc ánh sáng tia tử ngoại Có nhiều loại khí được đo bằng loại này và có độ ổn định rất cao như: CO, CO2, Clo, hyđrôxianua, khí ga lạnh

Cảm biến sử dụng hai chùm tia phản xạ hồng ngoại chiếu vào buồng phân tích,

bộ phận màn che làm cho hai chùm tia không liên tục nhưng luôn xảy ra đồng thời, một chùm đưa vào buồng phân tích được để hở để chất khí cần đo lọt vào, một chùm tia được đưa qua buồng chuẩn và đưa đến bộ phận phát hiện Khi có chất khí hấp thụ năng lượng tia hồng ngoại thì bộ phát hiện nhận được ít bức xạ hồng ngoại hơn bình thường, sự suy giảm này tỉ lệ với nồng độ chất khí cần đo

Ưu điểm của loại cảm biến này là có thể sử dụng để đo một loại khí cụ thể; ít khi phải hiệu chỉnh lại so với các loại cảm biến khác; các bộ phận đo không tiếp xúc trực tiếp với chất khí cần đo; không cần yêu cầu phải có một lượng ô-xy tối thiểu như các cảm biến đốt xúc tác; bảo trì ít

Tuy nhiên, nó có hạn chế như bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và nước; bụi bẩn có thể làm các cơ cấu quang học, làm giảm đáp ứng của cảm biến; giá thành cao

b Các thành phần và đặc điểm của cảm biến hồng ngoại

Thành phần cơ bản

Các thành phần cơ bản của hệ thống đo khí hồng ngoại bao gồm: nguồn bức

xạ hồng ngoại, bộ phận phát hiện/đo bức xạ, đường dẫn giữa nguồn phát và bộ phận

đo bức xạ (phần này được để hở ra để cho không khí đi vào) Tuỳ vào thiết cụ thể,

hệ thống đo khí hồng ngoại cũng có thể cần có các tấm lọc ánh sáng, bộ tạo xung điện, gương phẳng, thấu kính, hoặc các phần tử quang học khác

Trong điều kiện lý tưởng, cảm biến hồng ngoại có thể quan sát ánh sáng ở bước sóng trong dải hấp thụ của loại khí cần đo Nếu khí ga đi vào đường dẫn ánh sáng và mức ánh sáng bị giảm đi, biên độ giảm của ánh sáng sẽ được dùng để đo nồng độ của khí cần đo trong đường dẫn ánh sáng Tuy nhiên, cảm biến đo khí không phải là thiết bị đo lý tưởng Nguồn ánh sáng bức xạ vào buồng đo của cảm biến sẽ thay đổi theo thời gian sử dụng, theo nguồn cấp, và những ảnh hưởng khác Hơn nữa, bộ phận đo bức xạ luôn có xu hướng sai lệch cần phải bù lại Trong thực

tế, thiết bị đo khí hồng ngoại thường phức tạp hơn so với mô tả trên, và nó bao gồm nhiều bộ phận cấu thành như sau:

có chất khí cần đo Sự suy giảm bức xạ này tỷ lệ với nồng độ khí cần đo

Tín hiệu tham chiếu

Sự thay đổi về độ nhạy của bộ phận đo ánh sáng, hoặc thay đổi cường độ nguồn sáng có thể gây sai lệch cho kết quả đo Do đó, hầu hết các thiết kế đều sử dụng kênh tham chiếu để giám sát sự nguyên vẹn của hệ thống đo Kênh tham chiếu này thường là bộ phận đo thứ hai, nó có nhiệm vụ kiểm tra cường độ nguồn ánh sáng phát ra Với cơ chế đóng/cắt nguồn và kết hợp với kênh tham chiếu, thiết bị đo

hồng ngoại sẽ liên tục kiểm tra sự làm việc của nó và bù lại những thay đổi chậm để không làm ảnh hưởng đến kết quả đo

Chiều dài đường dẫn

Bức xạ của nguồn sáng có thể coi như một tia các hạt photon Theo luật Bouguer thì số lượng hạt photon bị hấp thụ sẽ tỉ lệ với công suất của nguồn phát và

Beer-tỉ lệ với lượng khí ga hấp thụ photon Chiều dài đường dẫn càng dài thì càng nhiều

số lượng phân tử của chất khí trong đường dẫn, và số lượng photon càng bị hấp thụ nhiều hơn Tuy nhiên, nếu đường dẫn quá dài thì sẽ xảy ra hiện tượng chất khí có thể hấp thụ hầu hết hạt photon khi nồng độ khí đạt ngưỡng nào đó, đây gọi là hiện tượng bão hoà Khi thiết kế, cần phải xác định dải đo tối đa để thiết bị chỉ làm việc

ở dải dưới giá trị bị bão hoà

Tính hấp thụ có lựa chọn

Như đã nói ở trên, bản chất đo nồng độ khí của thiết bị đo hồng ngoại là hấp thụ ánh sáng Nếu lựa chọn được tần số ánh sáng phù hợp thì có thể đo được loại khí mong muốn Để có thể lựa chọn được tính hấp thụ (tức chỉ đo loại khí cần đo) thì cần phải hạn chế để máy đo bức xạ ánh sáng chủ yếu đo được các photon ở bước sóng mà khí cần đo hấp thụ được

Cho đến nay, chưa có loại khí ga nào chỉ hấp thụ một bước sóng ánh sáng, mà phần lớn nó có tính chất hấp thụ nhiều nhất ở dải bước sóng nào đó Các nhà chế tạo thường tìm ra một điểm hấp thụ tốt nhất của loại khí mà máy đo cần đo để giảm tối

đa sai số cho thiết bị Nếu lựa chọn không chuẩn thì các loại khí nhiễu khác (khí không cần đo) sẽ hấp thụ ánh sáng nhiều và gây ra sai số lớn cho thiết bị

Bộ phận đo bức xạ ánh sáng

Có rất nhiều kiểu đo bức xạ ánh sáng đo được dải bức xạ tầm trung của tia hồng ngoại Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, không có loại đo nào hoàn toàn lý tưởng Các nhà chế tạo tận dụng được ưu điểm và phạm vi ảnh hưởng của các nhược điểm sẽ quyết định sự thành công của thiết bị đo trong các ứng dụng cụ thể Có thể phân chia thành một số loại đo theo cơ chế hoạt động như:

đo nhiệt, đo bằng quang dẫn lượng tử, đo bằng lượng tử quang điện, đo bằng quang

âm (Pneumatic hay Photo-Acounstic)

Những yếu tố ảnh hưởng tới thiết bị đo hồng ngoại

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự đo đếm của thiết bị đo hồng ngoại, những ảnh hưởng này cũng cần phải được xem xét khi chế tạo thiết bị để đo bất kỳ loại khí nào Một số yếu tố quan trọng nhất cần lưu ý như sau:

- Nhiệt độ: hầu hết thiết bị đo hồng ngoại đều rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt

độ lạnh ít ảnh hưởng hơn Khi nhiệt độ cao thì độ nhạy của cảm biến sẽ giảm xuống hoặc bị trôi tín hiệu

- Độ ẩm: Độ ẩm là yếu tố gây nhiễu cho thiết bị Hơi nước trong suốt với ánh

sáng hồng ngoại ở bước sóng 3-4.6 micron, nhưng nó sẽ hấp thụ đáng kể tia hồng ngoại ở dải trung ngoài dải bước sóng trong suốt và gây sai số cho thiết bị đo Ngoài ra, hơi nước có thể ngưng tụ trên các bộ phận quang học, đường dẫn quang gây lệch hướng hoặc nhiễu xạ tia hồng ngoại

- Áp suất: Khi áp suất năng thì nhiều phân tử chất khí đi vào đường dẫn hơn

bình thường và dẫn đến hấp thu bức xạ photon nhiều hơn với cùng một nồng độ chất khí

Các thiết bị đo khí hồng ngoại ngày nay thường bổ xung thêm các cảm biến

đo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất môi trường xung quanh nó lắp đặt để bù lại những sai

số do các yếu tố này gây ra

1.2 Một số tiêu chuẩn phòng nổ sử dụng trong khai thác hầm lò và

nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa

1.2.1 Giới thiệu tiêu chuẩn phòng nổ

Có hai cách phân chia vùng có nguy cơ cháy nổ cao: một là phân chia theo loại khí có thể xuất hiện; hai là phân chia theo tần xuất xuất hiện khí

Phân theo nhóm khí, có hai hệ thống ký hiệu được sử dụng thông dụng của Anh và của Mỹ như trong bảng 1.1

Theo tiêu chuẩn Mỹ, các ký tự phân loại nhóm khí A-D sẽ được đặt trước

“Class I” để chỉ thị các nguy cơ cháy nổ là chất khí Còn các ký hiệu “Class II” và

“Class III” là chỉ thị nguy cơ cháy nổ của bụi và sợi Nguy cơ của Class I là khốc liệt nhất trong ba loại nguy cơ trên Tiêu chuẩn của Anh không phân chia theo 3 loại nguy cơ như trên, vì tiêu chuẩn này coi bụi và sợi là một dạng khí cháy nổ

Bảng 1.1 Bảng phân loại nhóm khí cháy

tiêu chuẩn Anh

Phân nhóm tiêu chuẩn Mỹ

Phân vùng Class II: Là những nơi có nguy cơ cháy nổ do xuất hiện bụi cháy (ví dụ

như bụi than)

Phân vùng Class III: Là những nơi có nguy cơ cháy nổ do xuất hiện sợi dễ cháy

Nói chung, môi trường có nguy cơ cháy nổ khí là nguy hiểm nhất và yêu cầu cần có bảo vệ khắt khe nhất Nếu như thiết bị điện mà sử dụng được trong môi trường khí cháy nổ thì sẽ sử dụng được trong môi trường bụi và sợi cháy nổ

Mức năng lượng gây cháy nổ của mỗi nhóm khí cũng khác nhau, thứ tự như trong bảng sau:

Phân vùng theo tiêu chuẩn Anh như sau:

• Zone 0: Là những nơi xuất hiện hỗn hợp khí cháy nổ với tần xuất liên tục,

hoặc xuất hiện với chu kỳ dài

• Zone 1: Là những nơi xuất hiện hỗn hợp khí cháy nổ liên tục ở mức độ có thể

làm việc bình thường

• Zone 2: Là những nơi xuất hiện hỗn hợp khí cháy nổ không được như ở mức

độ có thể làm việc bình thường Nhưng nếu xuất hiện thì chỉ tồn tại trong

khoảng thời gian ngắn

Bất cứ thiết bị điện nào được lắp đặt trong vùng có nguy cơ cháy nổ thì đều

phải tuân theo tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ của khu vực đó Mỗi kiểu phòng nổ

có công dụng riêng và sẽ phù hợp với một số trường hợp áp dụng, đồng thời cũng sẽ

không phù hợp với các trường hợp khác

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn bảo vệ phòng chống cháy nổ theo IEC79 (cũng là TCVN7079)

Vùng

(Zone)

quốc tế

0 - An toàn tia lửa ‘a’ (Intrinsic Safety ‘a’)

- Bảo vệ đặc biệt dành riêng cho vùng Zone 0

Ex ia

Ex s

1 - Bất kỳ loại bảo vệ nào áp dụng cho vùng Zone 0

- Vỏ không xuyên nổ (Explosion-proof)

- An toàn tia lửa ‘b’ (Intrinsic Safety ‘b’)

- Bảo vệ bằng áp suất (Pressurized)

- Bảo vệ tăng cường (Increased Safety)

- Bảo vệ bằng dầu đổ đầy (Oil Filled)

- Bảo vệ bằng đổ đầy cát (Sand Filled)

- Bảo vệ đặc biệt (Special Protection)

Yếu tố nhiệt độ bề mặt của thiết bị phòng nổ:

Bất kỳ loại bảo vệ nào cũng đều cần xem xét tới yếu tố nhiệt độ bề mặt tối đa

mà thiết bị có thể tạo ra khi có sự cố Phải đảm bảo là nhiệt độ đó không vượt quá

nhiệt độ làm bốc lửa hỗn hợp khí cháy nổ xung quanh nó Để giải quyết được vấn

đề này, thì các thiết bị cần thiết kế phù hợp với vùng áp dụng, tại các vùng đó các

cấp nhiệt độ quy định đã được định trước phù hợp với từng vùng đó Nhiệt độ bề mặt được chia thành 6 lớp khác nhau theo tiêu chuẩn TCVN7079 (tương đương IEC79) với nhiệt độ môi trường lắp đặt thiết bị là 40oC

Bảng 1.3 Phân loại nhiệt độ bề mặt theo tiêu chuẩn IEC79

T1 450 T2 300 T3 200 T4 135 T5 100 T6 85

1.2.2 Điều kiện gây cháy nổ

Thiết bị điện lắp đặt trong vùng có nguy cơ cháy nổ luôn chứa đựng tiềm năng nguy hiểm, bởi vì chúng có thể phát ra hồ quang, tia lửa điện hoặc sinh ra nhiệt độ cao có thể bốc cháy hỗn hợp chất cháy nổ trong môi trường xung quanh nó

Hình 1.4 Tam giác bốc lửa

- Tam giác bốc lửa

Nhìn từ góc độ hóa học, sự ô-xi-hóa, sự cháy, sự nổ đều là những phản ứng sinh ra nhiệt lượng, nhưng chúng có tốc độ phản ứng khác nhau Các phản ứng khi xảy ra về cơ bản chúng cần ba yếu tố sau xuất hiện đồng thời:

+ Nhiên liệu: Hơi cháy, chất lỏng cháy, khí cháy, bụi cháy,

+ Chất ô-xi-hóa: không khí, ô-xi, các chất khác + Năng lượng bốc lửa: điện hoặc nhiệt

Chất cháy

nổ

Chất ô-xi-hóa Năng lượng bốc lửa

- Phương pháp đảm bảo an toàn

Phương pháp đảm bảo an toàn để tránh sự cố cháy nổ tại khu vực tiềm năng cháy nổ nguy hiểm là ngăn chặn sự xuất hiện đồng thời của hỗn hợp khí nổ và các nguồn có thể gây ra năng lượng làm bốc cháy hỗn hợp đó Phương pháp cơ bản là: + Chứa thiết bị có khả năng gây bốc lửa vào không gian hết sức chắc chắn đảm bảo nó không gây ra bất kỳ nguy hại nào tới hỗn hợp khí nổ (vỏ phòng nổ) + Cách ly nguồn gây nổ với hỗn hợp khí nổ

+ Hạn chế nguồn năng lượng phát ra từ các thiết bị dưới mức có khả năng gây

nổ cho hỗn hợp khí nổ (an toàn tia lửa)

Như vậy, đã có các biện pháp chống cháy nổ phù hợp khác nhau cho phép các thiết bị sử dụng trong vùng có nguy cơ cháy nổ Tất cả các phương pháp áp dụng cho các thiết bị chống cháy nổ đều phải tuân theo tiêu chuẩn quốc gia hoặc quốc tế Các tiêu chuẩn sẽ định ra cách thiết kế và lắp đặt thiết bị cho các nhà sản xuất và người sử dụng, tuy nhiên các sản phẩm phải được các cơ quan có thẩm quyển chấp nhận và cấp chứng chỉ Trong tất cả các phương pháp chống cháy nổ, thì phương pháp đơn giản nhất, hiệu quả nhất áp dụng cho các thiết bị điện - điện tử

là phương pháp an toàn tia lửa (Exi), Đây cũng là phương pháp luận văn lựa chọn cho thiết kế thiết bị đo khí

Ở Việt Nam hiện có Trung tâm An toàn Mỏ - Quảng Ninh thuộc Tập đoàn Than Khoáng sản Việt Nam có chức năng cấp chứng chỉ cho các thiết bị phòng chống cháy nổ do vốn ODA của Nhật tài trợ

1.2.3 Nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp an toàn tia lửa là: hạn chế tình trạng sự

cố, đặt tình trạng sự cố dưới mức bình thường và biết trước được các sự cố có thể xảy ra Tức là, tia lửa, hồ quang hoặc nhiệt độ bề mặt của mạch điện lắp đặt trong vùng có nguy cơ cháy nổ được giới hạn tới mức không đủ để làm bốc lửa hỗn hợp khí nổ tại khu vực đó Các thiết bị điện lắp đặt trong vùng có nguy cơ cháy nổ, cũng như là các kết nối về điện giữa các thiết bị với nhau, phải được thiết kế để giảm thiểu điện áp hở mạch và dòng điện ngắn mạch đến mức tối thiểu để nó không gây

ra sự bốc cháy cho hỗn hợp khí nổ, bằng cách: làm hở mạch hoặc ngắn mạch hoặc

tiếp đất, hoặc bằng cách nung nóng các thành phần trong mạch điện (để giảm năng lượng phát ra ngoài)

Hình 1.5 Nguyên lý cơ bản của mạch an toàn tia lửa hoạt động theo nguyên tắc hạn chế khả năng gây cháy nổ bằng cách hạn chế năng lượng điện và nhiệt độ bề mặt Mạch bao

gồm thành phần cơ bản: nguồn điện, điện trở, điện cảm và điện dung

Với mạch thuần trở, là mạch được coi chỉ có thành phần trở kháng, các thành phần phản kháng (cảm kháng và dung kháng) không có hoặc nhỏ không đáng kể (hình 1.6)

Hình 1.6 Mạch thuần trở

Năng lượng điện phát ra từ mạch này phụ thuộc vào nguồn điện V và dòng điện Isc bị giới hạn bởi điện trở R Khó có thể xác định tương quan giữa năng lượng bốc lửa tối thiểu với mạch phát ra tia lửa Các phép thử đã được thực hiện và cho thấy rằng khả năng bốc lửa hỗn hợp khí nổ của tia lửa phụ thuộc điện áp hở mạch (Voc=V) và dòng ngắn mạch (Isc=V/R) Đường đặc tính bốc lửa của mạch thuần trở xem ở hình 1.7

Đồ thị ở hình 1.7 thể hiện đường đặc tính bốc lửa có quan hệ với nhóm hỗn hợp khí nổ đã được phân loại theo tiêu chuẩn Đường đặc tính cho thấy với điện áp

hở mạch thấp hơn, thì công suất nguồn được sử dụng an toàn sẽ lớn hơn Đặc điểm này cho thấy các thiết bị có điện áp cấp nguồn từ 20-30V được sử dụng hiệu quả nhất trong các thiết bị an toàn tia lửa

Vùng nguy hiểm

Năng lượng bốc lửa (mJ)

Nồng độ khí

Vùng bốc lửa

Hình 1.7 a) Đường đặc tính bốc lửa tối thiểu theo nhóm khí cho thiết bị điện dùng trong khai thác mỏ (nhóm I) b) Đường đặc tính giới hạn nổ cao và giới hạn nổ thấp của từng

loại khí

Năng lượng đánh lửa tối thiểu (MIE) là khác nhau cho từng loại nhiên liệu,

nó thể hiện ở tỉ lệ của nhiên liệu có trong không khí, mà với tỉ lệ đó hỗn hợp của nhiên liệu với không khí rất rễ bị bốc lửa Nếu năng lượng đánh lửa thấp hơn mức MIE, thì nó không thể làm bốc nửa ở bất kỳ nồng độ hỗn hợp nào Nồng độ hỗn hợp khí cháy nổ giảm dần cho đến một giá trị ngưỡng mà tại đó năng lượng bốc lửa không thể làm bốc lửa hỗn hợp do nồng độ quá thấp, gọi là giới hạn nổ dưới của

hỗn hợp khí, kí hiệu là LEL (Low Explosive Limit) Nồng độ hỗn hợp khí cháy nổ

tăng dần cho đến một giá trị ngưỡng mà tại đó năng lượng bốc lửa không thể làm bốc lửa hỗn hợp (do quá ít ô-xy), gọi là giới hạn nổ cao của hỗn hợp khí, ký hiệu là

UEL (Upper Explosive Limit)

Bảng 1.4 Giới hạn nổ thấp và giới hạn nổ cao của một số chất khí

Căn cứ theo năng lượng bốc lửa tối thiểu, khí cháy được chia thành các

nhóm, và theo đó thiết bị điện an toàn được chia thành hai nhóm: Nhóm I là các

thiết bị điện sử dụng trong vùng mỏ có khí cháy nổ, và Nhóm II là các thiết bị sử

dụng trong các vùng khác có môi trường có nguy hiểm cháy nổ Các nhóm khí cháy

nổ và thiết bị điện trong các nhóm I và II lại tiếp tục được phân nhóm nhỏ hơn

thành các phân nhóm A, B , C ,… Chi tiết phân loại có thể xem trong tiêu chuẩn

quốc tế IEC (dành cho thiết bị an toàn tia lửa) Các thiết bị an toàn tia lửa dùng

trong mỏ hầm lò thường là cấp bảo vệ Ex iaI, Ex ibI và Ex icI, trong đó cấp Ex iaI

là cao nhất và có thể sử dụng trong khu vực có nguy cơ cao nhất

Bảng 1.5 Cấp bảo vệ an toàn tia lửa

Ex ia Mạch không có khả năng gây bốc

lửa trong điều kiện hoạt động bình thường và khi một sự cố xảy ra hoặc hai sự cố xảy ra

Sử dụng 3 đi-ốt zener để bảo vệ quá

áp, nếu có sự cố làm 2 đi-ốt zener hỏng thì đi-ốt zener thứ 3 vẫn hoạt động bình thường

Ex ib Mạch không có khả năng gây bốc

lửa trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc khi một sự cố xảy ra

Sử dụng đi-ốt zener để bảo vệ quá

áp, nếu có sự cố làm 1 đi-ốt zener hỏng thì đi-ốt zener thứ 2 vẫn hoạt động bình thường

Ex ic Mạch không có khả năng gây bốc

lửa trong điều kiện hoạt động bình thường

Một số lợi thế của phương pháp an toàn tia lửa mà các phương pháp khác

không có:

+ An toàn tia lửa là phương pháp sử dụng được ở hầu hết vùng nguy hiểm

(vùng nguy hiểm nhất)

+ Bảo trì và căn chỉnh thiết bị dưới hiện trường có thể thực hiện ngay cả khi

khu vực sản xuất đang hoạt động và thậm chí ngay cả khi mạch thiết bị đang hoạt

động Mạch này có điện áp thấp nên an toàn cho con người

+ Không cần phải có biện pháp bảo vệ đặc biệt cho dây điện ở hiện trường,

có thể sử dụng dây cáp điện của thiết bị thông thường

Trong các ứng dụng an toàn tia lửa, có ba thành phần chính phải được xem xét: (1) Thiết bị an toàn tia lửa; (2) Hàng rào an toàn tia lửa (mạch cách ly an toàn):

là phần kết nối giữa vùng an toàn và vùng có nguy cơ cháy nổ; (3) Dây nối liên kết

- Thiết bị an toàn tia lửa

Các thiết bị an toàn tia lửa như bộ chuyển đổi, đầu đo khí, đo gió, đo nhiệt độ, , và bất kỳ một thiết bị nào “lưu giữ năng lượng” đều phải được cấp chứng chỉ thiết bị an toàn tia lửa sử dụng trong môi trường có nguy cơ cháy nổ

- Hàng rào an toàn tia lửa (thiết bị an toàn tia lửa tổ hợp)

Điểm phân giới giữa thiết bị dưới hiện trường với thiết bị trong phòng điều khiển gọi là “Rào chắn an toàn tia lửa”, hàng rào này có tác dụng bảo vệ các mạch điện trong vùng có khí nổ bằng cách giới hạn điện áp và dòng điện làm việc, cũng như điện áp và dòng điện sự cố của thiết bị ở mức an toàn (an toàn tia lửa) khi đi qua nó Có hai kiểu cách ly an toàn là “Cách ly an toàn bằng đi-ốt zener” và “Cách

ly điện” Hai kiểu cách ly này khác nhau về cách giới hạn năng lượng gây nguy hiểm từ các thiết bị trong phòng điều khiển đến vùng có nguy cơ cháy nổ

Rào chắn an toàn là thiết bị kết nối các thiết bị giữa vùng an toàn và vùng nguy hiểm với nhau (cháy nổ), mục đích là giới hạn năng lượng nguy hiểm từ vùng

an toàn đi vào vùng nguy hiểm đến mức tối thiểu không thể làm bốc lửa được hỗn hợp khí cháy nổ Năng lượng điện vượt quá trong các mạch điện khi có sự cố ở vùng an toàn có thể được ngăn chặn bằng cách sau:

+ Đưa năng lượng vượt quá về đất (tiếp địa)

+ Chặn đứng năng lượng sự cố bằng các phần tử cách ly

Như vậy, khi xảy ra sự cố, mức điện áp và dòng điện trong vùng nguy hiểm được hạn chế tới mức an toàn

- Rào chắn an toàn tia lửa dùng zener:

Từ lâu, rào chắn an toàn bằng zener đã được sử dụng rộng rãi làm thiết bị an toàn trung gian đáp ứng nhu cầu lớn sử dụng thiết bị điện trong vùng có nguy cơ cháy nổ cao Khi làm việc bình thường, rào chắn cho phép truyền tín hiệu điện theo

cả hai hướng và không cản trở chúng Khi xảy ra sự cố tăng điện áp (độ lớn tối đa

250V) ở phía vùng an toàn tới, thì dẫn đến xuất hiện một dòng lớn chảy qua cầu chì, qua đi-ốt zener và xuống đất Cầu chì này có tốc độ chảy rất nhanh để đảm bảo an toàn khi sự cố đi-ốt zener xảy ra (đi-ốt zener bị đứt sẽ dần đến nguy cơ năng lượng điện nguy hiểm vượt qua được hàng rào vào vùng có khí nổ), cầu chì khi bị chảy nó

sẽ cách ly về điện giữa vùng nguy hiểm (trong lò) và vùng an toàn (mặt bằng)

Hình 1.8 Hàng rào an toàn dùng đi-ốt zener

Khi xảy ra sự cố, điện áp hở mạch (Voc) ở phía cầu đấu nối xuống vùng nguy hiểm của rào chắn an toàn, được ghim bằng điện áp ghim của đi-ốt zener, và dòng ngắn mạch tại cầu đấu này được giới hạn bởi điện trở giới hạn Rlim Giá trị của điện áp hở mạch Uoc và dòng ngắn mạch Isc sẽ quyết định cảm kháng và dung kháng tối đa cho phép của các thiết bị (kể cả cảm kháng và dung kháng của đường dây) trong vùng nguy hiểm được phép nối vào rào chắn an toàn, điều này để đảm bảo năng lượng của Uoc và Isc không thể làm bốc lửa được hỗn hợp khí cháy nổ trong vùng nguy hiểm

Tuy nhiên, cần lưu ý, hiệu quả bảo vệ của rào chắn an toàn phụ thuộc vào việc kết nối tiếp địa có tốt không Vì theo nguyên lý bảo vệ này, năng lượng của điện áp và dòng điện được hạn chế bằng cách trả năng lượng thừa về đất của vùng

an toàn thông qua đường tiếp địa riêng Điện trở tiếp đất của rào chắn an toàn phải đảm bảo nhỏ hơn 1Ω

Vùng an toàn

Dòng điện chảy thẳng tới tiếp địa khi có sự cố

Vùng nguy hiểm cháy nổ

Cầu chì Điện trở

giới hạn

Hình 1.9 Kết nối thiết bị giữa vùng an toàn và vùng nguy hiểm thông qua rào chắn

antoàn tia lửa dùng đi-ốt zener

Rào chắn an toàn tia lửa sử dụng đi-ốt zener đơn giản, hiệu quả và rẻ tiền Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế mà khi sử dụng chúng cho thiết bị an toàn tia lửa cần phải được xem xét kỹ:

+ Phải đảm bảo tiếp địa tốt

+ Các thiết bị cấp trường phải được cách ly với đất

+ Điện áp rơi trên rào chắn có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị + Việc kết nối không đúng hoặc có điện áp dâng cao sẽ làm đứt cầu chì

+ Khả năng loại trừ nhiễu kém, nhiều thiết bị có kết nối với nhau sẽ gây ra nhiễu điện áp cho nhau, có cả nhiễu từ hướng tiếp địa tới

- Rào chắn an toàn tia lửa dùng các phần tử cách ly điện:

Những vấn đề cản trở khi dùng Rào chắn an toàn tia lửa bằng đi-ốt zener (chuyển hướng năng lượng) có thể được khắc phục nếu sử dụng Rào chắn an toàn tia lửa cách ly Sự khác nhau cơ bản so với dùng zener, đó là nguyên lý này tạo ra

sự cách ly về điện giữa vùng an toàn và vùng nguy hiểm bằng cách sử dụng các phần tử cách ly như biến áp, rơ-le, ghép quang (opto coupler) Tất nhiên các thiết bị theo dạng này cũng phải tuân theo tiêu chuẩn an toàn quy định và phải được cấp chứng chỉ

Nếu được thiết kế đúng, thì “Rào chắn an toàn tia lửa dùng phần tử cách ly”

sẽ đảm bảo điện áp đầu ra phía nối tới vùng nguy hiểm luôn ở mức giới hạn an toàn cho dù điện áp đầu vào rất cao Hàng rào cách ly kiểu này cho phép mạch thiết bị

Vùng an toàn Vùng nguy

an toàn

Lưới điện

Nền đất

Điện trở tiếp đất < 1Ω

TB trong vùng

an tòan

không cần phải tiếp địa an toàn dành riêng, và việc tiếp địa cho mạch để dùng cầu chì bảo vệ là không cần thiết nữa

Những lợi thế chính của phương pháp cách ly:

+ Việc kết nối tiếp địa rành riêng đảm bảo chắc chắn không cần thiết, và các thiết bị cấp trường có thể nối tiếp địa trực tiếp xuống đất

+ Các thiết bị cấp trường hoạt động ở cấp điện áp tối đa, vì không có điện áp rơi trung gian (không kể rơi trên dây)

+ Mạch tín hiệu và mạch bảo vệ an toàn có thể tích hợp vào cùng một thiết bị + Lắp đặt đơn giản, đưa thiết bị vào hoạt động mà không cần mạch tiết địa + Khả năng loại trừ nhiễu điện áp tốt

- Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp:

Trong các hệ thống an toàn tia lửa hiện nay, thường sử dụng cả hai phương pháp trên để tận dụng lợi thế của cả hai phương pháp, do đó đơn giản hóa việc lắp đặt thiết bị và tăng cường an toàn

Hình 1.10 Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp

* Các thông số an toàn của thiết bị an toàn tia lửa khi kết nối với nhau cần đảm bảo theo nguyên tắc sau (chỉ áp dụng với hệ thống đơn nguồn hoặc nhiều nguồn nhưng tuyến tính):

Vùng an toàn Vùng nguy

hiểm cháy nổ Giới hạn

năng lựơng dùng zener

Bộ khuyếch đại

Phần tử cách ly điện

Mạch bảo vệ dùng zener và cầu chì

; ; ; ;

U ≤U I ≤I P ≤P C ≥C +C c¸p L ≥L +L c¸p trong đó:

Ui : Điện áp vào cực đại

Uo: Điện áp ra cực đại

Ii : Dòng điện vào cực đại

Io : Dòng điện ra cực đại

Pi: Công suất vào cực đại

Po: Công suất ra cực đại

Co: Điện dung ngoài cực đại (điện dung cho phép)

Ci: Điện dung trong cực đại (tổng điện dung tương đương của thiết bị )

Ccáp: Điện dung đường dây

Lo: Điện cảm ngoài cực đại (điện cảm cho phép)

Li: Điện cảm trong cực đại (tổng điện cảm tương đương của thiết bị )

Lcáp: Điện cảm đường dây

CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU VỀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ CHỨC

NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ

Mục tiêu của đề tài là thiết kế thiết bị đo khí dùng trong hầm mỏ ứng dụng công nghệ FPAA, do dó đề tài sẽ đi sâu về thiết kế đầu đo đáp ứng tiêu chuẩn thiết

bị sử dụng trong ngành khai thác mỏ sử dụng công nghệ FPAA Ngoài những tính năng sử dụng của một thiết bị đo thông thường, thì đề tài cũng sẽ đưa vào những tính năng mang tính đặc thù của ngành mỏ, phù hợp với điều kiện sử dụng của ngành này Thiết bị đo được thiết kế để hoạt động độc lập cũng như có khả năng tích hợp vào hệ thống, như vậy thiết bị sẽ có những ngoại vi như màn chỉ thị, phím bấm, ắc-quy, thẻ nhớ và các khả năng giao tiếp truyền thông số và tương tự Sơ đồ khối chức năng của thiết bị được thể hiện trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị

2.1 Khối xử lý trung tâm

Đây là khối xử lý mọi thông tin và tạo các chức năng cho thiết bị Tác giả lựa chọn dòng vi điều khiển PSoC cho khối này, đây là dòng vi điều khiển tích hợp nhiều các chức năng và rất linh hoạt, bao gồm cả số và tương tự Vi xử lý này có các chức năng giao tiếp ngoại vi đáp ứng được bài toán cho thiết bị, đồng thời nó

SD

Phím cài đặt

Mạch RS485 Mạch 4- 20mA

Cảnh báo còi

Tín hiệu cắt điện

Thiết bị

đo khí

Bộ định thời

cũng tích hợp các bộ biến đổi ADC, bộ khuyếch đại, bộ biến đổi DAC, hạn chế tối

đa linh kiện trung gian và giảm được nhiều thời gian thiết kế phần cứng cũng như phần mềm

Hình 2.2 Vi xử lý trung tâm PSoC

Sơ lược về công nghệ PSoC

Dòng chíp PSoC do hãng Cypress phát triển, đây cũng là dòng vi điều khiển giống như các dòng vi điều khiển khác (8051, PIC,…), nhưng có điểm nổi bật là dòng này tích hợp thêm các khối ngoại vi khả trình cho phép cấu hình động thành các ADC, DAC, các bộ đếm, bộ khuyếch đại, bộ lọc, bộ truyền thông nối tiếp UART, I2C, SPI, … Có nghĩa là chíp PSoC có khả năng cung cấp nhiều các loại ngoại vi khác nhau giúp làm giảm thời gian cũng như không gian thiết kế cho mạch của thiết bị Chíp PSoC tuy phức tạp nhưng với sự hỗ trợ của phần mềm phát triển trên máy tính thì việc xây dựng chương trình không gặp mấy khó khăn và không cần thiết phải hiểu sâu về kiến trúc cũng như các thanh ghi chế độ của chíp Hiện nay có hai phiên bản phần mềm phát triển của hãng Cypress là PSoC Designer cho dòng PSoC1 và PSoC Creator cho các dòng PSoC3 & 5 cao hơn

Một số đặc tính nổi bật của vi điều khiển PSoC:

- Có khả năng thay đổi điện áp hoạt động 3,3V đến 5V

- Khả năng cung cấp điện áp thấp 1V

- Khả năng lựa chọn tần số nhờ lập trình

Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập:

- Bộ nhớ 16/32/64/128K bytes lập trình được

- 2k bytes RAM

- Chuyển đổi ADC độ phân giải tối đa 14 bít

- Chuyển đổi DAC độ phân giải tối đa 9 bít

- Khuếch đại điện áp lập trình được

- Các bộ lọc và so sánh lập trình được

- Các bộ định thời và bộ đếm 8-16-32 bít

- Khối tạo mã CRC và mã giả ngẫu nhiên

- Hai khối UART song công

- Các thiết bị SPI

- Lựa chọn các kết nối cho tất cả các chân đầu ra

- Lựa chọn việc kết hợp các khối chức năng

- Lựa chọn cho việc lập trình trên vùng bộ nhớ xác định và ghi có bảo vệ

- Các chân I/O đều có các chế độ Pull up, Pull down, High Z, Strong, hoặc Open pin state

- I2C Slaver hoặc Master và Multi-Master có tốc độ lên tới 400kHz

- Mạch giám sát tích hợp

Hình 2.3 Sơ cấu trúc của chíp PSoC1 và sơ đồ chân của chíp CY8C29566

Các vi điều khiển PSoC1, PSoC3 dựa trên kiến trúc CISC 8-bit, các thế hệ cao hơn như PSoC5 mạnh hơn nhiều và dựa trên lõi vi xử lý ARM 32 bit Cấu trúc chung của chúng bao gồm các khối sau đây:

- Khối CPU: là trung tâm của vi điều khiển có chức năng thực hiện lệnh và điều khiển chu trình hoạt động (workflow) của các khối chức năng khác

- Khối tạo tần số dao động: tạo ra các tần số thích hợp cung cấp cho CPU

hoạt động cũng như cung cấp một tập hợp các tần số khác nhau cho các khối

có chức năng lập trình được Các tần số được tạo ra dựa trên tần số tham chiếu bên trong PSoC hoặc được cung cấp từ bên ngoài PsoC

- Khối điều khiển Reset: kích hoạt cho vi điều khiển hoạt động cũng như giúp

hồi phục trạng thái hoạt động bình thường của VĐK khi xảy ra lỗi

- Bộ định thời Watch-Dog: được sử dụng để phát hiện ra các vòng lặp vô hạn

trong chương trình

- Bộ định thời Sleep: có thể kích hoạt vi điều khiển theo chu kì để thoát ra

khỏi chế độ tiết kiệm công suất Nó cũng có thể được sử dụng như một bộ định thời thông thường

- Các chân vào/ra: giúp cho việc giao tiếp giữa CPU và các khối chức năng

số/tương tự lập trình được cũng như giao tiếp với ngoại vi

- Khối chức năng số: có khả năng lập trình được cho phép người sử dụng tự

cấu hình nên các thành phần số tùy biến

- Khối chức năng tương tự: có khả năng lập trình được cho phép người sử

dụng tự cấu hình nên các thành phần tương tự như các bộ chuyển đổi dữ liệu AD/DA, các bộ lọc, bộ thu nhận mã đa tần rời rạc DTMF, bộ đảo, các bộ khuếch đại thuật toán OA

- Khối điều khiển ngắt: có chức năng xử lý các yêu cầu ngắt trong trường hợp

cần thiết

- Khối điều khiển I2C: giúp cho PSoC giao tiếp với các phần cứng khác theo

chuẩn I2C

- Khối tạo điện áp tham chiếu: cần thiết cho các thành phần analog và nằm

bên trong các khối tương tự, có khả năng lập trình được

- Bộ nhân tổng MAC: thực hiện các phép nhân có dấu

- Hệ thống SMP: có thể được sử dụng như 1 phần của bộ chuyển đổi điện áp

Ví dụ, nó có thể cung cấp công suất cho 1 VĐK hoạt động chỉ bằng 1 pin 1,5V duy nhất