Thiết kế hệ thống đo và kiểm tra môi trường không khí nhà máy nhiệt điện

Nơi mà lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường không khí đáng kể trong công nghiệp hiện nay với các thông số kiểm tra: nhiệt độ, độ ẩm, khí thải CO, CO2, nồng độ bụi... Khi hàm lượng khí C

Lời mở đầu 2

Chương 1: Giới thiệu hệ thống đo và kiểm tra môi trường không khí trong nhà máy nhiệt điện 4

1.1 ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường không khí trong nhà máy điện 4

1.1.1 ảnh hưởng của khí CO2 4

1.1.2 ảnh hưởng của khí CO 5

1.1.3 ảnh hưởng của bụi 6

1.1.4 ảnh hưởng của độ ồn 7

1.1.5 ảnh hưởng của nhiệt độ 7

1.1.6 ảnh hưởng của độ ẩm 8

1.2 Vài nét về hệ thống đo và giám sát môi trường 8

1.2.1 Quy trình sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện 8

1.2.2 Cấu trúc hệ thống 10

1.2.3 Các đại lượng đo 10

1.3 Các phương pháp đo và chọn sensor 10

1.3.1 Phương pháp đo nhiệt độ 10

1.3.2 Phương pháp đo độ ẩm 19

1.3.3 Các phương pháp đo khí cacbonnic CO 2 23

1.3.4 Các phương pháp đo khí CO 29

1.3.5 Đo các phần tử lơ lửng trong không khí (bụi ) 36

Chương 2 : Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu 40

2.1 Sơ đồ khối hệ thống đo và giám sát môi trường 40

2.2 Tổng quan về PLC Step 7- 300 thuộc họ Simatic của hãng Simens 41

2.2.1 Tổng quan về PLC 41

2.2.2 Bộ điều khiển PLC - S7-300 48

2.3 Truyền thông PLC với máy tính PC 68

2.4 Thiết bị thu thập dữ liệu từ các cảm biến ET200M 69

2.5 Cáp truyền thông 70

2.6 Phần mềm Win CC giao diện cho hệ thống đo lường giám sát 70

2.6 1 Tổng quan về WinCC (Windows Control Center) 70

2.6.2 Xây dựng phần mềm 71

Chương 3: Thiết kế phần mềm 72

3.1.Cấu hình phần cứng 72

3.2.Lập trình PLC 74

3.2.1 Bài toán 74

3.2.2 Giải quyết bài toán 74

Chương 4: Mô Phỏng và kết luận 79

* Mô phỏng bài toán đo lường và giám sát bằng phần mềm WinCC 79

Kết luận 83

Tài liệu tham khảo 85

Lời mở đầu

Ngành công nghiệp nước ta ngày càng phát triển mạnh, nó dần đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người song cùng với sự phát triển đó thì môi trường sống của chúng ta cũng ngày càng bị ô nhiễm nặng nề và gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người cũng như sản xuất và môi trường khí quyển chính vì thế

mà hiện nay vấn đề đo, kiểm tra và đưa ra cảnh báo về môi trường là vấn đề bức xúc được nhà nước ta và thế giới quan tâm sâu sắc Hiện nay các nhà máy điện chạy than, nhà máy xi măng, các nhà máy hoá chất, nhà máy sản xuất phân hóa học…gây ô nhiễm môi trường lớn thì thật sự là cần thiết phải có hệ thống tự động

đo, kiểm tra và cảnh báo về mức độ ô nhiễm của môi trường nước, tiếng ồn và môi trường khí thải của nhà máy xí nghiệp mình sản xuất nhằm bảo vệ sức khoẻ làm việc của chính mình cũng như đồng loại và thiết bị sản xuất

Hiện nay với phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đo lường và quan trắc môi trường phục vụ cho xí nghiệp công nghiệp, cho sản xuất, cho đời sống ngày càng thông minh hơn Sự phát triển của các thế hệ đo đi lên từ thế hệ

đo cơ khí, đo điện, đo điện tử vi mạch rời, đo sử dụng các vi xử lý cấp thấp đến thế hệ các thiết bị đo, đầu đo thông minh có các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật đo xử lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc

độ cao Các thiết bị hệ thống đo kiểm tra thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử được nhiễu và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú, có nhiều chức năng mà các thế hệ thiết bị trước không tự động xử lý được

Dựa trên cơ sở những tiến bộ khoa học hiện nay cũng như quá trình học tập của bản thân và đặc biệt được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS-TS Phạm Thượng Hàn cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường và điều khiển” tr-

ường ĐH Bách Khoa Hà Nội cùng đội ngũ kỹ sư nhà máy điện Phả Lại em đã giúp em thực hiện nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo và kiểm tra môi trường không khí làm việc tại hiện trường nhà máy nhiệt điện Phả Lại nói riêng và các nhà máy nhiệt điện chạy than nói chung Nơi mà lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường không khí đáng kể trong công nghiệp hiện nay với các thông số kiểm tra: nhiệt độ, độ ẩm, khí thải CO, CO2, nồng độ bụi

Do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn của em không tránh khỏi thiếu sót Em rất mong đ−ợc sự đóng góp quý báu của các thầy cô bộ môn

và các bạn đồng nghiệp để em có thể nâng cao trình độ bản thân cũng nh− có thể

đáp ứng yêu cầu thi công, lắp đặt đo và giám sát thực tế sau này của luận văn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: Giới thiệu hệ thống đo và kiểm tra môi trường không khí trong nhà máy nhiệt điện 1.1 ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường không khí trong nhà máy điện

1.1.1 ảnh hưởng của khí CO2

- Với sức khoẻ con người: Khí này không độc nhưng khi nồng độ của khí này

lớn thì sẽ làm giảm nồng độ O2 trong không khí, gây nên cảm giác mệt mỏi Khi nồng độ quá lớn có thể dẫn đến ngạt thở Trong bảng 1.1 trình bày mức độ ảnh hưởng của nồng độ CO2 trong không khí

Bảng 1.1: ảnh hưởng của nồng độ khí CO2 trong không khí

0,15 Nồng độ cho phép khi dùng tính toán thông gió

0,20- 0,50 Tương đối nguy hiểm

> 0,50 Nguy hiểm

4 ữ5 Hệ thần kinh bị kích thích gây thở sâu và nhịp thở gia tăng

Nếu hít thở trong môi trường này kéo dài thì có thể gây ra nguy hiểm

8 Nếu thở trong môi trường này kéo dài 10 phút thì mặt đỏ

- Với môi trường khí quyển

Theo kết luận của các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Berne - Thụy Sĩ công bố trên tạp chí khoa học Nature ngày 15.5 cho biết nồng độ khí CO2 trong

khí quyển hiện ở mức cao nhất trong 800.000 năm qua Theo thống kê, nồng độ

CO2 đặc biệt tăng nhanh trong hơn hai thập kỷ qua Từ năm 1970 đến năm 2000, nồng độ CO2 tăng trung bình 1,5 ppm/năm và riêng trong năm 2007, nồng độ này

đã tăng 2,14 ppm

Khi hàm lượng khí CO2 trong khí quyển tăng cao sẽ dẫn đến hiện tượng tăng nhiệt độ của trái đất vì khí CO2 là một chất khí trong suốt với tia có bước sóng ngắn nhưng nó lại hấp thụ rất mạnh những tia sáng có bước sóng dài tia hồng ngoại do đó nếu bầu không khí bị ô nhiễm thì năng lượng bức xạ mặt trời vẫn bức xạ xuống bề mặt trái đất bình thường không bị cản trở nhưng ngược lại năng lượng bức xạ từ mặt đất lên bầu không khí dưới dạng các tia hồng ngoại thì bị khí

CO2 ngăn cản hấp thụ rồi toả nhiệt vào bầu không khí do đó nhiệt độ khí quyển tăng lên một cách nhanh chóng làm mất cân bằng giữa năng lượng thu và năng lượng nhận và gọi là hiệu ứng nhà kính

Chính vì vậy nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vòng 30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 -3,5 m (Stepplan Keckes) Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau

Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng Nhiệt

độ trung bình của Trái Đất sẽ tăng khoảng 3,60°C (G.I.Plass), và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,30°C

1.1.2 ảnh hưởng của khí CO

Khí CO là khí không màu, không mùi vị sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu chứa cacbon ở điều kiện thiếu không khí hoặc các điều kiện kỹ thuật không được khống chế như nhiệt độ cháy, thời gian lưu của khí ở vùng nhiệt độ cao, chế độ phân phối khí buồng đốt Hiện nay theo cơ quan An toàn Sức khỏe trong công nghiệp (OSHA) cũng như các định mức độc tố của Bộ Y tế Hoa Kỳ, monoxid carbon là một khí có ái lực (affinity) đối với hồng huyết cầu gấp 210 so với oxy

Do đó, khi có sự hiện diện của CO trong máu, khả năng hấp thụ oxy của hồng huyết cầu giảm nhanh và oxy không thể được dẫn truyền đi khắp nơi để nuôi cơ thể Nếu nồng độ của CO trong không khí đạt đến 400 phần triệu, người công

nhân hít phải không khí bị nhiễm độc nầy trong vòng một giờ đầu tiên thì chưa bị

ảnh hưởng, nhưng trong giờ thứ hai trở đi, tình trạng ngất xỉu có thể xảy ra Nghĩa

là trong giờ đầu tiên, con người chưa bị ảnh hưởng nhiều vì CO đang còn trong giai đoạn kết hợp với hồng huyết cầu Nhưng sau đó, vì thiếu oxy cho cơ thể cho nên người công nhân sẽ thở mạnh, ngắn, hơi thở đứt quãng khi lượng CO trong máu lên đến 20 đến 30% Từ 30 đến 50%, thần kinh sẽ bị giao động, chóng mặt, thị giác không còn hoạt động được nữa và sẽ đưa đến hôn mê Nếu bị tiếp nhiễm trên 50% CO, có thể bị tử vong sau đó

Vậy trong không khí thì với nồng độ khoảng 0,01% (100 ppm) CO có thể

làm nhức đầu, với 0,1% (1000 ppm) có thể làm chết người trong vòng 3 phút 1.1.3 ảnh hưởng của bụi

Bụi là những hạt chất rắn nhỏ, thông thường là những hạt có đường kính nhỏ hơn 75 àm, tự lắng xuống do trọng lượng của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng một thời gian Kích thước càng nhỏ thì càng có hại vì nó tồn tại trong không khí lâu và khả năng thâm nhập vào cơ thể sâu hơn và rất khó khử bụi Hạt bụi lớn thì khả năng khử dễ dàng hơn nên ít ảnh hưởng đến con người

- Bụi gây ra những tác hại về mặt kỹ thuật như:

• Bám vào máy móc thiết bị làm cho máy móc thiết bị chóng mòn

• Bám vào các ổ trục làm tăng ma sát

• Bám vào các mạch động cơ điện gây hiện tượng đoãn mạch và có thể làm cháy động cơ điện

- Bụi chủ yếu gây tác hại lớn đối với sức khoẻ của người lao động

• Đối với da và niêm mạc: bụi bám vào da làm sưng lỗ chân lông dẫn đến bệnh viêm da, còn bám vào niêm mạc gây ra viêm niêm mạc

• Đối với mắt: bụi bám vào mắt gây ra các bệnh về mắt như viêm màng tiếp hợp, viêm giác mạc Nếu bụi nhiễm siêu vi trùng mắt hột sẽ gây bệnh mắt hột Bụi kim loại có cạnh sắc nhọn khi bám vào mắt làm xây xát hoặc thủng giác mạc, làm giảm thị lực của mắt Nếu là bụi vôi khi bắn vào mắt gây bỏng mắt

• Đối với tai: bụi bám vào các ống tai gây viêm, nếu vào ống tai nhiều quá

làm tắc ống tai

• Đối với bộ máy tiêu hoá: bụi vào miệng gây viêm lợi và sâu răng Các loại bụi hạt to nếu sắc nhọn gây ra xây xát niêm mạc dạ dày, viêm loét hoặc gây rối loạn tiêu hoá

• Đối với bộ máy hô hấp: vì bụi chứa trong không khí nên tác hại lên

đường hô hấp là chủ yếu Bụi trong không khí càng nhiều thì bụi vào trong phổi càng nhiều Bụi có thể gây ra viêm mũi, viêm khí phế quản, loại bụi hạt rất bé từ 0.1-5mk vào đến tận phế nang gây ra bệnh bụi phổi

Bảng 1.2: Nồng độ tối đa cho phép của bụi trong khí thải của nhà máy nhiệt điện

có đơn vị: Miligam trên mét khối khí thải chuẩn (mg/Nm3)

Loại nhiên liệu sử dụng Thông số

1.1.4 ảnh hưởng của độ ồn

Người ta phát hiện ra rằng khi con người làm việc lâu dài trong khu vực có

độ ồn cao thì lâu ngày cơ thể sẽ suy sụp, có thể gây một số bệnh như : Stress, bồn chồn và gây các rối loạn gián tiếp khác Độ ồn tác động nhiều đến hệ thần kinh Mặt khác khi độ ồn lớn có thể làm ảnh hưởng đến mức độ tập trung vào công việc hoặc đơn giản hơn là gây sự khó chịu cho con người

1.1.5 ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố gây cảm giác nóng lạnh đối với con người Cơ thể con người duy trì nhiệt độ trung bình 37 độ C bằng cách thoát lượng nhiệt dư thừa qua da Khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn thân nhiệt, cơ thể truyền nhiệt cho môi trường cơ thể mất nhiều nhiệt nên có cảm giác lạnh, khi nhiệt độ môi trường lớn hơn thân nhiệt thì cơ thể nhận nhiệt từ môi trường khả năng thải nhiệt ra môi trường giảm nên có cảm giác nóng và dẫn tới hiện tượng căng

thẳng do nhiệt độ (heat stress) Nhiệt độ thích hợp nhất đối với con người nằm trong khoảng 22-27oC

1.1.6 ảnh hưởng của độ ẩm

Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người đến thiết bị máy móc và các quá trình lý hoá

Độ ẩm tương đối thay đổi trong một dải rộng 30%ữ 70% và có ảnh hưởng quyết

định tới khả năng thoát mồ hôi vào trong môi trường không khí xung quanh Quá trình này chỉ có thể tiến hành khi ϕ < 100% Độ ẩm càng thấp thì khả năng thoát

mồ hôi càng cao, cơ thể cảm thấy dễ chịu Độ ẩm quá cao, hay quá thấp đều không tốt đối với con người

- Độ ẩm cao : Khi độ ẩm tăng lên khả năng thoát mồ hôi kém, cơ thể cảm thấy rất

nặng nề, mệt mỏi và dễ gây cảm cúm Người ta nhận thấy ở một nhiệt độ và tốc

độ gió không đổi khi độ ẩm lớn khả năng bốc mồ hôi chậm hoặc không thể bay hơi được, điều đó làm cho bề mặt da có lớp mồ hôi nhớp nháp

- Độ ẩm thấp : Khi độ ẩm thấp mồi hôi sẽ bay hơi nhanh làm da khô, gây nứt nẻ

chân tay, môi vv

Như vậy độ ẩm quá thấp hay quá cao đều không tốt cho cơ thể do đó độ ẩm thích hợp đối với cơ thể con người nằm trong khoảng tương đối rộng ϕ = 50 ữ 70%

1.2 Vài nét về hệ thống đo và giám sát môi trường

1.2.1 Quy trình sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện

Như chúng ta đã biết với các nhà máy nhiệt điện nguyên liệu chủ yếu để sản xuất điện năng là than với quy trình công nghệ sản xuất điện được khái quát như sau:

- Than có thể được đưa về từ đường sông và đường sắt, được cho vào kho than nguyên hoặc chuyển thẳng lên hệ thống nghiền than bằng hệ thống băng tải

- Than bột được phun vào lò hơi bằng các ống phun Trong lò hơi, than

được đốt cháy làm nước bốc hơi và nóng nhiệt độ hơi nước lên nhiệt độ quy định

(hơi quá nhiệt), từ đó hơi quá nhiệt được đưa sang làm quay tuabin và tuabin kéo máy phát điện quay và phát ra điện

- Nước bơm từ trạm bơm tuần hoàn, một phần cung cấp cho hệ thống xử lý nước và hệ thống điện phân, nước còn lại sau khi làm mát bình ngưng được đưa

ra sông bằng kênh thải

Do đó từ thực tế sản xuất nhà máy cho thấy một số khu vực sản xuất luôn gặp phải sự ô nhiễm môi trường khí như độ ẩm, nhiệt độ, khí CO, khí CO2, nồng độ bụi gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ làm việc của người công nhân cũng như thiết bị máy móc như đã nêu ở mục 1.1 Trong đó các khu vực: Khu vực nhiên liệu, khu vực lò máy, khu vực máy phát là những khu vực có nồng độ ô nhiễm cao Đứng trước thực trạng đó cần phải có hệ thống đo và kiểm tra và đưa ra cảnh báo cho từng khu vực làm việc và phải đáp ứng được các yêu cầu:

• Các cảm biến có thể đo và kiểm tra được các thông số như : nhiệt độ độ

ẩm, khí CO, khí CO2, nồng độ bụi của môi trường và phải có khả năng lấy mẫu liên tục để đảm bảo sao cho thông tin nhận được phản ánh đầy đủ các biến

động của môi trường

• Có khả năng phát ra các tín hiệu cảnh báo khi có thông số môi trường đo

được vượt quá tiêu chuẩn cho phép

• Hệ thống có khả năng truyền số liệu về trung tâm để theo dõi, quản lý

• Giao diện được thiết kế trên máy tính giúp cho người quan sát có thể theo dõi được sự thay đổi của môi trường thông qua số liệu hiển thị

1.2.2 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống xây dựng trên cơ sở của một hệ thống đo lường từ xa bao gồm:

• Cảm biến đo lường đã được chuyển đổi chuẩn hoá

• Thiết bị thu thập số liệu cho từng trạm ứng với từng khu vực được mã hoá

• Khí CO tại khu vực máy phát

• Khí CO2 tại khu vực lò máy

• Nồng độ bụi tại khu vực nhiên liệu

1.3 Các phương pháp đo và chọn sensor

1.3.1 Phương pháp đo nhiệt độ

Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao

ở nhiệt độ trung bình và thấp: Phương pháp thường đo là phương pháp tiếp xúc

nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo

Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài

môi trường đo

Do nhiệt độ cần đo của đề tài là nhiệt

độ môi trường không khí trong các nhà

máy điện nên phương pháp đo nhiệt độ

được sử dụng sẽ là các phương pháp tiếp

xúc Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc gồm:

- Nhiệt kế nhiệt ngẫu

t 1

Hình 1.2: Sơ đồ nhiệt kế nhiệt ngẫu

hai đầu còn lại t0 là đầu tự do

Nguyên lý của cặp nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Seebek đó là khi nhiệt độ ở đầu t1 khác với đầu t0 chúng tạo nên một sức điện

động :

Eab(t1 ,t0) = Eab(t1) - Eab(t0) (1.1) Nếu giữ cho nhiệt độ t0 không thay đổi và t1 phụ thuộc vào môi trường đo nhiệt

độ thì ta có :

Eab(t1 ,t0) = Eab(t1) - C = f(t1) (1.2) Với C là hằng số

Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0

= const

b Sai số phép đo

* Sai số do vật liệu chế tạo thanh kim loại

Sức điện động Eab phụ thuộc vào vật liệu chế tạo các thanh kim loại a và b

do đó các vật liệu này cần có sức điện động nhiệt điện lớn giữ được độ bền khi bị

đốt nóng ở nhiệt độ cao, điện dẫn lớn, hệ số nhiệt độ nhỏ, có tính chất nhiệt độ ổn

định

* Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi

Bình thường cặp nhiệt được khắc độ ở nhiệt độ chuẩn 00C Khi sử dụng thì

đầu tự do đặt ở môi trường tự do bên ngoài khác với nhiệt độ chuẩn do vậy gây nên sai số trong quá trình đo Để khắc phục sai số trên có thể thực hiện bằng một

số phương pháp sau:Hiệu chỉnh hệ số K, dùng thiết bị hiệu chỉnh tự động (mạch bù)

* Sai số do điện trở dây nối thay đổi

Đường dây nối cặp nhịêt từ vị trí đo đến thiết bị đo lường ở khoảng cách 5

ữ 10m Các dây nối có điện trở Rd dòng điện I đi qua mạch điện

dc AB V d

t

R R R R

E I

+ + +

Rd điện trở dây nối

Điện áp rơi trên thiết bị đo

v dc AB v d

t

R R R R

c Một số cặp nhiệt ngẫu thường gặp

Bảng 1.3: Một số cặp nhiệt ngẫu thường gặp để đo nhiệt độ

Cặp nhiệt Dải nhiệt độ

làm việc

Sức điện động (mV)

φ =3.25 mm

-270ữ1250 -5.35 ữ 50.63 (00Cữ4000C)±30C

(4000Cữ8000C)±0.75% Cromel/Constantan

φ =3.25 mm

-276ữ870 -9.8 ữ66.4 (00Cữ4000C)±30C

(4000Cữ8700C)±0.75% Platin-Rodi(10%)

Cặp nhiệt Dải nhiệt độ

làm việc

Sức điện động (mV)

R0 là điện trở ở 00C

Rt là điện trở ở t0C Với yêu cầu vật liệu sử dụng làm nhiệt kế nhiệt điện trở phải có hệ số nhiệt điện trở lớn ổn định và điện trở suất lớn

Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể tạo thành từ dây platin, đồng, niken, bán dẫn quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngoài

b Đặc điểm

+ Nhiệt điện trở dây

Thông thường được chế tạo từ đồng, platin và niken có đường kính dây từ (0.02ữ0.06) mm với chiều dài từ (5ữ20 )mm

*Nhiệt điện trở đồng

- Đường kính dây 0,02 ữ 0,05 mm

- Dải nhiệt độ làm việc trong khoảng từ - 50ữ1800C

- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế

Rt= R0 (1 + α.t )= R0 (1 + 4,3.10- 3 t ) (1.6)

Với : α= 4,3.10-3- là hệ số nhiệt độ của nhiệt điện trở trong khoảng nhiệt độ từ 0ữ1000C

- Dải sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng 1.4 :

Bảng 1.4 : Dải sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng

*Nhiệt điện trở bạch kim

- Đường kính dây 0,05 ữ 0,1 mm thì nhiệt độ cực đại t = 7500C

- Đường kính dây 0,5 mm thì nhiệt độ cực đại t = 11000C

- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế khi nhiệt độ thay đổi t

Như vậy nhiệt điện trở này có :

Nhược điểm : đặc tính phi tuyến không dùng được trong môi trường ôxi hoá

khử

Ưu điểm : độ bền hoá học cao, tính dẻo lớn nên có thể chế tạo thành sợi rất

mỏng cỡ 1,25àm

-Dải nhiệt độ và sai số của nhiệt điện trở đồng trong bảng1.5

Bảng 1.5: Dải nhiệt độ và sai số của nhiệt điện trở bạch kim

- Mối quan hệ giữa nhiệt điện trở và nhiệt độ của nhiệt kế là phi tuyến nên khó khắc độ

Trong đó:

A - hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn , kích thước

B - hằng số phụ thuộc vào tính chất của bán dẫn ;

T - nhiệt độ của nhiệt tính theo đơn vị Kenvin

Có 2 dạng nhiệt kế bán dẫn thường chế tạo

• Nhiệt kế điện trở dạng thanh:

Dải nhiệt độ thay đổi t = (-100 ữ 120 0C )

• Nhiệt kế điện trở dạng hạt nhỏ:

Dải nhiệt độ thay đổi t = (-60 ữ 120 0C )

-Ưu điểm : Độ nhạy cao, hệ số nhiệt điện trở âm có giá tri gấp 6 ữ10 lần hệ số nhiệt điện trở của kim loại được chế tạo để đo nhiệt độ các đối tượng có kích thước nhỏ dải nhiệt độ thấp

- Nhược điểm : Đặc tuyến là phi tuyến tính nên khó khắc độ, điện trở định mức và

đặc tuyến của các nhiệt kế bán dẫn là khác nhau nên không có khả năng thay thế với các nhiệt kế điện trở sản xuất hàng loạt cùng chủng loại

Bảng 1.7: Một số nhiệt điện trở bán dẫn

Loại Hệ số nhiệt

điện trở % trên 10C

Điện trở ban

đầu

Nhiệt độ làm việc lớn nhất

0C

Hằng số thời gian (s)

MMT-1;4

KHT-1;4

3 Đo nhiệt độ dùng các phần tử bán dẫn (điốt và tranzito):

a) Nguyên lý hoạt động: các linh kiện điện tử bán dẫn rất nhạy cảm

với nhiệt độ, đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như điốt hoặc

tranzito nối theo kiểu điốt (nối bazơ với colectơ), khi đó điện áp giữa hai

cực U là hàm của nhiệt độ Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định và khả năng

thay thế người ta mắc theo sơ đồ

Khi nhiệt độ thay đổi ta có:

q điện tích

IC1, IC2 Dòng Colectơ

b) Đặc điểm:

- Độ nhạy: Các loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị cỡ

-2,5mV/ 0C và không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ

- Ưu điểm: độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản và có độ nhạy cao hơn so với cặp

nhiệt nhưng nhỏ hơn so với nhiệt điện trở

- Nhược điểm: giới hạn phạm vi sử dụng chỉ trong khoảng -500Cữ 1500C, do giới hạn chịu nhiệt của các phần tử bán dẫn

c Một số cảm biến thường gặp

Bảng 1.8 : Một số cảm biến nhiệt dựa trên bán dẫn Tranzitor đo nhiệt độ

LM335 có 3 chân chính : 2 chân cấp nguồn và 1 chân out tín hiệu Analog Khi ta cấp điện áp 5V cho LM335 thì nhiệt độ đo được từ cảm biến sẽ chuyển thành điện áp tương ứng tại chân số 2 (Vout) Điện áp này được tỉ lệ với dải nhiệt

độ mà nó đo được Với độ dải của nhiệt độ đầu ra là 10mV/ K

• Dạng đặc tuyến của cảm biến được mô tả theo công thức

U=10.T (mV) = 2730 +10.t (1.12) Với: T- là giá trị nhiệt độ tính theo Kenvin

t - là giá trị nhiệt độ tính theo 0C

• Thông số của LM 335

+ Hoạt động chính xác ở dòng điện đầu vào từ 0.4 mA đến 5 mA Dòng

đầu vào ngoài khoảng này kết quả đo sẽ sai và nếu dòng điện cao hơn sẽ phá vỡ vi mạch

+ Điện áp cấp vào ổn định là 5V

+ Trở kháng đầu ra thấp 1 Ω

+ Giải nhiệt độ môi trường là từ 0 đến 100 0C

Như vậy LM335 cho chúng ta tín hiệu tương tự (Analog) trong giải điện áp

từ 0 cho đến 5V và chúng phải xử lý tín hiệu này thành nhiệt độ từ 0oC

đến 100oC

• Tính giá trị điện trở đệm cho LM 355

Như ta đã biết độ phân dải nhiệt độ của LM 335 là 10mV/ K nên dựa vào phương trình đặc tuyến của cảm biến ta có:

+ Tại 0 0C thì điện áp đầu ra tại LM 335 là 2.73V

+ Tại 100 C thì điện áp đầu ra LM 335 là 3.73V

Hình 1.4: Hình dạng thực tế và sơ đồ nguyên lý LM335

Do đó muốn áp ra ứng với 10mV/ K thì phải cấp dòng cho nó từ 0.4mA đến 5mA, vậy phải có điện trở đệm

Nếu dùng nguồn áp 5V, dải đo từ 0ữ100 C => điện áp trên LM 335 sẽ từ 2.73V

đến 3.73V => áp rơi trên điện trở sẽ là từ 1.27 V đến 2.27 V => chọn điện trở 1K nối 5V - 1K - LM335 như sơ đồ nguyên lý

1.3.2 Phương pháp đo độ ẩm

1 Phương pháp điểm sương

Phương pháp này dựa vào tính chất chuyển trạng thái của không khí từ không bão hoà hơi nước sang bão hoà hơi nước khi giảm nhiệt độ Trước hết đo nhiệt độ của không khí và dựa vào giá trị nhiệt độ này xác dịnh áp xuất hơi nước bão hoà trong khí Pmax (tra theo bảng chuẩn) Giảm nhiệt độ của không khí cho

đến khi nó chuyển từ trạng thái không bão hoà sang bão hoà hơi nước và đo nhiệt

độ ở trạng thái này Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ điểm sương bởi vì đây là nhiệt

độ mà hơi nước trong không khí bắt đầu ngưng đọng thành sương Để phát hiện thời khắc này thì đặt một cái gương để quan sát Khi trên mặt gương bắt đầu phủ

mờ bụi nước thì đấy chính là điểm sương Dựa vào nhiệt độ điểm sương xác định

áp suất hơi nước bão hoà Pđs Đây cũng chính là áp suất hơi nước trong không khí Độ ẩm tương đối được xác định theo công thức

% 100

lượng đặc trưng cho tốc độ bốc hơi ẩm và cũng chính là đại lượng qua đó xác

định độ ẩm của không khí Với phương pháp này ta sử dụng hai nhiệt kế dịch thể một nhiệt kế bình thường để đo độ ẩm không khí, được gọi là nhiệt kế khô có nhiệt độ tk Nhiệt lế thứ hai có bầu dịch thể được bọc một lớp bông luôn luôn ẩm Bông ẩm bốc hơi lấy nhiệt của thân nhiệt kế nên nhiệt độ của nó giảm xuống có giá trị là ta và được gọi là nhiệt độ của nhiệt kế ẩm Độ ẩm của không khí được xác định theo công thức :

.

K

a K a

P

t t P A

=

Trong đó :

Pa áp suất hơi nước bão hoà trong không khí có nhiệt độ ta

Pk áp suất hơi nước bão oà trong không khí có nhiệt độ tK

P áp suất môi trường đo

A hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của ẩm kế , tốc độ của không khí bao quanh nhiệt kế ẩm và áp suất môi trường đo

Phương pháp này đo độ ẩm tương đối và đo không liên tục

Cũng có thể sử dụng các chất hút ẩm để làm cảm biến đo nhiệt độ theo nguyên lý

điện dẫn Bởi vì khi độ ẩm môi trường khí quyển thay đổi thì độ ẩm mà nó hút

được cũng thay đổi để đảm bảo sự cân bằng áp suất hơi nước trong không khí và trên bề mặt chất hút ẩm , dẫn đến hệ số điện dẫn của chất hút ẩm cũng thay đổi theo

4 Các ẩm kế đo độ ẩm trong môi trường công nghiệp

Dựa trên các phương pháp đo độ ẩm trên người ta chế tạo các loại ẩm kế đo độ

ẩm như:

a ẩm kế quang

* Ưu điểm

• Giá thành đắt và phải hiệu chỉnh thường xuyên

*ứng dụng đo độ ẩm trong các phòng thí nghiệm

b ẩm kế hấp thụ Licl

• Độ chính xác ± 0,20C

• Thời gian hồi đáp cỡ hàng chục phút

• Phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất -10 ữ600C

c ẩm kế điện ly P2O5

• Đo độ ẩm của chất khí

• Thời gian hồi đáp phụ thuộc vào nhiệt độ, chất biến đổi độ ẩm

• Dải thời gian -40 ữ 1000C

• Sai số 2ữ3%

• Thời gian hồi đáp cỡ vài giây

• ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ

• Phần tử nhạy có thể nhúng nước mà không hỏng

+ ẩm kế tụ điện Al 2 O 3

• Dùng đo nhiệt độ hóa sương Ts trong dải - 80 ữ 700C

• Dải áp suất 0 ữ 100pa

• Thời gian hồi đáp cỡ vài giây

• Không sử dụng được trong môi trường ăn mòn

+ Đặc điểm cấu tạo của cảm biến

Hình 1.5: Đặc điểm cấu tạo ẩm kế tụ điện Polyme

Cảm biến là một màng Polyme có độ dày 6ữ 12àm có khả năng hấp thụ hơi nước Lớp Polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là Tantan sau đó phủ tiếp lên Polyme một lớp Crôm dày 100A o ữ 10000A o làm điện cực thứ hai Lớp Crôm gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí Thời gian hồi đáp của tụ phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi

1 Phương pháp điện dẫn

Hình 1.6: Sơ đồ đấu dây của cảm biến với nguồn cung cấp và PLC

Nguyên lý của phương pháp này là khi cho luồng khí có chứa CO2 đi qua một dung dịch thường là KOH sẽ sẽ xảy ra phản ứng sau

CO2+ 2KOH = K2CO3+ H20 (1.15) Phản ứng xảy ra này sẽ tạo thành muối và làm thay đổi điện dẫn của dung dịch Để đo điện dẫn của dung dịch này ta có 2 phương pháp đo là phương pháp

đo tiếp xúc sử dụng cảm biến (sensor) để đo điện dẫn dung dịch hoặc phương pháp không tiếp xúc khi cho dung dịch đi qua mạch từ

a Phương pháp điện dẫn tiếp xúc

Ta biết rằng khi một chất hoà tan trong dung dịch chất đó sẽ bị phân ly thành các ion dương và ion âm , các ion này sẽ chuyển động hỗn loạn Khi đặt một điện trường vào dung dịch các ion dương sẽ chuyển động về cực âm của điện trường còn các ion âm chuyển động về cực dương Kết quả là sẽ có dòng điện chạy trong dung dịch

ở nồng độ thấp quan hệ giữa nồng độ dung dịch C và điện dẫn γ của nó như sau:

γ = λ.f.C (1.16) Trong đó : λ - Một điện dẫn suất tương đương

f- Hệ số hoạt động của chất điện phân

Để đo được điện trở ta dùng một cảm biến điện dẫn Điện trở sẽ được tính :

R 1 .K

γ

=Trong đó : K là hằng số chuyển đổi (người ta chế tạo sao cho K xác định và không đổi) Để đo điện trở người ta dùng một mạch cầu điện trở Đo điện áp đầu

ra của cầu ta xác định được điện trở từ đó suy ra γ và suy ra C

b Phương pháp điện dẫn không tiếp xúc

Để loại trừ hiện tượng phân cực khi dung dịch có nồng độ lớn ta sử dụng phương pháp không tiếp xúc như hình 1.7 Dung dịch được chứa trong ống thủy tinh quấn quanh một lõi biến áp như là một cuộn thứ cấp Cuộn dây thứ cấp họat

động ở chế độ ngắn mạch và điện trở của cuộn dây thứ cấp phụ thuộc vào nồng

độ dung dịch chứa trong ống thủy tinh Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp sẽ tỷ lệ với điện dẫn γvà do đó tỷ lệ với nồng độ không khí CO2 tham gia phản ứng làm thay đổi điện dẫn của dung dịch

Phương pháp này đơn giản rẻ tiền nhưng độ nhạy và độ chính xác không cao

2 Phương pháp hoá điện

• Nguyên lý phương pháp như sau:

Khi cho chất khí có chứa CO2 đi qua bình nước có đặt điện cực đo pH

( ví dụ điện cực thủy tinh là một lớp thủy tinh mỏng bao gồm 22% Na2O, 0.6% CaO, 7%SiO2 bên trong chứa AgCl và KCl bão hòa ) sẽ xẩy ra phản ứng :

I

Đo điện áp này ta suy ra nồng độ C của khí CO2 vì điện áp ra nhỏ, công suất nhỏ nên yêu cầu điện trở vào các bộ khuếch đại phải lớn cỡ 100GΩ và dòng 1pA

Như vậy phương pháp hoá điện dựa trên nguyên lý chất khí CO2 cùng với nước

sẽ giải phóng hoặc hấp thụ photon ở trên bề mặt của điện cực được phát hiện bởi

đầu đo pH (ví dụ điện cực thuỷ tinh) Đo độ pH của dung dịch khi có CO2 đi qua

sẽ suy ra nồng độ khí CO2

• Đặc điểm của phương pháp:

Phương pháp này có độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng của độ ẩm, thời gian sử dụng

dài, giá thành rẻ, nguồn tiêu thụ thấp Dải đo 350ữ5000ppm có đặc tính của sensor CO2 khá tuyến tính và sensor không bị ảnh hưởng của các chất khí khác nhau như CO2, Ethanol, hay H2

3 Phương pháp quang phổ

• Nguyên lý của phương pháp này như sau:

Trong một hộp kín đặt một cuộn băng, trên bề mặt của cuộn băng phủ một lớp hóa chất có màu nhạy với khí CO2 Khi luồng khí có chứa khí CO2 đi qua, trên bề mặt băng sẽ đổi màu tùy thuộc vào nồng độ của khí CO2 Đo sự thay đổi màu này bằng photosensor ( quang điện trở ) thu ánh sáng từ một đèn chiếu vào băng ta xác định được nồng độ khí CO2

• Đặc điểm của phương pháp:

Như vậy phương pháp quang phổ là một phương pháp xác định nồng độ của chất khí theo mức độ nhuộm màu của chất khí cần phân tích lên một băng

đặc biệt có phủ chất tự làm thay đổi màu khi có khí co2 đi qua mức độ nhuộm màu sẽ tỷ lệ với lượng CO2 đi qua

Phương pháp này có độ nhạy cao và có thể đo liên tục rất tiện cho các trường hợp cần theo dõi sự thay đổi của khí CO2 trong hỗn hợp khí, tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác thấp, sai số lên tới ±10%

Chi phí cao, thiết bị cồng kềnh và chỉ đo được khí CO2 với nồng độ thấp

4 Phương pháp phân tích nhiệt:

* Nguyên lý hoạt động: Phương pháp phân tích nhiệt là phương pháp đo tính chất

nhiệt hoặc xác định sự thay đổi nhiệt độ với sự thay đổi tính chất lý - hoá khác

nhau của các chất

Phương pháp được sử dụng rộng răi là phương pháp dựa trên sự phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của thành phần trong hợp chất khí và nồng độ của thành phần ấy Phương pháp này dùng để đo nồng độ CO2 Chuyển đổi trong các bộ phận tính phân khí là các nhiệt điện trở Platin được đốt nóng bằng dòng điện Sự thay đổi nồng độ của thành phần đo trong hợp chất khí làm thay đổi độ truyền nhiệt và nhiệt độ của nhiệt điện trở do đó điện trở của nó thay đổi

Hai nhiệt điện trở R1 và R3 đặt trong hộp có hợp chất khí phân tích đi qua Hai nhánh còn lại của cầu là hai là hai nhiệt điện trở R2 và R4đặt trong hộp kín chứa hợp chất khí có nồng độ đă biết trước, tương ứng với giá trị đầu ra của thang đo Cách bố trí như trên cho phép giảm được sai số của dụng cụ

4 Lựa chọn sensor

Dựa trên đặc điểm của từng phương pháp ta chọn loại đầu đo TGS 4161 cho

phát hiện khí CO2 Đây là loại sensor CO2 có chất điện phân thể rắn có cấu tạo theo kiểu hai điện cực, tiện sử dụng

TGS 4161 có đặc điểm :

+ Độ nhạy cao,

+ ít bị ảnh hưởng của độ ẩm,

+ Thời gian sử dụng dài, giá thành rẻ,

+ Nguồn tiêu thụ thấp 250mW với dòng IH= 50mA và điện áp

Hình 1.10: Đặc tính của sensor CO2

1.3.4 Các phương pháp đo khí CO

Hiện nay có nhiều phương pháp để đo nồng độ các khí CO nhưng phổ biến

ta có phương pháp dẫn điện và phương pháp hấp thụ

1 Phương pháp dẫn điện

Theo tính chất vật lý, mỗi một chất khí có độ dẫn điện khác nhau và đặc trưng bởi hệ số dẫn điện γ Các chất khí có độ dẫn điện γ càng lớn thì khả năng dẫn điện theo nồng độ của chất khí đó càng lớn Nhờ vào tính chất này ta có thể

đo được nồng độ C của nó dựa trên hệ số dẫn điện γ ở mỗi một nồng độ khác nhau thì có khả năng dẫn điện khác nhau, đo được độ dẫn điện này ta có thể tính

ra được nồng độ của chất

γ = f1(C) hay C=f2(γ) (1.22) Dựa trên phương pháp này trong công nghiệp người ta sử dụng một dụng

cụ đo nồng độ khí gọi là Conductomet và có sơ đồ nguyên lý cơ bản như hình 1.10 Một mạch từ được cấu tạo bởi lõi sắt từ, cuộn sơ cấp là cuộn dây điện có số vòng dây là W1, cuộn thứ cấp quấn vào lõi sắt từ là W2 là một ống rỗng được chế tạo bằng vật liệu phi kim loại, có cửa vào và cửa ra để đưa khí CO vào và ra khỏi

ống Do cuộn thứ cấp ngắn mạch cho nên ta có tỷ số

1

2 2

1

W W

I I =

Trong đó I1 là dòng xoay chiều cung cấp cho cuộn sơ cấp I2 là dòng điện phát sinh chạy trong ống khi có khí CO chạy qua Khi chưa có khí CO đi qua ta đo

được dòng điện I1thông qua một Ampemet từ điện qua mạch chỉnh lưu khi có khí

CO đi qua làm xuất hiện dòng điện I2 trong mạch thứ cấp (trong ống có CO chạy qua) tiếp đến làm thay đổi dòng điện I1, đo sự thay đổi này có thể suy ra nồng độ khí CO chạy trong ống

Như vậy dòng điện sơ cấp I1 là một hàm phụ thuộc vào nồng độ C của khí CO chạy trong mạch thứ cấp I1= f(C) Đo dòng điện I1 bằng nhiều phương pháp nhưng đơn giản nhất là sử dụng một Ampemet từ điện chỉnh lưu

Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản rẻ tiền, dải đo rộng

Nhược điểm: Phương pháp này có độ chính xác không cao cỡ 5% và nhiệt độ

không cao

2 Phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại

a Phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại

Thực tế có rất nhiều chất khí hấp thụ tia hồng ngoại trong đó khí CO là một chất khí hấp thụ mạnh tia hồng ngoại có bước sóng λ= 4,7àm và được chỉ rõ trên hình 1.11 với sự hấp thụ tia hồng ngoại của khí CO tại bước sóng λ= 4,7àm trong đó lượng khí CO còn lại sau khi hấp thụ dưới 20% Lợi dụng tính chất này

ta có thể chế tạo thiết bị đo nồng độ khí CO

Bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại này ta có sơ đồ khối một máy đo nồng độ khí CO như hình 1.13

Máy đo gồm có một máy phát tia hồng ngoại có bước sóng λ= 4,7àm đi qua một đĩa quay đục lỗ do một động cơ quay Tia hồng ngoại sau khi đi qua lỗ

được tách thành hai hướng, hướng trên đi vào buồng chứa khí không hấp thụ tia hồng ngoại (ví dụ như khí nitơ), còn buồng dưới cho luồng khí có chứa CO đi qua Trước khi vào buồng phân tích tia hồng ngoại đi qua bộ lọc ánh sáng để chỉ cho

ánh sáng có λ= 4,7àm đi qua Do khí CO hấp thụ tia hồng ngoại mà xuất hiện sự

Hình 1.13: Máy đo nồng độ CO Hình 1.12: Sự hấp thụ tia hồng ngoại của CO tại bước sóng λ= 4,7àm

chênh lệch áp suất trong 2 buồng P1và P2 dẫn đến sự chênh lệch điện dung C1 và

C2 Qua mạch đo (MĐ) đến máy ghi (MG) đo sự thay đổi điện dung C1 và C2 ta suy ra nồng độ khí CO trong hỗn hợp khí

Ưu điểm :Phương pháp đo này có độ nhạy cao cho nên có thể đo CO với nồng độ

tương đối thấp, độ chính xác cao có thể đạt tới 0.5% với dải đo lớn từ 0ữ100ppm,

độ nhạy đạt tới 0.5ữ1 ppm và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Nhược điểm: Phương pháp đo này có giá thành cao do chế tạo phức tạp

b Phương pháp hấp thụ với oxit kim loại bán dẫn

Phương pháp hấp thụ với oxit kim loại bán dẫn là hiện tượng một lớp màng oxit mỏng phản ứng với sự có mặt của khí trong không khí Cơ chế chính của hiện tượng này chính là sự thay đổi nồng độ O2 hấp phụ ngay trên bề mặt các oxit bán dẫn Các anion oxy hình thành trên bề mặt bằng cách lấy electron của vật bán dẫn Khi mật độ điện tích trong chất bán dẫn giảm sẽ ngăn ngừa oxy hấp phụ thêm vào, đồng thời làm giảm sự chuyển động của electron giữa các hạt nhỏ oxit Độ dẫn của màng oxit

này do đó cũng giảm

Trên hình 1.14 là một lớp oxit thiếc SnO2, thuộc loại bán dẫn loại n với quá

trình phản ứng với khí CO

Hấp phụ oxy: (SnO2 + e-) + 1/2O2 → SnO2(O-)(ad) (1.23)

Oxy hoá khí: SnO2(O-)(ad) + CO → (SnO2 + e-) + CO2

Và được ứng dụng chế tạo đầu dò như hình 1.15

Hình 1.14: Quá trình hấp thụ khí O2 và ôxi hoá khí trênbề mặt ôxit kim loại

Đầu dò gồm một ống nhỏ bằng gốm được tráng lên một lớp mỏng bằng SnO2

và chất xúc tác thích hợp Một cuộn dây điện trở được nung nóng ở bên trong giúp giữ đầu dò ở nhiệt độ làm việc (giữa 200 – 500oC) Tín hiệu xuất ra bằng cách đo điện trở giữa hai điện cực nằm ở hai đầu ống

Ưu điểm: - Thời gian phản ứng nhanh, tin cậy,

- Có độ nhạy cao với khí CO

- Khả năng chống ăn mòn cao, sức bền cơ học tốt

- Giá rẻ, dễ chế tạo

Nhược điểm: - Nhiệt độ làm việc cao, tiêu tốn năng lượng không cần thiết

- Độ chọn lọc kém

4 Lựa chọn sensor

Dựa vào ưu nhược điểm của từng phương pháp đo nồng độ khí CO ở trên trong

đề tài này ta chọn phương pháp hấp thụ với oxit kim loại bán dẫn và sensor để đo

là TGS203 của công ty Figaro

*Đặc điểm cấu tạo: Đây là một

viên SnO2 với hai cuộn dây Platin

– Iridium Hai cuộn dây vừa được

dùng để nung nóng và vừa được

dùng như hai điện cực Với sự pha

tạp đặc biệt, cảm biến này chỉ

nhạy với khí CO chứ không với

khí khác Cảm biến được bọc một

Hình 1.15: Đầu dò ôxit kim loại bán dẫn

Hình 1.16: Hình dáng TSG 203 thực tế

vỏ nhựa và một nắp bằng lưới kim loại nhiều lớp Dưới lớp lưới này là than hoạt tính chỉ chi khí CO đi qua và ngăn chặn các khí khác, điều này làm gia tăng khả năng chọn lọc của cảm biến Cảm biến có đường kính 24,1 mm và chiều cao 24,3

mm Với nhiệt độ bình thường cảm biến phản ứng rất chậm Nhiệt độ làm việc tối

ưu của cảm biến khí CO ở khoảng 1000C thấp hơn so với nhiệt độ làm việc của khí khác Độ ẩm có thể làm sai lệch phép đo Trong thực tế người ta có thể giải quyết vấn đề này như sau: Cảm biến được đun thật nóng và đun ít hơn trong những thời gian xen kẽ nhau Với nhiệt độ cao, hơi nước và các khí khác được tống ra khỏi cảm biến và với nhiệt độ thấp hơn nồng độ khí CO được đo

*Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Khi một oxit kim loại tinh thể như SnO2 được làm nóng ở một số nhiệt độ cao trong không khí, oxy được hấp thụ vào tinh thể mặt với một điện tích âm Sau đó, các nhà tài trợ điện tử ở bề mặt tinh thể được chuyển giao cho hấp phụ oxy, kết quả để lại điện tích dương trong một không gian phụ trách lớp Như vậy, tiềm năng bề mặt được hình thành để phục vụ như một rào cản tiềm năng đối với dòng

điện tử Bên trong các cảm biến, điện chảy qua kết hợp các loại (hạt ranh giới) của SnO2 vi sinh tinh thể Tại ranh giới hạt, hấp thụ oxy tạo thành một rào cản tiềm năng, giúp ngăn chặn vận chuyển từ di chuyển tự do Các điện trở của cảm biến là do rào cản tiềm năng này Trong sự hiện diện của một chất khí

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý TSG 203

deoxidizing, mật độ bề mặt của giảm oxy mang điện tích âm, do đó, các rào cản chiều cao trong các ranh giới hạt sẽ giảm Các rào cản làm giảm chiều cao giảm cảm biến kháng chiến Mối quan hệ giữa kháng cảm biến và các nồng độ khí có thể được thể hiện deoxidizing bằng phương trình sau đây trên một phạm vi nhất

định của khí tập trung:

Rs = A [C] -A (1.24) trong đó: A - hằng số

[C] - nồng độ khí

α - độ dốc của đường cong Rs

Rs - Điện trở của cảm biến và tại 100ppm

có giá trị từ 1kΩ ữ15kΩ và được tính theo

công thức :

(1.25)

* Thông số kỹ thuật TGS 203

Bảng 1.9: Thông số kỹ thuật TGS 203

1.3.5 Đo các phần tử lơ lửng trong không khí (bụi )

Các phần tử vật chất thể rắn lơ lửng trong không khí còn gọi là bụi là một tác nhân gây ô nhiễm không khí trầm trọng Vì vậy, việc kiểm tra nồng độ bụi trong không khí là rất cần thiết Có nhiều phương pháp đo bụi nhưng ở đây ta xét một vài phương pháp đo liên tục nồng độ bụi trong không khí như : Phương pháp thu gom bụi và cân, phương pháp kiểm tra bụi bằng tia β, phương pháp đo dựa vào sự hấp thụ ánh sáng của dòng khí bụi, phương pháp đo dựa vào sự phát tán rải rác

ánh sáng, phương pháp đo dựa vào sự va chạm của hạt bụi với đầu đo…

1 Máy kiểm tra các phần tử lơ lửng trong không khí bằng phương pháp hấp thụ tia β

Để kiểm tra nồng độ bụi một cách liên tục có thể sử dụng phương pháp hấp thụ tia β Một thiết bị như vậy được biểu diễn ở hình 1.18

Một cuộn băng giấy đặc biệt được kéo với tốc độ đều, luồng không khí có bụi

được hút và cho qua băng khi đó những phần tử bụi trong không khí sẽ bám đầy trên băng giấy, băng lại tiếp tục đi qua buồng phóng xạ β ( NPX β) Một bộ thu tia β được đặt ở dưới băng Thu lượng phóng xạ β còn lại, biến đổi thành tín hiệu điện qua bộ tiền khuyếch đại ( TĐK ), qua bộ biến đổi (BĐ) để lưu vào máy tính, ra máy tự ghi (MG) Máy tính còn làm nhiệm vụ điều khiển tốc độ của băng

Luồng không khí được bơm ra bằng máy bơm (B) qua máy đo lưu lượng (DLL)

để xác định khối lượng không khí

Để xác định lượng tia β bị bụi hấp thụ, đầu tiên ta đo khi băng chưa bị bám bụi

và sau đó lại đo β khi băng đã bám bụi Căn cứ vào lượng tia β bị hấp thụ có thể xác định được lượng bụi trong không khí

Phương pháp này có độ chính xác cao và có thể đo liên tục và theo dõi sự thay

đổi của lượng bụi theo thời gian

2 Phương pháp đo dựa vào sự hấp thụ ánh sáng của dòng khí bụi

Sự chuyển động của dòng khí chứa bụi được quan sát, theo dõi nhờ thiết bị phát tín hiệu ánh sáng đi qua ánh sáng này bị phản xạ lại nhờ gương phản xạ, đi qua dòng khí một lần nữa và được khuếch đại lên để phân tích Độ mạnh yếu của tín hiệu ánh sáng cuối cùng nhận được sẽ cho biết nồng độ bụi có mặt trong dòng khí

Phương pháp này có độ chính xác cao nhưng đo không liên tục sự thay đổi của lượng bụi theo thời gian

3 Phương pháp đo dựa vào sự va chạm của hạt bụi với đầu đo

Phương pháp này dựa trên sự va chạm của các hạt bụi với đầu đo tạo ra điện tích hay dòng điện nhờ hiệu ứng áp điện Đo được dòng cảm ứng này ta sẽ xác

định được nồng độ bụi trong dòng khí

Hình 1.19: Phương pháp hấp thụ sự hấp thụ ánh sáng của dòng khí bụi

4 Phương pháp đo dựa vào sự phát tán rải rác ánh sáng

Đặc điểm của phương pháp này là khi có dòng khí chứa bụi được chiếu ánh sáng vào thì các hạt bụi sẽ hấp thụ và tán xạ ánh sáng Dựa vào sự rải rác của các nguồn ánh sáng phản xạ lại để phân tích nồng độ bụi

5 Chọn cảm biến

Do yêu cầu của đề tài cần đo liên tục khối lượng bụi trong môi trường không khí với độ chính xác cao nên trong đề tài tác giả chọn phương pháp đo sự phát tán rải rác ánh sáng với cảm biến thuộc thiết bị đo phân tích nồng độ bụi tổng

MICRODUST PRO của CASELLA-Anh

Hình 1.20: Cảm biến và thiết bị đo dựa trên phương pháp va chạm

DURAG

Hình 1.21: Phương pháp đo dựa vào sự phát tán rải rác ánh sáng

Đặc tính kỹ thuật cảm biến:

• Bộ cảm biến ( sensor) đo: Dùng phương pháp tán xạ ánh sáng với bước sóng 880 nm (thuộc vùng hồng ngoại)

• Dải đo rộng 0 – 2500 mg/m2

với 4 dải đo chuẩn: 0-2.5, 0-25, 0-250, 0-2500 mg/m2

• Khoảng thời gian đo: 2 ~ 600 s (có thể điều chỉnh)

• Dải nhiệt độ hoạt động: 0-500C

• Độ ổn dịnh nhiệt: ±0.002 mgm3/0C

• Độ ổn định động: <0.7%FSD/oC

• Đầu ra kiểu tín hiệu tương tự (analogue):0 ~2.5 VDC

• Các thông số của bộ chuyển nguồn: 100- 240 VAC, 47- 63 Hz, 12 VDC, 0,8 A

*Như chương 1 ở trên đ∙ thực hiện:

Giới thiệu tầm quan trọng phải thiết kế hệ thống đo và giám sát môi trường khí thải của nhà máy nhiệt điện, thông qua việc giới thiệu mức độ ảnh hưởng của các loại khí thải với sức khỏe con người cũng như thiết bị máy móc trong môi trường làm việc ô nhiễm từ đó đưa ra các giới hạn cảnh báo với từng thông số cần đo Giới thiệu các phương pháp đo, các cảm biến có thể đo trong thực tế với những dải đo, sai số đo, ưu, nhược điểm của từng phương pháp từ đó lựa chọn phương pháp cũng như sensor đo cho từng thông số môi trường khí thải

Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý máy đo nồng độ bui MICRODUST

Chương 2 : Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu

2.1 Sơ đồ khối hệ thống đo và giám sát môi trường

CO 2

Khu vực Máy phát