Các dữ liệu thu thập bao gồm: nồng độ khí gas, lưu lượng sử dụng pin còn lại của các Node cảm biến.. Lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra đối với một nút đo khí gas − Tính toán
GIỚI THIỆU CHUNG
Trong cu c s ng hiộ ố ện nay, khí gas là nguồn nhiên liệu r t ph bi n ph c v ấ ổ ế ụ ụ cho đờ ống con người s i, bởi nó rất hữu ích giúp chúng ta ở nhiều lĩnh vực trong đời sống như: công nghiệp, dân dụng, thương mại, giao thông vận tải… Bên cạnh s ự tiện l i cợ ủa khí gas thì mộ ấn đề khác cũng được quan tâm đó là vt v ấn đề ề an toàn v khi s dử ụng khí gas Khi con ngườ ếp xúc với khí gas quá ồng độ cho phépi ti n trong m t thộ ời gian dài thì rất d b ngễ ị ộ độc và có thể nguy hiểm đến tính mạng Không nh ng ữ thế, khí gas bị rò rỉ vào trong không khí có thể ễ dàng bắ ửa và gây cháy d t l n , ổ gây ảnh hưởng nghiêm trọng t sới ự an toàn củ người và tài sảa n Theo Cục Cảnh sát phòng cháy, chữa cháy (PCCC) và cứu nạn, cứu hộ – Bộ Công an, thì chỉ trong 3 tháng của đầu năm 2021, toàn quố đã c xảy ra tổng cộng 627 vụ cháy nhà dân (chiếm 57% s vố ụ cháy trong năm 2020), và m t trong nhộ ững nguyên nhân trực ti p d n ế ẫ đến gây cháy là do sơ suất, b t cẩn khi sử d ng lửa, nhiệt, và đặấ ụ c biệt là sử d ng gas ụ [1] Ngày nay, nếu gia đình nào dùng bếp gas để ấu ăn đều có ít nhấ n t m t ộ bình gas (loại 12kg), với các nhà hàng và quán ăn thì số lượng bình gas có thể ẽ s nhiều hơn Chính các bình gas nói trên đều có thể trở thành hiểm họa cháy, hầu hết các vụ nổ khí gas là do rò rỉ khí mà không được phát hiện trong quá trình rò Vì vậy, hệ thống phát hiệ khí gas là vô cùng quan trọn ng Mục đích của hệ thống là để phát hiện khí rò rỉ, vô hiệu hóa nó và ngăn chặn vụ nổ Từ đó ta thấy vấn đề phát hiện và xử lí sự cố rò rỉ gas là mộ ấn đề ết sức cầt v h n thiết
Xuất phát từ tình hình thự ế và để ạc t h n ch nh ng v viế ữ ụ ệc đáng tiếc x y ả ra, em xin chọn đề tài: “Thi t k h ế ế ệ th ố ng m ng c m bi ạ ả ến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas ” làm đềtài tốt nghiệp cho mình Thiết bị mà em thiết k ếthìcó khảnăng tự động giám sát nồng độ của khí gas, mức năng lượng của thiết bị cũng như gử ảnh báo, xử lí i c s c khi ự ố có khí gas bị rò rỉ
Với đề tài là thiế ết k m t hộ ệ thống m ng c m biạ ả ến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas, thì hiện nay các mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas trên thế ới thường sẽ gi có những chức năng như: Tự động thu thập dữ liệu khí gas ở xung quanh nút cảm bi n, truyế ền và lưu trữ ữ liệu lên webserver, cảnh báo năng lượ d ng c a củ ác nút cảm bi n (khi s d ng pin), khi nế ử ụ ồng độ khí gas vượt qua ngưỡng cho phép thì sẽ khởi động thêm các dịch vụ:
− Còi và đèn cảnh báo
− Hệ thống d p tậ ắt phả ứn ng
− Dịch v khẩn cụ ấp và gửi tin nhắn cho người quản lý
V c u t o c a hề ấ ạ ủ ệ thống thì hệ thống m ng c m biạ ả ến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas trên thế giới thường được chia làm ba phần:
− Phần th nhứ ất là đầu dò khí
− Phần th ứ hai là bộ ử lý trung tâm x
− Phần th ứ ba là thiết bị ảnh báo và bả c o v ệ
Với nhân lực gồm 2 thành viên, trong thời gian 15 tuần nhóm em đã nghiên cứu, đặt ra các ục tiêum , từ phân công từng thành viên thựđó c hiện các công việc c ụ th Nể ội dung phân công công việc được tổng h p trong b ng: ợ ả
B ng 1.1 ả Phân công công việc c a tủ ừng thành viên
Nguyễn Quang Huy 20173959 − Tìm hiểu sơ lược về khí gas và các phương pháp đo khí gas
− Tìm hiểu về cảm biến khí gas MQx Lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra đối với một nút đo khí gas
− Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ ống hai nút th đo khí gas có các chức năng: đo nồng độ khí gas, phát hiện và cảnh báo bằng đèn, còi trong trường nồng độ lớn hơn ngưỡng cho phép, gửi kết quả đo lên nút trạm, đo và cảnh báo mức năng lượng pin, đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường sử dụng cảm biến DHT11
− Lập trình cho Node: viết sơ đồ thuật toán, viết chương trình đọc và tính nồng độ khí gas, viết chương trình đọc nhiệt độ và độ ẩm bằng cảm biến DHT11
− Lập trình webserver và cơ sở dữ liệu
− Mô phỏng mạch nguyên lí bằng Proteus, thiết kế mạch in, tiến hành thực nghiệm các kết quả đạt được
Chu Văn Tình 20181785 − Tìm hiểu về hệ ống cảnh báo rò rỉ gas, mạng truyền th thông không dây, chuẩn truyền không dây
− Tính toán, lựa chọn linh kiện cho trạm thu thập số liệu khí gas
− Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lí cho Trạm
− Lập trình cho Node: Tính thời gian sống cho Node, tính mức năng lượng pin còn lại
− Tìm hướng hiệu chỉnh cảm biến MQ5 khỏi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường
− Mô phỏng mạch nguyên lí bằng Proteus, thiết kế mạch in, tiến hành thực nghiệm các kết quả đạt được
CƠ SỞ LÍ THUYẾ T
Sơ lược về khí gas
Khí gas hay còn được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG Liquified Petroleum – Gas) là một hỗn hợp khí hydrocarbon, khí gas có hai thành phần chính là Propan có công thức hóa học là (𝐶 3 𝐻 8 ) và Butan có công thức hóa học là (𝐶 4 𝐻 10 ) Hai thành phần chính đó thì chiếm ít nhất 95% khối lượng T i Vi t Nam, ạ ệ thì ỷ ệt l Propan (𝐶 3 𝐻 8 ) và Butan (𝐶 4 𝐻 10 ) trong khí gas dân dụng và công nghiệp thường t 20:80 ừ đến 30:70 V i tỷ lệ này, hiệớ u suất đốt cháy sẽđược tối ưu để tiết kiệm gas nhưng v n ẫ đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng đáp ứng nhu c u s d ng ầ ử ụ
Xét về ỷ trọng, thì t ở thể ỏ l ng tỷ trọng của Butane l ng bỏ ằng 0,575 và tỷ trọng c a Propane l ng bủ ỏ ằng 0,510 Như vậy, tỷ trọng c a LPG ở ủ thể l ng x p x ỏ ấ ỉ b ng m t n a tằ ộ ử ỷ trọng của nước Ởthể hơi thì ỷ trọ t ng của Butane hơi bằng 2,01 và Propane hơi bằng 1,52 Như vậy, ở thể hơi tỷ trọng của LPG gần gấp 2 lần tỷ trọng của không khí Do đó, gas bị rò rỉ thoát ra ngoài sẽ lan truyền sát mặ ất và tích tụt đ ở những nơi trũng, kín gió hoặc hang hốc như kho chứa, bếp [2]…
Khí gas có nhiệt độ khi cháy rất cao, kho ng t 190ả ừ 0 0 𝐶 – 1950 0 𝐶 V i nhiớ ệt độ này, nó có khả năng đốt cháy và nung nóng hầu hết các chất Gas cũng là loại nhiên liệu dễ cháy, nếu bị rò rỉ, vận tốc bay hơi rất nhanh, chúng dễ dàng khuếch tán và hòa trộn vào không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ
Các ảnh hưởng của LPG với sức khỏe [3]:
− Ở nồng độthấp dưới 0,1% khí LPG không phải là ch t đấ ộc hại
− Ở nồng độ dưới 1% LPG không gây ra triệu chứng đặc biệt nào.
− Nồng độ LPG cho phép làm việc lâu dài là 0,25%
− Nồng độ khí LPG trên 1% có thể gây ra choáng nhẹ sau vài phút, tuy nhiên không gây kích thích rõ rệt lên mũi và họng
− LPG là chất gây ngạt Nồng độ LPG quá cao có thể chiếm chỗ của Oxy trong không khí và gây ngạt
Các giớ ạn cháy nổ ủa khí Gas:i h c
Quá trình cháy nổ ầ c n phải có 03 yếu tố tham gia: Nhiên liệu cháy, hí Oxy k (𝑂 2 ) và nguồn t o l a M i loạ ử ỗ ại khí gas cháy nổ chỉ ốc cháy ở b m t d i gi i hộ ả ớ ạn nồng độ nhất định trong t l pha tr n giỉ ệ ộ ữa khí gas và không khí Nếu nằm ngoài dải gi i hớ ạn cháy nổ cũng không sinh ra cháy nổ, vì vậy mà khí gas cháy nổ thường có giới hạn cháy nổ dưới (%LEL) và g ới hạn cháy nổ trên (%UEL)i
Cụ thể ồng độ ố n t i thi u c a m t loể ủ ộ ại khí hoặc hơi dễ cháy đặc bi t c n thiệ ầ ết để ỗ ợ h tr quá trình đốt cháy của nó trong không khí được xác định là gi i hạn nổ ớ
5 dưới (LEL) của khí đó, dưới mức này hỗn hợp quá ít để đốt cháy Nồng độ ối đa t của khí hay hơi để cháy trong không khí được xác định là giới hạn nổ trên (UEL) Trên mức này hỗn hợp quá đậm đặc đểđốt cháy.
Hình 2.1 Giới hạn cháy nổ của chất gas
M t trong nhộ ững yêu cầu để vào không gian hạn chế là phép đo các khí dễ cháy Trước khi vào không gian hạn ch , mức độ ế khí dễ cháy phải là dưới %10 LEL
Với khí Gas là hỗn h p ch y u cợ ủ ế ủa Propan (𝐶3𝐻8) và Butan (𝐶4𝐻10), LEL c a hai ủ khí này lần lượt là 2.1% (của 𝐶 3 𝐻 8 ) và 1.8% (của 𝐶 4 𝐻 10 ) Như vậy nồng độ khí gas đểcác thiết bịphát cảnh báo là 0.18% = 1800ppm
Các phương pháp và nguyên lí đo khí Gas
Khí gas được s d ng ph biử ụ ổ ến trong đờ ối s ng hi n nay ệ và có ích trong nhiều lĩnh vực, nhưng nó cũng đi kèm với các nguy cơ cháy nổ và ảnh hưởng tới sức khỏe của con người Vì vậy, các phương pháp đo khí gas đã được tìm hiểu và phát triển
Mỗi phương pháp có ưu điển và nhược điểm khác nhau, tùy thuộc vào từng mục đích sử ụng để d lựa chọn phương pháp đo hợp lý Theo tìm hiểu của em, có năm phương pháp đo khí gas được sử dụng phổ biến là: phương pháp điện hóa, phương pháp đốt xút tác, phương pháp hồng ngoại, phương pháp quang hóa, phương pháp dùng chất bán dẫn Điện hóa
Phương pháp này đo nồng độ khí gas bằng cách cho dòng khí khuếch tán xuyên qua một màng xốp đến một điện cực nơi nó bị khử hoặc bị oxi hóa tạo ra dòng điện, dòng điện này tuyến tính vớ ồng độ khí Hầi n u hết các thiết bị đo sử dụng phương pháp này có giá trị đầu ra là ampe [4]
Hình 2.2 Cấu tạo điển hình của thiết bị đo khí gas sử ụng phương pháp điện hóa d
Nguyên lí đo: Các phân tử khí mục tiêu tiếp xúc vớ ải c m biến trước tiên sẽ đi qua một màng chống ngưng tụ, màng này cũng đóng vai trò bảo vệ chống b i Sau ụ đó, các phân tử hí khuếch tán qua mao quản, có khả năng qua bộ k lọc tiếp theo, rồi qua màng kỵ nước để đến cấu trúc bề mặt của điện cực cảm biến Ở đó, các phân tử ngay l p t c bậ ứ ị oxy hóa hoặc kh tử ại các vị trí xúc tác hoạt động, do đó tạo ra hoặc tiêu thụ các điệ ử, và do đó tạo ra dòng điện t n Ưu điểm của phương pháp đo:
Nhược điểm của phương pháp đo:
− Cần tiêu hao chất điện giải trong quá trình sử ụ d ng
− Dễ b ị ảnh hưởng b i nhiở ệt độ, độ ẩm và áp xuất làm sai số phép đo Đốt xúc tác
Phương pháp đốt xúc tác dựa vào độ tăng giảm nhiệt độ (điện trở ủ) c a phần tử dò (thường là cuộn dây Pt) sau khi cho khí tiếp xúc với chất xúc tác, được sử dụng để phát hiện khí dễ cháy trong môi trường có nồng độ𝑂 2 ít nhất là 15% Phương pháp này thực hiện phát hiện bằng cách đo sự thay đổ ủa điệi c n trở trong, xảy ra khi có khí dễ cháy trong môi trường xung quanh Quá trình phát hiện khí trên loại cảm biến này bao gồm ph n ả ứng hóa học gi a ph n tữ ầ ử xúc tác với các khí dễ cháy trong môi trường, tạo ra sự gia tăng nhiệt độ trên cảm biến, làm biến thiên điện trở của nó
Hình 2.3 Nguyên lí đo khí gas bằng phương pháp đốt xúc tác
Nguyên lí đo: Thiết bị đo bao gồm hai phần tử là phần tử dò và phần tử tham chiếu được bao bọc phía sau một đầu hãm lửa bằng thép không gỉ [5] Phần tử dò được thêm chất xúc tác để đốt cháy hoặc oxy hóa chất khí trong khi phần tử tham chiếu có thêm chất chống oxi hóa Hai phần tử được đặt trong mạch cầu Wheatstone Khi chất khí tiếp xúc với chất xúc tác ở phần tử dò (thường là cuộn Pt) sẽ cháy từ đó làm tăng nhiệt độ cũng như điện trở của phần tử dò qua đó làm mạch cầu mất cân b ng Sằ ự thay đổi đầu ra này là tuyến tính từ đó ta xác định được nồng độ khí cần đo
Phương pháp này có một số ưu điểm chính:
− Dễ dàng hiệu chuẩn riêng lẻ
− Chi phí bảo trì thấp
− Không bịảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh
− C ácthiết bị ảm biế c n s dử ụng phương pháp này có tuổi th ọcao
Tuy vậy nó còn tồn tại các nhược điểm [6]:
− Để tránh mất độ nhạy do chất độc xúc tác phải kiểm tra thường xuyên bằng khí thích hợp, sau đó hiệu chuẩn lại theo yêu cầu
− Các cảm biến được đặt ở các khu vực được biết là có chất độc tiềm ẩn phải được hiệu chuẩn thường xuyên và ghi lạ ết quả i k
− Tiếp xúc lâu với nồng độ cao của khí dễ cháy có thể ẫn đế d n sự suy giảm hi u suệ ất của cảm biến theo th i gian ờ
− Làm việc trong bóng tối, dễ phát nổ hoặc b t lửa ắ
Phương pháp đo này hát hiệ p n loại khí và nồng độ ằ b ng ph h p th h ng ổ ấ ụ ồ ngoại của khí và lượng h p th ấ ụ tương ứng
Hình 2.4 Nguyên lí đo khí gas bằng phương pháp hồng ngoại
Nguyên lí đo: Nếu có khí giữa nguồn IR và đầu thu IR, m c b c xứ ứ ạ chiếu vào đầu thu sẽ giảm và có thể được theo dõi liên tục Việc so sánh mức bức xạ sau b ị h p thấ ụ sau khi đi qua thể tích khí với m c b c x tham chiứ ứ ạ ếu ngoài dả ấi h p th cho ụ ta bi t nế ồng độ chất khí hông thườ T ng thi bết ị đo ử ụng phương pháp này có độs d dài đường dẫn giữa nguồn IR và bộ thu IR cố định và rất ngắn (chỉ vài inch) nên có thể cho r ng nằ ồng độ khí là đồng nhất trên đường đi Bằng cách sử ụng độ d dài đường dẫn c ốđịnh, có thể biểu diễn trực tiếp phép đo độ hấp th ụchùm tia hồng ngoại của khí đo được thành nồng độ khí (trong trường hợp này là% LEL)
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
[1] VNCPC Admin (2021, Apr.) vncpc.org [Online] https://vncpc.org/hiem- chay-no- -gas-tu rinh-rap-cac-gia-dinh-dau- -nguyen-nhan/ la
[2] (2021, Sep.) gas40.com [Online] https://gas40.com/tin-tuc/gas- -gi-la t phan-va-dac-tinh-co-ban-cua-gas.1
[3] (2020, May) kythuatgas.com [Online] https://kythuatgas.com/cac-nguye an-toan-chung-khi-lam-viec-voi-lpg.html
[4] membrapor [Online] https://www.membrapor.ch/electrochemical- sensors/
[5] sensorpros.com [Online] https://sensorpros.com/pages/rc-smartgas technology
[6] (2021, Nov.) azosensors.com [Onlin https://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID!35
[7] Mohd Nizar Hamidon, Ahsanul Kaiser, Zaiki Awang Zainab Yunusa, " Sensors: A Review," vol 4, no 168, pp 61-75, Apr 2014
[8] Nhung Nguy n http://vietcleanair.vn/ [Online] http://vietcleanair.vn/phễ tich-uu-nhuoc-diem-cua-cac-loai-cam-bien-khong-khi-chi-phi-thap-low-co air-sensor/
[9] [Online] https://datasheetspdf.com/pdf-file/904638/HANWEIELETRON /MQ-5/1
[10][Online] https://drive.google.com/file/d/1sBBlRg7sYhZQY37GdIb96tG d0MJbJK/view
[12]V Ghafarinia F Hossein-Babaei, "Compensation for the drift-like te caused by environmental fluctuations," 2010
[13]Lưu Trọng Hiếu,Nguyễn Chí Ngôn Phan Thị Xê Riêng, "ỨNG DỤNG CÔNGNGHỆ IoT TRONG CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS HỘ GIA ĐÌNH," Tạp ch khoa học trường đại học Cần Thơ, vol 3A, no 58, pp 44-51, 2022.
