nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

Mục lục VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.. Mục lục VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế

Trang 1

ISO 9001 : 2008

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

X W Y Z X W

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2012

Trang 2

Mục lục

VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng

Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 6

1.1 Tính cấp thiết và sự hình thành của đề tài 6

1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài 7

1.3 Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy 7

1.3.1 Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị ở nước ngoài 7

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 9

1.4 Kết luận chương I .9

CHƯƠNG II KHẢO SÁT KỸ THUẬT .10

2.1 Khảo sát các thiết bị trên thị trường .10

2.2 Hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy 15

2.3 Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly trên tàu thủy 17

2.3.1 Đặc điểm của nước thải đáy tàu, mẫu nước cần đo .17

2.3.2 Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy 18

2.4 Kết luận chương II 20

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG PHÂN LY DẦU NƯỚC TRÊN TÀU THỦY 21

3.1 Thiết kế tổng thể phần cứng 21

3.1.1 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng 21

3.1.2 Sơ đồ khối cấu hình phần cứng của thiết bị 21

3.1.3 Đặc điểm của thiết bị chế tạo 23

3.2 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng buồng đo 23

3.2.1 Phân tích 23

3.2.2 Sơ đồ khối của buồng đo 29

3.2.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế 30

Trang 3

Mục lục

3.2.4 Tính toán thiết kế .30

3.3 Phân tích, thiết kế phần cứng HMI 35

3.3.1 Phân tích 35

3.3.2 Sơ đồ khối của HMI .36

3.3.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế 36

3.3.4 Thiết kế module HMI 37

3.4 Thiết kế khối nguồn và điều khiển đóng cắt .38

3.5 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần mềm nhúng của thiết bị .39

3.6 Thiết kế chương trình phần mềm HMI 41

3.7 Thiết kế chương trình phần mềm xử lý tính toán số liệu đo 43

3.8 Thiết kế vỏ thiết bị 45

3.9 Kết luận chương III .46

CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG DỤNG TRÊN TÀU THỦY 47

4.1 Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 47

4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm 47

4.1.2 Nội dung thử nghiệm 47

4.1.3 Thử nghiệm cụm buồng đo dầu nhiễm 49

4.1.4 Thử nghiệm Module hiển thị và điều khiển 50

4.1.5 Thử nghiệm toàn bộ thiết bị 51

4.1.6 Đánh giá kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm .52

4.2 Thử nghiệm thực tế 52

4.2.1 Mục tiêu thử nghiệm 52

4.2.2 Nội dung thử nghiệm 52

4.2.3 Kết quả thử nghiệm thực tế 53

4.3 Kết luận chương IV 53

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .54

1 Các kết quả đạt được 54

1.1 Các sản phẩm “Dạng I” 54

1.2 Các sản phẩm “Dạng “II” 54

Trang 4

Mục lục

1.3 Các sản phẩm “Dạng III” 54

2 Kết luận 54

3 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

1 Các mạch nguyên lý và mạch in của buồng đo 57

2 Mạch nguyên lý và mạch in của HMI 60

3 Mạch nguyên lý và mạch in của khối nguồn 62

4 Các bản vẽ thiết kế phần cơ khí 64

5 Hướng dẫn vận hành giao diện HMI của thiết bị .68

6 Một số hình ảnh của thiết bị .73

7 Một số hình ảnh thử nghiệm thiết bị .78

8 Các giấy tờ kiểm chuẩn và kết quả thử nghiệm thực tế.Error! Bookmark

not defined.

9 Bài báo khoa học .Error! Bookmark not defined.

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

ADC = Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự sang số

DWT = DeadWeight Tonnage, đơn vị đo năng lực vận tải an toàn của tàu tính

bằng tấn

MEPC = Marine Environment Protection Committee, Ủy ban bảo vệ môi trường

biển

HMI = Human Machine Interface, Giao diện người máy

Trang 5

Danh mục bảng hình

Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Bảng khảo sát một số thiết bị trên thị trường 14

Bảng 3.1 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho buồng đo 30

Bảng 3.2 Trị số điện trở các cảm biến khi nước sạch .32

Bảng 3.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho HMI 37

Bảng 3.4.Tương quan mẫu dầu với giá trị tỉ lệ thu được sau tính toán .44

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Một số thiết bị đo dầu trong nước trên thế giới 8

Hình 2.1 Tàu hàng khô Thiết bị phân ly dầu nước 15

Hình 2.2 Mô hình hệ thống phân ly dầu nước 15ppm trên tàu thủy 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị 22

Hình 3.2 Bố trí nguồn sáng, các cảm biến ánh sáng và buồng mẫu .25

Hình 3.3 Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ tương trên cảm biến trực xạ .26

Hình 3.4 Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ tương trên cảm biến tán xạ .26

Hình 3.5 Bố trí nguồn sáng và các cảm biến trong buồng đo 28

Hình 3.6 Sơ đồ khối của buồng đo 29

Hình 3.7 Mạch nguyên lý nguồn sáng .31

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý các mạch cầu đo 33

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D 34

Hình 3.10 Sơ đồ khối của HMI 36

Hình 3.11 Mô tả hoạt động của các chương trình phần mềm trong máy .40

Hình 3.12 Cây menu cơ bản trong thiết bị 41

Hình 3.13 Mô tả hai bức điện đặc tả khối dữ liệu 42

Hình 3.14 Thuật toán lấy mẫu, tính toán nồng độ dầu 45

Hình 4.1 Bộ trộn dầu nhũ tương .48

Hình 4.2 Mô hình thử nghiệm thiết bị trong phòng thí nghiệm 48

Trang 6

Danh mục bảng hình

Hình P1.1 Mạch nguyên lý buồng đo 57

Hình P1.2 Mạch in buồng đo 58

Hình P1.3 Mạch in khoang quang học 59

Hình P2.1 Mạch nguyên lý của HMI 60

Hình P2.2 Mạch in của HMI .61

Hình P3.1 Mạch nguyên lý của khối nguồn 62

Hình P3.2 Mạch in của khối nguồn 63

Hình P4.1 Bản vẽ van điều chỉnh lưu lượng 64

Hình P4.2 Bản vẽ khớp nối 65

Hình P4.3 Bản vẽ vỏ buồng đo 66

Hình P4.4 Bản vẽ buồng quang học 67

Hình P6.1 Hình ảnh hệ lấy mẫu nước .73

Hình P6.2 Hình ảnh cụm thiết bị buồng đo tháo rời 74

Hình P6.3 Hình ảnh cụm thiết bị đo đã lắp hoàn chỉnh 75

Hình P6.4 Hình ảnh mở máy đo OCM 98/2012 .76

Hình P6.5 Toàn cảnh máy đo OCM 98/2012 77

Hình P7.1 Những hình ảnh thử nghiệm thiết bị trong thực tế 78

Trang 7

-6- CHƯƠNG I Mở đầu

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết và sự hình thành của đề tài

Nước ta có 3.260km bờ biển trải dọc theo chiều dài đất nước và hơn 2.800 hòn đảo, bãi đá ngầm cùng với 20 triệu dân cư có cuộc sống gắn liền với biển Với lợi thế về vị trí địa lý như vậy, vận tải biển nước ta ngày càng đóng vai trò quan trọng trong lưu thông hàng hóa giữa Việt Nam với các nước trên thế giới và trong khu vực, góp phần quan trọng vào việc đưa nền kinh tế Việt Nam hội nhập với nền kinh tế quốc tế

Từ những lý do đó, ngày 24/12/2009, thủ tướng đã phê duyệt Quy hoạch phát triển vận tải biển Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 do

Bộ giao thông vận tải trình Trong bản Quy hoạch lần này, ngành vận tải biển được chú trong phát triển mạnh cả về số lượng, chất lượng và quy mô Bên cạnh

đó, cùng với quy hoạch phát triển ngành hàng hải, Bộ giao thông vận tải cũng xúc tiến công tác bảo vệ môi trường Tất cả các tàu dầu có tổng dung tích từ 150 tấn trở lên và các tàu khác không phải là tàu dầu có tổng dung tích từ 400 tấn trở lên đều phải trang bị hệ thống lọc dầu để xử lý nước đáy tàu lẫn dầu từ buồng máy hoặc các dầu khác (Chương 2, mục 2.3;2.4 QCVN 26: 2010/BGTVT) Điều này cũng là một trong những nỗ lực của Bộ để đưa tàu Việt Nam ra khỏi danh sách đen ở các cảng nước ngoài Bởi lẽ, một trong những kiếm khuyết khiến các tàu Việt Nam trở thành đối tượng “ưu tiên” kiểm tra tại các cảng biển nước ngoài là

do những lỗi liên quan đến hệ phân ly dầu nước Theo số liệu thống kê của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số tàu bị lưu giữ trên khắp thế giới do có lỗi liên quan tới

hệ phân ly dầu nước là 34/126 tàu (năm 2011), 15/55 tàu (năm 2012)

Nắm được những yêu cầu về môi trường đối với ngành hàng hải, nhằm góp phần vào công cuộc bảo vệ môi trường, chống lại biến đổi khí hậu, và góp phần nhỏ vào việc cải thiện khả năng đáp ứng các yêu cầu quốc tế đối với tàu biển Việt Nam, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã thực hiện đề tài " Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy” Thiết bị này là một thành phần rất quan trọng của hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy Nó kiểm soát và điều khiển toàn bộ hệ thống một cách tự động, đảm bảo nước thải ra môi trường biển không vượt quá nồng độ dầu

Trang 8

cho phép là 15ppm theo đúng quy định của tiêu chuẩn về nước thải của tàu ra biển

1.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy đáp ứng yêu cầu kiểm soát nước thải xả ra môi trường

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tham khảo các mẫu thiết bị của nước ngoài để giải mã công nghệ áp dụng cho sản phẩm của đề tài

- Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế cả về phần cứng và phần mềm trên các công cụ mô phỏng để đưa ra những thiết kế hợp lý cho sản phẩm

- Sau khi thiết kế, thử nghiệm thiết bị với những mẫu nước nhiễm dầu có tỉ lệ dầu nhiễm biết trước để hiệu chỉnh phần cứng, phần mềm Sau khi công đoạn này kết thúc, đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế để đánh giá tính ổn định của sản phẩm

và hoàn thiện thiết kế

- Về kỹ thuật, sản phẩm của đề tài sẽ được thiết kế trên cơ sở các linh kiện có phẩm chất tốt, hiện đại của các hãng trên thế giới

1.3 Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng

trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

1.3.1 Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị ở nước ngoài

Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy hay còn gọi là bộ đo nồng độ dầu 15ppm là dòng sản phẩm rất phổ biến trong ngành môi trường biển, và được nhiều nước trên thế giới sản xuất như FP360 kèm controller của Hatch-Mỹ; TD500 của hãng Turner Designed-Mỹ, OCMA- 350 của hãng Horiba Nhật Bản, OMD-2005, OMD-2008 của Decka, Hamburg GmbH- Đức; GQS-206, GQS-106 do CXIM-Trung Quốc cung cấp… Các thiết bị này có nhiều dạng khác nhau, có loại thiết bị để trong phòng thí nghiệm, có loại thiết bị đặt cố định tại hiện trường, và có cả loại thiết bị dạng lưu động cầm tay Tùy vào điều kiện sử dụng khác nhau, người dùng có thể lựa chọn

Trang 9

được loại phù hợp nhu cầu của mình Về chất lượng, tùy theo từng phân khúc thị trường, các nhà sản xuất đưa những thiết kế khác nhau và có chất lượng khác nhau nhưng cơ bản đáp ứng được yêu cầu sử dụng

Hình 1.1 Một số thiết bị đo dầu trong nước trên thế giới

Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước của nước ngoài đều có một số đặc điểm chung:

- Giá thành cao

- Việc đo nồng độ dầu trong nước của các thiết bị này được thực hiện chủ yếu theo hai phương pháp: ► Đo bằng cách tán xạ dùng tia UV

► Đo bằng khúc xạ dùng tia hồng ngoại

- Các thiết bị này được thiết kế đều tuân theo công ước quốc tế về môi trường biển MPECx

Trang 10

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Việt Nam là nước có ngành vận tải biển đã phát triển cũng được khá lâu Tuy nhiên, việc xử lý nước thải của tàu thủy ra môi trường mới chỉ được chú trọng trong vài chục năm trở lại đây Trong các tiêu chuẩn, quy phạm mới về an toàn môi trường đối với tàu thủy, tất cả các tàu không phải là tàu dầu có tổng dung tích nhỏ hơn 400, khi bất kỳ hỗn hợp dầu nước nào được xả ra biển phải trang bị

hệ thống phân ly dầu nước 15ppm

Nắm bắt được điều đó, ở nước ta, đã có nhiều nơi nghiên cứu, chế tạo hệ thống phân ly dầu nước Tuy nhiên các nơi đó mới chỉ chế tạo được phần phân ly dầu nước Phần đo 15ppm nồng độ dầu trong nước sau khi phân ly thì họ vẫn phải nhập ở nước ngoài với giá cả rất đắt Chưa có cơ sở nào trong nước tuyên bố nghiên cứu, chế tạo được bộ đo 15ppm dầu trong nước Có thể nói, đây là một mảng thị trường còn bỏ ngỏ cần được quan tâm nhiều hơn

1.4 Kết luận chương I

Chương I đã trình bày về tính cấp thiết, tính hình nghiên cứu, chế tạo thiết bị

đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy ở trong

và ngoài nước Do yêu cầu về môi trường nói chung và môi trường biển nói riêng, tuân theo luật chống ô nhiễm môi trường biển quốc tế MARPOL 73/78 ( Marine Polution), nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo nồng độ dâu trong nước dùng cho hệ thống phân ly trên tàu thủy khác nhau Ở Việt Nam, vấn đề này cũng đã được chú ý nhưng chỉ biết đến với những tên tuổi nhập ngoại, giá thành rất cao và vấn đề sửa chữa thiết bị khi có sự cố cũng có nhiều khó khăn, tốn kém cả về tiền của, thời gian và công sức Chưa thấy có cơ

sở nào trong nước công bố đã nghiên cứu, chế tạo ra thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng trên tàu thủy Việc tiếp thu công nghệ tiên tiến, nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng cho ngành tàu thủy có độ tin cậy cao, tiện dụng và giá thành hợp lý là một hướng đi đúng đắn và cấp thiết

Nắm bắt được điều đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã và đang tiến hành nghiên cứu, chế tạo bộ đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

Trang 11

-10- CHƯƠNG II Khảo sát kỹ thuật

CHƯƠNG II KHẢO SÁT KỸ THUẬT

2.1 Khảo sát các thiết bị trên thị trường

Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy đã được nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu và chế tạo Thiết

bị của mỗi hãng có những mẫu mã riêng nhưng nhìn chung đều có chung một số đặc điểm sau:

- Cấu tạo gồm hai phần CPU và phần đo

- Nguyên lý đo đều dựa vào hiệu ứng của ánh sáng đối với dầu trong nước

- Các thiết kế đều tuân theo chuẩn IMP MEPC xxx

- Khi nồng độ dầu vượt ngưỡng cảnh báo, thiết bị đều đưa ra những cảnh báo

về còi, đèn và đóng cắt rơ le

- Người dùng đều có thể cài đặt các thông số ngay trên thiết bị

- Giá cả của các thiết bị này đều rất đắt

Chính vì lý do giá cả quá đắt và mong muốn được làm chủ công nghệ, đề tài

đã tiến hành tìm hiểu các thiết bị đang được cung cấp trên thị trường, đánh giá các tiêu chí để tìm ra được một hướng thiết kế phù hợp, giảm thiểu chi phí và dễ dàng nâng cấp phục vụ cho nhiều đối tượng khách hàng khác nhau

Dưới đây là những tìm hiểu về một số thiết bị trên thị trường

Trang 12

VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”

Đề tài cấp bộ 2012

Giá cả (khảo sát vào quý 2 của năm 2012) 1USD = 21.000VND

- Khoang đo: gồm nhóm cảm biến đo, mạch đo và chuẩn hóa tín hiệu, buồng lấy mẫu Tất cả trong buồng tối Tín hiệu ra là tín hiệu số

Kèm theo khoang đo có 1 van ba ngả, 1 ngả dùng để cấp nước sạch rửa buồng lấy mẫu 1 ngả dùng để lấy mẫu đi qua buồng

đo Vị trí của van sẽ tác động vào công tắc hành trình để báo cho CPU thực hiện chức năng đo hay không đo

-Khoang CPU: có chức năng đọc giá trị đo từ khoang đo về, ra tín hiệu cảnh báo khi giá trị đo vượt ngưỡng đặt bằng đèn, còi, đóng

rơ le Cho người dùng đặt các tham số

Tán xạ hồng ngoại

-Dải đo: 0-30 ppm -Độ chính xác: 2% ± Full scale( theo IMP MEPC.107)

-Nguồn cung cấp: 24VDC (220VAC 50Hz)

-Công suất tiêu thụ: <10VA -Đầu ra đóng cắt rơ le: 240VAC, 3A, trở đầu ra <150 Ω

-Điểm cảnh báo: có thể đặt, mặc định

là 15ppm

-Cách cảnh báo: còi, đèn, rơle

-Cung cấp đầu ra 0(4)- 20mA tương ứng với 0 – 30ppm

-Thời gian trễ của điểm báo 1 (dùng cho còi, đèn): 1- 540 giây, mặc định là 2s

-Thời gian trễ của điểm báo 2 (dùng cho van): 1- 10 giây

-Mẫu áp lực nước: 0,1 -10bar -Vận tốc dòng chảy: 0,1-3 L/phút tùy thuộc áp suất

3.923,5 USD=

82.393.500VND

Trang 13

- Khoang đo: gồm nhóm cảm biến đo, mạch đo và chuẩn hóa tín hiệu, buồng lấy mẫu Tất cả trong buồng tối Tín hiệu ra là tín hiệu số

Kèm theo khoang đo có 1 van ba ngả, 1 ngả dùng để cấp nước sạch rửa buồng lấy mẫu 1 ngả dùng để lấy mẫu đi qua buồng

đo Vị trí của van sẽ tác động vào công tắc hành trình để báo cho CPU thực hiện chức năng đo hay không đo

-Khoang CPU: có chức năng đọc giá trị đo từ khoang đo về, ra tín hiệu cảnh báo khi giá trị đo vượt ngưỡng đặt bằng đèn, còi, đóng

rơ le Cho người dùng đặt các tham số

Tán xạ hồng ngoại

-Dải đo: 0-30 ppm

-Độ chính xác: 15 5 ppm± ( theo IMP MEPC.107)

-Nguồn cung cấp: 110/220V 50/60Hz -Công suất tiêu thụ: ≈ 15W

-Đầu ra đóng cắt rơ le: 240VAC, 3A, -Điểm cảnh báo: có thể đặt từ 1- 15ppm, mặc định là 15ppm

-Thời gian trễ của điểm báo 1 : 1- 10 giây

-Thời gian trễ của điểm báo 2 : 1- 240 giây

-Mẫu áp lực nước: 0,01-0,8 Mpa

-Vận tốc dòng chảy: 0,1-4 L/phút tùy thuộc áp suất

Trang 14

độ

Khi cấp nguồn cho nguồn sáng, ánh sáng sẽ chiếu vào buồng chứa mẫu

Việc cấp nguồn và tính toán các hiệu ứng quang điện được thực hiện bởi một mạch đo và hiệu chuẩn Kết quả sau mạch này sẽ

ra điện áp nằm trong dải 7VDC tương ứng với nồng độ dầu trong nước 0-100ppm

0-Tín hiệu điện này được đưa tới một CPU để tính toán, hiển thị nồng độ dầu trong nước đồng thời đưa ra những cảnh báo khi giá trị đo này vượt ngưỡng Tại đây người dùng có thể cài đặt

Tán xạ ánh sáng thường

-Dải đo: 0-100 ppm -Độ chính xác: 15 2 ppm± và

100 10 ppm± -Nguồn cung cấp: 110/220V 50/60Hz -Công suất tiêu thụ: ≈ 15W

-Đầu ra đóng cắt rơ le: 120VAC, 10A, -Điểm cảnh báo: có thể đặt, mặc định

là 15ppm

-Thời gian trễ của điểm báo: 1- 30 giây

-Mẫu áp lực nước: 0,1- 7 bar -Vận tốc dòng chảy: 11m 3 /h tùy thuộc

Trang 15

Đề tài cấp bộ 2012

các thông số điều khiển, giám sát

có thể cắm thẳng cào đường ống

Đầu cắm vào đường ống có chứa đèn xenon phát ra tia UV bước sóng 254nm Khi gặp hạt dầu, tia phản xạ về sẽ nhảy mức năng lượng thành bước sóng 360nm

Lượng ánh sáng phản xạ thu về

sẽ phản ánh lượng dầu có trong nước thải Tín hiệu ra khỏi cảm biến là tín hiệu số

Phản

xạ tia huỳnh quang 254nm, thu về tia huỳnh quang 360nm

Cảm biến:

Dải đo:

+polycyclic aromatic hydroccarbons (PAHs) từ 1.2 ppb ÷ 5000 ppb (µg/L) +dầu khoáng từ 0.1 ÷ 150 ppm (mg/L)

- Thời gian phản hồi: 10 s

- Nhiệt độ mẫu: 33.8 đến 104 °F hay 1 đến 40 °C

- Đầu ra số

Bộ điều khiển kỹ thuật số sc200 gắn được 01 đầu đo kỹ thuật số bất kỳ, màn hình LCD có đèn nền LED, có 2 ngõ ra tín hiệu 0/4-20mA, có 4 rơle

Điện áp: 100 – 240 VAC ±10%, 50/60

Hz, không kèm dây điện nối nguồn

Sensor:370,480,000 VND

Controller:32,758,000 VND

Bảng 1.1.Bảng khảo sát một số thiết bị trên thị trường

Trang 16

2.2 Hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

Ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề “nóng” của tất cả các nước trên thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển Bởi lẽ cùng với sự đi xuống của môi trường là sự diệt vong của các loài động thực vật và thậm chí cả loài người… Tàu thủy là một nhà máy nổi di động trên biển Để nó có thể hoạt động được thì hai yếu tố không thể thiếu là dầu và nước Song đây cũng là hai yếu tố có nguy

cơ gây ô nhiễm môi trường biển Dầu hay nước lẫn dầu khi xả ra biển sẽ tạo ra các vệt dầu loang Nó như một lớp màng mỏng ngăn cách oxy trong không khí hòa tan vào nước biển, ngăn ánh sáng mặt trời chiếu sáng cho quá trình quang hợp của thực vật biển Từ đó dẫn đến phá hủy hệ sinh thái biển

Trong luật chống ô nhiễm môi trường biển quốc tế MARPOL 73/78 ( Marine Polution) quy định rằng: hàm lượng dầu trong nước xả ra biển không được vượt quá 15 phần triệu (15 ppm - part per million) Để làm được điều đó, trên tàu thủy được lắp đặt thiết bị phân ly dầu nước hay còn được gọi là thiết bị 15 phần triệu

Có nhiều kiểu thiết bị phân ly dầu nước được sử dụng trên tàu thủy, song nguyên tắc chung của chúng là đều dựa vào sự chênh lệch tỉ trọng giữa dầu và nước để tách riêng chúng ra Dưới đây là mô hình chung của một hệ thống phân

ly dầu nước 15ppm có điều khiển

Trang 17

Van A: đóng mở đường nước hồi lại két chứa nước thải đáy tàu Bình thường van này mở

Van B: đóng mở đường nước thải ra biển Bình thường van này đóng

Hình 2.2 Mô hình hệ thống phân ly dầu nước 15ppm trên tàu thủy

Nước thải đáy tàu được chứa trong két chứa trước khi đưa vào bộ phân ly dầu nước Khi hệ thống phân ly chạy, nước thải đáy tàu sẽ được hút vào bộ phân ly dầu nước Những cặn bẩn và chất rắn sẽ được giữ lại, chỉ có nước và một phần dầu còn sót trong nước đi ra ngoài bộ phân ly Một phần nước ra khỏi bộ phân ly này được trích đưa vào buồng mẫu của bộ đo nồng độ dầu trong nước để đo Nếu nồng độ dầu đo được dưới 15ppm (hoặc điểm đặt giới hạn), bộ đo sẽ cho ra tín hiệu mở van B, đóng van A để cho nước thải ra ngoài Ngược lại, bộ đo sẽ cho ra tín hiệu đóng van B, mở van A để nước quay trở lại bộ phân ly đồng thời sẽ cho

ra các tín hiệu báo động bằng đèn và còi (TCVN6276:2003) Nước sau phân ly trích đưa vào bộ đo và nước sạch dùng để rửa buồng mẫu sẽ được đưa trở lại két chứa nước thải đáy tàu để phân ly Trên đường nước ra khỏi bộ đo có một bẫy khí được sử dụng là nơi các bọt khí tập trung giúp cho trong buồng mẫu không bị lẫn các bọt khí dẫn tới đo sai (xả “air”) Dầu sau khi được phân ly sẽ được hút đẩy vào két chứa dầu thải của tàu Sau mỗi hành trình của tàu, lượng dầu này sẽ được đưa vào xử lý hoặc tái chế ở những nơi quy định

Két chứa nước

thải đáy tàu

Nước thải qua xử lý

Dầu thải

Bộ phân

ly dầu nước

Nước sạch

BM

CPU

Bộ đo dầu trong nước Bẫy khí

Trang 18

Với một hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy, việc có bộ giám sát nồng

độ dầu trong nước là một việc rất cần thiết và mới đảm bảo được đúng tiêu chuẩn nước thải ra môi trường

2.3 Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly

trên tàu thủy

2.3.1 Đặc điểm của nước thải đáy tàu, mẫu nước cần đo

Nước thải đáy tàu hay nước thải lacanh là lượng nước chứa dầu được tạo ra trong quá trình khai thác tàu và hệ động lực trên tàu được tích tụ tại dưới buồng máy Như vậy nước lacanh là hệ quả của việc sử dụng

dầu và các sản phẩm của dầu làm nhiên liệu, làm các

sản phẩm bôi trơn cho toàn bộ máy móc trên tàu Mặt

khác, nước lacanh cũng tạo thành do sự dò rỉ từ các

đường ống bơm, do quá trình vận chuyển đầu đốt, dầu

nhờn hoặc do sử dụng dầu để lau chùi, vệ sinh máy

móc, trang thiết bị, do nước biển có thể rò rỉ vào giếng la canh nếu có sự rò rỉ ở vòng bít trục (shaft gland) hoặc ống bao trục (stuffing box) Ngoài dầu đốt, dầu nhờn, trong nước lacanh còn chứa nhiều tạp chất khác như xà phòng, chất tẩy rửa, các cặn bẩn, rỉ sắt

Tính chất hóa lý, khối lượng riêng của nước lacanh thay đổi thường xuyên theo thời gian và phụ thuộc vào nguồn gốc tạo thành Hàm lượng dầu trong nước lacanh thường dao động trong khoảng 300 ÷ 1000 mg/l Nước lacanh phân lớp rõ rệt Hầu hết dầu bẩn nổi lên trên, nước chủ yếu ở phần bên dưới Không có dầu

Trang 19

Hình 2.4 Mô hình phương pháp đo bằng tia UV

sạch mà cũng chẳng có nước sạch, cả phần trên và phần dưới trộn lẫn với nhau

“dầu ngâm nước” Trong nước lacanh bao giờ cũng có chất tẩy rửa các cặn, các hạt với kích thước khoảng 10÷30 micro Hàm lượng dầu hòa tan trong nước lacanh có thể lên tới 2000mg/l

Mẫu nước cần đo không phải là nước trực tiếp trong két chứa nước lacanh mà

là nước sau hệ thống phân ly trên tàu thủy Dầu trong mẫu nước này dầu nhũ tương bao gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 20micron sẽ ở lại theo dạng đó vô thời hạn không thể kết hợp lại thành hạt lơn hơn được nữa Các hạt dầu trong nước mẫu chủ yếu là các loại dầu Diesel, dầu làm mát động cơ MS9250 và dầu hộp số MS-2190-TEP với tỉ lệ lần lượt là 50%:25%:25%

2.3.2 Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

Hiện nay, có năm phương pháp được sử dụng để đo dầu trong nước,

Đó là những phương pháp cân đo trực tiếp, phân biệt màu sắc, đếm hạt, tán xạ hồng ngoại, cận hồng ngoại và kích phát huỳnh quang (UV) Hai phương pháp cân đo trực tiếp và đếm hạt chỉ có thể dùng trong phòng thí nghiệm Phương pháp phân biệt màu sắc (thực chất là nhận dạng ảnh) có thể dùng cho đo dầu online nhưng chỉ có thể đo được những dung dịch nhiễm dầu có màu sắc khác nhau rõ rệt Với dung dịch nhiễm dầu cần đo của đề tài có tỉ lệ dầu nhiễm đến hàng phần triệu rất ít nên màu sắc giữa những dung dịch có nồng độ khác nhau gần như không thể phân biệt được Bởi thế ba phương pháp trên không thể sử dụng được trong thiết bị đo dầu trong nước của đề tài Chỉ có hai phương pháp chủ yếu ứng dụng để đo nồng độ dầu trong hệ thống phân ly trên tàu thủy là phương pháp UV huỳnh quang và hấp thụ hồng ngoại

Phương pháp đo bằng kích phát tia huỳnh

quang UV

Các cảm biến loại này dựa trên nguyên lý hấp

thụ tia cực tím và phát huỳnh quang của các giọt

dầu Chùm tia cực tím 254 nm được phát ra từ

nguồn sáng vào buồng mẫu Khi các hạt dầu gặp

Trang 20

Hình 2.5 Mô hình phương pháp đo bằng tán xạ

tia UV, chúng bị kích thích và phát huỳnh quang bước sóng 360nm dài hơn bước sóng tia tới Chùm tia sáng phát ra này phản xạ lại môi trường tới và được thu bằng một photodiode huỳnh quang Cường độ của ánh sáng phản xạ thu được sẽ

tỉ lệ với nồng độ dầu có trong nước mẫu

Ưu điểm của phương pháp này là có thể đo online nồng độ dầu trong nước thải

Nhược điểm của phương pháp là tia cực tím bị hấp thụ bởi thủy tinh khi buồng mẫu làm bằng thủy tinh Chỉ có thể tránh điều này bằng cách làm buồng mẫu bằng thủy tinh thạch anh Mà như thế thì giá cả sẽ tăng lên Thêm nữa, phương pháp này bị ảnh hưởng bởi độ đục nên kết quả đo bị giới hạn trong mẫu nước đo

Phương pháp tán xạ ánh sáng

Trong môi trường không đồng tính ánh sáng không

những truyền thẳng mà còn truyền theo các phương

khác khúc xạ qua các môi trường chiết suất khác

nhau Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tán xạ

Trong môi trường nước mà ta cần đo có các hạt

dầu có chiết suất và hệ số hấp thụ của chúng khác

với môi trường nước Khi ánh sáng chiếu vào môi

trường này, nó sẽ bị tán xạ theo mọi phương Sự

tán xạ này gọi là hiệu ứng Tyndall

Đặt 1 photodiode trực diện bên kia buồng mẫu so với nguồn sáng và các photodiode khác để nhận các tia khúc xạ Từ tỉ lệ giữa cường độ chùm khúc xạ trên cường độ chùm phản xạ sẽ tìm ra được nồng độ dầu cần đo

Ưu điểm của phương pháp này là vật liệu dùng để chế tạo sensor dễ kiếm ví như có thể dùng ánh sáng nhìn thấy để đo như BA200 của Mỹ, tia hồng ngoại của OMD-xxx Đức, GQS-206- Trung Quốc Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không thể phát hiện ra các hạt dầu có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng của nó

Nước vào Nước ra

Trang 21

2.4 Kết luận chương II

Chương II đã trình bày về những khảo sát các thiết bị hiện có trên thị trường, các phương pháp đo dầu trong nước thải tàu thủy và tìm hiểu sơ bộ về hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy cũng như đặc điểm của nước thải đáy tàu Qua những khảo sát kể trên, thiết bị đo nồng độ dầu cần chế tạo sẽ có:

- Phương pháp đo dùng phương pháp tán xạ dựa trên lý thuyết tán xạ Mie và hiệu ứng Tyndall

- Mẫu mã: giống như OMD-2008 của hãng Decma Humburg, Đức

- Cấu tạo của thiết bị gồm 2 phần chính: Phần buồng đo và phần HMI kèm điều khiển đóng cắt

+ Có lối ra cảnh báo, báo động vượt ngưỡng bằng còi, đèn

+ Có lối ra tín hiệu đóng mở van xả

+ Có khả năng kết nối với máy tự ghi (thiết bị in được các giá trị đo ra giấy)

- Đặc tính kỹ thuật của thiết bị giống như bộ GQS206 của Trung Quốc

Trang 22

-21- CHƯƠNG III Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG PHÂN LY DẦU NƯỚC TRÊN TÀU THỦY

3.1 Thiết kế tổng thể phần cứng

3.1.1 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng

Giám sát nồng độ dầu trong nước thải là quá trình thu thập, phân tích, đo lường

và xử lý dữ liệu thô thành các thông tin có ích Quá trình thu thập dữ liệu thường được thực hiện bằng cách đo lường liên tục trong một khoảng thời gian Quá trình phân tích và xử lý dữ liệu sau đó sẽ được thực hiện bởi các hệ thống tự động áp dụng các công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử vi xử lý, công nghệ thông tin Đây chính là xu hướng phát triển của các thiết bị đo nói chung Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng cho hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy được thiết kế ngày càng có độ chính xác cao hơn, thân thiện hơn với người sử dụng Trên cơ sở nghiên cứu các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước thải cho hệ thống phân ly trên tàu thủy, quan điểm thiết kế sản phẩm của đề tài như sau:

• Phần cứng của thiết bị được xây dựng trên cơ sở các module với các linh kiện có phẩm chất tốt

• Phần đo lường và phần giao diện người dùng kèm đóng cắt sẽ được thiết

kế rời vì phương pháp đo là phương pháp quang học nên việc đảm bảo buồng đo tối hoàn toàn là một điều tối quan trọng

• Mỗi phần đo lường và phần giao diện người dùng kèm đóng cắt sẽ có một

vi xử lý điều hành

3.1.2 Sơ đồ khối cấu hình phần cứng của thiết bị

Như vậy, để có được một kết cấu linh hoạt, thiết bị sẽ được thiết kế trên cơ sở một tập hợp các module phần cứng Các module được ghép nối với nhau tạo thành hai khối chính khối buồng đo [1] và khối giao diện người dùng HMI kèm điều khiển đóng cắt [2] Ngoài ra còn có khối nguồn nuôi [3] cung cấp toàn bộ nguồn cho thiết bị như trong hình 3.1 sau đây:

Trang 23

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị

• Khối 1 – Buồng đo chứa khoang lấy mẫu, vòng quang học, công tắc thông báo vị trí van cấp và các mạch điều khiển nguồn sáng, khuếch đại, lọc, biến đổi tương tự sang số, tính toán trong vi xử lý và giao tiếp với các khối khác

• Khối 2 – HMI có các chức năng giao tiếp với người sử dụng, lưu trữ các cảnh báo, giao tiếp với buồng đo để nhận các giá trị đo, giao tiếp với các thiết bị tự ghi và ra lệnh đóng cắt các đèn còi, van

• Khối 3 – Nguồn cấp và điều khiển đóng cắt Chuyển đổi nguồn 220VAC50Hz sang điện áp một chiều cấp cho toàn bộ thiết bị Thực hiện đóng cắt còi cảnh báo và điều khiển các van

Các thông số đo sau khi được xử lý ở khối buồng đo sẽ được truyền về khối HMI thông qua đường bus nội bộ Giá trị đo này sẽ được so sánh với ngưỡng do người

sử dụng đặt để đưa ra các tín hiệu cảnh báo còi đèn hoặc đóng mở các van tương ứng khi vượt ngưỡng Chi tiết về các khối này sẽ được trình bày ở những phần dưới

Trang 24

3.1.3 Đặc điểm của thiết bị chế tạo

Đối với sản phẩm đo nồng độ dầu trong nước của đề tài, được đặt tên là OCM

98/2012 (Oil Content Metter 98/2012), do yêu cầu sử dụng là đo nồng độ dầu trong nước thải tàu thủy sau hệ thống phân ly nên sản phẩm có tính năng sau:

a) Đo và hiển thị nồng độ dầu, dải đo đến 30ppm

b) Hiển thị bằng LCD màn hình 20x4

c) Bàn phím gồm 06 phím chức năng để cài đặt thông số và lật trang xem dữ liệu và calib

d) Có các lối ra cảnh báo còi đèn, van khi giá trị đo vượt ngưỡng

e) Có lối ra truyền số liệu RS232 cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi như máy tự ghi hay máy tính

f) Bộ nhớ lưu các cảnh báo EEPROM 4kByte

g) Nguồn nuôi

• Mức điện áp 5VDC: nuôi cho CPU, ADC, mạch số truyền thông nội bộ,

• Mức điện áp ±9VDC: nuôi cho khuếch đại thuật toán

• Mức điện áp 12VDC: nuôi cho rơ le đóng cắt và công tắc hành trình

3.2 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng buồng đo

3.2.1 Phân tích

Đầu tiên cần phải có một vài xác định rõ ràng về giới hạn của môi trường nước lacanh (đáy tàu) và sự tồn tại của dầu khoáng nhiễm trong môi trường nước này Dầu nhiễm bẩn trong nước lacanh chủ yếu có hai hình thức tồn tại có thể được tìm thấy là dầu tự do và dầu dạng nhũ tương Dầu tự do là những các giọt dầu lớn kết hợp lại với nhau và tách khỏi nước nổi lên trên mặt nước Dầu nhũ tương hóa là các giọt lơ lửng có đường kính nhỏ hơn 20 micron sẽ không có khả năng hội nhập lại với nhau và gây ra sự tăng kích thước Chúng sẽ trở thành các giọt độc lập và tồn tại ở đó lâu dài hầu như bền vững trong dạng nhũ tương Tùy theo mật độ giọt hay nồng độ dầu nhiễm trong nước mà cho phép thải trực tiếp ra môi trường Nếu

Trang 25

độ ô nhiễm cao trên mức cho phép thì cần phải chuyển qua thiết bị phân tách làm giảm nồng độ nước thải xả

Vậy từ đây nhận thấy một điều rõ ràng là dầu hòa tan trong nước sau phân ly thực chất là tồn tại dưới dạng các giọt lơ lửng độc lập nhỏ bé và giữa chúng vẫn tồn tại hai môi trường chiết xuất khác nhau Tính chất này sẽ chính là cơ sở cho việc tìm kiếm và xác định lượng dầu nhiễm trong nước thải của tàu thuyền và sẽ được thực hiện dựa theo lý thuyết tán xạ ánh sáng Mie và hiệu ứng ánh sáng Tyndall

Lý thuyết Mie cho thấy rằng “quang thông của ánh sáng từ nguồn sáng đến các

tế bào tán xạ luôn phụ thuộc vào kích thước của những giọt dầu, bước sóng của ánh sáng và góc tới của tia” Hiệu ứng Tyndall chỉ ra rằng với môi trường đồng nhất, không chứa các hạt lạ thì sẽ không có hiện tượng tán xạ ánh sáng nhưng khi

có các hạt lạ trong môi trường đó thì sẽ xảy ra sự tán xạ ánh sáng Đồng thời hiệu ứng này cũng chỉ ra, ánh sáng có bước sóng càng nhỏ thì càng dễ bị tán xạ và tiêu hao mạnh trong quá trình tán xạ đó

Như vậy có thể thấy, khi chiếu ánh sáng từ một nguồn sáng, được đặt ở một vị trí xác định, vào một buồng mẫu thủy tinh chứa nước mẫu cần đo thì cường độ ánh sáng đi qua buồng chứa mẫu cần đo thu được trên các cảm biến ánh sáng - đặt ở phía bên kia buồng so với nguồn sáng, sẽ khác nhau tùy theo nồng độ dầu trong nước Hình 3.2 mô tả cách bố trí nguồn sáng, các cảm biến ánh sáng và buồng mẫu Độ nhiễm dầu của mẫu nước có thể được xác định bằng cách đo cường độ của một chùm ánh sáng truyền qua thu được trên các cảm biến ở vị trí trực xạ (cảm biến ở góc 00 thẳng góc với nguồn sáng) và cường độ của ánh sáng bị tán xạ bởi cùng mẫu nước thu được trên cảm biến tán xạ (cảm biến ở góc Ø #0 so với cảm biến trực xạ)

Khi nước tinh khiết, cảm biến trực xạ sẽ nhận được ánh sáng (quang thông tại đây khác không) còn các cảm biến tán xạ sẽ không nhận được (quang thông tại đây bằng không) Khi nước bị nhiễm dầu, ánh sáng nhận được trên cảm biến trực xạ sẽ

bị giảm vì một phần ánh sáng bị các giọt dầu hấp thụ, tán xạ còn ánh sáng nhận được trên các cảm biến tán xạ sẽ có và tăng dần lên khi độ nhiễm dầu tăng lên

Trang 26

Hình 3.2 Bố trí nguồn sáng, các cảm biến ánh sáng và buồng mẫu

Cường độ của ánh sáng nhận được trên cảm biến trực xạ I(00) được tính theo biểu thức(1):

I(0°) = Io e(-g lo) (1)

Trong đó: g = Nπa2Q (2)

• I0 - cường độ ánh sáng từ nguồn sáng tới

• N - mật độ số hạt (hoặc giọt) / đơn vị khối lượng dung dịch

• a - bán kính của hạt hoặc giọt

• lo - đường kính của các khoang phân tích mẫu

• Q Hệ số cản xạ Q phụ thuộc vào một số đặc điểm vật lý của hệ thống phân tán:

a) Các bước sóng của ánh sáng tới được tán xạ

b) Chỉ số khúc xạ của các hạt được phân tán ánh sáng

c) Chỉ số khúc xạ của môi trường các hạt lơ lửng

d) Bán kính của các hạt (giọt dầu, nước)

Biểu đồ quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ tương mô tả điều này bằng đường cong đi xuống như hình 3.3

Chùm trực xạ

Chùm tán xạ Vòng quang học Mẫu nước đo

Trang 27

Hình 3.3 Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ

tương trên cảm biến trực xạ

Đối với cảm biến tán xạ, cường độ I(Ø) của ánh sáng tán xạ nhận được trên cảm biến được cho bởi biểu thức:

I(Ø) = Ii g P(Ø) / r2 (3)

Trong đó:

• Ii = Io e(-g l) - lượng ánh sánh còn lại trong chùm tia tới sau khi đi qua giọt dầu

• g được cho bởi công thức (2)

• P(Ø) - hệ số cản xạ từ giọt dầu sau khi phân tán tương tự như Q và là hệ quả của tính toán lý thuyết Mie

• r - khoảng cách từ giọt dầu tới cảm biến tán xạ

Sự thay đổi quang thông diễn ra ở cảm biến tán xạ và cảm biến trực xạ tỷ lệ với mật độ giọt dầu nhũ tương hóa trong nước, đây chính là nguyên lý được áp dụng

để đo hàm lượng dầu trong thiết bị của đề tài

Quan hệ giữa nồng độ dầu và lượng quang thông mà tế bào tán xạ nhận được biểu hiện qua đường cong như mô tả ở hình 3.4 sau đây:

Hình 3.4 Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ

tương trên cảm biến tán xạ

Trang 28

Thực hiện phép chia toán học đường cong tán xạ I(Ø) cho đường cong trực xạ I(0°) thì thương số T(Ø) chính là kết quả để xác định nồng độ nhiễm dầu của nước T(Ø) = I(Ø) / I(00) = e(-g (l - lo)) g P(Ø) / r2

Trong đó

• Ø - góc tán xạ,

• l - khoảng cách từ nguồn sáng đến giọt tán xạ,

• lo - đường kính của các khoang phân tích mẫu

• r - khoảng cách từ giọt dầu tán xạ tới cảm biến tán xạ

Theo hiệu ứng Tyndall, những ánh sáng có bước sóng thiên về phía dải UV sẽ

dễ bị hấp thụ, suy hao hơn nên sẽ chọn các bước sóng ánh sáng thiên về phía dải ánh sáng đỏ Thêm nữa, với mỗi bước sóng ánh sáng chỉ có thể phát hiện được các hạt có kích thước nhỏ nhất chính bằng bước sóng ánh sáng đó Mặt khác, sử dụng bước sóng ánh sáng lase sẽ giảm được độ phức tạp trong đo đạc và tính toán nồng

độ dầu Do đó nhóm thực hiện đề tài chọn nguồn ánh sáng lase bước sóng 0.65µm Nếu khoảng cách trung bình giữa các hạt (giọt dầu) gấp khoảng ba lần so với bán kính hạt, quá trình tán xạ của mỗi hạt là tương đối độc lập và không ảnh hưởng bởi vị trí của hạt đó với các hạt khác Do đó, cường độ ánh sáng nhận được bởi các cảm biến từ một quần thể các hạt là tổng các cường độ ánh sáng tán xạ bởi các hạt đơn lẻ (tán xạ độc lập) Thực nghiệm dịch các cảm biến tán xạ trên vòng quang học cho ra kết quả điểm thích hợp để đặt cảm biến tán xạ là từ ± 25o, và ± 45o so với cảm biến trực xạ

Từ các nghiên cứu trên, buồng lấy mẫu phân tích quang học có thể được chế tạo ở những vị trí thích hợp như trên hình 3.5 với các cặp góc cảm biến tán xạ tương ứng TX1A với TX1B hoặc TX2A với TX2B Để có được độ chính xác cao hơn và dễ dàng cho chế tạo cơ khí, vị trí cảm biến TX2A sẽ được lựa chọn cho sản phẩm của đề tài

Trang 29

Hình 3.5 Bố trí nguồn sáng và các cảm biến trong buồng đo

Ảnh hưởng sai số với chất rắn lơ lửng trong mẫu đo:

Hệ thống đo nồng độ dầu bằng cách xác định độ nhiễm đục gây ra tán xạ theo nguyên lý Mie cũng bị ảnh hưởng bới các thành phần khác làm suy giảm quang thông ngoài mong muốn như hệ số cản xạ Q, P(Ø) và chất rắn lơ lửng

Thiết bị đo nồng độ dầu nhiễm bẩn được chế tạo để hoạt động trong môi trường nước lacanh của tàu biển là môi trường đồng nhất về lý tính, chiết xuất và nguồn chiếu sáng Laser có bước sóng đồng nhất 0,65µm và nước dùng để đo kiểm

là nước đã qua xử lý môi trường nên tương đối sạch, v.v… Vì thế mà hệ số cản xạ

Q, P ở đây là có thể coi là hằng số, mặt khác các tham số này rất nhỏ và hoàn toàn

có thể bù sai bằng phần mềm nên có thể bỏ qua

Theo các phân tích của Hãng INVENTIVE SYSTEMS INCORPORATED (Maryland Mỹ) về ảnh hưởng của dư lượng chất rắn lơ lửng trong mẫu nước thải sau phân tách thì nồng độ chất rắn lơ lửng không hề ảnh hưởng tới kết quả đo đạc nếu không vượtquá 4 lần nồng độ dầu nhũ tương hòa tan trong mẫu nước đó Theo các nghiên cứu này thì lượng chất rắn lơ lửng trong nước có gây tiêu hao một phần quang thông qua buồng mẫu tới các cảm biến Tuy nhiên sự suy hao này ảnh hưởng trực tiếp và đồng đều đến cả chùm ánh sáng trực xạ cũng như tán xạ nên nó cũng không gây ra nhiều sai lệch đến T(Ø) = I(Ø) / I(00)

Trang 30

3.2.2 Sơ đồ khối của buồng đo

Việc sử dụng phương pháp tán xạ ánh sáng đòi hỏi buồng đo phải là một

buồng tối hoàn toàn Nguồn phát sáng và các cảm biến ánh sáng được đặt trong

buồng tối này Tín hiệu điện sau các cảm biến này rất nhỏ nên sẽ được đưa qua các

bộ khuếch đại trước khi lấy mẫu và số hóa Khoang chứa mẫu được chế tạo bằng

thủy tinh nên có khả năng bị bám dầu trên bề mặt dẫn tới việc đo lường không

chuẩn Điều này đòi hỏi phải có bước làm sạch khoang chứa mẫu Việc làm sạch

này được thực hiện qua van ba ngả Trạng thái của van sẽ được đưa về thông báo

cho CPU thông qua đường tín hiệu thông báo đo trên sơ đồ khối của toàn thiết bị

Dưới đây là sơ đồ khối của buồng đo

Hình 3.6 Sơ đồ khối của buồng đo

• Khối chuyển đổi tương tự - số (ADC): có chức năng lấy mẫu tín hiệu điện áp

sau các tầng khuếch đại Để đảm bảo độ chính xác, ADC 12 bít được sử

dụng ở đây

• Khối CPU là một vi điều khiển có chức năng chủ yếu trong việc tính toán và

xử lý số liệu đo được từ ADC truyền về

• Khối MAX232 có chức năng chuyển đổi các mức điện áp trên các chân

RXD và TXD của vi điều khiển về mức điện áp tương ứng trên chuẩn

RS232 Qua khối này, các tác vụ truyền nhận giữa buồng đo và CPU của

thiết bị được thông suốt

Trang 31

• Nguồn cho các thiết bị trong buồng đo được lấy từ phần nguồn cấp và điều khiển đóng cắt

3.2.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế

Từ sơ đồ khối như trên, những giải pháp thiết kế các thiết bị như sau:

TT Nhiệm vụ Giải pháp

1 Khoang chứa mẫu Dùng ống thủy tinh, đường kính ống 20mm

2 Nguồn phát sáng LED 650nm được nuôi bằng nguồn dòng nhỏ hơn

10mA điều chỉnh được

3 Cảm biến ánh sáng Quang trở mắc theo kiểu cầu

4 Khuếch đại tín hiệu Dùng mạch khuếch đại OPAM

dùng INA126

5 Chuyển đổi tương tự - số LTC1298: là ADC 12 bít 2 kênh giao tiếp với vi

điều khiển qua chuẩn SPI

6 Truyền thông với CPU dùng chuẩn RS232

MAX232 giao tiếp với vi điều khiển qua cổng USART

7 Điều khiển mọi hoạt động

của buồng đo

Atmega16

8 Van chuyển trạng thái rửa

buồng đo và lấy mẫu đo

Van 3 ngả Vị trí của van tác động vào công tắc hành trình sẽ đưa tín hiệu về bộ CPU đề điều khiển đo

Bảng 3.1 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho buồng đo

3.2.4 Tính toán thiết kế.

• Tính toán thiết kế mạch nguồn sáng

Như phân tích phần 3.2.1, nhóm thực hiện đề tài chọn nguồn ánh sáng lase bước sóng 0.65µm dùng trong thiết bị Mạch cho nguồn sáng được thiết kế như trong hình 3.7

Trang 32

T101n C2383

R103n VR101n

+12VDC

Laser _Led

- 3ADJ 1

Dòng cấp cho nguồn sáng laze có dải từ 0 đến 30mA Thực nghiệm với các mức dung dịch 5, 10, 15, 20, 25, 30 ppm với các mức nguồn dòng cấp cho nguồn laze, nguồn laze đáp ứng tốt nhất ở mức nguồn dòng nuôi là 10mA÷15mA Khi nguồn dòng cao hơn dải này thì nguồn laze phát ra cường độ ánh sáng quá lớn dẫn tới sự thay đổi của các hiệu ứng quang học trên các cảm biến nhận không được rõ ràng Chọn dòng nuôi cho nguồn sáng laze là mức 10mA vì mức dòng này dễ tính toán về sau và cường độ vừa đủ cho hiệu quả đo đạc được chính xác và tiệm cận gần hơn đến sự tuyến tính

hFE của transitor C2383 là 100

ase 102

Trang 33

Khi T101n thông, IR103n ≈ 10mA ⇒R103n = 5 500

10

V

Trở khóa T102n là R105n = 33kΩ đảm bảo cho T102n khóa hoàn toàn

Trở hạn dòng T102n là R106n = 4,7kΩ vì khi ở mức logic điện áp 5V qua trở này sẽ cho dòng kích thích vào T102n cỡ 1mA đảm bảo T102n dẫn bão hòa

Khi T102n dẫn bão hòa thì áp rơi trên cực B của T101n ≈0V nên R102n chịu dòng dẫn qua là R102n= 5 22,8

• Tính toán thiết kế mạch cầu điện trở dùng cho các cảm biến trực xạ và cảm biến tán xạ

Khi nước sạch, các cảm biến trực xạ và tán xạ có trị số cho theo bảng sau :

R1(kΩ) R2(kΩ) R1(kΩ) R2(kΩ) R1(kΩ) R2(kΩ) I(mA) 20 O C 30 O C 40 O C

5 13 225 14,6 217 15,5 230

10 8,35 96,5 8,71 97,9 8,70 99,1

15 0.36 6,65 0,37 6,79 0,369 6,80

R1: tế bào quang điện trực xạ

R2: tế bào quang điện tán xạ

Bảng 3.2 Trị số điện trở các cảm biến khi nước sạch

Như vậy để dễ dàng cho các tính toán trên các nhánh cầu sau này, ta chọn trị

Trang 34

RG 1

2

G=5+80K/RG U101

INA126

RG

C101 104 +9VDC

C102 104 -9VDC

2

G=5+80K/RG U201

INA126

RG21 1K

C201 104 +9VDC

C202 104 -9VDC

GND

GND R201

R202 RKX

GND

5VDC

GND

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý các mạch cầu đo

Lựa chọn các điện trở R101÷R103 và R201÷R203 sao cho khi nước sạch, các mạch cầu này cân bằng tức

Để chống trôi nhiệt tự sinh do dòng nên cần lựa chọn các điện trở theo số thực

nghiệm của cell mẫu là

Thêm nữa, việc lựa chọn các giá trị điện trở này cũng đảm bảo trở kháng vào các lối đảo và không đảo trên INA126 sẽ tương đương nhau khi nước sạch Điều này sẽ tránh được sai số không mong muốn do chênh lệch trở kháng

Trang 35

• Thiết kế module chuyển đổi tương tự số

Các bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) thường rất đắt nên khi thiết kế người

ta thường cố gắng giảm thiểu số lượng ADC sử dụng Thông thường bộ dồn kênh (multiplexer) thường hay được sử dụng để lựa chọn các tín hiệu cần thiết cung cấp cho đầu vào bộ ADC Bộ ADC sử dụng trong đề tài là bộ ADC 12 bít LTC1298 LTC1298 có thể sử dụng được 2 kênh CH0 và CH1 cho 2 đầu vào tương tự Do đó,

sử dụng ADC LTC1298 sẽ tiết kiệm được số lượng ADC, việc đọc tín hiệu số từ ADC sẽ đơn giản hơn so với việc sử dụng bộ dồn kênh Tần số lấy mẫu lớn nhất của LTC 1298 là 11,1 kHz, thời gian chuyển đổi 12 xung CLK Các chân của LTC1298 như dưới đây:

• chân 1 (CS/SHDN): chân lựa chọn chip Đặt mức logic thấp (0V) trên chân này cho phép LTC1298 hoạt động Đặt mức logic cao (5V) trên chân này làm LTC không hoạt động và cách ly nó ra khỏi mạch

• Chân 2 (CH0): đầu vào tương tự

• Chân 3 (CH1): đầu vào tương tự

• Chân 4 (GND): chân đất tương tự

• Chân 5 (DIN): đầu vào dữ liệu số Địa chỉ bộ ghép kênh (multiplexer address) được được dịch chuyển vào đầu vào này

• Chân 6 (DOUT): đầu vào dữ liệu số Kết quả chuyển đổi A/D được dịch chuyển tới đầu vào này

• Chân 7 (CLK): xung đồng hồ dịch chuyển Xung đồng bộ này truyền dữ liệu nối tiếp và xác định tốc độ chuyển đổi

• Chân 8 (VCC/VREF): nguồn cung cấp và điện áp chuẩn

DIN 5CH0

2 CH1 3 GND 4

CS/SHDN 1DoutCLK 67 VCC

8 U302

LTC1298

CH0 CH1

GND

5VDC C303

104 GND

CLK Dout CS

Din CC1

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D

Trang 36

3.3 Phân tích, thiết kế phần cứng HMI

3.3.1 Phân tích

Trong phần kết luận ở chương II, các chức năng của thiết bị được đưa ra như dưới đây:

+ Đo, lưu trữ các cảnh báo

+ Cảnh báo, báo động vượt ngưỡng bằng còi, đèn

+ Ra tín hiệu đóng van xả

+ Cho phép người dùng có thể cài đặt các thông số ngưỡng, thời gian đóng cắt

+ Có khả năng kết nối với máy tự ghi (máy in kim)

Việc đo đạc được là chức năng của buồng đo Giá trị đo sau khi ra khỏi buồng

đo sẽ là giá trị số được truyền trên đường truyền RS232 Bởi thế, CPU sẽ cần phải

có phần kết nối đường truyền RS232 với buồng đo để thu thập giá trị đo từ buồng

đo về Giá trị đo đọc về sẽ được đưa đi hiển thị, lưu vào bộ nhớ, so sánh đưa ra các cảnh báo và ra các tín hiệu điều khiển các van Việc thực hiện những chức năng sau khi đọc giá trị đo về từ buồng đo này sẽ được cụ thể hóa như sau:

+ Màn hiển thị sẽ sử dụng LCD

+ Nơi lưu các cảnh báo sẽ là một bộ nhớ EEPROM ngoài

+ Các tín hiệu cảnh báo, báo động sẽ được thực hiện bằng đèn và còi đúng như theo yêu cầu trong Quy chuẩn Việt Nam QCVN 26:2010/BGTVT Thực hiện điều khiển các đèn, còi này sẽ thông qua một mạch điều khiển đóng cắt rơ le

+ Thực hiện điều khiển các van cũng được thông qua một mạch điều khiển đóng cắt rơ le khác

+ Ngoài ra, thiết bị còn cho phép người sử dụng cài đặt các thông số,

ngưỡng, thời gian nên còn cần có một bộ phím dùng cho việc này

+ Thiết bị còn có khả năng kết nối với máy in kim nên cũng cần có phần thực hiện việc này Máy in kim dùng chuẩn giao tiếp RS232 nên cũng cần có phần kết nối RS232

+ Trên buồng đo còn có 01 van ba ngả dùng để thông báo các chế độ rửa buồng đo và chế độ đo nên cũng cần phải có một mạch nhận tín hiệu này về

Trang 37

Từ những phân tích trên đây, sơ đồ khối của CPU sẽ được thiết kế như sau:

3.3.2 Sơ đồ khối của HMI

Thiết bị có chức năng hiển thị và lưu các thông số đo, đưa ra các cảnh báo khi vượt ngưỡng Cho phép người sử dụng có thể đặt các thông số như đặt ngưỡng cảnh báo, thời gian đóng cắt các rơ le, truy cập các số liệu đo Từ những chức năng đó của thiết bị, CPU cần thiết kế có sơ đồ khối tổng quát sau đây:

Hình 3.10 Sơ đồ khối của HMI

• Khối nguồn và điều khiển đóng cắt: có chức năng cung cấp nguồn cho toàn

bộ thiết bị và thực hiện các chức năng đóng cắt rơ le để đóng hoặc mở van

xả và đóng các đèn, còi cảnh báo khi giá trị đo vượt ngưỡng

• Khối vi điều khiển dùng Atmega128 thực hiện các chức năng giao tiếp với buồng đo qua chuẩn RS232 để lấy dữ liệu đo sau đó đem đi hiển thị, đưa ra thiết bị tự ghi và lưu vào EEPROM

• Khối phím bấm có 06 phím chức năng cho phép người dùng có thể cái đặt các thông số cho thiết bị

3.3.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế

TT Nhiệm vụ Giải pháp

1 Điều khiển mọi hoạt động Atmega128

2 Giao tiếp màn hình hiển thị Màn LCD 20x04 ký tự

TC2004A Giao tiếp với vi điều khiển kiểu 4 dây dữ liệu

MAX232

Nguồn và điều khiển đóng cắt

Tín hiệu thông báo trạng

thái của van 3 ngả

Thiết bị tự ghi

Trang 38

3 Giao tiếp với bàn phím 6 phím giao tiếp theo kiểu quét

4 Giao tiếp với RTC và

EEPROM

RTC dùng DS1307 EEPROM dùng 24C256 Giao tiếp theo chuẩn I2C

5 Giao tiếp với thiết bị tự ghi Giao tiếp qua đường truyền RS232

8 Điều khiển đóng mở rơle Dùng mạch cách ly và transitor

Rơ le 12VDC, tiếp điểm công tác chịu được 250V, 3A

9 Điều khiển còi và đèn 2 màu

xanh và đỏ

Dùng mạch transitor

10 Nguồn cung cấp Dùng biến áp 220VAC/12VAC

Dùng cầu điốt để nắn thành nguồn 12VDC cấp cho rơle

Dùng 7805 để cấp +5VDC cho các linh kiện trên CPU

Dùng 7809 và 7909 để tạo nguồn ±9VDC cấp cho buồng đo

Bảng 3.3 Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho HMI

3.3.4 Thiết kế module HMI

• Màn hình hiển thị LCD

Các thông tin hiển thị trên màn hình LCD của thiết bị như sau:

- Các trang màn hình cài đặt thông số ngưỡng cảnh báo và thời gian delay

- Các trang màn hình lựa chọn hiệu chỉnh điểm đo

- Giá trị đo nồng độ dầu và các cảnh báo trạng thái của nước

Trang 39

Đèn Backlight hoạt động ở mức điện áp 4.2V ±0.15V, dòng 180mA được điều khiển qua một transitor để cho phép nhấp nháy khi nồng độ dầu trong nước vượt ngưỡng đo

• Bàn phím

Bàn phím của thiết bị có 6 phím chức năng Những phím này được dùng để cài đặt các thông số như ngưỡng cảnh báo cấp 1 (còi, đèn), ngưỡng cảnh báo cấp 2 (van), thời gian thực và calib điểm không Cụ thể chức năng của từng phím như trình bày trong phần phụ lục hướng dẫn sử dụng

Những phần thiết kế khác của mạch HMI sẽ được chỉ ra trong mạch nguyên

lý ở phần phụ lục

3.4 Thiết kế khối nguồn và điều khiển đóng cắt

Nguồn cung cấp cho toàn bộ thiết bị gồm các cấp nguồn:

o 5VDC nuôi cho CPU, ADC, mạch truyền thông nội bộ

o ±9VDC nuôi mạch khuếch đại thuật toán

o 12VDC nuôi rơ le đóng cắt và các công tắc hành trình

Để tạo ra các cấp nguồn đó, nhóm thực hiện đề tài lựa chọn các linh kiện sau:

Cấp nguồn Linh kiện lựa chọn

Biến áp 220VAC/12VAC

Trang 40

±9VDC 7809 và 7909 12VDC 7812

Các mạch nguyên lý và mạch in của khối nguồn nuôi và điều khiển đóng cắt được chỉ ra trong phần phụ lục

3.5 Cơ sở và quan điểm thiết kế phần mềm nhúng của thiết bị

Thông thường thì phần cứng và phần mềm cho một hệ thống nhúng nói chung và thiết bị của đề tài nói riêng được phát triển song song Sự phản hồi thiết

kế giữa hai bộ phần thiết kế là một đặc trưng tiêu biểu cần có trong mô hình design Thành phần thiết kế phần mềm có thể tận dụng những đặc tính đặc biệt của phần cứng để thực hiện các phần mềm nhúng sao cho có lợi nhất Linh kiện phần cứng có thể đơn giản hóa trong thiết kế nếu như tính năng hoạt động của thiết bị

co-có thể đạt được trong phần mềm Điều này giảm bớt được sự phức tạp, kích thước cũng như giá cả của toàn bộ máy

Trên cơ sở cấu hình phần cứng của thiết bị đo nồng độ dầu trong nước của

đề tài, phần mềm thiết bị được phân thành hai loại theo phương thức hoạt động: phần mềm HMI và phần mềm tính toán xử lý số liệu đo Phần mềm HMI bao gồm các chức năng trao đổi dữ liệu nội bộ với buồng đo, tương tác với người sử dụng, điều khiển các cảnh báo và các van Phần mềm tính toán số liệu đo bao gồm các chức năng thu thập số liệu đo, tính toán nồng độ dầu, truyền số liệu đo cho module HMI

Theo thiết kế, chương trình phần mềm xử lý tính toán được cài đặt trên CPU của board mạch trên buồng đo, chương trình phần mềm HMI được cài đặt trên CPU của board mạch HMI Sự trao đổi thông tin giữa hai khối buồng đo và HMI

sẽ do HMI làm chủ Sự trao đổi số liệu giữa các module này sẽ được thực hiện theo chu kỳ như trong hình 4.1

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	2,29 MB