Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình

Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã tạo ra rất nhiều nguồnnăng lượng như năng lượng nguyên tử, năng lượng hóa thạch, dầu mỏ, khí đốt, khí gas…

đi kèm với sự phát triển của các dạng năng lượng là sự nguy hiểm từ các dạng năng lượngnày gây ra cho chúng ta trong đó có khí gas là nguồn năng lượng được dùng trong côngnghiệp, nông nghiệp…và là dạng năng lượng chủ yếu, phổ biến được dùng trong sinhhoạt hằng ngày, nếu không đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn khi sử dụng khí gas sẽ rất nguyhiểm đến tính mạng cho người sử dụng

Khí Gas hay còn gọi LPG (Liquified Petroleum Gas) là khí đốt hoá lỏng có nguồn gốc

từ dầu mỏ, có thành phần chính là hỗn hợp của khí : propan (C3H8) và butan (C4H10)

không màu, không mùi, không độc hại (nhưng được pha thêm chất Etylmecaptan có mùi

đặc trưng để dễ phát hiện khi có rò xì gas) Nhiệt độ sôi của gas thấp (từ - 45 đến - 2oC)nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da sẽ bị phỏng lạnh trong điều kiện nhiệt độ môi

trường gas bốc hơi rất mãnh liệt, khi gas chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi thì thể tích tăng đến 250 lần Áp suất của gas phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt độ tăng thì

áp suất gas sẽ tăng và ngược lại Trong điều kiện nhiệt độ khu vực phía nam thì áp suấtgas dao động trong khoảng từ 4 - 7 kg/cm2 Tỉ trọng của gas lỏng nhẹ hơn nước

Vì các đặc tính trên của khí gas cho nên khi bị rò rỉ ra môi trường sẽ rất nguy hiểmcho người sử dụng, nếu bình gas trong phòng kín, khi gas bị rò rỉ ra ngoài hơi gas lantruyền, dâng từ dưới lên trên (vì nặng hơn không khí) chiếm chỗ, đẩy dần không khí rangoài, gây ngạt và làm giảm nồng độ oxy trong không khí dẫn nạn nhân tử vong, nếu khígas bị rò rỉ ra môi trường gặp lửa tia lửa điện hay gây cháy nổ rất nguy hiểm cho người sửdụng

Để khắc phục các sự cố của khí gas khi sử dụng, chúng tôi đã làm ra các thiết bị cảnhbáo khí gas khi bị rò rỉ, thiết bị này giúp chúng ta nhận biết khí gas bị rò rỉ một cách dễdàng khi có sự cố rò rỉ khí gas, thiết bị này có kết cấu đơn giản, giá cả hợp lý, có thể dùngphổ biến trong các tòa nhà, hộ gia đình

Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn Chúng tôi xin chânthành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC ii

NỘI DUNG 1

PHẦN I: TỔNG QUAN 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1 Sơ đồ khối chung 3

1.1 Khối nguồn 3

1.2 Khối xử lý 7

1.3 Khối báo động 10

2 Nguyên lý hoạt động chung 16

PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 17

1 Các linh kiện được sử dụng 17

1.1 Khối nguồn 17

1.2 Khối cảm biến 17

1.3 Khối xử lý của modun 18

1.4 Khối xử lý chính 18

1.5 Khối báo động 18

2 Sản phẩm thực tế 19

PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20

1 Kết luận 20

2 Xu hướng phát triển 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN

Như mọi người đã biết hiện nay trong cuộc sống hằng ngày khí gas được sử dụng rất

là nhiều Ngay cả trong các nhà máy các xí nghiệp hay đơn giản hơn là các môi chất đềuđược nén dưới dạng gas Chính vì điều đó lên việc đảm bảo an toàn trong quá trình sửdụng cũng như vận hành các thiết bị đó là vô cùng quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực

tế đó đã có rất nhiều các giáo sư, tiến sỹ hay sinh viên … đã tiến hành nghiên cứu về đềtài này Nhằm nghiên cứu và khắc phục tình trạng gây cháy nổ gây ra, tránh ảnh hưởngtới kinh tế hay chính là việc ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng của con người

Nhận thấy sự nghiêm trọng và cấp thiết về vấn đề trên, nhóm chúng tôi đã tìm hiểu vànghiên cứu về vấn đề rò rỉ khí gas, để giảm tối đa mối nguy hiểm do khí gas gây ra, ảnhhưởng đến con người và tài sản chung

1 Lý do chọn đề tài

Do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng, do đó sự cố xảy ra khi

sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên nhu cầu cấp thiết hiện nay khi sử dụng khígas hiện nay là làm sao giảm được các sự cố không đáng có của khí gas gây ra cho người

sử dụng

Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas antoàn để hạn chế sự cố khí gas như khóa van khi dùng xong, kiểm tra van, bếp ga định kỳbáo khi có khí gas bị rò rỉ và lắp đặt thiết bị cảnh báo khi có khí gas bị rò rỉ ra môi trường.Trong đó việc lắp đặt, sử dụng hệ thống cảnh báo khí gas được ưu tiên, đưa lên hàng đầutrong việc phát hiện ra khí gas bị rò rỉ khi sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuậntiện giá cả hợp lý độ nhạy với khí gas thì thiết bị cảnh báo khí ga là sự lựa chọn hàng đầucho người tiêu dùng về các thiết bị lắp đặt, phát hiện rò rỉ khi sử dụng khí gas

Nhận thấy sự nghiêm trọng và cấp thiết của việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gastrong các tòa nhà, khách sạn và hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề tài này nhằm tìmhiểu và nghiên cứu sâu về thiết bị cảnh báo khí gas để thiết kế ra một sản phẩm làm giảmtối đa các sự cố khi sử dụng khí gas gây ra trong các toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình

2 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra các giải pháp an toàn khi sử dụng khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ giađình khi bị rò rỉ trong đó sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản,dễ dùng, hợp lý tạo rakhông gian an toàn cho người sử dụng và phân tích hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệthống cảnh báo khí gas.

3 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình

4 Phạm vi nghiên cứu

Được dùng để phục vụ an toàn cho các toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình khi có sự cốkhí gas rò rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng

5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu nguyên lý,cách hoạt động, cách lắp đặt của hệ thống cảnh báo khí gas khikhí gas bị rò rỉ và làm mô hình hoặc tạo ra sản phẩm đơn giản về hệ thống cảnh báo khígas bằng phương pháp sử dụng mạch tương tự và số

6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết với thực nghiêm với mục đích tạo

ra một sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát hiện sự cố do rò rỉ khí gas mộtcách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng an toàn

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Sơ đồ khối chung

1.1 Khối nguồn

LM7805

 Dòng cực đại có thể duy trì 1A

 Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

 Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính như sau:

Nếu đặt Ui quá cao làm công suất tiêu tán trên IC lớn -> giảm hiệu suất

Với 7805 thì cần có điện áp vào ít nhất là 7V

 Công suất tiêu tán max 2W

 Chênh lệch áp vào ra tối thiểu 2V (Ui - Uo) = Pd / I = 2 V

Nguồn nuôi cung cấp cho mạch sẽ là nguồn DC 9V Để tạo ra nguồn DC 9V có rấtnhiều cách như sử dụng mạch đổi nguồn dùng các IC ổn áp, nguồn ắc quy hoặc pin.Trong mạch này ta sử dụng nguồn từ adapter 9V

áp Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăngkhi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao MQ2 hoạt động rất tốt trong môitrường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãitrong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.

Thông số kỹ thuật

Sơ lược về cảm biến và thống số hoạt động

Trong cảm biến có 6 chân :

 Aout: điện áp ra tương tự Nó có giá trị từ 0.3 - 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khíxung quang MQ2.

 Dout: điện áp ra số, giá trị 0, 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí

mà MQ2 đo được

Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản mà không cần đến

vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo.Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1, đèn Led tắt Khi nồng độkhí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng

Ta cũng có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bịcảnh báo khác

Cách thức thực hiện

Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch,

giá trị thu được Vout1

Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ ra, ta thấy giá

trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí

ga từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng

độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị

Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị

ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo được lớn

hơn thì sẽ cảnh báo

Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại

chân 3 của LM358 = Vout2

Vòng kiểm tra cơ bản

Bên cạnh là mạch thử nghiệm cơ bản của cảm biến, cảm biến cần phải được đặt 2 điện

áp, điện áp nóng VH và điện áp kiểm tra VC VH dùng để cung cấp nhiệt độ làm việc chocảm biến trong khi VC dùng để phát hiện điện áp VRL trên điện trở tải RL trong bộ cảmbiến Cảm biến có sự phân cực ánh sáng VC cần năng lượng nguồn DC VC và VH có thểcùng sử dụng công suất trên mạch nhưng phải đảm bảo hiệu suất bộ cảm biến Để cảmbiến hoạt động với hiệu suất cao hơn giá trị RL phải đảm bảo công suất tổng thế:

PS = VC2 * Rs +RL Rs

Đồ thị biểu diễn của MQ2

 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm:

Mạch trên được thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM.Khi nồng độ khí Gas ở trong khu vực cao thì đầu OUT của mô-đun sẽ ra ở mức cao Tínhiệu này sẽ đến IC NE555, đây được coi như một máy phát tần (nó tạo ra xung) và chânOutput của IC được nối với loa để đưa ra tín hiệu cảnh báo

Một số ưu nhược điểm của cảm biến

 Nhược điểm

Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện

áp Aout về giá trị nồng độ ppm Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm Do giá trị điện

áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa nên việc thôngbáo nồng độ chính xác là khá khó khăn

Tương đương với 2 con op-amp điện

áp vào theo analog điện áp ra theo digital

Hình dáng

Ký hiệu

Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong:

 Output A: Ngõ ra thứ nhất

 Inverting Input A: Ngõ vào đảo thứ nhất

 Non Inverting Input A: Ngõ vào không đảo thứ nhất

 V- : Nguồn cung cấp –Vcc

 Output B: Ngõ ra thứ hai

 Inverting Input B: Ngõ vào đảo thứ hai

 Non Inverting Input B: Ngõ vào không đảo thứ hai

Trong mạch báo động khí gas này, tín hiệu đi ra từ cảm biến khí gas có dạng analognhưng chưa thực sự ổn định và chưa thực sự chống được nhiễu, vì thế chúng ta sử dụng vớimục đích thứ nhất là để khắc phục tình trạng nhiễu và làm tăng tính ổn định của ngõ ra cảmbiến, mục đích thứ hai là chuyển điện áp từ analog sang digital và so sánh điện áp ra từ cảmbiến khí gas với mức báo động, mỗi khi có sự thay đổi điện áp tại chân 3 tín hiệu đầu vào củaLM358 thì nó thực hiện so sánh với điện áp chuẩn chân 8 để tạo ra sự biến đổi tín hiệu đầu ratại chân 1 :

 Khi điện áp dưới ngưỡng báo

động, điện áp ra sẽ ở mức 1

 Khi điện áp vượt ngưỡng báo

động điện áp ra ở mức 0

Sau đó điện áp đi tiếp vào mạch tạo dao

động NE555 để thực hiện quá trình xử lý

tiếp theo

Cấu tạo bên trong của LM358:

Phạm vi hoạt động

1.3 Khối báo động

Sử dụng mạch tạo dao động bằng IC NE555, loa chip, đèn Led

Sơ đồ

Các giá trị ngưỡng:

IC NE555

Mô tả

Là một mạch tạo thời gian chính xác có khả năng tạo thời gian trễ hoặc tạo dao động.Trong thời gian delay hoặc chế độ đơn trạng thái, khoảng thời gian này được điều khiểnbởi 1 điện trở và tụ điện bên ngoài Trong chế độ không ổn định, tần số và chu kì làm việcđược điều khiển dựa vào 2 điện trở và 1 tụ điện nối ngoài Ngưỡng kích hoạt threshold vàtrigger là 23 và 13 tương ứng với VCC Các mức này có thể được thay đổi bởi các cực điềukhiển điện áp Khi đầu vào Triger giảm ở dưới ngưỡng Trigger, FlipFlop được thiết lập vàđầu ra ở mức cao Nếu điện áp đầu vào Triger ở trên ngưỡng Trigger và đầu vàoThreshold ở trên ngưỡng Threshold thì FlipFlop được reset và điện áp đầu ra ở mức thấp.Đầu vào Reset có thể ghi đè lên tất cả các đầu vào khác và được sử dụng để bắt đầu chu kìmới Khi chân Reset ở mức thấp, FlipFlop được reset và điện áp ra ở mức thấp Khi điện

áp ra ở mức thấp, điện trở kháng thấp sẽ xả với đất Mạch đầu ra có khả năng cấp nguồntới 200mA Hoạt động trong mức 5V-15V Với nguồn 5V, điện áp ra tương thích với đầuvào TTL

Tính năng

 Thời gian từ micro giây tới vài giờ

 Không ổn định hoặc đơn trạng thái có điều khiển

 Chu kì điều chỉnh được

 Tương thích với TTL, dòng ra lên tới 200mA

 Lead Free Finish/ RoHS Compliant (Note 1)

 Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tươngứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35

->0.75V)

 Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối massethì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ratùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao độngthường hay nối chân này lên VCC

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND.Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụnày lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa nàyđóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

Ở trên mạch trên H: mức cao và gần bằng Vcc; L là mức thấp và bằng 0V Sử dụng FF– RS Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q = [0] Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q = [0].Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0] Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì

Q = [1], transistor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ởchân 6 không vượt quá V2 Do ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset Khi mớiđóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C

- Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ Cnhảy xuống dưới 2Vcc/3.

2 Nguyên lý hoạt động chung

Ở trạng thái bình thường không có khí gas, điện áp ra AOUT<VREF, điện áp ra của bộ sosánh DOUT sẽ ở mức cao, khối báo động sẽ không hoạt động

Khi phát hiện khí gas, điện áp ra AOUT lúc này lớn hơn VREF, điện áp ra của bộ so sánh

sẽ ở mức thấp, khối báo động hoạt động, loa báo khí gas bị tràn

PHẦN III: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

1 Các linh kiện được sử dụng :

1.3 Khối xử lý của modun

Linh kiện: LM358, biến trở, Led, điện trở

2 Sản phẩm thực tế

Mạch chạy bình thường và hoạt động khá chính xác

PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1 Kết luận

Sau thời gian làm đồ án môn học, nhóm chúng tôi đã tiếp cận và làm quen được vớicảm biến khí gas MQ2, hiểu được nguyên lý hoạt động và có thể ứng dụng cảm biếnMQ2 để có thể báo động nếu có rò rỉ khí gas

Qua đó đã giúp nhóm chúng tôi có thêm nhiều kiến thức về cảm biến nói chung vàcảm biến khí gas nói riêng, đặc biệt nhận ra được sự nguy hiểm khi có khí gas bị rò rỉ,cách để phát hiện ra nó và có thể ứng dụng để báo động cho người sử dụng biết để phòngtránh Bên cạnh đó bản thân cần phải cố gắng học hỏi tìm tòi nhiều hơn nữa để đáp ứngđược yêu cầu của một người kỹ sư điện tử, không những hiểu biết về những gì mình đãhọc mà còn phải ứng dụng nó vào thực tiễn để có thể giúp người dân trong sinh hoạt hằngngày và trong công nghiệp

Do kiến thức còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo còn ít nên

đồ án môn học của chúng tôi không tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong sự sẽchia và cảm thông của thầy để giúp chúng tôi bảo vệ thành công đề tài này Xin chânthành cảm ơn!

Thiết bị cảnh báo khí gas có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn,còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác để giúp ta chủ động hơn trong việc điều chỉnh bật-tắt cácthiết bị khi có sự cố

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại thiết bị cảm biến khí gas mới có độ nhạy caonhư thiết bị cảnh báo gas Taka TK-CB01B, thiết bị này được lắp đặt cảm ứng gas tiên tiếncùng với bộ vi xử lý có độ nhạy cao Khi gas bị rò rỉ chuông báo động sẽ kêu đồng thờiđồng hồ cũng hiển thị tín hiệu có rò gas nhằm tránh những tổn hại không đáng có vềngười và tài sản do cháy nổ khí gas Và đặc biệt hơn nữa trên thị trường đã xuất hiện thiết

bị cảnh báo khí gas thông minh có đặc điểm là khi đạt tới ngưỡng cảnh báo, thiết bị sẽcảnh báo bằng còi hú, đèn nháy và tự động gọi đến hai số điện thoại của người sử dụng đãđược cài đặt sẵn để cảnh báo nguy cơ cháy nổ Nhờ vào ưu điểm cảnh báo từ xa, người sửdụng có thể yên tâm vì ở bất kỳ đâu cũng có thể biết được tình trạng an toàn của thiết bịgas trong gia đình họ đó là Home Gas Alarm và Mobile Gas Alarm, đây là 2 thiết bị antoàn nhất trong việc phát hiện cảnh báo khí gas khi có sự rò rỉ, vì tính an toàn của nó, thiết

bị này giúp chúng ta có thể phát hiện khí gas bị rò rỉ bất kỳ nơi đâu, bất kỳ lúc nào