Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí Metan cầm tay dùng cho khai thác hầm mỏ

Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí Metan cầm tay dùng cho khai thác hầm mỏ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

TS Nguyễn Thế Truyện KS Nguyễn Công Hiệu KS Luyện Tuấn Anh KS Kiều Mạnh Cường KS Nguyễn Thế Vinh KS Nguyễn Văn Cường KS Nguyễn Xuân Phú Sơn KS Phạm Mạnh Tuấn KS Nguyễn Hùng Kiên KS Lê Anh Tuấn KS Nguyễn Văn Quang

Chủ nhiệm dự án

* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:

TS Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN

TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN

Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện Dự án được thực hiện từ tháng 1/2004 đến 12/2005 Các nội dung mà dự án đã thực hiện là:

+ Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp

+ Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị

+ Thiết kế phần cứng cho các thiết bị

+ Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị + Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị

+ Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị

+ Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, …

+ Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam

+ Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị + Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo

+ Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất

Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một cách hiệu quả nhất Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi trường khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định, xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn Tuy nhiên với sự cố gắng hết mình của đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận và được người sử dụng đánh giá cao Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh, Đông Bắc, Hà Lầm, … mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí khoảng 3 tỉ đồng Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn

Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết về nội dung và kết quả thực hiện dự án

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

TS Nguyễn Thế Truyện KS Nguyễn Công Hiệu KS Luyện Tuấn Anh KS Kiều Mạnh Cường KS Nguyễn Thế Vinh KS Nguyễn Văn Cường KS Nguyễn Xuân Phú Sơn KS Phạm Mạnh Tuấn KS Nguyễn Hùng Kiên KS Lê Anh Tuấn KS Nguyễn Văn Quang

Chủ nhiệm dự án

* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:

TS Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN

TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN

Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện Dự án được thực hiện từ tháng 1/2004 đến 12/2005 Các nội dung mà dự án đã thực hiện là:

+ Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp

+ Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị

+ Thiết kế phần cứng cho các thiết bị

+ Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị + Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị

+ Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị

+ Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, …

+ Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam

+ Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị + Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo

+ Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất

Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một cách hiệu quả nhất Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi trường khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định, xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn Tuy nhiên với sự cố gắng hết mình của đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận và được người sử dụng đánh giá cao Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tập đoàn than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh, Đông Bắc, Hà Lầm, … mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí khoảng 3 tỉ đồng Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn

Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết về nội dung và kết quả thực hiện dự án

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 1

1.1Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay 5

1.2Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 6

1.3Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV 7

1.3.1 Thiết bị của Nga 7

1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc 8

1.3.3 Thiết bị của Nhật 9

1.3.4 Thiết bị của Ba Lan 9

1.3.5 Thiết bị của Canada 10

1.4Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

1.5Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án 13

1.6Trình tự tiến hành thực hiện dự án 14

1.7Phương pháp nghiên cứu 15

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM 16

2.1Nguyên tắc thiết kế, chế tạo 16

2.2Lựa chọn các phần tử 17

2.2.1 Lựa chọn sensor 17

2.2.2 Lựa chọn các linh kiện khác 22

2.2.3 Các vấn đề cần giải quyết 23

2.3Thiết kế máy đo khí mêtan VIELINA-ĐCT.01 25

2.3.1 Thiết kế phần cứng máy đo VIELINA-ĐCT.01 25

2.3.2 Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01 26

2.4Thiết kế máy đo nhiều thông số 27

2.4.1 Thiết kế phần cứng máy đo nhiều thông số 27

2.4.2 Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số 28

2.5Thiết kế bộ nạp pin tự động 29

2.6Chế tạo bộ nguồn 30

CHƯƠNG III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 32

3.1Về sản phẩm dự án 32

3.1.1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01 32

3.1.2 Máy đo VIELINA-ĐCT.02 35

3.1.3 Máy đo VIELINA-ĐCT.03 36

3.2.3 Quy trình hiệu chuẩn thiết bị 44

3.2.4 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm 45

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

4.1KẾT LUẬN 46

4.1.1 Kết quả thực hiện 46

4.1.2 Đánh giá hiệu quả của dự án 47

4.1.3 Đánh giá về tính mới, tính sáng tạo của dự án 47

4.1.4 Đánh giá mức độ hoàn thành của dự án 48

4.2Kiến nghị 49

LỜI CẢM ƠN 51

CÁC PHỤ LỤC BÁO CÁO 53

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 3

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Máy đo GWJ-1A 8

Hình 2 Thiết bị đo R-7 9

Hình 3 Thiết bị đo TC-100P 10

Hình 4 Thiết bị đo GasAlertMicro 11

Hình 5 Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác 18

Hình 6 Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO 19

Hình 7 Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone 21

Hình 8 Các thông số chính của sensor NAP100AD 22

Hình 9 Bo mạch máy đo VIELINA-ĐCT.01 23

Hình 10 Sơ đồ khối thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT01 25

Hình 11 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo khí mêtan cầm tay 26

Hình 12 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị 27

Hình 13 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo nhiều thông số 28

Hình 14 Sơ đồ khối bộ nạp pin tự động 29

Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn an toàn tia lửa 30

Hình 16 Hình ảnh bộ nguồn cho các sản phẩm dự án 31

Hình 17 Sản phấm thế hệ thứ nhất 32

Hình 18 Sản phẩm thế hệ thứ 2 33

Hình 19 Sản phẩm thế hệ đang sử dụng 33

Hình 20 Mặt trước thiết bị VIELINA-ĐCT.02 35

Hình 21 Mặt trước thiết bị đo VIELINA-ĐCT.03 36

Hình 22 Bộ nạp pin tự động 38

Hình 23 Quy trình công nghệ chế thử sản phẩm 39

Hình 24 Quy trình sản xuất, hiệu chỉnh sản phẩm 43

Hình 25 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm 45

LỜI NÓI ĐẦU

2 Các thông tin chung về dự án

Tên dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho

khai thác hầm lò

Thuộc chương trình KHCN cấp Nhà nước:

Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hoá

Mã số chương trình: KC.03 Cấp quản lý: Nhà nước

Thời gian thực hiện: 24 tháng (01/2004 - 12/2005) Kinh phí thực hiện dự án: 5500 triệu đồng

Trong đó, từ Ngân sách sự nghiệp khoa học: 2000 triệu đồng

Thu hồi:

Kinh phí thu hồi: 1400 triệu đồng (70% kinh phí hỗ trợ từ NSSNKH)

Tổ chức chủ trì thực hiện dự án: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá

Địa chỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội

Điện thoại: (04) 7164855 Fax: (04) 7164842

Chủ nhiệm dự án: Nguyễn Thế Truyện

Học vị: Tiến sĩ Chức vụ: Giám đốc Trung tâm Điện tử công nghiệp Địa chỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội

Điện thoại: CQ: (04) 7140150 NR: (04)7540302 Mobile:0912095442 E-mail: truyennt@hn.vnn.vn

Cơ quan phối hợp chính:

Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 5

CHƯƠNG I CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

Chương này trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan tới dự án, mục tiêu và nội dung thực hiện dự án, trình tự tiến hành thực hiện dự án và phương pháp nghiên cứu, thực hiện dự án

1.1 Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay

Khí mêtan (CH4) có nguồn gốc từ than (gọi tắt là khí than) là một trong nhiều loại khí thiên nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoá biến đổi vật chất hữu cơ ban đầu và quá trình biến chất than tiếp theo dưới tác động của nhiệt và áp suất

Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)% (khả năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%) Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH4) phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố: nồng độ của khí mêtan (%CH4), nồng độ khí Oxy (%O2), áp suất (at), Nhiệt độ (oC) và độ ẩm tương đối (%RH) Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò nhiệt độ có thể lên tới 2650oC và áp suất lên tới 10at

Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là: CmHn + (m+n/4)O2 ==> mCO2 + (n/2)H2O

Với khí mêtan ta có phương trình:

CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O

Hiện nay chúng ta đang tăng cường hình thức khai thác than hầm lò nhưng khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn Việc xuất khí mêtan trong mỏ than là một quá trình diễn ra thường xuyên, căn cứ vào mức độ và hình thức xuất khí mêtan người ta phân loại mỏ như sau:

Xếp loại mỏ Độ thoát khí mêtan tương đối (m3/T.than.ngđ)

II Từ 5 đến < 10 III Từ 10 đến < 15

Siêu hạng ≥ 15, những mỏ có nguy hiểm xì khí Nguy hiểm phụt khí bất ngờ Mỏ hầm lò khai thác các vỉa than nguy hiểm

phụt than và khí bất ngờ

Bảng 1 : Phân loại mỏ theo khí mêtan

Hiện nay, hàng năm Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam (TKV) luôn tiến hành đánh giá và phân loại mỏ theo mức độ thoát khí mêtan trên 1 tấn than trong 1 ngày đêm Kết quả phân loại mỏ năm 2006 như sau:

tương đối (m3/T.ngđ) Xếp loại mỏ

Theo bảng trên thì hiện trong TKV chỉ có Công ty than Mạo Khê là mỏ siêu hạng, Công ty than Quang Hanh là mỏ loại II, còn hầu hết các mỏ là mỏ loại I Tuy nhiên, qua trao đổi chúng tôi được biết nhiều khi phân loại này cũng chưa phản ánh đúng khả năng xuất khí ở các mỏ, vì vậy sau vụ tai nạn cháy nổ hầm lò ngày 6/3/2006 ở Công ty than Thống Nhất TKV đã quy định tăng cường việc kiểm tra giám sát khí trong hầm lò bất kể là mỏ loại nào cũng phải lắp đặt hệ thống giám sát tập trung Việc lắp đặt hệ thống giám sát tập trung phải hoàn thành vào cuôi snăm 2007

1.2 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Trong những năm qua sản lượng than khai thác của TKV tăng trưởng với tốc độ rất cao: năm 2003 là 18 triệu tấn, năm 2004 là 24 triệu tấn, năm 2005 là hơn 30 triệu tấn và kế hoạch năm 2006 là 40 triệu tấn Sản lượng khai thác ngày càng tăng nhưng lượng than lộ thiên ngày một giảm, do đó TKV phải tăng cường hình thức khai thác than hầm lò Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 7Trên thế giới (Trung quốc, Ukraina, Nga, … thậm chí cả Mỹ) cũng như ở Việt nam trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm chí hàng trăm người Có thể kể ra một số vụ cháy nổ khí gần đây ở Việt nam như vụ nổ ngày 11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị chết và 12 người bị thương Vụ nổ tại đường lò V13 khu tây bắc ngã hai thuộc xí nghiệp khai thác than 190 Công ty Đông bắc ngày 29/5/1999 làm 3 người chết và 2 người bị thương Hai vụ nổ liên tiếp trong ngày 19/12/2002 tại XN than Suối lại (Công ty than Quảng ninh) và XN 909 (Công ty Địa chất và khai thác khoáng sản) làm tổng cộng 13 người chết và 5 người bị thương Gần đây nhất là vụ nổ ngày 6/3/2006 tại Công ty than Thống Nhất làm 8 người bị chết

Hiện nay, trong TKV đã có 02 hệ thống tự động đo, cảnh báo khí mêtan (của Ba Lan và Nhật Bản chế tạo) tại Công ty than Mạo khê Còn lại, hầu hết các mỏ đều mới chỉ có các máy đo cầm tay dùng cho phòng an toàn hoặc phòng chức năng đi kiểm tra định kỳ trong từng ca sản xuất Theo quy định số 114/QĐ-AT ngày 28/5/2003 về việc đo khí mỏ của TKV (TVN trước kia) thì cần phải đo, kiểm soát khí thường xuyên tại tất cả các lò khai thác, các điểm quan trọng cũng như bất kỳ đoàn nào vào lò đều phải mang theo thiết bị đo khí Do đó vấn đề đo kiểm soát khí cũng như việc trang bị thiết bị đo cảnh báo xách tay là bắt buộc phải thực hiện Trong mấy năm qua TKV đã mua các máy đo khí mêtan của Nhật Bản (R7), Canada (GasAlert Lel, GasAlertMicro), của Trung Quốc, … nhưng do giá thành các thiết bị đo kiểm soát khí quá đắt (của Nhật và Canada đều khoảng 30 triệu đồng/chiếc) nên các Công ty đều chưa trang bị được đầy đủ theo yêu cầu Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo máy đo khí mêtan dùng cho khai thác hầm lò là rất cấp thiết, bức bách và có nhiều ý nghĩa cả về khoa học, kinh tế lẫn xã hội

1.3 Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV

Hiện trạng ứng dụng các thiết bị đo khí mêtan trong ở các mỏ của ta như sau: TKV chủ yếu là mua các thiết bị đo khí mêtan cầm tay của nước ngoài (Nga, Trung Quốc, Nhật bản, Ba Lan, Canada ) để trang bị cho các phòng an toàn, phòng thông gió, đi kiểm tra định kỳ trong ngày Các thiết bị này có một số nhược điểm:

1.3.1 Thiết bị của Nga

Các thiết bị của Nga (ШИ-10, ШИ-11) dùng sensor theo nguyên lý quang học, có vỏ bằng vật liệu composit rất chắc chắn

Thiết bị này có ưu điểm là đo chính xác, nhưng chúng có hạn chế là không đo được tự động, đọc số liệu khó thống nhất và mạch điện không được nhiệt đới hoá nên không

phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta dẫn đến tuổi thọ không cao Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được

Hiện nay các máy này gần như đã hỏng hết và không thấy được mua để sử dụng tiếp trong các mỏ than Việt Nam nữa

1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc

Theo chúng tôi được biết thì máy đo khí mêtan của Trung Quốc có nhiều chủng loại khác nhau, có giá cả cũng đa dạng Loại đang được dùng trong các mỏ (loại GWJ-1A) có hình dạng như sau:

Máy này cũng xác định nồng độ khí mêtan theo nguyên tắc quang học

Ưu điểm: Máy có giá thành thấp (khoảng 5 triệu đồng), đo khá chính xác

Hạn chế: Không đo tự động được mà phải bóp thủ công mỗi khi đo, khó đọc kết quả

đo và giá trị đọc không thống nhất Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được

Hiện nay máy này cũng ít được các mỏ than mua thêm để sử dụng

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 9

1.3.3 Thiết bị của Nhật

Thiết bị của Nhật có nhiều loại và do nhiều hãng khác nhau chế tạo như R-7 của Toka Keiki, GX-86 của Riken Keiki, … nhưng hiện đang sử dụng tại TKV chủ yếu là máy đo R7 Máy đo R7 cũng dùng sensor theo nguyên lý quang học

Hình 2 Thiết bị đo R-7 Ưu điểm: Máy đo R-7 có độ ổn định, độ chính xác cao, bền

Hạn chế: Giá thành rất cao (khoảng 35 triệu), phải có bộ lọc khí CO2 nếu không sẽ bị lẫn khí khi đo, đọc theo vạch quang học nên khó sử dụng và cũng không đo tự động được mà phải dùng tay bóp khi muốn đo Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được

Năm 2006 TKV đã mua mấy trăm chiếc để cung cấp cho các mỏ Thiết bị này, hiện đang được coi là thiết bị bậc cao nhất của TKV

1.3.4 Thiết bị của Ba Lan

Thiết bị Ba lan hiện có hai loại đang được sử dụng tại TKV là: M1CA và TC-100P

Thiết bị M1CA: dùng sensor dạng đốt xúc tác (cầu Wheastone) và hiển thị số, thiết bị nhỏ gọn nhưng có nhược điểm là không đo tự động được và thiết bị cũng không phù hợp với điều kiện môi trường của mỏ hầm lò Việt Nam nên độ bền không cao

Hiện thiết bị này vẫn còn một số nơi đang sử dụng nhưng không thấy các đơn vị mua mới nữa

Thiết bị TC-100P: Thiết bị này dùng cả hai loại sensor (quang học và đốt xúc tác),

hiển thị số Thiết bị này còn có khả năng điều khiển đóng cắt điện khi vượt ngưỡng nên hiện được sử dụng như thiết bị giám sát cục bộ

Ưu điểm: Đo tự động và có thể dùng làm thiết bị giám sát cục bộ, dải đo rộng (dùng 2

loại sensor) Thiết bị có thể treo trong hầm lò làm thiết bị giám sát cục bộ

Hình 3 Thiết bị đo TC-100P

Hạn chế: Giá thành đắt (khoảng 40 triệu đồng/chiếc), thiết bị chưa được nhiệt đới hoá

nên không phù hợp với môi trường hầm lò Việt Nam dẫn tới độ ổn định, độ bền không cao

Thiết bị này được TKV đặt mua một đợt vào khoảng năm 2003 để trang bị cho các đơn vị thành viên, sau đó không thấy mua đợt nào nữa Hiện nay một số đơn vị vẫn còn sử dụng nhưng cũng không thấy đặt mua mới

1.3.5 Thiết bị của Canada

Năm 2004 và 2005 TKV đã mua và trang bị cho các đơn vị thành viên hai loại máy của Canada là: GasAlert Lel (máy đo khí cháy) và GasAlertMicro (máy đo nhiều loại khí: khí cháy, CO, O2)

GasAlert Lel : đây là loại máy đo 1 thông số, dùng sensor catalytic, hiển thị số trên LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 11GasAlertMicro: Đây là máy đo nhiều thông số: CH4, CO và O2 cũng dùng sensor catalytic, hiển thị số trên LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng

Hạn chế: Giá đắt (khoảng 30 triệu đồng/chiếc) và không thể treo trong hầm lò được

mà chỉ mang theo người đi kiểm tra

Hình 4 Thiết bị đo GasAlertMicro

Các máy này hiện được sử dụng mang theo người để đi kiểm tra trong các hầm lò

Tóm lại: Hiện nay các máy đo khí của TKV đều là mua của nước ngoài cho nên

ngoài việc tốn kinh phí mua các thiết bị này thì việc sử dụng chúng cũng rất phụ thuộc vì ta không làm chủ được công nghệ cũng như các vật tư, linh kiện thay thế Việc bảo hành, bảo dưỡng sau thời gian bảo hành quy định của nhà sản xuất gần như không có (do thiết bị được cung cấp từ các công ty thương mại chứ không phải từ các nhà sản xuất)

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài

Ở nước ngoài, việc chế tạo thiết bị đo lường cho tất cả các lĩnh vực đều được đặc biệt quan tâm không chỉ riêng thiết bị phục vụ ngành khai thác hầm lò Các hãng Riken keiki, Toka Keiki, ICS (Industrial Scientific Corporation), SICK/MIHAK, … là các

hãng lớn trên thế giới chuyên chế tạo các thiết bị đo lường công nghiệp từ thiết bị đơn lẻ đến hệ thống lớn SCADA Thiết bị đo kiểm soát khí mêtan phục vụ khai thác hầm lò cũng được các hãng sản xuất thiết bị đo lường chế tạo theo hai dạng chính: Thiết bị đo đơn lẻ: Cầm tay hoặc đặt cố định; Hệ thống lớn (SCADA): Tự động thu thập cảnh báo, và điều khiển

Về thiết bị đơn lẻ chủ yếu là thiết bị xách tay đo khí mêtan thì có 2 loại: loại không hiển thị giá trị đo mà chỉ báo động khi vượt ngưỡng đặt trước hoặc loại có hiển thị giá trị đo và báo động khi vượt ngưỡng Các thiết bị của các nước công nghiệp phát triển như: Nhật, Anh, Mỹ, Đức, … đều rất đắt Còn của Trung Quốc chế tạo loại có giá cả vừa phải thì độ chính xác, độ ổn định không cao, còn loại có chất lượng cao thì cũng đắt như của các nước công nghiệp phát triển khác

Một xu hướng là chế tạo máy đo xách tay kết hợp đo nhiều loại khí như: CH4, CO, O2, H2S (GX86, GasAlertMicro) Tuy nhiên các thiết bị dạng này thường đắt và dải đo một số thông số chưa chắc đã phù hợp với mục đích sử dụng

Hãng CarboAutomatyka của Ba Lan đã chế tạo thiết bị TC-100P có thể đo, cảnh báo và điều khiển cắt điện cục bộ khi nguy hiểm (giá mỗi thiết bị này khoảng 40 triệu đồng/chiếc) Thiết bị này cũng đã được sử dụng tại các mỏ của Việt Nam, nhưng do các thiết bị này chưa thực sự phù hợp với môi trường hầm lò Việt nam nên làm việc không ổn định

Tóm lại, thiết bị đo khí mêtan nói riêng và khí cháy nổ trong hầm lò nói chung được nghiên cứu và chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, nhưng hoặc là có giá quá cao hoặc là chưa phù hợp với điều kiện đặc thù của hầm lò Việt Nam nên hiện nay TKV vẫn còn thiếu rất nhiều để phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò

1.4.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước

Trong nước hiện nay mới chỉ có Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) là đơn vị đầu tiên đã nghiên cứu và chế tạo được thiết bị đo cảnh báo khí mêtan cầm tay, thiết bị này đã được kiểm định và cấp phép cho sử dụng trong hầm lò Hiện đã đưa vào sử dụng trong thực tế được khoảng 300 chiếc Vừa qua, Viện khoa học Vật liệu (thuộc Viện Khoa học Việt Nam) đã nghiện cứu chế tạo được máy đo khí ga, nồng độ cồn nhưng chưa chế tạo được máy đo dùng trong môi trường hầm lò

Từ những yêu cầu bức bách về việc sử dụng máy đo khí mêtan của thực tế và tình hình nghiên cứu, chế tạo máy đo khí mêtan trong nước như trên, từ năm 2004 VIELINA đã được Bộ Khoa học Công nghệ, Chương trình NCKH và phát triển công

nghệ Tự động hoá cho phép chủ trì thực hiện dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò – mã số KC03.DA04, nhằm

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 13mục đích chế tạo ra các máy đo khí mêtan phù hợp với môi trường hầm lò đặc thù của Việt Nam cung cấp cho TKV

1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án

- Dải đo CH4: 0 đến 5 % vol - Sai số: 0,1%

- Ngưỡng báo động theo TCVN: 1% Vol - Thời gian làm việc liên tục: 10h

- Nhiệt độ làm việc: 00C đến +500C - Độ ẩm tương đối làm việc: 5 đến 95%

- Thiết bị có thể báo động bằng âm thanh và đèn nháy - Bảo đảm các tiêu chuẩn về an toàn theo TCVN

- Giá cả bằng 2/3 hoặc ít hơn so với thiết bị có cùng tính năng của nước ngoài

• Mục tiêu tiếp theo là chế tạo các thiết bị đo cảnh báo cầm tay có thể đo được nhiều thông số như: CH4; CO hoặc CO2 (gọi chung là COx); nhiệt độ; các sản phẩm này có ngay trong thời kỳ thực hiện dự án

• Mục tiêu lâu dài là chế tạo các hệ thống SCADA diện rộng để đo, cảnh báo các thông số môi trường trong khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động

• Mục tiêu lâu dài khác là làm chủ công nghệ để tiếp tục thiết kế chế tạo các loại thiết bị đo lường khác, phục vụ cho sự nghiệp Công nghiệp hoá đất nước như: Thiết bị đo các khí công nghiệp, đo các thông số môi trường nước, …

1.5.2 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù hợp

- Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo thiết bị

- Thiết kế phần cứng, phần mềm cho các thiết bị - Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển - Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị - Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị

- Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn phòng chống cháy nổ, …

- Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam

- Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị - Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo

- Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất

- Tham khảo ý kiến các chuyên gia ngành than (đặc biệt các chuyên gia Nhật Bản và chuyên gia của Trung tâm an toàn Mỏ) làm cơ sở thiết kế sản phẩm (T3/2004)

- Lựa chọn vật tư, linh kiện và thiết kế (phần cứng, phần mềm, vỏ hộp, kiểu dáng, …) sao cho sản phẩm đảm bảo tiêu chuẩn TCVN-7079 và phù hợp nhất với yêu cầu của người sử dụng (T3-T4/2004)

- Chế tạo mẫu sản phẩm và đưa đi kiểm định tại Trung tâm An toàn Mỏ (trong quá trình kiểm định có hiệu chỉnh cả phần cứng và vỏ sản phẩm) (T4-T12/2004)

- Sau khi có giấy chứng nhận kiểm định và công văn cho phép đưa vào sử dụng của Cục Kỹ thuật an toàn - Bộ Công nghiệp, chúng tôi đã làm việc với Lãnh đạo TKV xin ý kiến chỉ đạo về việc thử nghiệm (đơn vị thử nghiệm, thời gian, quy trình thử nghiệm, …) (T12/2005-T2/2004)

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 15- Ký hợp đồng nguyên tắc thử nghiệm thiết bị, xây dựng quy trình thử nghiệm

và đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế (từ T3/2005)

- Tiến hành thử nghiệm (3 đến 6 tháng), lấy ý kiến đánh giá của cơ sở thử nghiệm và trình Lãnh đạo TKV để xin ý kiến về việc bán chính thức sản phẩm (T10/2005)

- Tiến hành bán sản phẩm dự án từ tháng 11/2005 đến nay (máy đo ĐCT.01)

VIELINA Hiện nay vẫn đang tiếp tục kiểm định cho máy đo nhiều thông số

Tóm lại, do đặc thù ngành than nên các thủ tục để triển khai một sản phẩm vào thực tế mất rất nhiều thời gian nên mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng phần kiểm định thiết bị đo nhiều thông số hiện vẫn chưa xong Riêng với sản phẩm VIELINA-ĐCT.01 đã được thị trường chấp nhận và bước đầu đã chứng tỏ có thể thay thế được thiết bị nhập ngoại

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Áp dụng phương pháp nghiên cứu hiện đại, khoa học phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Hiện đại là ứng dụng các công nghệ tiên tiến để nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo: Công nghệ điện tử số, công nghệ đo lường hiện đại, các chip công nghệ cao, … và ứng dụng máy tính, công gnhệ thông tin để thiết kế, mô phỏng và xây dựng các phần mềm điều khiển thiết bị Phương pháp nghiên cứu khoa học là: xuất phát từ tìm hiểu thực tế (các điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam, yêu cầu và trình độ của người sử dụng, tình hình nghiên cứu chế tạo thiết bị tương tự trong và ngoài nước để kế thừa các tính năng họ đã có) để xây dựng bài toán Lựa chọn các vật tư linh kiện hiện đại đáp ứng được yêu cầu bài toán để thiết kế sản phẩm Sau đó chế thử sản phẩm đưa đi kiểm định và sử dụng thử nghiệm, lấy ý kiến của người sử dụng để hoàn thiện thiết kế Xây dựng quy trình công nghệ chế thử, chế tạo hàng loạt và quy trình hoàn thiện công nghệ Sau khi chuyển giao sản phẩm tiếp tục tiếp thu ý kiến khách hàng để hiệu chỉnh đưa ra sản phẩm tối ưu nhất

Có thể nói quá trình thiết kế, chế tạo xuất phát điểm là từ thực tế và kết thúc cũng ở

thực tế, đặc biệt đã “lôi kéo” được người sử dụng tham gia vào quá trình thiết kế nên

sản phẩm tạo ra rất phù hợp với điều kiện đặc thù về môi trường hầm lò và con người Việt Nam

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM

Chương này trình bày về nguyên tắc thiết kế, vấn đề lựa chọn vật tư linh kiện để thiết kế, chế tạo sản phẩm, các vấn đề cần giải quyết Sau đó là thiết kế phần cứng phần mềm của các sản phẩm, bộ nạp pin tự động, chế tạo bộ nguồn an toàn tia lửa

2.1 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo

Các sản phẩm của dự án sẽ phải làm việc trong môi trường có khí bụi nổ, với độ ẩm cao và nhiều yếu tố khắc nghiệt khác do đó thiết bị phải đảm bảo các yêu cầu an toàn tia lửa Các sản phẩm của dự án phải đảm bảo tiêu chuẩn khắt khe về an toàn tia lửa đó là tiêu chuẩn TCN-7079 (thực chất là tiêu chuẩn IEC 79) Từ thực tế trên, quan điểm thiết kế thiết bị của chúng tôi như sau:

+ Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn TCVN-7079 (thiết bị an toàn tia lửa Ex “ia”I) + Thiết bị phải làm việc chính xác, độ tin cậy và độ an toàn cao

+ Thiết bị dễ sử dụng, số liệu đo được phải dễ đọc

+ Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn phù hợp cho việc mang theo người

+ Nguồn nuôi phải đảm bảo làm việc liên tục được ít nhất là 8 giờ (1 ca sản xuất) + Giá thành vừa phải

Các thông số môi trường hầm lò cần đo và cảnh báo là CH4; CO2; CO; nhiệt độ; trong đăng ký dự án chúng tôi lựa chọn đo, cảnh báo các thông số: CH4; CO; nhiệt độ Trong đó:

- Máy đo 1 thông số VIELINA-ĐCT.01 chỉ đo CH4 - Máy đo 2 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH4; CO

- Máy đo 3 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH4; CO và nhiệt độ

Do điều kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt và lại phải đảm bảo thời gian làm việc liên tục khoảng 10 giờ sau mỗi lần nạp pin nên các vật tư linh kiện cần phải lựa chọn cho phù hợp Sau đây chúng tôi xin trình bày phần lựa chọn các vật tư linh kiện cho các thiết bị

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 17

2.2 Lựa chọn các phần tử

2.2.1 Lựa chọn sensor

Sensor cần phải có dải đo phù hợp và đảm bảo làm việc được trong điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam là có độ ẩm cao, có khí bụi nổ và có sự xuất hiện đồng thời của khí mêtan và khí CO2 Mặt khác sensor cũng phải chọn làm sao cho dễ chế tạo đo tự động, do đó trong quá trình thiết kế chế tạo chúng tôi đã liên hệ với hãng chế tạo sensor và họ đã khuyến cáo về việc lựa chọn sensor như sau

™ Khuyến cáo của nhà sản xuất

Khuyến cáo sử dụng sensor với các loại khí khác nhau của nhà sản xuất (Nemoto):

• Các khí dễ cháy: Hidro, Mêtan, Prôpan, Izô-butan, hơi xăng, Êtanol, vv

• Các khí độc: H2S, SOx, HCl, Cl, CO, vv

Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn, điện hoá -> <- Catalytic ->

• Các loại khí thải: Êtanol, khói thuốc, các khí có mùi khó chịu

Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn -> <- Catalytic ->

• Các khí trơ: Cácbon điôxít, các khí Frêon

Nồng độ khí

Loại sensor <- IR absorption -> <- Dẫn nhiệt -> Mục tiêu chế tạo thiết bị này là để đo khí CH4, với ngưỡng cháy nổ dưới (LEL) là 5%, cho nên theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì chúng ta sử dụng loại sensor đo khí mêtan là loại làm việc theo nguyên lý catalytic Còn với khí CO trong hầm lò cần báo động ở mức thấp (16 ppm) nên ta chọn loại sensor điện hoá hoặc bán dẫn Để đo nhiệt

Nồng độ khí

Loại Sensor <- Bán dẫn -> <- Catalytic -> <- Dẫn nhiệt ->

độ chúng tôi dùng loại sensor bán dẫn Sau đây chúng tôi xin giới thiệu nguyên lý của sensor catalytic và sensor điện hoá

• Nhiệt độ làm việc thấp so với điểm bốc cháy nên rất an toàn

• Do mỗi loại khí nhậy ở một nhiệt độ khác nhau nên dùng sensor catalytic không bị hiện tượng lẫn khí do đó không xẩy ra hiện tượng báo động nhầm ¾ Cấu tạo của Sensor

Hình 5 Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác

Một cuộn dây 50µm bằng Pt được đặt trên 2 bộ đỡ bằng dây Nó hoạt động giống sự kết nối điện Cuộn dây được gắn vào bên trong một hộp nhỏ được làm bằng AL cỡ 1mm Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pt, Pd, hoặc hỗn hợp Pd-ThO2 Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến Loại Sensor này thường được gọi là “Pellistor” Sensor được đặt trong hộp bảo vệ sao cho khí vào sensor được điều khiển lớn và phân tán

Cảm biến xúc tác được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để phát hiện chất khí dễ nổ dẽ cháy Thông thường cảm biến được lắp vào một mạch cầu Wheastone với một

Chốt

Cuộn dây bằng Platine Hộp nhỏ Hộp bảo vệ

Chất xúc tác Các chân ra

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 19phần tử khác không nhạy với chất khí phân tích Hai phần tử này được nung nóng bằng hiệu ứng Joule Khi có mặt chất khí dễ cháy, hiện tượng cháy làm tăng nhiệt độ cảm biến dẫn đến sự mất cân bằng của cầu và tạo ra tín hiệu tương ứng với hàm lượng chất khí dễ cháy trong hần hợp khí Cảm biến này có thể đo được nhiều chất khí khác nhau như: CH4, H2, CO

™ Sensor điện - hoá

Cảm biến điện hoá gồm 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân Một cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hoá giữa dung dịch với chất khí cần xác định tạo ra các điện tích tự do e và các ion Cực thứ 2 sẽ tạo ra phản ứng giữa ion được tạo ra ở cực kia với các chất ngoài không khí để trung hoà điện tích trong dung dịch và đồng thời nó có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hoá Với việc xác định dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào Sensor loại này thích hợp cho đo khí CO, H2S,

2.2.1.1 Sensor đo khí CO

Qua tìm hiểu trên thi trường chúng tôi lựa chọn sensor loại NAP-701 của hãng Nemoto (Nhật) để đo khí CO, đây là sensor làm việc theo nguyên lý điện hoá

¾ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 6 Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO

POTENTIOSTAT

O2

Điện trở

Dòng điện 2H+

H2O 2H+

H2O Điện cực

Điện cực làm việc CO+H2O

-Điện cực chuẩn

Điện cực khô Màng mỏng cho khí xuyên qua

Dung dịch điện phân CO2

CO

Output

Cấu tạo bên trong của NAP-701 gồm: điện cực, màng lọc và dung dịch điện phân Điện cực gồm nhiều lớp phân thành các cực: cực làm việc (working electrode), ở đây tạo ra phản ứng ôxi hóa khử; cực đếm (counter electrode) có tác dụng làm hạn chế phản ứng ôxi hoá ở cực làm việc và cực chuẩn (reference electrode) có tác dụng quản lý và điều khiển chiết áp, mà giá trị của nó phụ thuộc vào phản ứng ôxi hóa Màng lọc được làm bằng vât liệu đặc biệt, chúng có khả năng loại trừ khí nhiễu: NOx, SO2 Nguyên lý hoạt động: NAP-701 hoạt động theo phương pháp điện - hóa

Khi khí CO được thổi vào, tại cực làm việc sẽ xảy ra phản ứng ôxi hóa tạo ra ion H+ ¾ Phương trình phản ứng

CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-

Đồng thời tại cực đếm H+ sẽ xảy ra phản ứng với O2 ngoài không khí tạo thành nước Điện tích e của phản ứng tạo ra dòng điện, dòng điện này tỷ lệ với lượng khí CO đưa vào Như vậy, qua việc đo dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí CO cần tìm

- Dải đo : 0 – 1000 ppm

- Nhiệt độ hoạt động : -20 ÷ 50°C - Điện trở : 10Ω

- Điện áp nuôi: không yêu cầu - Áp suất: 0.9 ÷ 1.1 atm

- Dòng ra : 50 +/- 10 nA/ppm

2.2.1.2 Sensor đo khí CH4

Chúng tôi lựa chọn loại NAP-100AD do hãng Nemoto chế tạo để đo khí mêtan

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 21¾ Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cấu tạo gồm 2 điện trở: điện trở đo D và điện trở bù C Điện trở đo D được chế tạo từ một dây platin quấn hình lò xo đặt chìm bên trong ôxit chịu lửa có độ xốp nhỏ, thường là alumin Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pb, Pt, Ir hoặc hỗn hợp Pd-ThO2 Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến Sensor này được lắp vào mạch cầu Wheastone với các phần tử khác không nhạy với chất khí cần phân tích

Hình 7 Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone

Nguyên lý làm việc: Các phần tử của sensor sẽ được đốt nóng bằng điện áp cung cấp cho mạch cầu Khi không có khí vào mạch cầu cân bằng, điện áp ra bằng 0 Khi có mặt chất khí vào, ở nhiệt độ làm việc, HC tác dụng làm điện trở của phần tử nhạy thay đổi, điện trở này phụ thuộc vào nồng độ khí HC, làm mạch cầu mất cân bằng, điện áp ra khác 0 Điện áp ra trên cầu tỷ lệ với nồng độ khí đưa vào

¾ Đặc tính làm việc

- Điện áp nguồn: DC 2.5+/- 0.5V

AC 2.5+/- 0.5V ( f= 50 60 hz) - Nhiệt độ làm việc : -10 +50 °C

- Dòng điện tiêu thụ: (160 - 180) mA ¾ Đặc điểm

- Tính ổn định cao, đáp ứng nhanh - Tín hiệu ra tuyến tính

Sau đây là những thông số chính của sensor NAP100AD do nhà sản xuất cung cấp:

Hình 8 Các thông số chính của sensor NAP100AD

2.2.2 Lựa chọn các linh kiện khác

Các linh kiện khác được lựa chọn trên nguyên tắc sao cho nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và làm việc ổn định Với quan điểm này chúng tôi lựa chọn các linh kiện hầu hết là loại dán bề mặt (các loại IC, điện trở, tụ điện, …)

Với các linh kiện dán này chúng tôi đã chế tạo được thiết bị rất nhỏ gọn có độ ổn định, chắc chắn cao Kích thước của mạch của máy đo VIELINA-ĐCT.01 hiện nay chỉ (8,5x5,0) cm

Sau đây là hình ảnh về bo mạch của máy đo VIELINA-ĐCT.01

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 23

2.2.3 Các vấn đề cần giải quyết

Trong quá trình chế tạo thiết bị này chúng tôi đã phải nghiên cứu giải quyết rất nhiều vấn đề, trong đó có một số vấn đề chính như sau

2.2.3.1 Giải quyết vấn đề nguồn nuôi

Nếu nguồn nuôi không ổn định, thiết bị làm việc sẽ không chính xác Nguồn trong thiết bị VIELINA-ĐCT01 là nguồn pin nạp nên yếu nhanh, nếu ta chỉ dùng nguồn ổn áp thông thường thì chẳng mấy chốc nguồn sẽ mất ổn định dẫn tới thiết bị làm việc không chính xác Sau khi tìm hiểu, lựa chọn chúng tôi đã mua được linh kiện cho phần nguồn đảm bảo cho nguồn luôn ổn định (5V) ngay cả khi ắc quy chỉ còn khoảng

2,7V Thiết bị cho phần nguồn chúng tôi lựa chọn là loại IC chuyên dụng có chức

năng Step-Up/Down Nhờ có chức năng Step Up/Down nên IC này rất phù hợp cho thiết kế của chúng tôi vì trong thiết bị VIELINA-ĐCT.01 có 2 nguồn cần ổn định là: Nguồn nuôi sensor (2,5V) và nguồn cho mạch đo (5V) Chúng tôi dùng 2 IC: 01 dùng chức năng Step Down để tạo ra nguồn cho sensor và 01 dùng chức năng Step Up để tạo ra nguồn 5V ổn định

Hiện cả hai phần nguồn của thiết bị đều ổn định khi điện áp pin thay đổi từ 5,5V xuống còn khoảng 2,7V do đó đảm bảo thời gian làm việc liên tục của máy sau mỗi lần nạp đầy hơn 10 giờ (thực tế là từ 12-13 giờ)

2.2.3.2 Vấn đề hiệu chuẩn

Hiện nay chúng tôi hiệu chuẩn thiết bị theo các bước sau:

- Hiệu chuẩn dựa trên đặc tuyến của các linh kiện do nhà sản xuất cung cấp - Hiệu chuẩn theo nguồn khí chuẩn

Để nâng cao độ chính xác chúng tôi tiến hành hiệu chỉnh bằng phần mềm, điều này đảm bảo cho máy đo thông minh hơn và dễ hiệu chuẩn hơn

2.2.3.3 Vấn đề an toàn tia lửa

Để đảm bảo an toàn tia lửa chúng tôi đã tham khảo kỹ các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam cũng như của IEC Cụ thể chúng tôi đã giải quyết như sau:

- Dùng nguồn điện áp thấp (4,8V) và chế tạo mạch có dòng điện tiêu thụ nhỏ (260mA)

- Chế tạo các mạch cho phần nguồn đảm bảo hạn chế được đánh lửa khi chập mạch - Chọn sensor loại dùng cho hầm lò để đảm bảo thiết bị làm việc ổn định, chính xác - Phần vỏ: Phải thiết kế gọn nhẹ, đảm bảo độ kín theo yêu cầu an toàn và có tính

thẩm mỹ cao

- Tính toán các trị số linh kiện để đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 7079: Thực chất ở đây phải tính toán các giá trị điện dung và điện cảm sau cho đảm bảo an toàn với mức điện áp nguồn nuôi và dòng điện cực đại như đăng ký

2.2.3.4 Vấn đề ổn định của thiết bị

Để thiết bị làm việc ổn định chúng tôi đã có lựa chọn và xử lý như sau:

- Lựa chọn các loại vật tư linh kiện có độ ổn định nhiệt, độ chính xác cao và làm việc ổn định trong môi trường công nghiệp

- Bố trí phần tử có khả năng toả nhiệt nhiều nhất (sensor đốt xúc tác) ở nơi thoáng và riêng biệt (không nằm trong khoang với mạch điện) nên không gây ra bất ổn định về nhiệt cho thiết bị

- Mạch sau khi chế tạo xong được sơn phủ hợp chất chống ẩm (của Hàn Quốc) 3 lần nên đảm bảo làm việc ổn định trong môi trường có độ ẩm cao

Nhờ những biện pháp lựa chọn và xử lý như trên, các sản phẩm của dự án đã làm việc rất ổn định trong môi trường đặc thù của mỏ than hầm lò Việt Nam và được người sử dụng đánh giá cao Nhiều thiết bị hoạt động liên tục hàng năm trong hầm lò mà vẫn ổn định

Dự ỏn KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh bỏo khớ mờtan cầm tay dựng cho khai thỏc hầm lũ 25

2.3 Thiết kế mỏy đo khớ mờtan VIELINA-ĐCT.01

2.3.1 Thiết kế phần cứng mỏy đo VIELINA-ĐCT.01

Sau khi đi khảo sỏt chỳng tụi đó nghiờn cứu chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh bỏo khớ mờtan cầm tay, phần cứng của thiết bị được thiết kế theo sơ đồ khối như sau:

ƒ CPU: Thu nhận tớn hiệu từ ADC, xử lớ, đưa ra hiển thị, cảnh bỏo và lưu giữ số liệu đo Vi xử lý đang dựng là loại 8 bit họ 8051

ƒ Phần bỏo hiệu: Dựng cũi chip và đốn Led nhấp nhỏy khi nồng độ CH4 vượt quỏ ngưỡng cho phộp

ƒ Phần nguồn: Cung cấp điện ỏp cho toàn bộ cỏc phần của thiết bị

ADC

Báo hiệu Chuông , đèn

Hiển thị KĐ &

CH Sensor

2.3.2 Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01

Thiết bị đo khí mêtan cầm tay có nhiệm vụ đo nhanh nồng độ khí mêtan có tại vị trí đo rồi đưa ra hiển thị và cảnh báo (khi vượt ngưỡng) Lưu đồ thuật toán của một chu trình làm việc để xây dựng phần mềm cho thiết bị VIELINA-ĐCT.01 như sau:

Hình 11 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo khí mêtan cầm tay

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và đã được hiệu chỉnh, hoàn thiện qua nhiều thế hệ Hiện nay thiết bị đã đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng

C Bắt đầu

Khởi động hệ thống

Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn

Hiển thị giá trị đo Vượt ngưỡng?

Kết thúcK

Đọc và tính giá trị đo từ ADC

Hết báo động? Báo động

Dự ỏn KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh bỏo khớ mờtan cầm tay dựng cho khai thỏc hầm lũ 27

2.4 Thiết kế mỏy đo nhiều thụng số

Mỏy đo VIELINA-ĐCT.02 và VIELINA-ĐCT.03 được thiết kế trờn cơ sở giống nhau cả về phần cứng và phần mềm, nờn để cho gọn bỏo cỏo nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ chỳng tụi xin trỡnh bày gộp thành mỏy đo nhiều thụng số VIELINA-ĐCT.0x

2.4.1 Thiết kế phần cứng mỏy đo nhiều thụng số

Thiết bị được chế tạo với sơ đồ khối tổng quỏt như sau:

Hỡnh 12 Sơ đồ khối tổng quỏt thiết bị

ƒ CPU: Thu nhận tớn hiệu từ ADC, xử lớ, đưa ra hiển thị, cảnh bỏo và lưu giữ số liệu đo Vi xử lý đang dựng là loại 8 bit họ 8051

ƒ Phần bỏo hiệu: Dựng cũi chip và đốn Led nhấp nhỏy khi một trong cỏc thụng số đo vượt quỏ ngưỡng cho phộp

ƒ Phần nguồn: Cung cấp nguồn nuụi cho toàn bộ cỏc phần của thiết bị

MUX& ADC

Báo hiệu Chuông , đèn

Hiển thịKĐ &

CH Sensor 1

KĐ & CH Sensor n

2.4.2 Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số

Thiết bị đo nhiều thông số có nhiệm vụ đo nhanh nồng độ khí mêtan, CO, nhiệt độ tại vị trí đo rồi đưa ra hiển thị và cảnh báo (khi có bất kỳ 1 trong các thông số nào vượt ngưỡng) Lưu đồ thuật toán để xây dựng phần mềm cho thiết bị đo khí mêtan cầm tay như sau:

Hình 13 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo nhiều thông số

Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và đã được hiệu chỉnh, hoàn thiện qua nhiều thế hệ Hiện nay thiết bị đã đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng

C Bắt đầu

Khởi động hệ thống

Kiểm tra mức nguồn nuôi, còi, đèn, sensor các loại

Hiển thị các giá trị đo Có gt vượt ngưỡng ?

EndK

Đọc và tính các giá trị đo từ ADC

Hết báo động? Báo động

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 29

2.5 Thiết kế bộ nạp pin tự động

Các thiết bị sản phẩm của dự án đều dùng nguồn nuôi là pin nạp loại Ni-MH, do đó trước mỗi lần sử dụng đều phải nạp pin Nếu sử dụng bộ nạp thông thường, khi nạp với dòng nạp danh định là: Inạp = C/10 thì thời gian mỗi lần nạp sẽ là 14 giờ, thời gian nạp này là quá dài Để giảm bớt thời gian nạp pin nhưng vẫn phải đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của pin chúng tôi đã phải nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm bộ nạp pin tự động Đến nay chúng tôi đã chế tạo thành công bộ nạp tự động cho pin Ni-MH

~

Hình 14 Sơ đồ khối bộ nạp pin tự động

Nguyên lý làm viêc của bộ nạp pin tự động như sau:

Nguồn điện xoay chiều sẽ được hạ áp và chỉnh lưu ra điện áp 9V để cấp vào mạch nạp Nếu điện áp của pin có giá trị sao cho điện áp lấy mẫu về nằm trong dải từ (1 – 2)V thì mạch nạp làm việc và pin được nạp với dòng nạp lớn (nạp nhanh), còn nếu điện áp lấy mẫu về nằm ngoài dải trên thì pin chỉ được nạp chậm qua điện trở nạp Rn Như vậy tuỳ theo điện áp còn trên pin khi đưa vào nạp mà bộ nạp sẽ tự động điều chỉnh dòng nạp cho pin theo hai chế độ nạp nhanh hay nạp chậm nên thời gian nạp pin giảm và độ bền, tuổi thọ của pin không bị ảnh hưởng Theo thiết kế hiện nay của

So Sánh

Hạ áp và chỉnh lưu

Mạch nạp

Lấy mẫu

VRef 220 V

chúng tôi thì dòng nạp nhanh khoảng 1.1 A , còn dòng nạp chậm khoảng 0.3 A, thời gian nap đầy là từ 4 đến 4.5 giờ

Các linh kiện chính cho bộ nạp pin tự động đều là các linh kiện chuyên dụng và đã được sử dụng thử nghiệm trong thời gian dài cho thấy chất lượng tốt và bộ nạp hoạt động đúng theo ý đồ thiết kế

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 31

CHƯƠNG III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Chương này trình bày kỹ về các kết quả đã đạt được trong thời gian thực hiện dự án: về các sản phẩm, các quy trình công nghệ

Sau hơn hai năm thực hiện dự án chúng tôi đã đạt được một số kết quả sau

3.1 Về sản phẩm dự án

Các sản phẩm của chúng tôi đều đã trải qua nhiều thế hệ cả về vỏ ngoài lẫn mạch phần cứng và phần mềm Sau đây là cụ thể các sản phẩm

3.1.1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01

Thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT.01 đã được chúng tôi thiết kế và hiệu chỉnh qua nhiều thế hệ, sau đây là một số hình ảnh các sản phẩm cụ thể:

Hình 17 Sản phấm thế hệ thứ nhất

Thế hệ thứ nhất là dùng vỏ của máy đo cũ do Nga chế tạo (mượn của công ty than Mông Dương), đây là sản phẩm sơ khai (ADC dùng loại 8 bit, sensor chưa có vỏ kim loại xốp bên ngoài,…)

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò 33

Hình 18 Sản phẩm thế hệ thứ 2

Hình 19 Sản phẩm thế hệ đang sử dụng

• Tính năng của thiết bị đã thiết kế được

− Dải đo CH4: (0 - 5)%

− Sai số: 0,1% trong dải đo (0 – 2)% và 0,2% với dải đo còn lại − Báo động: Dùng còi và đèn nháy

− Thời gian khởi động: 20 s

− Nguồn nuôi: Dùng pin nạp loại Ni-MH: 4,8Vx3700 mAh − Thời gian sử dụng liên tục sau mỗi lần nạp: 12h

− Nhiệt độ làm việc: 0oC ÷ +50oC

− Làm việc được với độ ẩm tương đối: tới 98%

Nồng độ khí CH4 đo về, sau khi xử lí, được đưa ra hiển thị bằng LED 7 thanh

dưới dạng: x.xx% (Vol.) theo quy định TCVN Nếu nồng độ vượt quá mức

ngưỡng quy định (1%) thì sẽ có báo động bằng còi và đèn nhấp nháy Khi nồng độ vượt quá dải đo sẽ hiện lên thông báo OVE (quá dải)

• Về thủ tục pháp lý

Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 đã được Trung tâm An toàn Mỏ kiểm định và cấp giấy chứng nhận đạt tiêu chuẩn an toàn tia lửa TCVN-7079 (TCVN 7079-0 và 7079-11) Thiết bị đã được Cục Kỹ thuật an toàn Công nghiệp - Bộ Công nghiệp cho phép sử dụng trong hầm lò có khí bụi nổ (xem các tài liệu này trong phần phụ lục)

Thiết bị VIELINA-ĐCT.01 cũng đã được đăng ký sở hữu trí tuệ: Đăng ký giải pháp hữu ích và đăng ký kiểu dáng công nghiệp (xem phụ lục)

• Số lượng sản xuất

Trong quá trình thực hiện dự án chúng tôi đã chế tạo được 320 chiếc máy đo VIELINA-ĐCT.01 và hiện đã bán chính thức (bàn giao xong) được 230 chiếc trong 7 hợp đồng kinh tế với tổng trị giá gần 3 tỉ đồng

Hiện nay đang chuẩn bị ký hợp đồng tiếp với một số công ty khai thác than hầm lò trong TKV như: Công ty than Quang Hanh, Nam Mẫu, Hồng Thái, Thống Nhất, … Theo dự kiến đến hết năm 2006 sẽ ký thêm được các hợp đồng bán khoảng 100 chiếc nữa nên hiện nay chúng tôi đã phải chuẩn bị trước một số vỏ cũng như các vật tư linh kiện chính (mạch in, IC nguồn, …) để sẵn sàng khi có hợp đồng chính thức là giao hàng ngay