Thiết bị cảm biến đo lường truyền thông công nghiệp và ứng dụng vào việc giám sát, điều hành quá trình sản xuất

Chia sẻ: Hoang Dung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

211
lượt xem 64
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kỹ thuật cảm biến đã có từ rất lâu, cho đến ngày nay nó càng ngày càng phát triển và hoàn thiện. Trong các hệ thống tự động điều khiển, các hệ thống thông tin đo lường, các hệ thống cảnh báo giám sát … đều không thể thiếu các thiết bị cảm biến. Trong các hệ thống này bộ cảm biến thường dùng để biến đổi một đại lượng không điện thành đại lượng điện để dễ dàng đo, kiểm tra và giám sát....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Thiết bị cảm biến đo lường truyền thông công nghiệp và ứng dụng vào việc giám sát, điều hành quá trình sản xuất

BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ Thiết bị cảm biến đo lường truyền thông công nghiệp và ứng dụng vào việc giám sát, điều hành quá trình sản xuất GV. TS. Bùi Đình Thanh Bộ môn Điện khí hóa- trường ĐH Mỏ địa chất 1. Các khái niệm cơ bản về cảm biến Kỹ thuật cảm biến đã có từ rất lâu, cho đến ngày nay nó càng ngày càng phát tri ển và hoàn thiện. Trong các hệ thống tự động điều khiển, các hệ thống thông tin đo l ường, các hệ thống cảnh báo giám sát … đều không thể thiếu các thiết bị cảm biến. Trong các hệ thống này bộ cảm biến thường dùng để biến đổi một đại lượng không điện thành đại lượng điện để dễ dàng đo, kiểm tra và giám sát. 1.1. Chuyển đổi đo lường Là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với 1 đ ộ chính xác nhất định. Như vậy chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ 1 đại lượng vật lý này sang 1 đại lượng vật lý khác. Mối quan hệ hàm giữa chúng có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến. Tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi đo lường tuyến tính nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo. Thông thường tín hiệu vào của các chuyển đổi đo lường là các đại lượng không điện và đầu ra của nó là đại lượng điện. Đa số các chuyển đổi đều dựa trên các hiệu ứng vật lý. Ví dụ như: hiệu ứng nhiệt điện; quang điện; hóa điện; cộng hưởng từ hạt nhân … vì vậy mà độ chính xác, độ nhạy, tính tác động nhanh của các chuyển đổi đo lường không chỉ phụ thuộc vào các thành tựu khoa học mà còn phụ thuộc vào công nghệ chế tạo chúng. 1.2. Cảm biến Khi chuyển đổi đo lường được đặt trong một vỏ có kích thước và hình dáng khác nhau phù hợp với vị trí đặt của điểm đo thì được gọi là cảm biến (sensor, đ ầu đo hay dattrik). Ví dụ: cảm biến nhiệt độ bao gồm chuyển đổi cặp nhiệt bên trong, bao bọc bên ngoài là ống kim loại được cách điện với chuyển đổi bởi các vật liệu cách điện và cách nhiệt. 1
1.3. Sai số của cảm biến Có 2 loại sai số của cảm biến: - Sai số cơ bản của cảm biến là sai số gây ra do nguyên lý của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo. - Sai số phụ của cảm biến là sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn. Để nâng cao độ chính xác của phép đo hay dụng cụ đo người ta cố gắng nâng cao độ chính xác của các cảm biến vì đây chính là khâu cơ bản trong thiết bị đo. 1.4. Độ nhạy của cảm biến Độ nhạy của cảm biến được xác định theo biểu thức: dY ∆Y k= ≈ dX ∆X trong đó: ∆X - độ biến thiên của đại lượng (tín hiệu) đầu vào; ∆Y - độ biến thiên của đại lượng (tín hiệu) đầu ra; Khi độ nhạy của cảm biến càng cao thì cảm biến càng có khả năng bắt nhạy với những biến động nhỏ của mạch tín hiệu. 1.5. Phân loại cảm biến Có nhiều cách phân loại cảm biến, ta xét một số trường hợp cụ thể sau. a) phân loại theo nguyên lý của chuyển đổi + Cảm biến điện trở: sự thay đổi của đại lượng không điện cần đo tỷ lệ với giá trị điện trở của cảm biến. + Cảm biến điện từ: là cảm biến làm việc theo nguyên lý về lực điện từ. Đại lượng không điện X làm thay đổi các thông số của mạch từ: điện cảm L, hỗ cảm M, từ thông Φ …. + Cảm biến tĩnh điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng tĩnh điện. Đại lượng không điện X làm thay đổi điện dung C hay điện tích của nó. + Cảm biến hóa điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng hóa điện. Đ ại lượng không điện X làm thay đổi điện dẫn Y, sức điện động hóa điện ... + Cảm biến nhiệt điện: là cảm biến làm việc dựa trên các hiện tượng nhiệt điện. Đại lượng không điện X làm thay đổi sức điện động nhiệt điện hay điện trở của nó. 2
+ Cảm biến điện tử và ion: là cảm biến có chuyển đổi, dưới tác dụng c ủa đ ại lượng không điện làm thay đổi dòng điện tử hay dòng ion của nó. + Cảm biến lượng tử: là cảm biến dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân hay công hưởng từ điện tử. b) phân loại theo tính chất nguồn + Cảm biến phát điện: là loại cảm biến có đại lượng ra là điện áp U, sức điện động E, dòng điện I. Còn đại lượng đầu vào là các đại lượng không điện cần đo. + Cảm biến thông số: là loại cảm biến có đại lượng ra là các thông số điện như: R, L …. Còn đại lượng đầu vào là các đại lượng không điện cần đo. c) phân loại theo phương pháp đo + Cảm biến có chuyển đổi biến đổi trực tiếp: với loại này đại lượng không điện được trực tiếp biến đổi thành đại lượng điện. + Cảm biến có chuyển đổi bù: đại lượng không điện cần đo X được bù bởi đ ại lượng cùng loại Xb. 2. Các cảm biến đo nhiệt độ Trong tất cả các đại lượng không điện, nhiệt độ là 1 trong số những đ ại l ượng được quan tâm nhiều nhất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Bởi vậy trong nghiên c ứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hằng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết. Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà chúng ta trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này (bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt). Một nguyên tắc đặt ra là: Tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo. Cảm biến nhiệt độ được chia thành các loại như sau: - Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ); 3
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ); - Thermistor; - Bán dẫn ( Diode, IC ,….); - Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế- Pyrometer), dùng hồng ngoại hay lazer. 2.1. Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ). - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu (đầu nóng- cho tiếp xúc với môi trường đo), đầu còn lại được để tự do (đầu lạnh- nối vào mạch đo). - Tầm đo: -100 0C
- Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng (đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị. - Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý ký hiệu đ ể lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng. Hình cặp nhiệt điện 2.2. Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector) - Cấu tạo của RTD: gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD - Nguyên lý làm việc: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 Ώ tại 00C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. - RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Lưu ý khi sử dụng: - Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số. - Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với cặp nhiệt điện (Thermocouple). Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này (hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu) và có thể đo test bằng VOM được. - Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây. 5
Cảm biến dạng RTD 2.3. Thermistor - Cấu tạo: Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột oxit kim loại: mangan, niken … Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất đ ịnh sau đó đ ược nén ch ặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt đ ộ thay đổi. - Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. - Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50 ÷1500C. Cấu tạo Thermistor. - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. - Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. - Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50÷1500C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt. Trong các Block làm lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Lưu ý khi sử dụng: 6
- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( hay được gọi là thường đóng/ thường hở). Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM. - Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. - Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ. - Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. Các loại thermistor thường gặp. 2.4. Cảm biện nhiệt bán dẫn - Cấu tạo: Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. - Nguyên lý: Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. - Ưu điểm: Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…. - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền. - Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. - Tầm đo: -50 ÷1500C. 7
Cấu tạo cảm biến nhiệt bán dẫn - Hiện nay hay sử dụng các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch. IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode - Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”. IC cảm biến nhiệt DS18B20 Lưu ý khi sử dụng: - Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến. - Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài d ải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này đ ể đạt được sự chính xác. 8
- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh. 2.5. Nhiệt kế bức xạ (còn gọi là hỏa kế- pyrometer). - Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được (lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến). - Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo. - Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học. - Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt. - Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo. - Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền. - Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung. - Tầm đo: -54 ÷10000F. Lưu ý khi sử dụng: - Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao. Và vì đặc điểm không tiếp xúc tr ực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh ( góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường ). Các loại hỏa kế 9
3. Các cảm biến đo khí mêtan Trong bầu không khí mỏ hầm lò, khả năng xảy ra cháy nổ khí mêtan sẽ xảy ra khi mà nồng độ của nó nằm trong khoảng từ (5%÷14%). Như vậy cần phải kiểm tra thường xuyên hàm lượng khí mêtan và có biện pháp thông gió để làm sạch bầu không khí trong mỏ. Để đo nồng độ khí mêtan hiện nay người ta phổ biến dùng loại đầu đo hoạt động dựa trên nguyên tắc đốt cháy không ngọn lửa khí mêtan (ôxy hóa) trên bề mặt của phần tử tác dụng xúc tác và việc đo đo nhiệt lượng tỏa ra khi đó (đo đ ốt xúc tác). Cấu t ạo c ủa lo ại cảm biến này được giới thiệu như hình vẽ dưới đây, bao gồm: 1 sợi dây platin cuốn hình lò xo đặt chìm bên trong ôxit nhôm. Hình 3.1. Cấu tạo của cảm biến xúc tác. Cảm biến 1 được lắp vào một nhánh với một phần tử khác không nhạy với chất khí cần phân tích 2 mắc ở nhánh kề với cảm biến (mục đích để bù nhiệt) (hình 3.2). Cả 2 phần tử được đặt trong buồng phản ứng, 2 phần tử này được đốt nóng (trực tiếp hoặc gián tiếp) đến nhiệt độ (450÷800)0C. Hỗn hợp khí phân tích được bơm vào buồng phản ứng, nếu trong hỗn hợp khí cần phân tích có chứa khí mêtan sẽ diễn ra sự ôxy hóa mêtan trên bề mặt dây platin của cảm biến, làm cho nhiệt độ bề mặt nó tăng lên, do đó đi ện tr ở nó cũng tăng lên (số gia điện trở của chuyển đổi tỷ lệ với nồng độ % khí mêtan) làm cho cầu mất cân bằng. Vì vậy chỉ cần xác định được điện trở của cảm biến sẽ xác định được nồng độ khí mêtan. Tùy theo quy mô khai thác và đặc điểm thoát khí của mỏ, cảm biến đ ược bố trí trên luồng gió thải (và có thể cả luồng gió vào của các lò chợ), lò chuẩn bị của cả khu vực khai thác, tại các trạm biến áp di động trong lò. Số lượng cảm biến cần l ắp đặt tùy thuộc vào diện khai thác, công nghệ khai thác, cấp nguy hiểm về khí. 10
Hình 3.2. Cầu đo của cảm biến xúc tác 4. Các cảm biến đo khí CO Để đo nồng độ khí CO sử dụng cảm biến điện – hóa. Cảm biến gồm có 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 hóa giữa dung dịch điện phân với chất khí cần được xác định nồng độ 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 hòa điện tích trong dung dịch và đồng thời nó sẽ có dòng điện do electron tự do của phản ứng ôxi hóa. Xác định được giá trị dòng điện này sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào. Loại cảm biến này thích hợp để đo nồng độ khí CO, H2S … Phương trình phản ứng hóa học diễn ra khi cảm biến làm việc: CO+ H2O→ CO2+ 2H+ + 2e- Tại cực thứ 2 các ion H+ sẽ tác dụng với ôxi 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. 22,4.nCO 22,4.ne %CO = = V V Trong đó: V- thể tích của hỗn hợp khí đưa vào (đã biết) nCO- số phần tử CO ne- số phần tử điện tích tự do. 11
5. Giới thiệu chung về hệ thống cảnh báo mêtan của hãng CARBOAUTOMATYKA, Ba Lan Hiện đang có 2 loại hệ thống của nước ngoài đang được lắp đặt và sử dụng tại Việt Nam đó là hệ thống giám sát của Nhật bản (được lắp đặt tại công ty than Mạo Khê) và hệ thống của Ba Lan được lắp đặt tại 1 số công ty khác của TKV. *) Hệ thống giám sát khí mỏ của Ba Lan do hãng CARBOAUTOMATYKA S.A sản xuất, đây là hãng sản xuất chuyên nghiệp các hệ thống quan trắc, có hơn 70 hệ thống do hãng này sản xuất được sử dụng phổ biến ở Ba Lan. Hệ thống được cấu thành từ các thành phần sau: - Tủ chỉ thị CTT 63/40 UP: có thể kết nối (1÷10) tủ điều khiển trung tâm. Mỗi 1 tủ trung tâm giám sát tối đa 40 kênh đo (hệ thống có thể mở rộng kiểm soát được 400 kênh đo) - Các đầu đo nồng độ khí mê tan CX-1: hoạt động dựa trên nguyên tắc đo đốt xúc tác cho dải đo (0÷5)% và truyền nhiệt cho dải đo (5÷10)%, có hiển thị giá tr ị nồng đ ộ %CH4 tại chỗ. Đầu đo hoạt động độc lập được (3÷6)giờ khi mất nguồn cung cấp nạp cho ắcquy. Khi nồng độ khí mê tan vượt ngưỡng đặt đến mức cảnh báo, thiết bị cảnh báo bằng âm thanh, gửi tín hiệu cảnh báo, điều khiển cắt điện về trung tâm và tới áptomat cắt điện khu vực. - Các bộ biến đổi tín hiệu KX-1. - Các máy điều khiển cắt điện WX-1 cùng bộ phận hòa hợp tiếp điểm an toàn tia lửa IZZO - Cáp nhánh và cáp trục cùng các hộp đấu cáp. Từ cuối những năm 1970 các mỏ than Ba Lan bắt đầu sử dụng hệ thống cảnh báo mê tan theo mẫu thiết kế của Pháp (hệ thống này cũng được sử dụng trong các mỏ hầm lò ở Bỉ, Tây Ban Nha). Qua nhiều năm sử dụng và nghiên cứu hoàn thiện, hệ thống với thành phần, mã hiệu nêu trên đang được sử dụng tại hơn 100 mỏ hầm lò ở Ba Lan. S¬ ®å khèi nguyªn lÝ cña hÖ thèng ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.1. §Çu ®o CX-1 ®îc nèi víi bé biÕn ®æi KX-1 b»ng c¸p nèi riªng. Bé biÕn ®æi ®îc nèi với tñ chØ thÞ CTT63/40UP b»ng c¸p nh¸nh vµ c¸p trôc, ®ång thêi nèi víi m¸y ®iÒu khiÓn c¾t ®iÖn. 12
Máy điều khiển Cáp nhánh WX-1 cắt điện khu vực CTT 63/40 tủ chỉ thị KX-1 CX-1 ngoài mặt Cáp trục bằng Bộ biến đổi Đầu đo CH4 H×nh 5.1: S¬ ®å khèi hÖ thèng c¶nh b¸o mª tan cña h·ng CARBOAUTOMATYKA §Þnh k× 4 phót mét lÇn tñ chØ thÞ göi tÝn hiÖu më kªnh tíi bé biÕn ®æi. Sau khi nhËn ®îc tÝn hiÖu, bé biÕn ®æi míi cÊp nguån cho ®Çu ®o. §Çu ®o ®o nång ®é mª tan råi göi kÕt qu¶ vÒ bé biÕn ®æi. Bé nµy biÕn ®æi tÝn hiÖu ®o tõ d¹ng dßng sang d¹ng tÇn sè råi truyÒn kÕt qu¶ ra tñ chØ thÞ ngoµi mÆt b»ng. Tñ nµy xö lÝ vµ so s¸nh víi ngìng ®· ®Æt cho ®Çu ®o t¹i vÞ trÝ cô thÓ, ®ång thêi ghi kÕt qu¶ ®o diÔn biÕn nång ®é mª tan trªn b¨ng giÊy cña m¸y ghi. Trong trêng hîp gi¸ trÞ ®o ®îc vît ngìng cho phÐp tñ chØ thÞ sÏ ph¸t tÝn hiÖu b¸o ®éng b»ng ©m thanh vµ ®Ìn b¸o, ®ång thêi m¸y ®iÒu khiÓn c¾t ®iÖn nhËn tÝn hiÖu tõ bé biÕn ®æi ®Ó khèng chÕ m¸y c¾t ®iÖn lùc t¹i khu vùc gi¸m s¸t. *) Hệ thống Monitoring do Nhật bản sản xuất theo đơn đặt hang chuyên dùng đ ể giám sát điều kiện môi trường khí trong mỏ, do hãng MATSUSHIMA và 1 số hãng khác sản xuất. Với hệ thống này đầu đo cảnh báo khí mê tan sử dụng nguyên tắc đo quang học, dải đo (0÷2)%, có hiển thị giá trị nồng độ % khí CH4 tại chỗ, cảnh báo bằng âm thanh và ánh sáng, truyền tín hiệu cắt điện khi nồng độ CH4 vượt ngưỡng đặt trước để điều khiển cắt điện khu vực nguy hiểm. *) So sánh ưu nhược điểm của 2 hệ thống. STT Nội dung Hệ thống của Ba Hệ thống của Nhật Lan Bản 1 Các chức năng của hệ thống Tương đương Tương đương 2 Tính mở rộng chức năng của Có Có hệ thống khi mỏ phát triển 3 Các thiết bị cảnh báo chính CH4, CO, CO2, T0 … CH4, CO, CO2, T0 … 4 Hiển thị giá trị đo tại chỗ của Không Có đầu đo tốc độ gió và khí CO 5 Điều kiện môi trường không Có bị ảnh hưởng Có bị ảnh hưởng khí trong lò ảnh hưởng đến 13
thiết bị cảnh báo 6 Độ phức tạp của hệ thống Phức tạp Phức tạp 7 Trình độ nhân viên vận hành và Đòi hỏi trình độ cao, Đòi hỏi trình độ cao, có quản lý có kinh nghiệm công kinh nghiệm công tác ở tác ở mỏ mỏ 8 Kiểm tra phát hiện hư hỏng, Phức tạp Phức tạp sửa chữa hệ thống 9 Chi phí bảo dưỡng sửa chữa, Nhiều Nhiều duy trì hệ thống 10 Chịu ảnh hưởng của môi Nhiều Nhiều trường (sóng điện cảm ứng, sóng sét) 11 Điều kiện áp dụng cho mỏ Phù hợp Phù hợp 12 Vốn đầu tư Lớn Lớn hơn 6. Giới thiệu chung về hệ thống quan trắc tập trung Nhật bản đang áp dụng tại mỏ than Mạo khê 6.1- Sơ đồ tổ chức hoạt động của hệ thống. HÖ thèng quan tr¾c trung t©m vµ hÖ thèng th«ng tin liªn l¹c hÇm lß ®îc biªn chÕ c¸c nh©n viªn vËn hµnh chÞu sù chØ ®¹o trùc tiÕp cña ph©n xëng Th«ng Giã CÊp Cøu Má. Ph©n xëng Th«ng Giã CÊp Cøu Má chÞu sù chØ ®¹o cña phßng Th«ng Giã Má vµ c«ng ty than M¹o Khª. S¬ ®å tæ chøc ho¹t ®éng ®îc thÓ hiÖn trªn h×nh vÏ 6.1. Bé phËn t¹i phßng quan tr¾c gåm c¸c nh©n viªn vËn hµnh hÖ thèng cËp nhËt th«ng tin qua hÖ thèng m¸y tÝnh vµ xö lý th«ng tin. C¸c c¶m biÕn trong lß ph¶i ®îc kiÓm tra vÖ sinh bôi bÈn, kiÓm tra lu lîng giã theo ®Þnh kú hµng tuÇn. T¹i phßng Th«ng giã ®îc ®Æt mét m¸y tÝnh m¹ng nh»m cung cÊp th«ng tin cho c¸c c¸n bé l·nh ®¹o má nh: Gi¸m ®èc, phã gi¸m ®èc… 14
Gi¸m ®èc Phßng th«ng giã má Phßng ®iÒu ® s¶n xuÊt é Ph© xëng th«ng giã cÊp cøu má n Phßng quan tr¾c tËp trung Nh© viªn kiÓm tra trong lß n C¸c ® ® t¹i hiÖn trêng Çu o Hình 6.1. Sơ đồ tổ chức hoạt động của hệ thống 6.3- Các chức năng hệ thống. HÖ thèng quan tr¾c trung t©m lµ mét hÖ thèng theo dâi gi¸m s¸t ®a chøc n¨ng gåm cã: + Gi¸m s¸t hµm lîng cña c¸c lo¹i khÝ b»ng c¸c thiÕt bÞ ®o (sensor). + Theo dâi c¸c lo¹i thiÕt bÞ ho¹t ®éng trong lß. + CËp nhËt b¶n ®å khai th¸c cña c¸c ®¬ng lß ®ang vËn hµnh. + §¶m b¶o th«ng tin liªn l¹c trong hÇm lß. TÊt c¶ c¸c d÷ liÖu thu nhËn sÏ ®îc m¸y tÝnh tèc ®é cao xö lý cho ra kÕt qu¶, lu gi÷ vµ hiÓn thÞ th«ng tin ra mµn h×nh. 6.3- CÊu h×nh hÖ thèng.HÖ thèng quan tr¾c tËp trung NhËt B¶n bao gåm: + Phßng quan tr¾c tËp trung trªn mÆt ®Êt ®îc nèi víi v¨n phßng c«ng ty. C¸c c¶m biÕn khÝ mª tan ®Æt t¹i c¸c khu vùc khai th¸c sÏ th«ng b¸o hµm lîng khÝ mª tan b»ng mµn h×nh hiÓn thÞ sè cho c«ng nh©n ®ang lµm viÖc trong hÇm lß vµ truyÒn sè liÖu vÒ bé biÕn ®æi (Transmister). Bé biÕn ®æi truyÒn tÝn vÒ hÖ thèng m¸y tÝnh t¹i phßng quan tr¾c. Khi cã hµm lîng khÝ mª tan vît gi¸ trÞ cho phÐp th× c¶m biÕn sÏ b¸o ®éng b»ng ©m thanh, ¸nh sÊng ®á vµ truyÒn tÝn hiÖu c¾t ®iÖn tíi bé biÕn ®æi, bé biÕn ®æi sÏ c¾t ®iÖn trong khu vùc cã hµm lîng mª tan vît ngìng quy ®Þnh vµ truyÒn tÝn hiÖu c¾t ®iÖn vÒ m¸y tÝnh t¹i phßng quan tr¾c. + C¸c bé biÕn ®æi thu nhËn th«ng tin tõ c¸c c¶m biÕn khÝ CH4, c¶m biÕn khÝ CO, c¶m biÕn giã, c¶m biÕn khãi, xö lý th«ng tin vµ truyÒn vÒ m¸y tÝnh t¹i phßng 15
quan tr¾c tËp trung vµ ra tÝn hiÖu c¾t ®iÖn c¸c thiÕt bÞ t¹i khu vùc cã nång ®é khÝ vît ngìng quy ®Þnh . + C¸c c¶m biÕn giã ®îc ®Æt t¹i c¸c r·nh giã ®Ó theo dâi lu lîng giã cña toµn má. + C¸c máy cắt (aptomat) AΦB ®Æt ë c¸c khu vùc khai th¸c dïng ®Ó c¾t ®iÖn khi cã hµm lîng khÝ CH4 vît qu¸ giíi h¹n cho phÐp. a- C¸c thiÕt bÞ ®Æt t¹i phßng quan tr¾c tËp trung trªn mÆt b»ng. §©y lµ phÇn trung t©m cña hÖ thèng. T¹i ®©y toµn bé c¸c tÝn hiÖu gi¸m s¸t ®- îc c¸c thiÕt bÞ ®o göi tíi. C¨n cø vµo sè liÖu ®ã ngêi ®iÒu hµnh cã thÓ biÕt ®îc t×nh tr¹ng hµm lîng khÝ mª tan, khÝ « xÝt c¸c bon, sù xuÊt hiÖn khãi, vËn tèc giã vµ t×nh tr¹ng thiÕt bÞ (nÕu cã) ë trong hÇm lß, nh»m sím ph¸t hiÖn sù cè vµ cã ®èi s¸ch kÞp thêi khi cã sù cè x¶y ra. Ngoµi ra hÖ thèng cßn cã kh¶ n¨ng tù ®éng c¾t ®iÖn vµo mét sè thiÕt bÞ t¹i khu vùc ph¸t hiÖn hµm lîng khÝ mª tan vît gi¸ trÞ cho phÐp. C¸c thiÕt bÞ gåm: + Mét m¸y chñ Sever dïng ®Ó nhËn vµ giö c¸c th«ng tin tõ trong lß. C¸c d÷ liÖu ®îc xö lý, lu gi÷ vµ truyÒn tíi c¸c m¸y tÝnh kh¸c th«ng qua m¹ng LAN. ThiÕt bÞ HUB vµ c¸c Modem ADSL, c¸c cÊu h×nh cña c¸c hÖ thèng quan tr¾c còng nh c¸c th«ng sè cña c¸c c¶m biÕn ®îc ®Æt vµ lu gi÷ trªn m¸y chñ, sau ®ã chóng ®îc chuyÓn tíi bé PLC. Trªn m¸y chñ cã thÓ theo dâi ®îc t×nh tr¹ng ho¹t ®éng cña hÖ thèng.+ M¸y tÝnh m¹ng Client dïng ®Ó theo dâi cËp nhËt th«ng tin cña hÖ thèng, b¶n ®å c¸c khu vùc khai th¸c, vÞ trÝ cña c¸c c¶m biÕn trong lß, hµm lîng khÝ CH4, CO, vËn tèc giã t¹i c¸c r·nh giã, khãi t¹i c¸c vÞ trÝ ®Æt c¶m biÕn vµ theo dâi sù ho¹t ®éng cña c¸c c¶m biÕn. + M¸y in mÇu khæ A3 dïng ®Ó in c¸c th«ng tin ra giÊy khi cÇn thiÕt. + Bµn ®iÒu khiÓn PLC dïng ®Ó ®Æt c¸c th«ng sè cho m¸y tÝnh vµ ®iÒu khiÓn c¸c chøc n¨ng cña hÖ thèng.+ Bé nguån lu ®iÖn MCUPS-3k dïng ®Ó cung cÊp nguån ®iÖn 220V cho c¸c thiÕt bÞ trong phßng khi mÊt ®iÖn thêi gian lu ®iÖn lµ 3 giê. b- ThiÕt bÞ t¹i phßng Th«ng Giã . ThiÕt bÞ t¹i phßng Th«ng Giã gåm: + M¸y tÝnh m¹ng Client dïng cho c¸n bé phßng Th«ng Giã theo dâi c¸c ho¹t ®éng cña hÖ thèng mµ kh«ng cÇn ph¶i tíi phßng quan tr¾c trung t©m. m¸y tÝnh nµy 16
chØ cã thÓ theo dâi chø kh«ng thÓ thay ®æi ®îc c¸c th«ng sè trong hÖ thèng. Tõ ®©y c¸c c¸n bé qu¶n lý cã thÓ biÕt ®îc c¸c th«ng sè theo dâi nh t¹i phßng quan tr¾c trung t©m vµ ®iÒu hµnh s¶n xuÊt díi hÇm lß th«ng qua c¸c th«ng tin thu ®îc cña hÖ thèng quan tr¾c vµ hÖ thèng th«ng tin liªn l¹c. + M¸y in mÇu khæ A3 dïng ®Ó in c¸c th«ng tin cÇn thiÕt. + Bé nguån MCUPS-1k dïng ®Ó cung cÊp ®iÖn 220V cho thiÕt bÞ víi thêi gian mÊt ®iÖn trong 3 giê. c- C¸c thiÕt bÞ trong lß. + C¸c bé biÕn ®æi (transmitter) ®îc ®Æt däc theo c¸c ®êng lß xuyªn vØa. C¸c bé biÕn ®æi nµy nhËn tÝn hiÖu tõ c¸c c¶m biÕn (c¶m biÕn CH4, CO, vËn tèc giã, khãi). C¸c bé biÕn ®æi nµy xö lý c¸c lo¹i tÝn hiÖu tríc khi truyÒn vÒ phßng quan tr¾c trung t©m, ®ång thêi göi tÝn hiÖu c¾t ®iÖn c¸c khu vùc mµ t¹i ®ã cã nång ®é khÝ CH4 vît qu¸ gi¸ trÞ ®Æt. Mçi bé biÕn ®æi cã thÓ kiÓm so¸t ®îc 8c¶m biÕn . + C¸c c¶m biÕn lµ c¸c thiÕt bÞ an toµn tia löa, ®îc l¾p ®Æt t¹i c¸c khu cÇn kiÓm so¸t nh: lß chî, lß ®éc ®¹o, b¨ng t¶i, r·nh giã… cã kh¶ n¨ng theo dâi liªn tôc nång ®é khÝ mª tan, oxit cacbon, vËn tèc giã, khãi, chuyÓn c¸c tÝn hiÖu nµy thµnh tÝn hiÖu ®iÖn giö tíi bé biÕn ®æi, hiÓn thÞ c¸c th«ng sè trªn mµn h×nh vµ ph¸t ra tÝn hiÖu b¸o ®éng ©m thanh, ¸nh s¸ng khi hµm lîng khÝ vît qu¸ gi¸ trÞ ®Æt. C¸c c¶m biÕn ®îc cÊp nguån 12V tõ c¸c bé biÕn ®æi, riªng c¶m biÕn khãi ®îc cÊp ®îc cÊp nguån 127V.+ ThiÕt bÞ ®o mª tan (CH4) ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c giao thoa ¸nh s¸ng. §é lÖch cña v¹ch giao thoa phô thuéc vµo hµm lîng khÝ mª tan trong m«i trêng mµ chóng theo dâi (hình 6.2). §é lÖch nµy ®îc biÕn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn hiÓn thÞ ra mµn h×nh vµ truyÒn vÒ bé biÕn ®æi ®Ó ®a tíi phßng quan tr¾c trung t©m. Hµm lîng khÝ mª tan ®o ®îc lu«n lu«n ®îc hiÓn thÞ trªn mµn h×nh. Khi hµm lîng khÝ mª tan vît qu¸ gi¸ trÞ cho phÐp, thiÕt bÞ ®o khÝ mª tan sÏ ph¸t tÝn hiÖu b¸o ®éng b»ng ©m thanh vµ ¸nh s¸ng, th«ng b¸o cho mäi ngêi trong khu vùc biÕt hµm lîng khÝ ®· vît qu¸ gi¸ trÞ cho phÐp vµ ®a ra tÝn hiÖu ®iÖn ®Ó cho bé biÕn ®æi c¾t ®iÖn khu vùc ®ang theo dâi. Tại các khu vực khai thác, c¸c c¶m biÕn đo khí CH4 ®Æt t¹i c¸c däc vØa than c¸ch g¬ng lß b»ng 10m, t¹i vÞ trÝ nµy c¶m biÕn sÏ kiÓm so¸t ®îc nång ®é khÝ xuÊt hiÖn trong than, hoÆc c¸c tói khÝ trong than x× ra khi khai th¸c, khi xuÊt hiÖn b¸o ®éng vît ngìng, ®Ìn ®á s¸ng, cßi kªu, c¸c c¸n bé c«ng nh©n ®ang lµm viÖc trong g¬ng lß sÏ 17
biÕt vµ cã biÖn ph¸p sö lý, vµ ®îc treo cao c¸ch nãc lß tõ 30cm ®Õn 40cm nh»m môc ®Ých tr¸nh ¶nh hëng cña khÝ CO2. H×nh 6.2. C¶m biÕn ®o khÝ CH4 + Cách cài đặt cho các cảm biến CH4: §Æt ngìng c¶nh b¸o khÝ CH4 tuú theo vÞ trÝ ®Æt cô thÓ cña ®Çu ®o cã c¸c ngìng sau (0,5, 0,75, 1, 1,3)%, cã hai ngìng ®Æt c¶nh b¸o: - C¶nh b¸o chÕ ®é nguy hiÓm “fault heave max data”, (trong vïng ®Æt hÖ thèng lµm viÖc b×nh thêng, ngoµi vïng ®Æt hÖ thèng sÏ b¸o ®éng). - C¶nh b¸o chÕ ®é nhÑ “fault heave light data”, (trong vïng ®Æt hÖ thèng lµm viÖc b×nh thêng, ngoµi vïng ®Æt hÖ thèng sÏ b¸o ®éng). 18