CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Trong thực tế, nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas trong đời sống hằng ngày rất phổ biến, do đó sự cố xảy ra khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên yêu cầu cấp thiết hiện nay khi sử dụng khí gas hiện nay là làm sao giảm được các sự cố không đáng có khi đang sử dụng. Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên sử dụng khí gas an toàn để hạn chế sự cố bằng cách: kiểm tra dây dẫn nối bình gas với bếp thường xuyên, khóa gas sau khi nấu ăn, chú ý đến bếp gas trong quá trình nấu ăn, không dùng bình gas, bếp gas cũ, chất lượng kém 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 trong việc phát hiện ra khí gas bị rò rỉ khi sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện, giá cả hợp lý, độ nhạy với khí gas thì mạch cảnh báo khí gas là sự lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng về các thiết bị lắp đặt, phát hiện rò rỉ khi sử dụng khí gas này. Nội dung chính của đề tài đó là khi phát hiện có khí gas mạch sẽ kích hoạt còi hú và đèn LED cảnh báo thu hút sự chú ý cho người trong nhà biết được khí gas đang bị rò rỉ để khắc phục và bật quạt hút thông qua việc đóng ngắt relay trong trường hợp phòng kín không có ai giảm thiểu 1 phần rủi ro cháy nổ.2 Lý do chọn đề tài 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 rỉ khí gas.
Trong điều kiện nhiệt độ phòng khí gas bốc hơi rất mãnh liệt, chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Tỉ trọng của khí gas lỏng nhẹ hơn nước, khối lượng riêng trong khoảng DL (tỉ trọng riêng) = 0.575 Kg/lít, tỉ trọng gas hơi nặng hơn không khí DH (Tỉ trọng so với không khí) = 1. [1] 9 Vì các đặc tính trên của khí gas cho nên khi bị rò rỉ ra môi trường sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng, nếu bình gas trong phòng kín. Khí gas bị rò rỉ ra ngoài hơi gas lan truyền, dâng từ dưới lên trên (vì nặng hơn không khí) chiếm chỗ, đẩy dần không khí ra ngoài, gây ngạt và làm giảm nồng độ oxy trong không khí dẫn đến nạn nhân tử vong.
Nếu khí gas bị rò rỉ ra môi trường gặp lửa tia lửa điện sẽ gây cháy nổ rất nguy hiểm cho người sử dụng. Nhận thấy rằng ý tưởng này có tính thực tế rất lớn cho nên nhóm đã chọn đề tài “Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas” cho đồ án môn học này.3 Mục tiêu đề tài Để cảnh báo và làm giảm thiệt hại xuống mức thấp nhất, “ Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas ” sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùng khi phát hiện có sự rò rỉ khí gas ra ngoài, giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại đề phòng những chuyện không mong muốn xảy ra. Sản phẩm của ý tưởng này giúp nhận biết khí gas bị rò rỉ một cách dễ dàng, mạch này có kết cấu đơn giản, giá thành hợp lý. Ngoài để cảnh báo ra, nhóm còn có mục tiêu là trọng tâm vào tính thực tế của mạch thành phẩm, mục đích là được sử dụng phổ thông trong các hộ gia đình, phòng trọ, đặc biệt là chung cư mini nơi đã có nhiều vụ cháy thương tâm xảy ra trong một vài năm gần đây.4 Lịch sử vấn đề Đề tài mạch cảnh báo rò rỉ khí gas đã có nhiều tác giả trong và ngoài nước thực hiện nghiên cứu.
Các công trình tập trung vào phát triển các mạch cảnh báo rò rỉ khí gas sử dụng cảm biến khí gas. Tuy nhiên, vẫn còn vấn đề thách thức các loại khí gas khác nhau và đảm bảo tính chính xác của hệ thống.Vấn đề còn tồn tại đó là cần nghiên cứu để phát triển các mạch cảnh báo có khả năng phát hiện nhiều khí gas không chỉ giới hạn ở loại cụ thể. Đề tài cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế mạch cảnh báo để đảm bảo tính hiệu quả và chi phí hợp lý. Thực hiện kiểm tra thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong điều kiện thực tế.
10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối chung Hình 2. Sơ đồ khối Thiết kế ba khối chính cho mạch: khối nguồn, khối cảm biến và khối báo động. Khối nguồn được cung cấp nguồn 5V cho hoạt động của mạch. Khối nguồn tiếp tục cung cấp điện áp cho ba khối còn lại.
Khối cảm biến hoạt động làm nhiệm vụ phát hiện khí gas trong không khí, đo lường và chuyển đổi thành thông tin truyền đến khối xử lý. Khối xử lý nhận mức thông tin từ khối cảm biến và xử lý đưa ra tín hiệu điều khiển đến khối cảnh báo. Khối cảnh báo sau khi nhận được thông tin sẽ kích hoạt báo động, và đây là mục đích nhóm muốn đạt đến.2 Sơ đồ nguyên lý 11 Từ sơ đồ nguyên lí, khối nguồn là 1 nguồn adapter 5V. Khối xử lí là một IC so sánh LM311 có 1 opamp, so sánh điện áp và đưa ra mức cao thấp theo ý muốn.
Khối cảnh báo gồm có đèn, còi và một relay báo động và khếch tán khí gas. Điện áp từ một chân B cảm biến đc nối đến chân 3 (V-) của IC và một điện áp tham chiếu đc gắn nối đến chân 2 (V+). Hai mức điện áp đặt ở hai chân sau đó so sánh và OUTPUT tại chân số 7 sẽ gắn với khối cảnh báo.3 Khối nguồn Từ Datasheet các linh kiện điện tử trong mạch đều hoạt động ổn định ở mức điện áp 5V và dựa vào tính thực tế của mạch đó là mạch cần hoạt động 24/24 cho nên nhóm quyết định lựa chọn nguồn Adapter chuyển đổi từ 220V thành 5V cho hoạt động của mạch. Adapter Để xác định trạng thái hoạt động của mạch điện là một phần quan trọng của quá trình sử dụng và bảo trì.
Nhóm đã lựa chọn một LED 3mm để thể hiện trạng thái hoạt động của mạch. Với thông số kỹ thuật như sau: Đường kính 3mm Điện áp tham chiếu: 1,8V-2,2V Công suất: 0,06Wat Hình 2. LED 3mm 12 Với nguồn được chọn là adapter 5V, dựa vào datasheet của LED 3mm ta có được công suất tiêu thụ của LED rơi vào khoảng 0,06W từ đó ta tính được dòng điện đi qua P 0 ⋅106 LED như sau: I led = = = 0,012 (A). Tiếp theo, ta tính được điện trở để bảo vệ đèn V 5 v - v led 5 - 2.
Tuy nhiên trong thực tế không có sẵn trở 233Ω để ta ⊥led lựa chọn và vì muốn tối ưu hiệu suất hiển thị của đèn cho nên nhóm quyết định lựa chọn cho LED một trở có giá trị là 220Ω.4 Khối cảm biến 2.1 Giới thiệu Hình 2. Cảm biến khí gas MQ-2 Cảm biến khí gas MQ-2, nó là một cảm biến MOS (Metal Oxide Semiconductor). Cảm biến oxit kim loại hay còn được gọi là (điện trở hóa trị) vì cảm biến dựa trên sự thay 13 đổi điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với khí. Ở ý tưởng thiết kế này, nhóm nhóm lựa chọn cảm biến MQ-2 vì nó tối ưu chức năng nhất trong các loại cảm biến khí.
So với các loại cảm biến khác thì MQ-2 được cấu tạo đặc biệt để nhận biết được propane(C3H8) và butan(C4H10) đây là hai thành phần chính trong khí gas, các chất xúc tác có trong lõi cảm biến cx được pha tạp khác với các loại còn lại, vậy nên MQ-2 là lựa chọn tối ưu nhất, nhạy khí gas nhất trong các loại còn lại. Như đã nói ở trên, cảm biến MQ-2 đo lường các biến đổi điện trở này và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Analog tại chân B. Nồng độ khí gas thường được đo bằng đơn vị PPM (Parts Per Million). PPM là một đơn vị để đo mật độ đối với thể tích hoặc khối lượng cực kỳ thấp.
Công thức tính ppm như sau: 1 1PPM = = 0.000 [2] Thông số kỹ thuật: Phạm vi phát hiện: 300 ~ 10000ppmm Độ nhạy: R trong không khí / khí đặc trưng của Rin ≥ 5 Thời gian đáp ứng: ≤ 10 giây Thời gian khôi phục: ≤ 30 giây Trở kháng nhiệt: 31Ω ± 3Ω Dòng điện: ≤ 180m Điện áp làm nóng: 5.2V Công suất làm nóng: ≤ 900mW Điện áp đo: ≤ 24 VDC Điều kiện làm việc: + Nhiệt độ: -20 độ C ~ +55 độ C + Độ ẩm: ≤ 95% RH 14 + Oxy môi trường: 21% 2.2 Cấu tạo Hình 2. Cấu tạo bên ngoài cảm biến MQ-2 Bên ngoài, cảm biến MQ-2 được bao phủ bởi hai lớp lưới thép không gỉ mịn được gọi là “anti-explosion network”. Nó đảm bảo các bộ phận làm nóng bên trong cảm biến không gây nổ vì đang cảm nhận các khí dễ gây cháy, ngoài ra, nó còn bảo vệ cảm biến và lọc các hạt bụi. Một vòng kẹp (Clamp Ring) được mạ đồng cố định phần lưới vào phần còn lại của cảm biến.
Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2 Bên trong, cảm biến sẽ có sáu chân và có cấu trúc hình ngôi sao. Hai chân (H) có nhiệm vụ làm nóng bộ phận cảm biến và được liên kết với nhau bằng một sợi dây Niken- Crom. 15 Bốn dây còn lại (A và B) có nhiệm vụ truyền tín hiệu, được kết nối bằng dây bạch kim. Các dây này được nối với phần thân của cảm biến và truyền những tín hiệu khi dòng điện trong cảm biến có sự thay đổi.
Lõi ống bên trong cảm biến Hình ống ở giữa (sensing element) của cảm biến được làm bằng gốm dựa trên Oxit nhôm (AL2O3) giúp duy trì quá trình làm nóng của lớp cảm biến và phủ thêm một lớp Thiếc Dioxide (SnO2) là vật liệu quan trọng vì nó nhạy cảm với khí dễ cháy. Electrode line (connecting legs) được làm từ bạch kim vì khi hoạt động phần tử cảm biến tạo ra một dòng điện rất nhỏ nên dây dẫn được làm từ bạch kim giúp các electron di chuyển một cách hiệu quả.3 Nguyên lý hoạt động Hình 2. Nguyên lý hoạt động của MQ-2 Khả năng phát hiện của cảm biến khí gas MQ-2 phụ thuộc vào chemiresister (điện trở hóa trị) để dẫn dòng điện.