Đặt vấn đề Trong cuộc sống hiện nay, khí gas là nguồn nhiên liệu rất phổ biến phục vụ cho đời sống con người, bởi nó rất hữu ích giúp chúng ta ở nhiều lĩnh vực trong đời sống như: công nghiệp, dân dụng, thương mại, giao thông vận tải… Bên cạnh sự tiện lợi của khí gas thì một vấn đề khác cũng được quan tâm đó là vấn đề về an toàn khi sử dụng khí gas. Khi con người tiếp xúc với khí gas quá nồng độ cho phép trong một thời gian dài thì rất dễ bị ngộ độc và có thể nguy hiểm đến tính mạng. Không những thế, khí gas bị rò rỉ vào trong không khí có thể dễ dàng bắt lửa và gây cháy nổ, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sự an toàn của người và tài sản. Theo Cục Cảnh sát phòng cháy, chữa cháy (PCCC) và cứu nạn, cứu hộ – Bộ Công an, thì chỉ trong 3 tháng của đầu năm 2021, toàn quốc đã xảy ra tổng cộng 627 vụ cháy nhà dân (chiếm 57% số vụ cháy trong năm 2020), và một trong những nguyên nhân trực tiếp dẫn đến gây cháy là do sơ suất, bất cẩn khi sử dụng lửa, nhiệt, và đặc biệt là sử dụng gas [1].
Ngày nay, nếu gia đình nào dùng bếp gas để nấu ăn đều có ít nhất một bình gas (loại 12kg), với các nhà hàng và quán ăn thì số lượng bình gas có thể sẽ nhiều hơn. Chính các bình gas nói trên đều có thể trở thành hiểm họa cháy, hầu hết các vụ nổ khí gas là do rò rỉ khí mà không được phát hiện trong quá trình rò. Vì vậy, hệ thống phát hiện khí gas là vô cùng quan trọng. Mục đích của hệ thống là để phát hiện khí rò rỉ, vô hiệu hóa nó và ngăn chặn vụ nổ.
Từ đó ta thấy vấn đề phát hiện và xử lí sự cố rò rỉ gas là một vấn đề hết sức cần thiết. Xuất phát từ tình hình thực tế và để hạn chế những vụ việc đáng tiếc xảy ra, em xin chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas” làm đề tài tốt nghiệp cho mình. Thiết bị mà em thiết kế thì có khả năng tự động giám sát nồng độ của khí gas, mức năng lượng của thiết bị cũng như gửi cảnh báo, xử lí sự cố khi có khí gas bị rò rỉ. Mục tiêu Với đề tài là thiết kế một hệ thống mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas, thì hiện nay các mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas trên thế giới thường sẽ có những chức năng như: Tự động thu thập dữ liệu khí gas ở xung quanh nút cảm biến, truyền và lưu trữ dữ liệu lên webserver, cảnh báo năng lượng của các nút cảm biến (khi sử dụng pin), khi nồng độ khí gas vượt qua ngưỡng cho phép thì sẽ khởi động thêm các dịch vụ: 1 − Còi và đèn cảnh báo − Hệ thống dập tắt phản ứng − Hệ thống cách ly − Hệ thống chống cháy − Thiết bị ngắt − Dịch vụ khẩn cấp và gửi tin nhắn cho người quản lý Về cấu tạo của hệ thống thì hệ thống mạng cảm biến đo và cảnh báo rò rỉ khí gas trên thế giới thường được chia làm ba phần: − Phần thứ nhất là đầu dò khí − Phần thứ hai là bộ xử lý trung tâm − Phần thứ ba là thiết bị cảnh báo và bảo vệ Với nhân lực gồm 2 thành viên, trong thời gian 15 tuần nhóm em đã nghiên cứu, đặt ra các mục tiêu, từ đó phân công từng thành viên thực hiện các công việc cụ thể.
Nội dung phân công công việc được tổng hợp trong bảng: 2 Bảng 1.1 Phân công công việc của từng thành viên Tên MSSV Công việc Nguyễn Quang Huy 20173959 − Tìm hiểu sơ lược về khí gas và các phương pháp đo khí gas − Tìm hiểu về cảm biến khí gas MQx. Lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu đặt ra đối với một nút đo khí gas − Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống hai nút đo khí gas có các chức năng: đo nồng độ khí gas, phát hiện và cảnh báo bằng đèn, còi trong trường nồng độ lớn hơn ngưỡng cho phép, gửi kết quả đo lên nút trạm, đo và cảnh báo mức năng lượng pin, đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường sử dụng cảm biến DHT11 − Lập trình cho Node: viết sơ đồ thuật toán, viết chương trình đọc và tính nồng độ khí gas, viết chương trình đọc nhiệt độ và độ ẩm bằng cảm biến DHT11. − Lập trình cho trạm. − Lập trình webserver và cơ sở dữ liệu.
− Mô phỏng mạch nguyên lí bằng Proteus, thiết kế mạch in, tiến hành thực nghiệm các kết quả đạt được − Viết báo cáo. Chu Văn Tình 20181785 − Tìm hiểu về hệ thống cảnh báo rò rỉ gas, mạng truyền thông không dây, chuẩn truyền không dây. − Tính toán, lựa chọn linh kiện cho trạm thu thập số liệu khí gas. − Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lí cho Trạm.
− Lập trình cho Node: Tính thời gian sống cho Node, tính mức năng lượng pin còn lại. − Tìm hướng hiệu chỉnh cảm biến MQ5 khỏi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. − Mô phỏng mạch nguyên lí bằng Proteus, thiết kế mạch in, tiến hành thực nghiệm các kết quả đạt được − Viết báo cáo. CƠ SỞ LÍ THUYẾT Sơ lược về khí gas Khí gas hay còn được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG – Liquified Petroleum Gas) là một hỗn hợp khí hydrocarbon, khí gas có hai thành phần chính là Propan có công thức hóa học là (𝐶3 𝐻8 ) và Butan có công thức hóa học là (𝐶4 𝐻10 ).
Hai thành phần chính đó thì chiếm ít nhất 95% khối lượng. Tại Việt Nam, thì tỷ lệ Propan (𝐶3 𝐻8 ) và Butan (𝐶4 𝐻10 ) trong khí gas dân dụng và công nghiệp thường từ 20:80 đến 30:70. Với tỷ lệ này, hiệu suất đốt cháy sẽ được tối ưu để tiết kiệm gas nhưng vẫn đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng đáp ứng nhu cầu sử dụng. Xét về tỷ trọng, thì ở thể lỏng tỷ trọng của Butane lỏng bằng 0,575 và tỷ trọng của Propane lỏng bằng 0,510.
Như vậy, tỷ trọng của LPG ở thể lỏng xấp xỉ bằng một nửa tỷ trọng của nước. Ở thể hơi thì tỷ trọng của Butane hơi bằng 2,01 và Propane hơi bằng 1,52. Như vậy, ở thể hơi tỷ trọng của LPG gần gấp 2 lần tỷ trọng của không khí. Do đó, gas bị rò rỉ thoát ra ngoài sẽ lan truyền sát mặt đất và tích tụ ở những nơi trũng, kín gió hoặc hang hốc như kho chứa, bếp [2]… Khí gas có nhiệt độ khi cháy rất cao, khoảng từ 19000 𝐶 – 19500 𝐶.
Với nhiệt độ này, nó có khả năng đốt cháy và nung nóng hầu hết các chất. Gas cũng là loại nhiên liệu dễ cháy, nếu bị rò rỉ, vận tốc bay hơi rất nhanh, chúng dễ dàng khuếch tán và hòa trộn vào không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ. Các ảnh hưởng của LPG với sức khỏe [3]: − Ở nồng độ thấp dưới 0,1% khí LPG không phải là chất độc hại. − Ở nồng độ dưới 1% LPG không gây ra triệu chứng đặc biệt nào.
− Nồng độ LPG cho phép làm việc lâu dài là 0,25% − Nồng độ khí LPG trên 1% có thể gây ra choáng nhẹ sau vài phút, tuy nhiên không gây kích thích rõ rệt lên mũi và họng. − LPG là chất gây ngạt. Nồng độ LPG quá cao có thể chiếm chỗ của Oxy trong không khí và gây ngạt. Các giới hạn cháy nổ của khí Gas: Quá trình cháy nổ cần phải có 03 yếu tố tham gia: Nhiên liệu cháy, khí Oxy (𝑂2 ) và nguồn tạo lửa.
Mỗi loại khí gas cháy nổ chỉ bốc cháy ở một dải giới hạn nồng độ nhất định trong tỉ lệ pha trộn giữa khí gas và không khí. Nếu nằm ngoài dải giới hạn cháy nổ cũng không sinh ra cháy nổ, vì vậy mà khí gas cháy nổ thường có giới hạn cháy nổ dưới (%LEL) và giới hạn cháy nổ trên (%UEL) Cụ thể nồng độ tối thiểu của một loại khí hoặc hơi dễ cháy đặc biệt cần thiết để hỗ trợ quá trình đốt cháy của nó trong không khí được xác định là giới hạn nổ 4 dưới (LEL) của khí đó, dưới mức này hỗn hợp quá ít để đốt cháy. Nồng độ tối đa của khí hay hơi để cháy trong không khí được xác định là giới hạn nổ trên (UEL). Trên mức này hỗn hợp quá đậm đặc để đốt cháy.1 Giới hạn cháy nổ của chất gas Một trong những yêu cầu để vào không gian hạn chế là phép đo các khí dễ cháy.
Trước khi vào không gian hạn chế, mức độ khí dễ cháy phải là dưới %10 LEL. Với khí Gas là hỗn hợp chủ yếu của Propan (𝐶3 𝐻8 ) và Butan (𝐶4 𝐻10 ), LEL của hai khí này lần lượt là 2. Như vậy nồng độ khí gas để các thiết bị phát cảnh báo là 0. Các phương pháp và nguyên lí đo khí Gas Khí gas được sử dụng phổ biến trong đời sống hiện nay và có ích trong nhiều lĩnh vực, nhưng nó cũng đi kèm với các nguy cơ cháy nổ và ảnh hưởng tới sức khỏe của con người.
Vì vậy, các phương pháp đo khí gas đã được tìm hiểu và phát triển. Mỗi phương pháp có ưu điển và nhược điểm khác nhau, tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng để lựa chọn phương pháp đo hợp lý. Theo tìm hiểu của em, có năm phương pháp đo khí gas được sử dụng phổ biến là: phương pháp điện hóa, phương pháp đốt xút tác, phương pháp hồng ngoại, phương pháp quang hóa, phương pháp dùng chất bán dẫn. Điện hóa Phương pháp này đo nồng độ khí gas bằng cách cho dòng khí khuếch tán xuyên qua một màng xốp đến một điện cực nơi nó bị khử hoặc bị oxi hóa tạo ra dòng điện, dòng điện này tuyến tính với nồng độ khí.
Hầu hết các thiết bị đo sử dụng phương pháp này có giá trị đầu ra là ampe [4].2 Cấu tạo điển hình của thiết bị đo khí gas sử dụng phương pháp điện hóa Nguyên lí đo: Các phân tử khí mục tiêu tiếp xúc với cảm biến trước tiên sẽ đi qua một màng chống ngưng tụ, màng này cũng đóng vai trò bảo vệ chống bụi. Sau đó, các phân tử khí khuếch tán qua mao quản, có khả năng qua bộ lọc tiếp theo, rồi qua màng kỵ nước để đến cấu trúc bề mặt của điện cực cảm biến. Ở đó, các phân tử ngay lập tức bị oxy hóa hoặc khử tại các vị trí xúc tác hoạt động, do đó tạo ra hoặc tiêu thụ các điện tử, và do đó tạo ra dòng điện.