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

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 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.
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 độ 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, đầu 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.
1.3. Sai số của cảm biến
Có 2 loại sai số của cảm biến:
1

- 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:
X
Y
dX
dY
k
∆
∆
≈=
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. Đại
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.
+ Cảm biến điện tử và ion: là cảm biến có chuyển đổi, dưới tác dụng của đại 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.
2
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 đại lượng
cùng loại X
b
.
2. Các cảm biến đo nhiệt độ
Trong tất cả các đại lượng không điện, nhiệt độ là 1 trong số những đại lượng 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 cứu 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 );
- 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.
3
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
0
C <1400
0
C
- Ứng dụng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Nguyên lý làm việc: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ
phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt
độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp
nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này

để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, đây chính là nguyên
nhân gây ra độ không chính xác, để giải quyết điều này cần phải bù trừ cho nó (thực hiện
bằng cách offset ngay trên bộ điều khiển).
Lưu ý khi sử dụng:
- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này không nên nối thêm dây (vì tín
hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều).
- 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 để lắp
đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.
4
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 0
0
C. 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.
Cảm biến dạng RTD
2.3. Thermistor
5
- 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 định sau đó được nén chặt và
nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ 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 ÷150
0
C.
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÷150
0
C 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:
- 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.
6

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 ÷150
0
C.
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.
7
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 dải này
cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được
sự chính xác.
- 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 ÷1000
0
F.
8
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 trực 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 đốt xúc tác). Cấu tạo của loại 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)
0
C. 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 điện trở 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 được 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 lắp 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, H

2
S …
Phương trình phản ứng hóa học diễn ra khi cảm biến làm việc:
CO+ H
2
O→ CO
2
+ 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.
V
n
V
n
CO
eCO
.4,22.4,22
% ==
Trong đó: V- thể tích của hỗn hợp khí đưa vào (đã biết)
n
CO
- số phần tử CO
n
e
- số phần tử điện tích tự do.
11

5. Gii thiu chung v h thng cnh bỏo mờtan ca hóng
CARBOAUTOMATYKA, Ba Lan
Hin ang cú 2 loi h thng ca nc ngoi ang c lp t v s dng ti Vit
Nam ú l h thng giỏm sỏt ca Nht bn (c lp t ti cụng ty than Mo Khờ) v h
thng ca Ba Lan c lp t ti 1 s cụng ty khỏc ca TKV.
*) H thng giỏm sỏt khớ m ca Ba Lan do hóng CARBOAUTOMATYKA S.A sn
xut, õy l hóng sn xut chuyờn nghip cỏc h thng quan trc, cú hn 70 h thng do
hóng ny sn xut c s dng ph bin Ba Lan.
H thng c cu thnh t cỏc thnh phn sau:
- T ch th CTT 63/40 UP: cú th kt ni (1ữ10) t iu khin trung tõm. Mi 1 t
trung tõm giỏm sỏt ti a 40 kờnh o (h thng cú th m rng kim soỏt c 400 kờnh o)
- Cỏc u o nng khớ mờ tan CX-1: hot ng da trờn nguyờn tc o t xỳc tỏc
cho di o (0ữ5)% v truyn nhit cho di o (5ữ10)%, cú hin th giỏ tr nng %CH4 ti
ch. u o hot ng c lp c (3ữ6)gi khi mt ngun cung cp np cho cquy. Khi
nng khớ mờ tan vt ngng t n mc cnh bỏo, thit b cnh bỏo bng õm thanh, gi
tớn hiu cnh bỏo, iu khin ct in v trung tõm v ti ỏptomat ct in khu vc.
- Cỏc b bin i tớn hiu KX-1.
- Cỏc mỏy iu khin ct in WX-1 cựng b phn hũa hp tip im an ton tia la
IZZO
- Cỏp nhỏnh v cỏp trc cựng cỏc hp u cỏp.
T cui nhng nm 1970 cỏc m than Ba Lan bt u s dng h thng cnh bỏo mờ
tan theo mu thit k ca Phỏp (h thng ny cng c s dng trong cỏc m hm lũ B,
Tõy Ban Nha). Qua nhiu nm s dng v nghiờn cu hon thin, h thng vi thnh phn,
mó hiu nờu trờn ang c s dng ti hn 100 m hm lũ Ba Lan.
Sơ đồ khối nguyên lí của hệ thống đợc trình bày trên hình 5.1. Đầu đo CX-1 đợc nối
với bộ biến đổi KX-1 bằng cáp nối riêng. Bộ biến đổi đợc nối vi tủ chỉ thị CTT63/40UP
bằng cáp nhánh và cáp trục, đồng thời nối với máy điều khiển cắt điện.
12
Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống cảnh báo mê tan của hãng CARBOAUTOMATYKA
Định kì 4 phút một lần tủ chỉ thị gửi tín hiệu mở kênh tới bộ biến đổi. Sau khi nhận đ-

ợc tín hiệu, bộ biến đổi mới cấp nguồn cho đầu đo. Đầu đo đo nồng độ mê tan rồi gửi kết quả
về bộ biến đổi. Bộ này biến đổi tín hiệu đo từ dạng dòng sang dạng tần số rồi truyền kết quả
ra tủ chỉ thị ngoài mặt bằng. Tủ này xử lí và so sánh với ngỡng đã đặt cho đầu đo tại vị trí cụ
thể, đồng thời ghi kết quả đo diễn biến nồng độ mê tan trên băng giấy của máy ghi. Trong tr-
ờng hợp giá trị đo đợc vợt ngỡng cho phép tủ chỉ thị sẽ phát tín hiệu báo động bằng âm thanh
và đèn báo, đồng thời máy điều khiển cắt điện nhận tín hiệu từ bộ biến đổi để khống chế máy
cắt điện lực tại khu vực giám sát.
*) H thng Monitoring do Nht bn sn xut theo n t hang chuyờn dựng
giỏm sỏt iu kin mụi trng khớ trong m, do hóng MATSUSHIMA v 1 s hóng khỏc sn
xut.
Vi h thng ny u o cnh bỏo khớ mờ tan s dng nguyờn tc o quang hc, di
o (0ữ2)%, cú hin th giỏ tr nng % khớ CH4 ti ch, cnh bỏo bng õm thanh v ỏnh
sỏng, truyn tớn hiu ct in khi nng CH4 vt ngng t trc iu khin ct in
khu vc nguy him.
*) So sỏnh u nhc im ca 2 h thng.
STT Ni dung H thng ca Ba
Lan
H thng ca Nht
Bn
1 Cỏc chc nng ca h thng Tng ng Tng ng
2 Tớnh m rng chc nng ca h
thng khi m phỏt trin
Cú Cú
3 Cỏc thit b cnh bỏo chớnh CH
4
, CO, CO
2
, T
0
CH

4
, CO, CO
2
, T
0

4 Hin th giỏ tr o ti ch ca
u o tc giú v khớ CO
Khụng Cú
5 iu kin mụi trng khụng khớ
trong lũ nh hng n thit b
cnh bỏo
Cú b nh hng Cú b nh hng
13
CTT 63/40
t ch th
ngoi mt
bng
WX-1
KX-1 CX-1
Cỏp trc
Cỏp nhỏnh
Mỏy iu khin ct
in khu vc
B bin i u o CH4
6 phc tp ca h thng Phc tp Phc tp
7 Trỡnh nhõn viờn vn hnh v
qun lý
ũi hi trỡnh cao,
cú kinh nghim cụng

tỏc m
ũi hi trỡnh cao, cú
kinh nghim cụng tỏc
m
8 Kim tra phỏt hin h hng, sa
cha h thng
Phc tp Phc tp
9 Chi phớ bo dng sa cha,
duy trỡ h thng
Nhiu Nhiu
10 Chu nh hng ca mụi trng
(súng in cm ng, súng sột)
Nhiu Nhiu
11 iu kin ỏp dng cho m Phự hp Phự hp
12 Vn u t Ln Ln hn
6. Gii thiu chung v h thng quan trc tp trung Nht bn ang ỏp dng ti m
than Mo khờ
6.1- S t chc hot ng ca h thng.
Hệ thống quan trắc trung tâm và hệ thống thông tin liên lạc hầm lò đợc biên chế các
nhân viên vận hành chịu sự chỉ đạo trực tiếp của phân xởng Thông Gió Cấp Cứu Mỏ.
Phân xởng Thông Gió Cấp Cứu Mỏ chịu sự chỉ đạo của phòng Thông Gió Mỏ và công
ty than Mạo Khê. Sơ đồ tổ chức hoạt động đợc thể hiện trên hình vẽ 6.1.
Bộ phận tại phòng quan trắc gồm các nhân viên vận hành hệ thống cập nhật thông tin
qua hệ thống máy tính và xử lý thông tin. Các cảm biến trong lò phải đợc kiểm tra vệ sinh
bụi bẩn, kiểm tra lu lợng gió theo định kỳ hàng tuần. Tại phòng Thông gió đợc đặt một máy
tính mạng nhằm cung cấp thông tin cho các cán bộ lãnh đạo mỏ nh: Giám đốc, phó giám
đốc
14
Hỡnh 6.1. S t chc hot ng ca h thng
6.3- Cỏc chc nng h thng.

Hệ thống quan trắc trung tâm là một hệ thống theo dõi giám sát đa chức năng gồm có:
+ Giám sát hàm lợng của các loại khí bằng các thiết bị đo (sensor).
+ Theo dõi các loại thiết bị hoạt động trong lò.
+ Cập nhật bản đồ khai thác của các đơng lò đang vận hành.
+ Đảm bảo thông tin liên lạc trong hầm lò.
Tất cả các dữ liệu thu nhận sẽ đợc máy tính tốc độ cao xử lý cho ra kết quả, lu giữ và
hiển thị thông tin ra màn hình.
6.3- Cấu hình hệ thống.Hệ thống quan trắc tập trung Nhật Bản bao gồm:
+ Phòng quan trắc tập trung trên mặt đất đợc nối với văn phòng công ty. Các cảm biến
khí mê tan đặt tại các khu vực khai thác sẽ thông báo hàm lợng khí mê tan bằng màn hình
hiển thị số cho công nhân đang làm việc trong hầm lò và truyền số liệu về bộ biến đổi
(Transmister). Bộ biến đổi truyền tín về hệ thống máy tính tại phòng quan trắc. Khi có hàm l-
ợng khí mê tan vợt giá trị cho phép thì cảm biến sẽ báo động bằng âm thanh, ánh sấng đỏ và
truyền tín hiệu cắt điện tới bộ biến đổi, bộ biến đổi sẽ cắt điện trong khu vực có hàm lợng mê
tan vợt ngỡng quy định và truyền tín hiệu cắt điện về máy tính tại phòng quan trắc.
+ Các bộ biến đổi thu nhận thông tin từ các cảm biến khí CH4, cảm biến khí CO, cảm
biến gió, cảm biến khói, xử lý thông tin và truyền về máy tính tại phòng quan trắc tập trung
và ra tín hiệu cắt điện các thiết bị tại khu vực có nồng độ khí vợt ngỡng quy định .
+ Các cảm biến gió đợc đặt tại các rãnh gió để theo dõi lu lợng gió của toàn mỏ.
+ Các mỏy ct (aptomat) AB đặt ở các khu vực khai thác dùng để cắt điện khi có
hàm lợng khí CH4 vợt quá giới hạn cho phép.
a- Các thiết bị đặt tại phòng quan trắc tập trung trên mặt bằng.
Đây là phần trung tâm của hệ thống. Tại đây toàn bộ các tín hiệu giám sát đợc các
thiết bị đo gửi tới. Căn cứ vào số liệu đó ngời điều hành có thể biết đợc tình trạng hàm lợng
15
Giám đốc
Phòng thông gió mỏ
Phòng điều độ sản xuất Phân x ởng thông gió cấp cứu mỏ
Phòng quan trắc tập trung
Các đầu đo tại hiện tr ờngNhân viên kiểm tra trong lò

khí mê tan, khí ô xít các bon, sự xuất hiện khói, vận tốc gió và tình trạng thiết bị (nếu có) ở
trong hầm lò, nhằm sớm phát hiện sự cố và có đối sách kịp thời khi có sự cố xảy ra. Ngoài ra
hệ thống còn có khả năng tự động cắt điện vào một số thiết bị tại khu vực phát hiện hàm lợng
khí mê tan vợt giá trị cho phép.
Các thiết bị gồm: + Một máy chủ Sever dùng để nhận và giử các thông tin từ trong lò.
Các dữ liệu đợc xử lý, lu giữ và truyền tới các máy tính khác thông qua mạng LAN. Thiết bị
HUB và các Modem ADSL, các cấu hình của các hệ thống quan trắc cũng nh các thông số
của các cảm biến đợc đặt và lu giữ trên máy chủ, sau đó chúng đợc chuyển tới bộ PLC. Trên
máy chủ có thể theo dõi đợc tình trạng hoạt động của hệ thống.+ Máy tính mạng Client dùng
để theo dõi cập nhật thông tin của hệ thống, bản đồ các khu vực khai thác, vị trí của các cảm
biến trong lò, hàm lợng khí CH4, CO, vận tốc gió tại các rãnh gió, khói tại các vị trí đặt cảm
biến và theo dõi sự hoạt động của các cảm biến.
+ Máy in mầu khổ A3 dùng để in các thông tin ra giấy khi cần thiết.
+ Bàn điều khiển PLC dùng để đặt các thông số cho máy tính và điều khiển các chức
năng của hệ thống.+ Bộ nguồn lu điện MCUPS-3k dùng để cung cấp nguồn điện 220V cho
các thiết bị trong phòng khi mất điện thời gian lu điện là 3 giờ.
b- Thiết bị tại phòng Thông Gió .
Thiết bị tại phòng Thông Gió gồm:
+ Máy tính mạng Client dùng cho cán bộ phòng Thông Gió theo dõi các hoạt động
của hệ thống mà không cần phải tới phòng quan trắc trung tâm. máy tính này chỉ có thể theo
dõi chứ không thể thay đổi đợc các thông số trong hệ thống. Từ đây các cán bộ quản lý có
thể biết đợc các thông số theo dõi nh tại phòng quan trắc trung tâm và điều hành sản xuất dới
hầm lò thông qua các thông tin thu đợc của hệ thống quan trắc và hệ thống thông tin liên lạc.
+ Máy in mầu khổ A3 dùng để in các thông tin cần thiết.
+ Bộ nguồn MCUPS-1k dùng để cung cấp điện 220V cho thiết bị với thời gian mất
điện trong 3 giờ. c- Các thiết bị trong lò.
+ Các bộ biến đổi (transmitter) đợc đặt dọc theo các đờng lò xuyên vỉa. Các bộ biến
đổi này nhận tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến CH4, CO, vận tốc gió, khói). Các bộ biến
đổi này xử lý các loại tín hiệu trớc khi truyền về phòng quan trắc trung tâm, đồng thời gửi tín
hiệu cắt điện các khu vực mà tại đó có nồng độ khí CH4 vợt quá giá trị đặt. Mỗi bộ biến đổi

có thể kiểm soát đợc 8cảm biến .
+ Các cảm biến là các thiết bị an toàn tia lửa, đợc lắp đặt tại các khu cần kiểm soát
nh: lò chợ, lò độc đạo, băng tải, rãnh gió có khả năng theo dõi liên tục nồng độ khí mê tan,
oxit cacbon, vận tốc gió, khói, chuyển các tín hiệu này thành tín hiệu điện giử tới bộ biến
đổi, hiển thị các thông số trên màn hình và phát ra tín hiệu báo động âm thanh, ánh sáng khi
hàm lợng khí vợt quá giá trị đặt. Các cảm biến đợc cấp nguồn 12V từ các bộ biến đổi, riêng
cảm biến khói đợc cấp đợc cấp nguồn 127V.+ Thiết bị đo mê tan (CH4) hoạt động dựa trên
nguyên tắc giao thoa ánh sáng. Độ lệch của vạch giao thoa phụ thuộc vào hàm lợng khí mê
tan trong môi trờng mà chúng theo dõi (hỡnh 6.2). Độ lệch này đợc biến thành tín hiệu điện
16
hiển thị ra màn hình và truyền về bộ biến đổi để đa tới phòng quan trắc trung tâm. Hàm lợng
khí mê tan đo đợc luôn luôn đợc hiển thị trên màn hình. Khi hàm lợng khí mê tan vợt quá giá
trị cho phép, thiết bị đo khí mê tan sẽ phát tín hiệu báo động bằng âm thanh và ánh sáng,
thông báo cho mọi ngời trong khu vực biết hàm lợng khí đã vợt quá giá trị cho phép và đa ra
tín hiệu điện để cho bộ biến đổi cắt điện khu vực đang theo dõi. Ti cỏc khu vc khai thỏc,
các cảm biến o khớ CH4 đặt tại các dọc vỉa than cách gơng lò bằng 10m, tại vị trí này cảm
biến sẽ kiểm soát đợc nồng độ khí xuất hiện trong than, hoặc các túi khí trong than xì ra khi
khai thác, khi xuất hiện báo động vợt ngỡng, đèn đỏ sáng, còi kêu, các cán bộ công nhân
đang làm việc trong gơng lò sẽ biết và có biện pháp sử lý, và đợc treo cao cách nóc lò từ
30cm đến 40cm nhằm mục đích tránh ảnh hởng của khí CO
2
.
Hình 6.2. Cảm biến đo khí CH4
+ Cỏch ci t cho cỏc cm bin CH4: Đặt ngỡng cảnh báo khí CH4 tuỳ theo vị trí đặt
cụ thể của đầu đo có các ngỡng sau (0,5, 0,75, 1, 1,3)%, có hai ngỡng đặt cảnh báo:
- Cảnh báo chế độ nguy hiểm fault heave max data, (trong vùng đặt hệ thống làm
việc bình thờng, ngoài vùng đặt hệ thống sẽ báo động).
- Cảnh báo chế độ nhẹ fault heave light data, (trong vùng đặt hệ thống làm việc bình
thờng, ngoài vùng đặt hệ thống sẽ báo động).
17