nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy

ISO 9001 : 2008
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
X W Y  Z X W







BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2012

Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨUTHIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU
ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG PHÂN LY DẦU NƯỚC TRÊN
TÀU THỦY”






Cơ quan chủ trì: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
Chủ nhiệm đề tài: Ths. Lai Thị Vân Quyên

9668


HÀ NỘI – 02/2013
Mục lục


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
MỤC LỤC
CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU 6

1.1. Tính cấp thiết và sự hình thành của đề tài 6
1.2. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài 7
1.3. Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong
hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy 7

1.3.1. Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị ở nước ngoài 7
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 9
1.4. Kết luận chương I 9

CHƯƠNG II. KHẢO SÁT KỸ THUẬT 10

2.1. Khảo sát các thiết bị trên thị trường 10
2.2. Hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy 15
2.3. Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly trên
tàu thủy 17

2.3.1. Đặc điểm của nước thải đáy tàu, mẫu nước cần đo. 17
2.3.2. Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly

dầu nước trên tàu thủy 18

2.4. Kết luận chương II 20

CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO
NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG PHÂN LY DẦU NƯỚC
TRÊN TÀU THỦY 21

3.1. Thiết kế tổng thể phần cứng 21
3.1.1. Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng 21
3.1.2. Sơ đồ khối cấu hình phần cứng của thiết bị 21
3.1.3. Đặc điểm của thiết bị chế tạo 23
3.2. Nghiên cứu, thiết kế phần cứng buồng đo 23
3.2.1. Phân tích 23
3.2.2. Sơ đồ khối của buồng đo 29
3.2.3. Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế 30
Mục lục


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
3.2.4.
Tính toán thiết kế. 30
3.3. Phân tích, thiết kế phần cứng HMI 35
3.3.1. Phân tích 35
3.3.2. Sơ đồ khối của HMI 36
3.3.3. Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế 36
3.3.4. Thiết kế module HMI 37
3.4. Thiết kế khối nguồn và điều khiển đóng cắt. 38
3.5. Cơ sở và quan điểm thiết kế phần mềm nhúng của thiết bị. 39

3.6. Thiết kế chương trình phần mềm HMI 41
3.7. Thiết kế chương trình phần mềm xử lý tính toán số liệu đo 43
3.8. Thiết kế vỏ thiết bị 45
3.9. Kết luận chương III. 46

CHƯƠNG IV. THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG
DỤNG TRÊN TÀU THỦY 47

4.1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 47
4.1.1. Mục tiêu thử nghiệm 47
4.1.2. Nội dung thử nghiệm 47
4.1.3. Thử nghiệm cụm buồng đo dầu nhiễm 49
4.1.4. Thử nghiệm Module hiển thị và điều khiển 50
4.1.5. Thử nghiệm toàn bộ thiết bị 51
4.1.6. Đánh giá kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. 52
4.2. Thử nghiệm thực tế 52
4.2.1. Mục tiêu thử nghiệm 52
4.2.2. Nội dung thử nghiệm 52
4.2.3. Kết quả thử nghiệm thực tế 53
4.3. Kết luận chương IV 53

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 54

1. Các kết quả đạt được 54
1.1. Các sản phẩm “Dạng I” 54
1.2. Các sản phẩm “Dạng “II” 54
Mục lục


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng

Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
1.3.
Các sản phẩm “Dạng III” 54
2. Kết luận 54
3. Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56


PHỤ LỤC 57

1. Các mạch nguyên lý và mạch in của buồng đo 57
2. Mạch nguyên lý và mạch in của HMI 60
3. Mạch nguyên lý và mạch in của khối nguồn 62
4. Các bản vẽ thiết kế phần cơ khí 64
5. Hướng dẫn vận hành giao diện HMI của thiết bị. 68
6. Một số hình ảnh của thiết bị. 73
7. Một số hình ảnh thử nghiệm thiết bị. 78
8. Các giấy tờ kiểm chuẩn và kết quả thử nghiệm thực tế.Error! Bookmark
not defined.

9. Bài báo khoa học. Error! Bookmark not defined.


CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
ADC = Analog to Digital Converter, bộ biến đổi tương tự sang số.
DWT = DeadWeight Tonnage, đơn vị đo năng lực vận tải an toàn của tàu tính
bằng tấn.
MEPC = Marine Environment Protection Committee, Ủy ban bảo vệ môi trường
biển.

HMI = Human Machine Interface, Giao diện người máy.
Danh mục bảng hình


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1.Bảng khảo sát một số thiết bị trên thị trường 14
Bảng 3.1. Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho buồng đo 30
Bảng 3.2. Trị số điện trở các cảm biến khi nước sạch. 32
Bảng 3.3. Lựa chọn linh kiện và giải pháp thiết kế cho HMI 37
Bảng 3.4.Tương quan mẫu dầu với giá trị tỉ lệ thu được sau tính toán. 44

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Một số thiết bị đo dầu trong nước trên thế giới 8

Hình 2.1. Tàu hàng khô Thiết bị phân ly dầu nước 15
Hình 2.2. Mô hình hệ thống phân ly dầu nước 15ppm trên tàu thủy 16
Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị 22
Hình 3.2. Bố trí nguồn sáng, các cảm biến ánh sáng và buồng mẫu. 25
Hình 3.3. Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ
tương trên cảm biến trực xạ. 26

Hình 3.4. Đường cong mô tả quan hệ giữa quang thông với độ nhiễm dầu nhũ
tương trên cảm biến tán xạ 26

Hình 3.5. Bố trí nguồn sáng và các cảm biến trong buồng đo 28
Hình 3.6. Sơ đồ khối của buồng đo 29

Hình 3.7. Mạch nguyên lý nguồn sáng. 31
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý các mạch cầu đo 33
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D 34
Hình 3.10. Sơ đồ khối của HMI 36
Hình 3.11. Mô tả hoạt động của các chương trình phần mềm trong máy. 40
Hình 3.12. Cây menu cơ bản trong thiết bị 41
Hình 3.13. Mô tả hai bức điện đặc tả khối dữ liệu 42
Hình 3.14. Thuật toán lấy mẫu, tính toán nồng độ dầu 45
Hình 4.1. Bộ trộn dầu nhũ tương. 48
Hình 4.2. Mô hình thử nghiệm thiết bị trong phòng thí nghiệm 48
Danh mục bảng hình


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”
Hình P1.1. Mạch nguyên lý buồng đo 57

Hình P1.2. Mạch in buồng đo 58
Hình P1.3. Mạch in khoang quang học 59
Hình P2.1. Mạch nguyên lý của HMI 60
Hình P2.2. Mạch in của HMI 61
Hình P3.1. Mạch nguyên lý của khối nguồn 62
Hình P3.2. Mạch in của khối nguồn 63
Hình P4.1. Bản vẽ van điều chỉnh lưu lượng 64
Hình P4.2. Bản vẽ khớp nối 65
Hình P4.3. Bản vẽ vỏ buồng đo 66
Hình P4.4. Bản vẽ buồng quang học 67
Hình P6.1. Hình ảnh hệ lấy mẫu nước. 73
Hình P6.2. Hình ảnh cụm thiết bị buồng đo tháo rời 74
Hình P6.3. Hình ảnh cụm thiết bị đo đã lắp hoàn chỉnh 75

Hình P6.4. Hình ảnh mở máy đo OCM 98/2012. 76
Hình P6.5. Toàn cảnh máy đo OCM 98/2012 77
Hình P7.1. Những hình ảnh thử nghiệm thiết bị trong thực tế 78
-6- CHƯƠNG I. Mở đầu


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
CHƯƠNG I. MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết và sự hình thành của đề tài.
Nước ta có 3.260km bờ biển trải dọc theo chiều dài đất nước và hơn 2.800
hòn đảo, bãi đá ngầm cùng với 20 triệu dân cư có cuộc sống gắn liền với biển.
Với lợi thế về vị trí địa lý như vậy, vận tải biển nước ta ngày càng đóng vai trò
quan trọng trong lưu thông hàng hóa giữa Việt Nam với các nước trên thế giới và
trong khu vực, góp phần quan trọng vào việc đưa nền kinh t
ế Việt Nam hội nhập
với nền kinh tế quốc tế.
Từ những lý do đó, ngày 24/12/2009, thủ tướng đã phê duyệt Quy hoạch
phát triển vận tải biển Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 do
Bộ giao thông vận tải trình. Trong bản Quy hoạch lần này, ngành vận tải biển
được chú trong phát triển mạnh cả về số lượng, chất lượng và quy mô. Bên cạnh
đó, cùng vớ
i quy hoạch phát triển ngành hàng hải, Bộ giao thông vận tải cũng xúc
tiến công tác bảo vệ môi trường. Tất cả các tàu dầu có tổng dung tích từ 150 tấn
trở lên và các tàu khác không phải là tàu dầu có tổng dung tích từ 400 tấn trở lên
đều phải trang bị hệ thống lọc dầu để xử lý nước đáy tàu lẫn dầu từ buồng máy
hoặc các dầu khác. (Chương 2, mục 2.3;2.4 QCVN 26: 2010/BGTVT). Điều này
cũng là một trong những n
ỗ lực của Bộ để đưa tàu Việt Nam ra khỏi danh sách
đen ở các cảng nước ngoài. Bởi lẽ, một trong những kiếm khuyết khiến các tàu

Việt Nam trở thành đối tượng “ưu tiên” kiểm tra tại các cảng biển nước ngoài là
do những lỗi liên quan đến hệ phân ly dầu nước. Theo số liệu thống kê của Cục
Đăng kiểm Việt Nam, số tàu bị lưu giữ trên khắp thế giớ
i do có lỗi liên quan tới
hệ phân ly dầu nước là 34/126 tàu (năm 2011), 15/55 tàu (năm 2012).
Nắm được những yêu cầu về môi trường đối với ngành hàng hải, nhằm góp
phần vào công cuộc bảo vệ môi trường, chống lại biến đổi khí hậu, và góp phần
nhỏ vào việc cải thiện khả năng đáp ứng các yêu cầu quốc tế đối với tàu biển Việt
Nam, Viện NC Điện tử, Tin họ
c, Tự động hóa đã thực hiện đề tài " Nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu
nước trên tàu thủy
”. Thiết bị này là một thành phần rất quan trọng của hệ thống
phân ly dầu nước trên tàu thủy. Nó kiểm soát và điều khiển toàn bộ hệ thống một
cách tự động, đảm bảo nước thải ra môi trường biển không vượt quá nồng độ dầu
-7- CHƯƠNG I. Mở đầu


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
cho phép là 15ppm theo đúng quy định của tiêu chuẩn về nước thải của tàu ra
biển.
1.2. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài
 Mục tiêu
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo
nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy đáp ứng yêu
cầu kiểm soát nước thải xả ra môi trường.
 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tham khảo các mẫu thiết bị của nước ngoài để giải mã công

nghệ áp dụng cho sản phẩm của đề tài.
- Kiểm tra, mô phỏng các thiết kế cả về phần cứng và phần mềm trên các
công cụ mô phỏng để đưa ra những thiết kế hợp lý cho sản phẩm.
- Sau khi thiết kế, thử nghiệm thiết bị với những mẫu nước nhiễm dầu có tỉ
lệ
dầu nhiễm biết trước để hiệu chỉnh phần cứng, phần mềm. Sau khi công đoạn này
kết thúc, đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế để đánh giá tính ổn định của sản phẩm
và hoàn thiện thiết kế.
- Về kỹ thuật, sản phẩm của đề tài sẽ được thiết kế trên cơ sở các linh kiện có
phẩ
m chất tốt, hiện đại của các hãng trên thế giới.
1.3. Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy.
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và chế tạo thiết bị ở nước ngoài
Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng trong hệ thống phân ly dầu
nước trên tàu thủy hay còn gọi là bộ đo nồng độ dầu 15ppm là dòng sản phẩm rất
phổ biến trong ngành môi trường biển, và được nhiều nước trên thế giới sản xuất
như FP360 kèm controller của Hatch-Mỹ; TD500 của hãng Turner Designed-Mỹ,
OCMA- 350 của hãng Horiba Nhật Bả
n, OMD-2005, OMD-2008 của Decka,
Hamburg GmbH- Đức; GQS-206, GQS-106 do CXIM-Trung Quốc cung cấp….
Các thiết bị này có nhiều dạng khác nhau, có loại thiết bị để trong phòng thí
nghiệm, có loại thiết bị đặt cố định tại hiện trường, và có cả loại thiết bị dạng lưu
động cầm tay. Tùy vào điều kiện sử dụng khác nhau, người dùng có thể lựa chọn
-8- CHƯƠNG I. Mở đầu


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
được loại phù hợp nhu cầu của mình. Về chất lượng, tùy theo từng phân khúc thị

trường, các nhà sản xuất đưa những thiết kế khác nhau và có chất lượng khác
nhau nhưng cơ bản đáp ứng được yêu cầu sử dụng.

OMD-2005 OMD-2008
Decka, Hamburg GmbH- Đức.

TD500- Tunner Designed FP360-Hatch-Mỹ GQS206- CXIM-Trung
Quốc
Hình 1.1. Một số thiết bị đo dầu trong nước trên thế giới
Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước của nước ngoài đều có một số đặc
điểm chung:
- Giá thành cao.
- Việc đo nồng độ dầu trong nước của các thiết bị này được thực hiện chủ yếu
theo hai phương pháp: ► Đo bằng cách tán xạ dùng tia UV.
►
Đo bằng khúc xạ dùng tia hồng ngoại.
- Các thiết bị này được thiết kế đều tuân theo công ước quốc tế về môi trường
biển MPECx.

-9- CHƯƠNG I. Mở đầu


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Việt Nam là nước có ngành vận tải biển đã phát triển cũng được khá lâu. Tuy
nhiên, việc xử lý nước thải của tàu thủy ra môi trường mới chỉ được chú trọng
trong vài chục năm trở lại đây. Trong các tiêu chuẩn, quy phạm mới về an toàn
môi trường đối với tàu thủy, tất cả các tàu không phải là tàu dầu có tổng dung
tích nhỏ hơn 400, khi bất kỳ hỗn h

ợp dầu nước nào được xả ra biển phải trang bị
hệ thống phân ly dầu nước 15ppm.
Nắm bắt được điều đó, ở nước ta, đã có nhiều nơi nghiên cứu, chế tạo hệ
thống phân ly dầu nước. Tuy nhiên các nơi đó mới chỉ chế tạo được phần phân ly
dầu nước. Phần đo 15ppm nồng độ dầu trong nước sau khi phân ly thì họ vẫn
ph
ải nhập ở nước ngoài với giá cả rất đắt. Chưa có cơ sở nào trong nước tuyên bố
nghiên cứu, chế tạo được bộ đo 15ppm dầu trong nước. Có thể nói, đây là một
mảng thị trường còn bỏ ngỏ cần được quan tâm nhiều hơn.
1.4. Kết luận chương I.
Chương I đã trình bày về tính cấp thiết, tính hình nghiên cứu, chế tạo thiết bị
đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy ở trong
và ngoài nước. Do yêu cầu về môi trường nói chung và môi trường biển nói
riêng, tuân theo luật chống ô nhiễm môi trường biển quốc tế MARPOL 73/78 (
Marine Polution), nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo
nồng độ dâu trong n
ước dùng cho hệ thống phân ly trên tàu thủy khác nhau. Ở
Việt Nam, vấn đề này cũng đã được chú ý nhưng chỉ biết đến với những tên tuổi
nhập ngoại, giá thành rất cao và vấn đề sửa chữa thiết bị khi có sự cố cũng có
nhiều khó khăn, tốn kém cả về tiền của, thời gian và công sức. Chưa thấy có cơ
sở nào trong nước công bố đã nghiên cứu, chế tạ
o ra thiết bị đo nồng độ dầu
trong nước dùng trên tàu thủy. Việc tiếp thu công nghệ tiên tiến, nghiên cứu chế
tạo các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước dùng cho ngành tàu thủy có độ tin cậy
cao, tiện dụng và giá thành hợp lý là một hướng đi đúng đắn và cấp thiết.
Nắm bắt được điều đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
đã và đang
tiến hành nghiên cứu, chế tạo bộ đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly
dầu nước trên tàu thủy.
-10- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật

VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
CHƯƠNG II. KHẢO SÁT KỸ THUẬT.
2.1. Khảo sát các thiết bị trên thị trường.
Các thiết bị đo nồng độ dầu trong nước ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu
nước trên tàu thủy đã được nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu và chế tạo. Thiết
bị của mỗi hãng có những mẫu mã riêng nhưng nhìn chung đều có chung một số
đặc điểm sau:
- Cấu tạo gồm hai phần CPU và phần đo.
- Nguyên lý đo đều dựa vào hiệu ứng của ánh sáng đối v
ới dầu trong nước.
- Các thiết kế đều tuân theo chuẩn IMP MEPC xxx.
- Khi nồng độ dầu vượt ngưỡng cảnh báo, thiết bị đều đưa ra những cảnh báo
về còi, đèn và đóng cắt rơ le.
- Người dùng đều có thể cài đặt các thông số ngay trên thiết bị.
- Giá cả của các thiết bị này đều rất đắt.
Chính vì lý do giá cả quá đắt và mong muốn được làm chủ công nghệ, đề tài
đã tiến hành tìm hiể
u các thiết bị đang được cung cấp trên thị trường, đánh giá
các tiêu chí để tìm ra được một hướng thiết kế phù hợp, giảm thiểu chi phí và dễ
dàng nâng cấp phục vụ cho nhiều đối tượng khách hàng khác nhau.
Dưới đây là những tìm hiểu về một số thiết bị trên thị trường.


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Đề tài cấp bộ 2012

-11- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật
Thiết bị Kiểu dáng Cấu tạo
Cách
đo
Một số đặc tính kỹ thuật
Giá cả (khảo sát vào
quý 2 của năm 2012)
1USD = 21.000VND
OMD-2005
và OMD-
2008 do
hãng
Deckma
Hamburg
GmbH cung
cấp


OMD-2005

OMD-2008

OMD-2007.

Vỏ bằng thép không gỉ
Hai khoang:
- Khoang đo: gồm nhóm cảm
biến đo, mạch đo và chuẩn hóa
tín hiệu, buồng lấy mẫu. Tất cả
trong buồng tối. Tín hiệu ra là tín

hiệu số.
Kèm theo khoang đo có 1 van ba
ngả, 1 ngả dùng để cấp nước
sạch rửa buồng lấy mẫu. 1 ngả
dùng để lấy mẫu đi qua buồng
đo. Vị trí của van sẽ tác động
vào công t
ắc hành trình để báo
cho CPU thực hiện chức năng đo
hay không đo.
-Khoang CPU: có chức năng đọc
giá trị đo từ khoang đo về, ra tín
hiệu cảnh báo khi giá trị đo vượt
ngưỡng đặt bằng đèn, còi, đóng
rơ le. Cho người dùng đặt các
tham số.
Tán xạ
hồng
ngoại
-Dải đo: 0-30 ppm
-Độ chính xác:
2%
±
Full scale( theo
IMP MEPC.107)
-Nguồn cung cấp: 24VDC (220VAC
50Hz)
-Công suất tiêu thụ: <10VA
-Đầu ra đóng cắt rơ le: 240VAC, 3A,
trở đầu ra <150

Ω
.
-Điểm cảnh báo: có thể đặt, mặc định
là 15ppm.
-Cách cảnh báo: còi, đèn, rơle.
-Cung cấp đầu ra 0(4)- 20mA tương
ứng với 0 – 30ppm.
-Thời gian trễ của điểm báo 1 (dùng
cho còi, đèn): 1- 540 giây, mặc định là
2s
-Thời gian trễ của điểm báo 2 (dùng
cho van): 1- 10 giây.
-Mẫu áp lực nước: 0,1 -10bar
-Vận tốc dòng chảy: 0,1-3 L/phút tùy
thuộc áp suất.
- Hiển thị LCD.
- Nhiệt độ môi trường hoạt động: 1-
55
0
C
- Nhiệt độ môi trường hoạt động: 1-
65
0
C
4.389,5 USD =
92.179.500VND

3.923,5 USD=
82.393.500VND
VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Đề tài cấp bộ 2012


-12- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật
GQS 206 do
hãng China
Xiamen
Instruments
& Metters
IM Trung
Quốc cung
cấp

Vỏ bằng thép không gỉ
Hai khoang:
- Khoang đo: gồm nhóm cảm
biến đo, mạch đo và chuẩn hóa
tín hiệu, buồng lấy mẫu. Tất cả
trong buồng tối. Tín hiệu ra là tín
hiệu số.
Kèm theo khoang đo có 1 van ba
ngả, 1 ngả dùng để cấp nước
sạch rửa buồng lấy mẫu. 1 ngả
dùng để lấy mẫu đi qua buồng
đo. Vị trí của van sẽ tác động
vào công tắ

c hành trình để báo
cho CPU thực hiện chức năng đo
hay không đo.
-Khoang CPU: có chức năng đọc
giá trị đo từ khoang đo về, ra tín
hiệu cảnh báo khi giá trị đo vượt
ngưỡng đặt bằng đèn, còi, đóng
rơ le. Cho người dùng đặt các
tham số.
Tán xạ
hồng
ngoại
-Dải đo: 0-30 ppm
-Độ chính xác:
15 5
p
pm
±
( theo IMP
MEPC.107)
-Nguồn cung cấp: 110/220V 50/60Hz
-Công suất tiêu thụ:
≈
15W
-Đầu ra đóng cắt rơ le: 240VAC, 3A,
-Điểm cảnh báo: có thể đặt từ 1-
15ppm, mặc định là 15ppm.
-Cách cảnh báo: còi, đèn, rơle.
-Cung cấp đầu ra 0(4)- 20mA tương
ứng với 0 – 30ppm.

-Thời gian trễ của điểm báo 1 : 1- 10
giây
-Thời gian trễ của điểm báo 2 : 1- 240
giây.
-Mẫu áp lực nước: 0,01-0,8 Mpa.
-Vận tốc dòng chảy: 0,1-4 L/phút tùy
thuộc áp suất.
-Hiển thị LCD
- Nhiệt độ môi trường ho
ạt động: 1-
55
0
C
- Nhiệt độ môi trường hoạt động: 1-
65
0
C

60.000.000 VND
VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Đề tài cấp bộ 2012


-13- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật
BA200 do
Inventive
Systems Inc
– Mỹ cung
cấp

- Vỏ được làm bằng thép không
gỉ
- Gồm hai phần chính là buồng
đo và phần CPU.
- Buồng đo có cấu tạo gồm một
hộp kim loại kích thước 200 x
165 x 100 mm nối với một ống
tròn và một mặt bích. Cơ cấu cơ
khí này được một động cơ 7
RPM kéo di chuyển lên xuống để
hút dung dịch mẫu vào buồng
mẫu (7 lần /phút) . Buồng mẫu
được đặt trong ống tròn và ch
ứa
một nguồn sáng, các cảm biến
ánh sáng và một thiết bị bù nhiệt
độ.
Khi cấp nguồn cho nguồn sáng,
ánh sáng sẽ chiếu vào buồng
chứa mẫu.
Việc cấp nguồn và tính toán các
hiệu ứng quang điện được thực
hiện bởi một mạch đo và hiệu
chuẩn. Kết quả sau mạch này sẽ
ra điện áp nằm trong dải 0-
7VDC tương ứng với n
ồng độ
dầu trong nước 0-100ppm.
Tín hiệu điện này được đưa tới

một CPU để tính toán, hiển thị
nồng độ dầu trong nước đồng
thời đưa ra những cảnh báo khi
giá trị đo này vượt ngưỡng. Tại
đây người dùng có thể cài đặt
Tán xạ
ánh
sáng
thường
-Dải đo: 0-100 ppm
-Độ chính xác:
15 2 ppm
±
và
100 10
p
pm
±

-Nguồn cung cấp: 110/220V 50/60Hz
-Công suất tiêu thụ:
≈
15W
-Đầu ra đóng cắt rơ le: 120VAC, 10A,
-Điểm cảnh báo: có thể đặt, mặc định
là 15ppm.
-Cách cảnh báo: còi, đèn, rơle.
-Cung cấp đầu ra 0(4)- 20mA tương
ứng với 0 – 30ppm.
-Thời gian trễ của điểm báo: 1- 30

giây
-Mẫu áp lực nước: 0,1- 7 bar
-Vận tốc dòng chảy: 11m
3
/h tùy thuộc
áp suất.
-Hiển thị LCD
- Nhiệt độ môi trường hoạt động: 1-
70
0
C
- Nhiệt độ môi trường hoạt động: 1-
70
0
C

4.750,00USD =
99.750.000VND
VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Đề tài cấp bộ 2012


-14- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật
các thông số điều khiển, giám
sát.
FP360 SC do
Hatch – Mỹ
cung cấp

- Vỏ được làm bằng thép không
gỉ.
- Cấu tạo gồm 02 phần: sensor
và bộ controller. Bộ cảm biến
được chế tạo dạng hình ống để
có thể cắm thẳng cào đường ống.
Đầu cắm vào đường ống có chứa
đèn xenon phát ra tia UV bước
sóng 254nm. Khi gặp hạt dầu, tia
phản xạ về sẽ nhảy mức năng
lượng thành bướ
c sóng 360nm.
Lượng ánh sáng phản xạ thu về
sẽ phản ánh lượng dầu có trong
nước thải. Tín hiệu ra khỏi cảm
biến là tín hiệu số.
Phản
xạ tia
huỳnh
quang
254nm,
thu về
tia
huỳnh
quang
360nm
Cảm biến:
Dải đo:
+polycyclic aromatic hydroccarbons

(PAHs) từ 1.2 ppb
÷
5000 ppb (µg/L)
+dầu khoáng từ 0.1
÷
150 ppm (mg/L)
- Bước sóng ánh sáng phát ra: 254 nm.
- Giới hạn áp suất: Max. 30 bar hay
435 psia
- Độ lặp lại: 2.5 % giá trị đo ở nhiệt độ
không đổi
- Thời gian phản hồi: 10 s
- Nhiệt độ mẫu: 33.8 đến 104 °F hay 1
đến 40 °C
- Đầu ra số.

Bộ điều khiển kỹ thuật số sc200 gắn
được 01 đầu đo kỹ thuật số bất kỳ,
màn hình LCD có đèn nền LED, có 2
ngõ ra tín hiệu 0/4-20mA, có 4 rơle.
Đi
ện áp: 100 – 240 VAC ±10%, 50/60
Hz, không kèm dây điện nối nguồn.

Sensor:370,480,000
VND
Controller:32,758,000
VND

Bảng 1.1.Bảng khảo sát một số thiết bị trên thị trường

-15- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
2.2. Hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy
Ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề “nóng” của tất cả các nước trên thế
giới, đặc biệt là các nước đang phát triển. Bởi lẽ cùng với sự đi xuống của môi
trường là sự diệt vong của các loài động thực vật và thậm chí cả loài người….
Tàu thủy là một nhà máy nổi di động trên biển. Để nó có thể hoạt động được thì
hai yếu tố không thể thiếu là d
ầu và nước. Song đây cũng là hai yếu tố có nguy
cơ gây ô nhiễm môi trường biển. Dầu hay nước lẫn dầu khi xả ra biển sẽ tạo ra
các vệt dầu loang. Nó như một lớp màng mỏng ngăn cách oxy trong không khí
hòa tan vào nước biển, ngăn ánh sáng mặt trời chiếu sáng cho quá trình quang
hợp của thực vật biển. Từ đó dẫn đến phá hủy hệ sinh thái biển.


Hình 2.1. Tàu hàng khô Thiết bị phân ly dầu nước

Trong luật chống ô nhiễm môi trường biển quốc tế MARPOL 73/78 ( Marine
Polution) quy định rằng: hàm lượng dầu trong nước xả ra biển không được vượt
quá 15 phần triệu (15 ppm - part per million). Để làm được điều đó, trên tàu thủy
được lắp đặt thiết bị phân ly dầu nước hay còn được gọi là thiết bị 15 phần triệu.
Có nhiều kiểu thiết bị phân ly dầu nướ
c được sử dụng trên tàu thủy, song
nguyên tắc chung của chúng là đều dựa vào sự chênh lệch tỉ trọng giữa dầu và
nước để tách riêng chúng ra. Dưới đây là mô hình chung của một hệ thống phân
ly dầu nước 15ppm có điều khiển.

-16- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.


Van A: đóng mở đường nước hồi lại két chứa nước thải đáy tàu. Bình thường van này mở.
Van B: đóng mở đường nước thải ra biển. Bình thường van này đóng.
Hình 2.2. Mô hình hệ thống phân ly dầu nước 15ppm trên tàu thủy.

Nước thải đáy tàu được chứa trong két chứa trước khi đưa vào bộ phân ly dầu
nước. Khi hệ thống phân ly chạy, nước thải đáy tàu sẽ được hút vào bộ phân ly
dầu nước. Những cặn bẩn và chất rắn sẽ được giữ lại, chỉ có nước và một phần
dầu còn sót trong nước đi ra ngoài bộ phân ly. Một phần nước ra khỏ
i bộ phân ly
này được trích đưa vào buồng mẫu của bộ đo nồng độ dầu trong nước để đo. Nếu
nồng độ dầu đo được dưới 15ppm (hoặc điểm đặt giới hạn), bộ đo sẽ cho ra tín
hiệu mở van B, đóng van A để cho nước thải ra ngoài. Ngược lại, bộ đo sẽ cho ra
tín hiệu đóng van B, mở van A để nước quay trở lại b
ộ phân ly đồng thời sẽ cho
ra các tín hiệu báo động bằng đèn và còi (TCVN6276:2003). Nước sau phân ly
trích đưa vào bộ đo và nước sạch dùng để rửa buồng mẫu sẽ được đưa trở lại két
chứa nước thải đáy tàu để phân ly. Trên đường nước ra khỏi bộ đo có một bẫy khí
được sử dụng là nơi các bọt khí tập trung giúp cho trong buồng mẫu không bị lẫn
các bọt khí dẫn tới đ
o sai (xả “air”). Dầu sau khi được phân ly sẽ được hút đẩy
vào két chứa dầu thải của tàu. Sau mỗi hành trình của tàu, lượng dầu này sẽ được
đưa vào xử lý hoặc tái chế ở những nơi quy định.

Két chứa nước
thải đáy tàu
N
ước thải
q
ua xử l
ý
D
ầ
uthải

Bộ phân
ly dầu
nước
Nước
s
ạ
ch

B
M
CPU
A
B
Bộ đo
dầu trong
nước
B
ẫ

y
kh
í
-17- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Với một hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy, việc có bộ giám sát nồng
độ dầu trong nước là một việc rất cần thiết và mới đảm bảo được đúng tiêu chuẩn
nước thải ra môi trường.

2.3. Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly
trên tàu thủy.
2.3.1. Đặc điểm của nước thải đáy tàu, mẫu nước cần đo.
Nước thải đáy tàu hay nước thải lacanh là lượng nước chứa dầu được tạo ra
trong quá trình khai thác tàu và hệ động lực trên tàu được tích tụ tại dưới buồng
máy. Như vậy nước lacanh là hệ quả của việc sử dụng
dầu và các sản phẩm của dầu làm nhiên liệu, làm các
sản phẩm bôi tr
ơn cho toàn bộ máy móc trên tàu. Mặt
khác, nước lacanh cũng tạo thành do sự dò rỉ từ các
đường ống bơm, do quá trình vận chuyển đầu đốt, dầu
nhờn hoặc do sử dụng dầu để lau chùi, vệ sinh máy
móc, trang thiết bị, do nước biển có thể rò rỉ vào giếng la canh nếu có sự rò rỉ ở
vòng bít trục (shaft gland) hoặc ống bao trục (stuffing box). Ngoài dầu đốt, dầu
nhờn, trong nước lacanh còn chứa nhiều tạp chất khác nh
ư xà phòng, chất tẩy
rửa, các cặn bẩn, rỉ sắt.

Tính chất hóa lý, khối lượng riêng của nước lacanh thay đổi thường xuyên theo
thời gian và phụ thuộc vào nguồn gốc tạo thành. Hàm lượng dầu trong nước
lacanh thường dao động trong khoảng 300
÷
1000 mg/l. Nước lacanh phân lớp rõ
rệt. Hầu hết dầu bẩn nổi lên trên, nước chủ yếu ở phần bên dưới. Không có dầu
-18- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Hình 2.4. Mô hình phương
pháp đo bằng tia UV
sạch mà cũng chẳng có nước sạch, cả phần trên và phần dưới trộn lẫn với nhau
“dầu ngâm nước”. Trong nước lacanh bao giờ cũng có chất tẩy rửa các cặn, các
hạt với kích thước khoảng 10
÷
30 micro. Hàm lượng dầu hòa tan trong nước
lacanh có thể lên tới 2000mg/l.
Mẫu nước cần đo không phải là nước trực tiếp trong két chứa nước lacanh mà
là nước sau hệ thống phân ly trên tàu thủy. Dầu trong mẫu nước này dầu nhũ
tương bao gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 20micron sẽ ở lại theo dạng đó vô
thời hạn không thể kết hợp lại thành hạt lơn hơn được nữa. Các hạt dầ
u trong
nước mẫu chủ yếu là các loại dầu Diesel, dầu làm mát động cơ MS9250 và dầu
hộp số MS-2190-TEP với tỉ lệ lần lượt là 50%:25%:25%.

2.3.2. Các phương pháp đo nồng độ dầu ứng dụng cho hệ thống phân ly

dầu nước trên tàu thủy.
Hiện nay, có năm phương pháp được sử dụng để đo dầu trong nước,
Đó là những phương pháp cân đo trực tiếp, phân biệt màu s
ắc, đếm hạt, tán xạ
hồng ngoại, cận hồng ngoại và kích phát huỳnh quang (UV). Hai phương pháp
cân đo trực tiếp và đếm hạt chỉ có thể dùng trong phòng thí nghiệm. Phương pháp
phân biệt màu sắc (thực chất là nhận dạng ảnh) có thể dùng cho đo dầu online
nhưng chỉ có thể đo được những dung dịch nhiễm dầu có màu sắc khác nhau rõ
rệt. Với dung dịch nhiễm dầu cần đo của
đề tài có tỉ lệ dầu nhiễm đến hàng phần
triệu rất ít nên màu sắc giữa những dung dịch có nồng độ khác nhau gần như
không thể phân biệt được. Bởi thế ba phương pháp trên không thể sử dụng được
trong thiết bị đo dầu trong nước của đề tài. Chỉ có hai phương pháp chủ yếu ứng
dụng để đo nồng độ dầu trong hệ thống phân ly trên tàu thủy là phươ
ng pháp UV
huỳnh quang và hấp thụ hồng ngoại.
Phương pháp đo bằng kích phát tia huỳnh
quang UV.
Các cảm biến loại này dựa trên nguyên lý hấp
thụ tia cực tím và phát huỳnh quang của các giọt
dầu. Chùm tia cực tím 254 nm được phát ra từ
nguồn sáng vào buồng mẫu. Khi các hạt dầu gặp
-19- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
Hình 2.5. Mô hình phương
pháp đo bằng tán xạ

tia UV, chúng bị kích thích và phát huỳnh quang bước sóng 360nm dài hơn bước
sóng tia tới. Chùm tia sáng phát ra này phản xạ lại môi trường tới và được thu
bằng một photodiode huỳnh quang. Cường độ của ánh sáng phản xạ thu được sẽ
tỉ lệ với nồng độ dầu có trong nước mẫu.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể đo online nồng độ dầu trong nước
thải.
Nh
ược điểm của phương pháp là tia cực tím bị hấp thụ bởi thủy tinh khi buồng
mẫu làm bằng thủy tinh. Chỉ có thể tránh điều này bằng cách làm buồng mẫu
bằng thủy tinh thạch anh. Mà như thế thì giá cả sẽ tăng lên. Thêm nữa, phương
pháp này bị ảnh hưởng bởi độ đục nên kết quả đo bị giới hạn trong mẫu nước đo.

Phương pháp tán x
ạ ánh sáng.
Trong môi trường không đồng tính ánh sáng không
những truyền thẳng mà còn truyền theo các phương
khác khúc xạ qua các môi trường chiết suất khác
nhau. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng tán xạ.
Trong môi trường nước mà ta cần đo có các hạt
dầu có chiết suất và hệ số hấp thụ của chúng khác
với môi trường nước. Khi ánh sáng chiếu vào môi
trường này, nó sẽ bị tán xạ theo mọi phương. Sự
tán xạ này gọi là hiệu
ứng Tyndall.
Đặt 1 photodiode trực diện bên kia buồng mẫu so với nguồn sáng và các
photodiode khác để nhận các tia khúc xạ. Từ tỉ lệ giữa cường độ chùm khúc xạ
trên cường độ chùm phản xạ sẽ tìm ra được nồng độ dầu cần đo.
Ưu điểm của phương pháp này là vật liệu dùng để chế tạo sensor dễ kiếm ví
như có thể dùng ánh sáng nhìn thấy để đo như BA200 của Mỹ, tia h
ồng ngoại của

OMD-xxx Đức, GQS-206- Trung Quốc. Tuy nhiên phương pháp này có nhược
điểm là không thể phát hiện ra các hạt dầu có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh
sáng của nó.


Nước vào
Nước ra
-20- CHƯƠNG II. Khảo sát kỹ thuật



VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
2.4. Kết luận chương II.
Chương II đã trình bày về những khảo sát các thiết bị hiện có trên thị
trường, các phương pháp đo dầu trong nước thải tàu thủy và tìm hiểu sơ bộ về hệ
thống phân ly dầu nước trên tàu thủy cũng như đặc điểm của nước thải đáy tàu.
Qua những khảo sát kể trên, thiết bị đo nồng độ dầu cần chế tạo sẽ có:
- Phương pháp
đo dùng phương pháp tán xạ dựa trên lý thuyết tán xạ Mie và hiệu
ứng Tyndall.
- Mẫu mã: giống như OMD-2008 của hãng Decma Humburg, Đức.
- Cấu tạo của thiết bị gồm 2 phần chính: Phần buồng đo và phần HMI kèm điều
khiển đóng cắt.
- Thiết bị có các chức năng:
+ Đo và hiển thị nồng độ dầu, dải đo đến 30ppm.
+ Lưu trữ các cảnh báo.
+ Hiển thị b
ằng LCD
+ Cho phép người dùng có thể cài đặt các thông số ngưỡng, thời gian đóng

cắt
+ Có lối ra cảnh báo, báo động vượt ngưỡng bằng còi, đèn.
+ Có lối ra tín hiệu đóng mở van xả.
+ Có khả năng kết nối với máy tự ghi (thiết bị in được các giá trị đo ra giấy).
- Đặc tính kỹ thuật của thiết bị giống như bộ GQS206 của Trung Quốc.
-21- CHƯƠNG III. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ DẦU ỨNG DỤNG CHO HỆ
THỐNG PHÂN LY DẦU NƯỚC TRÊN TÀU THỦY
3.1. Thiết kế tổng thể phần cứng
3.1.1. Cơ sở và quan điểm thiết kế phần cứng
Giám sát nồng độ dầu trong nước thải là quá trình thu thập, phân tích, đo lường
và xử lý dữ liệu thô thành các thông tin có ích. Quá trình thu thập dữ liệu thường
được thực hiện bằng cách đo lường liên tục trong một khoảng thời gian. Quá trình
phân tích và xử lý dữ liệu sau đó sẽ được thực hiện bởi các hệ thống tự động áp
dụ
ng các công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử vi xử lý, công nghệ thông tin
Đây chính là xu hướng phát triển của các thiết bị đo nói chung. Các thiết bị đo
nồng độ dầu trong nước dùng cho hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy được
thiết kế ngày càng có độ chính xác cao hơn, thân thiện hơn với người sử dụng.
Trên cơ sở nghiên cứu các thiết bị đo nồng độ dầu trong nướ
c thải cho hệ thống
phân ly trên tàu thủy, quan điểm thiết kế sản phẩm của đề tài như sau:
• Phần cứng của thiết bị được xây dựng trên cơ sở các module với các linh
kiện có phẩm chất tốt.
• Phần đo lường và phần giao diện người dùng kèm đóng cắt sẽ được thiết

kế rời vì phương pháp đo là phương pháp quang học nên việc đả
m bảo
buồng đo tối hoàn toàn là một điều tối quan trọng.
• Mỗi phần đo lường và phần giao diện người dùng kèm đóng cắt sẽ có một
vi xử lý điều hành.

3.1.2. Sơ đồ khối cấu hình phần cứng của thiết bị
Như vậy, để có được một kết cấu linh hoạt, thiết bị sẽ được thiết k
ế trên cơ sở
một tập hợp các module phần cứng. Các module được ghép nối với nhau tạo thành
hai khối chính khối buồng đo [1] và khối giao diện người dùng HMI kèm điều
khiển đóng cắt [2]. Ngoài ra còn có khối nguồn nuôi [3] cung cấp toàn bộ nguồn
cho thiết bị như trong hình 3.1 sau đây:

-22- CHƯƠNG III. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.

Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị
• Khối 1 – Buồng đo chứa khoang lấy mẫu, vòng quang học, công tắc thông
báo vị trí van cấp và các mạch điều khiển nguồn sáng, khuếch đại, lọc, biến
đổi tương tự sang số, tính toán trong vi xử lý và giao tiếp với các khối khác.
• Khối 2 – HMI có các chức năng giao tiếp với người sử dụng, lưu trữ các cảnh
báo, giao tiếp với buồ
ng đo để nhận các giá trị đo, giao tiếp với các thiết bị tự
ghi và ra lệnh đóng cắt các đèn còi, van.
• Khối 3 – Nguồn cấp và điều khiển đóng cắt. Chuyển đổi nguồn 220VAC50Hz
sang điện áp một chiều cấp cho toàn bộ thiết bị. Thực hiện đóng cắt còi cảnh

báo và điều khiển các van.
Các thông số đo sau khi được xử lý ở khố
i buồng đo sẽ được truyền về khối HMI
thông qua đường bus nội bộ. Giá trị đo này sẽ được so sánh với ngưỡng do người
sử dụng đặt để đưa ra các tín hiệu cảnh báo còi đèn hoặc đóng mở các van tương
ứng khi vượt ngưỡng. Chi tiết về các khối này sẽ được trình bày ở những phần
dưới.



[2]

CPU

220VAC 50Hz
RS232

LCD
SET ESC
RS232 op
RS232 op
Thiết bị tự ghi
C
P
U
RS232
op

EEPRO
M

[1]
[3]
-23- CHƯƠNG III. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
3.1.3. Đặc điểm của thiết bị chế tạo
Đối với sản phẩm đo nồng độ dầu trong nước của đề tài, được đặt tên là OCM
98/2012 (Oil Content Metter 98/2012), do yêu cầu sử dụng là đo nồng độ dầu trong
nước thải tàu thủy sau hệ thống phân ly nên sản phẩm có tính năng sau:
a) Đo và hiển thị nồng độ dầu, dải đo đến 30ppm
b) Hi
ển thị bằng LCD màn hình 20x4
c) Bàn phím gồm 06 phím chức năng để cài đặt thông số và lật trang xem dữ
liệu và calib
d) Có các lối ra cảnh báo còi đèn, van khi giá trị đo vượt ngưỡng.
e) Có lối ra truyền số liệu RS232 cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi như
máy tự ghi hay máy tính.
f) Bộ nhớ lưu các cảnh báo EEPROM 4kByte
g) Nguồn nuôi
• Mức điện áp 5VDC: nuôi cho CPU, ADC, mạch số
truyền thông nội
bộ,
• Mức điện áp
9VDC± : nuôi cho khuếch đại thuật toán
• Mức điện áp 12VDC: nuôi cho rơ le đóng cắt và công tắc hành trình.
3.2. Nghiên cứu, thiết kế phần cứng buồng đo.
3.2.1. Phân tích
Đầu tiên cần phải có một vài xác định rõ ràng về giới hạn của môi trường nước

lacanh (đáy tàu) và sự tồn tại của dầu khoáng nhiễm trong môi trường nước này.
Dầu nhiễm bẩn trong nước lacanh chủ yếu có hai hình thức tồn tại có thể được tìm
thấy là dầu tự do và dầu dạng nhũ tương. Dầu tự do là những các giọt dầu lớn kết
hợp lại với nhau và tách khỏ
i nước nổi lên trên mặt nước. Dầu nhũ tương hóa là
các giọt lơ lửng có đường kính nhỏ hơn 20 micron sẽ không có khả năng hội nhập
lại với nhau và gây ra sự tăng kích thước. Chúng sẽ trở thành các giọt độc lập và
tồn tại ở đó lâu dài hầu như bền vững trong dạng nhũ tương. Tùy theo mật độ giọt
hay nồng độ dầu nhiễm trong nước mà cho phép thải tr
ực tiếp ra môi trường. Nếu
-24- CHƯƠNG III. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo


VIELINA “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ dầu ứng dụng
Đề tài cấp bộ 2012 trong hệ thống phân ly dầu nước trên tàu thủy”.
độ ô nhiễm cao trên mức cho phép thì cần phải chuyển qua thiết bị phân tách làm
giảm nồng độ nước thải xả.
Vậy từ đây nhận thấy một điều rõ ràng là dầu hòa tan trong nước sau phân ly
thực chất là tồn tại dưới dạng các giọt lơ lửng độc lập nhỏ bé và giữa chúng vẫn
tồn tại hai môi trường chiết xuất khác nhau. Tính chất này sẽ chính là cơ sở cho
việc tìm ki
ếm và xác định lượng dầu nhiễm trong nước thải của tàu thuyền và sẽ
được thực hiện dựa theo lý thuyết tán xạ ánh sáng Mie và hiệu ứng ánh sáng
Tyndall.
Lý thuyết Mie cho thấy rằng “quang thông của ánh sáng từ nguồn sáng đến các
tế bào tán xạ luôn phụ thuộc vào kích thước của những giọt dầu, bước sóng của
ánh sáng và góc tới của tia”. Hiệu ứng Tyndall chỉ ra rằng với môi trường đồng
nhất, không chứa các hạt l
ạ thì sẽ không có hiện tượng tán xạ ánh sáng nhưng khi
có các hạt lạ trong môi trường đó thì sẽ xảy ra sự tán xạ ánh sáng. Đồng thời hiệu

ứng này cũng chỉ ra, ánh sáng có bước sóng càng nhỏ thì càng dễ bị tán xạ và tiêu
hao mạnh trong quá trình tán xạ đó.
Như vậy có thể thấy, khi chiếu ánh sáng từ một nguồn sáng, được đặt ở một vị
trí xác định, vào một buồng mẫu thủy tinh chứa nước mẫ
u cần đo thì cường độ ánh
sáng đi qua buồng chứa mẫu cần đo thu được trên các cảm biến ánh sáng - đặt ở
phía bên kia buồng so với nguồn sáng, sẽ khác nhau tùy theo nồng độ dầu trong
nước. Hình 3.2 mô tả cách bố trí nguồn sáng, các cảm biến ánh sáng và buồng
mẫu.
Độ nhiễm dầu của mẫu nước có thể được xác định bằng cách đo cường độ
của một chùm ánh sáng truyền qua thu được trên các cảm biến ở vị trí trực xạ (cảm
biến ở góc 0
0
thẳng góc với nguồn sáng) và cường độ của ánh sáng bị tán xạ bởi
cùng mẫu nước thu được trên cảm biến tán xạ (cảm biến ở góc Ø #0 so với cảm
biến trực xạ).
Khi nước tinh khiết, cảm biến trực xạ sẽ nhận được ánh sáng (quang thông tại
đây khác không) còn các cảm biến tán xạ sẽ không nhận được (quang thông tại đây
bằng không). Khi nước bị nhiễm dầu, ánh sáng nhận
được trên cảm biến trực xạ sẽ
bị giảm vì một phần ánh sáng bị các giọt dầu hấp thụ, tán xạ còn ánh sáng nhận
được trên các cảm biến tán xạ sẽ có và tăng dần lên khi độ nhiễm dầu tăng lên.