Tiểu luận Kỹ thuật phát hiện rò rỉ khí Hydrocarbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
TALENTS FOR DEVELOPMENT


BÀI TIỂU LUẬN

Đề Tài: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN RÒ RỈ KHÍ
HYDROCACBON



Giảng viên: TS. Nguyễn Trung Khương Môn Học: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
Nhóm: Nhóm 2 - Lọc Hóa Dầu
Danh sách thành viên
1. Nguyễn Lương Thùy Dương
2. Nguyễn Thị Hồng Hoa
3. Trần Trung Hiếu
4. Đinh Văn Lục
5. Nguyễn Nhật Sang





Bà Rịa, tháng 11 năm 2014
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 2

Lời Nói Đầu



rong nhà máy chế biến dầu mỏ và khí đốt, hệ thống an toàn đóng vai trò quan
trọng trong việc đảm bảo giới hạn an toàn cho con người và các thiết bị hoạt động
ổn định. Hệ thống an toàn bao gồm nhiều hệ thống cảnh báo sớm trong đó có hệ
thống phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các khí dễ cháy như khí hydrocarbon. Các khí này bị
rò rỉ không chỉ gây ô nhiễm môi trường làm việc mà còn là nguyên nhân chính gây ra cháy
nổ trong nhà máy. Khi có sự cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt
hại vô cùng to lớn đối với nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Việc xác định
các nguy cơ tiềm ẩn thông qua xác định nồng độ các khí trên có trong không khí thông qua
các cảm biến khí được lắp đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà máy.
Trong bài tiểu luận này, chúng em xin trình bày về hệ thống phát hiện rò rỉ khí
Hydrocarbon điển hình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy, đặt biệt là các nhà máy
chế biến khí. Trong quá trình thực hiện, dù đã rất cố gắng tuy nhiên sẽ vẫn còn có những
sai sót. Mong thầy và các bạn sẽ đóng góp ý kiến sửa chữa để bài tiểu luận có thể đạt kết
quả tốt nhất.
Chúng em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình về cả tài liệu và phương hướng
làm đề tài của thầy đã giúp chúng em hoàn thành bài tiểu luận này.
Nhóm sinh viên thực hiện




Bà Rịa, tháng 11 năm 2014
T
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 3

Mục Lục

Chương I. TỔNG QUAN 5
1. Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí 5
2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1] 5
3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ 7
3.1 Các thuật ngữ liên quan [2] 7
3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3] 8
Chương II. ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5] 9
1. Giới thiệu chung 9
2. Cấu tạo 9
3. Nguyên tắc hoạt động 11
4. Độ nhạy tương đối 13
5. Đặc điểm của đầu dò xúc tác 14
Chương III. CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 15
1. Lịch sử phát triển [6] 16
2. Cơ sở lý thuyết [3] 17
3. Phân loại đầu dò hồng ngoại dựa trên vật liệu bán dẫn sử dụng [6] 19
4. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đầu dò hồng ngoại 20
4.1 Cảm biến điểm (Point IR detector) [7] 21
4.2 Cảm biến đường truyền rộng (open path IR detector) [7] 24
5. Camera hồng ngoại (Gas detection camera) [8] 27
6. Đặc điểm của đầu dò hồng ngoại [9] 28
Chương IV. SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN [4], [10] 29
1. Khả năng phát hiện rò rỉ. 29

2. Thích ứng với môi trường làm việc. 29
3. Giới hạn làm việc của đầu dò. 30
4. Bảo trì và sửa chữa. 30
5. Tuổi thọ thiết bị 31
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 4

Chương V. XỬ LÝ TÍN HIỆU [7] 32
TỔNG KẾT 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 5

Chương I.
TỔNG QUAN
1. Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí
Khí hydrocarbon là những khí dễ cháy nỗ khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ
cao. Trong nhà máy chế biến khí, các khí hydrocarbon bị rò rỉ chính là các mối nguy chính
gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh cũng như gây ra cháy nổ trong nhà máy. Khi có sự
cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn đối với
nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Do đó, công tác phòng cháy chữa cháy

luôn được chú trọng. Để phát hiện các nguy cơ cháy nổ trong nhà máy, nhà máy chế biến
khí Dinh Cố sử dụng các đầu dò cảm biến: cảm biến khí, cảm biến nhiệt, cảm biến lửa và
cảm biến khói. Các bộ cảm biến khí để phát hiện rò rỉ khí hydrocarbon trong nhà máy
thường được lắp đặt ở những nơi tồn chứa sản phẩm, xung quanh đường ống, xung quanh
các thiết bị công nghệ để xác định nguy cơ cháy nổ trong vùng đó.
Các tín hiệu thu được từ các đầu dò cảm biến được truyền về và được hiển thị trên
các panel điều khiển của hệ thống phòng chống cháy nổ trong phòng điều khiển trung tâm.
Các pane điều khiển tự động xử lý các tín hiệu cảm biến để xác định vùng có nguy cơ cháy
nổ, đồng thời:
 Đóng van cô lập vùng cháy nổ và xả khí ra đuốc đốt.
 Kích hoạt máy bơm chữa cháy
 Mở van xả nước, CO
2
vào vùng có cháy nổ
 Báo động bằng còi, đèn chớp ở vùng có cháy nổ và phòng điều khiển
Các khí hydrocarbon có thể bị rò rỉ do vỡ, nứt hệ thống ống dẫn, thiết bị hay do hở các
mối nối giữa các chi tiết cơ khí, hoặc bồn chứa.
2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1]
Dưới đây là bảng thống kê của Wiki về các tai nạn nghiêm trọng trên thế giới mà
nguyên nhân là do rò rỉ khí cháy nổ gây nên từ năm 2000 đến nay, bao gồm cả khu vực
công nghiệp và khu vực dân sinh.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 6

Thời gian Địa điểm Thiệt hại
19/8/2000 Carlsbad, New Mexico

Một đường ống dẫn khí tự nhiên bị vỡ và ngọn
lửa lan ra đã giết chết 12 người cắm trại gần đó.
17/1/2001 Hutchinson, Kansas, Mỹ
Khí tự nhiên được lưu trữ dưới lòng đất bị rò rỉ
vào các hang động rỗng gây ra hai vụ nổ. Một
phá hủy hai doanh nghiệp và làm bị thương 26
người. Một vụ nổ khác phá hủy một công viên
và giết chết hai người. Hố sụt và các đám mây
khí được hình thành xung quanh thành phố và
khí dần dần bị đốt cháy.
16/3/2004 Arkhangelsk, Nga
Một vụ nổ khí trong một căn hộ làm 58 người
chết.
11/5/2004
Nhà máy nhựa Stockline,
Maryhill, Glasgow
Khí rò ra từ một đường ống bị vỡ đã đánh lửa
làm 9 người thiệt mạng và 37 người bị thương.
2009 Versilia
Tàu Viareggio trật bánh, GPL được chứa trong
một toa xe lửa đã phát nổ, làm 33 người chết.
9/9/2010
San Bruno, California và
một vùng ngoại ô của San
Francisco
Khí bị rò rỉ và phát nổ, giết chết 4 người, làm 53
ngôi nhà bị đốt cháy và hơn 120 ngôi nhà bị hư
hại.
10/2/2011 Allentown, Pennsylvania
Một vụ nổ khí đã giết chết 5 người và san bằng

tòa nhà trong thành phố.
14/8/2012 Brentwood, New York
Một vụ nổ khí đã san bằng 1 ngôi nhà, giết chết
1 đứa trẻ và làm bị thương 17 người.
23/11/2012
Springfield,
Massachusetts
Một vụ rò rỉ và nổ khí tự nhiên đã phá hủy 2 tòa
nhà, gây thiệt hại cho 42 tòa nhà khác và làm bị
thương 21 người.
18/12/2012 Reynosa, Mexico
Nổ nhà máy khí của hãng Pemex, làm 26 người
chết
6/8/2013 Rosario, Argentina Vụ nổ khí làm 21 người chết.
12/3/2014
Khu căn hộ East Harlem,
Manhattan, New York
Vụ nổ khí làm ít nhất 8 người chết và hơn 70
người bị thương.
31/7/2014 Cao Hùng, Đài Loan
Rò rỉ khí trên đường ống dẫn khí dưới những
con đường công cộng gây thiệt hại đáng kể cho
thành phố.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 7

Hình 1: Quang cảnh sau vụ nổ tại nhà máy khí của hãng Pemex, Mexico
3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ
3.1 Các thuật ngữ liên quan [2]
 Khí dễ cháy (flammable gas) là khí dễ dàng bắt cháy khi tiếp xúc với nhiệt và
ngọn lửa. Các Hydrocarbon đều là các khí dễ cháy.
 Giới hạn cháy/nổ dưới (Lower flammable limit – LFL/Lower explosion limit
– LEL) là nồng độ thấp nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi có thể bắt cháy và duy trì sự
cháy ở điều kiện xác định, thường cho bởi % về thể tích. Ở khoảng nồng độ thấp hơn giới
hạn nổ dưới, khí/hơi không đủ để duy trì sự cháy.
 Giới hạn cháy/nổ trên (Upper flammable limit –UFL /Upper explosion limit
– UEL) là nồng độ cao nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi còn duy trì sự cháy ở điều
kiện xác định. Ở khoảng nồng độ cao hơn giới hạn nổ trên, oxi không đủ để duy trì sự
cháy.
 Khoảng cháy/nổ (flammable range/ explosive range) là khoảng nồng độ từ
giới hạn dưới đến giới hạn trên.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 8

 Điểm bốc cháy (flash point) là nhiệt độ thấp nhất mà chất lỏng tạo ra trên bề
mặt nó một lượng hơi đủ để tạo thành hỗn hợp cháy/nổ. Điểm bốc cháy phụ thuộc vào áp
suất hơi và giới hạn cháy/nổ dưới.
3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3]
Trước hết, cần phân biệt rõ ràng 2 thuật ngữ khí và hơi:
 Khí là dạng vật chất tồn tại trên khoảng nhiệt độ sôi, khả năng gây cháy nổ
của khí được đặc trưng bởi giới hạn nổ dưới, giới hạn này càng thấp, khả năng gây cháy nổ

càng cao.Ở khí không tồn tại điểm bốc cháy.Như vậy, để đảm bảo an toàn trong công
nghiệp, cần kiểm soát nồng độ khí rò rỉ thấp hơn giới hạn nổ dưới để phòng ngừa khả năng
cháy nổ.
Giới hạn nổ dưới thường nằm từ 0,5 – 15% về thể tích.
 Hơi là dạng vật chất thuộc thể khí tồn tại dưới khoảng nhiệt độ sôi, thường
nằm trong cân bằng với pha lỏng hoặc rắn và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, áp suất. Khả
năng gây cháy nổ của hơi phụ thuộc vào điểm bốc cháy (Ký hiệu F), nhiệt độ bốc cháy
càng thấp, khả năng gây cháy nổ càng cao.
Gas LEL in Vol - % LEL in g/m
3

Ignition Temp in
o
C
Acetylene 2.3 24.9 305
Ammonia 15.4 109.1 630
1,3-butadien 1.4 31.6 415
i-butane 1.5 36.3 460
n-butane 1.4 33.9 365
n-butene 1.2 28.1 360
Dimethylether 2.7 51.9 240
Ethene 2.4 28.1 440
Ethylene oxide 2.6 47.8 435
Hydrogen 4.0 3.3 560
Methane 4.4 29.3 595
Methyl chloride 7.6 159.9 625
Propane 1.7 31.2 470
Propene 1.8 31.6 485
Bảng 1: Một số đặc trưng của một số loại khí dễ cháy nổ
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 9

Chương II.
ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5]
1. Giới thiệu chung
Đầu dò xúc tác loại pellistor đã được sử rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp,
trong các thiết bị phát hiện khí dễ cháy đơn điểm trong khoảng hơn 50 năm, bắt đầu từ
khoảng những năm 1960.
2. Cấu tạo
Đầu dò có cấu tạo tương đối đơn giản và dễ dàng để sản xuất. Cấu tạo phụ thuộc
vào các nhà sản xuất khác nhau nhưng cơ bản đề gồm những thành phần cơ bản sau:
 1 sợi platin hình xoắn ốc được phủ xúc tác nhạy khí, có vai trò là cảm biến.
 1 sợi dây platin khác phủ vật liệu trơ không có hoạt tính xúc tác (như vàng)
đóng vai trò bù lại sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường khi cảm biến hoạt động,
đóng vai trò là bộ tham chiếu.
 Cả 2 sợi dây được cố định bằng cách quấn quanh 1 lõi sứ kim loại, thường là
nhôm oxit và được treo độc lập bằng mỗi 2 chấu bằng niken.
 Chúng được đặt bên trong lớp nilon chịu nhiệt và lớp lưới bằng thép để bảo
vệ đầu dò khỏi các tác động từ bên ngoài.

Hình 2: Đầu dò (nhìn từ trên xuống) Hình 3:Sensor nhìn từ cạnh bên
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 10


Hình 4: Cảm biến khí xúc tác Hình 5: Hình ảnh thực tế đầu dò xúc tác
 Người ta sử dụng platin là do các nguyên nhân sau:
 Ở điều kiện thường các khí dễ cháy sẽ không cháy cho tới khi đạt được nhiệt
độ bốc cháy (ignition temperature). Tuy nhiên, trong điều kiện hoạt động hóa học chúng có
thể bắt cháy ở nhiệt độ thấp hơn. Hiện tượng này gọi là xúc tác cháy. Hầu hết các oxit kim
loại và hợp chất của chúng có đặc tính xúc tác. Paladi, palatin, thori và các hợp chất của
chúng là những chất xúc tác có hoạt tính cao nhất.
 Platin có hệ số trở nhiệt lớn so với các kim loại khác. Hệ số trở nhiệt của Pt
tuyến tính trong khoảng nhiệt độ từ 500
0
C – 1000
0
C, khoảng nhiệt độ cần thiết để cảm biến
có thể hoạt động.
 Tính chất vật lý của Pt cho phép chế tạo thành dạng sợi xoắn và kích thước
nhỏ. Dây Pt có đường kính nhỏ không chỉ nhằm mục đích làm giảm kích thước của đầu dò
mà còn làm tăng tín hiệu nhờ tăng điện trở, giảm công suất tiêu thụ.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 11

 Bên cạnh đó Pt bền về mặt hóa học, là chất chống ăn mòn và có thể hoạt
động ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài mà không bị biến tính. Điều này giúp các
cảm biến có thể sử dụng trong khoảng thời gian dài mà không cần thay thế, sửa chữa.

 Cầu đo Wheatstone Bridge
Cầu đo Wheatstone Bridge
dùng để đo tín hiệu đầu ra của sensor
được phát minh bởi Sir Charles
Wheatstone bao gồm mạch cầu như
hình vẽ. Mạch được nối với một
nguồn điện một chiều vào 2 nút, 2
nút còn lại được nối với với mạch đo
đầu ra.

Hình 6: Cầu đo Wheatstone Bridge
R
1
là điện trở cắt có vai trò giữ cho mạch cầu cân bằng. Khi mạch cầu cân bằng thì
sẽ không có tín hiệu đầu ra. Giá trị 2 điện trở R
B
và R
1
được lựa chọn lớn đảm bảo tính
chính xác của mạch cầu.
3. Nguyên tắc hoạt động
Các đầu dò xúc tác hoạt động trên nguyên tắc tương đối đơn giản và hiệu quả trên
cơ sở là một khí dễ cháy có thể được oxy hóa để tạo ra nhiệt. Kết quả là nhiệt độ thay đổi,
từ đó có thể được chuyển đổi, thông qua một Wheatstone cầu tiêu chuẩn, trở thành một tín
hiệu cảm biến. Tín hiệu đó có thể được sử dụng để kích hoạt báo động và bắt đầu quy trình
phòng ngừa cháy nổ.
Khi đầu dò hoạt động, một dòng điện khoảng 150mA sẽ nung nóng phần sứ xúc tác
đến nhiệt độ 500
0
C, nhiệt độ này sẽ đốt cháy khí hydrocacbon tiếp xúc với nó làm tăng

nhiệt độ và thay đổi điện trở của sensor hoạt động. khi đó Wheatstone brigde sẽ không cân
bằng gây ra độ chênh lệch điện thế. Tín hiệu này được đo lại là cầu đo. Do đó, giá trị điện
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 12

trở của bộ tham chiếu phải là hằng số trong suốt thời gian đo để có được kết quả chính xác
nhất.
Đầu ra của sensor tỉ lệ với tỉ lệ oxi hóa khí hydrocacbon. Giá trị cực đại của đầu ra
đạt được khi tỉ lệ thành phần hỗn hợp tuân theo phương trình phản ứng cháy. Ví dụ đối với
metan:
CH
4
+ 2O
2
+8N
2
 CO
2
+ 2H
2
O + 8N
2

Theo lý thuyết thì phản ứng xảy ra hoàn toàn khi tỉ lệ là 1 mol CH
4
và 10 mol

không khí, hay 9,09% methane trong hỗn hợp khí.

Hình 7: Đặc tuyến điện áp tín hiệu ra phụ thuộc vào nồng độ khí methane của cảm
biến xúc tác
Từ đồ thị ta có thể thấy vùng nồng độ methan từ 0 – 5% (đạt giới hạn nổ thấp – LEL
hay Lower expoisive limit) có tín hiệu đầu ra V
out
tuyến tính. Nồng độ methan càng gần đạt
tỉ lệ theo lý thuyết thì tín hiệuV
out
càng tăng mạnh tới khi đạt giá trị cực đại ở 10%.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 13

Tiếp tục tăng nồng độ methane thì tín hiệu đầu ra càng giảm dần về 0, hiện tượng
này là do thiếu oxy cho phản ứng cháy xảy ra.
Vùng nồng độ cókhả năng gây cháy nổ của khí là từ nồng độ LEL đến UEL, đối với
mỗi loại khí cháy là khác nhau, ví dụ của methane (CH4) 5-15 %, propane (C3H8) 2-9 %
và hydro (H2) là 4-75 %.
4. Độ nhạy tương đối
Sự biến thiên của % LEL của các khí khác nhau được gọi là độ nhạy tương đối. Độ
nhạy tương đối được xác định bằng thực nghiệm, và được đi kèm với thiết bị do nhà sản
xuất cung cấp. Việc tính toán độ nhạy tương đối thông qua hệ số điều chỉnh.
Hệ số điều chỉnh cho phép người sử dụng có thể đo các loại khí Hydrocacbon khác
nhau bằng cách nhân thêm 1 hệ số với kết quả đo được để có kết quả đo đạt cuối cùng.
Người ta sử dụng methane làm khí chuẩn để điều chỉnh bởi vì:

 Khí methane là một khí rất phổ biến, thường gặp trong các hỗn hợp khí.
 Khí methane cần sensor hoạt động ở nhiệt độ cao nhất so với các
hydrocacbon khác.
Hệ số điều chỉnh tùy thuộc vào loại sensor, tuổi thọ của sensor, do đó cách tốt nhất
là điều chỉnh sensor trực tiếp theo từng loại khí.
Gas Reading Gas Reading
Methane 100% Methanol 100%
Propane 60% Ethanol 70%
n-Butane 60% Iso-Propyl Alcohol 60%
n-Pentane 50% Acetone 60%
n-Hexane 45% Methy Ethyl Ketone 50%
Bảng 2: Hệ số điều chỉnh của một số loại khí của 1 loại sensor
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 14

5. Đặc điểm của đầu dò xúc tác
- Khoảng nhiệt độ hoạt động lớn: -40
0
C đến 60
0
C
- Độ ẩm trong khoảng 5-95%RH
- Áp suất trong khoảng:70-130kPa
- Độ chính xác của phép đo tương đối cao <±5%
- Thời gian hồi đáp nhanh: từ 10 đến 15s.
- Thời gian sống dài: 2-3 năm, độ mất hoạt tính 5-10%/năm, phụ thuộc vào

mục đích sử dụng, môi trường làm việc, loại sensor.
- Sensor cần được kiểm tra, điều chỉnh sau khoảng thời gian 3-6 tháng hoạt
động.
 Nhược điểm
 Ngộ độc xúc tác
 Xúc tác của sensor có thể bị ngộ độc dẫn đến mất dần hoạt tính, giảm độ
nhạy và độ chính xác của sensor, thậm chí có thẻ mấy hoạt tính hoàn toàn chỉ với 1 lượng
nhỏ các tạp chất.
 Những chất có thể gây ngộ độc xúc tác thường là Si, một thành phần phụ gia
thường thấy trong dầu bôi trơn của các thiết bị. Bên cạnh đó các hợp chất khác chứa lưu
huỳnh, clo và các kim loại nặng trong khí thiên nhiên cũng là nguyên nhân gây ngộ độc
xúc tác vĩnh viễn.
 Một số tạp chất như các hợp chất chứa halogen có thể gây ức chế sensor xúc
tác, làm mất hoạt tính tạm thời. Sau khoảng thời gian 24-48h, sensor có thể trở lại hoạt
động bình thường.
 Phá hủy sensor
 Đầu dò có thể bị phá hủy, hỏng trong điều kiện nồng độ khí cháy quá cao,
lượng nhiệt sinh ra quá lớn và quá trình oxi hóa diễn ra mạnh diễn ra trên bề mặt của
sensor, làm giảm độ chính xác của sensor.


Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 15

Chương III.
CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

Cảm biến xúc tác tồn tại một số nhược điểm như đầu dò dễ bị ngộ độc, bị ăn mòn
dưới tác động của môi trường, phải duy trì oxi để đảm bảo độ chính xác của cảm biến và
tuổi thọ cảm biến giảm khi sự phơi nhiễm khí được lặp lại nhiều lần. Khác với các cảm
biến xúc tác, cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc trực tiếp với khí cần đo. Nếu như không
tính đến sự ngưng tụ khí hay sự hạn chế do sự gia tăng nhiệt độ bề mặt thì cảm biến IR có
thể đo chính xác và thậm chí đạt hiệu quả cao hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Chính
vì những lý do đómà cảm biến hồng ngoại ngày càng được sử dụng nhiều hơn để thay thế
cho cảm biến xúc tác. Chúng làm việc tốt ở nồng độ ôxy thấp hoặc trong môi trường
acetylene. Tuy nhiên, việc đầu tư cho các cảm biến hồng ngoại khá tốn kém.
Cảm biến hồng ngoại hay cảm
biến IR (Infrared radiation sensor/
Infrared radiation detector) hoạt
động dựa trên sự phát và nhận tín
hiệu hồng ngoại để phát hiện rò rỉ
khí, đặc biệt là các Hydrocacbon.


Hình 8: Đầu dò hồng ngoại

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 16

1. Lịch sử phát triển [6]
Các máy dò hồng ngoại được sử dụng để phát hiện, chụp hình, và đo năng lượng
của bức xạ nhiệt mà tất cả các đối tượng phát ra. Sự phát triển của cặp nhiệt điện và các
nhiệt kế bức xạ bắt đầu vào thế kỷ 19. Các thiết bị này bao gồm một đầu dò duy nhất dựa

vào sự thay đổi nhiệt độ của máy dò. Công nghệ này đã phát triển và được sử dụng đến
ngày nay. Tuy nhiên, máy dò nhiệt thường nhạy cảm với tất cả các bước sóng hồng ngoại
và hoạt động ở nhiệt độ phòng. Ngoài điều kiện này, chúng có độ nhạy tương đối thấp và
phản ứng chậm.
Đầu dò photon được phát triển để cải thiện độ nhạy và thời gian cho ra kết quả. Chì
sulfide (PbS) là đầu dò hồng ngoại đầu tiên được thực nghiệm. Chúng nhạy với bước sóng
hồng ngoại lên đến ~ 3 mm.
Cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, một loạt các vật liệu mới được phát
triển, sử dụng làm đầu dò hồng ngoại. Selenua chì (PbSe), tellurua chì (PbTe), và indium
antimonide (InSb) phát hiện đượcdải quang phổ rộng hơn so với PbS và nhạy trong khoảng
bước sóng trung bình (MWIR)- 3-5 .
Vào cuối thập niên 1960 và đầu những năm 1970, các đầu dò quang dẫn sử dụng các
kim loại bán dẫn như Hg, Cd, Te… cho phép xác định được các bức xạ hồng ngoại có bước
sóng dài LWIR ở 80K.Kích thước các máy dò cũng nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn và tiêu thụ điện
năng ít hơn.
Những năm 1970, công nghệ Silicon (PtSi) được hình thành và phát triển, tạo ra các
đầu dò đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng đo lường MWIR với độ phân giải cao.
Các máy dò quang điện như InSb, PtSi, và thiết bị dò MCT hoặc các chất quang dẫn trở
kháng cao như PbSe, PBS, và các máy dò silicon có trở kháng phù hợp để giao tiếp với các
đầu vào FET của máy hiển thị đa bộ. Ngày nay, các đầu dò nguyên khối PtSi được sử dụng
rộng rãi và phổ biến.

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 17

2. Cơ sở lý thuyết [3]

Sự hấp thụ các bức xạ là một tính chất đặc trưng của các chất khí, thậm chí một số
khí có thể hấp thụ các bước sóng trong phạm vi có thể nhìn thấy (0,4-0,8 μm). Đây là lý do
tại sao clo có màu màu vàng, brom và nito dioxit có màu nâu đỏ, iốt có màu tím, Tuy
nhiên, những màu sắc chỉ có thể được nhìn thấy ở nồng độ khá cao. Hydrocarbon hấp thụ
bức xạ trong khoảng bước sóng nhất định mà trong khoảng này, hơi nước, khí cacbonic,
oxy, nitơ và argon không hấp thụ. chính tính chất này có thể giúp chúng ta xác định nồng
độ của các hydrocacbon trong không khí. Các dải hấp thụ của khí hydrocacbon thường
nằm trong khoảng từ 3,2-3,5 μm của vùng hồng ngoại có bước sóng trung bình (MWIR),
và khoảng 7-14 μm của vùng hồng ngoại có bước sóng dài (LWIR). Tuy nhiên, khả năng
hấp thụ của các Hydrocacbon trong khoảng bước sóng dài dao động rất lớn nên các bức xạ
trong vùng này (LWIR) ít được sử dụng. Trong các cảm biến, chủ yếu sử dụng bức xạ có
bước sóng 3,4 μm thuộc vùng MWIR.
Hình 9: Một phân tử methane sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại sẽ chuyển động
hỗn loạn

CH
4
+ energy  CH
4
*

(ở trạng thái kích thích)

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 18

Hình 10: Sự hấp thụ của khí methane và butane trong vùng hồng ngoại có bước
sóng trung bình và dài
Không khí có chứa các Hydrocacbon (ví dụ như C1, C2, C3…) sẽ làm giảm cường
độ của bức xạ hồng ngoại có bước sóng xác định khi đi qua nó. Và độ giảm cường độ bức
xạ phụ thuộc vào nồng độ của các hydrocacbon trong hỗn hợp khí mà bức xạ đi qua.
Đối với không khí: bức xạ hồng ngoại đi qua không bị suy giảm cường độ, nên
không thu được tín hiệu đo.
Đối với khí hydrocacbon: bức xạ hồng ngoại đi qua bị suy giảm cường độ, thu được
tín hiệu đo tương ứng với nồng độ khí trong hỗn hợp.
Vậy, ta có kết luận về mối tương quan giữa độ giảm cường độ đo được và nồng độ
khí hydrocacbon: Ứng với mỗi nồng độ khí xác định sẽ luôn luôn tạo ra cùng một độ giảm
cường độ bức xạ, do đó sẽ cho cùng một tín hiệu đo.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 19

Tuy nhiên, một số khí hydrocacbon và khí dễ cháy nổ khác phản hồi yếu hoặc
không phản hồi với các cảm biến hồng ngoại. Một số hydrocacbon thơm, acetilen, amoniac
và khí cacbonic không thể được dò ra bởi kỹ thuật IR với các bức xạ 3,4 μm. Ngoài ra, việc
giảm cường độ bức xạ có thể gây ra bởi các yếu tố khác (đầu dò bị bẩn hay sự suy giảm
cường độ bức xạ của nguồn) gây ảnh hưởng đến kết quả đo bằng phương pháp IR.
3. Phân loại đầu dò hồng ngoại dựa trên vật liệu bán dẫn sử dụng [6]
Thiết bị cảm biến là một bộ gồm nhiều bộ phận nhỏ tạo thành, trong đó bộ phận
quan trọng là một khối bán dẫn nhận nhiệm vụ hấp thụ tín hiệu quang, nhiệt, rồi biến đổi
thông qua vi xử lý tạo tín hiệu điện. Trong mục này sẽ đi xem xétđến vấn đề phân loại cảm
biến dựa trên các vật liệu bán dẫn sử dụng.
Đầu dò hồng ngoại có thể được chia thành 2 loại: đầu dò photon và đầu dò nhiệt.

Các đầu dò photon hấp thụ các bức xạ hồng ngoại dựa trên sự tương tác với các hạt
điện tử trong vật liệu. Tín hiệu đầu ra thu được do sự thay đổi sự phân bố năng lượng điện
tử. Các đầu dò photon hấp thụ có chọn lọc các bức xạ hồng ngoại có bước sóng thích hợp.
Tín hiệu đầu ra thu được tương đối chính xác và sự phản hồi xảy ra nhanh chóng. Để đạt
được điều này, các đầu dò photon cần được làm mát trong suốt quá trình hoạt động. Yêu
cầu làm mát đầu dò chính là khó khăn lớn nhất đối với việc phổ biến rộng rãi của các hệ
thống IR, làm cho chúng cồng kềnh, nặng nề, tốn kém và bất tiện để sử dụng. Tùy thuộc
vào bản chất tương tác, các đầu dò photon được chia nhỏ thành nhiều loại như đầu dò bên
trong, đầu dò bên ngoài, đầu dò quang điện ngoài và đầu dò lượng tử.
Đầu dò nhiệt hấp thụ các bức xạ hồng ngoại để thay đổi nhiệt độ của vật liệu cũng
như một số tính chất vật lý để đưa ra kết quả là các tín hiệu điện. Hiệu ứng nhiệt thường
độc lập đối với các bước sóng hồng ngoại; tín hiệu phụ thuộc vào năng lượng bức xạ (hoặc
tốc độ thay đổi) nhưng không theo thành phần quang phổ của nó. Khác với các đầu dò
photon, các đầu dò nhiệt thường hoạt động ở nhiệt độ phòng. Chúng thường có độ nhạy
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 20

thấp hơn cũng như cho kết quả chậm hơn so với đầu dò photon nhưng giá thành rẻ và dễ sử
dụng.
Loại đầu dò Ưu điểm Nhược điểm
Đầu dò nhiệt

Nhẹ, chắc chắn, đáng
tin cậy, và chi phí thấp
 Hoạt động nhiệt độ
phòng

 Khả năng đo hạn chế ở
tần số cao
 Phản ứng chậm
Đầu dò photon

Dễ nghiên cứu
 Công nghệ tiên tiến
 Đo được những bước
sóng dài
 Hiệu suất cao
 Công nghệ đơn giản

 Yêu cầu vật liệu cao
 Hoạt động ở nhiệt độ
thấp
 Thiết kế phức tạp
 Chi phí cao

Bảng 3: Ưu nhược điểm của đầu dò nhiệt và đầu dò photon
4. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đầu dò hồng ngoại
Phương pháp IR đo nồng độ khí dựa trên khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của
hydrocacbon ứng với bước sóng xác định trên một thể tích khí. Dựa trên vùng không gian
làm việc, cảm biến hồng ngoại được phân ra làm 2 loại là cảm biến điểm và cảm biến
đường truyền rộng. Đối với cảm biến điểm, độ dài của đường truyền bức xạ rất nhỏ,
khoảng vài inch và được cố định trong thiết bị cảm biến. Đối với cảm biến đường truyền
rộng, độ dài của đường truyền bức xạ rất lớn so với cảm biến điểm, có thể lên đến 130m.
Cảm biến dựa trên công nghệ IR sử dụng 2 bước sóng:
 Chùm tia bức xạ đo lường (active beam) có bước sóng khoảng 3.4 μm,
bị hấp thụ bởi hydrocacbon.
 Chùm tia bức xạ tham chiếu (reference beam) có bước sóng khoảng

4,0 μm, không bị hấp thụ bởi hydrocacbon cũng như các thành phần của không khí
như hơi nước, khí nito, oxi và cacbon dioxit.
Việc sử dụng bức xạ tham chiếu là một trong những tiến bộ của cảm biến hồng
ngoại so với cảm biến xúc tác. Nhờ có bức xạ tham chiếu mà hệ thống có thể tự động đánh
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 21

giá được tình trạng làm việc của cảm biến, từ đó giúp người điều khiển có các biện pháp
thay thế, sửa chữa phù hợp để tăng tuổi thọ cảm biến cũng như đảm bảo an toàn trong công
nghiệp.
4.1 Cảm biến điểm (Point IR detector) [7]
Cảm biến điểm được sử dụng để kiểm soát an toàn về cháy nổ thông qua sự
phát hiện nồng độ của các Hydrocacbon. Nếu nồng độ này vượt quá giới hạn nổ
dưới ( Lower Explosive Level – LEL), khí có thể bắt lửa và dẫn đến nổ. Vì vậy, các
cảm biến điểm thường được lắp đặt tại các vị trí có nguy cơ rò rỉ khí với nồng độ
cao.

Hình 11: Đầu dò điểm hồng ngoại IR2100
Các nguồn bức xạ của một bộ cảm biến hồng ngoại là 2 ngọn đèn dây tóc nhấp
nháy, hoạt động với điện áp thấp, tạo ra 2 nguồn hồng ngoại lớn. Sau khi đi qua kính lọc,
một nguồn cho chùm bức xạ đo lường có bước sóng khoảng 3.4 μm, một nguồn cho chùm
bức xạ tham chiếu có bước sóng khoảng 4,0 μm. Hai chùm tia này lệch pha nhau do nguồn
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 22

nhấp nháy, nhờ có beam splitter và thấu kính Fresnel có tác dụng nắn tia, 2 chùm tia được
định hướng đi qua của sổ quang học (optical window).
Tại đây, cường độ của chùm đo lường bị giảm xuống do sự hấp thụ của khí
Hydrocacbon, sự giảm này tương ứng với nồng độ của hydrocacbon. Các chùm tia đi ra sẽ
được thu nhận xen kẽ bởi một đầu dò như đã mô tả ở phần trước, năng lượng bức xạ nhận
được sẽ được chuyển đổi thành điện áp đo lường. Tín hiệu đầu ra của thiết bị khoảng từ 4 –
20mA.
Vì hydrocacbon và không khí không hấp thụ bức xạ có bước sóng khoảng 4,0 μm,
nên chùm bức xạ tham chiếu thường được giữ nguyên hoặc giảm nhẹ về cường độ. Trong
trường hợp nếu phát hiện một năng lượng bức xạ giảm ở cả 2 chùm tia, hệ thống sẽ tự động
nhận định có sự cố xảy ra với cảm biến điểm. Nhờ có cảm biến tham chiếu mà chúng ta có
thể xác định được điều kiện các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo còn nằm trong một giới hạn
chấp nhận được. Khi các yếu tố này có ảnh hưởng lớn, gây sai số lớn cho việc đo lường thì
bộ cảm biến sẽ tự động yêu cầu được bảo trì.
Các tín hiệu điện thu được từ cảm biến sẽ được xử lý bởi một bộ vi xử lý
(microprocessor) với sự giúp đỡ của bảng tra cứu nồng độ khí và hệ số hiệu chỉnh cho sự
thay đổi của nhiệt độ môi trường xung quanh. Bảng tra cứu nồng độ khí có thể lên đến 8
khí (số liệu từ General Monitors) có thể được lưu trữ trong bộ nhớ của vi xử lý, các khí có
thể được dò ra trong khoảng từ 0 – 100% LEL, hoặc cũng có thể 0 – 100% theo nồng độ
thể tích. Tùy thuộc vào sự thay đổi bước sóng của chùm bức xạ đo lường mà phạm vi khí
hydrocacbon dò được có thể khác nhau.
Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 23

Hình 12: Thiết bị phát hiện khí điểm hồng ngoại và các loại khí hoạt động
Tất cả các bộ phận đều được lắp đặt bên trong một vỏ chống cháy nổ với cửa sổ
quang học là một khoảng hẹp cỡ vài inch. Các cửa sổ quang học thường được làm sạch
định kỳ để đảm bảo cho thiết bị cảm biến hoạt động hiệu quả. Do chi phí chế tạo thấp mà
các cảm biến điểm tỏ ra khá khả thi với nhiều ứng dụng công nghiệp.
Lưu ý: Các mô tả về cảm biến điểm
dựa trên loại cảm biến điểm IR2100 của
hãng General Monitors, các cảm biến
điểm nói chung đều dựa trên cùng một
nguyên lý hoạt động, tuy nhiên, cấu tạo có
thể khác nhau tùy theo công nghệ của mỗi
hãng sản xuất. Ví dụ: có thể sử dụng 1
nguồn phát băng thông rộng thay cho 2
nguồn, sử dụng 2 đầu dò nhận tín hiệu
thay cho cho 1 đầu dò nên không cần
nguồn nhấp nháy,

Hình13: Cảm biến điểm công nghệ của hãng MSA

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 24

4.2 Cảm biến đường truyền rộng (open path IR detector) [7]
Cơ chế làm việc của cảm biến đường truyền rộng tương tự cảm biến điểm, tuy nhiên

về cấu tạo hơi khác với cảm biến điểm, cảm biến đường truyền rộng được phân tách thành
2 phần là thiết bị phát và thiết bị nhận, cửa sổ quang học có thể được mở rộng ra đến 130m,
không còn bị giới hạn bên trong thiết bị cảm biến như cảm biến điểm.

Hình 14: Cảm biến đường truyền rộng (open path IR detector)
Nguồn là một cực phát IR băng thông rộng. Các chùm bức xạ đo lường và chùm bức
xạ tham chiếu được luân phiên lựa chọn thông qua một bánh xe xoay. Tín hiệu ra cũng
được nối với bộ vi xử lý và xử lý như đối với cảm biến điểm.

Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon

Kỹ Thuật Đo Lường
PVU

Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 25

Không giống cảm biến điểm, cảm biến đường truyền rộng không giám sát độ rò rỉ
của khí tại một vị trí, mà là trên cả quãng đường truyền bức xạ của nó. Vì vậy, nồng độ khí
có thể được đo đến ppm.m hoặc LEL.m, từ đó có thể tính toán đến nồng độ khí trung bình
và độ dài của đám mây khí. Như vậy một đám mây nhỏ dày đặc khí hydrocarbon có thể
cho cùng một đầu ra như một đám mây khí phân tán rộng nếu nồng độ khí trên chiều dài
đường đi là như nhau.

Hình 15: Cảm biến hồng ngoại IR5000 và vùng khuếch tán của khí rò rỉ trong điều kiện
khác nhau
Trong trường hợp khí phân tán trên diện rộng, khí vẫn có thể được phát hiện nhờ
cảm biến đường truyền rộng, sử dụng cảm biến điểm chỉ phát hiện được bất thường trong
trường hợp được lắp đặt tại vị trí xảy ra rò rỉ với nồng độ tập trung lớn. Nếu trong môi
trường lưu thông khí tốt và có gió, khả năng phát hiện rò rỉ giảm xuống. Một số trường hợp
do khoảng cách lớn cần lắp đặt thêm gương để tăng cường chùm tia phản xạ từ các góc tới

thiết bị nhận của cảm biến đường truyền rộng.