Thiết bị đo khí sử dụng công nghệ FPAA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VĂN HIẾU

THIẾT BỊ ĐO KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VĂN HIẾU

THIẾT BỊ ĐO KHÍ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan quyển luận văn thạc sỹ khoa học: “Thiết bị đo khí sử
dụng công nghệ FPAA” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TSKH. Trần Hoài Linh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành quyển luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi
trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu
nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2012
Học viên

Phạm Văn Hiếu

- 1 -


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác ....................................................................11 
Hình 1.2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2).......................................14 
Hình 1.3. Cấu tạo cảm biến điện hóa ........................................................................17 
Hình 1.4. Tam giác bốc lửa.......................................................................................25 
Hình 1.5. Nguyên lý cơ bản của mạch an toàn tia lửa hoạt động theo nguyên tắc hạn
chế khả năng gây cháy nổ bằng cách hạn chế năng lượng điện và nhiệt độ bề
mặt. Mạch bao gồm thành phần cơ bản: nguồn điện, điện trở, điện cảm và điện
dung. ..................................................................................................................27 
Hình 1.6. Mạch thuần trở ..........................................................................................27 
Hình 1.7. a) Đường đặc tính bốc lửa tối thiểu theo nhóm khí cho thiết bị điện dùng
trong khai thác mỏ (nhóm I). b) Đường đặc tính giới hạn nổ cao và giới hạn nổ
thấp của từng loại khí.........................................................................................28 

Hình 1.8. Hàng rào an toàn dùng đi-ốt zener ............................................................31 
Hình 1.9. Kết nối thiết bị giữa vùng an toàn và vùng nguy hiểm thông qua rào chắn
antoàn tia lửa dùng đi-ốt zener. .........................................................................32 
Hình 1.10. Rào chắn an toàn tia lửa tổ hợp...............................................................33 
Hình 2.1. Sơ đồ khối thiết bị .....................................................................................35 
Hình 2.2. Vi xử lý trung tâm PSoC...........................................................................36 
Hình 2.3. Sơ cấu trúc của chíp PSoC1 và sơ đồ chân của chíp CY8C29566 ...........37 
Hình 2.4. Chip FPAA AN231E04 ............................................................................40 
Hình 2.5. LCD 2x8 ký tự và Chíp DS1307...............................................................41 
Hình 2.6. Thẻ nhớ dung lượng lớn SD (1GB) ..........................................................42 
Hình 2.7. Opto-Coupler PC817 và sơ đồ kết nối liên động cắt điện của thiết bị đo.42 
Hình 2.8. IC Max3080 ..............................................................................................43 
Hình 2.9. IC AM422 .................................................................................................44 
Hình 2.10.Cảm biến khí mê-tan của Nemoto............................................................46 
Hình 2.11. Đặc tính của cảm biến khí mê-tan NPL-13S ..........................................47 
Hình 2.12. Sensor NAP-701......................................................................................47 
Hình 2.13. Đặc tính đầu ra của sensor NAP-701 ......................................................48 
Hình 3.1. Sơ đồ khối thiết bị .....................................................................................50 
Hình 3.2. Sơ đồ khối ghép nối giữa PSoC và FPAA ................................................51 
Hình 3.3. Sơ đồ kết nối chân của chip FPAA AN231E04........................................51 
Hình 3.4. a: Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến khí CH4..............................52 
Hình 3.4. b: Sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến CO điện hóa .......................52 
- 2 -


Hình 3.5. Cấu hình bộ khuếch đại đảo trong chip FPAA .........................................53 
Hình 3.6. Cấu hình bộ tích phân và bộ khuếch đại của cảm biến đo khí CO ...........54 
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối phím bấm ............................................................................55 
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối phím bấm “E” .....................................................................56 
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối LCD2x8 ..............................................................................56 

Hình 3.10. Sơ đồ mạch còi đèn và tín hiệu cắt điện..................................................57 
Hình 3.11. Sơ đồ mạch truyền thông ........................................................................58 
Hình 3.12. Sơ đồ mạch truyền 4-20mA ....................................................................58 
Hình 3.13. Sơ đồ mạch bộ ắc quy .............................................................................59 
Hình 3.14. Sơ đồ mạch ổn áp cảm biến CH4............................................................59 
Hình 3.15. Sơ đồ mạch ổn áp mạch chính ................................................................60 
Hình 3.16. Các mô-đun lựa chọn đặt cấu hình cho chíp PSoC.................................62 
Hình 3.17. Phầm cấu hình chung ..............................................................................63 
Hình 3.18. Đặt cấu hình cho ADC ............................................................................64 
Hình 3.19. Đặt cấu hình cho DAC ............................................................................64 
Hình 3.20. Đặt cấu hình cho SPI...............................................................................65 
Hình 3.21. Đặt cấu hình cho giao tiếp thẻ SD...........................................................65 
Hình 3.22. Đặt cấu hình cho giao tiếp thẻ SD...........................................................66 
Hình 3.23. Cấu hình tài nguyên chíp PSoC ..............................................................67 
Hình 3.24. Sơ đồ mạch tương đương an toàn tia lửa của thiết bị .............................69 
Hình 3.25. Cấu tạo vỏ ...............................................................................................77 
Hình 3.26. Ghi nhãn thiết bị......................................................................................78 
Hình 3.27. Bo mạch ..................................................................................................78 
Hình 4.1. Cấu trúc chương trình ...............................................................................79 
Hình 4.2. Mô tả bật/tắt thiết bị bằng phím mềm .......................................................80 
Hình 4.3 Trình tự menu cài đặt thiết bị.....................................................................81 
Hình 4.4 Trình tự chế độ hiệu chỉnh .........................................................................84 
Hình 4.5. Chu kỳ đo của cảm biến CH4 ...................................................................85 
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán đo .................................................................................87 
Hình 4.7. Giao diện phần mềm công cụ....................................................................89 
Hình 4.8. Kiến trúc hệ thống.....................................................................................90 
Hình 4.9. Mô hình khi triển khai tại mỏ....................................................................91 
Hình 4.10. Mô hình thiết kế phòng giám sát tập trung .............................................93 
Hình 4.11. Kết cấu của trạm cục bộ ..........................................................................94 
Hình 4.12. Giao diện giám sát sơ đồ đường lò .........................................................95 

Hình 4.13. Giao diện giám sát đồ thị ........................................................................96 

- 3 -


Hình 4.14. Giao diện cảnh báo..................................................................................96 
Hình 5.1. Mạch in......................................................................................................98 
Hình 5.2. Thiết bị đo khí hoàn thiện .........................................................................98 

- 4 -


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................7 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÍ VÀ TIÊU
CHUẨN PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ KHÍ BỤI
NỔ...............................................................................................................................9 
1.1. Tổng quan các phương pháp đo khí ...............................................................10 
1.1.1 Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor)..........................................10 
1.1.2. Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors)............................................13 
1.1.3. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors) ........................................16 
1.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) .................................................19 
1.2. Một số tiêu chuẩn phòng nổ sử dụng trong khai thác hầm lò và nguyên tắc
thiết kế mạch an toàn tia lửa..................................................................................22 
1.2.1. Giới thiệu tiêu chuẩn phòng nổ................................................................22 
1.2.2. Điều kiện gây cháy nổ .............................................................................25 
1.2.3. Nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa.................................................26 
CHƯƠNG 2: CÁC YÊU CẦU VỀ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ CHỨC NĂNG
CỦA THIẾT BỊ ĐO PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ ............................................35 
2.1. Khối xử lý trung tâm ......................................................................................35 

2.2. Khối FPAA.....................................................................................................39 
2.3. Khối hiển thị LCD, bộ định thời gian thực và phím bấm ..............................41 
2.4. Bộ nhớ ngoài ..................................................................................................41 
2.5. Khối cảnh báo.................................................................................................42 
2.6. Khối giao tiếp truyền thông RS485................................................................43 
2.7. Khối giao tiếp tương tự ..................................................................................43 
2.8. Khối nguồn cung cấp......................................................................................44 
2.9. Cảm biến.........................................................................................................44 
2.10. Vỏ thiết bị .....................................................................................................48 
2.11. Hệ thống quan trắc khí mỏ ...........................................................................48 
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO KHÍ ......................50 
3.1. Sơ đồ khối mạch thiết bị.................................................................................50 

- 5 -


3.2. Đặt cấu hình FPAA ........................................................................................50 
3.3. Phím bấm, hiển thị..........................................................................................55 
3.4. Còi đèn, tín hiệu cắt điện................................................................................56 
3.5. Khối truyền dữ liệu.........................................................................................57 
3.6. Ắc-quy ............................................................................................................58 
3.7. Khối nguồn ổn áp ...........................................................................................59 
3.8. Khối xử lý trung tấm ......................................................................................60 
3.9. Phân tích và thiết kế mạch an toàn tia lửa......................................................68 
3.10. Thiết kế vỏ....................................................................................................76 
3.11. Bo mạch........................................................................................................78 
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT BỊ VÀ ĐỀ XUẤT HỆ
THỐNG GIÁM SÁT KHÍ ......................................................................................79 
4.1. Thiết kế phần mềm .........................................................................................79 
4.1.1. Chương trình khởi động và tắt thiết bị.....................................................80 

4.1.2. Chương trình xử lý menu.........................................................................80 
4.1.2. Chế độ hiệu chỉnh mềm ...........................................................................81 
4.1.3. Lấy mẫu và xử lý phép đo .......................................................................85 
4.1.4. Truyền thông............................................................................................88 
4.1.5. Phần mềm cấu hình máy đo trên máy tính PC ........................................89 
4.2. Đề xuất hệ thống giám sát khí ........................................................................90 
4.2.1. Kiến trúc hệ thống ...................................................................................90 
4.2.2. Mô tả các thành phần và tính năng hệ thống ...........................................91 
CHƯƠNG V: CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ......................................................97 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................104 
Phụ lục A. Các đường cong đặc tính ...................................................................105 
Phụ lục B. Quy trình thử nghiệm thiết bị ...........................................................108 
Phụ lục C. Định dạng chuỗi dữ liệu....................................................................110

- 6 -


Mở đầu

MỞ ĐẦU
Ngành khai thác mỏ trên thế giới và ở Việt Nam nói riêng đang ngày càng
khai thác xuống sâu, đi kèm với nó là mức độ chứa khí và thoát khí càng cao, trong
những năm vừa qua nhiều các vụ tai nạn do nổ khí đã xảy ra (ở Việt Nam đã xảy ra
các vụ nổ khí mê-tan ở mỏ than Mạo Khê làm chết 19 người, mỏ Thống Nhất làm
chết 8 người và ở mỏ Khe Chàm làm chết 8 người), do đó vấn đề kiểm soát khí là
rất quan trọng. Hầu hết các nước trên thế giới đều có quy định bắt buộc đối với các
mỏ khai thác hầm lò phải trang bị hệ thống kiểm soát khí, nâng cao an toàn và tăng
năng suất khai thác, do vậy nhu cầu về thiết bị đo khí là rất cao. Hơn nữa với đặc
thù các cảm biến khí thường là phi tuyến và độ trôi lớn nên cần được hiệu chỉnh
hoặc thay thế đầu đo thường xuyên, đây cũng là yếu tố làm tăng nhu cầu làm chủ

được công nghệ để chế tạo thiết bị trong nước.
Hai loại khí cần kiểm soát chính trong hầm mỏ là khí CH4 và khí CO. Khí
CH4 là thành phần khí chủ yếu tích tụ trong các vỉa than và thoát ra ngoài trong quá
trình khai thác, khi lượng khí thoát ra nhiều hoặc là thông gió trong mỏ không đáp
ứng kịp nó sẽ làm giảm lượng ô-xy trong không khí gây hại cho sức khỏe thợ mỏ.
Một yếu tố hết sức nguy hiểm nữa đó là khi nồng độ khí CH4 trong không khí đạt
đến khoảng giới hạn cháy nổ, nếu gặp được nguồn phát sinh tia lửa sẽ gây cháy nổ
dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho con người và tài sản. Còn khí CO là khí phát
sinh do quá trình cháy thiếu ô-xy trong hầm mỏ, nhất là khi xảy ra cháy nổ khí CH4
trong hầm mỏ thì lượng khí CO sinh ra rất nhiều, phát hiện sớm sự xuất hiện khí
này sẽ hỗ trợ mỏ tiến hành các biện pháp sơ tán kịp thời tránh nhiễm độc CO. Thực
tế trong các vụ nổ khí mỏ thì số lượng người chết do nhiễm độc khí CO sinh ra
nhiều hơn so với số người chết do va đập trực tiếp từ vụ nổ. Do đó, thiết kế thiết bị
đo khí CH4 và khí CO cho hầm mỏ là nội dung chính của luận văn.
Ngày nay kỹ thuật đo lường đã đạt được những bước tiến rất cao, giảm thời
gian thiết kế sản phẩm thương mại tới mức tối đa có thể nhờ sử dụng các kỹ thuật vi
điện tử, vi xử lý có mật độ tích hợp cao và sự phát triển của công nghệ thông tin.
Đây là điều hết sức thuận lợi cho các kỹ sư thiết kế chế tạo các thiết bị đo lường nói
chung và thiết bị đo khí nói riêng nhằm đáp ứng được nhu cầu sử dụng tại nơi họ
sinh sống và giảm tối đa mọi chi phí do phải nhập ngoại. Luận văn sử dụng công
nghệ FPAA và vi điều khiển PSoC làm nền tảng cho việc thiết kế thiết bị đo khí.
- 7 -


Mở đầu

Đề tài đặt ra các mục đích và các kết quả cần đạt được như sau:
Với

Tìm hiểu các phương pháp đo khí, tiêu chuẩn cháy nổ và nguyên tắc

thiết kế mạch an toàn tia lửa.
Tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ FPAA và công nghệ PSoC
Thiết kế máy đo nồng độ khí trong hầm mỏ sử dụng công nghệ FPAA
và PSoC.
Đề xuất thiết kế hệ thống cảnh báo khí tự động dựa trên các thiết bị đo
khí đã được thiết kế cho môi trường có nguy cơ cháy nổ.
mục tiêu như trên luận văn được bố cục nội dung thành 5 chương và một

phần kết luận như sau:
Nội

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp đo khí và tiêu chuẩn phòng
chống cháy nổ trong môi trường mỏ hầm lò có khí bụi nổ
Chương 2: Các yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và chức năng của thiết bị đo
phòng chống cháy nổ
Chương 3: Phân tích và thiết kế thiết bị đo khí phòng chống cháy nổ
Chương 4: Xây dựng phần mềm thiết bị và hệ thống giám sát khí
Chương V: Các kết quả thực hiện
Kết quả nghiên cứu và hướng phát triển
dung nghiên cứu của luận văn cho thấy khả năng ứng dụng công nghệ

FPAA, PSoC trong việc chế tạo thiết bị đo lường nói chung và thiết bị đo khí nói
riêng sử dụng trong môi trường công nghiệp có nguy cơ cháy nổ như các mỏ than
khai thác hầm lò ở Việt Nam.
Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan, chủ
quan khác, nội dụng luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự
góp ý của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Kỹ
thuật đo và Tin học công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè
đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn.

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo PGS.TSKH. Trần
Hoài Linh đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành
luận văn này.

- 8 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KHÍ VÀ TIÊU
CHUẨN PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ
KHÍ BỤI NỔ

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển nói chung, thiết bị đo là một trong
những thiết bị trọng yếu, quyết định rất lớn tới chất lượng của tòan hệ thống. Trong
thiết kế thiết bị đo, trước tiên ta cần xem xét tới phương pháp đo và cảm biến để có
được các lựa chọn thích hợp cho phạm vi áp dụng của thiết bị. Trong chương này sẽ
trình bày về một số phương pháp đo khí cũng như tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ
trong hầm lò nói riêng và trong môi trường có khí bụi nổ nói chung để từ đó làm cơ
sở lựa chọn các cảm biến đo khí cho các thiết bị đo trong luận văn. Có rất nhiều các
phương pháp đo khí khác nhau và các nhà sản xuất không ngừng cải tiến công nghệ
chế tạo cảm biến dựa trên các phương pháp đo này nhằm có được các cảm biến có
độ bền cao, độ nhạy cao, giải tuyến tính rộng và tiêu thụ ít năng lượng. Xem xét 3
tiêu chí cơ bản là đơn giản, ổn định, chi phí bảo trì thấp thì các phương pháp đo
thông dụng nhất được sử dụng hiện nay là: nguyên lý đo đốt xúc tác, nguyên lý đo
hấp thụ tia hồng ngoại, nguyên lý đo điện hóa và nguyên lý đo bán dẫn.
Ngoài ra, đối với các thiết bị sử dụng trong môi trường có nguy cơ cháy nổ thì
đều có yêu cầu bắt buộc các thiết bị này phải tuân thủ các yêu cầu về cháy nổ của
môi trường đó. Do mục tiêu của luận văn là thiết kế thiết bị đo khí sử dụng trong
môi trường khai thác hầm lò có khí bụi nổ nên thiết bị cần thiết phải thiết kế đáp

ứng các tiêu chuẩn để được sử dụng trong môi trường này. Có nhiều cách chống
cháy nổ khác nhau cho các loại thiết bị khác nhau trong môi trường này, trong luận
văn này đã lựa chọn tiêu chuẩn chống cháy nổ kiểu an toàn tia lửa, đây là phương
pháp thông dụng nhất áp dụng cho các thiết bị điện tử trong môi trường cháy nổ.

- 9 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

1.1. Tổng quan các phương pháp đo khí
1.1.1 Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor)
a. Nguyên lý chung
Phần tử chính của cảm biến gồm một cuộn dây được bọc bởi lớp vật liệu thủy
tinh hoặc gốm, và tiếp theo nó lại tiếp tục được phủ một lớp chất xúc tác. Cuộn dây
được đốt nóng bằng dòng điện dẫn qua làm cháy khí hydrocarbon CHC
(Conbustible HydroCarbon) xung quanh nó. Khí CHC cháy sẽ sinh ra nhiệt lượng tỉ
lệ với nồng độ của khí cần đo, nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của cuộn dây và điện
trở của nó cũng tăng lên tỷ lệ. Sự thay đổi điện trở này được đo bởi mạch điện, nó
chính là nguồn tín hiệu đo nồng độ khí mong muốn. Đây là phương pháp đo thông
dụng nhất phát hiện khí hydrocarbon cháy (CHC). Phương pháp đo này không sử
dụng cho phát hiện khí H2S và một số loại khí độc khác.
Ưu điểm của cảm biến loại này là nhỏ gọn, tín hiệu được tạo ra trực tiếp từ
việc khí bị đốt và đây cũng chính là thuộc tính của khí mà cảm biến đo được (khí
cháy). Cảm biến loại này có giá thành thấp, ổn định và dễ hiệu chỉnh, bảo trì.
Nhược điểm là không phát hiện được sự suy giảm độ nhạy của cảm biến trừ
khi hiệu chỉnh lại. Dễ bị nhiễm độc bởi một lượng rất nhỏ silicone, halocarbon nếu
không có biện pháp ngăn chặn hữu hiệu; hệ số tín hiệu so với nhiễu nhỏ; tín hiệu có
thể về 0 nếu tỉ lệ phần trăm hỗn hợp khí cháy cao vượt quá định mức; thậm chí một
số cảm biến có thể bị hỏng hoàn toàn khi hoạt động liên tục ở môi trường có nồng

độ khí cháy cao.
b. Mô tả cấu trúc cảm biến
Cảm biến đốt xúc tác được cấu tạo từ hai phần tử riêng biệt, một phần tử (gọi
là phần tử đo) được tạo ra từ cuộn dây nhỏ được bọc kín bằng vật liệu gốm hoặc
thủy tinh, sau đó được phủ một lớp chất xúc tác. Lớp gốm có tác dụng giảm thiểu sự
bay hơi của cuộn dây và tăng cường độ bền vật lý. Phần tử thứ hai (phần tử tham
chiếu) cũng có cấu tạo giống phần tử thứ nhất, ngoại trừ là thay vì phủ một lớp chất
xúc tác thì nó được phủ bởi một lớp tráng mạ, nó được dùng để bù sai số do ảnh
hưởng nhiệt độ môi trường, độ ẩm, thay đổi áp suất và sự lão hóa của phần tử đo.

- 10 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Cách vật liệu gốm và chất xúc tác đưa vào phần tử đo và cách mạ phần tử
tham chiếu là hai bước rất quan trọng để có được cảm biến có độ nhạy cao, ổn định
và tuổi thọ kéo dài. Để đo được loại khí CHC dễ cháy thì tính trơ của phần tử tham
chiếu là rất quan trọng, nếu cả hai phần tử đều đốt cháy khí thì sẽ không tạo ra được
tín hiệu. Phương pháp thông dụng hay được dùng là phủ lên phần tử tham chiếu một
lớp thủy tinh cách nhiệt.
c. Cấu tạo vỏ cảm biến
Vỏ của cảm biến loại này đóng vai trò quan trọng với độ ổn định và độ nhạy
của cảm biến. Vỏ của cảm biến đốt xúc tác thường được làm bằng nhôm ô-xít, thép,
thép không gỉ, và đôi khi bằng nhựa dẻo. Lựa chọn chất liệu nên theo tiêu chuẩn
môi trường mà cảm biến được lắp đặt. Ô-xít nhôm là vật liệu phù hợp với hầu hết
các ứng dụng, kể cả sử dụng trong môi trường nước biển miễn là có vật liệu phù
hợp giữa vỏ cảm biến, vỏ bộ chuyển đổi và hộp nối. Thép không rỉ tốt hơn nhôm ôxít, dùng ở môi trường có độ ẩm cao, có khí ăn mòn chẳng hạn như khí clo. Xem
cấu tạo cảm biến ở hình 1.1.
Chắn bụi

Lọc bụi

Tấm chắn nhiệt
Hạt cảm biến

Vỏ chống lửa kim loại xốp

Cực dẫn điện

Chân đế cực

Thân cảm biến

Gen lắp cảm biến
vào thiết bị
Lớp chất đổ đầy bằng
Dây dẫn

gốm hoặc epoxy

Hình 1.1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác

- 11 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Hai phần tử (phần tử đo và phần tử bù) được đặt trong một lớp vỏ chống lửa
bằng vật liệu như mô tả trên, ngăn cách giữa hai phần tử này là một lớp màng cách

nhiệt để hạn chế sự ảnh hưởng nhiệt lượng sinh ra do khí bị đốt cháy bởi phần tử đo
sang phần tử bù. Hai đầu dây của mỗi phần tử được gắn vào 2 cọc kim loại, các cọc
này đi xuyên qua lớp cách điện có vòng hãm kim loại, xem hình 1.1. Toàn bộ cảm
biến lại được bảo vệ bởi lớp vỏ nữa ở bên ngoài, vỏ này có tác dụng bảo vệ cảm
biến khỏi bị va đập và có lớp màng chống bụi ở mặt trên để chống bụi bẩn bám vào
cảm biến.
Đặc thù của cảm biến loại này là tuổi thọ sẽ giảm dần theo thời gian, tuỳ vào
độ khắc nhiệt của môi trường lắp đặt thì tuổi thọ sẽ kéo dài hơn hoặc ngắn đi. Đến
một thời điểm nào đó việc thay cảm biến là không thể tránh khỏi, thường thời gian
khoảng 2 năm hoặc ngắn hơn.
Nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi lắp cảm biến phải có khả năng chống
rung. Để chống rung, các nhà chế tạo cần phải lưu ý đến cách lắp ráp cảm biến, nếu
sử dụng loại dây dẫn mềm dẻo nối từ hạt phần tử đo tới cọc nối dây thì sẽ làm cho
cảm biến có khả năng chống rung. Khả năng chống va đập cũng rất quan trọng, vì
trong quá trình vận chuyển hoặc lắp đặt thì khó tránh khỏi cảm biến có thể bị rơi, bị
va chạm.
Chất liệu làm chất xúc tác cũng đóng vai trò hết sức quan trọng. Cấu trúc của
chất này ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của cảm biến, chất xúc tác có nhiều diện
tích tiếp xúc thì tuổi thọ của cảm biến càng cao. Hai chất xúc tác thường được sử
dụng cho loại cảm biến này là Platium và Palladium. Palladium hoạt động ở nhiệt
độ 400oC và mất ổn định ở nhiệt độ 650oC. Platium hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ
800oC và không ổn định ở nhiệt độ 1200oC trở lên. Mỗi loại có những ưu nhược
điểm riêng, Palladium nhiệt độ làm việc thấp hơn nên tiêu tốn ít năng lượng hơn, độ
trôi điểm không ít hơn, nhưng khả năng chống độc kém hơn Platium. Ngày nay, các
nhà chế tạo hay sử dụng Platium hơn, do khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao
và khả năng chống độc tốt hơn Palladium. Platium ít không bị ảnh hưởng bởi khí
độc, phù hợp với môi trường có nhiệt độ cao, và có khả năng đo liên tục. Tuy nhiên,
nó có nhược điểm là khả năng trôi điểm không lớn do hoạt động ở nhiệt độ cao. Các

- 12 -

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

nhà chế tạo thường lưu ý sử dụng bọc cuộn dây bằng chất liệu gốm để giảm trôi
điểm không.
Vấn đề chống đánh lửa
Cảm biến hoạt động ở nhiệt độ cao nên chúng chính là nguồn phát lửa. Để sử
dụng được trong vùng có nguy cơ cháy nổ thì cảm biến phải đảm bảo là an toàn đối
với tia lửa hoặc có thể nói chúng phải là loại phòng nổ. Do đó cần thiết phải có khả
năng chống lửa, tuy nhiên khi bổ sung tính năng này thì đồng thời cảm biến cũng bị
hạn chế nhất định. Các vấn đề của bộ phận chống lửa như sau:
-

Ngăn chặn cháy nổ bên trong vỏ cảm biến truyền ra môi trường khí cháy
nổ xung quanh nó.

-

Bảo vệ các phần tử đo khỏi bị hư hỏng do va đập, vận chuyển, thao tác
lắp đặt, hiệu chỉnh hàng ngày.

-

Làm giảm lưu lượng gió tác động trực tiếp vào phần tử đo, ngay cả
những luồng gió rất nhẹ cũng có thể làm giảm nhiệt lượng của phần tử
đo và gây ra sai số.

-

Bảo vệ cảm biến khỏi bị ngạt do tốc độ thoát ra rất cao của khí cháy.

-

Làm giảm hệ số tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu của cảm biến (SNR – Signalto-Noise Ratio).

-

Làm giảm thời gian đáp ứng của cảm biến.

Tính chất xốp, diện tích bề mặt và bề dày của vỏ chống lửa là nhân tố chính
ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của cảm biến. Do đó cần xem xét đến độ lớn của
các yếu tố này để sao cho thời gian đáp ứng của cảm biến ở mức độ chấp nhận được
nhưng đồng thời vẫn đảm bảo được cảm biến chống được lửa, khả năng ổn định
điều kiện gió, chống ngạt ở mức độ chấp nhận được.
1.1.2. Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors)
a. Nguyên lý chung
Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí
trên bề mặt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC. Loại cảm biến này chủ yếu sử dụng đo
khí độc, rất ít sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon. Chất lượng của cảm biến
loại này phụ thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất.

- 13 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Cảm biến loại này có tính lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đáp ứng bị ảnh
hưởng rất nhiều bởi độ ẩm môi trường; sự suy giảm độ nhạy cũng không phát hiện
được nếu không hiệu chuẩn lại; có thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liên tục khí ở nồng

độ cao; và có thể bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ chất silicone, halocarbon.
Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ ô-xít
kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam), được
dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít thiếc (SnO2),
loại này không có tính chọn lọc và thường được dùng để phát hiện sự thay đổi lớn
lượng khí độc và khí cháy.
b. Loại màng dày (SnO2)
Loại này thường được cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một điện cực
bằng gốm. Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại,
hoặc ở dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.2).

Cuén d©y ®èt nãng

Líp thiÕc «-xÝt
phñ trªn èng gèm

Cuén d©y ®èt nãng

Líp thiÕc «-xÝt
phñ trªn èng gèm

Hình 1.2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)

Cơ chế phát hiện khí ga loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khí độc. Nó là sự
kết hợp các các phản ứng trên bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khí ga. Khi cảm biến
không được cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hơn và hậu quả là cảm biến
phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra ngay cả khi cảm biến bị mất
- 14 -

Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn. Khi cảm biến phát
hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí. Tỉ lệ
thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do đó nó cần phải được
tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và ô-xy. Với một
lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định cho cảm biến, thậm chí
dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình thường được phục hồi trở lại.
c. Loại màng mỏng (VO3)
Loại này được cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với hai hoặc
nhiều điện cực dẫn điện. Vật liệu ô-xít kim loại được gắn vào giữa các điện cực.
Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp.
Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một trường
điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy (bằng cách
chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn điện, tức nó thay
đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện của chất bán dẫn ô-xít kim loại chính
là nguồn tín hiệu.
d. Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến bán dẫn
Có 6 yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của cảm biến mà người sử dụng nên biết
để lựa chọn và đánh giá cảm biến bán dẫn: (1) lựa chọn ô-xít kim loại, (2) nhiệt độ
làm việc, (3) đặc tính hấp thụ khí, (4) độ ẩm, (5) nhiệt độ môi trường, (6) quá trình
hoạt động của cảm biến.
Vật liệu bán dẫn là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến toàn bộ đặc
tính của cảm biến bán dẫn. Thông thường các nhà sản xuất bổ sung thêm các vật
liệu phụ để gia tăng đặc tính của chất bán dẫn, mục đích là để ổn định nhiệt độ của
ô-xít kim loại ở nhiệt độ làm việc tốt nhất.
Nhiệt độ làm việc của cảm biến bán dẫn ảnh hưởng rất nhiều đến đường đặc
tính và độ nhạy của tín hiệu. Chính vì thế mà các nhà sản xuất luôn mong muốn
nhiệt độ làm việc của cảm biến luôn không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ môi
trường xung quanh, từ đó đường đặc tính tín hiệu mới được tuyến tính hoá với độ

chính xác cao.

- 15 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Đặc tính hấp thụ khí ga của ô-xít bán dẫn là yếu tố cần thiết để cảm biến loại
này đo được nồng độ khí. với lượng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu xung
quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải được lựa chọn kỹ càng. Khả năng
hấp thụ khí độc của nước là rất mạnh, nước ngưng tụ bám vào các lỗ của bộ phận
chống lửa sẽ làm mất tác dụng của cảm biến. Biện pháp hữu hiệu nhất hiện giờ là
cung cấp một nguồn năng lượng đủ cho cảm biến làm việc để hạn chế ảnh hưởng
của độ ẩm và ngăn chặn nước ngưng tụ và bộ phận chống lửa của cảm biến.
Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu không được cấp
nguồn ở môi trường có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn. Các nhà sản
xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 giờ trước khi
cảm biến hoạt động chính thức hoặc hiệu chỉnh cảm biến.
1.1.3. Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensors)
a. Nguyên lý
Cảm biến này thực chất là một pin nhiên liệu rất nhỏ bao gồm hai điện cực
chính được đặt vào dung dịch điện phân. Một cực gọi là cực làm việc (anode), tại
cực này xảy ra các phản ứng ô-xy hóa giữa dung dịch với chất khí cần đo tạo ra các
electron và các ion tự do. Cực thứ 2 (cathode) sẽ tạo ra phản ứng giữa các ion được
tạo ra ở cực thứ nhất với các chất ngoài không khí để trung hòa điện tích trong dung
dịch, từ đó sinh ra dòng điện do electron tự do. Đo được dòng điện này sẽ xác định
được nồng độ khí cần đo. Loại cảm biến này thường được dùng để đo khí CO, H2S,
ô-xít ni-tơ, clo.
Loại này có thể sử dụng để đo một loại khí hoặc hơi riêng biệt với độ chính
xác cao; không dễ bị nhiễm độc; đo được nồng độ khí ở hàm lượng rất nhỏ cỡ ppm,

nhưng có nhược điểm là chỉ làm việc ở giải nhiệt độ hẹp; tuổi thọ ngắn (khoảng 6
tháng); tuổi thọ cảm biến bị giảm đi nếu sử dụng trong môi trường quá khô ráo và
nóng.
b. Một số đặc điểm của cảm biến điện hoá
Khí nhiễu
Khí nhiễu là khí khác với khí cảm biến cần đo và gây ra sự sai lệch của cảm
biến với loại khí cần đo, giống như các loại cảm biến khác cảm biến điện hoá không
- 16 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

có đặc tính hoàn toàn rõ rệt. Cho dù điện cực và chất điện phân được chế tạo hết sức
cẩn trọng, hay thay đổi điện áp của điện cực cảm ứng và màng lọc hoá học thì cũng
rất khó để có một sự xúc tác làm cho cảm biến không đáp ứng với khí nhiễu ngoài
loại khí cần đo. Hơn nữa việc sử dụng các màng lọc sẽ làm chậm đáp ứng của cảm
biến.

Hình 1.3. Cấu tạo cảm biến điện hóa

Cơ chế nghẽn
Nghẽn là tình trạng làm giảm chức năng của cảm biến hoặc có thể làm dừng
hoạt động cảm biển. Thông thường sự nghẽn sẽ không làm hỏng cảm biến hoàn
toàn. Có một số cơ chế nghẽn mà cảm biến điện hoá gặp phải:
-

Hiện tượng đông cứng chất điện phân: khi nhiệt độ của cảm biến giảm
thì giảm các phản ứng hoá học mà có thể nhận biết được bằng tín hiệu
có xu hướng giảm đi. Đến một thời điểm nào đó cảm biến sẽ dừng hoạt
động. Khi nhiệt độ trở lại bình thường thì cảm biến lại phục hồi trở lại.

Do đó, khi sử dụng cảm biến điện hoá ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ làm
việc của nó thì nên hâm nóng truớc khi sử dụng. Nhiệt độ thấp nhất mà
cảm biến điện hoá hoạt động được với thời gian kéo dài là 0oC.

-

Thiếu ô-xy: ô-xy là thành phần cơ bản trong các phản ứng với chất khí.
Nếu ngăn chặn ô-xy cấp vào điện cực âm thì có thể không duy trì được
dòng tín hiệu. Dưới điều kiện làm việc bình thường, thì có thể lượng ôxy được cấp vào ở mức vừa đủ khi cảm biến đo một nồng độ nhỏ khí ga
- 17 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

trong không khí. Nhưng nếu cảm biến đo nồng độ khí ga lớn kéo dài
vượt quá một chu kỳ đo, hoặc nhiều loại khí ga khác nhau được cấp vào
cảm biến, thì lượng ô-xy sẵn có cho một phản ứng sẽ được sử dụng
nhiều hơn, và có thể dẫn đến sự thiếu hụt ô-xy trong các chu kỳ đo tiếp
theo. Khi đo ở môi trường có nồng độ ô-xy thấp thì cần thiết phải phân
tách luồng tiếp cận không khí của điện cực âm, vì cảm biến điện hoá cần
một lượng ô-xy để tạo phản ứng hoá học.
-

Những loại khí gây ra phản ứng nghịch: những loại khí hoặc hơi có tính
khử điện hoá ở cực âm sẽ gây ra phản ứng nghịch trong cảm biến điện
hoá, chúng làm mất chức năng của cảm biến là để phát hiện chất khí ôxy hoá. Vấn đề tương tự sẽ xảy ra với loại cảm biến điện hoá được thiết
kế để đo chất khí có tính khử.

Cơ chế nhiễm độc
Bị nhiễm độc sẽ lầm cho cảm biến bị thoái hoá không phục hồi được. Nếu bị

nhiễm chất độc kéo dài thường sẽ dẫn đến hỏng cảm biến vĩnh viễn. Hầu hết các
cảm biến loại này không bị nhiễm độc trực tiếp nhưng có thể bị nhiễm độc gián tiếp.
Một số nhiễm độc hay gặp:
-

Hơi dung môi hoà tan: nồng độ cao hơi dung môi hoà tan có thể phá huỷ
lớp vỏ chất dẻo và màng lọc của cảm biến. Một số hơi dung môi thông
dụng nhất có thể gây hại cho cảm biến (còn tuỳ vào cấu tạo của từng
loại cảm biến): cồn, Xeton, Pyridine, Amin, dung môi clo.

-

Nhiệt độ cao: hoạt động liên tục ở môi trường nhiệt độ cao (thường
khoảng trên 40oC) sẽ làm khô và làm chín chất điện phân. Ở nhiệt độ
trên 30oC, rất nhiều cảm biến loại này bắt đầu mất tín hiệu đầu ra, giảm
độ nhạy.

Thay đổi áp suất và độ cao
Cảm biến điện hoá không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi áp suất của môi trường
trong dải thay đổi ±10%. Tuy nhiên, nếu có sự thay đổi đột ngột áp suất sẽ nén
nhiều khí ga vào cảm biến hơn và tạo ra dòng tín hiệu quá độ, dòng này sẽ nhanh
chóng giảm về không trở về trạng thái làm việc bình thường. Tuy vậy, đôi khi dòng
tín hiệu bất thường này cũng gây ra các cảnh báo ảo.

- 18 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Ảnh hưởng của độ ẩm

Cảm biến điện hoá không bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ ẩm như cảm biến bán
dẫn. Tuy nhiên, nếu hoạt động liên tục trong môi trường có độ ẩm dưới 15% và trên
90% sẽ làm thay đổi nồng độ của chất điện phân và ảnh hưởng tới hoạt động của
cảm biến. Quá trình này diễn ra rất chậm phụ thuộc vào nhiệt độ, chất điện phân và
màng chắn bay hơi. Khi độ ẩm tăng làm tăng dung tích của chất điện phân, đến một
thời điểm nào đó dung tích chất điện phân vượt quá khoảng cho phép và gây rò rỉ
chất điện phân. Hơn nữa, độ ẩm cao làm chất điện phân dễ bị đóng băng hơn.
Ngược lại, khi điều kiện làm việc khô ráo, nồng độ a-xít chất điện phân tăng lên, tạo
ra hiện tượng kết tinh và tạo điều kiện cho a-xít tấn công các bộ phận làm kín, làm
cảm biến dễ bị nhiễm độc.
1.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors)
a. Nguyên lý
Các loại cảm biến hấp thụ ánh sánh đang ngày càng có giá thành rẻ hơn và có
độ ổn định cao. Loại cảm biến này thường được sử dụng để đo các loại khí hấp thụ
ánh sáng và thường là trong dải ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng mắt người nhìn thấy,
hoặc ánh sáng tia tử ngoại. Có nhiều loại khí được đo bằng loại này và có độ ổn
định rất cao như: CO, CO2, Clo, hyđrôxianua, khí ga lạnh.
Cảm biến sử dụng hai chùm tia phản xạ hồng ngoại chiếu vào buồng phân tích,
bộ phận màn che làm cho hai chùm tia không liên tục nhưng luôn xảy ra đồng thời,
một chùm đưa vào buồng phân tích được để hở để chất khí cần đo lọt vào, một
chùm tia được đưa qua buồng chuẩn và đưa đến bộ phận phát hiện. Khi có chất khí
hấp thụ năng lượng tia hồng ngoại thì bộ phát hiện nhận được ít bức xạ hồng ngoại
hơn bình thường, sự suy giảm này tỉ lệ với nồng độ chất khí cần đo.
Ưu điểm của loại cảm biến này là có thể sử dụng để đo một loại khí cụ thể; ít
khi phải hiệu chỉnh lại so với các loại cảm biến khác; các bộ phận đo không tiếp xúc
trực tiếp với chất khí cần đo; không cần yêu cầu phải có một lượng ô-xy tối thiểu
như các cảm biến đốt xúc tác; bảo trì ít.
Tuy nhiên, nó có hạn chế như bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và nước; bụi bẩn có thể
làm các cơ cấu quang học, làm giảm đáp ứng của cảm biến; giá thành cao.

- 19 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

b. Các thành phần và đặc điểm của cảm biến hồng ngoại
Thành phần cơ bản
Các thành phần cơ bản của hệ thống đo khí hồng ngoại bao gồm: nguồn bức
xạ hồng ngoại, bộ phận phát hiện/đo bức xạ, đường dẫn giữa nguồn phát và bộ phận
đo bức xạ (phần này được để hở ra để cho không khí đi vào). Tuỳ vào thiết cụ thể,
hệ thống đo khí hồng ngoại cũng có thể cần có các tấm lọc ánh sáng, bộ tạo xung
điện, gương phẳng, thấu kính, hoặc các phần tử quang học khác.
Trong điều kiện lý tưởng, cảm biến hồng ngoại có thể quan sát ánh sáng ở
bước sóng trong dải hấp thụ của loại khí cần đo. Nếu khí ga đi vào đường dẫn ánh
sáng và mức ánh sáng bị giảm đi, biên độ giảm của ánh sáng sẽ được dùng để đo
nồng độ của khí cần đo trong đường dẫn ánh sáng. Tuy nhiên, cảm biến đo khí
không phải là thiết bị đo lý tưởng. Nguồn ánh sáng bức xạ vào buồng đo của cảm
biến sẽ thay đổi theo thời gian sử dụng, theo nguồn cấp, và những ảnh hưởng khác.
Hơn nữa, bộ phận đo bức xạ luôn có xu hướng sai lệch cần phải bù lại. Trong thực
tế, thiết bị đo khí hồng ngoại thường phức tạp hơn so với mô tả trên, và nó bao gồm
nhiều bộ phận cấu thành như sau:
Bộ phận mở/ngắt tín hiệu
Để giảm độ trôi tín hiệu điện, phần điện tử của cảm biến đo hồng ngoại đo tín
hiệu sai lệch giữa pha tối và pha sáng. Để có hiệu quả cao, tia sáng giữa nguồn phát
và bộ phận đo bức xạ phải được đóng/ngắt theo chu kỳ, từ đó phần điện tử của cảm
biến sẽ phân biệt được rõ rệt sự sai khác giữa pha tối và pha sáng. Khi khí ga ở
đường dẫn hấp thụ năng lượng ánh sáng phát ra từ nguồn, bộ phận đo ánh sáng sẽ
nhận được ít bức xạ hơn so với bình thường khi đo ánh sáng ở pha sáng mà không
có chất khí cần đo. Sự suy giảm bức xạ này tỷ lệ với nồng độ khí cần đo.
Tín hiệu tham chiếu

Sự thay đổi về độ nhạy của bộ phận đo ánh sáng, hoặc thay đổi cường độ
nguồn sáng có thể gây sai lệch cho kết quả đo. Do đó, hầu hết các thiết kế đều sử
dụng kênh tham chiếu để giám sát sự nguyên vẹn của hệ thống đo. Kênh tham chiếu
này thường là bộ phận đo thứ hai, nó có nhiệm vụ kiểm tra cường độ nguồn ánh
sáng phát ra. Với cơ chế đóng/cắt nguồn và kết hợp với kênh tham chiếu, thiết bị đo

- 20 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

hồng ngoại sẽ liên tục kiểm tra sự làm việc của nó và bù lại những thay đổi chậm để
không làm ảnh hưởng đến kết quả đo.
Chiều dài đường dẫn
Bức xạ của nguồn sáng có thể coi như một tia các hạt photon. Theo luật BeerBouguer thì số lượng hạt photon bị hấp thụ sẽ tỉ lệ với công suất của nguồn phát và
tỉ lệ với lượng khí ga hấp thụ photon. Chiều dài đường dẫn càng dài thì càng nhiều
số lượng phân tử của chất khí trong đường dẫn, và số lượng photon càng bị hấp thụ
nhiều hơn. Tuy nhiên, nếu đường dẫn quá dài thì sẽ xảy ra hiện tượng chất khí có
thể hấp thụ hầu hết hạt photon khi nồng độ khí đạt ngưỡng nào đó, đây gọi là hiện
tượng bão hoà. Khi thiết kế, cần phải xác định dải đo tối đa để thiết bị chỉ làm việc
ở dải dưới giá trị bị bão hoà.
Tính hấp thụ có lựa chọn
Như đã nói ở trên, bản chất đo nồng độ khí của thiết bị đo hồng ngoại là hấp
thụ ánh sáng. Nếu lựa chọn được tần số ánh sáng phù hợp thì có thể đo được loại
khí mong muốn.. Để có thể lựa chọn được tính hấp thụ (tức chỉ đo loại khí cần đo)
thì cần phải hạn chế để máy đo bức xạ ánh sáng chủ yếu đo được các photon ở bước
sóng mà khí cần đo hấp thụ được.
Cho đến nay, chưa có loại khí ga nào chỉ hấp thụ một bước sóng ánh sáng, mà
phần lớn nó có tính chất hấp thụ nhiều nhất ở dải bước sóng nào đó. Các nhà chế tạo
thường tìm ra một điểm hấp thụ tốt nhất của loại khí mà máy đo cần đo để giảm tối

đa sai số cho thiết bị. Nếu lựa chọn không chuẩn thì các loại khí nhiễu khác (khí
không cần đo) sẽ hấp thụ ánh sáng nhiều và gây ra sai số lớn cho thiết bị.
Bộ phận đo bức xạ ánh sáng
Có rất nhiều kiểu đo bức xạ ánh sáng đo được dải bức xạ tầm trung của tia
hồng ngoại. Mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, không có loại đo
nào hoàn toàn lý tưởng. Các nhà chế tạo tận dụng được ưu điểm và phạm vi ảnh
hưởng của các nhược điểm sẽ quyết định sự thành công của thiết bị đo trong các
ứng dụng cụ thể. Có thể phân chia thành một số loại đo theo cơ chế hoạt động như:
đo nhiệt, đo bằng quang dẫn lượng tử, đo bằng lượng tử quang điện, đo bằng quang
âm (Pneumatic hay Photo-Acounstic).

- 21 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Những yếu tố ảnh hưởng tới thiết bị đo hồng ngoại
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự đo đếm của thiết bị đo hồng ngoại, những
ảnh hưởng này cũng cần phải được xem xét khi chế tạo thiết bị để đo bất kỳ loại khí
nào. Một số yếu tố quan trọng nhất cần lưu ý như sau:
- Nhiệt độ: hầu hết thiết bị đo hồng ngoại đều rất nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt
độ lạnh ít ảnh hưởng hơn. Khi nhiệt độ cao thì độ nhạy của cảm biến sẽ
giảm xuống hoặc bị trôi tín hiệu.
- Độ ẩm: Độ ẩm là yếu tố gây nhiễu cho thiết bị. Hơi nước trong suốt với ánh
sáng hồng ngoại ở bước sóng 3-4.6 micron, nhưng nó sẽ hấp thụ đáng kể tia
hồng ngoại ở dải trung ngoài dải bước sóng trong suốt và gây sai số cho
thiết bị đo. Ngoài ra, hơi nước có thể ngưng tụ trên các bộ phận quang học,
đường dẫn quang gây lệch hướng hoặc nhiễu xạ tia hồng ngoại.
- Áp suất: Khi áp suất năng thì nhiều phân tử chất khí đi vào đường dẫn hơn
bình thường và dẫn đến hấp thu bức xạ photon nhiều hơn với cùng một

nồng độ chất khí.
Các thiết bị đo khí hồng ngoại ngày nay thường bổ xung thêm các cảm biến
đo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất môi trường xung quanh nó lắp đặt để bù lại những sai
số do các yếu tố này gây ra.

1.2. Một số tiêu chuẩn phòng nổ sử dụng trong khai thác hầm lò và
nguyên tắc thiết kế mạch an toàn tia lửa.
1.2.1. Giới thiệu tiêu chuẩn phòng nổ
Có hai cách phân chia vùng có nguy cơ cháy nổ cao: một là phân chia theo
loại khí có thể xuất hiện; hai là phân chia theo tần xuất xuất hiện khí.
Phân theo nhóm khí, có hai hệ thống ký hiệu được sử dụng thông dụng của
Anh và của Mỹ như trong bảng 1.1.
Theo tiêu chuẩn Mỹ, các ký tự phân loại nhóm khí A-D sẽ được đặt trước
“Class I” để chỉ thị các nguy cơ cháy nổ là chất khí. Còn các ký hiệu “Class II” và
“Class III” là chỉ thị nguy cơ cháy nổ của bụi và sợi. Nguy cơ của Class I là khốc
liệt nhất trong ba loại nguy cơ trên. Tiêu chuẩn của Anh không phân chia theo 3 loại
nguy cơ như trên, vì tiêu chuẩn này coi bụi và sợi là một dạng khí cháy nổ.

- 22 -


Chương 1. Tổng quan các phương pháp đo khí…

Bảng 1.1. Bảng phân loại nhóm khí cháy
Loại khí

Phân nhóm

Phân nhóm

tiêu chuẩn Anh

tiêu chuẩn Mỹ

Methane

I

D

Propane

IIA

Ethylene

IIB

C

Hydrogen

IIC

B

Acetylence

(IIC)

A

Phân vùng Class I: Là những nơi xuất hiện khí hoặc hơi trong không khí đủ để tạo
thành hỗn hợp cháy nổ.
Phân vùng Class II: Là những nơi có nguy cơ cháy nổ do xuất hiện bụi cháy (ví dụ
như bụi than).
Phân vùng Class III: Là những nơi có nguy cơ cháy nổ do xuất hiện sợi dễ cháy.
Nói chung, môi trường có nguy cơ cháy nổ khí là nguy hiểm nhất và yêu cầu
cần có bảo vệ khắt khe nhất. Nếu như thiết bị điện mà sử dụng được trong môi
trường khí cháy nổ thì sẽ sử dụng được trong môi trường bụi và sợi cháy nổ.
Mức năng lượng gây cháy nổ của mỗi nhóm khí cũng khác nhau, thứ tự như
trong bảng sau:
Hydrogen/Acetylene

Nhóm IIC

Ethylene

Nhóm IIB

Propane

Nhóm IIA

Methane

Nhóm I

Dễ bị bốc lửa nhất

Khó bị bốc lửa nhất

Tiêu chuẩn Anh phân chia thành các vùng có khả năng xuất hiện nguy cơ
cháy nổ. Các vùng này được ký hiệu là Zone hoặc Division. Thuật ngữ của tiêu
chuẩn Anh và Mỹ là khác nhau, nhưng cũng có thể so sánh trực tiếp với nhau giữa
hai dòng thuật ngữ này.
Phân vùng theo tiêu chuẩn Anh như sau:
• Zone 0: Là những nơi xuất hiện hỗn hợp khí cháy nổ với tần xuất liên tục,
hoặc xuất hiện với chu kỳ dài.
- 23 -