Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị kiểm tra dòng điện rò ra vỏ thiết bị điện cầm tay dùng điện một pha

K t qu nghiên c u KHCN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
THIẾT BỊ KIỂM TRA DỊNG ĐIỆN RỊ RA VỎ
THIẾT BỊ ĐIỆN CẦM TAY DÙNG

ÐIỆN MỘT PHA

T

Tóm tắt:
ình hình tai nạn lao
động (TNLĐ) điện
ngày một tăng cao mà
ngun nhân chính là do sự rò
rỉ điện ra bên ngồi của các
thiết bị điện khơng được kiểm
tra trước khi đưa vào sử dụng.
Đề tài 212/03/VBH đã tiến hành
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
thử nghiệm thiết bị kiểm tra
nhanh dòng điện rò của các
thiết bị điện cầm tay trước khi
đưa vào sử dụng nhằm đảm
bảo an tồn cho NLĐ khi làm
việc. Đề tài đã sử dụng các
phần mềm chun dụng để tiến
hành thiết kế các mạch điện tử
và lập trình điều khiển nhằm
làm cho sản phẩm được hoạt
động một cách ổn định và có độ

tin cậy cao. Sản phẩm của đề
tài là thiết bị kiểm tra nhanh
dòng điện rò từ 10mA trở lên.
I. MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển
thúc đẩy các ngành xây dựng
phát triển theo, tai nạn lao động
cũng ngày càng gia tăng do
nhiều ngun nhân, trong đó
ngun nhân do điện chiếm
trên 70% (theo các thống kê về
TNLĐ). Qua q trình khảo sát
và đánh giá, chúng tơi nhận

34

CN. Võ Thành Nhân
Phân vi n B o h lao đ ng và BVMT mi n Nam

thấy một trong những ngun
nhân gây ra tai nạn điện là vấn
đề rò rỉ điện trên các dụng cụ
cầm tay đang được sử dụng
trên cơng trường và chưa có
sự quản lý kiểm tra hiệu quả
dẫn đến tai nạn khi sử dụng.
Do đó việc trang bị các phương
tiện kiểm tra độ an tồn của
thiết bị điện trước khi đưa vào
sử dụng là điều cần thiết.

II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
Vi c nghiên c u đ
c ti n
hành d a vào ngun lý sau:
Ngun lý phát hiện dòng rò
khi dụng cụ điện cầm tay khơng
hoạt động trong đó nguồn cấp
hạ áp: 240V-260V Theo TCVN
7996 – 1: 2009.

Khi cấp nguồn hạ áp vào
dụng cụ điện nếu Rcđ của dụng
cụ bị đánh thủng thì sẽ có dòng
điện rò ra vỏ của dụng cụ điện
này, để xác định được dòng
điện rò thì phải thiết lập một
thiết bị đo được gắn như hình
vẽ với ngun lý hoạt động như
sau: Một đầu đo đặt lên 1 cực
bất kỳ của nguồn còn đầu kia
đặt lên các bộ phận kim loại
chạm tới được nối với lá kim
loại có S < 200cm2 tiếp xúc các
bề mặt chạm tới được của vật
liệu cách điện với phần mang
điện của dụng cụ điện sử dụng.
Sau khi đặt điện áp thử
nghiệm, dòng điện rò đo được
trong vòng 5s được tính bằng
cơng thức thể hiện ở hình 1.

Dụng cụ điện

Nguồn hở áp

Hình 1. S
đ thi t k và cơng th c tính

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

Ch t o đánh giá th nghi m
thi t b :
Việc chế tạo thiết bị đo dựa
vào tiêu chuẩn TCVN 7996 – 1:
2009 và quy chuẩn kỹ thuật
quốc gia về an tồn lao động
đối với dụng cụ điện cầm tay
truyền động bằng động cơ với
các đặc tính kỹ thuật dễ sử
dụng và đáp ứng được mục
tiêu của đề tài.
Có nhiều phương pháp để
tiến hành thiết kế nhưng qua
q trình nghiên cứu nhóm tác
giả đã chọn phương pháp thiết
kế thiết bị đo dựa vào mơ hình
sử dụng một cảm biến như sau
(xem hình 2).
Ngun lý hoạt động của mơ

hình như sau: Dụng cụ điện
được cấp nguồn 220V để hoạt
động và chúng ta làm một

miếng ốp dẫn điện tốt để ốp
vào vỏ kim loại của dụng cụ
điện cần kiểm tra, đầu còn lại
của miếng ốp được đưa vào

Dụng cụ điện

Cảm biến
Vi điều khiển

Hình 2. Mơ hình thi t k s
d ng m t c m bi n

cảm biến. Nếu như dụng cụ
điện khơng bị rò điện thì khơng
có dòng điện rò sinh ra nên ở
ngồi vỏ của dụng cụ khơng
tồn tại dòng điện và cảm biến
sẽ khơng nhận được tín hiệu.
Ngược lại, nếu như dụng cụ
điện bị rò điện ra ngồi thì vỏ
của dụng cụ điện sẽ có một
điện thế và có dòng điện tương
ứng được truyền vào cảm biến
thơng qua miếng ốp được ốp
vào vỏ kim loại của dụng cụ.

Cảm biến nhận được tín hiệu
điện này sẽ truyền về vi điều
khiển để xử lý và đưa ra các
lệnh điều khiển cần thiết.
Việc tiến hành thiết kế
mạch, vẽ mạch, lập trình...
được thực hiện bằng các phần
mềm chun dụng như: orcad,
protues, avr studio…

Hình 3. S
đ ngun lý tồn b m ch thi t k
Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

35


K t qu nghiên c u KHCN

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Các linh kiện sử dụng
- Cảm biến dòng ICS712: IC
cảm biến dòng tuyến tính dựa
vào hiệu ứng Hall, được tích
hợp đầy đủ với chất dẫn dòng
điện trở thấp và độ cách điện
2.1kV RMS. Thiết bị bao gồm
mạch điện Hall tuyến tính, độ
lệch thấp và chính xác với
đường dây dẫn đồng được đặt

gần bề mặt của lớp vỏ. Dòng
điện được cung cấp đi qua
phần dây đồng sẽ tạo ra một
trường điện từ mà IC sẽ
chuyển đổi thành điện áp
tương ứng. Thiết bị được tối ưu
hóa một cách chính xác thơng
qua các tín hiệu từ rất gần đến
bộ biến đổi Hall.
- Vi điều khiển Atmega 8: Là
bộ vi xử lý RISC (Reduced

Hình 4. S
đ layout m ch đi u khi n

Hình 5. Mơ hình h
ng d n s

36

d ng thi t b

Instructions Set Computer Máy tính có tập lệnh đơn giản
hóa) với kiến trúc Harvard thuộc
họ AVR được sản xuất bởi Cty
ATMEL với tính năng mạnh mẽ.
Có 130 lệnh mạnh xử lý hầu hết
trong một chu kỳ xung nhịp.
- ADC giải mã MCP 3204:
Là một ADC 12 bit, có hiệu suất
cao và năng lượng thấp được
đóng gói nhỏ gọn, làm cho nó

trở nên hồn chỉnh trong các
mạch ứng dụng điều khiển.
MCP 3204 được thiết kế theo
tiêu chuẩn cơng nghiệp SPITM
cho phép liên kết với bất kỳ vi
điều khiển PIC nào.
- LCD 16x2: (Liquid Crystal
Display) được sử dụng trong rất
nhiều các ứng dụng của VĐK.
LCD có rất nhiều ưu điểm so với
các dạng hiển thị khác: Nó có
khả năng hiển thị kí tự đa dạng,
trực quan (chữ, số và kí tự đồ
họa), dễ dàng đưa vào mạch
ứng dụng theo nhiều giao thức
giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài
ngun hệ thống…
- IC 7805 và các linh kiện phụ
trợ khác như tụ điện, điện trở,
led…
3.2. Sơ đồ ngun lý mạch
thiết kế
Mạch thiết kế được thiết kế
gồm có 2 phần chính: mạch
nguồn và mạch điều khiển hiển
thị với các chức năng và nhiệm
vụ khác nhau nhằm mục đích
đảm bảo cho tồn bộ hệ thống
điều khiển của thiết bị hoạt
động bình thường, ổn định và

đúng như mục đích thiết kế của
tác giả.
- Mạch nguồn có nhiệm vụ
tạo ra nguồn điện ổn định để
ni tồn bộ mạch điều khiển,
đảm bảo cung cấp đủ điện thế
để cho mạch điều khiển hoạt
động ổn định. Đồng thời khối

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

mạch nguồn còn có một nhiệm
vụ nữa là lấy điện thế rò xoay
chiều từ thiết bị cần kiểm tra
thơng qua cổng CON1 được liên
kết với dụng cụ cần kiểm tra, và
biến điện thế xoay chiều thành
một chiều đưa vào cảm biến
dòng thơng qua cổng CON2.
- Khối mạch điều khiển và
hiển thị có nhiệm vụ là điều
khiển sự hoạt động của tồn bộ
thiết bị thơng qua các lệnh và
cấu trúc được lập trình sẵn nạp
vào vi điều khiển ATmega8 và
hiển thị các thơng số cần kiểm
tra qua hệ thống hiển thị đó là

các led màu và LCD hiển thị.
3.2. Sơ đồ layout
Sau khi hồn thành thiết kế
sơ đồ ngun lý thì vẽ layout
mạch bằng orcad layout plus,
sản phẩm sau khi layout mạch
nguồn và mạch điều khiển
được thể hiện như hình 4.
3.3. Sản phẩm chế tạo và
cách sử dụng
Mơ hình sản phẩm được
chế tạo sau khi thiết kế như
hình 5,6.
- Cắm nguồn cho thiết bị,
bật nút POWER có 3 đèn 220V,
5V, và đèn xanh cháy sáng,
nếu trường hợp đèn xanh
khơng sáng mà đèn đỏ sáng thì
nhấn nút Offset, khi nhấn nút
Offset thì đèn vàng sáng.
- Miếng tay ốp được ốp vào
vỏ kim loại của dụng cụ cầm
tay cần kiểm tra và cắm vào ổ
cắm số 1 trên hình 5.
- Ổ cắm số 2 trên hình 5 là
nơi cung cấp nguồn để ni
dụng cụ điện cầm tay cần kiểm
tra. Lưu ý bật nút ON/OFF trên
ổ cắm mới có điện thế.
Sau khi làm các bước trên

thì thiết bị sẽ tự động tiến hành
kiểm tra dụng cụ điện. Nếu đèn

Hình 6. Mi ng tay p thi t k

Hình 7. Ngu n dòng th Sunking PSK 1501A

B ng 1. K t qu đo b ng ph

ng pháp so sánh v i ngu n Sunking
PSK 1501A
Nguồn dòng (mA)
| 100
| 120
| 10
| 50
| 70

Giá trò trung bình mà sản
phẩm đo được sau 30 lần
đo (mA)
98,67 ± 0,93
119,33 ± 0,67
9,67 ± 0,33
51 ± 0,88
69,67 ± 0,58

Sai số
1,3%
1%
3,3%
2%

1%

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

37


K t qu nghiên c u KHCN

xanh vẫn sáng thì dụng cụ điện
khơng bị rò, nếu đèn đỏ sáng
thì dụng cụ điện bị rò và giá trị
dòng rò được hiển thị qua LCD
trên thiết bị kiểm tra.
- Ổ cắm số 3 trên hình 5
được dùng để đo dòng tải của
các dụng cụ điện. Chỉ cần cắm
dụng cụ điện cần đo dòng tải
vào ổ cắm này thì thiết bị sẽ tự
động hiển thị dòng tải của dụng
cụ cần kiểm tra qua LCD, đồng
thời đèn đỏ sẽ sáng nếu giá trị

dòng tải lớn hơn 10mA, đèn
xanh sáng nếu giá trị dòng nhỏ
hơn 10mA.
3.4. Kết quả kiểm tra và hiệu
chuẩn sản phẩm
Việc hiệu chuẩn thiết bị được
thực hiện bằng 2 phương

pháp: phương pháp so sánh
với thiết bị tạo dòng và phương
pháp dùng hệ các điện trở
chuẩn trong phòng thí nghiệm.
Phương pháp so sánh
với thiết bị tạo dòng

Hình 8. H các đi n tr

Việc dùng phương pháp so
sánh với thiết bị tạo dòng
Sunking PSK 1501A được tiến
hành như sau: Nguồn dòng
được lấy từ đầu ra của thiết bị
tạo dòng Sunking PSK 1501A
được đưa vào sản phẩm đo
dòng điện rò mà nhóm tác giả đã
tạo ra thơng qua miếng ốp và so
sánh giá trị nhận được của sản
phẩm thiết kế với giá trị dòng
điện mà nguồn dòng đã tạo ra.
Kết quả đạt được khi thực
hiện hiệu chuẩn bằng phương
pháp so sánh với nguồn dòng
Sunking PSK 1501A được thể
hiện trong bảng 1.

Phương pháp dùng hệ
các điện trở chuẩn
Việc hiệu chuẩn bằng cách

sử dụng hệ các điện trở chuẩn
được tiến hành như sau: Ta áp
một điện thế xoay chiều 220V
vào các điện trở có các giá trị
đã chọn thì theo định luật Ohm
sẽ có một dòng điện tương ứng
được tạo ra và chúng ta tính
được dòng điện này bằng cơng
thức I = U/R. Sau đó đưa dòng
điện này vào sản phẩm và xem
giá trị dòng điện mà sản phẩm

B ng 2. K t qu đo b ng ph

ng pháp so sánh v i h đi n tr chu n
Giá trò R
R = 6,8
K:
R = 22
K:
R = 10
K:
R = 15
K:

38

Kết quả tính theo Đònh luật Ohm (mA)

U 220
=
= 0,032A = 32 mA

R 680
U
220
I=
=
= 0,01A = 10 mA
R
22000
U
220
I=
=
= 0,022A = 22 mA
R 10000
U
220
I=
=
= 0,015A = 15 mA
R 15000
I=

Giá trò TB mà sản phẩm đo được
sau 30 lần đo (mA)

Sai số

30,33 ± 0,33

5,2%

9,67 ± 0,33

3,3%

20 ± 0,02

10%

14,33 ± 0,92

4,5%

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

đo được có phù hợp với giá trị
dòng điện mà chúng ta đã tính
dựa vào cơng thức định luật
Ohm khơng.
Kết quả đạt được khi đo
bằng phương pháp so sánh với
hệ điện trở chuẩn được trình
bày trong bảng 2.
Như vậy, thơng qua hai
phương pháp hiệu chuẩn trên
cho thấy sản phẩm hoạt động
ổn định với độ chính xác cao

đảm bảo được mục tiêu mà đề
tài đã đề ra, đó là xác định được
dòng điện rò từ 10mA trở lên.
Tuy nhiên, trong một vài trường
hợp cũng có sự sai số do đặc
tính của cảm biến sử dụng, do
mạng điện khơng được ổn định
và một số ngun nhân khác
như sai số của linh kiện sử
dụng…Trong q trình thử
nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận
thấy rằng sản phẩm hoạt động
ổn định trong khi thiết bị rò có
giá trị từ vài chục mA trở lên.
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận
Nghiên cứu tổng quan về
các thiết bị cầm tay: nhóm đã
tiến hành tập hợp các dữ liệu
về các thiết bị cầm tay đã và
đang được sử dụng trên thị
trường, đặc biệt là trong ngành
xây dựng, tìm hiểu các ngun
nhân gây ra tai nạn của thiết bị
cầm tay, hồi cứu các dữ liệu đã
được các chun gia, các nhà
nghiên cứu trước đó tìm hiểu
và nghiên cứu làm cho đề tài
phong phú hơn.
- Nghiên cứu tài liệu để thiết

kế và lập trình ứng dụng sản
phẩm: tìm hiểu về các phần
mềm vẽ mạch chun dụng,
các phần mềm lập trình điều
khiển để tiến hành thiết kế bản
vẽ, các sơ đồ mạch điều khiển

của sản phẩm theo đúng mục
tiêu mà đề tài đã đề ra.
- Tạo khn mẫu thiết bị:
Việc tạo khn mẫu được
nhóm tìm hiểu nhiều sản phẩm
khác nhau để tạo được mẫu
thiết bị vừa đảm bảo mục đích
của đề tài, vừa phù hợp với
nhu cầu của người sử dụng.
- Lắp ráp và kiểm tra hoạt
động của sản phẩm.
- Ứng dụng và hồn thiện
sản phẩm.
Sản phẩm được thiết kế
nhằm mục đích kiểm tra nhanh
thiết bị điện khi đang hoạt động
có bị rò rỉ điện ra bên ngồi hay
khơng và sản phẩm đã đáp ứng
được mục tiêu của đề tài.
Trong vòng 1 – 2s sản phẩm đã
cho ra kết quả hiển thị dòng
điện đang bị rò ra vỏ là bao
nhiêu qua đèn báo và LCD.

Tuy nhiên sản phẩm thiết kế
cũng có một số tồn tại như sau:
- Chưa khắc phục triệt để
được vấn đề nhiễu do từ
trường, do đó độ chính xác của
thiết bị sẽ bị ảnh hưởng khi
thiết bị hoạt động trong mơi
trường có từ trường.
- Cần cơng nghiệp hóa kiểu
dáng của thiết bị.
4.2. Kiến nghị
Để đáp ứng được nhu cầu
sử dụng thực tế lâu bền trong
cơng nghiệp thì sản phẩm cần
giải quyết được 2 vấn đề cơ
bản sau:
- Khắc phục vấn đề nhiễu do
từ trường.
- Cải tiến kiểu dáng cho phù
hợp với nhu cầu sử dụng.
Để khắc phục được vấn đề
nhiễu do từ trường thì trong
thời gian tới nhóm nghiên cứu
sẽ tìm hiểu thêm các loại linh

kiện có thể thay thế cho cảm
biến dòng sử dụng hiệu ứng
Hall mà vẫn đáp ứng được mục
tiêu của đề tài đã đề ra.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Safe maintenance of portable
tools in constructionEuropean
Agency for Safety and Health at
Work -
[2]. Hướng dẫn sử dụng năng
lượng hiệu quả trong ngành cơng
nghiệp Châu Á – www.energyefficiencyasia.org
[3]. TS. Nguyễn Thị Lan Hương,
Nhiễu điện từ và phương pháp
chống nhiễu
[4]. Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia
về an tồn lao động đối với dụng
cụ điện cầm tay truyền động
bằng động cơ (National technical
regulation on safe work of Handheld motor-operated electric
tools)
[5]. Tiêu chn IEC 607452:2006.
[6]. TCVN 7996-2:2009
[7]. TCVN 7996 -1:2009
[8]. Guideline on Managing
Safety in the Use of Portable
Electrical Equipment in the
Workplace
[9]. Safe maintenance of portable
tools in construction
[10]. Monitoring of leakage current for composite insulators and
electrical devices Muhammad
Amin, Salman Amin and
Muhammad Ali UET Taxila,
Pakistan

[11]. www.datasheetcatalog. com
[12].
[13]. www.bkit4u.com
[14].

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

39