Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí Metan cầm tay dùng cho khai thác hầm mỏ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội
X W Y  Z X W












Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Dự án:
CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG
ĐO VÀ CẢNH BÁO KHÍ MÊTAN CẦM TAY
DÙNG CHO KHAI THÁC HẦM LÒ


TS. Nguyễn Thế Truyện

6176
10/11/2006

Hà Nội - 2006


Bản quyền 2004-2005, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH
THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN
STT Tên Ghi chú
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
TS. Nguyễn Thế Truyện
KS. Nguyễn Công Hiệu
KS. Luyện Tuấn Anh
KS. Kiều Mạnh Cường
KS. Nguyễn Thế Vinh

KS. Nguyễn Văn Cường
KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn
KS. Phạm Mạnh Tuấn
KS. Nguyễn Hùng Kiên
KS. Lê Anh Tuấn
KS. Nguyễn Văn Quang
Chủ nhiệm dự án


* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:
TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN

TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN

Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC
Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện. Dự án được thực hiện từ
tháng 1/2004 đến 12/2005. Các nội dung mà dự án đã thực hiện là:

+ Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác
định nhu cầu thực sự và cấ
p thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù
hợp.
+ Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo
thiết bị
+ Thiết kế phần cứng cho các thiết bị.
+ Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị.
+ Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghi
ệp cho thiết bị.
+ Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị.
+ Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an
toàn phòng chống cháy nổ, …
+ Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam.
+ Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị
+ Nghiên cứu hoàn thiện thiế
t kế và công nghệ chế tạo.

+ Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm
bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất.

Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một
cách hiệu quả nhất. Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi
trườ
ng khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử
dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định,
xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết
quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn. Tuy nhiên với sự cố gắng hết
mình c
ủa đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức
năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận
và được người sử dụng đánh giá cao. Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế
đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tậ
p đoàn
than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh,
Đông Bắc, Hà Lầm, … mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí
khoảng 3 tỉ đồng. Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an
toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu
đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn.

Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết v
ề nội dung và kết quả thực hiện dự án.



BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa
156A Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội

X W Y  Z X W












Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Dự án:
CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG
ĐO VÀ CẢNH BÁO KHÍ MÊTAN CẦM TAY
DÙNG CHO KHAI THÁC HẦM LÒ




TS. Nguyễn Thế Truyện

Hà Nội - 2006


Bản quyền 2004-2005, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa

DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH
THAM GIA THỰC HIỆN DỰ ÁN
STT Tên Ghi chú
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
TS. Nguyễn Thế Truyện
KS. Nguyễn Công Hiệu
KS. Luyện Tuấn Anh
KS. Kiều Mạnh Cường
KS. Nguyễn Thế Vinh
KS. Nguyễn Văn Cường
KS. Nguyễn Xuân Phú Sơn
KS. Phạm Mạnh Tuấn
KS. Nguyễn Hùng Kiên
KS. Lê Anh Tuấn
KS. Nguyễn Văn Quang

Chủ nhiệm dự án


* CHUYÊN GIA CỐ VẤN CHUYÊN NGÀNH:
TS. Lê Văn Thao, Kỹ Sư trưởng thông gió - Tập đoàn CN Than, khoáng sản VN

TÓM TẮT VỀ DỰ ÁN

Dự án KC.03.DA04 là một phần kết quả nghiên cứu của đề tài KC.03.04 do Viện NC
Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) chủ trì thực hiện. Dự án được thực hiện từ
tháng 1/2004 đến 12/2005. Các nội dung mà dự án đã thực hiện là:

+ Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác
định nhu cầu thực sự và cấ
p thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù
hợp.
+ Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo
thiết bị
+ Thiết kế phần cứng cho các thiết bị.
+ Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển phần mềm cho các thiết bị.
+ Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghi
ệp cho thiết bị.
+ Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị.
+ Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an
toàn phòng chống cháy nổ, …
+ Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam.
+ Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị
+ Nghiên cứu hoàn thiện thiế
t kế và công nghệ chế tạo.
+ Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm
bảo thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất.

Trong thời gian 2 năm nhóm thực hiện dự án đã cố gắng hết sức để triển khai một
cách hiệu quả nhất. Tuy nhiên do đặc thù ngành than là ngành lao động trong môi
trườ

ng khắc nghiệt và luôn ẩn chứa nhiều hiểm hoạ do đó các thiết bị đưa vào sử
dụng trong hầm lò đều phải trải qua các quy định hết sức ngặt nghèo: từ kiểm định,
xin cấp phép cho vào sử dụng trong hầm lò đến thời gian thử nghiệm thực tế nên kết
quả triển khai dự án cũng chưa được như mong muốn. Tuy nhiên với sự cố gắng hết
mình c
ủa đơn vị thực hiện dự án cùng sự hỗ trợ, tạo điều kiện của các cơ quan chức
năng và các đơn vị sử dụng, sản phẩm dự án đã được thị trường trong nước chấp nhận
và được người sử dụng đánh giá cao. Kể từ khi được phép chuyển giao vào thực tế
đến nay (tháng 11/2005) sản phẩm của dự án đã được các công ty trong Tậ
p đoàn
than và khoáng sản Việt Nam như: Công ty than Hạ Long, Hòn Gai, Vàng Danh,
Đông Bắc, Hà Lầm, … mua và sử dụng trong các khu vực khai thác với tổng kinh phí
khoảng 3 tỉ đồng. Sản phẩm của dự án đã phát huy tốt tác dụng góp phần đảm bảo an
toàn lao động, tạo tâm lý an tâm cho công nhân khi làm việc và sản phẩm bước đầu
đã thay thế được thiết bị nhập ngoại đem lại hiệu quả kinh tế to lớn.

Báo cáo này sẽ trình bày chi tiết v
ề nội dung và kết quả thực hiện dự án.

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC CÁC HÌNH ...........................................................................3

LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................... 4

1.

Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 4

2.

Các thông tin chung về dự án......................................................................................... 4

CHƯƠNG I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG.........................................................5

1.1

Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay ..............................................5

1.2

Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu......................................................................... 6

1.3

Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV.........................................................7

1.3.1 Thiết bị của Nga ......................................................................................................... 7

1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc............................................................................................. 8

1.3.3 Thiết bị của Nhật ........................................................................................................ 9

1.3.4 Thiết bị của Ba Lan .................................................................................................... 9

1.3.5 Thiết bị của Canada ................................................................................................. 10

1.4

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................. 11

1.5

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án............................................................ 13

1.6

Trình tự tiến hành thực hiện dự án........................................................................... 14

1.7

Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 15

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM ..............................16

2.1

Nguyên tắc thiết kế, chế tạo ...................................................................................... 16

2.2

Lựa chọn các phần tử ................................................................................................17

2.2.1 Lựa chọn sensor ..................................................................................................... 17

2.2.2 Lựa chọn các linh kiện khác..................................................................................... 22

2.2.3 Các vấn đề cần giải quyết ........................................................................................ 23

2.3

Thiết kế máy đo khí mêtan VIELINA-ĐCT.01............................................................. 25

2.3.1 Thiết kế phần cứng máy đo VIELINA-ĐCT.01.......................................................... 25

2.3.2 Thiết kế phần mềm VIELINA-ĐCT.01 ...................................................................... 26

2.4

Thiết kế máy đo nhiều thông số ................................................................................27

2.4.1 Thiết kế phần cứng máy đo nhiều thông số ............................................................. 27

2.4.2 Thiết kế phần mềm máy đo nhiều thông số.............................................................. 28

2.5

Thiết kế bộ nạp pin tự động....................................................................................... 29

2.6

Chế tạo bộ nguồn ....................................................................................................... 30

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ...................................................32

3.1

Về sản phẩm dự án..................................................................................................... 32

3.1.1 Máy đo VIELINA-ĐCT.01 ......................................................................................... 32

3.1.2 Máy đo VIELINA-ĐCT.02 ......................................................................................... 35

3.1.3 Máy đo VIELINA-ĐCT.03 ......................................................................................... 36

3.1.4 Bộ nạp pin tự động................................................................................................... 37

3.2

Quy trình công nghệ................................................................................................... 38

3.2.1

Quy trình chế thử .................................................................................................... 38

3.2.2

Quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt sản phẩm................................................... 40

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

2

3.2.3

Quy trình hiệu chuẩn thiết bị ................................................................................... 44

3.2.4

Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm ................................................. 45

CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................46

4.1

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 46

4.1.1

Kết quả thực hiện.................................................................................................... 46

4.1.2

Đánh giá hiệu quả của dự án .................................................................................. 47

4.1.3

Đánh giá về tính mới, tính sáng tạo của dự án ....................................................... 47

4.1.4

Đánh giá mức độ hoàn thành của dự án................................................................. 48

4.2

Kiến nghị ..................................................................................................................... 49

LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................... 51

CÁC PHỤ LỤC BÁO CÁO ....................................................................53




Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

3

MỤC LỤC CÁC HÌNH
Hình 1 Máy đo GWJ-1A ......................................................................................................................................... 8

Hình 2 Thiết bị đo R-7............................................................................................................................................ 9

Hình 3 Thiết bị đo TC-100P.................................................................................................................................. 10

Hình 4 Thiết bị đo GasAlertMicro ........................................................................................................................ 11

Hình 5 Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác......................................................................................................... 18

Hình 6 Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO.................................................................................................... 19

Hình 7 Sơ đồ đấu nối sensor theo cầu Wheastone................................................................................................ 21

Hình 8 Các thông số chính của sensor NAP100AD............................................................................................. 22

Hình 9 Bo mạch máy đo VIELINA-ĐCT.01........................................................................................................ 23

Hình 10 Sơ đồ khối thiết bị đo khí mêtan cầm tay VIELINA-ĐCT01 ................................................................ 25

Hình 11 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo khí mêtan cầm tay.................................................. 26

Hình 12 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị................................................................................................................... 27

Hình 13 Lưu đồ thuật toán xây dựng phần mềm thiết bị đo nhiều thông số........................................................ 28

Hình 14 Sơ đồ khối bộ nạp pin tự động................................................................................................................ 29

Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn an toàn tia lửa.......................................................................................... 30

Hình 16 Hình ảnh bộ nguồn cho các sản phẩm dự án .......................................................................................... 31

Hình 17 Sản phấm thế hệ thứ nhất........................................................................................................................ 32

Hình 18 Sản phẩm thế hệ thứ 2............................................................................................................................ 33

Hình 19 Sản phẩm thế hệ đang sử dụng ............................................................................................................... 33

Hình 20 Mặt trước thiết bị VIELINA-ĐCT.02..................................................................................................... 35

Hình 21 Mặt trước thiết bị đo VIELINA-ĐCT.03................................................................................................ 36

Hình 22 Bộ nạp pin tự động.................................................................................................................................. 38

Hình 23 Quy trình công nghệ chế thử sản phẩm .................................................................................................. 39

Hình 24 Quy trình sản xuất, hiệu chỉnh sản phẩm................................................................................................ 43

Hình 25 Quy trình hoàn thiện công nghệ chế tạo sản phẩm................................................................................. 45


Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

4

LỜI NÓI ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong quá trình thực hiện đề tài KC.03.04: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ SCADA
phục vụ an toàn lao động trong ngành khai thác hầm lò, chúng tôi thấy rằng nhu
cầu trước mắt của các mỏ than lúc đó (năm 2002) là thiết bị đo khí cầm tay chứ
chưa phải là hệ thống giám sát khí tập trung và chúng tôi đã đầu tư nghiên cứu chế
tạo loại máy đo này. Sau khi đã chế tạo ra một vài sản phẩm được ng
ười sử dụng
đón nhận, chúng tôi đã đăng ký dự án sản xuất thử nghiệm và được Bộ KHCN cho
phép thực hiện dự án KC.03.DA04. Báo cáo này sẽ trình bày kết quả thực hiện dự
án trong hai năm qua (2004-2005).
2. Các thông tin chung về dự án
Tên dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho
khai thác hầm lò.
Thuộc chương trình KHCN cấp Nhà nước:
Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hoá
Mã số chương trình: KC.03
Cấp quản lý: Nhà nước
Thời gian thực hiện: 24 tháng (01/2004 - 12/2005)

Kinh phí thực hiện dự án: 5500 triệu đồng
Trong đó, từ Ngân sách sự nghiệp khoa học: 2000 triệu đồng
Thu hồi:
Kinh phí thu hồi: 1400 triệu đồng (70% kinh phí hỗ trợ từ NSSNKH)
Tổ chức chủ trì thực hiện dự án: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá
Địa chỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội
Điện thoại: (04) 7164855 Fax: (04) 7164842
Chủ nhiệm dự án: Nguyễn Thế Truyện
Học vị: Tiến sĩ Chức vụ: Giám đốc Trung tâm Điện tử công nghiệp
Địa ch
ỉ: 156A Quán Thánh, Hà Nội
Điện thoại: CQ: (04) 7140150 NR: (04)7540302 Mobile:0912095442
E-mail:
Cơ quan phối hợp chính:
Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

5

CHƯƠNG I. CÁC VẤN ĐỀ CHUNG
Chương này trình bày tổng quan về các vấn đề liên quan tới dự án, mục tiêu và nội
dung thực hiện dự án, trình tự tiến hành thực hiện dự án và phương pháp nghiên cứu,
thực hiện dự án

1.1 Tình hình xuất khí mêtan trong các mỏ than hiện nay
Khí mêtan (CH
4
) có nguồn gốc từ than (gọi tắt là khí than) là một trong nhiều loại khí

thiên nhiên được hình thành trong quá trình sinh hoá biến đổi vật chất hữu cơ ban đầu
và quá trình biến chất than tiếp theo dưới tác động của nhiệt và áp suất.
Khí mêtan có thể cháy và nổ khi gặp ngọn lửa trần và nồng độ khí từ (5 ÷ 15)% (khả
năng dễ cháy nổ nhất là 9,5%). Điều kiện cháy nổ của khí mêtan (CH
4
) phụ thuộc chủ
yếu vào các yếu tố: nồng độ của khí mêtan (%CH
4
), nồng độ khí Oxy (%O
2
), áp suất
(at), Nhiệt độ (
o
C) và độ ẩm tương đối (%RH). Khi có sự cố cháy nổ thì trong hầm lò
nhiệt độ có thể lên tới 2650
o
C và áp suất lên tới 10at.
Phương trình phản ứng tổng quát cho khí cháy là:
C
m
H
n
+ (m+n/4)O
2
==> mCO
2
+ (n/2)H
2
O
Với khí mêtan ta có phương trình:

CH
4
+ 2O
2


==> CO
2
+ 2H
2
O
Hiện nay chúng ta đang tăng cường hình thức khai thác than hầm lò nhưng khai thác
càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn. Việc xuất khí mêtan
trong mỏ than là một quá trình diễn ra thường xuyên, căn cứ vào mức độ và hình thức
xuất khí mêtan người ta phân loại mỏ như sau:

Xếp loại mỏ Độ thoát khí mêtan tương đối
(m
3
/T.than.ngđ)
I < 5
II Từ 5 đến < 10
III Từ 10 đến < 15
Siêu hạng
≥ 15, những mỏ có nguy hiểm xì khí
Nguy hiểm phụt khí bất ngờ Mỏ hầm lò khai thác các vỉa than nguy hiểm
phụt than và khí bất ngờ
Bảng 1
: Phân loại mỏ theo khí mêtan
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.

VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

6

Hiện nay, hàng năm Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam (TKV) luôn
tiến hành đánh giá và phân loại mỏ theo mức độ thoát khí mêtan trên 1 tấn than trong
1 ngày đêm. Kết quả phân loại mỏ năm 2006 như sau:

TT Mỏ
Độ thoát khí CH
4

tương đối (m
3
/T.ngđ)
Xếp loại mỏ
1 Khu 56 Mạo Khê 15,20 Siêu hạng
2 Quang Hanh (vỉa 7 cánh nam) 6,94 II
3 Vàng Danh 1,57 I
4 Hà Lầm 0,37 I
5 Cao Thắng 0,80 I
6 Giáp Khẩu 0,70 I
7 Thành Công 0,50 I
8 Nam Mẫu 0,25 I
9 Thống Nhất (Lộ Trí) 1,87 I
10 Dương Huy 0,47 I
11 Khe Chàm 3,85 I
12 Mông Dương 0,92 I
13 Đông Bắc (XN148) 3,64 I
Bảng 2

: Kết quả phân loại mỏ năm 2006
Theo bảng trên thì hiện trong TKV chỉ có Công ty than Mạo Khê là mỏ siêu hạng,
Công ty than Quang Hanh là mỏ loại II, còn hầu hết các mỏ là mỏ loại I. Tuy nhiên,
qua trao đổi chúng tôi được biết nhiều khi phân loại này cũng chưa phản ánh đúng
khả năng xuất khí ở các mỏ, vì vậy sau vụ tai nạn cháy nổ hầm lò ngày 6/3/2006 ở
Công ty than Thống Nhất TKV đã quy định tăng cường việc kiểm tra giám sát khí
trong hầm lò b
ất kể là mỏ loại nào cũng phải lắp đặt hệ thống giám sát tập trung. Việc
lắp đặt hệ thống giám sát tập trung phải hoàn thành vào cuôi snăm 2007.
1.2 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Trong những năm qua sản lượng than khai thác của TKV tăng trưởng với tốc độ rất
cao: năm 2003 là 18 triệu tấn, năm 2004 là 24 triệu tấn, năm 2005 là hơn 30 triệu tấn
và kế hoạch n
ăm 2006 là 40 triệu tấn. Sản lượng khai thác ngày càng tăng nhưng
lượng than lộ thiên ngày một giảm, do đó TKV phải tăng cường hình thức khai thác
than hầm lò. Khai thác càng xuống sâu thì nguy cơ cháy nổ khí mêtan ngày càng lớn.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

7

Trên thế giới (Trung quốc, Ukraina, Nga, … thậm chí cả Mỹ) cũng như ở Việt nam
trong các năm vừa qua đã xẩy ra rất nhiều vụ cháy nổ khí làm chết hàng chục, thậm
chí hàng trăm người. Có thể kể ra một số vụ cháy nổ khí gần đây ở Việt nam như vụ
nổ ngày 11/1/1999 tại lò thượng V9B đông Công ty Than Mạo khê làm 19 người bị
chết và 12 người bị thương. Vụ nổ t
ại đường lò V13 khu tây bắc ngã hai thuộc xí
nghiệp khai thác than 190 Công ty Đông bắc ngày 29/5/1999 làm 3 người chết và 2
người bị thương. Hai vụ nổ liên tiếp trong ngày 19/12/2002 tại XN than Suối lại
(Công ty than Quảng ninh) và XN 909 (Công ty Địa chất và khai thác khoáng sản)

làm tổng cộng 13 người chết và 5 người bị thương. Gần đây nhất là vụ nổ ngày
6/3/2006 tại Công ty than Thống Nhất làm 8 người bị chết.
Hiện nay, trong TKV đã có 02 hệ thống tự động đ
o, cảnh báo khí mêtan (của Ba Lan
và Nhật Bản chế tạo) tại Công ty than Mạo khê. Còn lại, hầu hết các mỏ đều mới chỉ
có các máy đo cầm tay dùng cho phòng an toàn hoặc phòng chức năng đi kiểm tra
định kỳ trong từng ca sản xuất. Theo quy định số 114/QĐ-AT ngày 28/5/2003 về việc
đo khí mỏ của TKV (TVN trước kia) thì cần phải đo, kiểm soát khí thường xuyên tại
tất cả các lò khai thác, các điểm quan trọng cũng nh
ư bất kỳ đoàn nào vào lò đều phải
mang theo thiết bị đo khí. Do đó vấn đề đo kiểm soát khí cũng như việc trang bị thiết
bị đo cảnh báo xách tay là bắt buộc phải thực hiện. Trong mấy năm qua TKV đã mua
các máy đo khí mêtan của Nhật Bản (R7), Canada (GasAlert Lel, GasAlertMicro),
của Trung Quốc, … nhưng do giá thành các thiết bị đo kiểm soát khí quá đắt (của
Nhật và Canada đều khoảng 30 triệu đồng/chi
ếc) nên các Công ty đều chưa trang bị
được đầy đủ theo yêu cầu. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo máy đo khí mêtan
dùng cho khai thác hầm lò là rất cấp thiết, bức bách và có nhiều ý nghĩa cả về khoa
học, kinh tế lẫn xã hội.
1.3 Thực trạng sử dụng các máy đo khí trong TKV
Hiện trạng ứng dụng các thiết bị đo khí mêtan trong ở các mỏ của ta như sau: TKV
chủ yếu là mua các thiết bị đo khí mêtan c
ầm tay của nước ngoài (Nga, Trung Quốc,
Nhật bản, Ba Lan, Canada ...) để trang bị cho các phòng an toàn, phòng thông gió, ...
đi kiểm tra định kỳ trong ngày. Các thiết bị này có một số nhược điểm:
1.3.1 Thiết bị của Nga
Các thiết bị của Nga (ШИ-10, ШИ-11) dùng sensor theo nguyên lý quang học, có vỏ
bằng vật liệu composit rất chắc chắn.
Thiết bị này có ưu điểm là đo chính xác, nhưng chúng có hạn chế là không đo được tự
động, đọc số liệu khó thống nhất và mạch điện không được nhiệt đới hoá nên không

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

8

phù hợp với điều kiện khí hậu ở nước ta dẫn đến tuổi thọ không cao. Thiết bị chỉ
mang theo người, không dùng để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được.
Hiện nay các máy này gần như đã hỏng hết và không thấy được mua để sử dụng tiếp
trong các mỏ than Việt Nam nữa.
1.3.2 Thiết bị của Trung Quốc
Theo chúng tôi được biết thì máy đo khí mêtan của Trung Quốc có nhiều chủng loại
khác nhau, có giá cả cũng đa dạng. Loại đang được dùng trong các mỏ (loại GWJ-1A)
có hình dạng như sau:















Hình 1
Máy đo GWJ-1A

Máy này cũng xác định nồng độ khí mêtan theo nguyên tắc quang học.
Ưu điểm: Máy có giá thành thấp (khoảng 5 triệu đồng), đo khá chính xác
Hạn chế: Không đo tự động được mà phải bóp thủ công mỗi khi đo, khó đọc kết quả
đo và giá trị đọc không thống nhất. Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng để treo
trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được.
Hiện nay máy này cũng ít được các mỏ than mua thêm
để sử dụng.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

9

1.3.3 Thiết bị của Nhật
Thiết bị của Nhật có nhiều loại và do nhiều hãng khác nhau chế tạo như R-7 của
Toka Keiki, GX-86 của Riken Keiki, … nhưng hiện đang sử dụng tại TKV chủ yếu
là máy đo R7. Máy đo R7 cũng dùng sensor theo nguyên lý quang học.

Hình 2
Thiết bị đo R-7
Ưu điểm: Máy đo R-7 có độ ổn định, độ chính xác cao, bền.
Hạn chế: Giá thành rất cao (khoảng 35 triệu), phải có bộ lọc khí CO
2
nếu không sẽ bị
lẫn khí khi đo, đọc theo vạch quang học nên khó sử dụng và cũng không đo tự động
được mà phải dùng tay bóp khi muốn đo. Thiết bị chỉ mang theo người, không dùng
để treo trong hầm lò làm cảnh báo cục bộ được.
Năm 2006 TKV đã mua mấy trăm chiếc để cung cấp cho các mỏ. Thiết bị này, hiện
đang được coi là thiết bị bậc cao nhất của TKV.
1.3.4 Thiết bị của Ba Lan
Thiết bị Ba lan hiện có hai loại đang được sử dụng tại TKV là: M1CA và TC-100P
Thiết bị M1CA: dùng sensor dạng đốt xúc tác (cầu
Wheastone
) và hiển thị số, thiết bị
nhỏ gọn nhưng có nhược điểm là không đo tự động được và thiết bị cũng không phù
hợp với điều kiện môi trường của mỏ hầm lò Việt Nam nên độ bền không cao
Hiện thiết bị này vẫn còn một số nơi đang sử dụng nhưng không thấy các đơn vị mua
mới nữa.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

10

Thiết bị TC-100P: Thiết bị này dùng cả hai loại sensor (quang học và đốt xúc tác),
hiển thị số. Thiết bị này còn có khả năng điều khiển đóng cắt điện khi vượt ngưỡng
nên hiện được sử dụng như thiết bị giám sát cục bộ.
Ưu điểm: Đo tự động và có thể dùng làm thiết bị giám sát cục bộ, dải đo rộng (dùng 2

loạ
i sensor). Thiết bị có thể treo trong hầm lò làm thiết bị giám sát cục bộ.














Hình 3
Thiết bị đo TC-100P

Hạn chế: Giá thành đắt (khoảng 40 triệu đồng/chiếc), thiết bị chưa được nhiệt đới hoá
nên không phù hợp với môi trường hầm lò Việt Nam dẫn tới độ ổn định, độ bền
không cao.
Thiết bị này được TKV đặt mua một đợt vào khoảng năm 2003 để trang bị cho các
đơn vị thành viên, sau đó không thấy mua đợt nào nữa. Hiện nay một số
đơn vị vẫn
còn sử dụng nhưng cũng không thấy đặt mua mới.
1.3.5 Thiết bị của Canada
Năm 2004 và 2005 TKV đã mua và trang bị cho các đơn vị thành viên hai loại máy
của Canada là: GasAlert Lel (máy đo khí cháy) và GasAlertMicro (máy đo nhiều loại
khí: khí cháy, CO, O

2
).
GasAlert Lel : đây là loại máy đo 1 thông số, dùng sensor catalytic, hiển thị số trên
LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

11

GasAlertMicro: Đây là máy đo nhiều thông số: CH
4
, CO và O
2
cũng dùng sensor
catalytic, hiển thị số trên LCD và đo tự động, máy này nhỏ gọn, sử dụng dễ dàng.
Hạn chế: Giá đắt (khoảng 30 triệu đồng/chiếc) và không thể treo trong hầm lò được
mà chỉ mang theo người đi kiểm tra.

Hình 4
Thiết bị đo GasAlertMicro
Các máy này hiện được sử dụng mang theo người để đi kiểm tra trong các hầm lò.

Tóm lại: Hiện nay các máy đo khí của TKV đều là mua của nước ngoài cho nên
ngoài việc tốn kinh phí mua các thiết bị này thì việc sử dụng chúng cũng rất phụ
thuộc vì ta không làm chủ được công nghệ cũng như các vật tư, linh kiện thay thế.
Việc bảo hành, bảo dưỡng sau thời gian bảo hành quy định củ
a nhà sản xuất gần như
không có (do thiết bị được cung cấp từ các công ty thương mại chứ không phải từ các
nhà sản xuất).
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài
Ở nước ngoài, việc chế tạo thiết bị đo lường cho tất cả các lĩnh vực đều được đặc biệt
quan tâm không chỉ riêng thiết bị phục vụ ngành khai thác hầm lò. Các hãng Riken
keiki, Toka Keiki, ICS (Industrial Scientific Corporation), SICK/MIHAK, … là các

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

12

hãng lớn trên thế giới chuyên chế tạo các thiết bị đo lường công nghiệp từ thiết bị đơn
lẻ đến hệ thống lớn SCADA. Thiết bị đo kiểm soát khí mêtan phục vụ khai thác hầm
lò cũng được các hãng sản xuất thiết bị đo lường chế tạo theo hai dạng chính: Thiết bị
đo đơn lẻ: Cầm tay hoặc đặt cố định; Hệ thống l
ớn (SCADA): Tự động thu thập cảnh

báo, và điều khiển.
Về thiết bị đơn lẻ chủ yếu là thiết bị xách tay đo khí mêtan thì có 2 loại: loại không
hiển thị giá trị đo mà chỉ báo động khi vượt ngưỡng đặt trước hoặc loại có hiển thị giá
trị đo và báo động khi vượt ngưỡng. Các thiết bị của các nước công nghiệp phát triển
như: Nhật, Anh, Mỹ,
Đức, … đều rất đắt. Còn của Trung Quốc chế tạo loại có giá cả
vừa phải thì độ chính xác, độ ổn định không cao, còn loại có chất lượng cao thì cũng
đắt như của các nước công nghiệp phát triển khác.
Một xu hướng là chế tạo máy đo xách tay kết hợp đo nhiều loại khí như: CH
4
, CO,
O
2
, H
2
S (GX86, GasAlertMicro). Tuy nhiên các thiết bị dạng này thường đắt và dải
đo một số thông số chưa chắc đã phù hợp với mục đích sử dụng.
Hãng CarboAutomatyka của Ba Lan đã chế tạo thiết bị TC-100P có thể đo, cảnh báo
và điều khiển cắt điện cục bộ khi nguy hiểm (giá mỗi thiết bị này khoảng 40 triệu
đồng/chiếc). Thiết bị này cũng đã được s
ử dụng tại các mỏ của Việt Nam, nhưng do
các thiết bị này chưa thực sự phù hợp với môi trường hầm lò Việt nam nên làm việc
không ổn định.
Tóm lại, thiết bị đo khí mêtan nói riêng và khí cháy nổ trong hầm lò nói chung được
nghiên cứu và chế tạo ở nhiều nước trên thế giới, nhưng hoặc là có giá quá cao hoặc
là chưa phù hợp với điều kiện đặc thù của hầm lò Việt Nam nên hi
ện nay TKV vẫn
còn thiếu rất nhiều để phục vụ an toàn lao động trong khai thác hầm lò.
1.4.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai trong nước
Trong nước hiện nay mới chỉ có Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA)

là đơn vị đầu tiên đã nghiên cứu và chế tạo được thiết bị đo cảnh báo khí mêtan cầm
tay, thiết bị này đã được kiểm định và cấp phép cho sử dụng trong hầm lò. Hiện đã
đưa vào sử dụng trong thực tế được khoảng 300 chiếc. Vừa qua, Viện khoa học Vật
liệ
u (thuộc Viện Khoa học Việt Nam) đã nghiện cứu chế tạo được máy đo khí ga,
nồng độ cồn nhưng chưa chế tạo được máy đo dùng trong môi trường hầm lò.
Từ những yêu cầu bức bách về việc sử dụng máy đo khí mêtan của thực tế và tình
hình nghiên cứu, chế tạo máy đo khí mêtan trong nước như trên, từ năm 2004
VIELINA đã được Bộ Khoa học Công nghệ, Chương trình NCKH và phát tri
ển công
nghệ Tự động hoá cho phép chủ trì thực hiện dự án: Chế tạo thiết bị tự động đo và
cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò – mã số KC03.DA04, nhằm
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

13

mục đích chế tạo ra các máy đo khí mêtan phù hợp với môi trường hầm lò đặc thù của
Việt Nam cung cấp cho TKV.
1.5 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của dự án
1.5.1 Mục tiêu
Mục tiêu của dự án là thiết kế, chế tạo được thiết bị đo và cảnh báo khí mêtan cầm
tay phục vụ cho khai thác hầm lò, đảm bảo an toàn cho người lao động.
• Mục tiêu trước mắt là chế tạo ra thiết bị đo và cảnh báo một loại khí duy nhất
là khí mêtan, có thể làm việc ổn định và chính xác trong điều kiện môi trường
khắc nghiệt như khai thác hầm lò. Các thông số kỹ thuật chính là:
- Dải đo CH
4
: 0 đến 5 % vol.
- Sai số: 0,1%

- Ngưỡng báo động theo TCVN: 1% Vol.
- Thời gian làm việc liên tục: 10h
- Nhiệt độ làm việc: 0
0
C đến +50
0
C
- Độ ẩm tương đối làm việc: 5 đến 95%
- Thiết bị có thể báo động bằng âm thanh và đèn nháy
- Bảo đảm các tiêu chuẩn về an toàn theo TCVN
- Giá cả bằng 2/3 hoặc ít hơn so với thiết bị có cùng tính năng của nước
ngoài
• Mục tiêu tiếp theo là chế tạo các thiết bị đo cảnh báo cầm tay có thể đo được
nhiều thông số như: CH
4
; CO hoặc CO
2
(gọi chung là CO
x
); nhiệt độ; ... các
sản phẩm này có ngay trong thời kỳ thực hiện dự án.
• Mục tiêu lâu dài là chế tạo các hệ thống SCADA diện rộng để đo, cảnh báo các
thông số môi trường trong khai thác hầm lò phục vụ an toàn lao động.
• Mục tiêu lâu dài khác là làm chủ công nghệ để tiếp tục thiết kế chế tạo các loại
thiết bị đo lường khác, phục vụ cho sự nghiệp Công nghiệp hoá đấ
t nước như:
Thiết bị đo các khí công nghiệp, đo các thông số môi trường nước, …
1.5.2 Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các thiết bị đo khí hiện có tại các mỏ than của Việt nam từ đó xác
định nhu cầu thực sự và cấp thiết của người sử dụng để chế tạo thiết bị phù

hợp.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

14

- Lựa chọn vật tư, linh kiện đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đó để mua và chế tạo
thiết bị
- Thiết kế phần cứng, phần mềm cho các thiết bị.
- Xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển.
- Thiết kế mẫu mã, kiểu dáng công nghiệp cho thiết bị.
- Kiểm tra, hiệu chỉnh thiết bị.
-
Đưa thiết bị đi kiểm định để đánh giá các thông số kỹ thuật và kiểm tra an toàn
phòng chống cháy nổ, …
- Thử nghiệm thiết bị tại thực tế hầm lò Việt Nam.
- Thu thập ý kiến đóng góp để cải tiến khắc phục các nhược điểm của thiết bị
- Nghiên cứu hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo.
-
Đào tạo cán bộ thiết kế cũng như hướng dẫn sử dụng tại các cơ sở để đảm bảo
thiết bị được sử dụng có hiệu quả nhất.
1.6 Trình tự tiến hành thực hiện dự án
Sau khi được phê duyệt dự án, chúng tôi đã khẩn trương triển khai thực hiện dự án
với trình tự các bước như sau:
- Khảo sát thực trạng thi
ết bị đo khí trong TKV, thu thập ý kiến người sử dụng
để rút ra ưu nhược điểm của các thiết bị nước ngoài từ đó xây dựng bài toán
cho thiết kế sản phẩm dự án (T1-T2/2004).
- Tham khảo ý kiến các chuyên gia ngành than (đặc biệt các chuyên gia Nhật
Bản và chuyên gia của Trung tâm an toàn Mỏ) làm cơ sở thiết kế sản phẩm

(T3/2004).
- Lựa chọn vật tư, linh kiện và thiết kế (ph
ần cứng, phần mềm, vỏ hộp, kiểu
dáng, …) sao cho sản phẩm đảm bảo tiêu chuẩn TCVN-7079 và phù hợp nhất
với yêu cầu của người sử dụng (T3-T4/2004).
- Chế tạo mẫu sản phẩm và đưa đi kiểm định tại Trung tâm An toàn Mỏ (trong
quá trình kiểm định có hiệu chỉnh cả phần cứng và vỏ sản phẩm) (T4-
T12/2004).
- Sau khi có giấy chứng nhận kiểm đị
nh và công văn cho phép đưa vào sử dụng
của Cục Kỹ thuật an toàn - Bộ Công nghiệp, chúng tôi đã làm việc với Lãnh
đạo TKV xin ý kiến chỉ đạo về việc thử nghiệm (đơn vị thử nghiệm, thời gian,
quy trình thử nghiệm, …) (T12/2005-T2/2004)
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

15

- Ký hợp đồng nguyên tắc thử nghiệm thiết bị, xây dựng quy trình thử nghiệm
và đưa thiết bị đi thử nghiệm thực tế (từ T3/2005)
- Tiến hành thử nghiệm (3 đến 6 tháng), lấy ý kiến đánh giá của cơ sở thử
nghiệm và trình Lãnh đạo TKV để xin ý kiến về việc bán chính thức sản phẩm
(T10/2005).
- Tiến hành bán sản phẩm dự án từ tháng 11/2005 đế
n nay (máy đo VIELINA-
ĐCT.01)
- Hiện nay vẫn đang tiếp tục kiểm định cho máy đo nhiều thông số.
Tóm lại, do đặc thù ngành than nên các thủ tục để triển khai một sản phẩm vào thực
tế mất rất nhiều thời gian nên mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng phần kiểm định thiết
bị đo nhiều thông số hiện vẫn chưa xong. Riêng với sản ph

ẩm VIELINA-ĐCT.01 đã
được thị trường chấp nhận và bước đầu đã chứng tỏ có thể thay thế được thiết bị nhập
ngoại.
1.7 Phương pháp nghiên cứu
Áp dụng phương pháp nghiên cứu hiện đại, khoa học phù hợp với điều kiện thực tế
Việt Nam. Hiện đại là ứng dụng các công nghệ tiên tiến để nghiên cứu, chế tạo các
thiết bị
đo: Công nghệ điện tử số, công nghệ đo lường hiện đại, các chip công nghệ
cao, … và ứng dụng máy tính, công gnhệ thông tin để thiết kế, mô phỏng và xây dựng
các phần mềm điều khiển thiết bị. Phương pháp nghiên cứu khoa học là: xuất phát từ
tìm hiểu thực tế (các điều kiện đặc thù của môi trường hầm lò Việt Nam, yêu cầu và
trình độ của người sử dụ
ng, tình hình nghiên cứu chế tạo thiết bị tương tự trong và
ngoài nước để kế thừa các tính năng họ đã có) để xây dựng bài toán. Lựa chọn các vật
tư linh kiện hiện đại đáp ứng được yêu cầu bài toán để thiết kế sản phẩm. Sau đó chế
thử sản phẩm đưa đi kiểm định và sử dụng thử nghiệm, lấy ý kiến của ng
ười sử dụng
để hoàn thiện thiết kế. Xây dựng quy trình công nghệ chế thử, chế tạo hàng loạt và
quy trình hoàn thiện công nghệ. Sau khi chuyển giao sản phẩm tiếp tục tiếp thu ý kiến
khách hàng để hiệu chỉnh đưa ra sản phẩm tối ưu nhất.
Có thể nói quá trình thiết kế, chế tạo xuất phát điểm là từ thực tế và kết thúc cũng ở
thực tế, đặ
c biệt đã “lôi kéo” được người sử dụng tham gia vào quá trình thiết kế nên
sản phẩm tạo ra rất phù hợp với điều kiện đặc thù về môi trường hầm lò và con người
Việt Nam.

Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

16

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM
Chương này trình bày về nguyên tắc thiết kế, vấn đề lựa chọn vật tư linh kiện để thiết
kế, chế tạo sản phẩm, các vấn đề cần giải quyết. Sau đó là thiết kế phần cứng phần
mềm của các sản phẩm, bộ nạp pin tự động, chế tạo bộ nguồn an toàn tia lửa.

2.1 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo
Các sản phẩm của dự án sẽ phải làm việc trong môi trường có khí bụi nổ, với độ ẩm
cao và nhiều yếu tố khắc nghiệt khác do đó thiết bị phải đảm bảo các yêu cầu an toàn
tia lửa. Các sản phẩm của dự án phải đảm bảo tiêu chuẩn khắt khe về an toàn tia lửa
đó là tiêu chuẩn TCN-7079 (thực chất là tiêu chuẩn IEC 79). Từ thự
c tế trên, quan
điểm thiết kế thiết bị của chúng tôi như sau:
+
Thiết bị phải đạt tiêu chuẩn TCVN-7079 (thiết bị an toàn tia lửa Ex “ia”I)
+
Thiết bị phải làm việc chính xác, độ tin cậy và độ an toàn cao
+
Thiết bị dễ sử dụng, số liệu đo được phải dễ đọc
+
Thiết bị phải gọn nhẹ, chắc chắn phù hợp cho việc mang theo người.
+
Nguồn nuôi phải đảm bảo làm việc liên tục được ít nhất là 8 giờ (1 ca sản xuất)
+
Giá thành vừa phải
Các thông số môi trường hầm lò cần đo và cảnh báo là CH
4;
CO
2
; CO; nhiệt độ; ...

trong đăng ký dự án chúng tôi lựa chọn đo, cảnh báo các thông số: CH
4;
CO; nhiệt độ.
Trong đó:
- Máy đo 1 thông số VIELINA-ĐCT.01 chỉ đo CH
4
.
- Máy đo 2 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH
4;
CO.
- Máy đo 3 thông số VIELINA-ĐCT.02 đo CH
4;
CO và nhiệt độ.
Do điều kiện làm việc trong môi trường khắc nghiệt và lại phải đảm bảo thời gian làm
việc liên tục khoảng 10 giờ sau mỗi lần nạp pin nên các vật tư linh kiện cần phải lựa
chọn cho phù hợp. Sau đây chúng tôi xin trình bày phần lựa chọn các vật tư linh kiện
cho các thiết bị.
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

17

2.2 Lựa chọn các phần tử
2.2.1 Lựa chọn sensor
Sensor cần phải có dải đo phù hợp và đảm bảo làm việc được trong điều kiện đặc thù
của môi trường hầm lò Việt Nam là có độ ẩm cao, có khí bụi nổ và có sự xuất hiện
đồng thời của khí mêtan và khí CO
2
. Mặt khác sensor cũng phải chọn làm sao cho dễ
chế tạo đo tự động, do đó trong quá trình thiết kế chế tạo chúng tôi đã liên hệ với

hãng chế tạo sensor và họ đã khuyến cáo về việc lựa chọn sensor như sau.
 Khuyến cáo của nhà sản xuất
Khuyến cáo sử dụng sensor với các loại khí khác nhau của nhà sản xuất (Nemoto):
• Các khí dễ cháy: Hidro, Mêtan, Prôpan, Izô-butan, hơi xăng, Êtanol, vv...


•
Các khí độc: H
2
S, SO
x
, HCl, Cl, CO, vv...
0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1%
Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn, điện hoá -> <- Catalytic ->
• Các loại khí thải: Êtanol, khói thuốc, các khí có mùi khó chịu.
0,1ppm 1ppm 10ppm 100ppm 0,1% 1%
Nồng độ khí

Loại sensor <- Bán dẫn -> <- Catalytic ->
• Các khí trơ: Cácbon điôxít, các khí Frêon
0,01% 0,1% 1% 10%
Nồng độ khí

Loại sensor <- IR absorption -> <- Dẫn nhiệt ->
Mục tiêu chế tạo thiết bị này là để đo khí CH
4
, với ngưỡng cháy nổ dưới (LEL) là 5%,
cho nên theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì chúng ta sử dụng loại sensor đo khí

mêtan là loại làm việc theo nguyên lý catalytic. Còn với khí CO trong hầm lò cần báo
động ở mức thấp (16 ppm) nên ta chọn loại sensor điện hoá hoặc bán dẫn. Để đo nhiệt
0,001% 0,01% 0,1% 1% 10%
Nồng độ khí

Loại Sensor <- Bán dẫn -> <- Catalytic -> <- Dẫn nhiệt ->
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

18

độ chúng tôi dùng loại sensor bán dẫn. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu nguyên lý của
sensor catalytic và sensor điện hoá.
 Sensor catalytic
Ưu điểm của sensor làm việc theo nguyên tắc catalytic là:
• Thời gian nung ngắn, tốc độ đáp ứng nhanh
• Độ nhậy khí cao và ít thay đổi trong thời gian làm việc
• Bền với nhiệt độ và độ ẩm cao (50
0
C, 98% RH)
• Có thể lưu giữ lâu ở nhiệt độ và độ ẩm cao (50
0
C, 95% RH)
• Có khả năng chịu rung và va đập
• Tuổi thọ cao
• Nhiệt độ làm việc thấp so với điểm bốc cháy nên rất an toàn
• Do mỗi loại khí nhậy ở một nhiệt độ khác nhau nên dùng sensor catalytic
không bị hiện tượng lẫn khí do đó không xẩy ra hiện tượng báo động nhầm.
¾ Cấu tạo của Sensor

Hình 5
Cấu tạo sensor cảm biến đốt xúc tác
Một cuộn dây 50µm bằng Pt được đặt trên 2 bộ đỡ bằng dây. Nó hoạt động giống sự
kết nối điện. Cuộn dây được gắn vào bên trong một hộp nhỏ được làm bằng AL cỡ
1mm. Alumin được tẩm một trong các chất xúc tác như Pt, Pd, hoặc hỗn hợp Pd-
ThO
2
. Các chất xúc tác này có tác dụng làm tăng độ nhạy của cảm biến. Loại Sensor
này thường được gọi là “Pellistor”. Sensor được đặt trong hộp bảo vệ sao cho khí vào
sensor được điều khiển lớn và phân tán.
Cảm biến xúc tác được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để phát hiện chất khí dễ
nổ dẽ cháy. Thông thường cảm biến được lắp vào một mạch cầu Wheastone với một
Chốt
Cuộn dây bằng
Platine
Hộp nhỏ
Hộp bảo vệ
Chất xúc tác
Các chân ra
Dự án KC.03.DA04: Chế tạo thiết bị đo, cảnh báo khí mêtan cầm tay dùng cho khai thác hầm lò.
VIELINA – Tel. (04)7140150, (04) 7164855

19

phần tử khác không nhạy với chất khí phân tích. Hai phần tử này được nung nóng
bằng hiệu ứng Joule. Khi có mặt chất khí dễ cháy, hiện tượng cháy làm tăng nhiệt độ
cảm biến dẫn đến sự mất cân bằng của cầu và tạo ra tín hiệu tương ứng với hàm
lượng chất khí dễ cháy trong hần hợp khí. Cảm biến này có thể đo được nhiều chất
khí khác nhau như: CH
4
, H
2
, CO...
 Sensor điện - hoá
Cảm biến điện hoá gồm 2 điện cực chính được đặt vào một dung dịch điện phân. Một
cực được gọi là cực làm việc, tại cực này xảy ra các phản ứng ôxi hoá giữa dung dịch
với chất khí cần xác định tạo ra các điện tích tự do e và các ion. Cực thứ 2 sẽ tạo ra
phản ứng giữa ion được tạo ra ở
cực kia với các chất ngoài không khí để trung hoà
điện tích trong dung dịch và đồng thời nó có dòng điện do electron tự do của phản
ứng ôxi hoá. Với việc xác định dòng điện ta sẽ xác định được nồng độ khí đưa vào.
Sensor loại này thích hợp cho đo khí CO, H
2
S, ...
2.2.1.1 Sensor đo khí CO
Qua tìm hiểu trên thi trường chúng tôi lựa chọn sensor loại NAP-701 của hãng
Nemoto (Nhật) để đo khí CO, đây là sensor làm việc theo nguyên lý điện hoá.
¾ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 6
Nguyên lý hoạt động sensor đo khí CO
POTENTIOSTAT
O
2

Điện
t
rở
Dòng
điện
2H
+
H
2
O
2H
+

H

2
O
Điện cực
Điện cực làm việc
CO+H
2
O
→CO
2
+2H
+
+2e
-

Điện
cực
chuẩn
Điện cực khô
Màng mỏng cho khí xuyên qua
Dung dịch
điện phân
CO
2

CO
Output