RealEDU.

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------
Lê Ngọc Thành Vinh
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT LIÊN TỤC NỒNG ĐỘ
KHÍ THẢI CỦA NHÀ MÁY XI MĂNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường
HÀ NỘI - 2018

2. 2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................8
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
Chương 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ THÀNH PHẦN
-
KHÍ PHÁT THẢI .......................................................................................................12
1.1 Thực trạng nhà máy sản xuất xi măng ở Việt Nam hiện nay
- ................................................. 12
1.2 Công nghệ sản xuất xi măng và phương pháp kiểm soát, giảm thiểu khí phát thải
- ............... 13
Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO KHÍ THẢI CHÍNH
- ........19
2.1 Nguyên lý đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi măng
- ................................................. 19
2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi măng
- .............. 20
Chương 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN NỀN TẢNG IoT PHÙ HỢP CHO HỆ
-
THỐNG .....................................................................................................................29
3.1 Khái niệm chung về IoT......................................................................................................... 29
3.2 Các mô hình IoT thông thường.............................................................................................. 31
3.3 Lựa chọn mô hình IoT phù hợp cho hệ thống quan trắc môi trường Nhà máy Xi măng
- ....... 35
Chương 4 THIẾT KẾ
- VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG GIÁM SÁT KHÍ THẢI ...........37
4.1 Phân tích hệ thống.................................................................................................................. 37
4.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống................................................................................................ 38
4.3 Quy trình thiết kế phần cứng hệ thống................................................................................... 39
4.4 Lựa chọn các thiết bị.............................................................................................................. 39
4.4.1 Cảm biến ......................................................................................................................... 40
4.4.2 Bộ xử lý tín hiệu đo......................................................................................................... 42
4.3.3 Bộ hiển thị kết quả đo ..................................................................................................... 43
4.3.4 Bộ thu phát tín hiệu......................................................................................................... 44
4.3.5 Bộ định dạng và lưu trữ thông tin ................................................................................... 45
4.4 Các sơ đồ đấu dây .................................................................................................................. 46
4.5 Quy trình thiết kế phần mềm hệ thống................................................................................... 49

3. 3
4.6 Lựa chọn phần mềm thực hiện............................................................................................... 50
4. 7 Tải Thư viện cho các cảm biến ............................................................................................. 52
Chương 5 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ
- ................................................56
5.1 Khi các thông số môi trường trong phạm vi cho phép........................................................... 56
5.2 Khi có cảnh báo thông số vượt ngưỡng ................................................................................. 58
5.3 So sánh kết quả đo với hệ thống đo chuẩn và hiệu chỉnh thông số cảm biến ........................ 60
5.4 Đánh giá kết quả chung.......................................................................................................... 62
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................63
Kết luận:....................................................................................................................................... 63
Hướng phát triển: ......................................................................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................65
PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG..............................68

4. 4
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Thiết kế hệ thống giám sát liên tục
nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và tài liệu trong luận là trung thực và chưa được công bố trong bất
văn
kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích
dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Học viên
Lê Ngọc Thành Vinh

5. 5
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo, cô
giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là các thầy giáo, cô giáo thuộc
Viện Điện. Chính các thầy giáo, cô giáo đã trang bị cho em những kiến thức quý
báu trong thời gian em học tập, nghiên cứu, thực tập tại trường. Đồng thời em cũng
xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường, người đã
chỉ dẫn tận tình, cho em những kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành luận
văn tốt nghiệp này đúng hạn. Thầy cũng là người luôn động viên, giúp đỡ em trong
những thời điểm khó khăn nhất.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp tại Phòng Cảm biến và thiết bị
đo khí Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã giúp đỡ em
- -
trong việc chế tạo và thử nghiệm các thiết bị.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Nhà máy xi măng Sông Thao đã tạo điều
-
kiện cho em được khảo sát công nghệ sản xuất xi măng hiện tại của Nhà máy và
-
quan trắc môi trường tại đây.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè. Lời động viên tinh
thần từ mọi người luôn là động lực để em tiến lên phía trước.

6. 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các kí hiệu dùng trong Luận văn
Danh mục các các chữ viết vắt trong Luận văn
Chữ ế
vi t tắt
và thu t ng
ậ ữ
Từ đầy đủ Ý nghĩa
BTNMT Bộ tài nguyên và môi trường
CCS Carbon Capture and Storage Hệ thống thu giữ và cất trữ carbon
Devices Thiết bị
Gateway
Thiết bị chuyển đổi gói tín hiệu
giữa hai mạng khác nhau
IoT Internet of Things Internet vạ ậ
n v t
SNCR
Selective non-catalytic
reduction
Công nghệ xử lý NOx sau quá trình
cháy bằng phản ứng hóa học
SSID Service Set Identifier Tên mạng Wi-Fi
Server Máy chủ
WebGIS
Website Geographic
Information System
G - server cho phép
iải pháp client
quản lý, phân tích, cập nhật, phân
phối thông tin bản đồ và GIS (hệ
thông tin địa lý) trên mạng Internet
Ký hiệu Ý nghĩa
% Tỷ lệ phần trăm (1/100)
CO Khí độc Cacbon monoxit
CO2 Khí Cacbonic
H Độ ẩm (Humidity)
NH3 Khí Amoniac
NOx Khí độc NO, NO2,…
Pin Chân thiết bị
ppm Đơn vị đo nồng độ ấ ấ
r t th p, ppm = 1/1000000 = 10-6
T Nhiệt độ (Temperature)

7. 7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản
xuất xi măng
- _________________________________________________13
Bảng 2 Bảng đấu dây Module cảm biến DHT
- -11 - Arduino____________47
Bảng 3 Bảng đấu dây Module cảm biến MQ7
- - Arduino ______________48
Bảng 4 Bảng đấu dây Module Micro SD
- - Arduino __________________48
Bảng 5 Bảng đấu dây Module RTC BQ32000
- - Arduino ______________48
Bảng 6 Bảng đấu dây Module
- Sim 808 - Arduino____________________49
Bảng 7 Bảng so sánh Kết quả đo nhiệt độ (đơn vị:
- 0
C) giữa thiết bị đo chuẩn
và mạch chế thử ______________________________________________60
Bảng 8 Bảng so sánh Kết quả đo độ ẩm (đơn vị:
- %
) giữa thiết bị đo chuẩn và
mạch chế thử _________________________________________________60
Bảng 9 Bảng so sánh Kết quả đo nồng độ khí CO (đơn vị: ppm) giữa thiết bị
-
đo chuẩn và mạch chế thử_______________________________________61
Bảng 10 Bảng so sánh Kết quả đo nồng độ khí CO (đơn vị: ppm) giữa thiết
-
bị đo chuẩn và mạch chế thử sau hiệu chỉnh hệ số cảm biến ____________61

8. 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1: Mô hình điển hình về dây chuyền của một nhà máy sản xuất xi măng
- ............................... 15
Hình 2: Sơ đồ khối về hệ thống lò nung Clinker trong sản xuất xi măng và các vị trí đo đạc, phân
-
tích khí giúp vận hành lò.................................................................................................................. 16
Hình 3: Đồ thị điển hình minh họa mối tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu/không khí (A/F) với sản
phẩm các khí từ quá trình đốt cháy nhiên liệu................................................................................. 20
Hình 4: Sơ đồ khối đề xuất về hệ phân tích khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành lò nung ủ
Klinker.............................................................................................................................................. 22
Hình 5: Mô hình sử dụng cảm biến để điều khiển quá trình đốt cháy nhiên liệu: (a) chỉ sử dụng một
loại cảm biến oxy, (b) kết hợp giữa cảm biến oxy và các cảm biến khí khác................................... 23
Hình 6: Đặc trưng hấp thụ bước sóng hồng ngoại của một số loại khí [18]................................... 24
Hình 7: Sơ đồ khối tổng thể cho cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại cấu hình không tán sắc NDIR hai
kênh thu IR....................................................................................................................................... 25
Hình 8: Cảm biến dùng cho thử nghiệm theo cấu hình không tán sắc (NDIR) sử dụng đầu thu hồng
ngoại hai kênh đã tích hợp kính lọc quang ...................................................................................... 26
Hình 9: Hệ thử nghiệm hoạt động của cảm biến và bo mạch điện tử.............................................. 26
Hình 10: Đáp ứng điện áp (đã khuếch đại 10.000 lần) của hai đầu thu thermoplie khi cấp nguồn
thế (5V) dạng xung vuông cho đèn dây tóc...................................................................................... 27
Hình 11: Sự phụ thuộc tuyến tính của Log(Vo/Vg) vào nồng độ khí CO của cảm biến đã chế tạo. . 27
Hình 12 - Mô hình IoT kiểu kết nối trực tiếp với gateway. .............................................................. 32
Hình 13 - Mô hình IoT kiểu kết nối gián tiếp gateway..................................................................... 33
Hình 14 - Mô hình IoT không sử dụng gateway............................................................................... 34
Hình 15 - Mô hình kết nối Internet của 3G...................................................................................... 34
Hình 16 - Các vị trí lắp đặt bộ đo bộ đo đạc nồng độ khí thải. ........................................................ 36
Hình 17 - Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống quan trắc khí thải............................................................ 38
Hình 18 - Quy trình thiết kế phần cứng hệ thống quan trắc khí thải............................................... 39
Hình 19 - Module cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm: DHT- ............................................................... 40
11
Hình 20 - Module cảm biến đo nồng độ khí CO: MQ7.................................................................... 41
Hình 21 - Mạch đo nồng độ khí CO................................................................................................. 41
Hình 22 - Bộ xử lý tín hiệu đo Arduino Uno U3.............................................................................. 42
Hình 23 - Bộ hiển thị kết quả đo LCD 1206. ................................................................................... 43
Hình 24 - Bộ thu phát tín hiệu Module SIM 808.............................................................................. 44
Hình 25 - Module thời gian thực BQ32000 ..................................................................................... 45
Hình 26 - Module thẻ nhớ Micro SD................................................................................................ 46
Hình 27 - Sơ đồ đấu dây bộ thiết bị đo đạc các thông số môi trường.............................................. 47
Hình 28 - Sơ đồ đấu dây bộ thiết bị đo đạc các thông số môi trường với bộ thu phát tín hiệu đã đo
được.................................................................................................................................................. 49
Hình 29 - Quy trình thiết kế phần mềm hệ thống quan trắc khí thải................................................ 50
Hình 30 - Chu trình hoạt động của Arduino Ide.............................................................................. 51
Hình 31 - Cập nhật thư viện vào Arduino Ide.................................................................................. 52
Hình 32 - Hình ảnh hiển thị trên LCD khi nồng độ CO trong phạm vi cho phép............................ 56
Hình 33 - Tin nhắn quan trắc môi trường gửi về khi có yêu cầu..................................................... 56
Hình 34 - Các kết quả đo trên Serial Monitor của Arduino Ide ...................................................... 57
Hình 35 - Dữ liệu ghi lại trong thẻ nhớ dưới dạng file text ............................................................. 57
Hình 36 - Hình ảnh hiển thị trên LCD khi có cảnh báo nồng độ CO ở mức nghiêm trọng
(>1000ppm) ..................................................................................................................................... 58
Hình 37 - Tin nhắn cấp báo rò rỉ khí CO ở mức nghiêm trọng (hệ thống tự động gửi) ..................... 59
Hình 38 - Tin nhắn cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng (hệ thống tự động gửi)................................... 59
Hình 39 - Tin nhắn cảnh báo độ ẩm vượt ngưỡng (hệ thống tự động gửi)...................................... 59

9. 9
MỞ ĐẦU
- Lý do chọn đề tài:
- -
Nghị định 19/2015/NĐ CP và Thông tư 31/2016/TT BTNMT yêu cầu các
doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm có phát thải khí thải kể từ năm 2017 phải có hệ
thống quan trắc đo đạc nồng độ khí phát thải và tự động báo cáo trực tuyến đến cơ
quan quản lý nhà nước (Sở Khoa học và Công nghệ của tỉnh) phục vụ công tác quản
lý và xử phạt (nếu có) , do trước đây việc kiểm tra xử lý thường dựa vào các
[1,2]
thiết bị cầm tay và thực hiện không liên tục nên không đảm bảo tính khách quan.
Tuy nhiên có một thực tế hiện nay là tính đến tháng 6/2018, chưa có doanh nghiệp
Xi-măng nào đáp ứng được yêu cầu này.
Đứng trước yêu cầu bức thiết ấy, Nhà máy sản xuất xi măng đề
- Sông Thao
nghị liên kết với Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí Viện Khoa học vật liệu xây
-
dựng hệ thống tự động gửi Báo cáo tổng hợp chỉ tiêu, thông số về môi trường đến
Sở Khoa học và Công nghệ theo yêu cầu của Sở, trong đó chú ý đến nồng độ khí
CO là loại khí độc hại nhất và có liên quan đến lượng than đá sử dụng (các loại khí
khác hoàn toàn tương tự) Dự án này hiện đang được xúc tiến đàm phán
. .
Với lý do trên, học viên đã lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát liên
tục nồng độ khí thải của Nhà máy xi măng”.
- ghiên
Lịch sử n cứu:
Như đã nói ở trên, tính đến tháng 6/2018, chưa có doanh nghiệp Xi măng nào
tại Việt Nam lắp ráp hệ thống này, khi Cơ quan quản lý Nhà nước kiểm tra thì các
doanh nghiệp thường chấp nhận chịu phạt. Một số nhà máy Xi măng hiện nay đã
-
lên phương án nhập khẩu toàn bộ hệ thống này và dự k ến sẽ lắp đặt vào cuối năm
i
2019 . T
[8] uy nhiên về nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thì chưa có doanh nghiệp hay
tổ chức nào công bố và cũng chưa có cơ quan quản lý Nhà nước nào thẩm định chất
lượng của hệ thống này tại Việt Nam.

10. 10
- nghiên
Mục đích cứu của luận văn:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát liên tục các thông số môi trường của
nhà máy xi-măng. Hệ thống có khả năng lưu trữ, gửi thông tin báo cáo về trung tâm
qua Internet sử dụng công ghệ 3G, 4G.
n
Xây dựng hệ thống tự động gửi Báo cáo tổng hợp chỉ tiêu các thông số môi
trường từ Nhà máy sản xuất xi măng đến cơ quan quản lý nhà nước (Sở Khoa học
-
và Công nghệ của tỉnh).
Để chứng minh tính khả thi của cứu thiết kế trên, học viên chế tạo mô
nghiên
hình thử nghiệm đo đạc nồng độ khí CO (một trong hai loại khí phát thải quan trọng
nhất của Nhà máy xi măng loại khí còn lại là NO
- - x có thể thực hiện một cách tương
tự) đo mở rộng là nhiệt độ, độ ẩm huyển số liệu đã đo được đến
, hai kênh
cùng và c
số điện thoại cần kiểm tra dưới dạng tin nhắn khi có yêu cầu ự động gửi khuyến
; t
cáo, cảnh báo khi thông số môi trường mất an toàn.
- Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:
Mô hình thử nghiệm đã chế tạo có khả năng nhận thông tin đo đạc, tự động
tạo file tổng hợp về nồng độ , nhiệt độ, độ ẩm huyển được
khí CO , c thông tin đã
tổng hợp đến số điện thoại qua tin nhắn yêu cầu, chẳng hạn theo định kỳ
theo
(ngày/lần, giờ/lần,…), hay theo các mức cảnh báo.
Luận văn minh chứng rằng có thể thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát liên tục
các thông số chính của môi trường tại ngay tại Việt Nam, là lựa
Nhà máy xi-măng
chọn có thể chấp nhận được đủ đáp ứng Nghị định 19/2015/NĐ CP và Thông tư
-
31/2016/TT-BTNMT trước khi được nghiên cứu mở rộng và hoàn thiện để có thể
thay thế hệ thống ngoại nhập vốn rất đắt tiền và không chủ động được về mặt thiết
kế, chế tạo và bảo hành.
- Phương pháp nghiên cứu.
+ Cách tiếp cận đề tài là bắt nguồn từ bài toán cấp bách trong thực tế về
giám sát liên tục các thông số chính của môi trường tại Nhà máy xi Luận văn
-măng.

11. 11
sẽ giải quyết bài toán đó từ nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đạc các thông số môi
trường, hả năng lưu trữ thông số đã đo được và gửi về trung tâm qua Internet. Đây
k
là các vấn đề nghiên cứu kết hợp giữa khoa học nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
đến các chuyên gia vận hành thực tế trong sản xuất công nghiệp. Luận văn đi từ tiếp
cận một cách tổng quát, hệ thống các vấn đề khoa học công nghệ liên quan đến tiếp
cận từ thực trạng và các vấn đề cụ thể, sau đó là tiếp cận trên cơ sở kế thừa từ một
số lĩnh vực nghiên cứu sau:
+) .
Nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học vật liệu
+) .
Nghiên cứu trong lĩnh vực linh kiện cảm biến khí
+) .
Nghiên cứu trong lĩnh quang học, quang phổ
+) Nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, vi điều khiển cho chế tạo các
thiết bị phân tích và thiết bị hệ thống.
+) .
Triển khai các hệ thống thiết bị phân tích, cảnh báo khí
+) Nghiên cứu công nghệ IoT.
+ Phương pháp nghiên cứu:
+) N .
ghiên cứu đặc trưng cơ bản của cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm
+) N .
ghiên cứu đặc trưng cơ bản của cảm biến đo khí, đặc biệt lưu ý khí CO
+) Nghiên cứu các đặc trưng nhạy khí linh kiện cảm biến, thiết bị phân
của
tích khí.
+) Nghiên cứu kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý cho chế tạo các thiết bị đo,
thiết bị phân tích và thiết bị truyền dẫn, thu nhận và hiển thị.
+) Đánh giá, so sánh kết quả phân tích khí đối chứng với thiết bị đo khí
chuyên dụng và hiệu chỉnh cảm biến, hiệu chỉnh phần mềm.
+) .
Thống kê, phân tích, đánh giá lại hệ thống đo sau khi hiệu chỉnh
+) Nghiên cứu công nghệ IoT, thiết kế, lắp ráp thiết bị thử nghiệm.
+) Đ hiệu quả của hệ thống IoT đã chế thử bằng thực nghiệm.
ánh giá
+) .
Thống kê, phân tích, đánh giá lại toàn hệ thống IoT sau khi hiệu chỉnh

12. 12
Chương TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ
1 -
THÀNH PHẦN KHÍ PHÁT THẢI
1 -
.1 Thực trạng nhà máy sản xuất xi măng ở Việt Nam hiện nay
Hiện tại, Việt Nam có trên 100 nhà máy sản xuất xi măng với phần lớn có
-
công suất cỡ trung bình và nhỏ (<2500 tấn Clinker/ngày). Năng lượng từ quá trình
đốt cháy than có thể chiếm 90% tổng năng lượng sử dụng trong các nhà máy
60 -
sản xuất xi măng. Trong đó, theo các đánh giá từ tập đoàn FLSmidth cùng với Tổng
-
Công ty Công nghiệp Xi măng Việt Nam (VICEM) đã có nghiên cứu đánh giá về
“ ” trên một số nhà
Hiện trạng công nghệ sản xuất các nhà máy xi măng của VICEM
máy sản xuất xi măng vào tháng 3/2015 cho thấy chỉ số về năng lượng than sử dụng
-
trên lượng sản phẩm Clinker đầu ra (cỡ 8 hơn
20-900 kCal./1 kg Clinker), cao khá
nhiều so chuẩn Quốc tế . Trong báo cáo đánh giá “
0 kCal./1 kg Clinker)
(73 Nghiệp
vụ ủy thác hoạt động hợp tác song phương với Việt Nam về chuyển giao quốc tế
công nghệ bảo vệ môi trường kiểu cùng có lợi” của Hiệp hội quản lý Môi trường
Công nghiệp Nhật Bản cho thấy việc quan trắc khí thải và xử lý khí thải trong các
ngành công nghiệp nói chung và xi măng nói riêng chỉ tập trung ở một số nhà máy
-
sản xuất lớn. Theo một số chuyên gia, hệ thống phân tích khí trợ giúp cho vận hành
sản xuất xi măng là công cụ hữu hiệu và hiện tại được trạng bị tại các nhà máy công
-
suất lớn như xi măng Bút Sơn, xi măng Bỉm Sơn, xi măng Hoàng Thạch, xi măng
- - - -
Cẩm Phả, xi g Hạ Long, xi măng ChinFon và măng Nghi Sơn. Tuy vậy,
-măn - xi-
phần lớn là các nhà máy xi măng công suất nhỏ hay đã qu cũ (được xây dựng cách
- á
đây trên 10 năm), hiện nay cơ sở vật chất đã xuống cấp thì không có trợ giúp từ hệ
thống phân tích khí hoặc đã hỏng không sử dụng được. Ngoài ra, môi trường khí từ
quá trình sản xuất xi măng là rất khắc nhiệt (nồng bụi lớn, độ ẩm lớn, nhiệt độ cao,
-
nhiều tác nhân ăn mòn,...) sẽ gây khó khăn bảo dưỡng, bảo trì và thay thế thường
xuyên khi sử dụng sản phẩm nhập ngoại. Đây chính là trở ngại (liên quan đến chi
phí rất lớn) cho doanh nghiệp. Vì vậy, quá trình vận hành lò cho sản xuất xi măng ở
-

13. 13
đây phần nhiều dựa vào các tham số kinh nghiệm của người vận hành thông qua các
tham số khác như nhiệt độ, áp suất, màu sắc và trạng thái đốt trong hệ thống, độ mở
của các van gió,… do vậy dẫn đến kém chính xác hoặc không đáp ứng trực tiếp kịp
thời, nhất là đối với hệ thống đã cũ. Đối với Việt Nam chỉ số về tiêu thụ năng
,
lượng nhiệt từ than trong sản xuất xi măng trung bình có thể dao động trong khoảng
-
từ 820 1000 kCal./1 kg Clinker. Ngoài ra, theo khuyến cáo từ các hãng thiết bị
-
thì việc cải tạo hoặc nâng cấp công đoạn nung Clinker có thể tiết kiệm nhiệt năng
khoảng 15÷20 kCal./1 kg Clinker và 3÷5 kWh điện năng/tấn xi măng. Việc phân
-
tích được các chỉ số khí thải giúp cho điều khiển và vận hành lò nung ủ Clinker là
giải pháp tốt và phù hợp để tiến đến được chỉ tiêu Quốc tế. Vì vậy, đây là bài toán
thực tế cần giải quyết và có thể thực hiện đem lại những ý nghĩa về kinh tế xã hội
-
liên quan đến tiết kiệm năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường. [4]
1.2 -
Công nghệ sản xuất xi măng và phương pháp kiểm soát, giảm thiểu khí
phát thải
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy xi-măng;
lượng khói bụi và khí thải độc hại phát thải vào môi trường ngày càng nhiều. Để
hạn chế tình trạng đó, các quy định về môi trường ngày càng trở nên nghiêm ngặt
và các Nhà máy -
sản xuất xi măng đã đưa ra các nghị quyết, chỉ thị về việc giảm
phát thải trong các nhà máy . Việc giảm phát thải chất khí độc hại vào môi
xi-măng
trường đang trở thành một nhu cầu cần thiết.
Theo QCVN 23:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải
công nghiệp sản xuất , ban hành ngày 16/11/2009, mục 2 quy định
xi-măng sau: [3]
TT Thông
số
Nồng độ
A B1 B2
1 Bụi tổng 400 200 64
2 CO 1000 1000 500
3 NOx 1000 1000 1000
4 SOx 1500 500 500
Bảng 1: Nồng độ C của các thông số ô nhiễm trong khí thải công nghiệp sản xuất
xi-măng

14. 14
Trong đó:
C A quy C cúa các thông s ô nhi m trong khí th i công
ột định nồng độ ố ễ ả
nghi p s n xu s tính toán cho phép các
ệ ả ất xi mǎng làm cơ ở nồng độ tối đa đối với
dây chuy n s n xu t c ngày 16/01/2007 01/11/2011.
ề ả ấ ủa nhà máy hoạt động trước đến
C B1 quy C cúa các thông s ô nhi m trong khí th i công
ột định nồng độ ố ễ ả
nghi p s n xu s tính toán cho phép các
ệ ả ất xi mǎng làm cơ ở nồng độ tối đa đối với
dây chuy n s n xu t c ngày 16/01/2007
ề ả ấ ủa nhà máy hoạt động trước đến 31/12/2014.
C quy C c các thông s ô nhi m trong khí th i công
ột B2 định nồng độ ủa ố ễ ả
nghi p s n xu s tính toán cho phép :
ệ ả ất xi mǎng làm cơ ở nồng độ tối đa đối với
+ Các dây chuy n
ề xây dựng mới hoặc cải tạo, chuyển đổi công nghệ.
+ Tất cả các dây chuy n s n xu
ề ả ất của nhà máy xi mǎng kể từ 01/01/2015.
Đối với việc kiểm soát đơn lẻ từng loại khí phát thải cụ thể, người ta sử dụng
các phương pháp xử lý riêng cho mỗi loại khí thải đó.
Chẳn hạn với
g NOx là chất khí đặc biệt nguy hại ảnh hưởng trực tiếp đến con
người và môi trường. Hiện nay, các hệ thống lọc bụi thông thường chỉ có thể kiểm
soát được hàm lượng bụi. Do đó, để giảm thiểu phát thải NOx độc hại cần có những
biện pháp công nghệ phù hợp.
Hai loại công nghệ kiểm soát và hạn chế NOx trong các Nhà máy sản xuất xi-
măng hiện nay thường dùng là công nghệ SCR (xử lý NOx sau quá trình cháy bằng
phản ứng hóa học, mục tiêu cuối cùng của phản ứng là tạo ra những sản phẩm không
độc hại) và công nghệ SNCR (sử dụng NH3 hoặc Urea để loại bỏ NOx với nguyên tắc
hoàn toàn tương tự như công nghệ SNCR, tuy nhiên, một điểm khác biệt của phương
pháp này là sử dụng chất xúc tác để thúc đẩy phản ứng hóa học giữa dung môi và
NOx và cho phép phản ứng xảy ra ở ngay cả điều kiện nhiệt độ thấp). 1
[1 ,12]
Với khí thải CO2, các Nhà máy có thể giữ lại sau khi chúng được tạo ra
thông qua hệ thống thu giữ và cất trữ carbon (CCS). Công nghệ này hiện đã được sử
dụng trong một số nhà máy điện, ngoài ra còn sử dụng trong sản xuất bê tông.
Thông qua quá trình bão hòa cacbonic tăng tốc, CO2 thâm nhập vào bê tông và phản
ứng với canxi hydroxit khi gặp nước để tạo thành canxi carbonat; kết quả là việc thu

15. 15
giữ CO2 ổn định, dài hạn. Là một công nghệ để giảm nhẹ, có thể đạt được quá trình
bão hòa carbonat tăng tốc bằng cách phơi bê tông trộn tươi để thải các chất khí có
nồng độ CO2 . 3,14]
cao [1
Đối với khí CO, hiện chưa có công nghệ kiểm soát và hạn chế hữu hiệu. Biện
pháp hiệu quả nhất là đo và phân tích chính xác nồng độ khí CO tại tháp nung sơ bộ ,
từ đó điều chỉnh lượng nhiên liệu vào phù hợp.
Về mặt tổng thể, việc áp dụng công nghệ sản xuất hiện đại là biện pháp hàng
đầu để giải quyết việc kiểm soát, giảm thiểu hầu hết các loại khí phát thải. Công
nghệ sản xuất xi măng tiên tiến và phổ biến nhất hiện trên thế giới công nghệ
- nay là
lò quay sản xuất xi- .
măng Portland
Cấu hình trong dây chuyền sản xuất xi măng điển hình được thể hiện trên
-
Hình 1, cho thấy gồm nguyên liêu ban đầu là đá và phối liệu được trộn và trải qua
các quá trình nung ủ trong lò sử dụng nhiên liệu than.
Hình 1: Mô hình đi măng
ể ề ề ủ ộ ả ấ
n hình v dây chuy n c a m t nhà máy s n xu t xi-
Từ nguyên liêu ban đầu (đá vôi, đất sét) và phối liệu được trộn, tiếp đến trải
qua các quá trình nung ủ trong các hệ thống lò. Ở đó, có nhiều điểm phát thải khí ra

16. 16
môi trường và nhiều vị trí cần đo đạc và ó thể thấy các loại khí
phân tích khí. C
chính từ quá trình sản xuất xi măng là O
- 2, CO2, CO, NOx, HC, SO2, v.v… Trong hệ
thống sản xuất xi măng, công đoạn nung ủ phối liệu thành Clinker là quan trọng
-
nhất. [10]
Hình 2 t
sau đây hể hiện sơ đồ khối điển hình về hệ thống lò nung Clinker theo
kiểu lò quay ngang.
Hình 2: Sơ đồ ố ề ệ ố ả ấ măng và các vị
kh i v h th ng lò nung Clinker trong s n xu t xi- trí
đo đạ ậ
c, phân tích khí giúp v n hành lò.
Nguồn vật liệu ban đầu (đá vôi, đất sét, …) được đưa vào hệ thống tháp nung
từ trên cao (vị trí 1); vật liệu nguồn sẽ qua các tháp (5 tầng) được sấy, nung sơ bộ
sau đó chuyển vào hệ thống lò quay để nung chảy hỗn hợp nguyên vật liệu; sau đó
hỗn hợp này được làm nguội để có được thành phẩm là Clinker.
Trong khi đó, nhiên liệu đốt (than bột) được phun vào buồng đốt (lò quay) tại
các vị trí 4. Năng lượng nhiệt từ đốt than sinh ra được luân chuyển trong toàn hệ

17. 17
thống (lưu chuyển khí nóng ngược với nguồn nguyên liệu trong hệ thống). Hệ thống
phân tích khí được xem là công cụ hữu hiệu được sử dụng khá phổ biến trên thế
giới trong sản suất xi măng. Với những công nghê lò hiện đại, công suất lớn, hệ
-
thống phân tích khí có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí. Tuy vậy, khu vực quan trọng
nhất cần có để phục vụ vận hành tối ưu và phòng chống cháy nổ thường được áp
dụng là khu vực đầu lò quay (ví trí 3). Ngoài ra, phân tích khí ở tháp trao đổi nhiệt -
tháp nung sơ bộ (ví trí 2) cũng là tham số khá hiệu quả liên quan đến quá trình nung
sấy nguồn nguyên liệu đầu vào cho Clinker.
Nếu toàn bộ hệ thống phân tích khí làm việc tốt, người vận hành sẽ nắm bắt
được tình trạng của lò nung và duy trì lò nung hoạt động ở trạng thái tốt nhất; giám
sát kịp thời quá trình tắc tháp. Việt Nam cũng như trên thế giớiđã có nhiều nhà máy
đã bị cháy nổ hệ lọc bụi tĩnh điện và nổ tháp trao đổi nhiệt, gây chết người và thiệt
hại rất lớn trong sản xuất, vì vậy đưa hệ thống phân tích khí vào danh mục an toàn
mang tính bắt buộc trong sản xuất xi-măng là cần thiết.
Các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường khí phát thải.
Vì vậy, việc phân tích từng loại khí trong môi trường này là rất phức tạp, đòi hỏi những
thiết bị, công nghệ hiện đại và phù hợp. Trên thế giới, hệ phân tích khí có thể chia theo
hai yêu cầu: Một là, đo đạc và phân tích chính xác các loại khí phát thải từ quá trình sản
xuất ra môi trường không khí (thường đi kèm công nghệ rất đắt tiền hơn, chi phí vận
hành bảo dưỡng lớn - Hệ quan trắc khí thải), theo hướng này chủ yếu đáp ứng cho yêu
cầu pháp lý hay quản lý của nhà nước, và thường được áp dụng ở các nước tiên tiến,
còn ở Việt Nam sẽ có quy định yêu cầu trang bị hệ thống quan trắc khí thải trực tuyến
(online) trong các nhà máy sản xuất, muộn nhất là đầu năm 2019; Hai là, phân tích một
số loại khí (gồm O2, CO, CO2, NOx, và HC) để giúp điều khiển quá trình đốt cháy tối
ưu nhiên liệu và an toàn trong vận hành, do vậy cấp độ phân tích nồng độ khí có độ
chính xác ở mức độ vừa phải, dải nồng độ đo của các khí thường khá lớn. Ngoài ra,
việc tối ưu hóa được quá trình đốt cháy giảm tiêu hao nhiên liệu cũng đồng nghĩa với
việc giảm khí phát thải độc hại, do sử dụng ít nhiên liệu và năng lượng.
Như vậy, Nhà máy sản xuất xi măng sẽ có nhiều điểm phát thải khí ra môi
-
trường, trong đó các loại khí chính trong môi trường khí thải là CO, CO2, NOx và

18. 18
khí O2, trong đó CO là khí đặc biệt nguy hiểm Do đó cần xây dựng hệ thống quan
.
trắc khí thải liên tục trong các nhà máy sản xuất xi măng bắt đầu từ năm 201 để
, 7
đáp ứng Nghị định 19/2015/NĐ CP và Thông tư 31/2016/TT
- -BTNMT ,2]. Tuy
[1
nhiên như đã nói ở trên, tính đến tháng 6/2018, chưa có nhà máy nào đáp ứng được
yêu cầu ấy, trong đó có Nhà máy sản xuất xi măng Sông Thao. Các doanh nghiệp
-
vẫn phải xin lùi thời hạn thực hiện lắp đặt hệ thống này.
Trong các khí phát thải kể trên, khí thải CO là đáng ngại nhất, không chỉ bởi
khí này có mặt ở tất cả mọi nơi trong hệ thống sản xuất xi măng mà độ nguy hiểm
-
của nó cũng cao nhất trong các loại khí thải của hệ thống, chỉ cần nồng độ ở mức
CO
1000ppm (hay 0,1%) là có thể gây chết người trong vòng 1 phút, vì vậy đây chính là
thông số quan trắc cần chú ý nhất. Bên cạnh đó các yếu tố môi trường khác như Nhiệt
độ, Độ ẩm cũng được chú trọng vì nó có thể là hệ quả của sự ô nhiễm môi trường do
sản xuất xi măng gây ra ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Đề tài này sẽ
- và
quan trắc ba thông số kể trên, giúp cơ quan chức năng có thể giám sát liên tục, đưa ra
những xử phạt và định hướng kịp thời một cách chính xác, đảm bảo khách quan.

19. 19
Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐO KHÍ
-
THẢI CHÍNH
2.1 -
Nguyên lý đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi măng
Để hạn chế tối đa việc sinh ra các khí phát thải đã nêu ở chương 1, theo góc
độ khoa học công nghệ, cần kiểm soát và điều khiển các thông số đầu vào gồm
lượng khí O2 và nhiên liệu phù hợp nhằm tăng đạt được quá trình đốt cháy tối ưu
gồm nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn nhưng lại phải đảm bảo về lượng khí thải
độc hại (CO, CO2, NOx). Cụ thể các vấn đề khoa học ở đây theo cơ chế như sau:
quá trình đốt cháy nhiên liệu mà có lượng khí oxy dư so với điều kiện cần thiết cho
phản ứng cháy thì sẽ sinh ra đáng kể các sản phẩm khí rất độc hại gồm NO và NO2,
do ở nhiệt độ cao ở trong vùng đốt cháy nhiên liệu thì lượng khí oxy (O2) dư thừa sẽ
phản ứng với khí nitơ (N2) trong buồng đốt theo phương trình hóa học là N2 + O2 →
NOx; trong trường hợp ngược lại, lượng khí O2 đưa vào ít hơn (hay là thừa nhiên
liệu) so với điều kiện cần cho phản ứng đốt cháy hoàn toàn thì sản phẩm của quá
trình đốt cháy sẽ chứa nhiều khí monoxit cacbon ( , điều này đồng nghĩa với
CO)
việc sử dụng nhiên liệu kém hiệu quả, lãng phí và cũng gây ô nhiễm môi trường do
khí CO là loại khí độc. [5,6]
Một ví dụ điển hình minh họa về mối tương quan giữa các khí phát thải theo
tỷ lệ “không khí (chứa oxy)”/“nhiên liệu trong buồng đốt” (A/F viết tắt từ
-
A Fuel) 3
ir/ của Nhà máy sản xuất xi măng được trình bày trên Hình . Từ kết quả này
cho thấy có thể chia làm ba vùng:
(1) “Rich” hay tương ứng A/F <14,3:1 là vùng đốt cháy có dư nhiên liệu, cho
thấy nồng độ các khí CO và HC lớn;
(2) “Stoichiometric” tương ứng 14,3:1<A/F<15,1:1 là vùng cháy tối ưu, cho
nồng độ khí CO2 là lớn nhất (nhiên liệu cháy hết hoàn toàn, lượng khí oxy vừa đủ;
(3) “Lean” tương ứng A/F>15,1:1 là vùng cháy nghèo hay thừa O2, tương
ứng cho nồng độ các khí thải NOx lớn.

20. 20
Như vậy, nếu chúng ta biết được nồng độ các khí điển hình phát thải từ quá
trình đốt cháy nhiên liệu là O2, CO, CO2, NOx và HC thì chúng ta có thể biết được
quá trình cháy nhiên liệu có tối ưu hay không. Cũng từ nồng độ các khí thải phân tích
được chúng ta có thể điều khiển được lượng nhiên liệu đầu vào một cách hợp lý.
Hình 3: Đồ ị điể ọ ối tương quan giữ ỷ ệ ệ
th n hình minh h a m a t l nhiên li u/không khí
(A/F) với sả ẩ ừ quá trình đố ệ
n ph m các khí t t cháy nhiên li u
Vì vậy đo lường các khí thải chính (CO, CO2 , NOx) và nồng độ O2, đặc biệt
lưu ý đến khí độc CO trong quá trình đốt cháy là một việc hết sức quan trọng, kế
đến là phân tích nồng độ các loại khí, tiến tới xây dựng phương án tối ưu hóa quá
trình đốt cháy nhiên liệu.
Việc tối ưu hóa được quá trình đốt cháy nhiên liệu đồng nghĩa với giảm
cũng
khí phát th Tuy nhiên
ải độc hại, do vậy việc này càng cần thiết phải thực hiện ngay.
cần dựa vào thực tế để lựa chọn phương án phù hợp. 7,18]
[1
2 -
.2 Phân tích lựa chọn phương pháp đo các loại khí thải chính của Nhà máy xi
măng
Trên thực tế, các yếu tố như bụi, hơi ẩm, nhiệt độ cao luôn có trong môi trường
khí phát thải làm việc phân tích từng loại khí trong môi trường sản xuất xi măng trở
-
nên phức tạp, đòi hỏi những thiết bị, công nghệ hiện đại, có thể chia làm hai loại:

21. 21
Một là, đo đạc và phân tích chính xác đồng thời hầu hết các loại khí phát thải
từ quá trình sản xuất (đi kèm công nghệ rất đắt tiền, chi phí vận hành bảo dưỡng
lớn), theo hướng này chủ yếu đáp ứng cho yêu cầu pháp lý hay quản lý của nhà
nước, và thường được áp dụng ở các nước tiên tiến.
Hai là, đo đạc phân tích một số loại khí (gồm CO, CO2, NOx, O2) giúp tối ưu
quá trình đốt cháy nhiên liệu, do vậy cấp độ phân tích nồng độ khí thường có độ
chính xác ở mức độ vừa phải và hướng này được trực tiếp các doanh nghiệp chú
trọng do đem lại lợi ích về kinh tế, phù hợp với các Nhà máy sản xuất xi măng tại
-
Việt Nam hiện nay.
Các vị trí quan trọng cho đặt thiết bị cảm biến phân tích khí giúp cho vận
hành lò được áp dụng phổ biến ở hai khu vực:
Vùng I là trong hệ tháp nung lò quay, đây là vùng có nhiệt độ cao (
- 1200o
C)
các khí cần phân tích là O2 và CO. Đây là các tham số về nồng độ khí rất quan trọng
cần phân tích, vì vùng này nhiệt độ cao nên cần có thiết bị lấy mẫu khí, sau đó làm
nguội mẫu khí đến nhiệt độ khoảng 500oC cho phân tích.
Vùng II là ống thải khí ra môi trường thì các khí cần phân tích gồm CO, CO2
NOx. Nhiệt độ môi trường của vùng II khoảng 500o
C, nếu dùng cảm biến hấp thụ
hồng ngoại có thể áp dụng đo trực tiếp mà không cần quá trình làm nguội.
Dựa vào khảo sát và các phân tích trên, lựa chọn nh hệ
mô hì thống phân tích
khí giúp tối ưu hóa quá trình vận hành điều khiển lò nung ủ Klinker đo đạc và phân
tích nồng độ khí thải có sơ đồ khối cho như sẽ phù hợp với các nhà máy sản
4
Hình
xuất xi măng Việt Nam hiện nay
- .
Các thiết bị đầu đo khí (tại hai vùng I, II) sẽ đo đạc nồng độ các khí phù hợp.
Số liệu đo được về nồng độ khí được chuyển về trung tâm điều khiển của nhà máy
sẽ được ghép nối với hệ phân tích khí thải, hiển thị liên tục trên màn hình; kết quả
này giúp cho kỹ thuật viên điều khiển, vận hành hệ thống lò.

22. 22
CO, CO2,
NOx, HC
(<5000
C)
(I) Tháp khí thải
Bộ
xử
lý
(II) Lò ủ Clinker
Buồng đệm
Đầu
cảm
biến
CO, CO2
, NOx
(1200
0
C)
Đầu
cảm
biến
Bộ xử
lý
(III) Trung tâm điều khiển
Bộ xử lý
tổng
Xử lý truyền
,
mạng không dây
Ghép nối
(Điều khiển
tự động)
Màn hình
hiển thị
nồng độ khí
Điều khiển,
vận hành
quá trình
sản xuất xi
măng
(Môi trường
khí thải)
(Môi trường
không khí)
(Môi trường
khí thải)
(Môi trường
không khí)
Điều khiển
bán tự
động
Hình 4 h phân tích khí giúp t n hành
: Sơ đồ khố ề
i đ xuất về ệ ối ưu hóa quá trình vậ
lò nung ủ Klinker.
Để đo và phân tích các loại khí thải chính, hệ thống sử dụng hai loại cảm
biến sau:
Loại I: Cảm biến điện hóa hoạt động nhiệt độ cao
Về mặt khoa học, cảm biến điện hóa hoạt động trực tiếp ở nhiệt độ cao có thể
phù hợp phân tích nhiều loại khí oxy hóa/khử (O2, CO, CO2, NOx, HC, SO2, NH3,
v.v.). Tuy nhiên, trong thực tế ứng dụng hiện nay cảm biến điện hóa này (dạng
thương mại) chỉ mới đáp ứng được cho phân tích khí O2 và bước đầu phát triển với
khí NOx. Cảm biến điện hóa đo khí O2 được thiết kế dựa trên một linh kiện cấu trúc
3 lớp Pt/YSZ/Pt (YSZ là chất dẫn ion được tổ hợp từ các oxit kim loại ZrO2 + Y2O3,
và hai điện cực Pt). Cảm biến khí này được biết có tên gọi là Lambda (đặc tuyến tín
hiệu lối ra phụ thuộc vào nồng độ khí có dạng giống ký tự Lambda có ưu điểm độ
),
bền cao (tuổi thọ lên đến 10 năm), sử dụng đơn giản và có độ tin cậy cao.
Mô hình ứng dụng cảm biến khí để tối ưu hóa quá trình đốt cháy nhiên liệu
được trình bày như trong Hình . Trường hợp đơn giản, hệ thống sẽ điều khiển
5

23. 23
nhiên liệu đầu vào dựa trên mức độ giá trị tín hiệu của một loại cảm biến O2 trong
buồng đốt (minh họa trong Hình a). Trường hợp đòi hỏi việc đốt cháy nhiên liệu
5
hiệu quả và tiết kiệm hơn, đồng thời cung cấp các thông số của từng thành phần khí,
chúng ta sử dụng mô hình có kết hợp các loại cảm biến khí khác như CO, CO2, NOx
và HC (minh họa trong Hình 5b).
Hình m bi
5: Mô hình s d ng c
ử ụ ả ến để điề ển quá trình đố ệ
u khi t cháy nhiên li u: (a)
chỉ ử ụ ộ
s d ng m t lo i c t h
ạ ảm biế ế
n oxy, (b) k ợ ữ ả
p gi a c m bi m bi
ế ả
n oxy và các c ến
khí khác.
Cảm biến điện hóa này cũng thừa hưởng các ưu điểm như độ bền cao, độ chọn
lọc khá tốt, khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao (đến gần 1000o
C), có thể đo các khí
NOx, CO, HC trực tiếp trong buồng đốt. Hiện tại, cảm biến loại này vẫn chủ yếu ở
dạng nghiên cứu cơ bản, và chỉ bước đầu thử nghiệm để phát triển thành sản phẩm
thương mại do gặp phải vấn đề là lớp điện cực nhạy khí oxit kim loại có thể bị biến
đổi hay mất khả năng nhạy khí khi hoạt động trong thời gian dài và trong môi trường
có các khí oxy hóa/khử mạnh, và nó cần cải thiện hơn nữa về tính chọn lọc. Tuy vậy,
đây là loại cảm biến có tiềm năng rất lớn cho phát triển nhanh thành linh kiện thương
mại, đặc biệt cho phát hiện khí NO2 trong môi trường khí thải. 5,16]
[1
Loại II: Cảm biến hấp thụ hồng ngoại
Loại cảm biến khí dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại có thể ứng dụng đo
trực tiếp một số loại khí phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu (môi trường nhiệt
độ cao đến 500o
C). Mỗi loại khí có tính chất hấp thụ chọn lọc một số vùng bước

24. 24
sóng đặc trưng trong vùng bức xạ hồng ngoại. Hình trình bày một ví dụ về phổ
6
hấp thụ hồng ngoại của một số khí điển hình trong môi trường khí thải. Số liệu phổ
này cho thấy khí CH4 -
có dải hấp thụ từ 3,1 3,5 μm, CO2 -
hấp thụ mạnh tại dải 4,25
4,7 μm; tương tự như vậy ta có và 5,25 5,5 μm cho khí NO; 4,5 5,0 μm cho khí
- -
CO; và trong một dải khá rộng 5,0 6,0 μm là của hơi nước (H
- 2O). Vì vậy, cảm
biến hấp thụ hồng ngoại dùng để đo và phân khí khí thải từ quá trình đốt cháy nhiên
liệu chỉ tối ưu với một số loại, ví dụ có thể kể ra như khí CO, CO2, và HC một phần
nào đó là NO2.
Hình 6 p th c sóng h ng ngo a m [18].
: Đặc trưng hấ ụ bướ ồ ại củ ột số loại khí
Tóm lại, việc phân tích trực tiếp khí trong buồng đốt nhiên liệu hay ngay trước
khi phát thải ra môi trường không khí có vai trò rất quan trọng và hữu hiệu để tối ưu
hóa được quá trình đốt cháy (giảm tiêu hao nhiên liệu và khí phát thải độc hại ra môi
trường không khí). Loại cảm biến phù hợp được chọn để thực hiện vấn đề này là cảm
biến điện hóa hoạt động ở nhiệt độ cao (cảm biến Lambda cho đo nồng độ khí oxy -
O2); và cảm biến quang dựa trên nguyên lý hấp thụ bức xạ hồng ngoại tại mỗi vùng
bước sóng đặc trưng của các khí CO, CO2, NOx. Ngoài ra, cảm biến điện hóa hoạt

25. 25
động ở nhiệt độ cao hiện cũng là công nghệ được quan tâm nghiên cứu, và hứa hẹn
cho phát triển ứng dụng phân tích các khí thải CO, CO2, NOx. [17,18]
Trong các khí thải kể trên, khí thải của CO là đáng ngại nhất, chỉ cần nồng
độ đạt 1000ppm (hay 0,1%) là có thể gây chết người trong vòng 1 phút, vì vậy đây
là thông số quan trắc cần chú ý nhất, bên cạnh đó các yếu tố môi trường khác như
nhiệt độ, độ ẩm cũng được chú trọng vì nó có thể là hệ quả của sự ô nhiễm môi
trường do sản xuất xi măng gây ra, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Đề
-
tài này sẽ đo đạc ba thông số đó, giúp cơ quan chức năng có thể giám sát liên tục.
Phòng Cảm biến viện Khoa học vật liệu hiện đang chế tạo Cảm biến Hấp
-
thu hồng ngoại đo khí CO, chuẩn bị áp dụng cho hệ thống phân tích khí Nhà máy
xi-măng Sông Thao và tương lai sẽ áp dụng vào hệ thống giám sát liên tục khí thải
tại đây. Sơ đồ khối tổng thể cho cảm biến khí hấp thụ hồng ngoại cấu hình không
tán sắc NDIR hai kênh thu IR được trình bày tại hình 7 sau đây:
Hình m bi
7 ng th
: Sơ đồ khối tổ ể cho cả ế ấ ụ ồ ạ ấ
n khí h p th h ng ngo i c u hình không
tán sắc NDIR hai kênh thu IR.
Từ đó đề ra cấu tạo cảm biến và linh kiện sử dụng như hình 8:

26. 26
Hình m bi
8: Cả ế ử ệ ấ ắ ử
n dùng cho th nghi m theo c u hình không tán s c (NDIR) s
d u thu h ng ngo p kính l c quang
ụng đầ ồ ạ ợ
i hai kênh đã tích h ọ
Sau đó đã tiến hành thử nghiệm cảm biến này (hình 9)
Hình m bi
9: H nghi m ho ng c a c
ệ thử ệ ạ ộ
t đ ủ ả ế ạ ệ ử
n và bo m ch đi n t

27. 27
K sánh (Ref.)
ết quả thu được về đáp ứng điện thế của đầu thu thermopile so
và đầu thu thermopile nhạy khí (Sensing) sau được khuếch đại 10.000 lần và đo trực
tiếp bằng thiết bị Kiethley 2700 được thể hiện trong hình . Từ các kết quả này,
10
đường đặc trưng độ nhạy Log(Vo/Vg), (với Vo, Vg lần lượt là điện thế cực đại của đầu
thu Ref. và Sensing) được tính toán theo nồng độ khí như chỉ trên Hình (đặc
11
trưng phụ thuộc này là tuyến tính).
Hình 10 i 10.000 l n) c u thu thermoplie
: Đáp ứng điện áp (đã khuế ạ
ch đ ầ ủa hai đầ
khi cấ ồ ế ạng xung vuông cho đèn dây tóc.
p ngu n th (5V) d
Hình 11 ph thu c tuy n tính c a Log(V
: Sự ụ ộ ế ủ o/Vg) vào nồng độ ủ ả ế
khí CO c a c m bi n
đã chế ạ
t o.

28. 28
Các kết quả ban đầu trong việc chế tạo cảm biến này đã minh
(H 11
ình )
chứng về khả năng chế tạo ảm biến khí dựa trên nguyên lý hấp thụ hồng ngoại.
C
Tuy vậy, để có thể hoàn thiện ảm biến khí thành thiết bị ứng dụng được trong thực
C
tế thì các khối tổng thể cho cảm biến sẽ phải tuân theo như trên Hình và Cảm biến
7
Hấp thu hồng ngoại đo khí CO sẽ được áp dụng vào hệ thống phân tích khí cũng
như quan trắc môi trường trong thời gian tới. [10]

29. 29
Chương 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN NỀN TẢNG IoT PHÙ HỢP
-
CHO HỆ THỐNG
3 oT
.1 Khái niệm chung về I
Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc
là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT)
hiện chưa được định nghĩa một cách chính xác, được công nhận rộng rãi. Theo từ
điển Bách khoa mở Wikipe là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương
dia, IoT
tiện truyền tải thông tin (được gọi là “thiết bị kết nối” “thiết bị thông minh”) giữa
và
các phòng ốc, nhà cửa, phương tiện giao thông,… và các trang thiết bị khác được
nhúng với phần mềm các con chip, vi xử lý, điều khiển, cảm biến, cơ cấu chấp hành
cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập
và truyền tải dữ liệu. IoT là một kịch bản, trong đó mỗi đồ vật, con người được
cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi
thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp
giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của
công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập
hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài
để thực hiện một công việc nào đó.
Tóm lại, có thể hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối
với nhau và con người sẽ có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng chỉ bằng
một thiết bị thông minh như điện thoại thông minh, máy tính,...
Theo Gartner Inc. (một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), sẽ có gần
26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm ước tính có hơn 30 tỷ thiết
2020 ABI Research
còn
bị sẽ được kết nối không dây với “Kết nối mọi thứ” (Internet of Everything) vào
năm . Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi “Dự
2020
án Internet Pew Research ,
” nhiều chuyên gia công nghệ đã hưởng ứng tham gia sử
dụng với 83% đồng ý với quan điểm cho rằng Internet / Cloud of
IoT chuyên gia

30. 30
Things, nhúng và tính toán (cùng )
các hệ thống năng động, tương ứng sẽ có tác
động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm Như vậy, rõ ràng IoT sẽ bao gồm
2025.
một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet.
Do k CPU,
hả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với bộ nhớ từng
bước được tăng giới hạn và năng lượng bền bỉ. IoT được ứng dụng trong hầu hết
các lĩnh vực. Hệ thống IoT có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập
khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho do đó việc
các nhà máy hay các tòa nhà,
tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị
cũng như các khu công nghiệp.
Mặt khác, không chỉ cảm nhận mọi thứ xung quanh hệ thống IoT cũng có
,
thể thực hiện các hành động Chẳng hạn với hệ thống mua sắm thông minh, có thể
.
theo dõi thói quen mua người dùng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ
( )
với sự đồng ý của người đó . Người dùng sau đó có thể được cung cấp các cập nhật
trên sản phẩm yêu thích, hoặc thậm chí là vị trí, danh mục các sản phẩm
mình mà
họ cần, hay các thiết bị lưu trữ thức ăn, đồ uống như lạnh, tủ đá của họ . Tất
tủ , v.v..
cả tự động chuyển vào điện thoại Một số ứng dụng khá phổ biến khác của
cá nhân.
IoT là trong (
bổ sung các cảm biến quan trắc môi trường nhiệt độ, độ ẩm, nước thải,
nồng độ khí thải,…), điện và quản lý năng lượng, cũng như hỗ trợ hành trình của
các hệ thống giao thông vận tải (cảm biến quang, hình ảnh, tốc độ,…).
Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong các lĩnh vực này.
Trường hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể được áp dụng ổng
. T
quan về một số lĩnh vực nổi bật nhất ựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có
, d
thể chia thành năm loại khác nhau:
- Thiết bị đeo thông minh.
- Nhà thông minh,
- Thành phố thông minh
- Môi trường thông minh

31. 31
- D .
oanh nghiệp thông minh
Các sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trường có đặc điểm khác nhau
v oT c
à do vậy ứng dụng của I ũng vô cùng rộng lớn, có thể kể ra một số ứng dụng
như sau:
1 - .
Quản lý chất thải
2 - .
Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị
3 - .
Quản lý môi trường
4 - ì .
Phản hồi trong các t nh huống khẩn cấp
5 - .
Mua sắm thông minh
6 - .
Quản lý các thiết bị cá nhân
7 - .
Đồng hồ đo thông minh
8 - . [9,26]
Tự động hóa ngôi nhà
Luận văn này hướng tới các ứng dụng và phần nào là số 7
số 1, 3 và 4 trong
những ứng dụng đã kể ở trên.
3.2 Các mô hình IoT thông thường
Các thiết bị trong một hệ thống IoT thông thường sẽ sử dụng các loại sóng
không dây với đa dạng các loại như wifi, bluetooth, Zigbee, RF,... Mục tiêu
sóng
khi cài đặt c được nó vào môi trường internet.
ác thiết bị này là làm sao để kết nối
- Đối với thiết bị sử dụng sóng wifi làm phương thức truyền dẫn thì các thiết
bị đó có thể kết nối với internet thông qua điểm truy cập wifi. Như vậy chỉ cần nhập
SSID và PASSWORD là xong. Nhưng các thiết bị IoT thông thường sẽ không có
bàn phím và màn hình để nhập các thông tin ở trên vào và không thể cài đặt cứng
cái SSID và PASSWORD vào trong chương trình được vì nếu thay đổi mật khẩu
wifi hoặc cầm đi chỗ khác thì không thể sử dụng được. Do đó phải kết nối nó với
một thiết bị khác có bàn phím và màn hình để có thể nhập được hai thông tin trên
như máy tính hay điện thoại cá nhân chẳng hạn.
PC

32. 32
- Đối với thiết bị sử dụng sóng 3G, 4G thì có thể kết nối trực tiếp với Internet,
tuy nhiên vẫn phải kết nối với thiết bị hiển thị khác như máy tính, điện thoại,…
- Đối với các thiết bị sử dụng sóng không thể kết nối với mạng internet thì
không thể kết nối trực tiếp đến mạng internet được mà phải kết nối gián tiếp. Hệ
thống cần phải có một bộ chuyển đổi (gateway), liên kết chúng với hệ thống mạng
có dây hoặc không dây rồi kết nối ra bên ngoài.
Với các yêu cầu của một hệ thống IoT như trên và các phương pháp
chung
kết nối các thiết bị với nhau trong hệ thống, thông thường có các mô hình kết nối
như sau:
Mô hình 1:
Hình 12 - Mô hình IoT ki u k i tr p v gateway.
ể ết nố ực tiế ới
Ở mô hình này, các thiết bị sẽ kết nối trực tiếp với gateway (Hình 12).
Gateway sẽ có nhiệm vụ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu giữa
hai thành phần devices và server.
Gateway thông thường sẽ kết nối với mạng internet bên ngoài bằng dây để
đảm bảo đường truyền được ổn định nhất.

33. 33
Với cách kết nối này thì các thiết bị truyền nhận dữ liệu với server là rất
nhanh. Nhưng khoảng cách để truyền thì sẽ phụ thuộc vào công nghệ truyền tín hiệu
mà thiết bị đó sử dụng. Trên thực tế sẽ có nhiều gateway để tăng tốc độ truyền tải
dữ liệu cũng như mở rộng tầm hoạt động của hệ thống.
Mô hình 2:
Hình 13 - Mô hình IoT ki u k gián p gateway.
ể ết nối tiế
Ở mô hình này, các thiết bị vừa làm chức năng của thiết bị đầu cuối vừa có
thể định tuyến cho dữ liệu gửi từ thiết bị khác về Gateway gốc (Hình 13). Gateway
làm nhiệm vụ liên lạc, nó sẽ định tuyến, tiền xử lý dữ liệu và truyền nhận dữ liệu
giữa các bên để giữ cho kết nối được thông suốt.
Có thể thấy đối với mô hình này thì các thiết bị có thế kết nối với khoảng cách
cực xa. Bên cạnh đó thì độ trễ cũng là một vấn đề cần bàn tới. Khoảng cách xa thì độ
trễ truyền nhận không thể nhỏ được, đó là nhược điểm lớn của mô hình này rất
và
khó khắc phục.
Mô hình 3:
Mô hình này gần giống với mô hình 1. Điểm khác ở đây là gateway và router
được tích hợp làm một . Các thiết bị sẽ trực tiếp kết nối lên server trên
(Hình 14)
cloud và các thiết bị truyền nhận dữ liệu với server cũng sẽ rất nhanh.

34. 34
Hình 14 - Mô hình IoT d ng gateway.
không sử ụ
Yêu cầu để các thiết bị có thể làm được điều đó là các thiết bị phải sử dụng
công nghệ kết nối trực tiếp được vào mạng internet như sử dụng kết nối wifi, 2G,
3G, 4G, 5G,... [7]. Hình 15 :
sau đây mô tả mô hình kết nối internet của 3G
Hình 15 - Mô hình k t n a 3G.
ế ối Internet củ

35. 35
Như đã nói ở trên, để cài đặt ban đầu cho các thiết bị này kết nối được mạng
ta phải kết nối chúng với một thiết bị thông minh khác như điện thoại thông minh
chẳng hạn au đó cấu hình các cài đặt cần thiết để chúng có thể tự liên lạc được với
, s
thế giới bên ngoài. Hình 15 cho thấy có thể điều khiển thiết bị bằng tin nhắn hay
cuộc gọi bằng điện thoại di động thông qua mạng 3G, 4G,… một cách dễ dàng và
chính xác, có tính bảo mật cao. Ở chiều ngược lại, các thiết bị (máy tính nhúng)
cũng có thể phản hồi trở lại thiết bị thông minh ở bên ngoài đã điều khiển nó để xác
nhận hay kiểm tra thông tin bằng các lệnh gửi tin nhắn hay gửi dữ liệu đi.
3.3 Lựa chọn mô hình IoT phù hợp cho hệ thống quan trắc môi trường Nhà
máy -
Xi măng
Để đơn giản hệ thống quan trắc môi trường Nhà máy xi măng sẽ sử dụng kiểu
-
3, hình 14, sử dụng bộ phát 4G. Chúng được kết nối trực tiếp với mạng internet. Việc
cần làm là phải viết một đoạn chương trình thực hiện chức năng kết nối ban đầu, thiết
lập cấu hình Sever cho module 4G ấy. Modul 4G có chức năng phát thông tin để các
thiết bị khác kết nối vào như một điểm truy cập (Access point).
Hệ thống sẽ bao gồm bộ đo đạc nồng độ khí thải (cụ thể là đo nồng độ khí
03
CO), lắp đặt tại các vị trí sau:
- Đỉnh tháp nung sơ bộ (1).
- Trạm nghiền thô (2).
- Ống thải khí của nhà máy (3).
Thông số nồng độ khí CO tại 3 vị trí này sẽ được tổng hợp và đưa về bộ xử lý
tín hiệu tổng, tạo file dữ liệu để chuyển tới số điện thoại cần kiểm tra khi có yêu cầu
và phân tích, đưa ra cảnh báo nếu có vị trí nào đó nồng độ khí CO vượt mức cho phép
tới số điện thoại đó một cách tự động thông qua bộ thu phát tín hiệu (Hình 16).
Việc lắp đặt bộ đo đạc nồng độ khí thải tại 3 vị trí trọng yếu này vừa giúp cơ
quan quản lý có thể giám sát liên tục các thông số môi trường vừa giúp cho người
vận hành có cái nhìn tổng quan về nồng độ khí thải của dây chuyền sản xuất xi-

36. 36
măng, từ đó đưa ra phương án vận hành phù hợp và điều chỉnh lượng nguyên liệu
đầu vào hợp lý, góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lượng khí phát thải.
Hình 16 - Các v trí l
ị ắp đặt bộ đo đạc nồng độ khí th i.
ả
Trong giới hạn của luận văn này, như đã đề cập ở “Mục đích nghiên cứu của
luận văn” Ở ĐẦU”
tại phần “M , học viên chế tạo mô hình thử nghiệm gồm 01 bộ đo
nồng độ khí CO (mở rộng thêm đo nhiệt độ, độ ẩm) bộ thu phát tín hiệu thử
và 01 để
nghiệm truyền thông tin không dây nhằm chứng minh tính khả thi của nghiên cứu
thiết kế trên.

37. 37
Chương THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG GIÁM SÁT
4 -
KHÍ THẢI
4.1 Phân tích hệ thống
Hệ thống sẽ bao gồm hai thành phần chính:
Một là bộ thiết bị đo đạc các thông số về quan trắc môi trường, bao gồm các
thiết bị sau:
- Các :
cảm biến (Sensor) đo thông số về quan trắc môi trường
+ Cảm biến đo nồng độ khí CO từ 20ppm-2000ppm.
+ Cảm biến đo nhiệt độ nằm chủ yếu trong khoảng 5-500C -
, đo độ ẩm 20
80% - .
(có thể sử dụng một mô đun cảm biến tích hợp đo cả nhiệt độ và độ ẩm)
- ;
Thiết bị xử lý tín hiệu đo có độ chính xác tương đối cao, kích cỡ càng gọn
nhẹ càng tốt.
- ; .
Thiết bị hiển thị kết quả đo được đơn giản, dễ quan sát
- Thiết bị cung cấp và lưu trữ dữ liệu đã đo được có chứa thông tin về thời
gian thực (kết quả đo tức thời) gọn nhẹ, dung lượng lớn
; có .
Hai là bộ thu phát tín hiệu đã đo được, bao gồm hai bộ phận chính:
- ; .
Module Sim 4G đồng bộ với bộ xử lý tín hiệu đo ở trên
- ;
Sim 4G đã đăng ký và có tài khoản dư.
mạng
Hai thành phần trên được kết nối với nhau theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện,
điện tử và truyền thông.
Ngoài ra hệ thống cũng bao gồm các thành phần kết nối khác như nguồn điện
cấp, các loại dây nối và bảng mạch.

38. 38
4.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Dựa vào những phân tích ở trên, ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý của hệ
thống 17 sau
như hình đây:
Hình 17 - nguyên lý h ng quan tr i
Sơ đồ khối ệ thố ắc khí thả
Hệ thống sẽ vận hành như sau:
- C (MCU).
ác cảm biến thu tín hiệu gửi tới Bộ xử lý trung tâm
- Bộ xử lý trung tâm (MCU) thu tín hiệu đo và xử lý (bằng phần mềm được
nạp vào) rồi hiển thị kết quả đo và cảnh báo khi có thông số vượt ngưỡng trên màn
hình LCD (DISPLAY). Các thông số cũng được lưu trữ dưới dạng file Text tại thẻ
nhớ Module Micro SD thời gian thực
cập nhật bằng Module (DATA).
- (SEVER)
MCU cũng có trách nhiệm điều khiển SIM 4G gửi thông tin cảnh
báo tới số điện thoại của Sở Khoa học và công nghệ của tỉnh khi có thông số vượt
ngưỡng, có khả năng gửi tin nhắn các thông số môi trường hiện thời của Nhà máy
theo yêu cầu của Sở.
- SEVER gửi thông tin đi khi nhận được tin nhắn yêu cầu từ số điện thoại
của Sở Khoa học và công nghệ của tỉnh, hoặc khi hệ thống cần cảnh báo (tự
động).
SENSOR MCU
DISPLAY
SERVER
4G
DATA

39. 39
4.3 Quy trình thiết kế phần cứng hệ thống
Dựa vào sơ đồ nguyên lý và phân tích ở trên, ta xây dựng quy trình thiết kế
phần cứng hệ thống được thể hiện bằng sơ đồ như hình 18:
Hình Quy trình thi
18 - ết kế ầ ứ ệ ố ắ ả
ph n c ng h th ng quan tr c khí th i
Hai phần trọng yếu của trong hệ thống
Sơ đồ là Lựa chọn các thiết bị và
Thiết kế sơ đồ đấu dây .
cho hệ thống
4.4 c
Lựa chọn ác thiết bị
Dựa vào phân tích hệ thống và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta lựa chọn các thiết
bị cho hệ thống như sau:
Kiểm tra các nguồn cấp
cho mạch
Kiểm tra hoạt động của
thiết bị mạng
Lựa chọn các thiết bị
trong hệ thống
Kiểm tra kỹ toàn bộ
mạch đã đấu
Cấp nguồn cho hệ thống
Thiết kế sơ đồ đấu dây
cho hệ thống
Đấu dây cho hệ thống
theo sơ đồ
Chấp nhận
kết quả
Kiểm
tra
lại
Không lỗi
Có lỗi

40. 40
4.4.1 C m bi n
ả ế
Đ hiệt độ, độ ẩm
o n 5-50
(t= 0
C, H= 20-80%) -11:
, chọn cảm biến DHT
19 - m bi nhi , m: DHT-11
Hình Module cả ến đo ệ ộ
t đ độ ẩ
Đặc điểm kỹ thuật:
+ Nhiệt độ:
Độ phân giải: 1°C.
Độ chính xác: ±2°C.
Dải đo: 0°C ~ 70°C.
+ Độ ẩm:
Độ phân giải: 1%RH.
Độ chính xác: ±5%RH (0~70°C).
Dải đo: 20%RH ~ 90%RH (25°C).
Thông số kỹ thuật:
.
+ Điện áp hoạt động: 5VDC
+ Điều kiện hoạt động đề nghị:
Nhiệt độ: 10°C ~40°C.
Độ ẩm: 60%RH hoặc thấp hơn.
Đo nồng độ khí CO , chọn cảm biến (tương lai sẽ sử
(20-2000ppm) MQ7
dụng cảm biến hấp thụ hồng ngoại đo nồng độ CO do Phòng Cảm biến và thiết bị
đo khí, Viện Khoa học vật liệu chế tạo, có độ tin cậy cao hơn):

41. 41
20 - m bi khí CO: MQ7
Hình Module cả ến đo nồng độ
Đặc điểm kỹ thuật:
+ Độ phân giải: .
1%
+ Độ chính xác: ±20ppm (0~70°C).
+ Dải đo: 20ppm ~ 2000 (25°C).
Thông số kỹ thuật:
.
+ Điện áp hoạt động: 5VDC
+ Điều kiện hoạt động đề nghị:
Nhiệt độ: 10°C ~40°C.
Độ ẩm: 60%RH hoặc thấp hơn.
Mạch đo nồng độ khí CO của Modul MQ7 như hình 21:
21 - M khí CO
Hình ạch đo nồng độ

42. 42
Ta có thể hiệu chỉnh kết quả đo khí CO bằng các phương pháp sau:
- Hiệu chỉnh phần mềm: thay đổi thông số của thư viện cảm biến trong phần
mềm điều khiển được nạp vào Bộ xử lý tín hiệu đo sau khi kiểm chuẩn. Phương
pháp này có ưu điểm là không can thiệp vào phần cứng của mạch đo nhưng nhược
điểm là chỉ hiệu chỉnh được đơn chiếc và tập trung hiệu chỉnh ở vùng cần kiểm
chỉ
soát hơn là hiệu chỉnh toàn bộ dải đo của cảm biến.
- Hiệu chỉnh phần cứng: Phương pháp đơn giản và hay sử dụng nhất là điều
chỉnh biến trở Rp (hình 21) để có đặc tính ra xấp xỉ đặc tính của thiết bị đo chuẩn.
Về mặt nguyên tắc, có thể điện trở R1, R2, R3 trong mạch
thay các (sau khi tính
toán lại giá trị các điện trở này cho phù hợp , tuy nhiên phương án này ít khi sử
)
dụng do thực hiện khá phức tạp và dễ làm hỏng bộ đo trong khi modul cảm biến này
giá thành không cao nên trong trường hợp đã sử dụng hết khả năng của biến trở thì
người ta sẽ thay mới cảm biến Ưu điểm của phương pháp này là có thể hiệu chỉnh
.
hàng loạt cảm biến và hiệu chỉnh được gần như toàn bộ dải đo của cảm biến, nhược
điểm là phải mất công dò khá lâu và có thể không tìm được điểm điều chỉnh tối ưu.
: C
Lưu ý ảm biến MQ7 có tính chọn lọc không cao nên không áp dụng hoặc
áp dụng một cách rất hạn chế vào việc đo nồng độ khí CO trong thực tế sản xuất xi
măng v .
à chỉ sử dụng trong mô hình này để thử nghiệm các nghiên cứu đã trình bày
4.4.2 B x tín hi
ộ ử lý ệu đo
H 22 - B x lý tín hi Arduino Uno
ình ộ ử ệu đo U3

43. 43
Chọn Ardurino có kết cấu đơn giản, có thể tích hợp với board mạch sim 3G,
vì
4G như Sim 800, 900, 808,… có sẵn trên thị trường. Số điểm đo của bài toán không
nhiều nên không cần thiết phải sử dụng đến Máy tính Pi, giá thành cũng rẻ hơn.
Đặc điểm :
kỹ thuật
+ Sử dụng vi điều khiển Atmega328P- .
AU
+ Chíp nạp chương trình sử dụng FT232RL.
Thông số kỹ thuật:
+ Nguồn cấp đầu vào dải rộng 7-36VDC.
+ Tạo ra nguồn ouput 5V/2A và 3.3V/800mA.
+ Lựa chọn được nguồn cấp cho Atmega328P là 5V/3.3V.
+ Tương thích với Arduino Uno và Arduino IDE.
+ 14 chân I/O số (6 chân output PWM).
+ 6 chân Analog.
+ Flash Memory: 32K.
+ RAM: 2K.
+ EEPROM: 1K.
+ Clock: 16Mhz.
4.3.3 B k t qu
ộ hiển thị ế ả đo
Hình 23 - B hi n th k LCD 1206.
ộ ể ị ết quả đo

44. 44
Lựa chọn để đồng bộ với Arduino Uno ở
LCD1206 .
trên
Đặc điểm :
kỹ thuật
+ Hiển thị kiểu đèn LED .
thanh
+ Có hai dòng, mỗi dòng 16 ký tự (16x2).
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 5VDC.
+ Có 5 nút nhấn cho người sử dụng tùy chọn làm các nút menu điều
khiển.
+ Nút RST dùng để reset chương trình cho Arduino.
+ Có biến trở để điều chỉnh độ tương phản của LCD.
+ Mở rộng thêm các I/O mà arduino không dùng để điều khiển LCD
+ Mở rộng các thêm các chân ADC để có thể kết nối dễ dàng với các
cảm biến.
+ Kích thước: 82x62mm.
4.3.4 B thu phát tín hi
ộ ệu
H 24 - B thu phát tín hi u Module SIM 808.
ình ộ ệ

45. 45
Module Sim808 là Module GSM/GPS, được xây dựng dựa trên Sim808 của
SIMCOM, hỗ trợ GSM/GPRS với 4 băng tần và công nghệ định vị vệ tinh GPS.
Ngoài 2 chức năng chính GSM/GPS, Module Sim808 còn hỗ trợ thêm tính năng
Bluetooth.
Module sim808 có GPS với độ nhạy cao với 22 kênh theo dõi và 66 kênh
tiếp nhận. Bên cạnh đó, nó cũng hỗ trợ công nghệ A GPS, giúp cho việc định vị
-
được chính xác hơn, ngay cả khi ở thiết bị ở trong nhà.
Module được thiết kế tối ưu, loại bỏ đi như tính năng không cần thiết để
giảm giá thành và phục vụ chủ yếu cho việc giám sát, điều khiển các thiết bị từ xa
thông qua GMS/GPRS/GPS.
4.3.5 B thông tin
ộ định dạng và lưu trữ
Bộ định dạng và lưu trữ thông tin bao gồm Module thời gian thực (H 25)
ình
và thẻ nhớ (Hình 26).
Hình 25 - Module thờ ự
i gian th c BQ32000
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động : 3V - 3.6V.
+ Sử dụng IC thời gian thực BQ32000 (TexasInstruments).
+ Giao tiếp I2C hỗ trợ tới 400 Khz.
+ Tự động chuyển sang nguồn Pin (3V) khi mất điện.

46. 46
Hình 26 - Module thẻ nhớ Micro SD
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 5V.
+ Giao tiếp: SPI.
+ Các chân MOSI, MISO, CLK, CS kết nối tương ứng với các chân
MOSI, MISO, CLK, CS của MCU để giao tiếp với thẻ nhớ.
+ EN: Chân điều khiển bật/tắt nguồn cho Module, EN ở mức
cao/mức thấp tương ứng với nguồn cấp cho Module là bật/tắt. Nếu không
dùng chức năng bật/tắt nguồn cho Module thì chân EN phải được nối với
VIN qua jumper.
+ Hệ thống sử dụng thẻ nhớ Micro SD 16GB có tốc độ ghi dữ liệu
Class 10, t ,
ốc độ đọc dữ liệu lên tới 48MB/s chống nước, chống sốc, chống
tia X, chống nhiễm từ ương thích tốt với các thiết bị số có khe cắm mở rộng
, t
chuẩn MicroSD hoặc MicroSDHC.
4.4 Các sơ đồ đấu dây
- (Hình 27
Sơ đồ đấu dây bộ thiết thiết bị đo đạc các thông số môi trường ).

47. 47
H 27 - u dây b c các thông s ng
ình Sơ đồ đấ ộ thiết bị đo đạ ố môi trườ
Sơ đồ đấu dây bộ thiết thiết bị đo đạc các thông số môi trường bao gồm các
module Cảm biến - Arduino - LCD - - .
Module thời gian thực Thẻ nhớ
Bảng đấu dây các thiết bị như sau:
DHT-11 Arduino
Vcc 5V
GND GND
Dout Pin 2
Bảng 2 - -11 - Arduino
Bảng đấu dây Module cảm biến DHT

48. 48
DHT-11 Arduino
Vcc 5V
GND GND
Aout Pin A1
Bảng 3 - MQ7 - Arduino
Bảng đấu dây Module cảm biến
Micro SD Arduino
Vcc 5V
GND GND
DI Pin 11
SCK Pin 13
DO Pin 12
CS Pin 3
Bảng 4 - - Arduino
Bảng đấu dây Module Micro SD
RTC BQ32000 Arduino
Vcc 5V
GND GND
SCL Pin A5
SDA Pin A4
Bảng 5 - - Arduino
Bảng đấu dây Module RTC BQ32000
- Sơ đồ đấu dây bộ thiết bị đo đạc các thông số môi trường với bộ thu phát
tín hiệu đã đo được cũng là sơ đồ đấu dây của Arduino Uno và Module Sim 808
(Hình 28) và b ( 6).
ảng đấu dây tương ứng Bảng

49. 49
Hình 28 - u dây b c các thông s
Sơ đồ đấ ộ thiết bị đo đạ ố môi trườ ớ
ng v i bộ thu phát
tín hiệu đã đo được
Arduino Uno Module Sim 808
5V VCMU
D1 Tx
D0 Rx
A2 PWK
A3 ST
GND GND
Bảng 6 - - Arduino
Bảng đấu dây Module Sim 808
Sơ đồ đấu dây giữa Bộ thiết thiết bị đo đạc các thông số môi trường và bộ
thu phát tín hiệu đã đo được.
4.5 Quy trình thiết kế phần mềm hệ thống
Để viết chương trình ứng dụng cho hệ thống, cần xây dựng quy trình thiết kế
phần mềm dựa vào sơ đồ nguyên lý của hệ thống và phần cứng đã chọn. Qui trình
này được thể hiện bằng sơ đồ như hình 29:

50. 50
Hình m h
29 - Quy trình thi ph n m
ết kế ầ ề ệ ố ắ ả
th ng quan tr c khí th i
và
Hai phần trọng yếu của Sơ đồ là Lựa chọn phần mềm Tải Thư viện cho các
cảm biến.
4.6 Lựa chọn phần mềm thực hiện
Sử dụng phần mềm Arduino I là phù hợp để nạp cho Arduino Uno U đã
de 3
chọn. Môi trường phát triển tích hợp (IDE) là một ứng dụng đa nền tảng
Arduino
Cấu hình và cài đặt chế
độ cho các thiết bị
Viết chương trình con
điểu khiển các thiết bị
Lựa chọn phần mềm
thực hiện
Định dạng các chân
thiết bị
Viết chương trình chính
điều khiển toàn hệ thống
Tải Thư viện cho các
cảm biến
Lập bảng kết quả, so sánh
với Hệ thống đo chuẩn
Cập nhật hệ số mới cho
Thư viện của Cảm biến
Nạp Thư viện vào
phần mềm
Tính toán lại các hệ số phù
hợp cho Cảm biến
Chấp nhận
kết quả
Đạt yêu cầu
Không đạt yêu cầu
Nạp chương trình vào
MCU
Không lỗi
Kiểm
tra
lại
Có lỗi

51. 51
được viết bằng Java và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các
dự án lắp ráp được thiết kế để làm nhập môn lập trình cho các nhà lập trình
, chuyên
nghiệp và những người mới sử dụng khác không quen thuộc với phát triển phần
mềm. Một đoạn chương trình hay một chương trình bao gồm một trình soạn thảo
mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngặc khối chương trình,
thụt đầu dòng tự động và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình
vào bo mạch với một nhấp chuột duy nhất. Một chương trình hoặc mã viết cho
Arduino được gọi là “ ” được viết bằng C hoặc C++, đi kèm
sketch . Arduino IDE
với một thư viện phần mềm được gọi là “ ” từ những “library” được xây dựng
Wiring
cho các thiết bị đơn lẻ, giúp cho hoạt động đầu vào/đầu ra trở nên dễ dàng hơn.
Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình
điều hành theo chu kỳ :
setup(): hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình
dùng để khởi tạo các thiết lập.
loop(): hàm được gọi lặp lại liên tục cho đến khi bo mạch được tắt đi.
Khi bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chương trình mới, hàm setup()
sẽ được gọi đến đầu tiên. Sau khi xử lý xong hàm setup(), Arduino sẽ nhảy đến
đã
hàm loop() và lặp vô hạn hàm này cho đến khi bo mạch Arduino bị ắt điện.
ng
Chu trình đó có thể mô tả trong hình 30 sau đây:
Hình 30 - Chu trình ho ng c a Arduino Ide
ạ ộ
t đ ủ
Arduino IDE sử dụng GNU để biên dịch chương trình
toolchain và AVR libc
và sử dụng avrdude để tải lên các chương trình vào bo mạch chủ.

52. 52
Do nền tảng Arduino sử dụng vi điều khiển Atmel, môi trường phát triển của
Atmel, AVR Studio hoặc Atmel Studio mới hơn cũng có thể được sử dụng để
và
phát triển phần mềm cho các Arduino.
4. 7 Tải Thư viện cho các cảm biến
Chương trình sử dụng các thư viện của thiết bị, được tải về và cài đặt trên
Arduino Ide. Hầu hết các thiết bị lưu hành trên thị trường đều có sẵn thư viện này
trên internet và hỗ trợ miễn phí, có thể download về máy tính và cập nhật vào
Arduino Ide qua thanh công cụ Lưu ý là trước
Sketch > Include library (Hình 31).
khi cập nhật thư viện vào Arduino Ide, cần đổi tên file đã tải về sao cho các ký tự
phải liền kề hoặc dấu gạch dưới “_”, không được phép sử dụng dấu cách “ ” hay dấu
gạch ngang “ ” (nếu thực hiện
- không đúng khi cập nhật Arduino Ide sẽ báo lỗi).
,
Đối với thiết bị tự thiết kế, chế tạo, người sản xuất phải xây dựng thư viện
riêng cho thiết bị đó và cập nhật vào Arduino Ide, cài đặt chương trình thì mới có
thể giao tiếp được với Arduino.
Hình 31 - C p nh n vào Arduino Ide
ậ ật thư việ

53. 53
Đầu chương trình ứng dụng, nạp các thư viện như sau:
#include <DHT.h>
#include <LiquidCrystal.h>
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <Wire.h>
#include <RTClib.h>
#include <MQ7.h>
- DHT-11:
Code của thư viện DHT.h của cảm biến
/* DHT library
MIT license
written by Adafruit Industries
*/
#ifndef DHT_H
#define DHT_H
#if ARDUINO >= 100
#include "Arduino.h"
#else
#include "WProgram.h"
#endif
// Uncomment to enable printing out nice debug messages.
//#define DHT_DEBUG
// Define where debug output will be printed.
#define DEBUG_PRINTER Serial
// Setup debug printing macros.
#ifdef DHT_DEBUG
#define DEBUG_PRINT(...) { DEBUG_PRINTER.print(__VA_ARGS__); }
#define DEBUG_PRINTLN(...) { DEBUG_PRINTER.println(__VA_ARGS__);
}
#else
#define DEBUG_PRINT(...) {}
#define DEBUG_PRINTLN(...) {}
#endif
// Define types of sensors.
#define -11 11
DHT
#define DHT22 22
#define DHT21 21
#define AM2301 21
class DHT {
public:
DHT(uint8_t pin, uint8_t type, uint8_t count=6);
void begin(void);
float readTemperature(bool S=false, bool force=false);
float convertCtoF(float);
float convertFtoC(float);

54. 54
float computeHeatIndex(float temperature, float percentHumidity, bool
isFahrenheit=true);
float readHumidity(bool force=false);
boolean read(bool force=false);
private:
uint8_t data[5];
uint8_t _pin, _type;
#ifdef __AVR
// Use direct GPIO access on an 8-bit AVR so keep track of the port and bitmask
// for the digital pin connected to the DHT. Other platforms will use digitalRead.
uint8_t _bit, _port;
#endif
uint32_t _lastreadtime, _maxcycles;
bool _lastresult;
uint32_t expectPulse(bool level);
};
class InterruptLock {
public:
InterruptLock() {
noInterrupts();
}
~InterruptLock() {
interrupts();
}
};
#endif
Đây là cảm biến số và hiếm khi phải điều chỉnh các hệ số.
- DHT-11:
Code của thư viện DHT.h của cảm biến
/*
Library for CO (Carbon Monoxide Gas) ppm value
by using MQ7 gas sensor.
Datasheet : https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf
*/
#ifndef MQ7_h
#define MQ7_h
/*
The coefficients are estimated from the sensitivity characteristics graph
of the MQ7 sensor for CO (Carbon Monoxide) gas by using Correlation function.
Explanation :
The graph in the datasheet is represented with the function
f(x) = a * (x ^ b).
where
f(x) = ppm
x = Rs/R0
The values were mapped with this function to determine the coefficients a

55. 55
and b.
*/
#define coefficient_A 19.32
#define coefficient_B -0.64
//Load resistance 10 Kohms on the sensor potentiometer
#define R_Load 10.0
class MQ7 {
private:
uint8_t analogPin;
float v_in;
float voltageConversion(int);
public:
MQ7(uint8_t, float);
float getPPM();
float getSensorResistance();
float getRatio();
};
#endif
Ở thư viện gốc này, hệ số A = 19.32, B = 0.64, sẽ được hiệu chỉnh nhờ thực
-
nghiệm và các phương pháp nội suy.

56. 56
Chương KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ ĐÁNH GIÁ
5 -
5.1 Khi các thông số môi trường trong phạm vi cho phép
Khi các thông số môi trường trong phạm vi cho phép, màn hình LCD sẽ hiển
thị các thông số này như hình 32.
Hình Hình
32 - ả ể ị ồng độ ạ
nh hi n th trên LCD khi n CO trong ph m vi cho phép
và tin nhắn tương ứng nhận được khi yêu cầu hệ thống quan trắc gửi về tại
thời điểm đó (Hình 33):
Hình 33 - n quan tr ng g i v u
Tin nhắ ắc môi trườ ử ề khi có yêu cầ

57. 57
Có thể kiểm tra các kết quả đo này nhờ thanh công cụ Tools > Serial Monitor
trong Arduino Ide (Hình 34).
Các k t qu a Arduino Ide
Hình 34 - ế ả đo trên Serial Monitor củ
Dữ liệu đo được ghi lại trong file Text trong thẻ nhớ (hình 35):
35 - D u ghi l nh ng file text
Hình ữ liệ ại trong thẻ ớ dưới dạ
Nhận xét:
- Theo hình 32, màn hình LCD hiển thị đầy đủ các thông số cần quan trắc, bao
gồm độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ CO trong phạm vi cho phép 00ppm) nên
(<10
thông báo là “No CO”.

58. 58
- Theo hình 33, khi có yêu cầu từ số điện thoại đã cài đặt với cú pháp “TSQT”,
hệ thống đã trả về tin nhắn các thông số đã quan trắc được tại thời điểm đó, tin
nhắn có thông báo về nồng độ CO, ta cũng có thể cài đặt để tin nhắn báo về
“nồng độ CO đạt ngưỡng an toàn”, nếu muốn.
- Theo hình 35, Dữ liệu ghi lại trong thẻ nhớ dưới dạng file text đúng như
những gì đã đo được.
Như vậy, hệ thống đã làm việc đạt yêu cầu khi đo thấy thông số môi trường
trong phạm vi cho phép.
5.2 Khi có cảnh báo thông số vượt ngưỡng
Khi trường hợp rò rỉ khí CO ở mức nghiêm trọng (>1000ppm), sau khi hiển
thị các thông số về nhiệt độ và độ ẩm trong 2 giây, màn hình LCD sẽ chuyển sang
hiển thị cảnh báo như hình 36.
Hình Hình
36 - ả ể ị ả ồng độ ở ứ
nh hi n th trên LCD khi có c nh báo n CO m c nghiêm
trọng (>1000ppm)

59. 59
Và tin nhắn có thêm dòng chữ “nguy hiểm đến tính mạng, sơ tán người gấp”
(Hình 357).
Hình 37 - Tin nh p báo rò r
ắn cấ ỉ khí CO m
ở ức nghiêm trọng (h ng t
ệ thố ự ng g
độ ửi)
Các tin nhắn khác tự động gởi về khi có cảnh báo thông số vượt ngưỡng cho
phép:
- Với trường hợp nhiệt độ quá cao:
Hình 38 - n c nh báo nhi ng ng t ng g
Tin nhắ ả ệt độ vượt ngưỡ (hệ thố ự độ ửi)
- Với trường hợp độ ẩm quá cao:
Hình 39 - n c ng (h ng t ng g
Tin nhắ ảnh báo độ ẩ ợ ỡ
m vư t ngư ệ thố ự độ ửi)
Nhận xét:
- Theo hình 36, màn hình LCD hiển thị cảnh báo CO ở mức nghiêm trọng, rất
nguy hiểm (>1000ppm).
- Theo hình 37 hệ thống tự động gửi tin nhắn liên tục cấp báo về trung tâm khi
có nồng độ khí CO ở mức rất nguy hiểm.
- các hình 38, 39
Theo hệ thống tự động gửi tin nhắn về trung tâm khi có
thông số vượt giới hạn cho phép.

60. 60
- Dữ liệu ghi lại trong thẻ nhớ dưới dạng fi đúng như những gì đã đo
le text
được tại hình 35 đã nêu ở mục 5.1.
Như vậy, hệ thống đã làm việc đạt yêu cầu khi đo thấy thông số môi trường
vượt quá giới hạn cho phép.
5.3 và
So sánh kết quả đo với hệ thống đo chuẩn hiệu chỉnh thông số cảm biến
Để kiểm tra tính chính xác của hệ thống đo Học viên đã so sánh các kết quả
.
đo trong cùng điều kiện thử nghiệm với thiết bị đo lường và phân tích khí chuẩn của
Phòng cảm biến và thiết bị đo khí, Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học
-
và Công nghệ Việt (thiết bị này khá lớn và phức tạp, chỉ để trong phòng thí
Nam
nghiệm). Các kết quả đo được so sánh theo bảng 6, 7 và 8 sau:
Thiết bị đo chuẩn Mạch chế thử Độ lệch tuyệt đối (0
C) Độ lệch tương đối (%
)
10.00 10.01 0.01 0.1
15.00 15.03 0.03 0.2
20.00 20.02 0.02 0.1
25.00 25.02 0.02 0.08
30.00 30.03 0.03 0.1
35.00 35.01 0.01 0.03
40.00 40.02 0.02 0.05
45.00 45.02 0.02 0.04
50.00 50.04 0.04 0.08
55.00 55.03 0.03 0.05
Bảng 7 - n (
Bảng so sánh Kết quả đo hiệt độ đơn vị: 0
C) và
giữa thiết bị đo chuẩn
mạch chế thử
Thiết bị đo chuẩn Mạch chế thử Độ lệch tuyệt đối (%
độ ẩm) Độ lệch tương đối (%
đại lượng)
40.000 40.012 0.012 0.03
45.000 45.022 0.022 0.05
50.000 50.553 0.553 1.11
55.000 55.008 0.008 0.01
60.000 60.015 0.015 0.03
65 000 64 434 0 566 0 87
70.000 70.015 0.015 0.02
75.000 75.616 0.616 0.82
80.000 80.223 0.223 0.28
85.000 85.186 0.186 0.22
Bảng 8 - (
Bảng so sánh Kết quả đo độ ẩm đơn vị: %
) giữa thiết bị đo chuẩn và
mạch chế thử

61. 61
Thiết bị đo chuẩn Mạch chế thử Độ lệch tuyệt đối (ppm) Độ lệch tương đối (%
)
250 289 39 15.6
350 386 36 10.29
450 481 31 6.89
550 582 32 5.82
650 677 27 4.15
750 779 29 3.87
850 870 20 2.35
950 970 20 2.11
1050 1071 21 2
1150 1169 19 1.65
Bảng 9 - n ( ppm)
Bảng so sánh Kết quả đo ồng độ khí CO đơn vị: giữa thiết bị đo
chuẩn và mạch chế thử
Bảng cho thấy kết quả đo hiệt độ và độ ẩm của hệ thống đạt độ chính
7 và 8 n
xác cao (xấp xỉ bằng 0), nguyên nhân là độ tin cậy của cảm biến DHT-11 khá cao,
ngoài ra còn do kết quả đo được quy tròn Kết quả đo độ ẩm và nhiệt độ
số. cũng
không đòi hỏi độ ì vậy không cần hiệu chỉnh cả
chính xác quá cao, v m biến DHT.
Bảng cho thấy kết quả đo nồng độ khí CO của hệ thống đạt độ chính xác
9
không cao (ở mức thấp lệch rất nhiều, lên tới hơn 10%, ở mức cao phổ biến quanh
4%), nguyên nhân là độ tin cậy của cảm biến MQ7 không cao, ngoài ra còn do cảm
biến có thể bị già hóa và độ nhạy khí bị ảnh hưởng. Vì vậy bằng phương pháp nội
suy, học viên đã hiệu chỉnh các thông số cảm biến như sau: (Tại
A = 15.5, B = -0.61
mục 4.7, Code của Thư viện là .64), sau đó nạp lại vào hệ thống.
A = 19.32 và B = -0
Kết quả đo sau khi hiệu chỉnh cảm biến như bảng 10 sau đây:
Thiết bị đo chuẩn Mạch chế thử Độ lệch tuyệt đối (ppm) Độ lệch tương đối (%
)
250 266 16 6.4
350 361 11 3.14
450 454 4 0.89
650 650 0 0
750 753 3 0.4
850 846 -4 -0.47
950 948 -2 -0.21
1050 1052 2 0.19
1150 1153 3 0.26
Bảng 10 - n ( ppm)
Bảng so sánh Kết quả đo ồng độ khí CO đơn vị: giữa thiết bị đo
chuẩn và mạch chế thử sau hiệu chỉnh hệ số cảm biến

62. 62
Bảng cho thấy kết quả đo nồng độ khí CO của hệ thống đạt độ chính xác
10
cao hơn hẳn so với khi chưa hiệu chỉnh cảm biến: Ở mức thấp lệch khoảng 5% đến
dưới %, ở mức cao phổ biến dưới , đặc biệt quanh ngưỡng nguy hiểm
1 0.5%
1000ppm đạt ở mức khoảng 0.2%. Đây là mức sai số có thể chấp nhận được.
5.4 chung
Đánh giá kết quả
Dựa trên các tình huống đã thử nghiệm và các kết quả thu được ở trên, có thể
nhận thấy rằng:
- Màn hình LCD
Mô hình thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu đặt ra của Đề tài.
hiển thị đầy đủ các thông số cần quan trắc theo đúng thời gian thực và hiển
thị cảnh báo khi có vấn đề về môi trường đạt độ chính xác cao. Tin nhắn
;
được gửi tới trung tâm khi có yêu cầu và tự động gửi đi khi có thông số vượt
mức an toàn và gửi liên lục khi có cảnh báo nguy hiểm với đầy đủ thông tin
mong muốn; bộ phận lưu trữ dữ liệu và cung cấp thông tin hoạt động tốt.
- Tuy nhiên giao diện chưa được đẹp do điều kiện kinh tế, kỹ thuật còn hạn
chế.

63. 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận:
Sau một thời gian nghiên cứu iết kế lắp ráp mạch và chạy thử nghiệm
, th , ,
Luận văn đã thu được những kết quả sau:
- .
Đưa ra hệ thống giám sát nồng độ khí khải nhà máy xi măng
thiết kế
- mô hình
Chế tạo thử nghiệm hệ thống tập trung đo nồng độ khí CO, mở
rộng thêm kênh đo nhiệt độ và độ ẩm.
- mô hình
Đo thử nghiệm cho thấy thử nghiệm có khả năng giám sát liên tục
nồng độ khí CO một cách chính xác, có khả năng lưu trữ dữ liệu và gửi dữ
liệu khi có yêu cầu Hệ thống cũng có khả năng tự động gửi các cảnh báo về
.
an toàn, cảnh báo khẩn cấp khi môi trường bị ô nhiễm.
Hướng phát triển:
Tuy đã thực hiện đạt được những kết quả nhất định, song do trình độ còn hạn
chế và thời gian thực hiện quá ngắn Luận văn này vẫn còn nhiều điều cần điều
nên
chỉnh, mở rộng và hoàn thiện. viên xin mạnh dạn đề xuất một số hướng phát
Học
triển tiếp theo, như:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các khí thải tới nhiệt độ, độ ẩm của môi trường.
- Chế tạo mạch in và vỏ hộp để sản phẩm có tính công nghiệp, đủ khả năng
ứng dụng trong thực tiễn.
- Tăng thêm kênh đo nồng độ khí thải như CO2, NOx, SO2, và các
HC,…
kênh đo khác theo yêu cầu thực tế (để có thể áp dụng với nhiều vị trí đo khác
nhau trong nhà máy xi măng, các nhà máy sản xuất sản phẩm khác, ngoài xi-
măng; các hầm lò,…).
- Tạo thư viện (library) cho những cảm biến khí do Phòng cảm biến và thiết
bị đo khí Viện Khoa học vật liệu chế tạo.
-

64. 64
- Lắp thêm còi cảnh báo nguy hiểm khi nồng độ CO ở mức nguy hiểm (vượt
ngưỡng 1000ppm).
- (big data)
Xây dựng hệ thống lưu trữ dữ liệu lớn , đủ phục vụ tra cứu.
- Xây dựng các bảng biểu, biểu đồ, đồ thị, tạo WebGIS để tra cứu trực quan
hơn.
- Tăng độ chính xác, giảm thiểu tình trạng trôi tín hiệu, chống nhiễu cho hệ
thống.