Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế bộ ngắt dòng dò

  • Số trang: 73 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 13 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI --------------------------------- CỘNG HÒA Xà HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Ngày sinh:10/08/1981 Khoá: 02 Khoa: ðiện tử - Viễn thông Ngành: Kỹ thuật ñiện tử Nơi Sinh: Hà Nội 1. ðầu ñề luận văn: Nghiên cứu, thiết kế Bộ ngắt dòng dò 2. Các số liệu và dữ liệu ban ñầu: Khi sử dụng trang thiết bị ñiện luôn tiềm ẩn nguy cơ giật ñiện, gây tổn thương, thậm chí dẫn ñến tử vong cho nạn nhận. Cường ñộ dòng ñiện cực ñại chưa gây nguy hiểm khi chạy qua cơ thể người là 5mA. Việc thiết kế chế tạo các thiết bị ñảm bảo an toàn ñiện và thiết bị phục vụ thí nghiệm an toàn ñiện là rất cần thiết. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của dòng ñiện lên cơ thể người, các biện pháp phòng tránh giật ñiện. Áp dụng lý thuyết cảm ứng ñiện từ, lý thuyết về ñiện tử ñể tính toán, thiết kế các sản phẩm. 4. Các bản vẽ, ñồ thị: Bản vẽ sơ ñồ nguyên lý các mạch ñiện, bản vẽ thiết kế khung vỏ, thiết kế mặt của các sản phẩm trong luận văn 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Văn Khang 6. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 17 tháng 02 năm 2011 7. Ngày hoàn thành luận văn: 30 tháng 10 năm 2011 Ngày tháng năm 2011 Giảng viên hướng dẫn Học viên thực hiện PGS.TS. Nguyễn Văn Khang Chu Thị Hương 1 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 2 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI --------------------------------- BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Ngành: ðiện tử Số hiệu sinh viên: Khoá: 02 Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................... 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................... Ngày tháng năm 2011 Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 3 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò LỜI NÓI ðẦU ðiện giật là nguy cơ gây thương tổn chết người xếp ở mức cao. Ở Việt Nam hàng năm có 450 -500 vụ tai nạn do ñiện giật làm chết 350 – 400 người, bị thương hàng trăm người, ñó là một con số ñáng lo ngại. Những thương tổn và tử vong này luôn có thể phòng tránh ñược. Tuy nhiên hầu hết các lĩnh vực người sử dụng thiết bị ñiện không lắp ñặt các thiết bị an toàn ñiện, bảo vệ chống rò ñiện, không nối ñất các thiết bị ñiện theo yêu cầu của các nhà chế tạo. Gần ñây nhất là sự việc hàng loạt các máy ATM gây giật ñiện, thậm chí dẫn ñến tử vong làm xôn xao dư luận, và hoang mang cho người sử dụng về mức ñộ an toàn của các thiết bị ñiện công cộng. Trong lĩnh vực y tế, môi trường ẩm ướt do nước, dịch, máu…luôn tiềm ẩn nguy cơ giật ñiện cho những người sử dụng thiết bị ñiện. ðiều này càng nguy hiểm hơn với các bệnh nhân trước những nguy cơ giật vĩ mô và giật vi mô. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị ñảm bảo an toàn ñiện là rất cần thiết. Chế tạo thành công bộ ngắt dòng dò thông minh với những ưu ñiểm như phát hiện dòng dò cỡ nhỏ từ 0.5mA, tính năng cảnh báo thông minh, tự ñộng ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA là một sản phẩn an toàn ñiện hiệu quả và dễ sử dụng trong thực tế. Trong quá trình thực hiện, luận văn ñã nhận ñược nhiều sự giúp ñỡ cũng như sự ñộng viên khích lệ của gia ñình, bạn bè và ñặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS TS. Nguyễn Văn Khang . Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến thầy giáo hướng dẫn cùng những người ñã giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn. Tôi hy vọng thầy, cô và bạn bè sẽ tiếp tục giúp ñỡ tôi hoàn thiện tốt hơn luận văn này trong tương lai. Hà nội, ngày tháng năm 2011 Học viên thực hiện Chu Thị Hương 4 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò MỤC LỤC LỜI NÓI ðẦU........................................................................................................................... 3 MỤC LỤC ................................................................................................................................. 5 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................7 DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................................... 9 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... CHƯƠNG 1 MỞ ðẦU.................................................................................................................................. 11 1.1.Giới thiệu ........................................................................................................................... 11 1.2 Tinh hình an tòan ñiện trong thực tế ...................................................................12 1.3 Nội dung luận văn CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN .......................................... 14 2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan......................14 2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện......................................14 2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người........................................19 2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận ...................................................................................19 2.1.2.2 Dòng thả lỏng..........................................................................................20 2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi ................................................20 2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất........................................................................20 2.1.2.5 Cơn co tim duy trì ...................................................................................21 2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể ...................................................................21 2.1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người...21 2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể. 23 2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện.................................................25 2.2.1 An toàn trong hệ thống cung cấp ñiện.......................................................26 2.2.1.1 Hệ thống khuếch ñại ñiện tim ñạo trình chân phải................................26 2.2.1.2 Hệ thống tiếp ñất ñẳng thế......................................................................26 2.2.1.3 Hệ thống phân phối ñiện cách ly ............................................................28 2.2.1.4 Bộ GFCI (Ground –Fault Circuit Interrupter )......................................28 2.2.2 An toàn trong thiết kế thiết bị.............................................................................. 29 2.3 Cơ sở bộ ngắt dòng dò khi nối ñất gặp sự cố............................................................ 33 2.3.1 Cơ sở cảm ứng ñiện từ, áp dụng ño cường ñộ dòng ñiện .................................. 33 2.3.1.1 Các ñịnh luật, hiện tượng cảm ứng ñiện từ .............................................................. 33 2.3.1.2 Áp dụng chế tạo cảm biến dòng ñiện dò .................................................35 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG 3.1. Giới thiệu một số linh kiện dùng trong thiết kế ............................................................ 38 3.1.1 Cảm biến dòng ñiện dò..………………………………………...………………………37 3.1.2. Vi ñiều khiển AVR ATmega 16……………………………………..…………………38 3.1.3. IC khuếch ñại thuật toán TL084………………………..………………………………50 3.2 Yêu cầu của sản phẩm cần ñạt ñược............................................................................... 53 3.3 Sơ ñồ khối chức năng và sự phối hợp hoạt ñộng giữa các khối.................................... 54 3.3.1 Sơ ñồ khối chức năng........................................................................................ 54 5 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 3.3.2. Nguyên lý hoạt ñộng……………………………………..……………………55 3.4. Thiết kế sơ ñồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò………………………...…………………55 3.4.1. Thiết kế phần cứng………………………………………………...……………………55 3.4.2. Mạch nguyên lý cảm biến dòng và khuếch ñại vi sai……………….…………………56 3.4.3. Sơ ñồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp……………….…………………….58 3.4.4. Sơ ñồ nguyên lý bộ ñiều khiển trung tâm và khối chấp hành.………………………….58 3.4.5. Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn……………………………………………………………59 3.4.6. Sơ ñồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò………….……… ………………………………60 3.5. Thiết kế phần mềm nhúng ñiều khiển……………………….……………………………60 3.7. Thiết kế kiểu dáng sản phẩm……………………………………………………………..67 Kết quả ñạt ñược………………………………………………………………………………69 Kết luận………………………………………………………………………………………..71 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………….....72 6 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Chú chim ñậu chân trần trên dây ñiện cao thế nhưng vẫn không bị giật. .......15 Hình 2.2 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây lửa của lưới ñiện.......................15 Hình 2.3 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây nối ñất nên không bị giật ñiện ..16 Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách ñiện, hay chập dây với vỏ. ...........17 Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn. .................................................17 Hình 2.6 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị ñiện ................................................. 18 Hình 2.7 Dòng ñiện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối ñất bị ñứt thì nguy cơ giật ñiện sẽ cao hơn. .......................................................................................................19 Hình 2.8 Mô hình trở kháng bên trong cơ thể người. ....................................................25 Hình 2.9 Bộ khuếch ñại ñiện tim tham chiếu ñất [1] .....................................................26 Hình 2.10 Hệ thống tiếp ñất ñẳng thế [1] .............................................................................. 27 Hình 2.11 Hệ thống phân phối ñiện cách ly [1] .............................................................28 Hình 2.12 GFCI – Bộ ngắt ñiện khi nối ñất gặp sự cố [1]. ............................................29 Hình 2.13 Bốn cách bố trí nguồn và dây nối ñất hiệu quả. .................................................... 32 Hình 2.14 Thí nghiệm của Michael Faraday về tác dụng từ trường biến thiên ....................... 33 Hình 2.15 Từ thông biến thiên sinh ra suất ñiện ñộng cảm ứng khi dịch chuyển vòng dây dẫn trong từ trường ..................................................................................................................... 34 Hình 2.16 Tác ñộng hỗ cảm của dòng ñiện trên hai vòng dây dẫn ñặt cạnh nhau................... 34 Hình 2.17 Nguyên lý cảm biến dòng dò.................................................................................... Hình 3.1 Cảm biến dòng ñiện dò ...................................................................................38 Hình 3.2 ðồ thị kết quả test. ................................................................................................. 38 Hình 3.3 Sơ ñồ chân vi ñiều khiển Atmega16 loại 40 chân và 44 chân [8] ............................ 41 Hình 3.4 Cấu trúc bên trong vi ñiều khiển Atmega16 [8] ...................................................... 41 Hình 3.5 Cấu trúc bộ ADC của ATmega16 [8] ..................................................................... 42 Hinh 3.6 Thanh ghi ADMUX [8]......................................................................................... 43 Hình 3.7 Thanh ghi ADCSRA [8]....................................................................................... 44 Hình 3.8 Thanh ghi dữ liệu ADC [8] .................................................................................... 46 Hình 3.9 Bộ ñếm gộp trước của ADC [8].............................................................................. 47 Hình 3.10 Sai số bù của bộ biến ñổi ADC............................................................................. 49 Hình 3.11 Sai số khuếch ñại của bộ biến ñổi ADC................................................................ 49 Hình 3.12 ðộ không tuyến tính của bộ biến ñổi ADC ........................................................... 50 Hình 3.13 ðộ không tuyến tính vi sai của bộ biến ñổi ADC.................................................. 50 Hình 3.14 Sơ ñồ chân, nguyên lý bên trong IC khuếch ñại thuật toán TL084 [9]................... 51 Hình 3.15 Sơ ñồ mạch khuếch ñại ñảo áp dụng IC TL084. ................................................... 52 Hình 3.16 ðồ thị quan hệ ñiện áp ñỉnh tối ña của tín hiệu ra và tần số tín hiệu ...................... 52 Hình 3.17 ðồ thị quan hệ hệ số khuếch ñại vi sai tối ña của mạch……….……………..……52 Hình 4.15 với tần số tín hiệu................................................................................................. 53 Hình 3.18 Giao ñiện phần mềm Orcad 9.2 thiết kế mạch nguyên lý và mạch in .................... 57 Hình 3.19 Sơ ñồ nguyên lý khối cảm biến dòng và khuếch ñại vi sai .................................... 58 Hình 3.20 sơ ñồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp bậc 2........................................ 59 Hình 3.21 ðáp ứng tần số và pha của mạch lọc..................................................................... 59 Hình 3.22 Sơ ñồ nguyên lý bộ ñiều khiển trung tâm và khối chấp hành ................................ 60 Hình 3.23 Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn................................................................................. 60 Hình 3.24 Mạch nạp STK500, nạp phần mềm nhúng cho vi ñiều khiển ................................ 62 7 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò Hình 3.25 Giao diện chương trình biên dịch CodevesionAVR 2.04.4a.................................. 63 Hình 3.26 Lưu ñồ thuật toán ñiền khiển bộ ngắt dòng dò ..................................................... 64 Hình 3.27 Thiết kế hộp sản phẩm bộ ngắt dòng dò ............................................................... 69 Hình 3.28 Mặt trên của bộ ngắt dòng dò .............................................................................. 69 Sản phẩm bộ ngắt dòng dò......................................................Error! Bookmark not defined. Ghép nối bộ ngắt dòng dò vào hệ thống ñiện. ...................................................................... 71 8 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Tác ñộng của dòng ñiện 60 Hz lên cơ thể người tuổi trung niên [1]........................ 24 Bàng 3.1 Chọn kênh ñầu vào bộ ADC của Atmega16 [8].............................................43 Bảng 3.2 Chọn giá trị ñiện áp tham chiếu cho bộ ADC [8].................................................... 44 Bảng 3.3 Chọn số chia cho bộ chia tần [8] ............................................................................ 45 Bảng 3.4 Mô tả thời gian một chu kỳ chuyển ñổi ADC [8] ................................................... 48 9 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ADC ATM CPU ECG GFCI LED LSB MIPS Op-amp PWM RISC SPI UART VREF Từ gốc Tiếng Anh Analog to Digital Converter Nghĩa Tiếng Việt Bộ chuyển ñổi tương tự sang số Automatic Teller Machine Central Processing Unit Electrocardiogram Máy rút tiền tự ñộng Khối xử lý trung tâm ðiện tâm ñồ Ground –Fault Circuit Interrupter Bộ ngắt mạch khi nối ñất gặp sự cố Light Emitting Diode Least significant bit Millions of instructions per second Operational amplifier Pulse Width Modulation Reduced Instructions Set Computer Serial peripheral interface Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter Voltage Reference ði ốt phát quang Bit có trọng số thấp nhất Triệu phép tính trên giây Bộ khuếch ñại thuật toán ðiều chế ñộ rộng xung Máy tính với tập lệnh ñơn giản hóa 10 Chuẩn truyền thông ngoại vi nối tiếp Bộ truyền nhận nối tiếp không ñồng bộ ðiện áp tham chiếu Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò CHƯƠNG 1 MỞ ðẦU 1.1 Giới thiệu Theo lý thuyết an toàn ñiện, cường ñộ dòng ñiện xoay chiều (50-60Hz) cực ñại chưa gây nguy hiểm lên cơ thể người là 5mA, khi cường ñộ dòng ñạt mức 10-20mA ñã gây co cơ, khó thở. Qua khảo sát, các thiết bị như cầu dao, atomat chống sự cố dò ñất hiện có trên thị trường chủ yếu ngắt mạch ñiện với dòng dò ở ngưỡng lớn 30mA, và không cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò ñiện của thiết bị ñiện ñang sử dụng. Với nhu cầu cấp thiết ñó, luận văn ñã thực hiện nghiên cứu, chế tạo bộ ngắt dòng dò. Thiết bị có thể cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò ñiện khi dòng dò >500µA, và ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA. Quá trình thực hiện luận văn cần phải trải qua các bước từ nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết, thiết kế sản phẩm, chế tạo, thử nghiệm kiểm tra sản phẩm. ðó là một quá trình liên tục từ lý thuyết ñến thực tế, thiết kế phần cứng, phần mềm nhúng, thiết kế cơ khí, ñến ño ñạc kiểm nghiệm kết quả. Luận văn ñã nghiên cứu các nội dung về an toàn ñiện trong y tế, các nguy cơ giật ñiện, tác dụng của dòng ñiện ñối với cơ thể và cách phòng tránh. Cùng với ñó là các lý thuyết về cảm ứng ñiện từ, lý thuyết về ñiện tử, phương pháp hạn chế giật ñiện, phương pháp ño dòng ñiện dò. Từ ñó thiết kế chế tạo mạch ño dòng ñiện dò bằng cảm biến dòng, áp dụng hiện tượng cảm ứng ñiện từ, không tiếp xúc trực tiếp với dòng ñiện. Hiện nay có nhiều phương pháp ño dòng ñiện, có thể phân chia thành hai phương pháp lớn là can thiệp và không can thiệp. Trong phương pháp ño cường ñộ dòng ñiện can thiệp các thiết bị ño cường ñộ dòng (ampe kế) phải mắc nối tiếp với dây ñiện có dòng ñiện chạy qua. Việc áp dụng phương pháp này ñể ño dòng ñiện dò trong thiết bị ñiện gặp một số hạn chế lớn do không biết lấy tín hiệu dòng ñiện dò từ ñâu, vì dòng ñiện dò từ vỏ máy xuống ñất có thể qua dây nối ñất, nhưng cũng có thể qua các ñiểm tiếp xúc với ñất khác, thậm chí chạy qua cơ thể người bị ñiện giật xuống ñất. Một hạn chế nữa do bắt buộc thiết bị ño phải ñược lắp ñặt như một thành phần trong mạch ñiện nên khó có thể áp dụng vào các thiết bị ñiện ñã chế tạo khó thay ñổi. 11 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò Phương pháp ño không can thiệp dựa vào từ trường do dòng ñiện sinh ra ñể xây dựng phương pháp ño. Với dòng ñiện xoay chiều, từ trường biến thiên do dòng ñiện sinh ra gây ra suất ñiện ñộng cảm ứng trên cuộn dây ñặt gần dòng ñiện, ño suất ñiện ñộng cảm ứng này có thể xác ñịnh ñược giá trị dòng ñiện sinh ra nó. Phương pháp ño này an toàn và không ảnh hưởng ñến mạch ñiện của thiết bị. Phương pháp này ñược áp dụng rộng rãi trong thực tế. 1.2 . Tình hình an toàn ñiện trong thực tế Trên thực tế nhu cầu sử dụng thiết bị an toàn trên hệ thống ñiện là rất lớn. Trong ñời sống dân dụng luôn tiềm ẩn nguy cơ giật ñiện. Hệ thống lưới ñiện ở Việt Nam vào tới các hộ gia ñình hầu như không có dây tiếp ñất bảo vệ. Các trang thiết bị ñiện dân dụng không có dây nối ñất và không áp dụng các biện pháp an toàn như khuyến cáo của nhà sản xuất. Sự việc gần ñây các máy ATM rút tiền tự ñộng có dòng dò lớn, gây giật ñiện, thậm chí gây tử vong cho nạn nhân, ñã cảnh báo sự thiếu an toàn tại các thiết bị ñiện công cộng. Nhiều trường hợp dòng ñiện dò tại các cột ñèn, cột ñiện gây nguy hiểm cho người dân ñã ñược ghi nhận trên nhiều thông tin truyền thông. Những trường hợp không may ñó ít nhiều gây dư luận hoang mang. Trong lĩnh vực y tế, an toàn ñiện ñược ñưa vào chương trình bắt buộc cho các tổ chức, cơ sở y tế. Giật ñiện có thể xảy ra với bệnh nhân, những người vận hành thiết bị, khách tham quan bệnh viện hay tham quan các thiết bị chăm sóc sức khỏe. ðiện giật ñề cập tới cả giật vĩ mô (dòng lớn truyền từ tay nọ sang tay kia có qua tim) và giật vi mô (dòng nhỏ tới thẳng tim). An toàn ñiện trong y tế phải hạn chế tối ña các tình huống gây nguy hiểm, các tình huống ñó ñều là các tình huống ñộng nên cần ñược thường xuyên quan tâm. Mục tiêu của an toàn ñiện trong các tổ chức y tế liên quan tới bất kỳ một thiết bị vận hành bằng ñiện nào ñược sử dụng tại các khu vực công cộng, các khu vực chăm sóc sức khỏe nói chung và các khu vực chăm sóc ñặc biệt trong bệnh viện. Qua phân tích ở trên, với sự ña dạng của các trang thiết bị ñiện dân dụng tới lĩnh vực y tế, có thể khẳng ñịnh nhu cầu sử dụng thiết bị ñảm bảo an toàn ñiện là rất lớn. 12 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 1.3 Nội dung luận văn Chương 1. Mở ñầu. Chương 1 giới thiệu chung về luận văn, cũng như nhu cầu thực tế ñối với các sản phẩm mà luận văn thực hiện. Chương 1 cũng giới thiệu về cấu trúc trình bày của luận văn. Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết an toàn ñiện. Trong chương này giới thiệu những nghiên cứu, tìm hiểu về các ảnh hưởng của dòng ñiện lên cơ thể con người và các yếu tố liên quan tới mức ñộ của các tác ñộng ñó. Sau ñó sẽ trình bày về các biện pháp phòng tránh nguy cơ giật ñiện, tập trung vào trong lĩnh vực y tế. Tiếp theo là áp dụng lý thuyết cảm ứng ñiện từ vào việc thiết kế thiết bị cảm biến dòng ñiện dò. Chương 3. Thiết kế các khối chức năng. Chương 3 trình bày cụ thể về mục tiêu, yêu cầu của sản phẩm mà luận văn thực hiện. Qua phân tích các yêu cầu kỹ thuật ñó thiết kế các khối chức năng ñảm bảo các tính năng và yêu cầu ñặt ra. Cùng với ñó là trình bày sự phối hợp hoạt ñộng của các khối trong hệ thống. Sau khi thiết kế các khối chức năng sẽ ñi thiết kế các sơ ñồ nguyên lý cho từng khối, sơ ñồ nguyên lý của cả mạch ngắt dòng dò. Trong chương này cũng có ñề cập ñến một số linh kiện quan trọng ñược sử dụng cho thiết kế mạch và các phần mềm dung cho thiết kế. Kết quả ñạt ñược. Trình bày cụ thể về các thông số kỹ thuật của các sản phẩm, cũng như hướng dẫn lắp ñặt, hướng dẫn sử dụng. Kết luận. Phần kết luận sẽ tổng kết về những ñiều ñạt ñược, những ñiều chưa ñạt ñược khi thực hiện luận văn và hướng phát triển trong luận văn trong tương lai. 13 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN 2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan Khi dòng ñiện chạy qua cơ thể con người sẽ gây ra các tác ñộng vật lý như: co cơ, khó thở, rung tâm thất, cháy, ñiện giải… loại tác ñộng và mức ñộ thương tổn trên cơ thể người tùy thuộc vào các yếu tố ñặc trưng của dòng ñiện và vị trí tiếp xúc. Giật ñiện liên quan tới việc kích thích các mô cơ thể bằng ñiện và hậu quả của nó có thể chỉ là cảm giác nhói nhẹ cho tới giật bó cơ rất mạnh thậm chí còn rung tâm thất. Mức ñộ nguy hiểm của giật ñiện ñược phản ánh chủ yếu qua cường ñộ dòng ñiện chạy qua cơ thể người bị giật tại các tần số cụ thể. Giật vĩ mô ñược ñịnh nghĩa là một dòng ñiện mức cao cỡ mA, dòng ñiện này chạy trên da, qua cơ thể người khi tiếp xúc với một nguồn ñiện áp. Sẽ có hai ñiểm tiếp xúc trên cơ thể người, dòng ñiện này có thể sẽ qua tim và gây nên sự rung tim, thậm chí có thể gây tử vong. Giật vi mô ñược ñịnh nghĩa là dòng ñiện nhỏ cỡ µA chạy trực tiếp thẳng tới tim qua một ống dẫn dịch nhỏ trong ñộng mạch hoặc tĩnh mạch. Giật ñiện xảy ra khi có từ hai ñiểm tiếp xúc của nạn nhân với hai ñiểm có ñiện thế khác nhau trên hệ thống ñiện. Sau ñây chúng ta sẽ xét các nguy cơ giật ñiện, các yếu tố liên quan và các ảnh hưởng sinh lý trong cơ thể con người khi có dòng ñiện chạy qua. 2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện Nếu không có hai ñiểm tiếp xúc trở lên trên cơ thể người, nơi dòng ñiện ñi vào và ñi ra, thì không có nguy cơ giật ñiện. Nếu hai ñiểm tiếp xúc có cùng ñiện thế thì cũng không bị giật ñiện. ðó là lý do tại sao chim ñậu trên dây ñiện cao thế nhưng không bị giật vì không có dòng ñiện nào chạy qua cơ thể nó. ðể dòng ñiện chạy qua một vật dẫn thì cần có ñiện áp chênh lệch trên nó. Nếu không có ñiện áp chênh lệch thì không có dòng chạy qua vật dẫn. Vì thế dù con chim có ñậu cả hai chân trên dây ñiện, nhưng cả hai chân của nó ñều tiếp xúc trên cùng một dây dẫn, hai chân tiếp xúc ở hai 14 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò ñiểm có cùng ñiện thế, do ñó không có ñiện áp chênh lệch giữa chúng nên không có dòng ñiện nào chạy qua cơ thể của nó. Hình 2.1 Chú chim ñậu chân trần trên dây ñiện cao thế nhưng vẫn không bị giật. Nhiều người tin rằng không thể bị giật khi chỉ tiếp xúc với một dây dẫn ñiện. Giống như những chú chim, nếu chúng ta chắc chắn chỉ tiếp xúc với một dây dẫn tại một thời ñiểm thì vẫn ñảm bảo an toàn. Tất nhiên ñiều ñó là không ñúng. Không giống như những chú chim, con người thường ñứng trên mặt ñất khi chúng ta tiếp xúc với dây dẫn ñiện. Trong hệ thống ñiện lưới luôn nối ñất tại nguồn. Khi một người ñứng trên mặt ñất và chạm tay vào dây dẫn ñiện ñã nối hai ñiểm trên một mạch ñiện, tạo thành một mạch kín (dây dẫn, người và ñất). Khi ñó sẽ có dòng ñiện chạy qua cơ thể người gây giật ñiện. Hình 2.2 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây lửa của lưới ñiện. 15 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò ðất của nguồn ñiện lưới cấu tạo bởi các cọc kim loại dẫn ñiện tốt ñược chôn sâu xuống ñất ñể tạo tiếp xúc tốt nhất với ñất. ðất của nạn nhân bị giật ñiệt thường thông qua chân của họ, phần cơ thể chạm ñất. Có những ñiểm trên hệ thống ñiện ñảm bảo an toàn khi tiếp xúc, ñó là những ñiểm có cùng ñiện thế với ñất, những ñiểm nối ñất. Ví dụ với người trong hình trên, nếu anh ta chạm tay vào ñiểm dưới của ñiện trở thì sẽ không bị giật ñiện, thậm chí nếu chân anh ta vẫn tiếp xúc với mặt ñất. Hình 2.3 Người ñứng trên mặt ñất, chạm tay vào dây nối ñất nên không bị giật ñiện Bởi vì tại ñiểm tiếp xúc ñó ñược nối với ñất của mạch ñiện, cân bằng ñiện thế với mặt ñất, không có ñiện áp nào ñặt lên người này và anh ta sẽ không bị giật ñiện. ðối với các thiết bị ñiện luôn có nguy cơ dò ñiện ra vỏ máy. Nguy hiểm nhất là trường hợp dò ñiện từ dây lửa ra vỏ máy. Có thể do dây lửa chạm vào vỏ máy, hoặc do cách ñiện kém dẫn ñến dòng ñiện từ dây lửa dò trực tiếp ra vỏ máy. Nguy cơ thứ hai là dòng dò tụ và dòng dò trở. Dòng dò tụ có thể do các tụ lọc nguồn ñiện nối giữa dây lửa và vỏ máy ñể lọc nhiễu nguồn, trường hợp khác là dây lửa tạo thành một phiến của tụ, lớp vỏ cách ñiện của dây tạo thành lớp ñiện môi, ñế kim loại (ñất) tạo thành phiến kia của tụ. Dòng dò 16 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò ñiện trở tăng lên từ trở kháng của lớp vỏ bọc cách ñiện quanh dây nguồn. Các chất ñiện môi nhựa dẻo nóng hiện nay hay các dây nguồn có trở kháng cao ñến mức mà dòng dò tổng nhỏ không ñáng kể so với dòng dò tụ ñiện. Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách ñiện, hay chập dây với vỏ. Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn. 17 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò Luôn tiềm ẩn nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị ñiện. Hình 2.6 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị ñiện Hình trên là nguy cơ giật ñiện vĩ mô khi tiếp xúc với vỏ thiết bị ñiện không có dây nối ñất hoặc dây nối ñất bị ñứt. Có nhiều nguy cơ gây giật vi mô. Chủ yếu là dòng ñiện vi mô chạy trực tiếp qua tim qua ống dẫn dịch. Bệnh nhân rất mẫn cảm với nguy cơ giật vi mô khi họ phải dùng các dụng cụ như: - Các ñiện cực của bộ tạo nhịp tim ngoài. - Các ñiện cực cho các thiết bị ñiện tim (ECG) bên trong. - Các ống dẫn dịch ñược ñặt trong tim ñể ño huyết áp, lấy mẫu máu, hoặc ñể bơm chất nhuộm thuốc vào tim. Do ngưỡng giới hạn của dòng dò qua tim rất nhỏ, nên nguy cơ gây tử vong do giật ñiện là rất cao. 18 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò Hình 2.7 Dòng ñiện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối ñất bị ñứt thì nguy cơ giật ñiện sẽ cao hơn. 2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người Dòng ñiện ñi qua cơ thể người gây nên ba ảnh hưởng cơ bản: làm tổn thương các mô, làm teo cơ hay mất cảm giác không ñiều khiển ñược và sự rung tim. ðánh giá ñúng mức các hậu quả này phụ thuộc vào khả năng hoạt ñộng của các tế bào. Các tế bào cơ và tế bào thần kinh trong cơ thể làm việc như các pin hay các ñơn vị phân cực. Các hiệu thế của tế bào phân cực, khử cực, duy trì phân cực tăng lên từ sự tập trung khác nhau của các ion natri, kali và clo qua các màng tế bào nửa thấm. Các tế bào phân cực ở hiệu ñiện thế -70MV có thể ñược kích thích bởi bất cứ cách nào sau ñây: cơ học, hóa học, nhiệt, quang, và ñiện. Cụ thể hơn, sau ñây chúng ta sẽ xem xét các ảnh hưởng sinh lý trong cơ thể con khi có dòng ñiện chạy qua. 2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận Khi mật ñộ dòng ñiện ñủ lớn ñể kích thích các ñầu dây thần kinh trong da, người ta sẽ cảm thấy ran ran như kiến bò. Ngưỡng cảm nhận là dòng ñiện nhỏ nhất khi người ta có thể phát hiện ñược cảm giác trên. Ngưỡng này thay ñổi ñáng kể tùy theo từng người và phù hợp với từng ñiều kiện cụ thể. Một người nào ñó nắm một sợi dây 19 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò ñồng nhỏ bằng tay ướt thì ngưỡng cảm nhận thường bằng 0.5 mA ở tần số 60 Hz. Với dòng một chiều thì ngưỡng này là 2mA-10mA [1]. 2.1.2.2 Dòng thả lỏng Khi dòng ñiện tăng, thần kinh và cơ ñược kích thích mạnh hơn (thậm chí ñến mức ñau và mệt mỏi) sẽ xuất hiện những cơn co cơ bị ñộng hoặc sự rút lui do phản xạ phản ứng với dòng ñiện. Nếu dòng ñiện tiếp tục tăng, các cơn co cơ bị ñộng có thể sẽ ngăn cản các cơn co cơ chủ ñộng. Dòng ñiện tối ña mà con người có thể rút lui một cách chủ ñộng gọi là dòng thả lỏng. Dòng thả lỏng trung bình ñối với một nam giới thường là 10mA [1]. 2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi Nếu dòng ñiện tiếp tục tăng, sự co cơ hô hấp bị ñộng có thể sẽ gây ngạt thở trầm trọng nếu vẫn không ngừng cung cấp ñiện. Trong quá trình nghiên cứu các dòng thả lỏng, tác giả Dalziel ñã quan sát thấy bệnh nhân ngừng thở ở dòng 18-22 mA [1]. Các cơn co cơ bị ñộng và kích thích thần kinh mạnh có thể làm người ta thấy ñau ñớn và dòng ñiện nếu tồn tại một thời gian dài sẽ gây nguy hiểm cho tính mạng. 2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất Tim rất nhạy cảm với dòng ñiện. ðó là ñiều hết sức nguy hiểm. Nếu dòng ñiện ñủ ñể kích thích một phần cơ tim thì sự lan truyền các hoạt ñộng trong cơ tim sẽ bị rối loạn. Một khi hoạt ñộng trong tâm thất bị rối loạn không thể kiểm soát nổi thì chức năng bơm của tim sẽ dừng và tử vong sẽ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Hiện tượng rối loạn không kiểm soát ñược của cơ tim này gọi là hiện tượng rung tâm thất. ðặc biệt nguy hiểm khi dòng ñiện gây ra nguyên nhân này ñã ñi qua mà rung tâm thất vẫn tồn tại. Hiện tượng rung tâm thất chính là lý do gây ra tử vong khi bị ñiện giật. Ngưỡng gây rung tâm thất ñối với một người ñàn ông có chiều cao trung bình là 75mA ñến 400mA [1]. Nhịp tim sẽ ñược khôi phục bình thường trở lại chỉ khi một xung ñiện có biên ñộ lớn, thời gian ngắn ñược ñưa vào cơ thể bệnh nhận ñể khử cực cùng một lúc cho toàn bộ các tế bào cơ tim. Sau khi toàn bộ các tế bào cùng ñược thả lỏng, nhịp tim sẽ ñược phục hồi trở lại bình thường. 20
- Xem thêm -