Tài liệu Kỹ thuật phát hiện rò rỉ khí hydrocarbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM TALENTS FOR DEVELOPMENT BÀI TIỂU LUẬN Đề Tài: KỸ THUẬT PHÁT HIỆN RÒ RỈ KHÍ HYDROCACBON Giảng viên: TS. Nguyễn Trung Khương Môn Học: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Nhóm: Nhóm 2 - Lọc Hóa Dầu Danh sách thành viên 1. 2. 3. 4. 5. Nguyễn Lương Thùy Dương Nguyễn Thị Hồng Hoa Trần Trung Hiếu Đinh Văn Lục Nguyễn Nhật Sang Bà Rịa, tháng 11 năm 2014 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Lời Nói Đầu T rong nhà máy chế biến dầu mỏ và khí đốt, hệ thống an toàn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo giới hạn an toàn cho con người và các thiết bị hoạt động ổn định. Hệ thống an toàn bao gồm nhiều hệ thống cảnh báo sớm trong đó có hệ thống phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các khí dễ cháy như khí hydrocarbon. Các khí này bị rò rỉ không chỉ gây ô nhiễm môi trường làm việc mà còn là nguyên nhân chính gây ra cháy nổ trong nhà máy. Khi có sự cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn đối với nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Việc xác định các nguy cơ tiềm ẩn thông qua xác định nồng độ các khí trên có trong không khí thông qua các cảm biến khí được lắp đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà máy. Trong bài tiểu luận này, chúng em xin trình bày về hệ thống phát hiện rò rỉ khí Hydrocarbon điển hình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy, đặt biệt là các nhà máy chế biến khí. Trong quá trình thực hiện, dù đã rất cố gắng tuy nhiên sẽ vẫn còn có những sai sót. Mong thầy và các bạn sẽ đóng góp ý kiến sửa chữa để bài tiểu luận có thể đạt kết quả tốt nhất. Chúng em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình về cả tài liệu và phương hướng làm đề tài của thầy đã giúp chúng em hoàn thành bài tiểu luận này. Nhóm sinh viên thực hiện Bà Rịa, tháng 11 năm 2014 Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 2 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Mục Lục Chương I. TỔNG QUAN ................................................................................................. 5 1. Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí ......................................................... 5 2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1]........................................................... 5 3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ ...................................................................... 7 3.1 Các thuật ngữ liên quan [2]....................................................................................7 3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3] ....................................................8 Chương II. ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5].......................................... 9 1. Giới thiệu chung ........................................................................................................... 9 2. Cấu tạo .......................................................................................................................... 9 3. Nguyên tắc hoạt động ................................................................................................. 11 4. Độ nhạy tương đối ...................................................................................................... 13 5. Đặc điểm của đầu dò xúc tác ...................................................................................... 14 Chương III. CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI ......................................................................... 15 1. Lịch sử phát triển [6] .................................................................................................. 16 2. Cơ sở lý thuyết [3] ...................................................................................................... 17 3. Phân loại đầu dò hồng ngoại dựa trên vật liệu bán dẫn sử dụng [6] .......................... 19 4. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đầu dò hồng ngoại ................................................. 20 4.1 Cảm biến điểm (Point IR detector) [7] ................................................................21 4.2 Cảm biến đường truyền rộng (open path IR detector) [7] ...................................24 5. Camera hồng ngoại (Gas detection camera) [8] ......................................................... 27 6. Đặc điểm của đầu dò hồng ngoại [9] .......................................................................... 28 Chương IV. SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN [4], [10] ........................................................... 29 1. Khả năng phát hiện rò rỉ. ............................................................................................ 29 2. Thích ứng với môi trường làm việc. ........................................................................... 29 3. Giới hạn làm việc của đầu dò. .................................................................................... 30 4. Bảo trì và sửa chữa. .................................................................................................... 30 5. Tuổi thọ thiết bị .......................................................................................................... 31 Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 3 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Chương V. Kỹ Thuật Đo Lường PVU XỬ LÝ TÍN HIỆU [7] .................................................................................. 32 TỔNG KẾT 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 36 Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 4 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Chương I. 1. Kỹ Thuật Đo Lường PVU TỔNG QUAN Tầm quan trọng của hệ thống phát hiện rò rỉ khí Khí hydrocarbon là những khí dễ cháy nỗ khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ cao. Trong nhà máy chế biến khí, các khí hydrocarbon bị rò rỉ chính là các mối nguy chính gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh cũng như gây ra cháy nổ trong nhà máy. Khi có sự cố cháy nổ xảy ra trong nhà máy, nó có thể gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn đối với nhà máy, gây tổn thất nặng nề về người và của. Do đó, công tác phòng cháy chữa cháy luôn được chú trọng. Để phát hiện các nguy cơ cháy nổ trong nhà máy, nhà máy chế biến khí Dinh Cố sử dụng các đầu dò cảm biến: cảm biến khí, cảm biến nhiệt, cảm biến lửa và cảm biến khói. Các bộ cảm biến khí để phát hiện rò rỉ khí hydrocarbon trong nhà máy thường được lắp đặt ở những nơi tồn chứa sản phẩm, xung quanh đường ống, xung quanh các thiết bị công nghệ để xác định nguy cơ cháy nổ trong vùng đó. Các tín hiệu thu được từ các đầu dò cảm biến được truyền về và được hiển thị trên các panel điều khiển của hệ thống phòng chống cháy nổ trong phòng điều khiển trung tâm. Các pane điều khiển tự động xử lý các tín hiệu cảm biến để xác định vùng có nguy cơ cháy nổ, đồng thời:  Đóng van cô lập vùng cháy nổ và xả khí ra đuốc đốt.  Kích hoạt máy bơm chữa cháy  Mở van xả nước, CO2 vào vùng có cháy nổ  Báo động bằng còi, đèn chớp ở vùng có cháy nổ và phòng điều khiển Các khí hydrocarbon có thể bị rò rỉ do vỡ, nứt hệ thống ống dẫn, thiết bị hay do hở các mối nối giữa các chi tiết cơ khí, hoặc bồn chứa. 2. Các tai nạn do rò rỉ khí dễ cháy nổ gây nên: [1] Dưới đây là bảng thống kê của Wiki về các tai nạn nghiêm trọng trên thế giới mà nguyên nhân là do rò rỉ khí cháy nổ gây nên từ năm 2000 đến nay, bao gồm cả khu vực công nghiệp và khu vực dân sinh. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 5 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Thời gian Địa điểm 19/8/2000 Carlsbad, New Mexico 17/1/2001 Hutchinson, Kansas, Mỹ 16/3/2004 Arkhangelsk, Nga 11/5/2004 Nhà máy nhựa Stockline, Maryhill, Glasgow 2009 Versilia 9/9/2010 San Bruno, California và một vùng ngoại ô của San Francisco 10/2/2011 Allentown, Pennsylvania 14/8/2012 Brentwood, New York 23/11/2012 Springfield, Massachusetts 18/12/2012 Reynosa, Mexico 6/8/2013 12/3/2014 31/7/2014 Rosario, Argentina Khu căn hộ East Harlem, Manhattan, New York Cao Hùng, Đài Loan Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu Kỹ Thuật Đo Lường PVU Thiệt hại Một đường ống dẫn khí tự nhiên bị vỡ và ngọn lửa lan ra đã giết chết 12 người cắm trại gần đó. Khí tự nhiên được lưu trữ dưới lòng đất bị rò rỉ vào các hang động rỗng gây ra hai vụ nổ. Một phá hủy hai doanh nghiệp và làm bị thương 26 người. Một vụ nổ khác phá hủy một công viên và giết chết hai người. Hố sụt và các đám mây khí được hình thành xung quanh thành phố và khí dần dần bị đốt cháy. Một vụ nổ khí trong một căn hộ làm 58 người chết. Khí rò ra từ một đường ống bị vỡ đã đánh lửa làm 9 người thiệt mạng và 37 người bị thương. Tàu Viareggio trật bánh, GPL được chứa trong một toa xe lửa đã phát nổ, làm 33 người chết. Khí bị rò rỉ và phát nổ, giết chết 4 người, làm 53 ngôi nhà bị đốt cháy và hơn 120 ngôi nhà bị hư hại. Một vụ nổ khí đã giết chết 5 người và san bằng tòa nhà trong thành phố. Một vụ nổ khí đã san bằng 1 ngôi nhà, giết chết 1 đứa trẻ và làm bị thương 17 người. Một vụ rò rỉ và nổ khí tự nhiên đã phá hủy 2 tòa nhà, gây thiệt hại cho 42 tòa nhà khác và làm bị thương 21 người. Nổ nhà máy khí của hãng Pemex, làm 26 người chết Vụ nổ khí làm 21 người chết. Vụ nổ khí làm ít nhất 8 người chết và hơn 70 người bị thương. Rò rỉ khí trên đường ống dẫn khí dưới những con đường công cộng gây thiệt hại đáng kể cho thành phố. 6 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Hình 1: Quang cảnh sau vụ nổ tại nhà máy khí của hãng Pemex, Mexico 3. Các đặc trưng của khí và hơi dễ cháy nổ 3.1  Các thuật ngữ liên quan [2] Khí dễ cháy (flammable gas) là khí dễ dàng bắt cháy khi tiếp xúc với nhiệt và ngọn lửa. Các Hydrocarbon đều là các khí dễ cháy.  Giới hạn cháy/nổ dưới (Lower flammable limit – LFL/Lower explosion limit – LEL) là nồng độ thấp nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi có thể bắt cháy và duy trì sự cháy ở điều kiện xác định, thường cho bởi % về thể tích. Ở khoảng nồng độ thấp hơn giới hạn nổ dưới, khí/hơi không đủ để duy trì sự cháy.  Giới hạn cháy/nổ trên (Upper flammable limit –UFL /Upper explosion limit – UEL) là nồng độ cao nhất của khí/hơi hoặc hỗn hợp khí/hơi còn duy trì sự cháy ở điều kiện xác định. Ở khoảng nồng độ cao hơn giới hạn nổ trên, oxi không đủ để duy trì sự cháy.  Khoảng cháy/nổ (flammable range/ explosive range) là khoảng nồng độ từ giới hạn dưới đến giới hạn trên. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 7 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Điểm bốc cháy (flash point) là nhiệt độ thấp nhất mà chất lỏng tạo ra trên bề  mặt nó một lượng hơi đủ để tạo thành hỗn hợp cháy/nổ. Điểm bốc cháy phụ thuộc vào áp suất hơi và giới hạn cháy/nổ dưới. 3.2 Đặc trưng cơ bản cho khí và hơi dễ cháy nổ [3] Trước hết, cần phân biệt rõ ràng 2 thuật ngữ khí và hơi:  Khí là dạng vật chất tồn tại trên khoảng nhiệt độ sôi, khả năng gây cháy nổ của khí được đặc trưng bởi giới hạn nổ dưới, giới hạn này càng thấp, khả năng gây cháy nổ càng cao.Ở khí không tồn tại điểm bốc cháy.Như vậy, để đảm bảo an toàn trong công nghiệp, cần kiểm soát nồng độ khí rò rỉ thấp hơn giới hạn nổ dưới để phòng ngừa khả năng cháy nổ. Giới hạn nổ dưới thường nằm từ 0,5 – 15% về thể tích.  Hơi là dạng vật chất thuộc thể khí tồn tại dưới khoảng nhiệt độ sôi, thường nằm trong cân bằng với pha lỏng hoặc rắn và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, áp suất. Khả năng gây cháy nổ của hơi phụ thuộc vào điểm bốc cháy (Ký hiệu F), nhiệt độ bốc cháy càng thấp, khả năng gây cháy nổ càng cao. Gas LEL in Vol - % LEL in g/m3 Acetylene Ammonia 1,3-butadien i-butane n-butane n-butene Dimethylether Ethene Ethylene oxide Hydrogen Methane Methyl chloride Propane Propene 2.3 15.4 1.4 1.5 1.4 1.2 2.7 2.4 2.6 4.0 4.4 7.6 1.7 1.8 24.9 109.1 31.6 36.3 33.9 28.1 51.9 28.1 47.8 3.3 29.3 159.9 31.2 31.6 Ignition Temp in o C 305 630 415 460 365 360 240 440 435 560 595 625 470 485 Bảng 1: Một số đặc trưng của một số loại khí dễ cháy nổ Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 8 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Chương II. ĐẦU DÒ XÚC TÁC LOẠI PELLISTOR [4], [5] 1. Giới thiệu chung Đầu dò xúc tác loại pellistor đã được sử rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, trong các thiết bị phát hiện khí dễ cháy đơn điểm trong khoảng hơn 50 năm, bắt đầu từ khoảng những năm 1960. 2. Cấu tạo Đầu dò có cấu tạo tương đối đơn giản và dễ dàng để sản xuất. Cấu tạo phụ thuộc vào các nhà sản xuất khác nhau nhưng cơ bản đề gồm những thành phần cơ bản sau:  1 sợi platin hình xoắn ốc được phủ xúc tác nhạy khí, có vai trò là cảm biến.  1 sợi dây platin khác phủ vật liệu trơ không có hoạt tính xúc tác (như vàng) đóng vai trò bù lại sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường khi cảm biến hoạt động, đóng vai trò là bộ tham chiếu.  Cả 2 sợi dây được cố định bằng cách quấn quanh 1 lõi sứ kim loại, thường là nhôm oxit và được treo độc lập bằng mỗi 2 chấu bằng niken.  Chúng được đặt bên trong lớp nilon chịu nhiệt và lớp lưới bằng thép để bảo vệ đầu dò khỏi các tác động từ bên ngoài. Hình 2: Đầu dò (nhìn từ trên xuống) Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu Hình 3:Sensor nhìn từ cạnh bên 9 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Hình 4: Cảm biến khí xúc tác Kỹ Thuật Đo Lường PVU Hình 5: Hình ảnh thực tế đầu dò xúc tác  Người ta sử dụng platin là do các nguyên nhân sau:  Ở điều kiện thường các khí dễ cháy sẽ không cháy cho tới khi đạt được nhiệt độ bốc cháy (ignition temperature). Tuy nhiên, trong điều kiện hoạt động hóa học chúng có thể bắt cháy ở nhiệt độ thấp hơn. Hiện tượng này gọi là xúc tác cháy. Hầu hết các oxit kim loại và hợp chất của chúng có đặc tính xúc tác. Paladi, palatin, thori và các hợp chất của chúng là những chất xúc tác có hoạt tính cao nhất.  Platin có hệ số trở nhiệt lớn so với các kim loại khác. Hệ số trở nhiệt của Pt tuyến tính trong khoảng nhiệt độ từ 5000C – 10000C, khoảng nhiệt độ cần thiết để cảm biến có thể hoạt động.  Tính chất vật lý của Pt cho phép chế tạo thành dạng sợi xoắn và kích thước nhỏ. Dây Pt có đường kính nhỏ không chỉ nhằm mục đích làm giảm kích thước của đầu dò mà còn làm tăng tín hiệu nhờ tăng điện trở, giảm công suất tiêu thụ. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 10 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon  Kỹ Thuật Đo Lường PVU Bên cạnh đó Pt bền về mặt hóa học, là chất chống ăn mòn và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài mà không bị biến tính. Điều này giúp các cảm biến có thể sử dụng trong khoảng thời gian dài mà không cần thay thế, sửa chữa.  Cầu đo Wheatstone Bridge Cầu đo Wheatstone Bridge dùng để đo tín hiệu đầu ra của sensor được phát minh bởi Sir Charles Wheatstone bao gồm mạch cầu như hình vẽ. Mạch được nối với một nguồn điện một chiều vào 2 nút, 2 nút còn lại được nối với với mạch đo đầu ra. Hình 6: Cầu đo Wheatstone Bridge R1 là điện trở cắt có vai trò giữ cho mạch cầu cân bằng. Khi mạch cầu cân bằng thì sẽ không có tín hiệu đầu ra. Giá trị 2 điện trở RB và R1 được lựa chọn lớn đảm bảo tính chính xác của mạch cầu. 3. Nguyên tắc hoạt động Các đầu dò xúc tác hoạt động trên nguyên tắc tương đối đơn giản và hiệu quả trên cơ sở là một khí dễ cháy có thể được oxy hóa để tạo ra nhiệt. Kết quả là nhiệt độ thay đổi, từ đó có thể được chuyển đổi, thông qua một Wheatstone cầu tiêu chuẩn, trở thành một tín hiệu cảm biến. Tín hiệu đó có thể được sử dụng để kích hoạt báo động và bắt đầu quy trình phòng ngừa cháy nổ. Khi đầu dò hoạt động, một dòng điện khoảng 150mA sẽ nung nóng phần sứ xúc tác đến nhiệt độ 5000C, nhiệt độ này sẽ đốt cháy khí hydrocacbon tiếp xúc với nó làm tăng nhiệt độ và thay đổi điện trở của sensor hoạt động. khi đó Wheatstone brigde sẽ không cân bằng gây ra độ chênh lệch điện thế. Tín hiệu này được đo lại là cầu đo. Do đó, giá trị điện Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 11 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU trở của bộ tham chiếu phải là hằng số trong suốt thời gian đo để có được kết quả chính xác nhất. Đầu ra của sensor tỉ lệ với tỉ lệ oxi hóa khí hydrocacbon. Giá trị cực đại của đầu ra đạt được khi tỉ lệ thành phần hỗn hợp tuân theo phương trình phản ứng cháy. Ví dụ đối với metan: CH4 + 2O2 +8N2  CO2 + 2H2O + 8N2 Theo lý thuyết thì phản ứng xảy ra hoàn toàn khi tỉ lệ là 1 mol CH4 và 10 mol không khí, hay 9,09% methane trong hỗn hợp khí. Hình 7: Đặc tuyến điện áp tín hiệu ra phụ thuộc vào nồng độ khí methane của cảm biến xúc tác Từ đồ thị ta có thể thấy vùng nồng độ methan từ 0 – 5% (đạt giới hạn nổ thấp – LEL hay Lower expoisive limit) có tín hiệu đầu ra Vout tuyến tính. Nồng độ methan càng gần đạt tỉ lệ theo lý thuyết thì tín hiệuVout càng tăng mạnh tới khi đạt giá trị cực đại ở 10%. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 12 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Tiếp tục tăng nồng độ methane thì tín hiệu đầu ra càng giảm dần về 0, hiện tượng này là do thiếu oxy cho phản ứng cháy xảy ra. Vùng nồng độ cókhả năng gây cháy nổ của khí là từ nồng độ LEL đến UEL, đối với mỗi loại khí cháy là khác nhau, ví dụ của methane (CH4) 5-15 %, propane (C3H8) 2-9 % và hydro (H2) là 4-75 %. 4. Độ nhạy tương đối Sự biến thiên của % LEL của các khí khác nhau được gọi là độ nhạy tương đối. Độ nhạy tương đối được xác định bằng thực nghiệm, và được đi kèm với thiết bị do nhà sản xuất cung cấp. Việc tính toán độ nhạy tương đối thông qua hệ số điều chỉnh. Hệ số điều chỉnh cho phép người sử dụng có thể đo các loại khí Hydrocacbon khác nhau bằng cách nhân thêm 1 hệ số với kết quả đo được để có kết quả đo đạt cuối cùng. Người ta sử dụng methane làm khí chuẩn để điều chỉnh bởi vì:  Khí methane là một khí rất phổ biến, thường gặp trong các hỗn hợp khí.  Khí methane cần sensor hoạt động ở nhiệt độ cao nhất so với các hydrocacbon khác. Hệ số điều chỉnh tùy thuộc vào loại sensor, tuổi thọ của sensor, do đó cách tốt nhất là điều chỉnh sensor trực tiếp theo từng loại khí. Gas Reading Gas Reading Methane 100% Methanol 100% Propane 60% Ethanol 70% n-Butane 60% Iso-Propyl Alcohol 60% n-Pentane 50% Acetone 60% n-Hexane 45% Methy Ethyl Ketone 50% Bảng 2: Hệ số điều chỉnh của một số loại khí của 1 loại sensor Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 13 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU 5. Đặc điểm của đầu dò xúc tác - Khoảng nhiệt độ hoạt động lớn: -400C đến 600C - Độ ẩm trong khoảng 5-95%RH - Áp suất trong khoảng:70-130kPa - Độ chính xác của phép đo tương đối cao <±5% - Thời gian hồi đáp nhanh: từ 10 đến 15s. - Thời gian sống dài: 2-3 năm, độ mất hoạt tính 5-10%/năm, phụ thuộc vào mục đích sử dụng, môi trường làm việc, loại sensor. - Sensor cần được kiểm tra, điều chỉnh sau khoảng thời gian 3-6 tháng hoạt động.  Nhược điểm  Ngộ độc xúc tác  Xúc tác của sensor có thể bị ngộ độc dẫn đến mất dần hoạt tính, giảm độ nhạy và độ chính xác của sensor, thậm chí có thẻ mấy hoạt tính hoàn toàn chỉ với 1 lượng nhỏ các tạp chất.  Những chất có thể gây ngộ độc xúc tác thường là Si, một thành phần phụ gia thường thấy trong dầu bôi trơn của các thiết bị. Bên cạnh đó các hợp chất khác chứa lưu huỳnh, clo và các kim loại nặng trong khí thiên nhiên cũng là nguyên nhân gây ngộ độc xúc tác vĩnh viễn.  Một số tạp chất như các hợp chất chứa halogen có thể gây ức chế sensor xúc tác, làm mất hoạt tính tạm thời. Sau khoảng thời gian 24-48h, sensor có thể trở lại hoạt động bình thường.  Phá hủy sensor  Đầu dò có thể bị phá hủy, hỏng trong điều kiện nồng độ khí cháy quá cao, lượng nhiệt sinh ra quá lớn và quá trình oxi hóa diễn ra mạnh diễn ra trên bề mặt của sensor, làm giảm độ chính xác của sensor. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 14 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Chương III. CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI Cảm biến xúc tác tồn tại một số nhược điểm như đầu dò dễ bị ngộ độc, bị ăn mòn dưới tác động của môi trường, phải duy trì oxi để đảm bảo độ chính xác của cảm biến và tuổi thọ cảm biến giảm khi sự phơi nhiễm khí được lặp lại nhiều lần. Khác với các cảm biến xúc tác, cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc trực tiếp với khí cần đo. Nếu như không tính đến sự ngưng tụ khí hay sự hạn chế do sự gia tăng nhiệt độ bề mặt thì cảm biến IR có thể đo chính xác và thậm chí đạt hiệu quả cao hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Chính vì những lý do đómà cảm biến hồng ngoại ngày càng được sử dụng nhiều hơn để thay thế cho cảm biến xúc tác. Chúng làm việc tốt ở nồng độ ôxy thấp hoặc trong môi trường acetylene. Tuy nhiên, việc đầu tư cho các cảm biến hồng ngoại khá tốn kém. Cảm biến hồng ngoại hay cảm biến IR (Infrared radiation sensor/ Infrared radiation detector) hoạt động dựa trên sự phát và nhận tín hiệu hồng ngoại để phát hiện rò rỉ khí, đặc biệt là các Hydrocacbon. Hình 8: Đầu dò hồng ngoại Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 15 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon 1. Kỹ Thuật Đo Lường PVU Lịch sử phát triển [6] Các máy dò hồng ngoại được sử dụng để phát hiện, chụp hình, và đo năng lượng của bức xạ nhiệt mà tất cả các đối tượng phát ra. Sự phát triển của cặp nhiệt điện và các nhiệt kế bức xạ bắt đầu vào thế kỷ 19. Các thiết bị này bao gồm một đầu dò duy nhất dựa vào sự thay đổi nhiệt độ của máy dò. Công nghệ này đã phát triển và được sử dụng đến ngày nay. Tuy nhiên, máy dò nhiệt thường nhạy cảm với tất cả các bước sóng hồng ngoại và hoạt động ở nhiệt độ phòng. Ngoài điều kiện này, chúng có độ nhạy tương đối thấp và phản ứng chậm. Đầu dò photon được phát triển để cải thiện độ nhạy và thời gian cho ra kết quả. Chì sulfide (PbS) là đầu dò hồng ngoại đầu tiên được thực nghiệm. Chúng nhạy với bước sóng hồng ngoại lên đến ~ 3 mm. Cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, một loạt các vật liệu mới được phát triển, sử dụng làm đầu dò hồng ngoại. Selenua chì (PbSe), tellurua chì (PbTe), và indium antimonide (InSb) phát hiện đượcdải quang phổ rộng hơn so với PbS và nhạy trong khoảng bước sóng trung bình (MWIR)- 3-5 . Vào cuối thập niên 1960 và đầu những năm 1970, các đầu dò quang dẫn sử dụng các kim loại bán dẫn như Hg, Cd, Te… cho phép xác định được các bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài LWIR ở 80K.Kích thước các máy dò cũng nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn và tiêu thụ điện năng ít hơn. Những năm 1970, công nghệ Silicon (PtSi) được hình thành và phát triển, tạo ra các đầu dò đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng đo lường MWIR với độ phân giải cao. Các máy dò quang điện như InSb, PtSi, và thiết bị dò MCT hoặc các chất quang dẫn trở kháng cao như PbSe, PBS, và các máy dò silicon có trở kháng phù hợp để giao tiếp với các đầu vào FET của máy hiển thị đa bộ. Ngày nay, các đầu dò nguyên khối PtSi được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 16 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon 2. Kỹ Thuật Đo Lường PVU Cơ sở lý thuyết [3] Sự hấp thụ các bức xạ là một tính chất đặc trưng của các chất khí, thậm chí một số khí có thể hấp thụ các bước sóng trong phạm vi có thể nhìn thấy (0,4-0,8 μm). Đây là lý do tại sao clo có màu màu vàng, brom và nito dioxit có màu nâu đỏ, iốt có màu tím,... Tuy nhiên, những màu sắc chỉ có thể được nhìn thấy ở nồng độ khá cao. Hydrocarbon hấp thụ bức xạ trong khoảng bước sóng nhất định mà trong khoảng này, hơi nước, khí cacbonic, oxy, nitơ và argon không hấp thụ. chính tính chất này có thể giúp chúng ta xác định nồng độ của các hydrocacbon trong không khí. Các dải hấp thụ của khí hydrocacbon thường nằm trong khoảng từ 3,2-3,5 μm của vùng hồng ngoại có bước sóng trung bình (MWIR), và khoảng 7-14 μm của vùng hồng ngoại có bước sóng dài (LWIR). Tuy nhiên, khả năng hấp thụ của các Hydrocacbon trong khoảng bước sóng dài dao động rất lớn nên các bức xạ trong vùng này (LWIR) ít được sử dụng. Trong các cảm biến, chủ yếu sử dụng bức xạ có bước sóng 3,4 μm thuộc vùng MWIR. Hình 9: Một phân tử methane sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại sẽ chuyển động hỗn loạn CH4 + energy  CH4* (ở trạng thái kích thích) Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 17 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Hình 10: Sự hấp thụ của khí methane và butane trong vùng hồng ngoại có bước sóng trung bình và dài Không khí có chứa các Hydrocacbon (ví dụ như C1, C2, C3…) sẽ làm giảm cường độ của bức xạ hồng ngoại có bước sóng xác định khi đi qua nó. Và độ giảm cường độ bức xạ phụ thuộc vào nồng độ của các hydrocacbon trong hỗn hợp khí mà bức xạ đi qua. Đối với không khí: bức xạ hồng ngoại đi qua không bị suy giảm cường độ, nên không thu được tín hiệu đo. Đối với khí hydrocacbon: bức xạ hồng ngoại đi qua bị suy giảm cường độ, thu được tín hiệu đo tương ứng với nồng độ khí trong hỗn hợp. Vậy, ta có kết luận về mối tương quan giữa độ giảm cường độ đo được và nồng độ khí hydrocacbon: Ứng với mỗi nồng độ khí xác định sẽ luôn luôn tạo ra cùng một độ giảm cường độ bức xạ, do đó sẽ cho cùng một tín hiệu đo. Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 18 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU Tuy nhiên, một số khí hydrocacbon và khí dễ cháy nổ khác phản hồi yếu hoặc không phản hồi với các cảm biến hồng ngoại. Một số hydrocacbon thơm, acetilen, amoniac và khí cacbonic không thể được dò ra bởi kỹ thuật IR với các bức xạ 3,4 μm. Ngoài ra, việc giảm cường độ bức xạ có thể gây ra bởi các yếu tố khác (đầu dò bị bẩn hay sự suy giảm cường độ bức xạ của nguồn) gây ảnh hưởng đến kết quả đo bằng phương pháp IR. 3. Phân loại đầu dò hồng ngoại dựa trên vật liệu bán dẫn sử dụng [6] Thiết bị cảm biến là một bộ gồm nhiều bộ phận nhỏ tạo thành, trong đó bộ phận quan trọng là một khối bán dẫn nhận nhiệm vụ hấp thụ tín hiệu quang, nhiệt,... rồi biến đổi thông qua vi xử lý tạo tín hiệu điện. Trong mục này sẽ đi xem xétđến vấn đề phân loại cảm biến dựa trên các vật liệu bán dẫn sử dụng. Đầu dò hồng ngoại có thể được chia thành 2 loại: đầu dò photon và đầu dò nhiệt. Các đầu dò photon hấp thụ các bức xạ hồng ngoại dựa trên sự tương tác với các hạt điện tử trong vật liệu. Tín hiệu đầu ra thu được do sự thay đổi sự phân bố năng lượng điện tử. Các đầu dò photon hấp thụ có chọn lọc các bức xạ hồng ngoại có bước sóng thích hợp. Tín hiệu đầu ra thu được tương đối chính xác và sự phản hồi xảy ra nhanh chóng. Để đạt được điều này, các đầu dò photon cần được làm mát trong suốt quá trình hoạt động. Yêu cầu làm mát đầu dò chính là khó khăn lớn nhất đối với việc phổ biến rộng rãi của các hệ thống IR, làm cho chúng cồng kềnh, nặng nề, tốn kém và bất tiện để sử dụng. Tùy thuộc vào bản chất tương tác, các đầu dò photon được chia nhỏ thành nhiều loại như đầu dò bên trong, đầu dò bên ngoài, đầu dò quang điện ngoài và đầu dò lượng tử. Đầu dò nhiệt hấp thụ các bức xạ hồng ngoại để thay đổi nhiệt độ của vật liệu cũng như một số tính chất vật lý để đưa ra kết quả là các tín hiệu điện. Hiệu ứng nhiệt thường độc lập đối với các bước sóng hồng ngoại; tín hiệu phụ thuộc vào năng lượng bức xạ (hoặc tốc độ thay đổi) nhưng không theo thành phần quang phổ của nó. Khác với các đầu dò photon, các đầu dò nhiệt thường hoạt động ở nhiệt độ phòng. Chúng thường có độ nhạy Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 19 Kỹ thuật phát hiện khí Hydrocacbon Kỹ Thuật Đo Lường PVU thấp hơn cũng như cho kết quả chậm hơn so với đầu dò photon nhưng giá thành rẻ và dễ sử dụng. Loại đầu dò Ưu điểm Đầu dò nhiệt Đầu dò photon  Nhẹ, chắc chắn, đáng tin cậy, và chi phí thấp  Hoạt động nhiệt độ phòng  Dễ nghiên cứu  Công nghệ tiên tiến  Đo được những bước sóng dài  Hiệu suất cao  Công nghệ đơn giản Nhược điểm  Khả năng đo hạn chế ở tần số cao  Phản ứng chậm  Yêu cầu vật liệu cao  Hoạt động ở nhiệt độ thấp  Thiết kế phức tạp  Chi phí cao Bảng 3: Ưu nhược điểm của đầu dò nhiệt và đầu dò photon 4. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đầu dò hồng ngoại Phương pháp IR đo nồng độ khí dựa trên khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hydrocacbon ứng với bước sóng xác định trên một thể tích khí. Dựa trên vùng không gian làm việc, cảm biến hồng ngoại được phân ra làm 2 loại là cảm biến điểm và cảm biến đường truyền rộng. Đối với cảm biến điểm, độ dài của đường truyền bức xạ rất nhỏ, khoảng vài inch và được cố định trong thiết bị cảm biến. Đối với cảm biến đường truyền rộng, độ dài của đường truyền bức xạ rất lớn so với cảm biến điểm, có thể lên đến 130m. Cảm biến dựa trên công nghệ IR sử dụng 2 bước sóng:  Chùm tia bức xạ đo lường (active beam) có bước sóng khoảng 3.4 μm, bị hấp thụ bởi hydrocacbon.  Chùm tia bức xạ tham chiếu (reference beam) có bước sóng khoảng 4,0 μm, không bị hấp thụ bởi hydrocacbon cũng như các thành phần của không khí như hơi nước, khí nito, oxi và cacbon dioxit. Việc sử dụng bức xạ tham chiếu là một trong những tiến bộ của cảm biến hồng ngoại so với cảm biến xúc tác. Nhờ có bức xạ tham chiếu mà hệ thống có thể tự động đánh Nhóm 2 – Lọc Hóa Dầu 20