Viện Nghiên cứu điện tử, tin học và tự động hóa (Bộ Công Thương) đã nghiên cứu, chế tạo thành công một số cảm biến trong hệ thống quan trắc khí thải công nghiệp dựa trên nguyên lý quang học. Cảm biến đã được thử nghiệm tại Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao cho ra kết quả khả quan. 

Đảm bảo an toàn môi trường trong sản xuất và kinh doanh là vấn đề được xã hội và các cấp quản lý quan tâm. Lắp đặt các hệ thống quan trắc khí thải tự động trong các cơ sở sản xuất công nghiệp là bước đầu tiên trong quá trình giám sát các khí thải, phát thải liên quan đến sản xuất. 

Hiện nay nhu cầu về các hệ thống quan trắc khí thải tự động trong các cơ sở sản xuất công nghiệp là rất lớn. Tuy nhiên, chưa có đơn vị, tổ chức nào nghiên cứu và sản xuất được các sản phẩm phục vụ nhu cầu trên. Các hệ thống quan trắc hiện nay đều được nhập khẩu từ các hãng trên thế giới với giá thành đắt đỏ, lên tới hàng trăm triệu với mỗi bộ đo nồng độ khí, và hàng tỷ đồng với hệ thống quan trắc hoàn chỉnh. Do đó, việc đặt ra các mục tiêu nghiên cứu thiết kế, tiếp cận công nghệ chế tạo các đầu đo nồng độ khí, nghiên cứu chế tạo bộ thu thập dữ liệu tập trung, phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính nhằm tạo ra hệ thống quan trắc khí thải tự động là rất cần thiết.

Từ thực tiễn trên, nhóm nghiên cứu Viện Nghiên cứu điện tử, tin học và tự động hoá đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo một số cảm biến trong hệ thống quan trắc khí thải công nghiệp dựa trên nguyên lý quang học”. 

ThS. Trần Văn Hùng, Chủ nhiệm đề tài cho biết “Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu, thiết kế, tiếp cận công nghệ chế tạo các thiết bị đo nồng độ các loại khí thải có nhiều trong các nhà máy phân bón và hóa chất là SO2 và HF. Đây cũng là yêu cầu cụ thể của đơn vị phối hợp thực hiện là Công ty cổ phần Supe Phốt phát và Hoá chất Lâm Thao. Trên cơ sở đó, mở rộng hơn là làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc khí thải công nghiệp với các thiết bị đo nồng độ chất khí thải khác bắt buộc phải có.”

Dựa trên yêu cầu cụ thể của Nhà máy Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao, đề tài đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị quan trắc cho hai loại khí phổ thông nhất là HF và SO2. 

Qua nghiên cứu các vấn đề liên quan đến thu phát hồng ngoại, tử ngoại, các vấn đề kỹ thuật quang học, bám sát mục tiêu cụ thể do đơn vị phối hợp đặt ra, nhóm đề tài đã lựa chọn được phương pháp đo cho từng loại khí. 

Cụ thể, phương pháp đo khí dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng là những công nghệ mới, có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp truyền thống điện hoá, đặc biệt với bài toán quan trắc khí thải liên tục. Do đó, nhóm lựa chọn phương pháp hấp thụ ánh sáng để đo nồng độ khí hai loại khí HF và SO2.

Bước sóng hấp thụ mạnh và thông dụng với khí HF là 1273nm và 2475nm. Với khí SO2 là 2460nm và 4020nm. Căn cứ vào những nghiên cứu về thị trường cung ứng vật tư linh kiện, nhóm thực hiện lựa chọn phương pháp TDLAS để đo nồng độ khí HF tại bước sóng 1273nm. 

Đối với khí SO2, các laser Diode tại bước sóng 2460nm và 4020nm có giá thành đắt đỏ, tương đương vài chục ngàn USD/cặp thu phát laser, trong khi đó SO2 cũng hấp thụ mạnh ánh sáng trong dải tử ngoại. Do đó nhóm lựa chọn phương pháp DOAS để đo nồng độ khí SO2. 

Để chế tạo thiết bị đo, nhóm đề tài đã lựa chọn phương pháp TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption spectroscopy) để chế tạo thiết bị đo nồng độ HF và phương pháp DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) để chế tạo thiết bị đo nồng độ khí SO2. 

Dựa trên yêu cầu cụ thể của doanh nghiệp, năng lực kỹ thuật và mục tiêu đề tài đặt ra, nhóm nghiên cứu sẽ tự thiết kế chế tạo hoặc đặt mua các chi tiết kỹ thuật cần thiết để hoàn thiện các bộ thiết bị đo. Các phần linh kiện cứng cần thiết như khoang chứa mẫu khí đo, module cụm đo, khối truyền thông, giao diện HMI, khung vỏ thiết bị… được nghiên cứu, chế tạo hoặc lựa chọn đặt mua thiết bị và lắp ráp theo sơ đồ đã được xây dựng.

Thiết bị đo HF (trái), thiết bị đo SO2 (giữa) và thiết bị datalogger (phải)

Các phần mềm nhúng cho các thiết bị đo cũng là một yếu tố quan trọng quyết định độ chính xác của thiết bị. Để thực hiện các chức năng cơ bản của hai hệ thống đo là cảnh báo, truyền thông, tương tác với người điều khiển, các phần mềm nhúng được thiết kế bao gồm: phần mềm nhúng cho các thiết bị đo khí; phần mềm nhúng cho bộ thu thập dữ liệu; phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính.

Sau hai năm thực hiện, nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công thiết bị đo HF (phạm vi đo từ 5 - 50ppm) và thiết bị đo SO2 (phạm vi đo từ 50 - 200ppm). Các thiết bị sử dụng nguồn điện 220V, sai số trong phạm vi giám sát là +5% với thời gian đáp ứng đo dưới 30 giây.

Giao diện giám sát chính của phần mềm

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một bộ thu thập dữ liệu tập trung datalogger, bộ nhớ trong Flash 128MB có khả năng lưu trữ lên tới một năm và thẻ nhớ ngoài SDCard 32GB. Bộ thu thập datalogger được trang bị màn hình cảm ứng đa điểm 7 inch LCD TFT 65K màu, độ phân giải 800x480 cùng 10 cổng Analog Input, 8 cổng Digital Input, 8 cổng Digital Output, 2 cổng RS232, 1 cổng USB, 2 cổng RS 485 và 1 cổng internet.

Khi đã xong giai đoạn thiết kế, chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh cho phần cứng và tích hợp phần mềm, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm các bộ đo. Thiết bị đo SO2 được lắp đặt tại xí nghiệp sản xuất Axit1. Nhóm đề tài lắp đặt chạy song song với thiết bị đo SO2 sẵn có của hệ quan trắc và thực hiện thử nghiệm đối sánh.

Đấu nối thiết bị đo của đề tài vào hệ thống sẵn có 

Qua thử nghiệm, đối sánh với số liệu lưu trữ của xí nghiệp cho thấy các thiết bị hoạt động ổn định trong thời gian dài, Kết quả đo SO2 từ thiết bị của đề tài so với thiết bị đo của xí nghiệp nằm trong khoảng sai số cho phép, đa phần nhỏ hơn 3.5% - 5%. 

Từ đây, nhóm đề tài kết luận đã hoàn thành đầy đủ các nội dung đăng ký. Hai sản phẩm của đề tài là bộ thu thập dữ liệu tập trung datalogger và phần mềm quan trắc tập trung trên máy tính sẽ được cung cấp cho Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao. Với thiết bị đo khí, do các yêu cầu phải có CO, CQ nên sản phẩm thiết bị đo HF và SO2 chưa được sử dụng. 

ThS. Trần Văn Hùng cho biết “với kết quả nghiên cứu khả quan của đề tài, nhóm đề xuất được tiếp tục hỗ trợ hoàn thiện các sản phẩm, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại khí khác để hoàn thiện hệ thống giám sát khí thải công nghiệp, đáp ứng tốt hơn nhu cầu thực tế của các đơn vị sản xuất công nghiệp.”

Giang Nguyễn