Luận văn Thiết kế hệ thống xử lý mùi tự động cho trang trại thông minh
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
NGUYỄN HUY HOAN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ MÙI TỰ ĐỘNG
CHO TRANG TRẠI THÔNG MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TSKH. TRẦN HOÀI LINH
HẢI DƯƠNG – NĂM 2018
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình của riêng tác giả,
do tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Trần Hoài Linh. Kết quả đạt
được là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này tác giả chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Chí Linh, ngày 25 tháng 7 năm 2018
Tác giả luận văn
Nguyễn Huy Hoan
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU............................................................................................................................1
1. Lý do lựa chọn đề tài....................................................................................................1
2. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2]............................................10
2.1.4. Cảm biến hồng ngoại (Infrared sensors) [2]....................................................15
2.2.1. Cảm biến CTX 300...........................................................................................16
2.2.2. Cảm biến MQ-6................................................................................................17
2.2.4. Cảm biến MQ135............................................................................................21
3.1. Mô phỏng hệ thống đo nồng độ khí NH3 trên Matlab.................................................26
3.1.1. Mô phỏng khối cảm biến đo khí NH3...............................................................26
3.1.2. Mô phỏng bộ biến đổi tương tự - số.................................................................27
3.1.3. Bộ hiển thị số....................................................................................................30
3.1.4. Kết quả mô phỏng............................................................................................30
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
3.2.3. Mạch nguồn:....................................................................................................43
3.3. Lập trình điều khiển hệ thống............................................................................47
khí NH3 vượt ngưỡng................................................................................................47
3.3.3. Chương trình điều khiển...................................................................................50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................62
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
chăn nuôi............................................................................................................................8
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2. 2. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)...............................................14
Hình 3. 1. Sơ đồ khối hệ thống đo nồng độ khí NH3.........................................................26
Hình 3. 2. Sơ đồ mô phỏng khối cảm biến đo khí NH3...................................................27
Hình 3. 10. Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA8..........................................................41
Hình 3. 16. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo nồng độ NH3..................................................47
Hình 3. 17. Lưu đồ thuật toán đo nồng độ khí NH3...........................................................48
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 3. 21. Sơ đồ mạch in...............................................................................................56
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay chăn nuôi truyền thống đang phải đối mặt với một vấn đề rất nan giải đó là
sự gây ra ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước và không khí. Sự ô nhiễm đã tạo ra mùi
hôi và và khí độc ảnh hưởng đến sức khỏe của gia cầm và đặc biệt là con người. Do xử lý
chất thải không tốt, bởi không có dụng cụ đo kiểm soát môi trường khí thường xuyên, nên
khí NH3 và H2S, độc phát tán, gây bệnh đường hô hấp cho vật nuôi đặc biệt là gây nguy
hiểm cho con người. Do vậy, việc khử mùi cho các trang trại chăn nuôi là rất cần thiết.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Theo QCVN 01 - 99: 2012/BNNPTNT [3] quy định chỉ tiêu thông số kỹ thuật và
nồng độ các khí cho môi trường không khí chuồng nuôi như bảng 1.
Dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật quy định trong bảng 1, ta thấy có 2 thông số khí quan
trọng đó là khí NH3 và H2S cần kiểm soát.
Khi thiết bị đo đo được các thông số khí H2S và NH3, nếu thông số này vượt ngưỡng
cho phép thì các trang trại chăn nuôi phải có các biện pháp xử lý: Bao gồm các biện pháp
cơ học, lý, hóa học được sử dụng để khử mùi, loại bỏ các tác nhân gây hại cho người và
gia cầm khi các chỉ tiêu này quá nồng độ cho phép. Vì vậy việc thiết kế hệ thống xử lý
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
1
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
mùi tự động tại các trang trại là rất cần thiết, đáp ứng được xu thế phát triển và bảo vệ
môi trường theo nhu cầu giám sát của các cấp quản lý.
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu thiết bị xử lý mùi cho trang trại chăn nuôi.
- Thiết kế và chế tạo một thiết bị đo khí NH3 đáp ứng các yêu cầu sau:
+ Dải đo: 10 – 100ppm.
+ Thiết bị có kích thước nhỏ gọn (có thể cầm tay), hiển thị trực tiếp nồng độ các khí lên
LCD, cảnh báo trên đèn LED và còi báo động…).
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu cảm biến khí nói chung và cảm biến khí NH3 nói riêng;
- Xây dựng mạch đo ứng dụng vi điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học
- Tổng hợp về phương pháp đo nồng độ khí NH3;
- Mô phỏng thiết bị đo khí NH3.
b. Ý nghĩa thực tiễn
- Chế tạo được thiết bị đo nồng độ khí NH3 dùng cảm biến MQ135 thiết bị chạy ổn định,
có khả năng hiển thị kết quả trên LCD của thiết bị và trên máy tính.
- Thiết bị có thể được ứng dụng để đo nồng độ khí NH3 trong các trang trại nuôi gà công
nghiệp, để từ đó các chủ trang trại có những biện pháp xử lý khi nồng độ khí này vượt quá
ngưỡng cho phép để đảm bảo an toàn về môi trường và sức khỏe cho con người.
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
2
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG TRONG TRANG TRẠI CHĂN NUÔI
Việt Nam là một nước nông nghiệp có hơn 11 triệu ha đất sản xuất nông
nghiệp, vì vậy nhu cầu phân bón và phân bón hữu cơ rất cao. Những năm gần đây,
ngành chăn nuôi nói chung, chăn nuôi lợn, gà nói riêng đã có những tiến bộ đáng kể
về chất lượng con giống, kỹ thuật chăn nuôi, cơ sở chuồng trại, quản lý dịch bệnh,
v.v... Hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán, mang tính tận dụng, tự cung tự cấp tuy vẫn
còn chiếm một tỷ lệ lớn, chủ yếu ở các vùng sâu, vùng xa, nhưng đang dần bị thay thế
bởi mô hình chăn nuôi công nghiệp tập trung. Các cơ sở chăn nuôi lợn, gà có quy mô
tập trung này chủ yếu được xây dựng gần các khu dân cư hoặc các khu công nghiệp có
đông đảo người lao động nhằm tạo vành đai cung cấp thực phẩm với số lượng lớn, đáp
ứng thị hiếu sử dụng thực phẩm tươi sống (thực phẩm không qua đông lạnh) của người
tiêu dùng, lượng phế phụ phẩm chăn nuôi lợn, gà còn lại được sử dụng để bón cho cây
trồng.
1.1.Vấn đề môi trường trong quản lý chất thải chăn nuôi [5]
Theo thống kê của Bộ NN&PTNT về chăn nuôi, số nhóm chăn nuôi chính ở
nước ta hiện nay như sau:
Trong những thập kỷ gần đây, người ta đã chú trọng nhiều đến việc phát triển hệ
Bảng 1. 1. Số lượng của một số nhóm chăn nuôi chính
Năm
Loại vật
nuôi
TTBQ/năm
(%)
STT
2011 2012 2013 2014 2015 2016
Trâu
(triệu con)
Bò
(triệu con)
Lợn
(triệu con)
Gia cầm
(triệu con)
1
2
3
4
2,71
2,63 2,56 2,52 2,52 2,51
-1,45
0,24
1,45
2,32
5,43
5,19 5,15 5,23 5,36 5,50
27,06 26,49 26,26 26,76 27,56 29,08
322,5 308,5 317,1 327,7 341,4 361,7
thống chăn nuôi bền vững. Để tăng lợi nhuận nông dân đã và đang chuyển sang sản xuất
trang trại chuyên môn hóa cao. Phương thức tổ chức sản xuất chăn nuôi hàng hoá quy mô
trang trại những năm gần đây ngày càng nhân rộng và phát triển. tính đến hết năm 2015,
cả nước có 15068 trang trại chăn nuôi gia súc, gia cầm và đã xuất hiện mô hình trang trại
tư nhân với quy mô lớn, ứng dụng khoa học kỹ thuật tốt và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Với sự gia tăng không ngừng về chăn nuôi, mỗi năm khối lượng nguồn thải từ
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
3
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
chăn nuôi ra môi trường là một con số khổng lồ - khoảng 84,5 triệu tấn chất thải rắn và
50 triệu mét khối chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước từ sân chơi, bãi vận
động, bãi chăn) trong đó chỉ có khoảng 60% được xử lý, khoảng 20% được sử dụng
hiệu quả (làm khí sinh học, ủ phân, nuôi côn trùng, cho cá ăn,…), còn lại 40% lượng
chất thải chăn nuôi vẫn được thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm.
Trong công trình nghiên cứu của mình, Porphyre và Nguyễn Quế Côi đã nhìn nhận
phế thải chăn nuôi là sản phẩm của quá trình chăn nuôi (Porphyre & CS, 2006). Trên thực
tế, người nông dân không những biết cách sử dụng nguồn phế thải chăn nuôi làm phân
bón cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà còn sử dụng nó như một nguồn thức ăn trong
nuôi trồng thuỷ sản. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà người nông dân sử dụng phế thải
chăn nuôi ở dạng này hay dạng khác, như:
- Ủ compost.
- Bón tươi trực tiếp cho cây trồng.
- Hầm biogas.
- Xả trực tiếp ra sông, suối.
- Làm thức ăn cho cá.
- Bán phân tươi.
Phân tách
30,95%
Bảng 1. 2. Chất thải rắn từ chăn nuôi ở Việt Nam 2011-2016
Chất
Phân
con/n
(kg)
Vật
nuôi
chất thải hàng năm (triệu tấn/năm)
thải
Không phân tách
69,05%
75%
2015
Trong
trang trại
2011
2012
2013
22,98
2014
19,54
23,92
19,11
13,75
38,1%
2,5
0,2
24,69
23,55
25,32
25%
Ngoài
trang trại
Lợn
Bón cây
22,52
24,96
Gia cầm
Bò
100%
10 28,5179%,84
Thu gom bán
19,59
Đun nấu
Tr
15
1,5
4
14,85
14,39
14,01
13,82
13,79
XỬ
47,62%
20%
0,66
0,12
03
D
Biogas
Khí gas
Phát điện
LÝ
0,13
0,12
0,10
0,06
0,09
0,08
0,05
N
9,52%
Hươu,
nai
2,5
0,05
Compose
Nước thải
83,77
80,95
80,69
77,386
84,88
88,10
Tổng cộng
52,18%
30%
Đưa xuống
ao cá
70%
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
4
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
60%
28,57%
Thải ra môi trường
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1. 1. Sơ đồ hệ thống quản lý chất thải chăn nuôi
Ủ compost: Để có thể ủ được phân compost thì cần phải phân tách được chất
thải rắn và chất thải lỏng do đó chỉ có nơi nào tiến hành phân tách chất thải mới áp
dụng biện pháp này. Tuy nhiên, tỷ lệ phân tách chất thải khá thấp nên việc ủ phân
compose không được sử dụng nhiều. Nguyên nhân là do phân lợn thường rất khó thu
gom vì bị nát, dễ hòa tan cùng với nước tiểu và nước rửa chuồng. Do đó, khối lượng
phân thu gom được để đem đi ủ là khá ít. Về thời gian ủ theo các chủ trang trại là từ 8-
25 ngày (trung bình 14,5 ngày) cũng do thời gian của một mẻ ủ khá dài nên biện pháp
này cũng ít được sử dụng và tỷ lệ xử lý so với tổng nguồn thải cũng rất ít. Biện pháp
này có ưu điểm phân sau ủ không còn mùi hôi thối, lại có thể sử dụng tốt để bón cho
cây, đất hoặc dễ bán hơn là phân tươi. (Cao Trường Sơn và CS, 2014).
Bán phân tươi: Đây là biện pháp thu gom chất thải rắn trong những lần dọn
chuồng, lượng phân rắn thu được sẽ bán cho những hộ trồng trọt có nhu cầu sử dụng
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
5
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
phân. Biện pháp này cũng được áp dụng khá phổ biến ở các trang trại lợn (Cao Trường
Sơn và CS, 2014)
Bón cho cây: Đây là biện pháp mà các trang trại sử dụng trực tiếp phân và nước
thải của các chuồng nuôi lợn để tưới hoặc bón cho cây trồng. Đây cũng là một trong
những biện pháp được áp dụng khá phổ biến. Thông thường biện pháp này được áp
dụng khi khu chăn nuôi có kết hợp với trồng trọt. Đánh giá về biện pháp này, hầu hết
các chủ trang trại đều cho là tốt do họ giảm được chi phí mua phân bón cho cây trồng,
cây trồng nhờ đó cũng phát triển tốt và đất đai trong trang trại của họ cũng được cải
thiện. Tuy nhiên, trên thực tế đây là biện pháp bón phân không hợp vệ sinh bởi trong
chất thải chuồng lợn có chứa nhiều mầm bệnh nên khi bón trực tiếp vào đất và cây
trồng sẽ đem theo cả các mầm bệnh này từ đó tiềm ẩn khả năng gây bệnh cho con
người cũng như khả năng ngộ độc thực phẩm cao.
Hầm biogas: Đây là công nghệ đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam.
Nguyên liệu khi qua công nghệ biogas thì một phần sẽ chuyển hóa thành khí biogas,
còn một phần là bã đặc và nước thải lỏng. Bã thải này có thể được sử dụng với nhiều
mục đích khác nhau: như dùng để làm phân bón (giúp tăng năng suất cây trồng, hạn
chế sâu bệnh, nâng cao độ phì cho đất); các mục đích khác (xử lí hạt giống trước khi
gieo trồng, nuôi thủy sản, trồng nấm…), công nghệ biogas cũng đem lại nhiều lợi ích
trong việc đun nấu, thắp sáng, chạy động cơ đốt trong (thay thế xăng, dầu dieden), úm
gà con, nuôi tằm, sưởi nhà kín, giảm bớt mùi hôi thối chuồng trại. Tuy nhiên, nhược
điểm lớn nhất của công nghệ này là chất lượng đầu ra của việc xử lí chất thải không
đạt QCVN 24: 2009/BTNMT, chi phí đầu tư ban đầu lớn, khả năng tạo khí chưa cao,
khó khăn trong việc lấy chất thải sau khi xử lí và mất nhiều thời gian xử lí.
Sử dụng làm thức ăn cho cá: Đây là hình thức xử lý chất thải bằng cách đưa
chất thải từ các chuồng trại xuống ao nhằm cung cấp thức ăn cho cá. Biện pháp này rất
hiệu quả do vừa tiết kiệm được chi phí mua thức ăn cho cá, vừa giải quyết được vấn đề
môi trường, hơn nữa biện pháp này lại rất đơn giản và không tốn nhiều công sức. Tuy
nhiên, nếu thả quá nhiều chất thải xuống ao cá có thể gây ô nhiễm nước ao và làm ảnh
hưởng đến sự sinh trưởng của cá; hơn nữa việc sử dụng phân thải làm thức ăn còn phải
căn cứ vào loại cá thả trong ao.
Thải bỏ ra ngoài môi trường: Đây thực chất là hình thức các trang trại không
tiến hành xử lý chất thải mà đem xả thải trực tiếp vào môi trường. Điểm xả thải
thường là các ao, mương, kênh, rãnh nước tự nhiên xung quanh các trang trại. Việc xả
thải này chắc chắn sẽ tác động rất xấu đến môi trường do nguồn thải phát sinh lớn, liên
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
6
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
tục trong khi các nguồn tiếp nhận thường hạn chế và nhỏ hẹp.
Mỗi hình thức đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên, hiện nay các trang trại
thường chỉ sử dụng 1 đến 2 biện pháp xử lý chất thải đơn lẻ nên không giải quyết triết để
được nguồn thải phát sinh. Do đó sử dụng cùng lúc nhiều biện pháp xử lý sẽ giúp các
trang trại không những xử lý triệt để được nguồn thải mà còn giúp họ tăng cường sử dụng
chất thải, tiết kiệm được chi phí và tạo ra thu nhập tăng thêm. Bên cạnh đó, việc quản lý
môi trường chăn nuôi còn thiếu sự quan tâm thỏa đáng của các cấp chính quyền, thói quen
lao động chưa gắn chặt với việc bảo vệ môi trường; Phương thức và tập quán chăn nuôi
vẫn còn nhỏ lẻ, phân tán xả thải tự nhiên ra môi trường và nguy cơ gây ô nhiễm môi
trường trực tiếp, phạm vi, quy mô rộng lớn.
1.2. Vấn đề môi trường trong xử lý chất thải [5]
Khi chăn nuôi theo hướng trang trại hoặc các làng nghề chăn nuôi mang tính hàng
hóa được hình thành và phát triển thì vấn đề vệ sinh môi trường đã nảy sinh và thu hút sự
quan tâm đặc biệt của các nhà quản lý môi trường (Lê Văn Tản, 2008; Nguyễn Thiện &
CS, 2004; Gerber & CS, 2005, Menzi H & CS, 2005). Sự ô nhiễm môi do các chất thải
chăn nuôi đã làm ảnh hưởng trực tiếp tới hệ sinh thái, chuỗi thức ăn và sức khỏe con
người. Trong quá trình chăn nuôi gia súc và gia cầm, quá trình lưu trữ và sử dụng chất
thải tạo nên nhiều chất độc như là SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, NO3, NO2, indole, schatole,
mecaptan, phenole... và các vi sinh vật có hại như Enterobacteriacea, E.coli, Salmonella,
Shigella, Proteus, Klebsiella...hay các ký sinh trùng có khả năng lây bệnh cho người. Các
yếu tố này có thể làm ô nhiễm khí quyển, nguồn nước, thông qua các quá trình lan truyền
độc tố và nguồn gây bệnh hay quá trình sử dụng các sản phẩm chăn nuôi (Bùi Hữu Đoàn
& CS, 2011)
Để giảm phát thải khí nhà kính trong chăn nuôi, trong những năm gần đây, Chính
phủ Việt Nam đã ban hành nhiều văn bản, chính sách giảm phát thải khí nhà kính trong
lĩnh vực chăn nuôi, cụ thể như: Quyết định số 47/2007/QĐ-TTg ngày 6/4/2007 của Thủ
tướng Chính phủ giao Bộ TN&MT và các Bộ, ngành, địa phương có liên quan thực hiện
Nghị định thư Kyoto và cơ chế phát triển sạch (CDM); Quyết định số 130/2007/QĐ- TTg
ngày 2/8/2007 về một số cơ chế, chính sách đối với dự án đầu tư theo CDM; Quyết định
số 24/2014/QĐ-TTg ngày 24/3/2014 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển
các dự án điện sinh khối ở Việt Nam.
Bảng 1. 3. Hiện trạng xử lý chất thải tại các trang trại chăn nuôi.
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
7
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Trang trại
STT
Hình thức
Tỷ lệ%
1
Số trang trại thực hiện báo cáo
14,3
2.113
7.682
1.131
346
đánh giá tác động môi trường
Số trang trại có kế hoạch bảo vệ
2
3
4
5
6
51,2
7,8
môi trường
Số trang trại được chứng nhận
an toàn dịch bệnh
Số trang trại được chứng nhận
2,2
an toàn sinh học
Số trang trại được chứng nhận
21,3
3,2
3.310
486
VietGAP và các hình thức khác
Số trang trại chưa áp dụng các
biện pháp xử lý chất thải
Tổng
100
15.068
Nguồn: Báo cáo Cục chăn nuôi năm 2017.
Bảng 1. 4. Hiện trạng xử lý chất thải và hình thức áp dụng xử lý chất thải tại các nông hộ
chăn nuôi.
STT
Chỉ tiêu
Tỷ lệ (%)
Số lượng
(Triệu hộ)
1
2
3
4
Số hộ áp dụng các biện pháp xử lý chất thải
Số hộ chưa áp dụng các biện pháp xử lý chất thải
Số hộ chăn nuôi có chuồng trại
Không chuồng trại
53
47
85
15
2,2
1,9
3,5
0,6
8,2
Tổng
Nguồn: Báo cáo Cục Chăn Nuôi năm 2017.
Theo các nhà khoa học, xử lý chất thải chăn nuôi bằng công trình KSH (biogas)
được đánh giá là giải pháp hữu ích nhằm giảm khí thải CH4 và sản xuất năng lượng sạch.
Với trên 500.000 công trình KSH hiện có trên cả nước (336.000 công trình KSH thay thế
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
8
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
than đun nấu vùng đồng bằng và 224.000 công trình KSH thay thế củi đun nấu vùng miền
núi), sản xuất ra khoảng 450 triệu m3 khí gas/năm. Theo thông báo quốc gia lần 2 về
phương án giảm nhẹ khí nhà kính của Việt Nam, tiềm năng giảm nhẹ phát thải khí nhà
kính của phương án này khoảng 22,6 triệu tấn CO2, chi phí giảm đối với vùng đồng bằng
là 4,1 USD/tấn CO2, đối với miền núi 9,7 USD/tấn CO2, mang lại giá trị kinh tế khoảng
1.200 tỷ đồng về chất đốt. Do đó, khả năng giảm thiểu khí phát thải của công trình KSH
sẽ tăng lên trong tương lai và tầm quan trọng của việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo
này, không chỉ nhằm giảm nhiệt độ ngày càng nóng lên của khí hậu toàn cầu, mà còn giúp
Việt Nam đi theo hướng phát triển nền kinh tế có hàm lượng các bon thấp và phát triển
bền vững. Mặc dù vậy, phát triển KSH tại Việt Nam còn gặp một số khó khăn vì mức đầu
tư cao so với khả năng tài chính của người nông dân, hỗ trợ của nhà nước thấp và phụ
thuộc nhiều vào quy mô và tính ổn định của ngành chăn nuôi.
Kết luận chương1:
Viêt Nam là một nước nông nghiêp có nguồn tài nguyên giàu có và phong phú.
̣
̣
Tuy nhiên, sự trù phú này đang cạn kiêt dần do một nền nông nghiêp nghèo nàn, lạc hậu
̣
̣
và manh mún. Điều này đã dẫn tới năng suất của nền nông nghiêp rất thấp. Thêm vào đó,
̣
nông dân thiếu kiến thức khoa học trong viêc trồng trọt và chăn nuôi mà chủ yếu áp dụng
̣
các kinh nghiêm dân gian, cũng như các kế hoạch sản xuất chất lượng cao.
̣
Hơn thế nữa, Viêt Nam là nước có khí hậu nhiêt đới ẩm gió mùa, do đó, có sự
̣
̣
chênh lênh về thời tiết lớn giữa các mùa trong năm, thậm chí là trong một ngày. Ví dụ,
̣
thời điểm mùa hè, nhiêt độ có thể lên tới trên 400 C, trong khi đó, nhiêt độ có thể xuống
̣
̣
tới 50 C vào mùa đông. Vì vậy, các trang trại nuôi gia súc, gia cầm cần phải có biên pháp
̣
chống nóng và chống lạnh cho vật nuôi. Một số biên pháp điển hình đó là sử dụng giàn
̣
phun sương làm mát, đèn sưởi. Ngoài ra, chất thải trong chăn nuôi cũng là một yếu tố góp
phần gây ô nhiễm môi trường và bênh tật cho gia súc, gia cầm [6]. Trong đó, khí NH
̣
3
chiếm tới 65% thành phần khí thải trong chuồng nuôi [7]. Do đó, chuồng trại luôn phải
đảm bảo thông thoáng bằng cách sử dụng hê thống lọc không khí.
̣
Trong sự phát triển của các giải pháp ứng dụng công nghê thông tin mới, quá trình
̣
tự động hóa một phần nền nông nghiêp là một hướng đi đúng đắn với xu hướng toàn cầu
̣
hóa.
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
9
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN KHÍ
Luận văn Thạc sĩ
Các”thiết bị đo khí sử dụng phân tích phổ có độ chính xác rất cao nhưng lại cồng
kềnh, phức tạp, thường chỉ phù hợp cho việc sử dụng trong phòng thí nghiệm. Để có được
các thiết bị gọn nhẹ, đơn giản cho các ứng dụng ngoài hiện trường hoặc xách tay và dựa
vào 3 tiêu chí cơ bản là: đơn giản, ổn định, chi phí bảo trì thấp thì các phương pháp đo
thông dụng nhất được trình bày sau đây thường được ứng dụng rộng rãi trong”thực tế.
2.1. Phương pháp đo nồng độ khí
2.1.1. Cảm biến đốt xúc tác (Catalytic bead sensor) [2]
a. Nguyên lý chung
Cảm biến”dạng đốt xúc tác được sử dụng để đo nồng độ của thành phần khí có khả
năng cháy. Phần tử chính của cảm biến gồm một cuộn dây được bọc bởi lớp vật liệu thủy
tinh hoặc gốm, và tiếp theo nó lại tiếp tục được phủ một lớp chất xúc tác. Cuộn dây được
đốt nóng bằng dòng điện dẫn qua làm cháy khí cần đo (ví dụ như hydrocarbon CHC -
Conbustible HydroCarbon) xung quanh nó. Khí cần đo khí cháy sẽ sinh ra nhiệt lượng tỉ
lệ với nồng độ của khí, nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ của cuộn dây và điện trở của nó
cũng tăng lên tỷ lệ. Sự thay đổi điện trở này được đo bởi mạch điện, nó chính là nguồn tín
hiệu đo nồng độ khí mong muốn. Đây là phương pháp đo khá thông dụng nhất để phát
hiện các khí dễ cháy như CHC.
Ưu điểm của cảm biến loại này là nhỏ gọn, tín hiệu được tạo ra trực tiếp từ việc khí
bị đốt và đây cũng chính là thuộc tính của khí mà cảm biến đo được (khí cháy). Cảm biến
loại này có giá thành thấp, ổn định và dễ hiệu chỉnh, bảo trì.
Nhược điểm là sự suy giảm độ nhạy của cảm biến sau nhiều lần sử dụng nên cần
phải thường xuyên hiệu chỉnh lại. Khi xảy ra các phản ứng cháy, môi trường đo dễ bị
nhiễm độc. Ví dụ như: Nếu trong hỗn hợp đốt có silicone (dù là lượng rất nhỏ) hay
halocarbon. Nếu không có biện pháp ngăn chặn hữu hiệu sẽ gây nguy hiểm cho người sử
dụng. Một số cảm biến có thể bị hỏng hoàn toàn khi hoạt động liên tục ở môi trường có
nồng độ khí cháy”cao.
b. Cấu trúc của cảm biến
Cảm biến đốt xúc tác”được cấu tạo từ hai phần tử riêng biệt, một phần tử (gọi là
phần tử đo) được tạo ra từ cuộn dây nhỏ được bọc kín bằng vật liệu gốm hoặc thủy tinh,
sau đó được phủ một lớp chất xúc tác. Lớp gốm có tác dụng giảm thiểu sự bay hơi của
cuộn dây và tăng cường độ bền vật lý. Phần tử thứ hai (phần tử tham chiếu) cũng có cấu
tạo giống phần tử thứ nhất, ngoại trừ là thay vì phủ một lớp chất xúc tác thì nó được phủ
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
10
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
bởi một lớp tráng mạ, nó được dùng để bù sai số do ảnh hưởng nhiệt độ môi trường, độ
ẩm, thay đổi áp suất và sự lão hóa của phần tử đo.
Cách vật liệu gốm và chất xúc tác đưa vào phần tử đo và cách mạ phần tử tham
chiếu là hai bước rất quan trọng để có được cảm biến có độ nhạy cao, ổn định và tuổi thọ
kéo dài. Để đo được loại khí dễ cháy thì tính trơ của phần tử tham chiếu là rất quan trọng,
nếu cả hai phần tử đều đốt cháy khí thì sẽ không tạo ra được tín hiệu. Phương pháp thông
dụng hay được dùng là phủ lên phần tử tham chiếu một lớp thủy tinh”cách nhiệt.
c. Cấu tạo vỏ cảm biến
Vỏ”của cảm biến loại này đóng vai trò quan trọng với độ ổn định và độ nhạy của
cảm biến. Vỏ của cảm biến đốt xúc tác thường được làm bằng nhôm ô-xít, thép, thép
không gỉ hoặc bằng nhựa dẻo. Lựa chọn chất liệu nên theo tiêu chuẩn môi trường mà cảm
biến được lắp đặt. Ô-xít nhôm là vật liệu phù hợp với hầu hết các ứng dụng, kể cả sử dụng
trong môi trường nước biển miễn là có vật liệu phù hợp giữa vỏ cảm biến, vỏ bộ chuyển
đổi và hộp nối. Thép không rỉ tốt hơn nhôm ô-xít, dùng ở môi trường có độ ẩm cao, có
khí ăn mòn chẳng hạn như khí clo. Xem cấu tạo cảm biến ở hình 2.1.
Hai phần tử (phần tử đo và phần tử bù) được đặt trong một lớp vỏ chống lửa bằng
vật liệu như mô tả trên, ngăn cách giữa hai phần tử này là một lớp màng cách nhiệt để hạn
chế sự ảnh hưởng nhiệt lượng sinh ra do khí bị đốt cháy bởi phần tử đo sang phần tử bù.
Hai đầu dây của mỗi phần tử được gắn vào 2 cọc kim loại, các cọc này đi xuyên qua lớp
cách điện có vòng hãm kim loại, xem hình 2.1. Toàn bộ cảm biến lại được bảo vệ bởi lớp
vỏ nữa ở bên ngoài, vỏ này có tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi bị va đập và có lớp màng
chống bụi ở mặt trên để chống bụi bẩn bám vào cảm biến.
Đặc thù của cảm biến loại này là tuổi thọ sẽ giảm dần theo thời gian, tuỳ vào độ
khắc nhiệt của môi trường lắp đặt thì tuổi thọ sẽ kéo dài hơn hoặc ngắn đi. Đến một thời
điểm nào đó việc thay cảm biến là không thể tránh khỏi, thường thời gian khoảng 2 năm
hoặc ngắn hơn.
Nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi lắp cảm biến phải có khả năng chống rung.
Để chống rung, các nhà chế tạo cần phải lưu ý đến cách lắp ráp cảm biến, nếu sử dụng
loại dây dẫn mềm dẻo nối từ hạt phần tử đo tới cọc nối dây thì sẽ làm cho cảm biến có
khả năng chống rung. Khả năng chống va đập cũng rất quan trọng, vì trong quá trình vận
chuyển hoặc lắp đặt thì khó tránh khỏi cảm biến có thể bị rơi, bị va chạm.
Chất liệu làm chất xúc tác cũng đóng vai trò hết sức quan trọng. Cấu trúc của chất
này ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của cảm biến, chất xúc tác có nhiều diện tích tiếp xúc
thì tuổi thọ của cảm biến càng cao. Hai chất xúc tác thường được sử dụng cho loại cảm
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
11
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
biến này là Platium và Palladium. Palladium hoạt động ở nhiệt độ 400oC và mất ổn định ở
nhiệt độ 650oC. Platium hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ 800oC và không ổn định ở nhiệt độ
1200oC trở lên. Mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng, Palladium nhiệt độ làm việc thấp
hơn nên tiêu tốn ít năng lượng hơn, độ trôi điểm 0 ít hơn, nhưng khả năng chống độc kém
hơn Platium. Ngày nay, các nhà chế tạo hay sử dụng Platium hơn, do khả năng hoạt động
ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chống độc tốt hơn Palladium. Platium ít không bị ảnh
hưởng bởi khí độc, phù hợp với môi trường có nhiệt độ cao, và có khả năng đo liên tục.
Tuy nhiên, nó có nhược điểm là khả năng trôi điểm 0 lớn do hoạt động ở nhiệt độ cao.
Các nhà chế tạo thường lưu ý sử dụng bọc cuộn dây bằng chất liệu gốm để giảm trôi
điểm”“0”.
Chắn bụi
Lọc bụi
Tấm chắn nhiệt
Vỏ chống lửa kim loại xốp
Chân đế cực
Hạt cảm biến
Cực dẫn điện
Thân cảm biến
Ren lắp cảm biến
vào thiết bị
Lớp chất đổ đầy bằng
gốm hoặc epoxy
Dây dẫn
Hình 2. 1. Cấu tạo cảm biến đốt xúc tác
2.1.2 Cảm biến bán dẫn (Semiconductor sensors) [2]
a. Nguyên lý chung
Dựa trên”sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên
bề mặt ở nhiệt độ từ 150oC đến 500oC. Loại cảm biến này chủ yếu sử dụng đo khí độc, rất
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
12
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
ít sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon. Chất lượng của cảm biến loại này phụ
thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất.
Cảm biến loại này có tính lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đáp ứng bị ảnh
hưởng rất nhiều bởi độ ẩm môi trường; sự suy giảm độ nhạy cũng không phát hiện được
nếu không hiệu chuẩn lại; có thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liên tục khí ở nồng độ cao; và
có thể bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ chất silicone, halocarbon.
Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ ô-xít kim
loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam), được dùng chủ yếu
phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít thiếc (SnO2), loại này không có
tính chọn lọc và thường được dùng để phát hiện sự thay đổi lớn lượng khí độc và
khí”cháy.
b. Loại màng dày (SnO2)
Loại này”thường được cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một điện cực
bằng gốm. Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại, hoặc ở
dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 2.2). Cơ chế phát hiện khí ga loại này rất
phức tạp, đặc biệt là với khí độc. Nó là sự kết hợp các các phản ứng trên bề mặt bao gồm
cả sự hấp thụ khí ga. Khi cảm biến không được cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ
dàng hơn và hậu quả là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra
ngay cả khi cảm biến bị mất cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất
ngắn. Khi cảm biến phát hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với
nồng độ khí. Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do đó nó cần
phải được tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và ô-xy. Với một
lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định cho cảm biến, thậm chí dừng
làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình thường được phục hồi”trở lại.
Học viên: Nguyễn Huy Hoan
13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Tải về để xem bản đầy đủ
69 trang
14640
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Thiết kế hệ thống xử lý mùi tự động cho trang trại thông minh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_thiet_ke_he_thong_xu_ly_mui_tu_dong_cho_trang_trai.pdf
