Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị kiểm tra dòng điện rò ra vỏ thiết bị điện cầm tay dùng điện một pha

p trình điều khiển nhằm làm cho sản phẩm được hoạt động một cách ổn định và cĩ độ tin cậy cao. Sản phẩm của đề tài là thiết bị kiểm tra nhanh dịng điện rị từ 10mA trở lên. I. MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển thúc đẩy các ngành xây dựng phát triển theo, tai nạn lao động cũng ngày càng gia tăng do nhiều nguyên nhân, trong đĩ nguyên nhân do điện chiếm trên 70% (theo các thống kê về TNLĐ). Qua quá trình khảo sát và đánh giá, chúng tơi nhận thấy một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn điện là vấn đề rị rỉ điện trên các dụng cụ cầm tay đang được sử dụng trên cơng trường và chưa cĩ sự quản lý kiểm tra hiệu quả dẫn đến tai nạn khi sử dụng. Do đĩ việc trang bị các phương tiện kiểm tra độ an tồn của thiết bị điện trước khi đưa vào sử dụng là điều cần thiết. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vibc nghiên cqu đRnc ti^n hành dta vào nguyên lý sau: Nguyên lý phát hiện dịng rị khi dụng cụ điện cầm tay khơng hoạt động trong đĩ nguồn cấp hạ áp: 240V-260V Theo TCVN 7996 – 1: 2009. Khi cấp nguồn hạ áp vào dụng cụ điện nếu Rcđ của dụng cụ bị đánh thủng thì sẽ cĩ dịng điện rị ra vỏ của dụng cụ điện này, để xác định được dịng điện rị thì phải thiết lập một thiết bị đo được gắn như hình vẽ với nguyên lý hoạt động như sau: Một đầu đo đặt lên 1 cực bất kỳ của nguồn cịn đầu kia đặt lên các bộ phận kim loại chạm tới được nối với lá kim loại cĩ S < 200cm2 tiếp xúc các bề mặt chạm tới được của vật liệu cách điện với phần mang điện của dụng cụ điện sử dụng. Sau khi đặt điện áp thử nghiệm, dịng điện rị đo được trong vịng 5s được tính bằng cơng thức thể hiện ở hình 1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ KIỂM TRA DỊNG ĐIỆN RỊ RA VỎ THIẾT BỊ ĐIỆN CẦM TAY DÙNG ÐIỆN MỘT PHA CN. Võ Thành Nhân Phân vibn BUo hj lao đjng và BVMT mi_n Nam Hình 1. SQ đh thi^t k^ và cơng thqc tính Dụng cụ điện Nguồn hở áp K^t quU nghiên cqu KHCN Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-201434 Ch^ tSo đánh giá thr nghibm thi^t bd: Việc chế tạo thiết bị đo dựa vào tiêu chuẩn TCVN 7996 – 1: 2009 và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an tồn lao động đối với dụng cụ điện cầm tay truyền động bằng động cơ với các đặc tính kỹ thuật dễ sử dụng và đáp ứng được mục tiêu của đề tài. Cĩ nhiều phương pháp để tiến hành thiết kế nhưng qua quá trình nghiên cứu nhĩm tác giả đã chọn phương pháp thiết kế thiết bị đo dựa vào mơ hình sử dụng một cảm biến như sau (xem hình 2). Nguyên lý hoạt động của mơ hình như sau: Dụng cụ điện được cấp nguồn 220V để hoạt động và chúng ta làm một miếng ốp dẫn điện tốt để ốp vào vỏ kim loại của dụng cụ điện cần kiểm tra, đầu cịn lại của miếng ốp được đưa vào Hình 2. Mơ hình thi^t k^ sr dong mjt cUm bi^n cảm biến. Nếu như dụng cụ điện khơng bị rị điện thì khơng cĩ dịng điện rị sinh ra nên ở ngồi vỏ của dụng cụ khơng tồn tại dịng điện và cảm biến sẽ khơng nhận được tín hiệu. Ngược lại, nếu như dụng cụ điện bị rị điện ra ngồi thì vỏ của dụng cụ điện sẽ cĩ một điện thế và cĩ dịng điện tương ứng được truyền vào cảm biến thơng qua miếng ốp được ốp vào vỏ kim loại của dụng cụ. Cảm biến nhận được tín hiệu điện này sẽ truyền về vi điều khiển để xử lý và đưa ra các lệnh điều khiển cần thiết. Việc tiến hành thiết kế mạch, vẽ mạch, lập trình... được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như: orcad, protues, avr studio Hình 3. SQ đh nguyên lý tồn bj mSch thi^t k^ Dụng cụ điện Cảm biến Vi điều khiển K^t quU nghiên cqu KHCN 35Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 Instructions Set Computer - Máy tính cĩ tập lệnh đơn giản hĩa) với kiến trúc Harvard thuộc họ AVR được sản xuất bởi Cty ATMEL với tính năng mạnh mẽ. Cĩ 130 lệnh mạnh xử lý hầu hết trong một chu kỳ xung nhịp. - ADC giải mã MCP 3204: Là một ADC 12 bit, cĩ hiệu suất cao và năng lượng thấp được đĩng gĩi nhỏ gọn, làm cho nĩ trở nên hồn chỉnh trong các mạch ứng dụng điều khiển. MCP 3204 được thiết kế theo tiêu chuẩn cơng nghiệp SPITM cho phép liên kết với bất kỳ vi điều khiển PIC nào. - LCD 16x2: (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD cĩ rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nĩ cĩ khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống - IC 7805 và các linh kiện phụ trợ khác như tụ điện, điện trở, led 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế Mạch thiết kế được thiết kế gồm cĩ 2 phần chính: mạch nguồn và mạch điều khiển hiển thị với các chức năng và nhiệm vụ khác nhau nhằm mục đích đảm bảo cho tồn bộ hệ thống điều khiển của thiết bị hoạt động bình thường, ổn định và đúng như mục đích thiết kế của tác giả. - Mạch nguồn cĩ nhiệm vụ tạo ra nguồn điện ổn định để nuơi tồn bộ mạch điều khiển, đảm bảo cung cấp đủ điện thế để cho mạch điều khiển hoạt động ổn định. Đồng thời khối III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Các linh kiện sử dụng - Cảm biến dịng ICS712: IC cảm biến dịng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, được tích hợp đầy đủ với chất dẫn dịng điện trở thấp và độ cách điện 2.1kV RMS. Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đường dây dẫn đồng được đặt gần bề mặt của lớp vỏ. Dịng điện được cung cấp đi qua phần dây đồng sẽ tạo ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp tương ứng. Thiết bị được tối ưu hĩa một cách chính xác thơng qua các tín hiệu từ rất gần đến bộ biến đổi Hall. - Vi điều khiển Atmega 8: Là bộ vi xử lý RISC (Reduced Hình 4. SQ đh layout mSch đi_u khi`n Hình 5. Mơ hình hRkng dYn sr dong thi^t bd K^t quU nghiên cqu KHCN Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-201436 Hình 6. Mi^ng tay gp thi^t k^ Nguồn dòng (mA) Giá trị trung bình mà sản phẩm đo được sau 30 lần đo (mA) Sai số | 100 98,67 ± 0,93 1,3% | 120 119,33 ± 0,67 1% | 10 9,67 ± 0,33 3,3% | 50 51 ± 0,88 2% | 70 69,67 ± 0,58 1% BUng 1. K t^ quU đo b\ng phRQng pháp so sánh vki nguhn Sunking PSK 1501A Hình 7. Nguhn dịng th^ Sunking PSK 1501A mạch nguồn cịn cĩ một nhiệm vụ nữa là lấy điện thế rị xoay chiều từ thiết bị cần kiểm tra thơng qua cổng CON1 được liên kết với dụng cụ cần kiểm tra, và biến điện thế xoay chiều thành một chiều đưa vào cảm biến dịng thơng qua cổng CON2. - Khối mạch điều khiển và hiển thị cĩ nhiệm vụ là điều khiển sự hoạt động của tồn bộ thiết bị thơng qua các lệnh và cấu trúc được lập trình sẵn nạp vào vi điều khiển ATmega8 và hiển thị các thơng số cần kiểm tra qua hệ thống hiển thị đĩ là các led màu và LCD hiển thị. 3.2. Sơ đồ layout Sau khi hồn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý thì vẽ layout mạch bằng orcad layout plus, sản phẩm sau khi layout mạch nguồn và mạch điều khiển được thể hiện như hình 4. 3.3. Sản phẩm chế tạo và cách sử dụng Mơ hình sản phẩm được chế tạo sau khi thiết kế như hình 5,6. - Cắm nguồn cho thiết bị, bật nút POWER cĩ 3 đèn 220V, 5V, và đèn xanh cháy sáng, nếu trường hợp đèn xanh khơng sáng mà đèn đỏ sáng thì nhấn nút Offset, khi nhấn nút Offset thì đèn vàng sáng. - Miếng tay ốp được ốp vào vỏ kim loại của dụng cụ cầm tay cần kiểm tra và cắm vào ổ cắm số 1 trên hình 5. - Ổ cắm số 2 trên hình 5 là nơi cung cấp nguồn để nuơi dụng cụ điện cầm tay cần kiểm tra. Lưu ý bật nút ON/OFF trên ổ cắm mới cĩ điện thế. Sau khi làm các bước trên thì thiết bị sẽ tự động tiến hành kiểm tra dụng cụ điện. Nếu đèn K^t quU nghiên cqu KHCN 37Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 Việc dùng phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng Sunking PSK 1501A được tiến hành như sau: Nguồn dịng được lấy từ đầu ra của thiết bị tạo dịng Sunking PSK 1501A được đưa vào sản phẩm đo dịng điện rị mà nhĩm tác giả đã tạo ra thơng qua miếng ốp và so sánh giá trị nhận được của sản phẩm thiết kế với giá trị dịng điện mà nguồn dịng đã tạo ra. Kết quả đạt được khi thực hiện hiệu chuẩn bằng phương pháp so sánh với nguồn dịng Sunking PSK 1501A được thể hiện trong bảng 1.
Phương pháp dùng hệ các điện trở chuẩn Việc hiệu chuẩn bằng cách sử dụng hệ các điện trở chuẩn được tiến hành như sau: Ta áp một điện thế xoay chiều 220V vào các điện trở cĩ các giá trị đã chọn thì theo định luật Ohm sẽ cĩ một dịng điện tương ứng được tạo ra và chúng ta tính được dịng điện này bằng cơng thức I = U/R. Sau đĩ đưa dịng điện này vào sản phẩm và xem giá trị dịng điện mà sản phẩm xanh vẫn sáng thì dụng cụ điện khơng bị rị, nếu đèn đỏ sáng thì dụng cụ điện bị rị và giá trị dịng rị được hiển thị qua LCD trên thiết bị kiểm tra. - Ổ cắm số 3 trên hình 5 được dùng để đo dịng tải của các dụng cụ điện. Chỉ cần cắm dụng cụ điện cần đo dịng tải vào ổ cắm này thì thiết bị sẽ tự động hiển thị dịng tải của dụng cụ cần kiểm tra qua LCD, đồng thời đèn đỏ sẽ sáng nếu giá trị dịng tải lớn hơn 10mA, đèn xanh sáng nếu giá trị dịng nhỏ hơn 10mA. 3.4. Kết quả kiểm tra và hiệu chuẩn sản phẩm Việc hiệu chuẩn thiết bị được thực hiện bằng 2 phương pháp: phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng và phương pháp dùng hệ các điện trở chuẩn trong phịng thí nghiệm.
Phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng Giá trị R Kết quả tính theo Định luật Ohm (mA) Giá trị TB mà sản phẩm đo được sau 30 lần đo (mA) Sai số R = 6,8 K: I = R U = 680 220 = 0,032A = 32 mA 30,33 ± 0,33 5,2% R = 22 K: I = R U = 22000 220 = 0,01A = 10 mA 9,67 ± 0,33 3,3% R = 10 K: I = R U = 10000 220 = 0,022A = 22 mA 20 ± 0,02 10% R = 15 K: I = R U = 15000 220 = 0,015A = 15 mA 14,33 ± 0,92 4,5% BUng 2. K^t quU đo b\ng phRQng pháp so sánh vki hb đibn trm chuXn Hình 8. Hb các đibn trm K^t quU nghiên cqu KHCN Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-201438 đo được cĩ phù hợp với giá trị dịng điện mà chúng ta đã tính dựa vào cơng thức định luật Ohm khơng. Kết quả đạt được khi đo bằng phương pháp so sánh với hệ điện trở chuẩn được trình bày trong bảng 2. Như vậy, thơng qua hai phương pháp hiệu chuẩn trên cho thấy sản phẩm hoạt động ổn định với độ chính xác cao đảm bảo được mục tiêu mà đề tài đã đề ra, đĩ là xác định được dịng điện rị từ 10mA trở lên. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp cũng cĩ sự sai số do đặc tính của cảm biến sử dụng, do mạng điện khơng được ổn định và một số nguyên nhân khác như sai số của linh kiện sử dụngTrong quá trình thử nghiệm, nhĩm nghiên cứu nhận thấy rằng sản phẩm hoạt động ổn định trong khi thiết bị rị cĩ giá trị từ vài chục mA trở lên. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận Nghiên cứu tổng quan về các thiết bị cầm tay: nhĩm đã tiến hành tập hợp các dữ liệu về các thiết bị cầm tay đã và đang được sử dụng trên thị trường, đặc biệt là trong ngành xây dựng, tìm hiểu các nguyên nhân gây ra tai nạn của thiết bị cầm tay, hồi cứu các dữ liệu đã được các chuyên gia, các nhà nghiên cứu trước đĩ tìm hiểu và nghiên cứu làm cho đề tài phong phú hơn. - Nghiên cứu tài liệu để thiết kế và lập trình ứng dụng sản phẩm: tìm hiểu về các phần mềm vẽ mạch chuyên dụng, các phần mềm lập trình điều khiển để tiến hành thiết kế bản vẽ, các sơ đồ mạch điều khiển của sản phẩm theo đúng mục tiêu mà đề tài đã đề ra. - Tạo khuơn mẫu thiết bị: Việc tạo khuơn mẫu được nhĩm tìm hiểu nhiều sản phẩm khác nhau để tạo được mẫu thiết bị vừa đảm bảo mục đích của đề tài, vừa phù hợp với nhu cầu của người sử dụng. - Lắp ráp và kiểm tra hoạt động của sản phẩm. - Ứng dụng và hồn thiện sản phẩm. Sản phẩm được thiết kế nhằm mục đích kiểm tra nhanh thiết bị điện khi đang hoạt động cĩ bị rị rỉ điện ra bên ngồi hay khơng và sản phẩm đã đáp ứng được mục tiêu của đề tài. Trong vịng 1 – 2s sản phẩm đã cho ra kết quả hiển thị dịng điện đang bị rị ra vỏ là bao nhiêu qua đèn báo và LCD. Tuy nhiên sản phẩm thiết kế cũng cĩ một số tồn tại như sau: - Chưa khắc phục triệt để được vấn đề nhiễu do từ trường, do đĩ độ chính xác của thiết bị sẽ bị ảnh hưởng khi thiết bị hoạt động trong mơi trường cĩ từ trường. - Cần cơng nghiệp hĩa kiểu dáng của thiết bị. 4.2. Kiến nghị Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng thực tế lâu bền trong cơng nghiệp thì sản phẩm cần giải quyết được 2 vấn đề cơ bản sau: - Khắc phục vấn đề nhiễu do từ trường. - Cải tiến kiểu dáng cho phù hợp với nhu cầu sử dụng. Để khắc phục được vấn đề nhiễu do từ trường thì trong thời gian tới nhĩm nghiên cứu sẽ tìm hiểu thêm các loại linh kiện cĩ thể thay thế cho cảm biến dịng sử dụng hiệu ứng Hall mà vẫn đáp ứng được mục tiêu của đề tài đã đề ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Safe maintenance of portable tools in constructionEuropean Agency for Safety and Health at Work - [2]. Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành cơng nghiệp Châu Á – www.energyeffi- ciencyasia.org [3]. TS. Nguyễn Thị Lan Hương, Nhiễu điện từ và phương pháp chống nhiễu [4]. Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về an tồn lao động đối với dụng cụ điện cầm tay truyền động bằng động cơ (National technical regulation on safe work of Hand- held motor-operated electric tools) [5]. Tiêu chuâtn IEC 60745- 2:2006. [6]. TCVN 7996-2:2009 [7]. TCVN 7996 -1:2009 [8]. Guideline on Managing Safety in the Use of Portable Electrical Equipment in the Workplace [9]. Safe maintenance of portable tools in construction [10]. Monitoring of leakage cur- rent for composite insulators and electrical devices Muhammad Amin, Salman Amin and Muhammad Ali UET Taxila, Pakistan [11]. www.datasheetcatalog. com [12]. [13]. www.bkit4u.com [14]. K^t quU nghiên cqu KHCN 39Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014