Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm

Trang 1

BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIÊN ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ

BAO CAO TONG HOP

KET QUA KHOA HQC CONG NGHE DE TAI

NGHIEN CUU CHE TAO THIET BI DO MUC NUGC GIENG NGAM

Trung tắm Quang điện tử

Cơ quan thực hiện đề

Trang 2

BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIÊN ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ

BAO CAO TONG HOP

KET QUA KHOA HOC CONG NGHE DE TAI

NGHIEN CUU CHE TAO THIET BI DO MUC NUGC GIENG NGAM

Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan thực hiện đề tài:

KS Nguyễn Tuần Vũ

Trang 3

BỘ KHOA HỌC VẢ CƠNGNGHẸ CỘNG HOẢ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIÊN UNG DUNG CONG NGHE Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày — tháng - năm 2011

BAO CAO THONG KE

KET QUA THU'C HIEN DE TAI

I THONG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giống ngầm

2 Chủ nhiệm đề tài:

Họ và tên: Nguyễn Tuần Vũ

Ngày, tháng, năm sinh: 11/10/1960, Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên Chức vụ: Phĩ phịng, Điện thoại: Tổ chức: (04) 38549 525 Nhà riêng: (04)37 344 094 Mobile: 0914265494

Fax: (04) 38548187 E-mail tynguyen2000@yahoo com

Tên tổ chức đang cơng tác: Trung tâm Quang điện từ

Địa chỉ tổ chức:C6 Thanh Xuân Bắc - Thanh Xuân - Hà Nội Địa chỉ nhà riêng: Số 10 Phan Đình Phùng - Hà Nội

3 Tổ chức chủ trì để tài:

Tên tổ chức thực hiện để tài: Trung tâm Quang điện tử

Điện thoại: (04) 38 549525; Fax: (04) 38 548 187 E-mail: quangdientu@cfoc.vn

Website

Địa chỉ: C6 Thanh Xuân Bắc Thanh Xuân - Hà Nội Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Phạm Hồng Tuần

Số tài khoản: 301.01.012.02.16

Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước quận Thanh 3uân - Hà Nội Tên tổ chức chủ trì đề tài: Viên Ung dung Cơng nghệ

Điện thoại: (04) 39 333 389 Fax: (04) 39 330 267

Trang 4

Dia chi: 25 Lê Thánh Tơng, Hồn Kiếm, Hà Nội

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Trần Xuân Hồng

Số tài khoản: 301.01.111.02.16

Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước Hai Bà Trưng

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Khoa học và cơng nghệ

Tl TINH HiNH THUC HIEN dé ti 1 Thời gian thực hi - Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 7/2009 đến tháng 6/2011 - Thực tế thực hiện: tử tháng 7/2009 đến tháng 6/2011 2 Kinh phí và sử dụng kinh phí: 2) Tổng số kinh phí thực hiện: 392,5 trổ, trong đĩ: + Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 392,5 trđ + Kinh phí bừ các nguồn khác: b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH: ; Theo kế hoạch Thực t dat duge Số Thờigan | Kihphí | Thờngin | Kinh phi (Tháng,năm) | (Trđ) | (Tháng năm | Œrđ) TT Ghi chú (Số đề nghị quyết tốn) 1 2009) 300 2009) 300 (rong, đĩ 292,5 trả sử dụng cho để tài và 7,5 trổ tết kiêm để cải cách tiền lương theo quy định của Nhà nước) 300 2 2010 100 2010 100 100

©) Kế quả sử dụng kinh phí theo các Khoản chỉ

Trang 5

Don vj tính: Triệu đẳng

3 | Thiế bi, máy mĩc

4 | Xay dung, sửa chữa nhỏ

5 | Chikhác sỉ 64 64 Al Tổng cộng 400] 400 3925| 3925

3 Cac vanban hành chínhtong quả trình thực hiện để tài/dự án:

(Liệt kế các quyết định, vân bên cđa cơ quan quên lý r cơng đoạn sắc định nhiềm vụ, xét chọn, phế duyết kính phí, hợp,

đồng, điều chính @hứi gan, nợ đang, kinh phí học hiện nêu cơ); văn bản ía tổ ch chủ tí đ ị, đựán (đơn, tiến nigh dx chinh nu od)

SỐ | SỐ thời gian ban rr | tank vin bin Tên văn bãi én vin ban Ghi chit i chit

1 |1051⁄QĐÐ-BKHCN | Quyết định thành lập hội đồng ngày 22/6/2009 _ | xét duyệt thuyết minh đề tài

nghiên cứu khoa học và cơng,

nghệ

2 |Biênbảnngày Điện bản họp hội đồng xét

26/06/2009 duyệt thuyết minh đề tài nghiên

cứu khoa học và cơng nghệ

3 | Biên bảnngày Điện bản thâm định tài chính

25/07/2009 để tài cấp bộ

4 |1471/QĐ-BKHCN | Quyết định về việc phê duyệt ngày 31/7/2009 | đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm

2009-2010 của Viện Ứng dụng

cơng nghệ

5 |13/HĐ/PTngày | Hợp đồng thực hiện đềtài

12/08/2009 nghiên cứu khoa học và phát

Trang 6

4 Tổ chức phơi hợp thực hiện để tài, dự án: Ÿ ane San

số | Têmtỗchức | Têu tỖ chức đã Min ‘ Sỹ phẩm | Gii 4 :

đng Rý theo tham gia thực Nội đụng tr về, thú ®

TT | Thuyết minh hiện : Tham gia chủ yếu | Chi yen | chet đạt được

1 | Trung tâm Quan | Trung tâm Quan | Cho tiền hành thử |Kế quả

- Lý do thay đổi (nếu cĩ);

5 Cá nhân tham gia thực hiện để tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuậc tổ chúc chủ trì và cơ quan phối hợp, khơng quá 10 người lễ cả chủ nhiệm)

Thuyết mình | thục hiện được

1 | Nguyễn Tuần | Nguyễn Tuấn | Nghiên cứu cấu | Báo cáo

Vũ Vũ tạo, hoạt động chuyên đề

cha thiét bi Level TROLL 100 Chi đạo thiết kế cơ khí và hồn thiện thiét bi chétao | Bao cdo tong kết, sản Chủ nhiệm đề tài | phẩm mẫu

2 |PhamHéng |PhamHéng |Nghiêcứukỹ |Báo cáo

Tuần Tuần thuật đo và xử lý | chuyên đề kết quả đo của

thiét bi Level

TROLL 100

3 |VWõThếNgọc | Võ Thế Ngọc | Thiết kế mạch Bao cho

điều khiển va thu | chuyên đề và thơng tin của đầu | sản phẩm

đo Chỉ đạo thiết | mẫu

kế các mạch điện

Trang 7

từ của thiết bị Tham gia hồn thiên thiết bị chế tạo Nguyễn Thành Hợp Nguyễn Thanh Hop Thiết kế hệ nguồn mơi cho thiết bị chế tạo Tham gia thực hiện các gia cơng cơ khí Bao ho chuyên để và sẵn phẩm mẫu Nguyen Thi

Khuyến Nguyen Thi

Trang 8

9 [Nguyen Ding Thanh Lip dit, thir [Báo cáo

Thanh Binh | Trung nghiệm, đánh giá | chuyên đề kết quả đo của thiết bị chế tạo 10 | Pham Kim Pham Kim Thư ký để tài Thu Thu

- Lý đo thay đỗi (nếu cĩ): Trong thời gian thực hiện đề tài, ơng Nguyễn Đức Viễn vì lý do cơng tác, khơng cĩ điều kiện tham gia nghiên cứu nên để tài đã mời ơng Nguyễn

Tiến Dũng và ơng Nguyễn Ngọc Tú cơng tác tại Trung tâm Quang điện tử tham gia

nhém nghiên cứu Về phía tổ chức phối hợp thực hiện, ơng Nguyễn Thanh Bình đo cĩ cơng việc bận đột xuất nên khơng cĩ điều kiện tham gia thực hiện đề tài

6 Tĩnh hinh hợp tác quốc tế:

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

8 Tĩm tắt các nội dung, cơng việc chủ yếu:

(Neu tại nhục 1 5 của thuyết mình, khơng bao gơm: Hội thảo khoa học, điễu tra khảo sát trong nước và nước ngồi)

3210988 S88 31 Thời gian

ss | Các nội ng cơng việt | (Bắt đâu, tết thúc Người,

ø chủ yếu - thẳng _ năm) co quan

77 | (Các mốc đánh giá chủ | Theo kế [ Thục tế Ghee tien yếu) hoạch | đạt được oe

1 | Khao sit thiết bị Level 712009 - | 9/2009 - " ch

TROLL 100 về cấu tạo, |11/2009 | 11/2009 GV NON vee ahem hoạt động, kỹ thuật đo và Trung tâm Quang điện tử

xử lý kết quả

2 |Thiế kế chétaothiétbi |9/2009- |3/2010- NguÄŠ)'TUẾn Vif'sựEHA

đo mức nước giếng ngầm | 7/2010 | 11/2010 | tiptyen Tuan Vũ vả nhĩm

Trung tâm Quang điện tir

3 | Thử nghiệm và đánh giá |9/2010- |3⁄2019-

thiết bị chế tạo 4/20 |4/2011 | Neuyen Trung tâm Quang điện tử, Thi Khuyen

Đăng Thành Trung- TT

Quan trắc và phân tích tài

nguyên mơi trường

Trang 9

'Viết báo cáo tổng kết 6/2011 6/2011 Nguyễn Tuân Vũ và nhĩm đề tài Trung tâm Quang điện tử - Lý do thay đổi (nếu cĩ)

I SAN PHAM KH&CN CUA DE TAI, DU AN 1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra: 3) Bản phẩm Dang I Số tT Tên sẵn phẩm và chỉ tiêu chất lượng chả yẫu số lượng Theo kế hoạch Thực lễ đạt Mẫu thiết bị đo mức nước giếng tigÄm gỗ 01 01 01

Đầu đo mức nước giếng ngầm

- Chiều sâu đoso với miệng giếng:150m

- DÃi đo mức nước thăng giáng: 2m - Độ chính xắc đo; +0,24FS

- Độ phân giải: Imm

- Dải đo nhiệt độ T9:0-609C - Độ chính xác Tđo: +0,596°C - Độ phân giải TĐ: 0,19 - Đường kính đầu đo:#< 40mm 100psi - Kết nối với thiết bị lưu ro: RS232 ~ Chịu Áp s 01 01 01 Thiết bị lưu trữ:

- Nhận và lưu trữ số liên mức nước và nhiệt độ theo thời gian thực

- Bộ nhớ 2G

- Tốc độ lấy đặt được (phút đến giờ 24h/ngày) tần số lấy mẫu đến phú

~ Ghép nỗi với may PC qua chuẩn USB

hoac RS

- Chuấ

- Khả năng chuẩn định đầu đo tại chỗ

- Nguồn nuơi ac quy 12V 44H Modbus chờ sẵn 01 01 01 b) Sản phẩm Dang IL: 6) Bản phẩm Dang IIT

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

Trang 10

(liêu rỡ danh mục cơng nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ cơng nghệ so với kÌm vực và thế giới )

Nắm vững các kỹ thuật:

- _ Kỹ thuật khuyếch đại tín hiệu nhỏ chính xác

-_ Kỹ thuật lấy mẫu theo thời gian thực -_ Kỹ thuật biến đỗi ADC dé phân giải cao -_ Kỹ thuật điều khiển hệ thống bằng MCU

-_ Xử lý và truyền số liệu theo các mode chuẩn

~_ Lưu trữ đữ liệu theo RTC sử dụng flash memcry chip cĩ dung lượng lớn

-_ Giải pháp phần mềm nhúng cho MCU va PC

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội

(Miêu rỡ hiện quả làm lợi tính bằng tiên dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản

phẩm cùng loại trên thị trường )

San phẩm của Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng

ngằm”cĩ chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại của nước ngồi, song giá thành chỉ bằng khoảng 60-70% 3 Tinh hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án: Ghi chú (Tơm tắt kết quả, kết luận chính, nguời chủ trì ) Số tT a Nội đụng Thời gi Thực hiệu alan 1 | Báo cáo định kỳ

Tân 1 30/10/2009 Thực hiện đúng kế hoạch đăng ký trong dy tốn

Lân 2 11/11/2010 Thực hiện đúng kế hoạch

đăng ký trong dự tốn Tt | Kiém tra dinh ky Tl_|Nghiém thu cosé

Chủ nhiệm đề tài Thủ trưởng tổ chức thực hiện

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VE, DO THI MG DAU về sự hình thành đê 1

2 Mục tiêu của đề tài

3 Tính cấp thiết của đề tài

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề t: 5 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 6 7 Nội dung, quy mơ và địa điểm thực hiện: „ Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG1: KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU THIẾT BỊĐO MỨC NƯỚC TỰ

DONG LEVEL TROLL 100 CUA MY, 16

1.1 Nghiên cứu khảo sát hoạt động, cấu tạo của đầu đo mức nước tự động Level TROLL 100 của Mỹ -l6 1.1.1 Cấu tạo 16 1.1.2 Nguyên lý hoạt động, 17 1.2 Kỹ thuật đo áp suất, truyền dan, xt ly, luu trit, két néi va hién thi két qua 18

1.2.1 Cac ky thuat do ap suat .18 .21 22 1.2.1.1.Do 4p suất với vi cảm biến áp suất kiểu tụ 1.2.1.2.Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở

1.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn số liệt 24

1.2.2.1.Chuẩn giao tiếp 24

1.2.2.2.Protocol truyền nĩi tiếp bát đồng bộ .28 1.2.3 Kỹ thuật lưu trữ số liệu 31 1.2.3.1.Cấu trúc dữ liệu 31

1.2.3.2.Phương pháp lưu số liệu 33

CHUONG 2 : THIET KE, CHE TAO THIẾT BỊ 36

Trang 12

“Nghién citu, ché tao bi do mie nude giéng ngi

36 36

2.1 Thiết kế cơ khí đầu đo áp suất và nhiệt độ trong lịng giếng hẹp

2.1.1 Phân tích chức năng làm vi: của chỉ

2.1.1.1 Điều kiện làm việc của thiết bị .36

2.1.1.2 Yêu cầu của thiết bị: 36

2.1.1.3 Bản vẽ thiết kế phần vỏ thiết bị đo 37

2.1.2 Phan tich tinh céng nghé trong kết cấu của chỉ tiết 138 2.1.3 Xác định đạng sản xuất 38 2.1.4 Thiết kế quy trình cơng nghệ gia cơng các bộ phận của thiết bị 39 2.1.4.1 Chỉ tiết 01 (CT01) 39 2.1.4.2 Chỉ tiết 02 (CT02) 40 2.1.4.3 Chỉ tiết 03 (CT03) 41 2.1.4.4 Chỉ tiết 04 (CT04) - 42 2.1.4.5 Chỉ tiết 05 (CT05) - 44 2.1.4.6 Chỉ tiết 06 (CT06) 45

2.2 Thiết kế mạch điều khiển và thu thơng tin của đầu đo lên mặt 47

2.2.1 Sơ đồ khối và sơ đồ mạch điện của đầu đo 47 2.2.1.1 Sơ dé khối chức năng của mạch đầu đo AT 2.2.1.2 So dé nguyén lý mạch lưu trữ .- 48 2.2.1.3 Bản vẽ PCB và các layer 49

2.2.2 Tinh tốn thiết kế, lập trình cho mạch 2.2.2.1 Thiết kế và lựa chọn vi điều khiển 2.2.2.2 Tính tốn, thiết kế khĩi ngué:

2.2.2.3 Thiết kế khĩi đo nhiệt độ 0 30 31 34

Trang 13

2.3.3 Thiết kế, lập trình bộ lưu trữ , ghép nối PC và các chuẩn giao tiếp chờ

sẵn .69

2.3.3.1 Khối giao tiếp I2C giữa PIC18F4550 và EEPROM AT24C1024

2.3.3.2 Khối giao tiếp RS485 với mạch đầu đo 2.3.3.3 Khối giao tiếp máy tính PC 2.4.Thiết kế hệ nguồn nuơi độ chính xác cao 2.4.1:Tác dụng và sự cần thiết của nguồn chính xác cao 2.4.2 Các phương án thiết 76 2.4.3 Lựa chọn phương án 76 2.5.Gia cơng cơ khí, lắp ráp, hồn thiệ V70 2.5.1 Quy trình cơng nghệ gia cơng các bộ phận của thiết bị 2.5.1.1 Chỉ tiết 01 (CT01) 2.5.1.2.Chỉ tiết 02 (CT02) 2.5.1.3 Chi tiết 03 (CT03) 2.5.1.4.Chỉ tiết 04 (CT04) 2.5.1.5 Chỉ tiết 05 (CT05 2.5.2 Lắp ráp hồn thi

CHUONG 3: THU NGHIEM VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ CHÉ TẠO

3.1.Thử nghiệm các ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên kết quả đo của thiết bị các chỉ " 93

3.1.1 Kiểm tra đưới điều kiện nhiệt độ thay đổi 03

3.1.1.1.Miễu tả thiết bị kiểm tra 03

3.1.1.2,Các bước thực hiện „ -94

3.1.1.3.KẾết quả 95

3.1.1.4.Kết luận 96

3.1.2 Kiểm tra đưới điều kiện độ âm thay đổi 96

3.1.2.1.Miễu tả thiết bị kiểm tra 96

3.1.2.2.Các bước thực hiện „ 96

3.1.2.3.Két qua 97

Trang 14

“Nghién citu, ché tao bi do mie nude giéng ngi 3.1.2.4.Két luan 98 3.2.Thực hiện thử nghiệm đo thực tế thiết bị tai giếng quan trắc Pháp Vân - Ha Nội 1 98

3.2.1 Bảng thơng số kỹ thuật của model: CFOC-WD01 1 98

3.2.2 Phương pháp đo thực nghiệm 199

3.2.3 Kết quả đo thực nghiệm của thi: 105

3.3.Thực hiện thử nghiệm đo thực tế thiết bị tại giếng quan trắc Yên Sở -Hà Nội

„ 107

3.3.1 Khảo sát thơng số của giến; „107

3.3.2 Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị 108

3.4.Thực hiện thử nghiệm đo thực tế thiết bị tại giếng quan trắc Lương Yên - Hà Nội

3.4.1 Thơng số kỹ thuật của giếng Lương Yên

3.4.2 Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị

3.5 Thử nghiệm so sánh thiết bị CFOC ~ WD01 với Level TROLL 100 của

Mỹ:

3.3.1 Đo thử nghiệm song song hai thiết bị 3.3.2 Bảng đữ liệu so sánh thu được KÉT LUẬN KIÊN NGHỊ PHỤ LỤC 1: A.Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị giếng ngầm Pháp Vân - Hà Nội B.Ké qua đo thực nghiệm của thiết bị giếng ngầm Yên Sở — Hà Nội

Trang 15

Báo cáo tơng hợp kết quả khoa học cong nghé a Ề

“Nghién cit, ché tao thitt bi do mine nude giéng nge DANH MUC CAC BANG

Bảng 2 1 Các đơn vị áp suất thường đùng .19

Bảng 2 2 Các chuẩn truyền đữ liệu và đặc tính 25

Bang 3 1 Kết quả đo thử nghiệm kiểm tra thiết bị dưới điều kiện nhiệt độ thay đồi -95 Bảng 3 2 Kết quả đo thử nghiệm kiểm tra thiết bị với điều kiện độ ẩm thay đổi Bảng 3 3 Bảng báo cáo là kết quả đo thử nghiệm của thiết 28/3/2011 đến ngày 12/4/2011 Bảng 3 4 Bảng báo cáo là kết quả đo thử nghiệm của thiết 25/4/2011 đến ngày 10/5/2011 Bảng 3 5 Bảng báo cáo là kết quả đo thử nghiệm của thiết từ ngày 5/3/2011 đến ngày 20/3/2011 128

Bing 3 6 Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật của hai thiết bị „ 112

Bảng 3.7 Bảng dữ liệu so sánh kết quả thu được của hai thiết bị 134

Trang 17

“Nghién cit, ché tao thitt bi do mine nude giéng nge àu khién Hình 2 13.Sơ đồ nguyên lý khối vi Hình 2 14.TL431 Hình 2 15.Sơ đồ nguyên lý nguồn Vref Hình 2 16.IC nguồn LM1117 Hình 2 17.Nguồn VCC Hình 2 18 Sơ đỗ shemantic khĩi nhiệt độ Hình 2 19.Sơ đồ khĩi, khĩi áp suất Hình 2 20.Cảm biến áp suất

Hình 2 21 Sơ đồ shemantic khối lầy mẫu áp suắt

Hình 2 22 Sơ đồ shemantic khối RS485 Hình 2 23 Sơ đỗ khối chức năng Hình 2 24 Sơ đỗ nguyên lý schemantic Hình 2 25 Mạch PCB lớp trên Hình 2 26 Mạch PCB lớp dưới Hình 2 27 Sơ đỗ lắp ráp linh kiện Hình 2 28 Sơ đồ shemantic khối lưu trữ Hình 2.29 Khung dữ liệu vào IC nhớ AT24C1024 Hình 2 30 Sơ đồ schemantic khối RS485

Trang 18

Hình 3 2 Đầu đo cảm

Hình 3 3 Dây cấp nối giữa đầu đo và Water level data logger Hình 3 4 Tủ điều khiển nhiệt d6 THEMOST SR2000

Hình 3 5 Hình ảnh trong quá trình thử nghiệm -95

Hình 3 6 Máy điều khiển độ ẩm 96

Hình 3.7 Sơ đồ giếng ngầm .09

Hình 3 8 Kết nối đầu đo, hộp điều khiển và máy tính 103

Hình 3 9 Ảnh giếng ngầm 105

Hinh 3 10 Hình ảnh quá trình lắp đặt thiết bị 105

Hinh 3 11 Đỗ thị kết quả khảo sát thu được tại giếng nước ngầm Pháp Vân 106 Hinh 3 12 Anh giéng ngam 108 Hình 3 13 Hình ảnh quá trình lấp đặt thiết bị „108 Hình 3 14 Đỗ thị kết quả khảo sát thu được tại giếng ngầm Yên Sở - Hà Nội 109 110

Hinh 3 15 Anh giéng ngam

Hinh 3 16 Hinh anh qué trinh lap dat thiét bi 110

Hinh 3 17 B6 thi két qua khao sat thu được tại giếng ngầm Lương Yên - Ha

„111

Hình 3 18 Đơ thị so sánh kết quả đo áp suất của thiết bị CFOC-WD01 và thiết bị LEVEL TROLL 100 của Mỹ 113

Hình 3 19 Đơ thị so sánh kết quả đo áp suất của thiết bị CFOC-WD01 và thiết

bị LEVEL TROLL 100 của Mỹ 114

Trang 19

“Nghién cit, ché tao thitt bi do mine nude giéng nge

MỞ ĐẦU

1 Giới thiện vỀ sục hình thành: để tồi:

Nước ngầm hay nước dưới đất là nguồn tài nguyên cần được quản lý tốt trong khai thác, sử dụng nếu khơng sẽ bị cạn kiệt và ơ nhiễm, ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống - nhất là sức khỏe con người Hiện nay việc quản lý mức nước giếng ngầm vấn đang được tiến hành nhưng chưa cĩ hiệu quả do phương pháp sử dụng cịn cĩ nhiều hạn chế Các phương pháp đo mức nước hiện thời cho sai số rất nhiều gây ảnh hưởng đến vấn đề quản lý Để giải quyết vấn đề này, các nhà quản lý cần phải cĩ trong tay một thiết bị đo mức nước giếng ngầm tốt, đáng tin cậy, cho thơng tin chính xác và kịp thời về những thay đổi của mức

ee R NENA

Hệ thống đo mực nước đã được sản xuất và ứng dụng rộng rãi ở các nước phát triển Tuy nhiên, ở nước ta, mới chỉ cĩ một vài đơn vị nghiên cứu tự sản xuất, lắp ghép thiết bị này song vấn chưa đưa được vào ứng dụng cụ thể trong

ngành quan trắc mơi trường

Việc chế tạo thành cơng hệ thống tự động đo mức nước ở trong nước sẽ mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế, xã hội cho nhiều lĩnh vực, trong đĩ cĩ thủy lợi Nhờ cĩ hệ thống này, cĩ thể đế đàng đo được mức nước ở các kênh tưới tiêu, hồ đập để từ đĩ cĩ sự vận hành, điều hành hệ thống tưới tiêu hợp lý,

kiểm sốt việc lạm dụng nguồn nước giếng ngầm để cĩ sự điều chỉnh kịp thời

2 Mục tiêu cũa đỄ tài:

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm

3 Tink cap thitt cha a

È tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm” hình thành xuất phát từ yêu cầu thực tế cần phải cĩ các nghiên cứu cĩ tính hệ thống để làm chủ thiết bị đo mức nước giếng ngằm, gĩp phản bảo vệ nguồn tài nguyên nước

Trang 20

ngầm và gĩp một sản phẩm mới cho lĩnh vực đo lường và bảo vệ tài nguyên

mơi trường của Việt Nam

4 Ý nghĩa khoa học và trực tiên của để tài:

- Ý nghĩa khoa học: đĩng gĩp một sản phẩm mới cho lĩnh vực đo lường và bảo vệ tài nguyên mơi trường của Việt Nam

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài gĩp phần nâng cao giá tri gia tăng của sản phẩm, tạo khả năng chủ động với các yêu cầu cụ thể trong nước và cạnh

tranh quốc tế

+ Gĩp phần bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm

5 Tong quan fink hình nghiÊn Cửu:

$1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước

Trén thể giới, bài tốn đo mức chất lỏng (nước là trường hợp riêng) đã được

đặt ra từ rất sớm Hiện nay cĩ rất nhiều thiết bị đo dựa trên những nguyên lý khác nhau để đáp ứng các yêu cầu cụ thể Sơ bộ cĩ thể nêu ra phân loại như sau:

+ Căn cứ vào đối tượng đo, cĩ: Đo mức nước mặt (sơng, hd); Do mic nude

trong bể chứa; Đo mức nước trong giếng sâu

« Căn cứ vào nguyên lý đo, cĩ các phương pháp đo: Đo bằng thước đo chiều đài; Đo bằng cảm biến điện dung, Đo bằng sĩng âm thanh (siêu âm); Đo bằng nguyên lý radar; Đo bằng cảm biến truyền sĩng viba trong ống dẫn sĩng: Đo bằng cảm biến quang học; Đo bằng cảm biến áp suất

Mỗi phương pháp đo (và tương ứng là thiết bị đo) cĩ những ưu nhược điểm riêng, phạm vi đo và ứng dụng đặc thù riêng Các giếng nước khoan sâu cĩ đặc điểm: Chiều sâu từ vài chục cho tới vài trăm mét; Đường kính của giếng từ vài centimét tới vài chục centimét, Độ chính xác của phép đo cần đạt ít nhát là một

Trang 21

phần nghìn; Khoảng thăng giáng của mức nước (dải động) cĩ thể đến hàng chục mét Để đáp ứng các yêu cầu đặc thù này, cĩ 2 phương pháp đo được sử dụng chủ yếu hiện nay: Đo bằng thước đo chiều dài; Đo bằng cảm biến áp suất

Ngày nay trong đa số ứng dụng cịn yêu cầu thêm về độ chính xác phép đo, khả năng tự động hĩa và kết nĩi từ xa Lúc này phương pháp đo mức nước bằng cảm biến áp suất là sự lựa chọn số một Phương pháp đo dựa vào quan hệ

áp suất trong cột nước tỉ lệ thuận với chiều cao cột nước Néu đặt một cảm biến áp suất tại một điểm cố định trong cột nước, quan hệ giữa áp suất nước và độ

sâu tại điểm đo là tuyến tính và phụ thuộc vào khối lượng riêng của nước Kết hợp với áp suất tại độ sâu tham chiếu ban đầu, độ sâu thực tế được xác định bởi cơng thức:

on

h a0

Trong đĩ: hla độ sâu thực tế;

hụ là độ sâu tham chiếu ban đầu; p là áp suất tương ứng với độ sâu h;

p là áp suất tham chiều tương ứng với độ sâu tham chiều

hụ,p là khối lượng riêng của nước; và g là gia tốc trọng trường

Trên hình 1 là sơ đồ khối thiết bị đo mức nước theo phương pháp cảm biến áp

suất

- Bộ lưu trữ số liệu

- USB standar for PC

- Chuyển đổi A/D độ phân - Modbus open

-Khuéch dai tín hiệu yếu

Trang 22

Trên thế giới cĩ khá nhiều thiết bị đo mức nước theo nguyên lý cảm biến áp suất Tuỳ theo tính năng kỹ thuật cụ thể mà giá của một thiết bị đo cĩ ghép

nối máy tính nằm trong khoảng 3000-5000 USD

Dưới đây là các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của thiết bị Level TROLL 100

của cơng ty In-Situ Inc, USA Don vi tinh | CHỈ Hiếu kỹ thật đạt được

- Chiều sâu đo so với miệng | -

| giéng ~ Dai do mức nude thing | 76 giáng - Độ chính xác đo %ES 40,1 - Độ phân giải mm 1 - Dải đo nhiệt độ TP 5G -20 + 50 - Độ chính xác TP đo el +0,5 - Độ phân giải TP PC 0,1 - Đường kính dau do mm 262

- Chịu áp suất psi 100

- Kết nỗi với thiết bị lưu trữ RS232,USB

%2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Dưới đây là một số đề tài đã được nghiên cứu trong nước liên quan đến thiết bị đo mức nước:

a Hệ thống tự động đo mức nước từ xa -Phịng Cơng nghệ tự động hĩa

(Viện Cơng nghệ thơng tin), 18 - Hồng Quốc Việt, Hà N

Hệ thống bao gồm đầu đo mức nước WLT, thiết bị xử lý chỉ báo WL,TD và chương trình thu thập lưu trữ, kiểm sốt từ xa WaterView chạy trên máy vi tính cá nhân (PC) Đầu đo mức nước WLT đo nước thay đổi và truyền thơng tin cho

thiết bị lưu trữ và chỉ báo WL/TD PC cĩ khả năng kết nĩi tới 31 thiết bị chỉ báo

tạo thành mạng đo

Các chỉ tiêu kỹ thuật của #£ thống fự động đo mức nước từ xa: đầu đo WLT gồm ba loại: 1 m,2 m và 3 m; độ phân giải: 1 mm; đo liên tục theo

Trang 23

phương pháp tụ; kết cấu đầu đo được thiết kế tối ưu; chip đầu đo chuyên dụng

được thiết kế và chế tạo theo cơng nghệ tạo chip PsoC; xử lý số và truyền tin hiệu số theo chuẩn RS485 (1,2 km); thiết bị lưu trữ và chỉ báo WLTD; nhận và xử lý số tín hiệu đo từ đầu đo; lưu trữ và hiển thị 4 digit; khả năng chuẩn định

đầu đo tại chỗ, chip xử lý và chỉ báo chuyên dụng được thiết kế và chế tạo theo

cơng nghệ tạo chip PsoC; nối ghép với máy PC qua chuẩn RS232; chương trình 'WaterView trên PC; kiểm sốt mức nước ở 31 điểm đo khác nhau được kết nối thành mạng; chạy trên nền Windows 98/2000/XP; cơng suấtnăng suất

12V/0,6A

b Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị tự động đo lường và kiểm

tra thơng minh phục vụ cho các đây chuyển sản xuất tự động hố - Báo cáo chuyên đề quyền 1/ Phạm Thượng Cát, PGS,TSKH (chủ nhiệm dé tai) , Phan Minh Tan, KS: Tran Viét Phong, ThS: Phạm Ngọc Minh,

ThS; và những người khác, - Hà Nội : Viện Cơng nghệ Thơng tin , 2004

~ 600 tr

Bao gồm báo cáo tổng kết các chuyên đề nghiên cứu về: hệ thống đo và

quan trắc mơi trường xí nghiệp cơng nghiệp; RTU thiết bị đầu cuối đo xa; EVIEW32 chương trình quan trắc mơi trường xí nghiệp cơng nghiệp; WLS đầu

đo mực nước liên tục từ xa, WLM thiết bị xử lý thu thập tín hiệu mực nước Tài liệu hướng dẫn sử đụng hệ thống thiết bị đo và xử lý mực nước từ xa WLM;

Chương trình đọc nạp tệp cho các thiết bị WLM qua cổng RS-232

c Chế tạo và thử nghiệm hệ thống quan trắc tự động mực nước đưới

đất, Khoa Khoa học Ứhg dụng, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chỉ Minh,

tiệt Nam

Hệ thống quan trắc mực nước dưới đất được nghiên cứu và chế tạo tại Đại

học Bách khoa TP Hồ chí Minh với các chức năng ghỉ nhận tự động, lưu trữ và truyền đữ liệu về máy tính trực tiếp hay gián tiếp thơng qua mạng điện thoại

hữu tuyến Chiều sâu của giếng khoan là 10 tới 20m Đã sử dụng thử tại Tân

Sơn Nhất

Trang 24

“Nghién citu, ché tao bi do mie nude giéng ngi Mặc dù đã cĩ một số đề

nghiên cứu về đo mức nước, nhưng chưa cĩ đề tài nào nghiên cứu đo mức nước của giếng ngằm quan trắc Đường kính giếng

lớn nhất chỉ cĩ 50mm, khơng đẳng hướng,

dạng, gồm cả vật liệu nhiễm từ và khơng nhiễm từ Giếng cịn sử dụng chung cho rất nhiều thiết bị quan trắc khác Các phương pháp khác như sĩng âm, quang học, hay điện dung khơng thể cho phép đo chính xác cho giếng này Ngồi ra các phương pháp này cịn làm nhiễu các thiết bị bên cạnh, và làm xáo trộn mẫu nước của các phép đo phân tích thành phần -cĩ yêu cầu rất khất khe

Mức nước thăng giáng tại những vùng cĩ nhà máy nước, hoặc những vùng sử dụng nước nhiều cho cơng nghiệp và nơng nghiệp cần nhiều nước là rất lớn Các thiết bị được chế tạo trong nước cĩ giải đo và phương pháp đo đã cơng bố khơng đáp ứng được việc quan trắc tại các giếng chuyên dụng này

Hệ thống đo mức nước từ xa của Viện cơng nghệ thơng tin truyền số liệu đo về trạm trung tơm qua dây dẫn hoặc qua đường điện thoại Đối với địa bàn rộng hoặc khơng cĩ đầu nĩi điện thoại thì sẽ rất khĩ khăn

Nội đụng, quy mơ và địa điễm thực hiện:

¡ đo mức nước giếng ngầm được tiến hành bao gồm các nội dung

- Khảo sát, nghiên cứu thiết bị đo mức nước tự động Tevei TROLL 102

- Thiết kế, chế tạo thiết bị

- Thử nghiệm và đánh giá thiết bị chế tạo

Về mặt thiết bị, các thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu và chế tạo mạch điều khiển đầu đo đều đẩy đủ Vỏ thiết bị được gia cơng ở địa chỉ đáng tin cậy Nhĩm đề tài đã cĩ rất nhiều năm kinh nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo các mạch điện và lập trình điều khiển các thiết bị

Nhớm đề tài được sự giúp đỡ của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài

nguyên Mơi trường Hà Nội trong việc thử nghiệm và đưa ra các ý kiến đĩng

Trang 25

gĩp cũng như những đánh giá hữu ích giúp nhĩm đề tài cĩ thể chế tạo và hồn thiện thiết bị theo yêu cầu đã đặt ra

Sau khi hồn thi

đề tài, chúng tơi cĩ thể:

- Hiểu rõ và làm chủ thiết bị đo mức nước ngầm

- Chế tạo và hồn thiện thiết bị

tắt cả các trạm quan trắc nước ngầm của Trung tâm Quan trắc và

Phân tích Tài nguyên Mơi trường Hà Nội

7 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứa:

Đề tài sử dụng 4 phương pháp tiếp cận: Nghiên cứu tài liệu; Phi thực nghiệm; Thực nghiệm và Thử nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu nhằm tận dụng kiến thức, kinh nghiệm của các nhĩm nghiên cứu trong và ngồi nước để: lựa chọn nguyên lý đo tối ưu, xây dựng thiết kế hệ thống và thiết kế chỉ tiết thiết bị đo Các nguồn tài liệu

được sử dụng gồm: tìm kiếm trên intemet, tạp chí, sách chuyên ngành, tài liệu

kỹ thuật của các thiết bị đo tương tự của nước ngồi, báo cáo khoa học của các đề tài nghiên cứu trong nước

- Phương pháp phi thực nghiệm, cụ thể là phương pháp điều tra và phỏng vấn, nhằm xác định yêu cầu của người sử dụng đối với các tính năng kỹ thuật cần thiết của thiết bị đo mức nước

- Phương pháp thực nghiệm được sử dụng trong quá trình thiết kế chế tạo mẫu thiết bị đo

- Phương pháp thử nghiệm được sử dụng sau khi đã chế tạo xong mẫu thiết bị đo, nhằm thử nghiệm-đánh giá sự ổn định và khả năng đáp ứng yêu cầu thực

tế của thiết bị đo

Sản phẩm của Đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng

ngằm”cĩ chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại của nước ngồi, song giá

thành chỉ bằng khoảng 60-709

Trang 26

“Nghién cứa, chế tao bi do mie nude giéng ngi - KET QUA THUC HIEN DE TAI

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO MỨC NƯỚC

TỰ ĐỘNG LEVEL TROLL 100 CỦA MỸ

1.1 Nghiên củu khảo sát hoạt động, câu tạo của đầu đo mức nưức tr động

Level TROLL 100 chia My

1.1.1 Câu tạo

Level TROLL 100 là thiết bị tiến tiến và hiệu quả của hãng In — Situ.Inc

đùng để kiểm tra, đo lường, lưu trữ các số liệu về mức nước, áp suất, nhiệt độ

Level TROLL 100 được thiết kế đặc biệt để đo các thơng số trên ở các vị trí như

đáy giếng sâu, lỗ khoan, bể chứa, sơng suối, ao hỗ, vv

Thiết bị này cung cấp số liệu một cách chính xác, thực tế và đễ đàng sử dụng trong các giới hạn khác nhau của mực nước cần đo

Vỏ thiết bị làm bằng nhựa ABS cĩ cấu tạo hình trụ đường kính 26,2 mm ( 1,03 inches ) với mũi hình cơn, chiều đài tổng thể 14 cm (5,5 inches)

Trang 27

Level TROLL 100 cung cấp các giao tiếp nối tiếp USB và RS232 để thực

cĩ thể lưu trữ tới 32.000 số liệu độ Thiết bị sử kết nối với máy tính, bộ nhớ của thiết

với đầy đủ thời gian, ngày tháng, áp suất, mức nước và nhỉ:

dụng pin Lithium 3,6 V và cĩ thể sử dụng trong khoảng thời gian 5 năm hoặc

2.000.000 lần đọc số liệu

Thiết bị cĩ thể được chạy với chế độ ghi số liệu theo từng khoảng thời gian

hoặc chế độ Evens Testing

Thiết bị được đồng bộ hĩa với bộ phần mềm Win-SituP chạy trên PC kết nĩi qua USB hoặc RS232 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Timer Sensor ADC MCU Rs232 USB Bộ nhớ|

Hình 1 2 Sơ đồ khối Level TROLL 100

Sơ đồ khối của thiết bị Level TROLT 100 được mơ tả như hình 2 Các

khối hoạt động chính của thiết bị bao gồm:

- _ Sensor cảm biến áp suất loại gốm áp điện, một bên của màng áp điện được thơng với áp suất mơi trường, bên cịn lại được giữ với một áp suất chuẩn

(Chế độ non - vented)

Trang 28

- Khéi ADC bién déi tín hiệu điện thu được từ bộ sensor (V) thành tín hiệu số -_ Khối MCU là khối vi xử lý chính, kết hợp với bộ Timer tự động lưu dữ từ bộ nhớ qua

liệu theo thời gian, đồng thời cĩ thể thực hiện truyền dữ

RS232 hoặc USB tới máy tính đề xử lý

-_ Bộ Timer là bộ đếm thời gian cung cấp thời gian thực và kích hoạt hoạt động của bộ thu tín hiệu qua các lệnh ngắt gửi tới MCU

-_ Bộ nhớ của Level TROLL 100 là bộ nhớ Flash dung lượng 0,5 MB cĩ thể

lưu trữ được 32.000 sĩ liệu ghi

1.2 Kỹ thuật đo áp suất, tuyên dẫn, xữ-|ý, lau trữ; kết nối và hiểu thị kẾt quả 1.2.1 Các kỹ thuật đo áp suất

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuơng gĩc lên một đơn vị điện tích và được xác định theo cơng thức sau:

Trong đĩ đF là lực tác đụng, cĩ đơn vị là Newton (N); đ$ là diện tích bề

mặt bị lực tác đụng, cĩ đơn vị là mỶ Trong hệ Sĩ áp suất cĩ đơn vị là N/m”.Đơn

vị dẫn xuất của áp suất là pascal (Pa), 1 pascal tương đương với áp suất đồng, dang do luc 1 Newton tác dụng lên bề mặt phẳng cĩ điện tích bằng 1m” Bảng 2.1 mơ tả các đại lượng đo áp suất và quan hệ tương đối giữa những đại lượng,

này

Trang 29

Báo cáo tơng hợp Kết quả khoa học cơng nghé dé tid clip BG 2009-2011: “Nghién cứu, Chế tao tHIẾt bệ đọ túc nước giếng nuoÄm”

Bang 2 1 Các đơn vị áp suất thường đùng Đơnvị | pascal bar kgicmẺ „ [atmosphe mmHO | mmHg | mbar (Pa) (b) (atm) 1 102 | 10210Ẽ | 0987105 | 102.102 | 075102 | 102 bar 10? 1 02 0987 | 103102 | 750 10 I kg/m? | 9,8.10° | 0,980 1 0.986 102 9.80.10 lam - | 1013.10 | 1013 1 760 | 1,013.10" ImmH; 98 | 98.105 | 10° | 0968102 I 0.0735 | 0,098 ° ImmHg | 1333 136.105 | 115.10 136 1 Imbar 100 10 1,02.10° | 0,987.10 102 0,750 1

Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một thơng số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng Trong cơng nghiệp, việc đo áp suất chất lưu cĩ ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an tồn cho thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy mĩc thiết bị cĩ sử dụng chất lưu

Để đo áp suất người fa đo lực F tác dụng lên điện tích S của thành bình

phân chia hai mơi trường, trong đĩ một mơi trường chứa chất lưu là đối tượng

cần đo áp suất

Đối với chất lưu khơng chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh P=P,

Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một điện tích thành bình Đối với chất lưu khơng chuyển động chứa trong một ống hở đặt

thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) xác

Trang 30

Ðu - ấp suất khí quyển

p_- khối lượng riêng chất lưu

g - gia tỐc trọng trường

Cĩ thể chia làm 3 phương thức chính để đo áp suất tính :

-_ Đo áp suất lấy qua một lỗ cĩ điện tích hình trịn được khoan trên thành bình

- _ Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên

- _ Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào là áp suất thành tín hiệu điện đầu ra chứa thơng tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và sự thay đổi của nĩ theo thời gian

"Trong cách đo trích lấy áp suất qua một lỗ nhỏ, phải sử dụng một cảm biến đặt gần sát thành bình Sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và của cảm biến phải khơng đáng kể so với thể tích tổng cộng của

chất lưu cần đo áp suất

Trong trường hợp đo trực tiếp, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình Biến dạng này là một hàm của áp suất

Trang 31

Bao céo ting hợp kết quả khoa học cơng nghệ đ tài Ề

P=Pi+Ps

áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng khơng chuyển động, được đo bằng một trong các phương pháp trình bày ở trên Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và cĩ giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Py= pv/2 "Trong đĩ v là vận tĩc chất lưu

Hiện nay, với nhiều cơng nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất đã ra đời Như đã nĩi, thơng đụng nhất là các cảm biến loại màng hoạt động theo nguyên lý so sánh áp suất cần đo với một áp suất khác, thường đã biết trước, là

áp suất chuẩn Với cảm biến áp suất tuyệt đối, áp suất cần đo được so sánh với

áp suất của chân khơng, cịn cảm biến áp suất tương đối thì áp suất cần đo được so sánh với áp suất khí quyển Các biến dạng do chênh lệch áp suất cần đo với áp suất chuẩn được biến đổi thành tín hiện điện bằng cách thơng qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, đùng phương pháp quang điện, dùng phương pháp transistor áp điện vv

'Với cơng nghệ vi cơ phát triển mạnh trong thời gian gần đây, các cảm biến

màng dùng cơng nghệ MEMS đang được phát triển rộng rãi cho phép đo áp suất

với độ chính xác cao Trong cơng nghệ MEMS cĩ 2 phương pháp đang được sử dụng rộng rãi đĩ là cảm biến kiểu tụ điện (capacitive) và cảm biến kiểu áp trở (piezoresisive) được trình bày dưới đây

12.1.1 Bo áp suất với vi cảm biến áp suất kiểu tụ

Trang 32

đổi theo sự dịch chuyển của tâm màng khi nĩ bị áp suất tác dụng Hình 2 mơ tả một cảm biến áp suất dùng chuyển đổi điện dung Ming, — 'Tụbiến đã [Lư NI Hình 1 3 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ

Trong chế tạo cảm biến áp suất thì hiệu ứng áp trở được sử dụng phổ biến hơn Nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp chế tạo vi cảm biến áp suất kiểu màng hiệu ứng áp điện trở được trình bày tiếp sau đây

12.12 Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở

Trên cơ sở hiệu ứng áp trở trong vật liệu silicon, nhiều loại vi cảm biến và các bộ chấp hành đã được phát triển với các tính năng và ứng đụng khác nhau Nguyên lý làm việc chung của các vi cảm biến loại này dựa trên sự thay đổi độ biến dạng của cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy cơ) được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng nhờ các áp điện trở được cấy trên phần tử nhạy cơ Khi phần tử nhạy cơ của vi cảm biến bị uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độ nhạy cũng như vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào kích thước cấu trúc cơ, dạng và kích thước các áp điện trở, vị trí các áp điện trở trên phần tử nhạy cơ Cấu trúc của vi cảm biến

áp suất kiểu áp trở được chỉ ra trong hình 3

Trang 33

I] I jin] =N Hinh 1 4 Cấu trúc cảm biến vi áp trở

Cảm biến được chế tạo trên một đề Silic loại n cĩ định hướng bề mặt là {100}, bing phương pháp ăn mịn điện hố, một màng silicon với kích thước và bề dày thay đổi được tạo ra, màng này rất nhạy với các tín hiệu áp suất Sau đĩ, bồn điện trở được đặt lên màng silicon tại trung điểm của các cạnh của hình vuơng bằng phương pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặc bằng phương

pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone

Các điện trở được đặt một cách chính xác cụ thể là hai điện trở được đặt song song với cạnh màng, hai điện trở cịn lại được đặt vuơng gĩc với cạnh màng Các cạnh của màng cĩ định hướng là {110}

Khi khơng cĩ áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng, điện

thể lối ra lúc này là bằng 0 Khi cĩ áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biển dạng, áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, các giá trị của các điện trở trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các trở song sơng với cạnh màng cĩ giá trị giảm đi thì các điện trở vuơng gĩc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược lại Kết quả là cầu sẽ bị mắt cơn bằng và điện áp lối ra là khác

Trang 34

Cảm biến áp suất là một trong những loại cảm biến thường dùng nhất trong,

cơng nghiệp Trong y tế thì cảm biến áp suất thường được sử dụng để đo áp suất máu trong động mạch và trong tính mạch Ưu điểm lớn nhất của cảm biến áp suất vi cơ điện tử là độ nhạy Cụ thể đối với đải điện áp thấp, độ nhạy của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,1 đến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học của màng và cường độ địng điện, trong dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến

hang trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar Một ưu điểm nữa đĩ là

kích thước của các cảm biến này do chế tạo theo cơng nghệ MEMS nên kích thước rất nhỏ, thuận tiện sử đụng trong mọi thiết bị BE lì

Hình 1 5 Sensor áp suất MEMS 1.2.2 Kỹ thuật truyền đẫn số liệu

1.2.2.1 Chuẩn giao tiếp

Để thực hiện truyền số liệu giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi hoặc giữa máy tính và máy tính, cần thiết phải cĩ mơi trường truyền thơng in và các

protocol giao tiép Hiện nay theo tiêu chuẩn của IEEE các kết nối truyền dẫn

Trang 35

Báo cáo tơng hợp kết quả khoa học cong nghé a

itu, ché tao thiét bi do mitc n

Negi cứu giéng ng

thơng tin được chuẩn hĩa thành một số các kiểu kết nổi được trình bày ở bảng

2.2 Các cổng giao tiếp của các chuẩn này cĩ thể cĩ sẵn ở trên các PC thơng

dụng hoặc dễ dàng thêm vào

Bang 2 2 Các chuẩn truyền dữ liệu và đặc tính

Kiểu kết nối Định dạng, Độ đài tối đa

(feetvimét) | (Bit/ Sec)

RS — 232 Nối tiếp khơng 30—100 #7 | 20k(115k (ELA/TIA — 232) đồng bộ 15-30m | với một số thiết bị ) RS —485 32 4000f/ 1,2 10M (TLA/EIA — 485) 6 km IrDA Nối tiếp hơng |2 6# 2m 115k ngoại khơng Vi ba 8 103m 2M SPL Nối tiếp đồng bộ | 8 10Ø3m 21M

[rc Nổi tiếp dong b6 | 40 18 5m 400 k

USB Nối tiếp khơng |127 1644m |12M

đồng bội

Firewire Nỗi tiếp 64 15f/4m 400 M

"Trên các giao tiếp trên, USB và Firewire (TEEE - 1384) là các chuẩn giao tiếp mới, tốc độ cao, thơng minh ứng dụng cho các kết nối giữa PC và các thiết bị ngoại vi Chuẩn USB được hi vọng sẽ thay thế giao tiếp RS 232 và các giao tiếp song song Centronic trong tương lai Firewire hay chuẩn 1394 cĩ tốc độ

nhanh và được thiết kế để cĩ thể truyền dữ liệu nhanh chĩng cho các blog đữ

liệu lớn như video, audio,

Trang 36

Ethernet 14 chudn giao tiếp quen thuộc sử dụng trong các mạng máy tính,

chuẩn giao tiếp này nhanh, truyền được xa nhưng các thiết bị giao tiếp cần phần cứng và phần mềm phức tạp hơn các chuẩn giao tiếp khác

Một sự lựa chọn khác các giao tiếp nối tiếp đĩ là chuẩn giao tiếp song song, vì chuẩn giao tiếp này cĩ thé truyền nhiều bít cùng lúc cho nên nĩ rất nhanh, tuy nhiên, giao tiếp này cần nhiều dây nối, nên thực hiện giao tiếp này ở khoảng cách lớn trong thực tế trở nên đắt đỏ và khĩ thực hiện

Chuẩn IrDA (Inared Data Asociation) dùng các UART giống nhau và định

đạng dữ liệu giống như RS-232 nhưng cĩ thêm bộ giải mã Dữ liệu truyền từ

nguồn phát hồng ngoại đến các thiết bị khơng giây Giao điện này rất là cĩ ích cho các liên kết ngắt, giữa các thiết bị mà khơng thể cĩ cáp nối ở giữa

Chuan MIDI (Musical instrument digital interface): giao dién số hĩa các dung cu âm nhạc Chuẩn này đùng dịng 5mA, tốc độ 31,5k bit/s

Chuẩn máy in Cenntronics (TEEE-1284) Mọi PC đều cĩ chuẩn này Tốc độ truyền cao qua cáp Được ứng dụng với các máy quét, các thiết bị lưu trữ mở rộng như đĩa cứng, và nhiều thiết bị ngoại vi đặc biệt khác Chuẩn IEEE-488 là

chuẩn song song đùng trong các ứng dụng điều khiển và trong âm nhạc

Giao tiếp RS 232 là giao tiếp được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất, rẻ

tiền và cĩ thể sử dụng với độ đài cáp dài hơn một số lựu chọn khác Chuẩn RS

485 cũng là một chuẩn rẻ tiền tuy ít thơng dụng hơn nhưng dễ dàng thêm vào hệ

thống, hỗ trợ khoảng cách lớn, tốc độ cao và giao tiếp nhiều nút hơn chuẩn RS

232, đây thực chất là một cấu hình phát triển của chuẩn RS 232 cho khoảng

cách lớn

Hiện nay, để truyền tín hiệu đi xa hơn và nối với nhiều thiết bị đầu cuối

hơn, người ta dùng chuẩn RS-485 vì cĩ mức điện áp tín hiệu cao hon RS 232

Trang 37

Dé sit dung chuan này, ngudi ta cd cdc bé chuyén déi tin hiéu chudn tir RS-232 thành tín hiệu chuẩn RS-485

Ngưỡng giới hạn điện áp qui định cho RS ~ 485 được nới rộng ra khoảng —

7V đến 12V, và trở kháng đầu vào cũng được tăng lên Ngồi khả năng giống, như RS -232, RS-485 cịn cĩ khả năng ghép nĩi nhiều điểm, vì thế được dùng,

phổ biến trong các hệ thống bus Cụ thể, 32 trạm cĩ thể ghép nối, được định địa

chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà khơng cần bộ lặp

Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm

ột bộ kích thích đều phải đưa về trạng

tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm

sốt đường dẫn và phát tín hiệu, vì

thái trở kháng cao mỗi khi

khác tham gia Chế độ này được gọi là tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động,

xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác việc đĩ thuộc về trách nhiệm

của phần mềm điều khiển truyền Trong mạch của bộ kích thích RS-485 cĩ một

tín hiệu đầu vào * Enable° được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-sfate

Mặc dù phạm vi làm việc tối đa từ —6V đến 6V trong trường hợp hở mach,

trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ+1,5V_ đến +

5 V đối với đầu ra (bên phát) và từ + 0/2V đến +5V đối với đầu vào đến (bên

thu)

RS-485 cho phép nĩi 32 trạm, ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ

theo cách chọn tải cho từng thiết bị thành viên Giới hạn này xuất phát từ đặc

tính kỹ thuật của hệ thống truyền tải nhiều điểm Các trạm được mắc song song,

vì thế việc tăng số trạm sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép

RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữ trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, khơng phụ thuộc vào số trạm tham gia Tĩc độ truyền dẫn

cĩ thể lên đến 10 Mbit⁄s, một số hệ thống gần đây cĩ thể lên đến tốc độ 12

Mbit/s Tuy nhiên cĩ sự trao đổi giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài day din

Trang 38

với tốc độ 10Mbd

cho phép, tức là một mạng đài 1200m khơng thể làm vii

Quan hệ giữa chúng phụ thuộc rất nhiều vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu Với điều kiện và yêu cầu cơng nghệ cho việc truyền số liệu giữa đầu cảm

biến mực nước và máy tính ( Khoảng cách - 150 m) chuẩn giao tiếp RS 485 là

chuẩn giao tiếp thích hợp

1.2.2.2 Protocol truyén ndi tiép bat đồng bộ

Máy tính trong một mắt xích nối tiếp cĩ thể là nhiều dạng khác nhau, nhưng tất cả chúng phải cùng đồng ý một thoả thuận và qui tắc để cho dữ liệu cĩ thể trao đổi giữa chúng Sự thoả thuận này phải chắc chấn rằng mọi sự chuyển dữ liệu phải tìm thấy được nơi nĩ cần đến, và mỗi máy tính phải hiểu thơng điệp gửi tới nĩ Sự thỏa thuận này là các protocol để trao đổi dữ liệu Hiện cĩ nhiều protocol giao tiếp giữa các thiết bị như song song, nối tiếp bắt đồng bộ, nĩi tiếp đồng bộ, vv

Dưới đây giới thiệu về cách định dạng dữ liệu và giao thức dùng trong truyền thơng nĩi tiếp Chủ yếu là định dạng khơng đồng bộ đùng 2 chuẩn thơng

dụng là RS-232 và RS-485

-_ Gửi đữ liệu nối tiếp:

"Trong một liên kết ni tiếp, nơi gửi đữ liệu sẽ gửi từng bit một ở mỗi thời

điểm nối tiếp nhau Một liên kết nối tiếp chỉ cĩ 2 thiết bị thì phải cĩ đường dẫn đành cho mỗi chiều truyền hoặc là nĩ chỉ cĩ 1 đường dẫn được chia sẻ bởi cả 2

thiết bị với thoả thuận của 2 thiết bị này Khi mà cĩ 3 hoặc nhiều thiết bị, tất cả

các thiết bị này thường đùng chung một đường dẫn, và giao thức mạng quyết định xem thiế bị nào cĩ quyền truyền nhận dữ liệu Một tín hiệu địi hỏi bởi tất cả mọi liên kết nối tiếp là tín hiệu xung đồng hồ, hoặc là cĩ sự tham khảo về thời gian để điều khiển đường truyền dữ liệu Nơi truyền và nơi nhận dùng xung đồng hỏ để quyết định khi nào gửi và Khi nào đọc

Trang 39

“Nghién cit, ché tao thitt bi do mine nude giéng nge mỗi bít Cĩ hai dạng định dạng dữ định dạng này đùng các dạng xung đồng hỏ khác nhau là đồng bộ và khơng đồng bộ, và mối - _ Định dạng đồng bộ:

"Trong truyền đồng bộ, mọi thiết bị dùng một xung đồng hồ được phát ra

bởi một thiết bị hoặc từ một nguồn xung ngồi Xung đồng hỗ cĩ thể cĩ một tần

số cố định hoặc cĩ thể chốt tại những khoảng thời gian khơng đều Mọi bít truyền đi được đồng bộ với đồng hỗ Nĩi cách khác, mỗi bít được truyền đi là dựa vào sự chuyển đổi của xung (như tăng hoặc giảm của sường xung) Nơi nhận dùng sự chuyển đổi xung để quyết định khi nào đọc mối bít truyền tới Nơi

truyền sẽ truyền các bit khi mà nhận thấy sự chuyển sườn xung từ cao xuống thấp, và nơi nhận thì ngược lại phát hiện khi nào cĩ sự chuyển sườn xung từ thấp lên cao thì đọc các bit Chỉ tiết chính xác của giao thức này cĩ thể biến đổi khác đi Ví dụ, nơi nhận cĩ thể chốt đữ liệu nhận trong sườn xung tăng hoặc giảm, hoặc là phát hiện mức logic ở mức cao hoặc thấp Định dạng đồng bộ dùng các cách khác nhau để bắt đầu và kết thúc việc truyền dữ liệu, bao gồm bít Start va bit Stop va tin hiệu lựa chọn chíp

- Định dạng khơng đồng bộ:

'Trong truyền khơng đồng bộ, liên kết khơng bao gồm đường xung déng hd, bởi vì mỗi điểm đầu cuối của liên kết đã cĩ xung đỏng hồ cho riêng từng cái Mỗi điểm sẽ cần phải đồng ý cùng một tần số của đồng hồ và mọi đồng hồ chỉ

khác nhau một vài % Mỗi byte truyền đi bao gồm bít Start để đồng bộ đồng hồ và một hoặc nhiều bít Stop cho tín hiệu kết thúc việc truyền trong mỗi một từ được truyền đi Cơng RS-232 trong PC đùng định dang khơng đồng bộ để giao

tiếp với modems (thiết bị mã hố, giải mã dữ liệu) và các thiết bị khác Dù RS- 232 cĩ thể truyền đữ liệu đồng bộ nhưng liên kết khơng đồng bộ vần được dùng phổ biến hơn Phần lớn liên kết RS-485 dùng giao tiếp khơng đồng bộ

Trang 40

Truyền khơng đồng bộ cĩ thể dùng một trong vài cách định đạng phổ biến

Phổ biến nhát là kiểu 8-N-1, nơi truyền sẽ truyền mỗi byte đữ liệu một bít Start, tiếp theo là 8 bít đữ liệu bắt đầu với bít 0 (bít cĩ trọng số nhỏ nhất Least Sìgnificant Bit) và kết thúc với 1 bít Stop

Với chuẩn giao tiép RS 485, protocol được sử dụng đề truyền số liệu phù hợp là protocol chuẩn truyền đữ liệu nĩi tiếp bất đồng bộ UART

Trong chế độ truyền bắt đồng bộ thơng tin được truyền đi đưới dạng từng ký tự và khoảng cách các ký tự là ngẫu nhiên Tuy nhiên để tạo sự đồng bộ giữa máy phát và thu, giao thức tầng 2 (Data link protocol) cĩ qui định cụ thể về mẫu tín hiệu trong hệ thống truyền bắt đồng bộ như sau :

- Mỗi ký tự gồm một số bit gọi là ký tự dữ liệu, số này cĩ thể là 5 đối với mã Baudot, 7 nếu là mã ASCH (American Standard Code for Information Interchange) và 8 nếu là mã EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Information Code, mã BCD mở rộng)

- Ngồi ra, để tạo sự đồng bộ, kèm theo các bit mã ký tự cịn cĩ các bit

Start ở trước mỗi ký tự và các bit Stop ở sau mỗi ký tự Các bit Start là các bit 0 và các bit Stop là bit 1 Số bit Sfart luơn luơn là 1 bit cịn số bit Stop cĩ thể là 1,

1,5 hoặc 2 bít

- Nếu cĩ thêm bit kiểm sốt chẵn lẻ (parify bit) thì bit này nằm trước bit Stop Ở trạng thái nghỉ máy phát luơn phát đi bit 1 gọi là bit nghi (idle bit), như

vậy máy thu đị ra bit Start khi cĩ sự biến đổi từ 1 xuống 0, sau đĩ là một chuỗi