Nghiên cứu ứng dụng phương pháp từ trường cảm ứng để dò tìm vị trí dòng thấm, dòng rò rỉ qua thân đập thủy điện

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ thiết bị có thể phát hiện được những dòng thấm và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 150m.

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỪ TRƯỜNG CẢM ỨNG ĐỂ DỊ TÌM VỊ TRÍ DỊNG THẤM, DỊNG RỊ RỈ QUA THÂN ĐẬP THỦY ĐIỆN Trong thực tế, việc khảo sát rò rỉ nước hồ qua đập phương pháp đánh dấu chủ yếu xác định thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm vận tốc trung bình, số kênh thấm,… mà khơng cho thơng tin vị trí dịng rị rỉ ngầm thân đập đập Việc xử lý khắc phục rị rỉ gặp nhiều khó khăn thiếu hiệu không xác định vị trí dịng rị Từ năm 2016 đến năm 2018, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân Công nghiệp (CANTI) nghiên cứu, tiếp cận phương pháp xác định vị trí dịng thấm dịng rị phương pháp từ trường cảm ứng Nghiên cứu CANTI đạt kết định ứng dụng vào việc xác định dòng rò dòng thấm đập thủy điện nhỏ hệ thiết bị xác định dịng thấm dịng rò độ sâu tối đa 70m Báo cáo trình bày kết nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến đo từ trường cảm ứng mạch điện tử kèm nhằm nâng cao độ nhạy hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua hệ thiết bị phát dòng thấm dòng rò qua thân đập thủy điện độ sâu tối đa 150m MỞ ĐẦU Ngày nay, an tồn đập ln vấn đề cấp thiết quan tâm hàng đầu Việc khảo sát rị rỉ nước hồ qua đập khơng gói gọn vào xác định thơng số đặc trưng cho lưu lượng thấm mà phải xác định vị trí dịng rị, từ giúp quan quản lý khắc phục cố an toàn đập kịp thời dịng điện, vị trí độ rộng dòng rò xác định Phương pháp sử dụng dòng phát 380Hz - 433Hz nhằm tối ưu độ nhạy cảm biến từ hạn chế nhiễu từ sóng hài mạng điện dân dụng Bên cạnh đó, việc đặt điện cực cho hệ thống (gồm nguồn phát, dây dẫn dòng rò rỉ đập) tạo thành mạch kín lưu ý quan trọng Các số liệu từ trường thực nghiệm hiệu chỉnh nhằm loại bỏ đóng góp dây dẫn, điện cực từ trường Trái Đất, từ kết hợp với số liệu thủy địa chất đập, tiến hành minh giải để đưa kết luận xác vị trí dịng rị rỉ đập Ứng dụng từ trường cảm ứng khảo sát dòng thấm qua đập phương pháp mới, tiết kiệm thời gian chi phí Phương pháp dựa nguyên tắc: nước thấm qua đập từ hồ chứa làm tăng độ đẫn điện vật liệu đập Khi dịng Báo cáo trình bày kết nghiên cứu thiết điện xoay chiều đặt vào hai bên đập, dòng kế chế tạo cảm biến đo từ trường cảm ứng điện qua vùng thấm thân đập, mạch điện tử kèm nhằm nâng cao độ nhạy cách đo thành phần từ trường tạo Số 62 - Tháng 03/2020 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua hệ độ từ trường dọc ngang thực nghiệm, thiết bị phát dịng thấm đồ sở biểu diễn vị trí dịng rò thiết lập dòng rò qua thân đập thủy điện độ sâu tối đa 150m Các nghiên cứu tiếp tục để hoàn thiện phương pháp, tăng độ nhạy khảo sát đến độ sâu 250m để triển khai thực địa, phục vụ nhu cầu khảo sát dịng rị, góp phần tích cực vào cơng tác xử lý, đảm bảo an tồn đập Hình Minh họa từ trường tạo dây dẫn thẳng dài vô hạn (trái) thành phần từ trường (phải) 2.2 Hệ thiết bị cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình Minh họa phương pháp từ trường cảm ứng xác định dòng rò rỉ đập NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý thuyết Theo định luật Ampere, độ lớn vector cảm ứng từ điểm cách dây dẫn khoảng R (m) tạo dây dẫn thẳng, dài vô hạn: Hình : Thành phần cấu trúc hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng Hệ thiết bị bao gồm điện cực đồng có chiều dài 1m cắm vào điểm đầu điểm Với B độ lớn vector cảm ứng từ (T), µ0 cuối vùng cần khảo sát, điện cực nối số từ môi ( ), I cường độ với máy phát xung dây dẫn lõi đồng có bọc cách điện dòng điện (A) Khi dòng điện xoay chiều đặt vào hai bên đập, dòng điện qua vùng thấm thân đập theo đường ứng với trở kháng nhỏ Dòng điện ưu tiên tạo dòng rò rỉ đập xem dây dẫn Dịng điện biến thiên ghi nhận gián tiếp thông qua từ trường biến thiên mặt đập cảm biến từ Bằng cách minh giải số liệu cường Số 62 - Tháng 03/2020 Máy phát xung có cơng suất 2000W điều chỉnh tần số phát từ vài Hz đến vài trăm Hz tự động ổn định dịng điện phát thơng qua điện cực Thiết bị đo từ trường cảm ứng có độ nhạy cao gồm cảm biến đặt vng góc theo trục XYZ nhằm thu nhận từ trường, tín hiệu khuếch đại lọc nhiễu sau chuyển đổi từ tín hiệu THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN tương tự sang tín hiệu số Số liệu hiển thị Độ thẩm từ lõi cảm biến tính hình LCD lưu lại thẻ nhớ SD theo cơng thức: biến (2) - Trong μ độ từ thẩm lõi cảm - N yếu tố khử từ tính theo cơng thức: (3) Khi µ tiến tới ∞ Hình : Hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng CANTI chế tạo Hình : Máy phát dịng điện cực CANTI chế tạo 2.2.1 Chế tạo cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình 7: Mối tương quan µ µc Bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng bao gồm 03 cảm biến đặt theo trục X,Y, Z theo chiều không gian Cảm biến sử dụng lõi Mumetal có độ từ thẩm cao có đường kính 4mm, chiều dài 38mm, phía bên lõi từ lên 02 cuộn dây vật liệu đồng đường kính 0.1mm, có số vịng 6000 33 vòng Sơ đồ cuộn dây thể hình 6: Như vậy, để cảm biến đạt độ nhạy cao độ thẩm từ µc phải cao.Tuy nhiên tăng tỷ lệ chiều dài đường kính dẫn đến tăng độ từ thẩm lõi µ lại ảnh hưởng đến chức chuyển đổi lõi từ.Việc tăng tỷ lệ chiều dài đường kính mức khiến lõi từ tăng nhạy với từ trường Trái Đất làm nâng nhiễu cảm biến Giá trị tối đa chấp nhận để giữ cho suy giảm độ nhạy tương đối δs lõi từ giới hạn định Hình 6: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây cảm biến Số 62 - Tháng 03/2020 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN (4) Trong L0 độ tự cảm cuộn dây khơng có lõi, kD tỉ số đường kính ngồi đường kính cuộn dây, kmr hệ số phụ thuộc vào điện trở cuộn dây lõi từ: Trong đó: Bs cảm ứng bão hịa vật liệu lõi (8) µc khơng đồng dọc theo lõi giá trị cực đại nó, nằm trung tâm, hình Điện trở cuộn dây cảm biến tính theo lăng trụ thường sử dụng đưa biểu công thức: thức: (9) (5) Trong ρ điện trở suất đồng, ln chiều dài cuộn dây trung bình, n số vòng dây Trọng lượng cuộn dây tính theo cơng Độ thẩm từ trung bình lõi phần thức: tính theo phân bố cảm ứng từ dọc theo lõi là: (10) (6) Trong γc γCu mật độ vật liệu lõi cuộn dây Phương pháp tối ưu hóa tín hiệu đầu cảm biến: kết hợp tối ưu tham số đầu S cảm biến tham số đầu vào tiền khuếch đại (PA) để có tín hiệu nhiễu đầu cảm biến thấp WB Mức tín hiệu nhiễu tối thiểu (theo cơng thức bán thực nghiệm từ Berkman-Korepanov): (11) Hình 8: Đường cong điện áp nhiễu so với chiều dài tương đối W0≈ 10-28T2 / Hz ; l - Chiều dài cảm biến; f -Tần số tín hiệu; A ≈ 30 m5 Hz2; B ≈ 10-4m5 Hz4 Để đạt kết hợp tối ưu qua ta Điện áp tương đối thu cuộn dây tính tốn thơng số cần thiết cảm hình trụ so với vị trí lõi (đường cong biến: n, l, M, µc màu xanh cây), tín hiệu nhiễu so với chiều dài tương đối ln / l (đường cong màu xanh nước biển) Độ tự cảm L cuộn dây có lõi phụ thuộc vào độ thẩm từ lõi µcc điện trở cuộn dây: 10 Số 62 - Tháng 03/2020 (7) Hình 9: Sơ đồ tương đương cảm biến mạch THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Tổng mật độ nhiễu giá trị từ trường WB đo (sử dụng độ nhạy cuộn dây G = U0 / H) là: (12) Trong đó: Hình 12: Tín hiệu nhiễu cảm biến thay đổi số vòng dây cảm biến Phổ tần số nhiễu PA đặc trưng tham số nhiễu mở rộng: mật độ điện áp nhiễu tối thiểu Wu0; tần số góc góc độ cao tần số thấp fu1, αu; tần số góc độ cao bổ sung tần số cực thấp fu2; mật độ dòng nhiễu tối thiểu Wi0; tần số góc góc độ cao nhiễu tần số cao fi1, αi; tần số góc tần số thấp fi2 Sau đó, điện áp mật độ nhiễu phụ thuộc vào tần số tính phương trình: Dựa vào đồ thị Hình 12 ta nhận thấy, với dải tần số thấp 50Hz số vịng dây cảm biến ít, tín hiệu nhiễu càng cao, với tần số cao 50Hz tín hiệu nhiễu cao cảm biến có số vịng dây nhiều Thiết bị đo từ trường cảm ứng đề tài làm việc tần số 400Hz nên ta chọn cảm biến cho số vòng dây phù hợp khơng q cao (18) (19) Hình 13: Tín hiệu nhiễu cảm biến thay đổi tiền khuếch đại Hình 10: Sơ đồ nhiễu điện áp khuếch đại Hình 11: Sơ đồ dịng nhiễu khuếch đại Trong đồ thị hình 13, đường cong số màu xanh thể tín hiệu nhiễu cảm biến cảm biến kết nối với tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào cao ; đường cong số màu đỏ thể tín hiệu nhiễu cảm biến cảm biến kết nối với tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào thấp Như với tần số làm việc thiết bị 400Hz sử dụng tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào cao để giảm nhiễu Số 62 - Tháng 03/2020 11 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Hình 14: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình 15: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại lọc tần số Hình 18: Tín hiệu thu cảm biến theo dải tần Hình 19: Tín hiệu nhiễu cảm biến Các thông số cảm biến từ trường mà CANTI chế tạo: Hình 16: Mạch điện tử cuộn dây cảm biến 2.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG Tiến hành thử nghiệm dị tìm dịng rị rỉ qua thân đập đập phụ số Hồ thủy điện Hàm Thuận, sau thực nghiệm nhóm nghiên cứu tiến hành báo cáo với Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi Hình 17: Hình dáng bên ngồi cảm biến đo từ trường cảm ứng 12 Số 62 - Tháng 03/2020 2.3.1 Mô tả thực nghiệm trường Tại đập phụ số Hồ thủy điện Hàm Thuận có THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN xuất điểm thấm rị phía hạ lưu với lưu lượng 0.2l/phút, với diện tích mặt tồn thân đập vào khoảng 5-7km2 nên nhóm nghiên cứu tiến hành đo trước đường theo chiều dọc thân đập với khoảng cách 2m điểm đo để xác định vị trí cần khảo sát sau tiến hành khảo sát đo vùng xác định Một đầu điện cực đặt hồ chứa phía thượng nguồn đầu điện cực cịn lại cắm phía hạ nguồn nơi chân đập, hệ thống dây dẫn điện từ điện cực máy phát sử dụng 1000m dây dẫn lõi đồng có tiết diện 2,5mm bọc cách Hình 21: Bản đồ từ trường thành phần Bx (Cuộn điện chịu điện áp 1000V dây song song với thân đập) Máy phát phát nguồn điện có tần số phát 380Hz, dịng điện phát 0.2A hiệu điện phát 500V Trên mặt đập khu vực cần khảo sát, tiến hành chia ô lưới theo khoảng cách 2m x 2m, điểm giao điểm đo Hình 22: Bản đồ từ trường thành phần By (cuộn dây vng góc với thân đập) Hình 20: Tiến hành thí nghiệm đập phụ số hồ Hàm Thuận 2.3.2 Kết thực nghiệm trường thảo luận Dựa vào thành phần Bx By để xác định hướng dòng thấm rò rỉ qua thân đập, thành phần Bz nhằm xác định độ sâu dịng rị thấm Hình 23: Bản đồ từ trường thành phần Bz (cuộn dây thẳng đứng so với đập) Số 62 - Tháng 03/2020 13 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Bản đồ từ trường thành phần Bx hình 21 phục kịp thời cố an toàn đập xác định dòng rò thấm từ hồ chứa thân đập, điểm rị thấm cách điện cực 10m Bùi Trọng Duy, Nguyễn Hữu Quang, phía máy phát, màu sắc độ thấm theo thang đo Đặng Quốc Triệu, Vuong Duc Phung, màu đồ từ màu đen thể độ thấm Vira Pronenko đến màu trắng thể độ thấm cao Do dịng thấm vng góc với thân đập nên đồ từ trường thành phần By hình 22, từ trường dịng thấm thu nhận dược thấp Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân cơng nghiệp Hình 23 thể đồ từ trường thành phần Bz, dựa vào thành phần Bz ta xác định độ sâu TÀI LIỆU THAM KHẢO dòng thấm [1] Willowstick Technologies LLC (2007), Tuy nhiên thân đập có độ dốc khơng AquaTrack Technology Explained, White Paper, phải mặt phẳng thí nghiệm USA mơ hình phịng thí nghiệm, cần phải có thêm thời gian để sử dụng phương pháp tính [2] Willowstick Technologies LLC (2011), Wiltoán chiếu ngược xác định độ sâu lowstick Geophysical Investigation of Recycle Tailings Pond Dam Pogo Mine, Alaska, USA dòng thấm Trong đồ từ trường thành phần By Bz đường từ trường cao phía đường thân đập, dãy lan can sắt đường [3] Willowstick Technologies LLC (2012), Willowstick Geophysical Investigation of Highgate Pond #2, USA [4] Filter Design in Thirty Seconds, Application Theo nhận định nhóm nghiên cứu, dãy lan Report SLOA093 – December 2001 can làm sắt thu nhận tập trung [5] The Bubba Oscillator: An Op Amp Sine Wave đường sức từ trường dịng thấm phía Generator By Hunter Scott thân đập phát sau phát ngược lại KẾT LUẬN Qua nghiên cứu thiết kế chế tạo CANTI chế tạo cảm biến có kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy cao qua chế tạo hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng phát vị trí dịng thấm dịng rị độ sâu 150m Các nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ nhạy thiết bị, hồn thiện phương pháp chế tạo thiết bị có khả đáp ứng tốt nhằm ứng dụng phương pháp phục vụ cho công tác quản lý, cảnh báo khắc 14 Số 62 - Tháng 03/2020 ... họa từ trường tạo dây dẫn thẳng dài vô hạn (trái) thành phần từ trường (phải) 2.2 Hệ thiết bị cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình Minh họa phương pháp từ trường cảm ứng xác định dòng rò rỉ đập. .. đo từ trường cảm ứng, qua hệ độ từ trường dọc ngang thực nghiệm, thiết bị phát dịng thấm đồ sở biểu diễn vị trí dịng rị thiết lập dòng rò qua thân đập thủy điện độ sâu tối đa 150m Các nghiên cứu. .. dòng điện qua vùng thấm thân đập theo đường ứng với trở kháng nhỏ Dòng điện ưu tiên tạo dịng rị rỉ đập xem dây dẫn Dòng điện biến thiên ghi nhận gián tiếp thông qua từ trường biến thiên mặt đập