IV Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Cụng nghệ thụng tin (24 25/12/2001)
a. Đầu đo mực nước
Qua 3 năm tỡm tũi nghiờn cứu đề tài đó trải qua nhiều giai đoạn thăng trầm, tiến hành nhiều thử nghiệm, nhiều mẫu mó để cuối cựng đạt được kết quả đặt ra ban đầu. Hệ thống đo mực nước từ xa gồm 2 khối (xem hỡnh 1): Khối đầu đo và truyền dữ liệu đo về và khối nhận dữ liệu thu thập xử lý lưu trữ và hiển thị. Cả hai khối đều được nghiờn cứu thiết kế và chế tạo mới 100%.
Hỡnh 1. Hệ thống đo mực nước từ xa
1. Hệ thống thu thập xử lý dữ liệu (PC104 & DiskOnChip) 2. Bộ chuyển đổi RS232-RS485
3. Mạch hiển thị dữ liệu đo 4. Đầu đo mức nước 1-3 m
5. Phần mềm đo và thu thập dữ liệu 6. Kết nối mỏy chủ thụng qua RS232
a.1. Khối đầu đo
Với yờu cầu của đề tài phải chế tạo mới hệ thống đo liờn tục bằng phương phỏp tụ chỳng tụi đó tỡm tũi nghiờn cứu cỏc sản phẩm hiện cú trờn thế giới qua mạng Internet. Nguyờn lý chung của đo mực nước bằng phương phỏp tụ là sử dụng tớnh chất hằng số điện mụi của nước lớn gấp khoảng 80 lần so với của khụng khớ, cú nghĩa là khi mực nước dõng cao thỡ giỏ trị tụ điện của phần ngập nước của đầu đo sẽ bị thay đổi với hệ số khoảng 80 lần. Dựa vào tớnh chất này nhiều cấu trỳc đầu đo và bộ chỉ thị đó được cỏc hóng rao bỏn đều cú giỏ thành rất
Hệ thống thu thập xử lý dữ liệu 1 2 Hiện thị số liệu 3 5 Cấp nguồn và cáp truyền RS-485 1200 m Bộ chuyển đổi RS232- RS485 4
đắt và cỏc bớ quyết cụng nghệ chế tạo đầu đo đều bớ mật. Để truyền dữ liệu từ xa đa sốđều dựng truyền theo chuẩn tương tự 0-10V hoặc 4-20mA. Một số đầu đo cho ra chuẩn truyền số RS232 để cú thể phối ghộp với mỏy tớnh thu thập dữ liệu với khoảng cỏch <15m.
Giai đoạn đầu (2001-2002) là giai đoạn đề tài thử nghiệm với mẫu thiết đầu tiờn với cấu trỳc đầu đo cú cú chất liệu cỏch điện bằng ống nhựa mềm và mạch truyền dữ liệu dạng xung dũng. Phương phỏp này cho kết quả khụng ổn định do nhiễu và khoảng cỏch truyền khụng vượt quỏ 300m. Mặt khỏc việc chọn vật liệu cỏch điện trong nước gặp nhiều khú khăn do hằng số điện dung của ống nhựa mềm ảnh hưởng đến kết quảđo và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của nước. Đề tài đó tiến hành thử với nhiều vật liệu cỏch điện với nhiều giải nhiệt độ từ 0oC đến 80oC và rỳt ra một số quy luật hiệu chỉnh để đảm bảo độ chớnh xỏc của phộp đo. Để đảm bảo độ tin cậy của phộp đo và truyền số liệu đi xa hơn chỳng tụi nhận thấy phải ỏp dụng cụng nghệ cao vào sản phẩm làm cho đầu đo trở thành thụng minh hơn. Cỏc kết quả thu được giai đoạn 2001-2002 là cơ sở cho thiết kế mới sử dụng cụng nghệ tạo chip chuyờn dung PSoC. Cụng nghệ PSoC là cụng nghệ tạo chip chuyờn dụng của hóng Cypress Mỹ cho cỏc thiết bị đo và điều khiển thụng minh được thế giới cụng nhận là cụng nghệ mới của năm 2001. Đề tài đó liờn hệ trực tiếp với hóng Cypress và nhận được sự hỗ trợ về chuyờn gia và tài liệu, chỳng tụi đó nhanh chúng tiếp cận và làm chủ cụng nghệ PSoC và đó tạo ra được chip đo mực nước chuyờn dụng WLS.
Giai đoạn 2003-2004 là giai đoạn thử nghiệm nhiều mẫu thiết kế cho cỏc loại đầu đo 1m, 2m và 3m sử dụng chip WLS. Cỏc thuật toỏn xử lý, lọc số, loại nhiễu và tớnh toỏn bự nhiệt độ chuyển đổi kốm theo cỏc giao thức truyền dữ liệu kết nối mạng RS485 được tớch hợp trong chip WLS tạo thành đầu đo mực nước thụng minh mới. Đầu đo khụng những đo mực nước mà cũn đo nhiệt độ của nước và khụng khớ để hiệu chỉnh giỏ trịđo bảo đảm hoạt động ổn định trong mựa hố cũng như mựa đụng.
Cấu trỳc cơ khớ của đầu đo cũng được thử nghiệm với nhiều mẫu mó khỏc nhau để chọn ra được một kết cấu tối ưu, dễ chế tạo và sử dụng cỏc vật liệu phổ thụng tạo nờn giỏ thành thấp.
a2. Cấu trỳc và nguyờn lý hoạt động của đầu đo
Đầu đo hoạt động theo nguyờn lý điện dung, của 2 ống inox lồng nhau ở giữa cú lớp cỏch điện cú độ dài trung bỡnh từ 1m - 3m.
Điện dung của đầu đo đ−ợc tính theo công thức sau: (xem hình 2)
(1) L - độ dài của đầu đo;
l - độ dài của đầu đo ngập trong n−ớc R, r - bán kính ống ngoài và bán kính ống trong của đầu đo;
εo - hằng số điện môi;
Nếu đặt: (2)
điện dung của đầu đo sẽ là: Nh− chúng ta đã biết, khi đầu đo đ−ợc nhúng vào trong n−ớc, hằng số điện môi của n−ớc
sẽ gấp sấp sỉ 80 lần so với không khí.
Khi ta nhúng đầu đo vào n−ớc với độ dài l, điện dung sẽ đ−ợc tính nh− sau:
(3)
21,C 1,C
C - điện dung của đầu đo, phần ngập trong n−ớc và phần ở ngoài không khí Tổng điện dung của đầu đo sẽ tính nh− sau:
C = C1 + C2 = 80 ⋅K o ⋅l + K o ⋅L − K o ⋅l (4)
l K C
C = o + 79 ⋅ o ⋅ (5)
Dựa vào tớnh chất điện dung này, chỳng tụi đó thiết kế đầu đo mực nước. Trong quỏ trỡnh tỡm hiểu, thiết kế và chế tạo đầu đo, chỳng tụi cũng phải xem xột đến cỏc vấn
)ln( ln( 2 r R L Co = πεo L L K Co = o⋅ ) ln( 2 r R K o o πε = l K r R l C = o = o⋅80⋅ ) ln( 80 2 1 πε l K L K l L r R C = o ( − ) = o − o ) ln( 2 2 πε
đề như độ bền, độ nhạy và tớnh chớnh xỏc của đầu đo, ngoài ra phải chọn vật liệu cũng nhưđường kớnh của ống, vật liệu bọc, v.v
Đầu đo của đề tài được thiết kế và làm bằng Inox, đảm bảo độ bền tốt khi ngõm nước trong một thời gian dài, lừi được bọc bằng một vật liệu cỏch điện tốt đảm bảo khụng bị dũ khi ngõm trong nước lõu. Phụ thuộc vào nhu cầu và của từng vị trớ đo, mà cú thể chế tạo ra cỏc loại đầu đo dài ngắn khỏc nhau. Hiện tại chỳng tụi cú những loại đầu đo dài 1m, 2m và 3m.
a3. Cấu trỳc cơ khớ đầu đo mực nước
Cấu trỳc cơ khớ của đầu đo mực nước được mụ tả trong hỡnh 3: Thiết kế chi tiết đầu đo:
Hỡnh 3: Cấu trỳc cơ khớ của Đầu đo 8
8 – Dõy kộo ra ngũai 1 - Nắp đầu đo
2 - Lỗ bắt đất GND
3 - Mạch in & Linh kiện