8. Kết quả khảo sỏt thực tế
8.4.3 Sensor đo giú chong chún g kiểu chộn giú hóng VAISALA
Bộ sensor đo giú WA15 Wind set (do hóng Vaisala chế tạo) là một bộ sensor
đo giú mà bộ phận đo tốc độ giú và bộ phận đo hướng giú được chế tạo riờng biệt thành 02 phần bao gồm:
Sensor đo tốc độ giú WAA151 Sensor đo hướng giú WAV151
Hỡnh 28 - Bộ sensor đo giú Model WA15 Wind Set hóng VAISALA 8.4.3.1 Sensor đo tốc độ giú - kiểu chộn giú WAA151
a) Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của sensor:
Hỡnh 29 - Sensor đo tốc độ giú Model WAA151 hóng VAISALA
1. Hệ thống chộn hứng giú 2. Trục sensor
3. Thõn sensor
hồng ngoại sẽ bị cắt 14 lần, đĩa quay ngắt tia hồng ngoại sẽ tạo ra một chuỗi xung tại đầu ra của một phototransitor. Đầu ra xung sẽ tỷ lệ với tốc độ giú. b) Dải đo và tớn hiệu đầu ra của sensor - Dải đo tốc độ giú của bộđo giú : 0,4-75 m/s - Ngưỡng cảm ứng là : <0,5 m/s - Độ chớnh xỏc đo tốc độ giú : ± 0,5 m/s - Tớn hiệu đầu ra tốc độ giú: xung điện ỏp Uf = 0,1007 x R + 0,3278 Uf = Tốc độ giú R = Số xung đầu ra 0,3278 là hằng số offset
- Nguồn cung cấp cho sensor từ 9,5 – 15,5 VDC, 20 mA
8.4.3.2 Sensor đo hướng giú - kiểu chong chúng cõn bằng WAV151 a) Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của sensor:
Hỡnh 30 - Sensor đo hướng giú Model WAV151 hóng VAISALA
1. Bộ phận cỏnh chong chúng thăng bằng 2. Trục sensor
3. Thõn sensor
Sensor đo hướng giú WAV151 là một bộ đếm cõn bằng. Dưới tỏc dụng của lực cản giú cỏnh cõn bằng sẽ xoay đi một gúc và dừng lại khi mặt phẳng của cỏnh cõn bằng trựng với hướng giú. Trờn trục quay của cỏnh cõn bằng ta gắn một chiếc đĩa gọi là đĩa mó húa GRAY 6 bit. Trờn thõn sensor người ta gắn cỏc đốn LED hồng
ngoại và cỏc Phototransistor sao cho khi đĩa xoay một gúc thỡ cỏc LED hồng ngoại sẽ đúng mở cỏc phototransitor tạo thành tớn hiệu mó GRAY 6 bit. Đối với sensor này nhà sản xuất sử dụng mó GRAY 6 bit nờn cỏc vị trớ hướng giú cú thể phõn biệt
được theo bộ mó là 26 = 64 vị trớ. Giỏ trị của mó sẽ thay đổi mỗi khi cỏnh cõn bằng xoay đi một gúc là 5,60 ( =360/64). Hướng giú được xỏc định tương ứng với bảng mó GRAY 6 bit như bảng liệt kờ dưới đõy.
Bảng liệt kờ hướng giú theo mó GRAY 6 bit
Theo bảng trờn thỡ mỗi hướng Đụng, Tõy, Nam, Bắc (E, W, S, N) cú 16 vị trớ hướng giú cú thể phõn biệt được.
b) Dải đo và tớn hiệu đầu ra của sensor
- Dải đo hướng giú : 0-3600 - Ngưỡng cảm ứng là : <0,4m/s - Độ phõn giải hướng giú : 5,60
- Độ chớnh xỏc đo hướng giú : ± 30 - Nguồn cung cấp cho sensor từ 9,5 – 15,5 VDC, 20 mA - Tớn hiệu đầu ra dạng mó GRAY 6 bit
Hỡnh 31 - Sensor đo giú bằng siờu õm 5600-0210 hóng SUTRON
Cấu tạo của sensor đo giú dựng siờu õm gồm cú 4 đầu thu phỏt tớn hiệu súng siờu õm, cỏc đầu thu phỏt được đặt thành 2 cặp theo 2 trục tọa độ là Đụng – Tõy và Nam - Bắc. Dựa vào thời gian thu phỏt tớn hiệụ siờu õm giữa cỏc cặp Transceiver trờn người ta sẽ cú được tốc độ giú và hướng giú.
b) Đo tốc độ giú và hướng giú:
Tốc độ giú được tớnh toỏn theo thời gian truyền tớn hiệu siờu õm từđiểm A đến
điểm B theo chiều giú và ngược chiều giú. Khi tớn hiệu siờu õm truyền xuụi theo chiều giú thỡ thời gian truyền sẽ ngắn hơn vỡ vận tốc truyền sẽ bằng vận tốc siờu õm cộng với vận tốc giú, ngược lại khi ta truyền tớn hiệu siờu õm ngược chiều giú thỡ thời gian truyền sẽ tăng lờn vỡ trong trường hợp này vận tốc truyền sẽ bằng vận tốc siờu õm trừđi vận tốc giú, cỏc cụng thức tớnh toỏn được biểu diễn như sau:
Thời gian truyền xuụi giú:
Tf =
Vwind Vs
d
+ (1)
Thời gian truyền ngược giú:
Tb = Vwind Vs d − (2) Trong đú:
Vs là vận tốc siờu õm (m/s) Vwind là vận tốc giú (m/s)
Tb là thời gian truyền ngược giú
Từ (1) và (2) ta rỳt ra cụng thức tớnh vận tốc giú là: Vwind = Τ − Τf b d 1 1 2
(cụng thức này ỏp dụng cho trường hợp hai điểm thu và phỏt siờu õm nằm dọc theo chiều giú.)
Đểđo được tốc độ và hướng giú bất kỳ cỏc đầu thu phỏt của sensor đo giú được
định vị như hỡnh dưới đõy:
Hỡnh 32 - Trục tọa độ tớnh tốc độ và hướng giú.
Bốn đầu thu phỏt siờu õm của sensor đo giú được đặt theo hai trục Đụng- Tõy (trục X) và Nam - Bắc (trục Y). Vận tốc giú theo hướng bất kỳ được phõn tớch theo hai thành phần vộctơ X và Y. Cụng thức tớnh toỏn theo hai thành phần là như
Vwind = (Vx2 + Vy2)
Cụng thức tớnh hướng giú:
Hướng giú được xỏc định theo gúc lệch so với hướng bắc vỡ vậy tựy thuộc vào giỏ trị của vận tốc thành phần Vx, Vy mà hướng giú được xỏc định theo cỏc cụng thức dưới đõy: Tại gúc phần tư thứ nhất (+Vx, +Vy ): Φ = 90 – arcsin (Vy / Vwind) Tại gúc phần tư thứ hai (-Vx, +Vy ): Φ = arcsin (Vy / Vwind) + 270 Tại gúc phần tư thứ ba (-Vx, -Vy ): Φ = (90 – arcsin (Vy / Vwind)) + 180 Tại gúc phần tư thứ tư (+Vx, -Vy ): Φ = arcsin (Vy / Vwind) + 90 Trong đú:
d là khoảng cỏch truyền đơn vị là (m) Vx là vận tốc giú theo phương X (m/s) Vy là vận tốc giú theo phương Y (m/s) Tew là thời gian truyền theo hướng
Đụng sang Tõy
Twe là thời gian truyền theo hướng Tõy sang Đụng
Tsn là thời gian truyền theo hướng Nam sang Bắc
Tns là thời gian truyền theo hướng Bắc vào Nam
Vwind là vận tốc giú (m/s)
Φ là gúc lệch của hướng giú so với hướng Bắc (hướng được lấy làm chuẩn)
Dải đo tốc độ và hướng giú: Tốc độ: Tốc độ giú : 0-65 m/s Độ chớnh xỏc : 2% Độ phõn giải : 0,01m/s Hướng giú:
Hướng giú : 0- 3590
Độ chớnh xỏc: ± 20
Độ phõn giải: 10
Tớn hiệu đầu ra tốc độ của sensor đo giú:
-Dạng số:
Tớn hiệu đầu ra của sensor đo giú siờu õm dạng tớn hiệu số theo chuẩn RS422, tốc độ truyền Baud rate :1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, định dạng tớn hiệu là 8 bớt dữ liệu, bit kiểm lỗi chẵn, lẻ hoặc khụng kiểm tra chẵn lẻ.
-Dạng tương tự: cú thể yờu cầu theo đặt hàng (OPTIONAL)
Cú 3 đầu ra tương tự ( tốc độ giú, hướng giú, trạng thỏi hoặc nhiệt độ õm thanh), dạng tớn hiệu đầu ra cú thể là ±2,5V, 0-5V hoặc 4-20mA.
Nguồn cung cấp cho sensor đo giú:
9-30VDC dũng tiờu thụ là 40mA
Lựa chọn sensor đo giú:
Để đảm bảo cỏc yờu cầu về độ chớnh xỏc theo tiờu chuẩn ngành khớ tượng thủy văn và độ bền trong điều kiện thời thiết khắc nghiệt, điều kiện mụi trường khắc nghiệt ( độẩm cao, muối mặn ở cỏc vựng ven biển , hải đảo) chỳng tụi chọn sensor
đo giú mó hiệu model Marine 05106 của hóng YOUNG - Mỹ sensor này đó được sử dụng trong nhiều trạm khớ tượng tại Việt nam và kết quả cho thấy nú cú độ tin cậy cao được ngành khớ tượng thủy văn khuyến cỏo sử dụng.
8.5 Tổng kết kết quả khảo sỏt
Ứng dụng: Trạm KTTĐ phục vụ cho cỏc lĩnh vực khỏc nhau như dự bỏo thiờn tai (bỏo bóo, chỏy rừng, lũ quột,....), sản xuất nụng/cụng nghiệp, giao thụng vận tải (trong đú đặc biệt là hàng khụng) ...
Thụng sốđo: chủ yếu là tốc độ giú và hướng giú; nhiệt độ đất và khụng khớ; ỏp suất khớ quyển; độ bức xạ; lượng mưa; độẩm
Chủng loại: Cú hai dạng trạm KTTĐ chớnh là loại xỏch tay (portable) và loại cốđịnh.
Datalogger: Tất cả cỏc trạm khớ tượng tại hiện trường đều cú một bộ
Datalogger. Datalogger tiếp nhận xử lý tớn hiệu từ cỏc sensor, lưu trữ ,hiển thị
phục vụ giao tiếp HMI (theo dừi tại hiện trường, cấu hỡnh hệ thống và calibrate), truyền dữ liệu thu được tới base station.
Phương thức truyền dữ liệu đi xa: hay sử dụng là dựng telephone-network, cellular telephone, GSM, sử dụng kờnh truyền thụng riờng qua vệ tinh (GOES, METEOSAT, LEOS, ARGOS,....), truyền khụng dõy dựng súng radio (UHF, VHF). Truyền thụng tại hiện trường (trong phạm vi hẹp) thường sử dụng cỏc giao thức trờn nền RS232/RS485 như SDI-12, Modbus, Profibus,...
Vi điều khiển và bộ nhớ: 16/32bit , ngày càng cú chất lượng cao và nhiều tớnh năng ưu việt như: kớch thước nhỏ, tiờu hao ớt năng lượng, tốc độ xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ cho phộp tăng liờn tục, chống chịu tốt trước cỏc tỏc động của mụi trường về cơ học và hoỏ học. Bộ nhớ lưu trữ của datalogger hàng chục/hàng trăm MB. Dựng thẻ nhớ ngoài.
Cỏc thành phần khỏc: cấp nguồn (ắc quy, pin mặt trời); cỏc thiết bị bảo vệ
chống sột; PC và phần mềm giỏm sỏt trung tõm; cột thỏp và cỏc thiết bị phụ khỏc
9. Tổng kết cỏc vấn đề kỹ thuật cần giải quyết và giải phỏp
Nguồn cấp: Trạm khớ tượng phải liờn tục được cấp nguồn. Phần nguồn nuụi
được cung cấp bởi điện lưới, được dự phũng bởi ắc quy, trong trường hợp trạm đặt
ở xa trung tõm nguồn nuụi cú thểđược cung cấp bởi pin mặt trời. Tuy nhiờn tại VN cú nơi vào thời điểm nhất định ớt nắng nờn cú thể tớnh tới khả năng dựng năng lượng giú(hải đảo, ven biển, trờn nỳi cao,...). Nguồn dự phũng và điện lưới sẽđược chuyển đổi tự động khi mất điện. Thiết kế chế tạo module chuyển nguồn đảm bảo
độ tin cậy cao, trỏnh gõy sai, nhiễu, treo,.. hệ thống.
Tiờu thụ năng lượng: Giảm tối đa cú thể năng lượng tiờu thụ bằng tối ưu húa thiết kế phần cứng (sử dụng IC, linh kiện,... tiờu ớt năng lượng), xõy dựng cơ chế
truyền thụng hợp lý (truyền/ngủ) và nộn dữ liệu trước khi truyền để giảm thời gian truyền nhờđú giảm tiờu hao năng lượng.
Mụi trường làm việc: Trạm khớ tượng cú thể ở gần biển nờn vỏ trạm và bảng mạch phải được thiết kế chống ăn mũn do muối. Bảng mạch được đổ kớn bằng epoxy, silicon hoặc dạng nhựa dẻo. Vỏ dựng nhựa, composite, inox,...
Chống sột: Trạm khớ tượng đặt ngoài trời và treo trờn cỏc cột cao tới 10-15M) do vậy do vậy phải thiết kế hệ thống chống sột trực tiếp (dựng cột thu sột, lồng farađõy,... ) và sột lan truyền qua dõy dẫn nguồn và dõy dẫn tớn hiệu (mua sẵn cỏc module này-khụng chế tạo)
Format dữ liệu: phải theo chuẩn quốc tế (dựng định dạng bản tin: METR, METAR, SPECI,... )
Truyền thụng đa dạng: Cỏc trạm khớ tượng cú thể lắp đặt tại những vựng nỳi, vựng xa xụi hẻo lỏnh (hải đảo) nờn cần cú giải phỏp truyền thụng khụng dõy, hoặc sử dụng mạng điện thoại cụng cộng sẵn cú để truyền dữ liệu về trung tõm. Tại Việt Nam hiện nay khả thi là dựng mạng điện thoại cụng cộng (modem dial-up) và mạng mobile GSM (modem GSM). Cú thể dựng truyền radio tuy nhiờn giỏ cao cho
đầu tư mua thiết bị ban đầu và đó cú thử nghiệm tại Huế nhưng khụng thành cụng (dựng radio modem và thiết bị thu phỏt radio của motorola, nguyờn nhõn do tiờu năng lượng quỏ lớn nờn nguồn pin mặt trời khụng đủ, mặt khỏc bị nhiễu và giỏn
đoạn khi thời tiết xấu). Một khả năng khỏc trong tương lai cú thể dựng là mạng wimax và truyền qua vệ tinh (tuy nhiờn hiện cỏc giải phỏp này cú giỏ rất cao-tương lai cú thể rẻ hơn).
Cú thể dựng truyền radio tuy nhiờn giỏ cao cho đầu tư mua thiết bị ban đầu, cỏc trạm cỏch nhau 50km và phải nhỡn thấy nhau. Đó cú thử nghiệm tại Huế nhưng khụng thành cụng (dựng radio modem và thiết bị thu phỏt radio của motorola, nguyờn nhõn do tiờu năng lượng quỏ lớn nờn nguồn pin mặt trời khụng đủ, mặt khỏc bị nhiễu và giỏn đoạn khi thời tiết xấu). Một khả năng khỏc trong tương lai cú thể dựng là mạng wimax (khoảng cỏch truyền bỏn kớnh 50km và khụng cần nhỡn thấy nhau) và truyền qua vệ tinh (tuy nhiờn hiện cỏc giải phỏp này cú giỏ rất cao hy vọng trong tương lai khụng xa giỏ cú thể rẻ hơn).
Chương II. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE TRONG TRẠM KHÍ TƯỢNG 1. Mụ hỡnh tổng thể mạng lưới khớ tượng. Mụ hỡnh tổng thể của mạng lưới khớ tượng gồm đầy đủ cỏc thành phần như sau: Hỡnh 33 - Mụ hỡnh tổng thể mạng lưới khớ tượng Hub Modem (Option dial up) Database server TTKTQG Web server TTKTQG Work station TTKTQG Datalogger Field Station
Field sensor Field sensor Field sensor
Field sensor Field sensor Modem ADSL Modem ADSL Modem ADSL Datalogger Field Station Datalogger Field Station Datalogger Field Station Base station PC Trạm vựng Base station PC Trạm vựng Work station RS232 modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM modem GSM Radio modem UHF, VHF FO or UTP cable <5km (cú repeater) Radio modem UHF, VHF Profield bus/ modbus Hub Modem ADSL Modem ADSL Web client Web client RS485/232 RS232 RS232 RS232 Datalogger Field Station Trạm ở miền nỳi, hải đảo S M S S M S S M S S M S S M S S M S SMS Fibre Optic Cable Radio Wave LAN Cable Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem (Option dial up) Modem line (Option telephone network) Modem line (Option telephone network) Modem line (Option telephone network)
Một trạm khớ tượng cú chức năng cung cấp cỏc thụng tin về khớ tượng phục vụ
cho việc dự bỏo thời tiết, thụng bỏo thời tiết cho cỏc ngành nghề như xõy dựng, nụng nghiệp, hàng hải….v.v
Thụng thường một trạm khớ tượng hoàn chỉnh cú thể thực hiện cỏc phộp đo như: đo tốc độ và hướng giú, đo nhiệt độ và độ ẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời, thời gian nắng, ỏp suất khụng khớ.
Từ mụ hỡnh tổng thể (Hỡnh 33) ta cú thể thấy được quỏ trỡnh đo, xử lý tớn hiệu, lưu trữ và mạng truyền thụng truyền cỏc thụng số khớ tượng từ cỏc trạm hiện trường đến cỏc trung tõm theo dừi và dự bỏo khớ tượng.
a) Mụ tả cỏc thiết bị phần cứng trong mạng lưới khớ tượng
-Như trờn mụ hỡnh hệ thống ta cú thể thấy đường đi của tớn hiệu là bắt đầu từ
Field Sensor Field Station Modem Base Station Modem Internet hoặc đến mỏy tớnh chủ Web server. Từ một Web Client ta cú thể truy cập vào mỏy tớnh chủ Web Server để biết được cỏc thụng số thời tiết tại một Field Station.
- Field sensor Datalogger:
Là quỏ trỡnh cỏc tớn hiệu đo lường từ cỏc sensor tại hiện trường (Field sensor) như : sensor đo tốc độ và hướng giú, đo nhiệt độ và độẩm, lượng mưa, bức xạ mặt trời, thời gian nắng, ỏp suất khụng khớ được đưa đến bộ thu thập dữ liệu Datalogger
đặt trong tủđiện của trạm hiện trường (Field station). Datalogger cú nhiệm vụ xử
lý tớn hiệu nhận được từ cỏc sensor, lưu trữ và truyền dữ liệu đến mỏy tớnh hiển thị
trung tõm. Trờn Datalogger cũn cú màn hỡnh LCD cú chức năng hiển thị tại chỗ
cỏc thụng sốđo lường.
Cỏc tớn hiệu của sensor đo lường trờn cú thể ở cỏc dạng số Digital hoặc tương tự Analog, dạng tớn hiệu đầu ra analog gồm cỏc dải là: 0–1, 0–5, 0–10 VDC, 4–20 mA, 0-10 kΩ, PT100, tớn hiệu số thường được truyền nối tiếp qua cỏc chuẩn: RS232, RS485 với cỏc giao thức như Profibus, Modbus, SDI-12. Đường truyền từ
cỏc field sensor đến Datalogger sử dụng cỏp tớn hiệu cú lớp chống nhiễu, với cự ly
hiện cỏc kết nối truyền thụng đến trạm cấp trờn của nú gọi là trạm Gốc hay trạm Vựng (Base Station).
Trạm Vựng cú nhiệm vụ thu thập cỏc tớn hiệu đo luờng từ cỏc trạm hiện trường, phõn tớch và hiển thị cỏc giỏ trị thời tiết của cỏc trạm thời tiết đặt tại cỏc vị
trớ khỏc nhau. Thiết bị của trạm vựng thường bao gồm cỏc mỏy tớnh cú phần mềm