Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm

nghệ so với khu 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 đổi ADC độ phân giải cao - Kỹ

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỨC NƯỚC GIẾNG NGẦM

Cơ quan thực hiện đề tài: Trung tâm Quang điện tử

Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn Tuấn Vũ

9208

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỨC NƯỚC GIẾNG NGẦM

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

KS Nguyễn Tuấn Vũ

Hà Nội - 2011

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

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

2 Chủ nhiệm đề tài:

Họ và tên: Nguyễn Tuấn Vũ

Ngày, tháng, năm sinh: 11/10/1960 Nam/ Nữ: Nam

Tên tổ chức đang công tác: Trung tâm Quang điện tử

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 đề tài:

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

Điện thoại: (04) 38 549 525 ; 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 Tuấn

Số tài khoản: 301.01.012.02.16

Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước quận Thanh Xuân - Hà Nội

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Viện Ứng dụng Công nghệ

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

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 công nghệ

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Ghi chú

(Số đề nghị quyết toán)

đó 292,5 tr.đ sử dụng cho đề tài và 7,5 tr.đ tiết kiệm để cải cách tiền lương theo quy định của Nhà nước)

300

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

3 Các văn bản hành chínhtrong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến

nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

1 1051/QĐ-BKHCN

ngày 22/6/2009

Quyết định thành lập hội đồng xét duyệt thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ

2 Biên bản ngày

26/06/2009

Biên bản họp hội đồng xét duyệt thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ

Quyết định về việc phê duyệt

đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2009-2010 của Viện Ứng dụng công nghệ

5 13/HĐ/ĐT ngày

12/08/2009

Hợp đồng thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học và phát

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 Trung tâm Quan

Cho tiến hành thử nghiệm tại các giếng nước ngầm Trung tâm đang quản lý

Kết quả

đo thử nghiệm

- Lý do thay đổi (nếu có):

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

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Báo cáo chuyên đề

Báo cáo tổng kết, sản phẩm mẫu

2 Phạm Hồng

Tuấn

Phạm Hồng Tuấn

Nghiên cứu kỹ thuật đo và xử lý kết quả đo của thiết bị Level TROLL 100

Báo cáo chuyên đề

3 Võ Thế Ngọc Võ Thế Ngọc Thiết kế mạch

điều khiển và thu thông tin của đầu

Báo cáo chuyên đề và sản phẩm

tạo

4 Nguyễn

Thành Hợp

Nguyễn Thành Hợp

Thiết kế hệ nguồn nuôi cho thiết bị chế tạo

Tham gia thực hiện các gia công

cơ khí

Báo cáo chuyên đề và sản phẩm mẫu

5 Nguyễn Thị

Khuyến

Nguyễn Thị Khuyến

Thử nghiệm ảnh hưởng của nhiệt

độ, và độ ẩm tới kết quả đo của thiết bị chế tạo

Báo cáo chuyên đề

6 Nguyễn Đức

Viền

Nguyễn Tiến Dũng

Nguyễn Ngọc

Tú

Tham gia các thiết kế mạch điện tử và bộ lưu trữ, hoàn thiện thiết bị chế tạo

Tham gia thực hiện các chuyên đề: Tính toán thiết kế bộ lưu trữ ghép nối với

PC và các chuẩn ghép nối chờ sẵn;

Báo cáo chuyên đề và sản phẩm mẫu

7 Trần Thị Hà Trần Thị Hà Tính toán thiết kế

bộ lưu trữ ghép nối với PC và các chuẩn ghép nối chờ sẵn Tham gia tính toán thiết kế phần cơ khí và

bộ lưu trữ

Báo cáo chuyên đề

8 Đặng Thành

Trung

Đặng Thành Trung

Lắp đặt, thử nghiệm, đánh giá

Báo cáo chuyên đề

Thanh Bình Trung nghiệm, đánh giá

kết quả đo của thiết bị chế tạo

chuyên đề

10 Phạm Kim

Thu

Phạm Kim Thu

Thư ký đề tài

- Lý do thay đổi ( nếu có): Trong thời gian thực hiện đề tài, ông Nguyễn Đức Viền vì

lý do công tác, không có điều kiện tham gia nghiên cứu nên đề tài đã mời ông Nguyễn Tiến Dũng và ông Nguyễn Ngọc Tú công tác tại Trung tâm Quang điện tử tham gia nhóm nghiên cứu Về phía tổ chức phối hợp thực hiện, ông Nguyễn Thanh Bình do có công việc bận đột xuất nên không có điều kiện tham gia thực hiện đề tài

6 Tình hình hợp tác quốc tế:

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Thực tế đạt được

Người,

cơ quan thực hiện

1 Khảo sát thiết bị Level

TROLL 100 về cấu tạo,

hoạt động, kỹ thuật đo và

xử lý kết quả

7/2009 11/2009

-9/2009 - 11/2009 Nguyễn Tuấn Vũ và nhóm

đề tài Trung tâm Quang điện tử

2 Thiết kế, chế tạo thiết bị

đo mức nước giếng ngầm

9/2009 7/2010

-3/2010- 11/2010 Nguyễn Tuấn Vũ và nhóm

đề tài Trung tâm Quang điện tử

3 Thử nghiệm và đánh giá

thiết bị chế tạo

4/2011

9/2010-9/2010 - 4/2011 Nguyễn Thị Khuyến

Trung tâm Quang điện tử, Đặng Thành Trung- TT Quan trắc và phân tích tài

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

Mẫu thiết bị đo mức nước giếng

ngầm gồm:

Hệ 01 01 01

- Chiều sâu đoso với miệng giếng:150m

- Dải đo mức nước thăng giáng: 2m

- Nhận và lưu trữ số liệu mức nước và

nhiệt độ theo thời gian thực

- Bộ nhớ 2G

- Tốc độ lấy mẫu đặt được (phút đến giờ

24h/ngày) tần số lấy mẫu đến phút

- Ghép nối với máy PC qua chuẩn USB

hoặc RS

- Chuẩn Modbus chờ sẵn

- Khả năng chuẩn định đầu đo tại chỗ

- Nguồn nuôi ac quy 12V 4AH

b) Sản phẩm Dạng II:

c) Sản phẩm Dạng III:

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

nghệ so với khu 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 đổi ADC độ phân giải cao

- Kỹ thuật điều khiển hệ thống bằng MCU

- Xử lý và truyền số liệu theo các mode chuẩn

- Lưu trữ dữ liệu theo RTC sử dụng flash memory chip có dung lượng lớn

- Giải pháp phần mềm nhúng cho MCU và PC

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

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

ngầm”có chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại của nước ngoài, song giá thành

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 5 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 

MỞ ĐẦU 9 

1 Giới thiệu về sự hình thành đề tài: 9

2 Mục tiêu của đề tài: 9

3 Tính cấp thiết của đề tài: 9

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 10

5 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 10

6 Nội dung, quy mô và địa điểm thực hiện: 14

7 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu 15

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ ĐO MỨC NƯỚC TỰ ĐỘNG LEVEL TROLL 100 CỦA MỸ 16 

1.1 Nghiên cứu khảo sát hoạt động, cấu tạo của đầu đo mức nước tự động Level TROLL 100 của Mỹ 16

1.1.1 Cấu tạo 16

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 17

1.2 Kỹ thuật đo áp suất, truyền dẫn, xử lý, lưu trữ, kết nối và hiển thị kết quả 18 1.2.1 Các kỹ thuật đo áp suất 18

1.2.1.1.Đo áp suất với vi cảm biến áp suất kiểu tụ 21 

1.2.1.2.Vi cảm biến áp suất kiểu áp trở 22 

1.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn số liệu 24

1.2.2.1.Chuẩn giao tiếp 24 

1.2.2.2.Protocol truyền nối tiếp bất 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 

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ 36 

2.1 Thiết kế cơ khí đầu đo áp suất và nhiệt độ trong lòng giếng hẹp 36

2.1.1 Phân tích chức năng làm việc của chi tiết: 36

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 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết 38

2.1.3 Xác định dạng sản xuất 38

2.1.4 Thiết kế quy trình công nghệ gia công các bộ phận của thiết bị 39

2.1.4.1 Chi tiết 01 (CT01) 39

2.1.4.2 Chi tiết 02 (CT02) 40

2.1.4.3 Chi tiết 03 (CT03) 41

2.1.4.4 Chi tiết 04 (CT04) 42

2.1.4.5 Chi tiết 05 (CT05) 44

2.1.4.6 Chi tiết 06 (CT06) 45

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

2.2.1 Sơ đồ khối và sơ đồ mạch điện của đầu đo 47

2.2.1.1 Sơ đồ khối chức năng của mạch đầu đo 47

2.2.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch lưu trữ 48

2.2.1.3 Bản vẽ PCB và các layer 49

2.2.2 Tính toán thiết kế, lập trình cho mạch đầu đo 50 

2.2.2.1 Thiết kế và lựa chọn vi điều khiển 50

2.2.2.2 Tính toán, thiết kế khối nguồn 51

2.2.2.3 Thiết kế khối đo nhiệt độ 54

2.2.2.4 Thiết kế khối tính toán áp suất và mức nước 57

2.2.2.5 Khối giao tiếp RS485 với mạch lưu trữ dữ số liệu 62

2.3.Tính toán, thiết kế bộ lưu trữ số liệu Ghép nối với PC và các chuẩn ghép nối chờ sẵn 65

2.3.1 Sơ đồ khối lưu trữ dữ liệu 65

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 69

2.3.3.2 Khối giao tiếp RS485 với mạch đầu đo 71

2.3.3.3 Khối giao tiếp máy tính PC 74

2.4.Thiết kế hệ nguồn nuôi độ chính xác cao 75

2.4.1.Tác dụng và sự cần thiết của nguồn chính xác cao 75

2.4.2 Các phương án thiết kế 76

2.4.3 Lựa chọn phương án 76

2.5.Gia công cơ khí, lắp ráp, hoàn thiện mẫu thiết bị 79

2.5.1 Quy trình công nghệ gia công các bộ phận của thiết bị 79 

2.5.1.1 Chi tiết 01 (CT01) 79

2.5.1.2.Chi tiết 02 (CT02) 82

2.5.1.3 Chi tiết 03 (CT03) 83

2.5.1.4.Chi tiết 04 (CT04) 85

2.5.1.5 Chi tiết 05 (CT05) 87

2.5.2 Lắp ráp hoàn thiện các chi tiết cơ khí 92

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ CHẾ TẠO 93 

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

3.1.1 Kiểm tra dưới điều kiện nhiệt độ thay đổi 93

3.1.1.1.Miêu tả thiết bị kiểm tra 93

3.1.1.2.Các bước thực hiện 94

3.1.1.3.Kết quả 95

3.1.1.4.Kết luận 96

3.1.2 Kiểm tra dưới điều kiện độ ẩm thay đổi 96

3.1.2.1.Miêu tả thiết bị kiểm tra 96

3.1.2.2.Các bước thực hiện 96

3.1.2.3.Kết quả 97

3.1.2.4.Kết luận 98

3.2.Thực hiện thử nghiệm đo thực tế thiết bị tại giếng quan trắc Pháp Vân - Hà Nội 98

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

3.2.2 Phương pháp đo thực nghiệm 99

3.2.3 Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị 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 thông số của giếng 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 109

3.4.1 Thông số kỹ thuật của giếng Lương Yên 109

3.4.2 Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị 110

3.5 Thử nghiệm so sánh thiết bị CFOC – WD01 với Level TROLL 100 của Mỹ: 111

3.5.1 Đo thử nghiệm song song hai thiết bị 112

3.5.2 Bảng dữ liệu so sánh thu được 113

KẾT LUẬN 115

KIẾN NGHỊ 115

PHỤ LỤC 1: 118 

A.Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị giếng ngầm Pháp Vân - Hà Nội 118

B.Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị giếng ngầm Yên Sở – Hà Nội 123

C.Kết quả đo thực nghiệm của thiết bị giếng ngầm Lương Yên – Hà Nội 128

D.Bảng so sánh kết quả đo của thiết bị Level control và thiết bị chế tạo 133

PHỤ LỤC 2: Error! Bookmark not defined.  PHỤ LỤC 3: Error! Bookmark not defined. 

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Các đơn vị áp suất thường dùng 19 Bảng 2 2 Các chuẩn truyền dữ liệu và đặc tính .25 Bảng 3 1 Kết quả đo thử nghiệm kiểm tra thiết bị dưới điều kiện nhiệt độ thay đổi 95 Bảng 3 2 Kết quả đo thử nghiệm kiểm tra thiết bị với điều kiện độ ẩm thay đổi 97 Bảng 3 3 Bảng báo cáo là kết quả đo thử nghiệm của thiết bị từ ngày 28/3/2011 đến ngày 12/4/2011 118 Bảng 3 4 Bảng báo cáo là kết quả đo thử nghiệm của thiết bị từ ngày 25/4/2011 đến ngày 10/5/2011 123 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 Bảng 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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 Sơ đồ khối thiết bị đo mức nước bằng cảm biến áp suất .11

Hình 1 1 Level TROLL 100 16

Hình 1 2 Sơ đồ khối Level TROLL 100 17

Hình 1 3 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ 22

Hình 1 4 Cấu trúc cảm biến vi áp trở 23

Hình 1 5 Sensor áp suất MEMS 24

Hình 1 6 Mẫu tín hiệu truyền nối tiếp bất đồng bộ 31

Hình 1 7 Cấu trúc lưu dữ liệu 32

Hình 1 8 Cơ chế lưu số liệu 33

Hình 2 1 Bản vẽ lắp phần vỏ của thiết bị đo ………… … ………… 40

Hình 2 2 Bản vẽ thiết kế CT01 39

Hình 2 3 Bản vẽ thiết kế CT02 40

Hình 2 4 Bản vẽ thiết kế CT03 41

Hình 2 5 Bản vẽ thiết kế chi tiết 04 (CT04) 43

Hình 2 6 Bản vẽ thiết kế chi tiết 05(CT05) 44

Hình 2 7 Bản vẽ thiết kế chi tiết 06(CT06) 46

Hình 2 8 Sơ đồ khối của mạch đầu đo 47

Hình 2 9 Sơ đồ nguyên lý đầu đo 48

Hình 2 10 Mạch PCB lớp trên 49

Hình 2 11.Mạch PCB lớp dưới 49

Hình 2 13.Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 51

Hình 2 14.TL431 52

Hình 2 15.Sơ đồ nguyên lý nguồn Vref 52

Hình 2 16.IC nguồn LM1117 53

Hình 2 17.Nguồn VCC 54

Hình 2 18 Sơ đồ shemantic khối nhiệt độ 55

Hình 2 19.Sơ đồ khối, khối áp suất 57

Hình 2 20.Cảm biến áp suất 58

Hình 2 21 Sơ đồ shemantic khối lấy mẫu áp suất 59

Hình 2 22 Sơ đồ shemantic khối RS485 63

Hình 2 23 Sơ đồ khối chức năng 65

Hình 2 24 Sơ đồ nguyên lý schemantic 67

Hình 2 25 Mạch PCB lớp trên 67

Hình 2 26 Mạch PCB lớp dưới 68

Hình 2 27 Sơ đồ lắp ráp linh kiện 69

Hình 2 28 Sơ đồ shemantic khối lưu trữ 69

Hình 2 29 Khung dữ liệu vào IC nhớ AT24C1024 69

Hình 2 30 Sơ đồ schemantic khối RS485 72

Hình 2 31 Sơ đồ schemantic khối RS232 74

Hình 2 32 Sơ đồ schemantic USB 75

Hình 2 33 ICAD1043 77

Hình 2 34 Mạch dùng AD1403 77

Hình 2 35 IC REF02 78

Hình 3 1 Màn hình hiển thị của thiết bị đo 93

Hình 3 2 Đầu đo cảm biến 93

Hình 3 3 Dây cấp nối giữa đầu đo và Water level data logger 94

Hình 3 4 Tủ điều khiển nhiệt độ THEMOSI SR2000 94

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 99

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

Hình 3 9 Ảnh giếng ngầm 105

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

Hình 3 11 Đồ thị kết quả khảo sát thu được tại giếng nước ngầm Pháp Vân .106

Hình 3 12 Ảnh giếng ngầm 108

Hình 3 13 Hình ảnh quá trình lắp đặt thiết bị 108

Hình 3 14 Đồ thị kết quả khảo sát thu được tại giếng ngầm Yên Sở - Hà Nội .109

Hình 3 15 Ảnh giếng ngầm 110

Hình 3 16 Hình ảnh quá trình lắp đặt thiết bị 110

Hình 3 17 Đồ thị kết quả khảo sát thu được tại giếng ngầm Lương Yên - Hà Nội 111

Hình 3 18 Đồ 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 Đồ thị so sánh kết quả đo áp suất của thiết bị CFOC-WD01 và thiết bị LEVEL TROLL 100 của Mỹ 114

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu về sự hình thành đề tài:

Nước ngầm hay nước dưới đất là nguồn tài nguyên cần được quản lý tốt trong khai thác, sử dụng nếu không sẽ bị cạn kiệt và ô nhiễm, ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống - nhất là sức khỏe con người Hiện nay việc quản l ý mức nước giếng ngầm vẫn đang được tiến hành nhưng chưa có hiệu quả do phương pháp sử dụng còn có 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 có trong tay một thiết bị đo mức nước giếng ngầm tốt, đáng tin cậy, cho thông tin chính xác và kịp thời về những thay đổi của mức nước giếng ngầm

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 có một vài đơn vị nghiên cứu tự sản xuất, lắp ghép thiết bị này song vẫn chưa đưa được vào ứng dụng cụ thể trong ngành quan trắc môi trường

Việc chế tạo thành công 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 đó có thủy lợi Nhờ có hệ thống này, có thể dễ dàng đo được mức nước ở các kênh tưới tiêu, hồ đập để từ đó có sự vận hành, điều hành hệ thống tưới tiêu hợp lý, kiểm soát việc lạm dụng nguồn nước giếng ngầm để có sự điều chỉnh kịp thời

2 Mục tiêu của đề tài:

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

3 Tính cấp thiết của đề tài:

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

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

môi trường của Việt Nam

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học: đóng góp một sản phẩm mới cho lĩnh vực đo lường

và bảo vệ tài nguyên môi trường của Việt Nam

- Ý nghĩa thực tiễn:

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

+ Góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên nước ngầm

5 Tổng quan tình hình nghiên cứu:

5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới, bài toán đo mức chất lỏng (nước là trường hợp riêng) đã được đặt ra từ rất sớm Hiện nay có rất nhiều thiết bị đo dựa trên những nguyên lý khác nhau để đáp ứng các yêu cầu cụ thể Sơ bộ có thể nêu ra phân loại như sau:

• Căn cứ vào đối tượng đo, có: Đo mức nước mặt (sông, hồ); Đo mức nước trong bể chứa; Đo mức nước trong giếng sâu

• Căn cứ vào nguyên lý đo, có các phương pháp đo: Đo bằng thước đo chiều dài; Đo bằng cảm biến điện dung, Đo bằng sóng âm thanh (siêu âm); Đo bằng nguyên lý radar; Đo bằng cảm biến truyền sóng viba trong ống dẫn sóng;

Đo bằng cảm biến quang học; Đo bằng cảm biến áp suất…

Mỗi phương pháp đo (và tương ứng là thiết bị đo) có những ưu nhược điểm riêng, phạm vi đo và ứng dụng đặc thù riêng Các giếng nước khoan sâu có 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 nhất là một

phần nghìn; Khoảng thăng giáng của mức nước (dải động) có thể đến hàng chục mét Để đáp ứng các yêu cầu đặc thù này, có 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 còn yêu cầu thêm về độ chính xác phép

đo, khả năng tự động hóa và kết nối 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 Nếu 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 công thức:

0

0 h g

p p

Trong đó: h là độ sâu thực tế;

h0 là độ sâu tham chiếu ban đầu;

p là áp suất tương ứng với độ sâu h;

p0 là áp suất tham chiếu tương ứng với độ sâu tham chiếu

h0,ρ 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

Hình 1 Sơ đồ khối thiết bị đo mức nước bằng cảm biến áp suất

Cảm biến -

áp suất

- nhiệt

- Khuếch đại tín hiệu yếu

- Chuyển đổi A/D độ phân giải cao

- Bộ lưu trữ số liệu

- USB standar for PC

- Modbus open

- Nguồn nuôi Đầu đo

Trên thế giới có 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 có 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 công ty In-Situ Inc., USA

- Kết nối với thiết bị lưu trữ RS232,USB

5.2 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 -Phòng Công nghệ tự động hóa (Viện Công nghệ thông tin), 18 - Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

Hệ thống bao gồm đầu đo mức nước WLT, thiết bị xử lý chỉ báo WLTD và chương trình thu thập lưu trữ, kiểm soát từ xa WaterView chạy trên máy vi tính

cá nhân (PC) Đầu đo mức nước WLT đo nước thay đổi và truyền thông tin cho thiết bị lưu trữ và chỉ báo WLTD PC có khả năng kết nối tới 31 thiết bị chỉ báo tạo thành mạng đo

Các chỉ tiêu kỹ thuật của Hệ thống tự 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

phương pháp tụ; kết cấu đầu đo được thiết kế tối ưu; chip đầu đo chuyên dụng được thiết kế và chế tạo theo công nghệ tạo chip PsoC; xử lý số và truyền tín 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 công nghệ tạo chip PsoC; nối ghép với máy PC qua chuẩn RS232; chương trình WaterView trên PC; kiểm soát mức nước ở 31 điểm đo khác nhau được kết nối thành mạng; chạy trên nền Windows 98/2000/XP; công suất/năng suất 12V/0,6A

b Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị tự động đo lường và kiểm tra thông minh phục vụ cho các dây chuyền sản xuất tự động hoá -

Báo cáo chuyên đề quyển 1 / Phạm Thượng Cát, PGS,TSKH (chủ nhiệm

đề tài) , Phan Minh Tân, KS; Trần Việt Phong, ThS; Phạm Ngọc Minh, ThS; và những người khác - Hà Nội : Viện Công nghệ Thông tin , 2004

- 600 tr

Bao gồm báo cáo tổng kết các chuyên đề nghiên cứu về: hệ thống đo và quan trắc môi trường xí nghiệp công nghiệp; RTU thiết bị đầu cuối đo xa; EVIEW32 chương trình quan trắc môi trường xí nghiệp công 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 dụng 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 dưới đất Khoa Khoa học Ứng dụng, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh,

Việt 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 ghi nhận tự động, lưu trữ và truyền dữ liệu về máy tính trực tiếp hay gián tiếp thông qua mạng điện thoại hữu tuyến Chiều sâu của giếng khoan là 10 tới 20m Đã sử dụng thử tại Tân Sơn Nhất

Mặc dù đã có một số đề tài nghiên cứu về đo mức nước, nhưng chưa có đề

tài nào nghiên cứu đo mức nước của giếng ngầm quan trắc Đường kính giếng

lớn nhất chỉ có 50mm, không đẳng hướng, vật liệu làm giếng hiện nay khá đa dạng, gồm cả vật liệu nhiễm từ và không nhiễm từ Giếng còn sử dụng chung cho rất nhiều thiết bị quan trắc khác Các phương pháp khác như sóng âm, quang học, hay điện dung không thể cho phép đo chính xác cho giếng này Ngoài ra các phương pháp này còn làm nhiễu các thiết bị bên cạnh, và làm xáo trộn mẫu nước của các phép đo phân tích thành phần -có yêu cầu rất khắt khe

Mức nước thăng giáng tại những vùng có nhà máy nước, hoặc những vùng

sử dụng nước nhiều cho công nghiệp và nông nghiệp cần nhiều nước là rất lớn Các thiết bị được chế tạo trong nước có giải đo và phương pháp đo đã công bố không đáp ứng được việc quan trắc tại các giếng chuyên dụng này

Hệ thống đo mức nước từ xa của Viện công nghệ thông tin truyền số liệu

đo về trạm trung tâm qua dây dẫn hoặc qua đường điện thoại Đối với địa bàn

rộng hoặc không có đầu nối điện thoại thì sẽ rất khó khăn

6 Nội dung, quy mô và địa điểm thực hiện:

Thiết bị đo mức nước giếng ngầm được tiến hành bao gồm các nội dung chính sau:

- Khảo sát, nghiên cứu thiết bị đo mức nước tự động Level TROLL 100

- 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 đầy đủ Vỏ thiết bị được gia công ở địa chỉ đáng tin cậy Nhóm đề tài đã có rất nhiều năm kinh nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo các mạch điện và lập trình điều khiển các thiết bị

Nhóm đề tài được sự giúp đỡ của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội trong việc thử nghiệm và đưa ra các ý kiến đóng

góp cũng như những đánh giá hữu ích giúp nhóm đề tài có thể chế tạo và hoàn thiện thiết bị theo yêu cầu đã đặt ra

Sau khi hoàn thiện đề tài, chúng tôi có thể:

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

- Chế tạo và hoàn thiện thiết bị

- Đặt tại tất cả các trạm quan trắc nước ngầm của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội

7 Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

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 nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước để: lựa chọn nguyên lý đo tối ưu, xây dựng thiết kế hệ thống và thiết kế chi tiết thiết bị đo Các nguồn tài liệu được sử dụng gồm: tìm kiếm trên internet, tạp chí, sách chuyên ngành, tài liệu

kỹ thuật của các thiết bị đo tương tự của nước ngoài, 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 ngầm”có chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại của nước ngoài, song giá

thành chỉ bằng khoảng 60-70%

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

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

TỰ ĐỘNG LEVEL TROLL 100 CỦA MỸ

1.1 Nghiên cứu khảo sát hoạt động, cấu tạo của đầu đo mức nước tự động Level TROLL 100 của Mỹ

1.1.1 Cấu tạo

Level TROLL 100 là thiết bị tiến tiến và hiệu quả của hãng In – Situ.Inc dùng 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 thông số trên ở các vị trí như đáy giếng sâu, lỗ khoan, bể chứa, sông suối, ao hồ, ….vv

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

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

Level TROLL 100 sử dụng cảm biến áp suất loại gốm áp trở đo áp suất dựa trên lực căng màng gốm

Hình 1 1 Level TROLL 100

Level TROLL 100 cung cấp các giao tiếp nối tiếp USB và RS232 để thực hiện kết nối với máy tính, bộ nhớ của thiết bị có thể lưu trữ tới 32.000 số liệu với đầy đủ thời gian, ngày tháng, áp suất, mức nước và nhiệt độ Thiết bị sử dụng pin Lithium 3,6 V và có thể sử dụng trong khoảng thời gian 5 năm hoặc 2.000.000 lần đọc số liệu

Thiết bị có thể được chạy với chế độ ghi số liệu theo từng khoảng thời gian hoặc chế độ Evens Testing

Thiết bị được đồng bộ hóa với bộ phần mềm Win-Situ® chạy trên PC kết nối qua USB hoặc RS232

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 1 2 Sơ đồ khối Level TROLL 100

Sơ đồ khối của thiết bị Level TROLL 100 được mô 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 thông với áp suất môi trường, bên còn lại được giữ với một áp suất chuẩn (Chế độ non - vented)

- Khối ADC biến đổi 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 liệu theo thời gian, đồng thời có thể thực hiện truyền dữ liệu từ bộ nhớ qua RS232 hoặc USB tới máy tính để 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 có thể lưu trữ được 32.000 số liệu ghi

1.2 Kỹ thuật đo áp suất, truyền dẫn, xử lý, lưu trữ, kết nối và hiển thị kết quả 1.2.1 Các kỹ thuật đo áp suất

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích

và được xác định theo công thức sau:

Trong đó dF là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N); dS là diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị là m2 Trong hệ SI áp suất có đơn vị là N/m2.Đơn

vị dẫn xuất của áp suất là pascal (Pa), 1 pascal tương đương với áp suất đồng dạng do lực 1 Newton tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1m2 Bảng 2.1 mô tả các đại lượng đo áp suất và quan hệ tương đối giữa những đại lượng này

Bảng 2 1 Các đơn vị áp suất thường dùng

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

Để đo áp suất người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S của thành bình phân chia hai môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất

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

Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình Đối với chất lưu không 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 định theo công thức sau:

P = P0 + ρgh Trong đó:

p0 - áp suất khí quyển

ρ - khối lượng riêng chất lưu

g - gia tốc trọng trường

Có thể chia làm 3 phương thức chính để đo áp suất tĩnh :

- Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích hình tròn 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 thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo

và sự thay đổi của nó 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 không 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 Trong trường hợp đo bằng cảm biến áp suất, vật trung gian thường là các phần tử đo lực có một thông số, thí dụ thông số hình học, thông số này có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F = P.S Phổ biến nhất là sử dụng màng Màng (diaphragm) là một tấm mỏng (thường bằng chất bán dẫn) có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên Khi áp suất bên ngoài tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn của áp suất tác dụng vào

Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (P) là tổng áp suất tĩnh (Pt)

và áp suất động (Pđ) :

P = Pt + Pđ

áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không 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 có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Pđ = ρv2/2 Trong đó v là vận tốc chất lưu

Hiện nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất đã ra đời Như đã nói, thông dụng 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 không, còn 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 thông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, dùng phương pháp quang điện, dùng phương pháp transistor áp điện… vv Với công nghệ vi cơ phát triển mạnh trong thời gian gần đây, các cảm biến màng dùng công nghệ MEMS đang được phát triển rộng rãi cho phép đo áp suất với độ chính xác cao Trong công nghệ MEMS có 2 phương pháp đang được sử dụng rộng rãi đó là cảm biến kiểu tụ điện (capacitive) và cảm biến kiểu áp trở (piezoresistive) được trình bày dưới đây

1.2.1.1 Đo áp suất với vi cảm biến áp suất kiểu tụ

Các cảm biến kiểu tụ có nguyên lý hoạt động rất đơn giản Điện dung của

tụ được thay đổi bằng cách tác động lên một trong các thông số làm thay đổi điện trường giữa hai vật dẫn tạo thành hai bản cực của tụ

Một trong hai bản tụ được nối cơ học với vật trung gian chịu tác động của

áp suất cần đo Nếu vật trung gian là màng mỏng thì điện dung của tụ sẽ thay

đổi theo sự dịch chuyển của tâm màng khi nó bị áp suất tác dụng Hình 2 mô tả một cảm biến áp suất dùng chuyển đổi điện dung

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

1.2.1.2 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 dụng 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

Hình 1 4 Cấu trúc cảm biến vi áp trở Cảm biến được chế tạo trên một đế Silic loại n có định hướng bề mặt là {100}, bằng phương pháp ăn mòn điện hoá, 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 đó, bốn điện trở được đặt lên màng silicon tại trung điểm của các cạnh của hình vuông 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 còn lại được đặt vuông góc với cạnh màng Các cạnh của màng có định hướng là {110}

Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra lúc này là bằng 0 Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến 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 điện trở song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược lại Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác

0 Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện thế lối ra ta có thể đo được độ lớn tương ứng của áp suất tác dụng lên màng Độ lớn điện thế lối ra được tính bằng công thức :

Cảm biến áp suất là một trong những loại cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp Trong y tế thì cảm biến áp suất thường được sử dụng để đo áp suất máu trong động mạch và trong tĩnh mạch Ưu điểm lớn nhất của cảm biến áp suất vi cơ điện tử là độ nhạy Cụ thể đối với dải 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 dòng điện, trong dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0,2 đến 12,5mV/bar Một ưu điểm nữa đó là kích thước của các cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích thước rất nhỏ, thuận tiện sử dụng trong mọi thiết bị

Hình 1 5 Sensor áp suất MEMS

1.2.2 Kỹ thuật truyền dẫn 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 có môi trường truyền thông tin và các

thông tin được chuẩn hóa thành một số các kiểu kết nối được trình bày ở bảng 2.2 Các cổng giao tiếp của các chuẩn này có thể có sẵn ở trên các PC thông dụng hoặc dễ dàng thêm vào

Bảng 2 2 Các chuẩn truyền dữ liệu và đặc tính

Kiểu kết nối Định dạng Số lượng

thiết bị (tối đa)

Độ dài tối đa (feet/mét)

Tốc độ tối đa (Bit/ Sec)

Ethernet là chuẩn 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 đó là chuẩn giao tiếp song song, vì chuẩn giao tiếp này có thể truyền nhiều bít cùng lúc cho nên nó 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 khó thực hiện

Chuẩn IrDA (Inared Data Asociation) dùng các UART giống nhau và định dạng dữ liệu giống như RS-232 nhưng có thêm bộ giải mã Dữ liệu truyền từ nguồn phát hồng ngoại đến các thiết bị không giây Giao diện này rất là có ích cho các liên kết ngắt, giữa các thiết bị mà không thể có cáp nối ở giữa

Chuẩn MIDI (Musical instrument digital interface): giao diện số hóa các dụng cụ âm nhạc Chuẩn này dùng dòng 5mA, tốc độ 31,5k bit/s

Chuẩn máy in Cenntronics (IEEE-1284) Mọi PC đều có 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 dùng 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 có thể sử dụng với độ dài cáp dài hơn một số lựu chọn khác Chuẩn RS

485 cũng là một chuẩn rẻ tiền tuy ít thông 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 có mức điện áp tín hiệu cao hơn RS 232

Để sử dụng chuẩn này, người ta có các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn từ 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 Ngoài khả năng giống như RS –232, RS-485 còn có khả năng ghép nối nhiều điểm , vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp

Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về trạng thái trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm 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 đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu đầu vào “ Enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state

Mặc dù phạm vi làm việc tối đa từ – 6V đến 6V trong trường hợp hở mạch, 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 nối 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, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn

có thể lên đến 10 Mbit/s, một số hệ thống gần đây có thể lên đến tốc độ 12 Mbit/s Tuy nhiên có sự trao đổi giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn

cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10Mbd Quan hệ giữa chúng phụ thuộc rất nhiều vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu Với điều kiện và yêu cầu công 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 truyền nối tiếp bất đồng bộ

Máy tính trong một mắt xích nối tiếp có thể là nhiều dạng khác nhau, nhưng tất cả chúng phải cùng đồng ý một thoả thuận và qui tắc để cho dữ liệu

có thể trao đổi giữa chúng Sự thoả thuận này phải chắc chắn rằng mọi sự chuyển dữ liệu phải tìm thấy được nơi nó cần đến, và mỗi máy tính phải hiểu thông điệp gửi tới nó Sự thỏa thuận này là các protocol để trao đổi dữ liệu Hiện có nhiều protocol giao tiếp giữa các thiết bị như song song, nối tiếp bất đồng bộ , nối tiếp đồng bộ, vv…

Dưới đây giới thiệu về cách định dạng dữ liệu và giao thức dùng trong truyền thông nối tiếp Chủ yếu là định dạng không đồng bộ dùng 2 chuẩn thông dụng là RS-232 và RS-485

- Gửi dữ liệu nối tiếp:

Trong một liên kết nối tiếp, nơi gửi dữ liệu sẽ gửi từng bit một ở mỗi thời điểm nối tiếp nhau Một liên kết nối tiếp chỉ có 2 thiết bị thì phải có đường dẫn dành cho mỗi chiều truyền hoặc là nó chỉ có 1 đường dẫn được chia sẻ bởi cả 2 thiết bị với thoả thuận của 2 thiết bị này Khi mà có 3 hoặc nhiều thiết bị, tất cả các thiết bị này thường dùng chung một đường dẫn, và giao thức mạng quyết định xem thiết bị nào có quyền truyền nhận dữ liệu Một tín hiệu đòi hỏi bởi tất cả mọi liên kết nối tiếp là tín hiệu xung đồng hồ, hoặc là có sự tham khảo về thời gian để điều khiển đường truyền dữ liệu Nơi truyền và nơi nhận dùng xung đồng hồ để quyết định khi nào gửi và khi nào đọc

mỗi bít Có hai dạng định dạng dữ liệu là đồng bộ và không đồng bộ, và mỗi định dạng này dùng các dạng xung đồng hồ khác nhau

- Định dạng không đồng bộ:

Trong truyền không đồng bộ, liên kết không bao gồm đường xung đồng hồ, bởi vì mỗi điểm đầu cuối của liên kết đã có xung đồng 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 Cổng RS-232 trong PC dùng định dạng không đồng bộ để giao tiếp với modems (thiết bị mã hoá, giải mã dữ liệu) và các thiết bị khác Dù RS-

232 có thể truyền dữ liệu đồng bộ nhưng liên kết không đồng bộ vần được dùng phổ biến hơn Phần lớn liên kết RS-485 dùng giao tiếp không đồng bộ

Truyền không đồng bộ có thể dùng một trong vài cách định dạng phổ biến Phổ biến nhất là kiểu 8-N-1, nơi truyền sẽ truyền mỗi byte dữ liệu một bít Start, tiếp theo là 8 bít dữ liệu bắt đầu với bít 0 (bít có trọng số nhỏ nhất Least Sìgnificant Bit) và kết thúc với 1 bít Stop

Với chuẩn giao tiếp RS 485, protocol được sử dụng để truyền số liệu phù hợp là protocol chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART

Trong chế độ truyền bất đồng bộ thông tin được truyền đi dưới 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) có qui định cụ thể về mẫu tín hiệu trong hệ thống truyền bất đồng bộ như sau :

- Mỗi ký tự gồm một số bit gọi là ký tự dữ liệu, số này có thể là 5 đối với

mã Baudot, 7 nếu là mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) và 8 nếu là mã EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Information Code, mã BCD mở rộng)

- Ngoài ra, để tạo sự đồng bộ, kèm theo các bit mã ký tự còn có 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 Start luôn luôn là 1 bit còn số bit Stop có thể là 1, 1,5 hoặc 2 bit

- Nếu có thêm bit kiểm soát chẵn lẻ (parity bit) thì bit này nằm trước bit Stop Ở trạng thái nghỉ máy phát luôn phát đi bit 1 gọi là bit nghỉ (idle bit), như vậy máy thu dò ra bit Start khi có sự biến đổi từ 1 xuống 0, sau đó là một chuỗi bit có số lượng theo qui định của giao thức