Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng

- Tìm hiểu các chức năng hoạt động và nguyên lý điều khiển của đầu đo WXT510 - Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng 3..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

NHI ỆM VỤ THI ẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên: NGUYỄN TẬP TOÀN

Khoá: 2012B Ngành: Điều khiển và Tự động hóa

Tên đề tài:

Nghiên c ứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong l ĩnh vực khí tượng

1 Các số liệu ban đầu:

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Tìm hiểu tổng thể cấu trúc và hoạt động của hệ thống trạm khí tượng trên ở trên

thế giới và Việt nam

- Tìm hiểu các thông số và chức năng hoạt động, khoảng đo và sai số yêu cầu của ngành khí tượng của các đầu đo sử dụng trên thế giới

- Tìm hiểu các chức năng hoạt động và nguyên lý điều khiển của đầu đo WXT510

- Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng

3 Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước các bản vẽ)

4 Cán bộ hướng dẫn

Phần lý thuyết TS Lê Minh Hoàng

5 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 30/12/2013

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 27/03/2015

Ngày tháng năm

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

TS Lê Minh Hoàng

Học viên đã hoàn thành Ngày tháng năm 2015 (Ký, ghi rõ họ tên)

Nguy ễn Tập Toàn

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 3

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRẠM QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG 12

1 Ngành khí tượng ở Việt Nam và trên Thế giới 12

1.1 Thực trạng công tác dự báo và nghiên cứu dự báo khí tượng ở Việt Nam 12

1.2 Sự phát triển của công nghệ dự báo khí tượng trên thế giới 15

2 Cấu trúc của một trạm khí tượng tự động 18

3 Các thông số của trạm 22

3.1 Nhiệt độ 22

3.2 Áp suất 26

3.3 Độ ẩm 26

3.4 Hướng gió 29

3.5 Tốc độ gió 31

3.6 Lượng mưa 34

4 Kết luận 35

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ ÁP DỤNG VÀO XÂY DỰNG TRẠM KHÍ TƯỢNG 37

1 Cảm biến đa năng WXT510 38

2 Các nguyên lý đo của cảm biến 42

2.1 Cảm biến đo gió WINDCAP 43

2.2 Cảm biến đo lượng mưa RAINCAP 44

2.3 Module PTU 45

3 Các giao thức 49

3.1 Các giao thức truyền thông nối tiếp 49

3.2 Các lệnh đặt chế độ truyền thông 50

4 Kết luận 58

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG 59

1 Thiết kế hệ thống trạm khí tượng 59

1.1 Phần mềm “Trạm khí tượng” 61

1.2 Phần mềm “Cảm biến ảo WXT510” 63

2 Kết luận 64

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRẠM KHÍ TƯỢNG TRÊN MÁY TÍNH VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 65

1 Lựa chọn công cụ xây dựng hệ thống 65

1.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình 65

1.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C# 66

2 Xây dựng cơ sở dữ liệu trên MySQL 69

2.1 Tổng quan về các cơ sở dữ liệu: 69

2.2 Giới thiệu MySQL 70

3 Giao diện phần mềm Trạm khí tượng: 73

3.1 Đặt cấu hình: 74

3.2 Lựa chọn chế độ đo: 75

3.3 Giám sát số liệu: 76

3.4 Tra cứu thống kê: 78

4 Phần mềm “Cảm biến ảo” 79

5 Ghép nối và chạy thử nghiệm 80

5.1 Ghép nối: 81

5.2 Chạy thử nghiệm 82

5.3 Đánh giá thử nghiệm 86

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87

Kết luận: 87

Hướng phát triển của đề tài : 87

PHỤ LỤC: Các trường trong lệnh truyền thông của WXT 510 88

1 Các trường trong lệnh đặt chế độ giao tiếp hiện thời 88

2 Các trường trong lệnh yêu cầu thông tin đo gió 88

3 Các trường trong lệnh yêu cầu thông tin đo áp suất, nhiệt độ, độ ẩm 89

4 Các trường trong lệnh yêu cầu thông tin đo lượng mưa 89

5 Các trường trong câu lệnh nhận dạng: aI! 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Hệ thống mạng thông tin thời tiết di động 17

Hình 2 Mạng truyền thông của hệ thống thông tin thời tiết di động 18

Hình 3 Trạm khí tượng tự động quy mô nhỏ 20

Hình 4 Trạm khí tượng tự động quy mô lớn 21

Hình 5 Trao đổi nhiệt của cảm biến 25

Hình 6 Các loại áp suất 26

Hình 7 Lượng nước trong không khí ở độ ẩm tương đối 100% theo nhiệt độ 28

Hình 8 Phong kế chén bán cầu 34

Hình 9 Cảm biến đa năng WXT510 38

Hình 10 Các kích thước của cảm biến WXT510 39

Hình 11 Cảm biến WXT510 nhìn theo mặt cắt 42

Hình 12 Cảm biến áp suất BAROCAP 46

Hình 13 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ THERMOCAP 47

Hình 14 Sai số đo lường tại độ ẩm tương đối 100% khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường và cảm biến là 1°C 49

Hình 15 Mô hình trạm khí tượng 60

Hình 16 Giao diện của chương trình 73

Hình 17 Giao diện chức năng “ Đặt cấu hình” 75

Hình 18 Giao diện chức năng “ Lựa chọn chế độ đo” 76

Hình 19 Lưu đồ thuật toán 77

Hình 20 Giao diện chức năng “ Giám sát số liệu” 78

Hình 21 Giao diện chức năng “ Tra cứu thống kê” 79

Hình 22 Phần mềm cảm biến ảo WXT510 80

Hình 23 Hai cáp chuyển đổi USB-RS232 và cáp RS232 với 2 đầu âm 81

Hình 24 Các chân của cổng COM RS232 đấu chéo chân 2 và 3 81

Hình 25 Phần mềm trạm khí tượng sau khi đã kết nối 82

Hình 26 Cảm biến ảo WXT510 sau khi đã kết nối 83

Hình 27 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ đo tự động 84

Hình 28 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ đo từng phần 85

Hình 29 Kết quả đo đạc khi sử dụng tab chế độ Tra cứu thống kê 85

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1 Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng 24

Bảng 2 Các giao thức truyền thông của WXT510 49

L ỜI NÓI ĐẦU

Con người luôn mơ ước chinh phục thiên nhiên Ngay từ khi có nhận thức về thiên nhiên-xã hội, con người đã biết tận dụng các điều kiện thuận lợi, tìm mọi cách tránh những điều kiện bất lợi để bảo tồn và nâng cao mức sống của mình, trong đó các điều kiện khí tượng luôn là yếu tố được đòi hỏi trước và yêu cầu ngày càng cao Trong hoàn cảnh khoa học và công nghệ phát triển mạnh như hiện na y, thông tin thời tiết được bổ sung không ngừng và có độ tin cậy ngày càng cao, đòi hỏi các nhà khí tượng

phải có những nghiên cứu ứng dụng nhằm đáp ứng kịp thời các đòi hỏi khắt khe của phát triển kinh tế - xã hội Do nhiều nơi, nhiều lúc không kiểm soát được nên môi trường bị huỷ hoại nghiêm trọng Mức độ khốc liệt của các hiện tượng khí tượng cũng

mạnh mẽ hơn, nhiều vùng đất rộng lớn mất rừng, trở thành hoang mạc, khí hậu toàn

cầu và ở nhiều địa phương đã có nhiều biến đổi trái quy luật và xảy ra thường xuyên hơn Tất cả các quá trình trên là những thách thức to lớn đối với công tác dự báo khí tượng trên toàn cầu, đặc biệt đối với công tác dự báo khí tượng thủy văn (KTTV) ở nước ta Nắm được các thông tin khí tượng thủy văn và biết sử dụng chúng một cách phù hợp sẽ hạn chế được những hậu quả của các hiện tượng thiên tai, tận dụng được

những thuận lợi của các điều kiện thời tiết khí hậu, nâng cao hiệu quả của các hoạt động kinh tế xã hội và quốc phòng

Vì vậy đặt ra yêu cầu là các trạm quan trắc môi trường phải thu thập được số

liệu thường xuyên, đồng thời phân tích được số liệu đó nhằm dự báo được chính xác và

kịp thời Ngày nay các trạm khí tượng tự động vừa thu thập, phân tích số liệu và còn truyền được qua mạng Internet đã trở nên phổ biến Việc xây dựng các trạm như vậy ở

Việt Nam là cần thiết vì các thiên tai đã gây thiệt hại to lớn đến đời sống của người dân

mà phần nhiều là do công tác dự báo thời tiết còn thiếu và chậm

Một trạm khí tượng tự động sẽ bao gồm cảm biến và phần mềm đi kèm Ngôn

ngữ lập trình C# thực sự đã đáp ứng được nhu cầu xây dựng một giao diện thu thập và

xử lý tín hiệu của một trạm khí tượng như vậy

Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng” tôi mong muốn tìm hiểu về các thông số và cấu trúc của một trạm khí tượng , từ đó sử dụng mềm C# để thiết kế hệ thống thiết bị đo tự

động các thông số sử dụng bộ cảm biến WXT510 thông qua cổng giao tiếp RS232

Đồ án tập trung vào các vấn đề chính sau:

- Tìm hiểu tổng quan về cấu trúc và nguyên lý hoạt đông của các trạm khí tượng

thủy văn của nước ta và trên thế giới

- Lựa chọn sử dụng và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đầu đo WXT510 của hãng Vaissala dùng để đo thông số khí tượng

- Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và giám sát các thông số môi trường ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng bao gồm:

o Giao diện trạm khí tượng trên máy tính cho phép điều khiển, kết nối, thu

thập dữ liệu từ đầu đo WXT510 Các dữ liệu thu thập được hiển thị và vẽ

đồ thị dữ liệu thu thập trên giao diện đồng thời được lưu trữ vào cơ sở dữ

liệu phục vụ tra cứu lịch sử dữ liệu

o Cảm biến ảo có các chức năng giống như cảm biến WXT510 thực

- Hệ thống trạm khí tượng được ghép nối và chạy thử nghiệm để đánh giá thực tế

và đưa ra những hướng phát triển của hệ thống

Sau thời gian ba tháng làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn tận tình của TS

Lê Minh Hoàng, tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn Tuy nhiên, trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi thiếu sót, do vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo trong và ngoài bộ môn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Lê Minh Hoàng, các thầy cô giáo bộ môn K ỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp, các cán bộ Viện Nghiên cứu quốc tế MICA,

đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Hà Nội ngày tháng năm 2015

Học viên thực hiện

Nguy ễn Tập Toàn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TRẠM QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG

1 Ngành khí tượng ở Việt Nam và trên Thế giới

Ngành Khí tượng Thủy văn có vị trí quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh

tế - xã hội, củng cố quốc phòng, an ninh, đặc biệt là trong công tác phòng, tránh và

giảm nhẹ thiên tai Đầu tư cho ngành Khí tượng Thủy văn cần đi trước một bước để cung cấp kịp thời, chính xác thông tin và luận cứ khoa học về khí tượng thủy văn cho

sự phát triển bền vững của đất nước trong bối cảnh thiên tai ngày càng khắc nghiệt và gia tăng do biến đổi khí hậu

1.1 Th ực trạng công tác dự báo và nghiên cứu dự báo khí tượng ở Việt Nam

Phát triển ngành Khí tượng Thủy văn đồng bộ theo hướng hiện đại hoá, lấy việc đầu tư cho khoa học, công nghệ và đào tạo nguồn nhân lực làm giải pháp chủ yếu để phát triển trên cơ sở kế thừa và phát huy tối đa nguồn lực hiện có , khai thác triệt để thành tựu khoa học, công nghệ trong nước, đồng thời ứng dụng chọn lọc những thành

tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới

Đổi mới phương thức phục vụ của ngành Khí tượng Thủy văn theo hướng Nhà nước chịu trách nhiệm cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đáp ứng các yêu

cầu phục vụ công cộng, phòng tránh thiên tai, bảo vệ cuộc sống, tài sản cho toàn xã

hội; đồng thời, khuyến khích xã hội hoá, thương mại hoá các hoạt động khí tượng thủy văn và tăng cường sử dụng thông tin khí tượng thủy văn trong sản xuất, kinh doanh,

dịch vụ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế xã hội thiết thực

Mục tiêu tổng quát đến năm 2020, ngành Khí tượng Thủy văn Việt Nam đạt trình độ khoa học công nghệ tiên tiến của khu vực châu Á, có đủ năng lực điều tra cơ

bản, dự báo khí tượng thủy văn, phục vụ yêu cầu phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai, phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, khai thác, sử dụng

hợp lý tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Mạng lưới trạm điều tra cơ bản khí tượng thủy văn nhằm đáp ứng yêu cầu số

liệu điều tra cơ bản, phục vụ dự báo KTTV, phục vụ phát triển kinh tế xã hội đảm bảo

an ninh quốc phòng Mạng lưới trạm được phân bố trên khắp mọi miền của đất nước, bao gồm cả đồng bằng, miền núi, hải đảo và vùng chủ quyền lãnh hải, với các loại trạm khác nhau như sau:

Quan tr ắc khí tượng bề mặt

Hiện có 168 trạm khí tượng bề mặt, gồm có: 57 trạm hạng I, 68 trạm hạng II và

43 trạm hạng III Trong đó có 122 trạm synop; 46 trạm khí hậu; 13 trạm đo bức xạ mặt

trời và 25 trạm phát báo quốc tế Ngoài ra còn có 393 điểm đo mưa nhân dân

Quan tr ắc khí tượng nông nghiệp

Hiện có 27 trạm khí tượng nông nghiệp, trong đó có 15 trạm cơ bản, 12 trạm

phổ thông đại diện cho các vùng

Quan tr ắc cao không

Hiện có 3 trạm thám không vô tuyến tại Hà Nội, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh Tại Hà Nội, Đà Nẵng quan trắc mỗi ngày hai lần, tại thành phố Hồ Chí Minh quan trắc mỗi ngày một lần Các yếu tố quan trắc trên cao gồm: khí áp, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió từ mặt đất lên đến độ cao 30 km Có 7 trạm đo gió bằng kinh vĩ quang học, 3 trạm đo tổng lượng ôzôn và bức xạ cực tím

Quan tr ắc ra đa thời tiết

Hiện có 6 trạm ra đa thời tiết gồm 8 ra đa phục vụ phát hiện, theo dõi bão và các

hiện tượng thời tiết nguy hiểm khác, trong đó có 03 ra đa thời tiết TRS-2730 do Pháp

chế tạo đặt tại Phù Liễn (Hải Phòng), Vinh (Nghệ An) và Việt Trì (Phú Thọ), 03 ra đa

thời tiết DOPPLER do Hoa Kỳ chế tạo đặt tại Tam Kỳ (Quảng Nam), Nha Trang

(Khánh Hoà) và Nhà Bè (Tp Hồ Chí Minh), 02 ra đa thời tiết MRL-5 do Liên Xô (cũ)

chế tạo, đặt tại Phủ Liễn (Hải Phòng) và Vinh (Nghệ An)

Quan tr ắc thủy văn

Hiện có 231 trạm thủy văn, gồm: 59 trạm hạng I, 21 trạm hạng II và 151 trạm

hạng III Trong số 231 trạm thủy văn có 88 trạm tự ghi, tự báo mực nước; 100 trạm vùng ảnh hưởng triều

Quan tr ắc khí tượng thủy văn biển

Hiện có 17 trạm khí tượng thủy văn biển quan trắc các yếu tố khí tượng và các

yếu tố hải dương: sóng, mực nước biển, thủy triều v.v Ngoài ra, còn có 1 tàu nghiên

cứu biển phục vụ điều tra khảo sát biển

• 18 trạm quan trắc bụi và thành phần hoá học nước mưa

• 48 trạm quan trắc môi trường nước sông

• 8 trạm quan trắc môi trường nước vùng hồ

• 6 trạm quan trắc môi trường nước biển ven bờ Lấy mẫu và phân tích thành phần hoá học 1 lần/tháng

• 68 điểm đo mặn

Ki ểm định máy khí tượng, thủy văn

Trung tâm KTTV Quốc gia có cơ sở kiểm định các thiết bị, máy khí tượng thủy văn Các máy đo một số yếu tố khí tượng thủy văn cơ bản như: nhiệt độ, độ ẩm, khí áp,

bức xạ mặt trời, tốc độ gió và tốc độ dòng chảy được kiểm định thường xuyên, theo định kỳ nhằm đảm bảo độ chính xác của số liệu đo đạc

Phân tích môi trường

Hiện có 3 phòng thí nghiệm phân tích môi trường được trang bị các thiết bị phân tích hiện đại, đồng bộ đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng và Thành Phố Hồ Chí Minh Phân tích

mẫu môi trường cho tất cả các trạm thuộc 9 Đài KTTV khu vực và các cơ quan, đơn vị

có nhu cầu

1.2 S ự phát triển của công nghệ dự báo khí tượng trên thế giới

Vào thế kỷ 19, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật ở Tây Âu đã tiến bộ với

những bước tiến khổng lồ kéo theo sự phát triển về kinh tế và thương mại quốc tế Việc

vận chuyển hàng hóa bằng đường biển ngày càng được tăng cường và yêu cầu phải được bảo đảm an toàn Việc thu thập tin tức chính xác về thời tiết phục vụ cho giao thông vận tải là không thể thiếu được Chính trong bối cảnh đó, nhiều hội nghị quốc tế

về khí tượng đã được triệu tập để xác định rõ vị trí, vai trò và tầm quan trọng của khí tượng đối với hoạt động sống con người Hội nghị Khí tượng Quốc tế năm 1873

tại Vienna đã đánh dấu một bước ngoặt có tính chất lịch sử về hợp tác quốc tế của ngành Khí tượng thế giới và chính tại Hội nghị này, điều lệ của WMO đã được thông qua Sự phát triển của công nghệ dự báo khí tượng trên thế giới đã ngày càng lớn mạnh

từ đó

Phương tiện kỹ thuật trong đo đạc, thu thập số liệu ngày càng hiện đại và phát triển đến mức người ta có thể nhận được bất cứ yếu tố khí tượng nào ở bất cứ nơi nào

cần, từ vùng núi cao tuyết phủ đến các vùng biển ít tàu thuyền qua lại, ở mặt đất hay trên các độ cao bất kỳ Mật độ các trạm khí tượng tự động ở các nước tiên tiến đủ thoả mãn nhu cầu thông tin đối với các mô hình dự báo số trị Các máy đo gió tự động c ó

thể thiết lập Profile gió cũng như các yếu tố khí tượng, môi trường ở mọi nơi, với đầy

đủ các thông số cần thiết trong mỗi khối khí Hệ thống ra-đa hiện đại dày đặc có thể phát hiện những biến đổi nhỏ nhất của các điều kiện khí tượng địa phương Các phần

mềm phân tích số liệu ra-đa, ảnh mây vệ tinh ngày càng tiến bộ giúp các nhà khí tượng nâng cao độ chính xác trong dự báo các hiện tượng thời tiết như tính chất mưa, lượng mưa, thời gian mưa ở các khu vực đồng thời cũng bổ sung lượng thông tin quan trọng trong việc giải các bài toán dự báo Với hàng trăm vệ tinh theo dõi thời tiết, các nhà khí tượng không chỉ nhìn thấy hình ảnh, diễn biến của các đám mây, vùng bão, mà còn có

khả năng phát hiện những biển đổi từ quy mô nhỏ nhất của các diễn biến thời tiết, khí

hậu trên mọi vùng của trái đất, đến việc phát hiện những hiện tượng quy mô lớn hơn như lỗ thủng tầng ôzon, sự mỏng đi của lớp băng vùng cực, hay diễn biến của hiện tượng ENSO (El Nino-Southern Oscillation- sự dao động El Nino ở phía Nam) Vệ tinh khí tượng đã giúp tăng cường khả năng liên lạc với dung lượng, tốc độ rất lớn Các máy tính thế hệ mới phát huy tính năng siêu việt, có thể giúp giải các bài toán khí tượng nhanh chóng mà chỉ vài chục năm trước đây không thể thực hiện được Những

mô hình dự báo cho phép các nhà khí tượng có thể tiến hành dự báo chính xác hơn nhiều yếu tố khí tượng với nhiều thời hạn dự báo khác nhau, từ những dự báo hạn cực

ngắn đối với các xoáy nhỏ có thể gây ra tác động xấu cho hoạt động của máy bay ở các sân bay đến các dự báo quy mô lớn hơn như bão, gió mùa, với độ chính xác ngày càng cao Internet, công cụ thông tin hiện đại đã phát triển mạnh mẽ, giúp không chỉ thu

thập số liệu, mà còn trao đổi các loại thông tin khí tượng từ số liệu khí hậu đến các thông tin đủ loại trong khí tượng: ảnh mây, ra đa, các kết quả dự báo số trị, các trường

dự báo, các yếu tố dự báo khí tượng mà bất cứ ai quan tâm cũng có thể tìm và sử dụng

có hiệu quả.Việc ứng dụng các công nghệ cao như Hệ thống thông tin địa lý (GIS – Geographic Information System), Hệ thống định vị toàn cầu (GPS – Global Positioning

System) đã góp phần nâng cao khả năng và chất lượng thông tin khí tượng và các loại thông tin khác phục vụ công tác theo dõi và dự báo thời tiết ngày càng tốt hơn

Ngày nay, với sự xuất hiện của internet và vệ tinh thông tin giúp cho việc số hoá

số liệu và tính chính xác được vị trí cần đo nên một hệ thống đo còn có thể di động được Tại các nước tiên tiến, người ta đã đề xuất những hệ thống hiện đai tích hợp công nghệ Internet Ví dụ về một hệ thống tích hợp công nghệ như vậy:

Hình 1 H ệ thống mạng thông tin thời tiết di động

Việc truyền thông tin trong hệ thống có thể được thực hiện bằng các thiết bị truyền thông đơn giản, gọn nhẹ và các máy điện thoại di động nhờ có các ăngten của chúng Mạng thông tin có thể truyền cho nhau như sau:

Hình 2 M ạng truyền thông của hệ thống thông tin thời tiết di động

Với thiết kế này thì chỉ với một chiếc máy tính xách tay và một ăngten thì cả đến một người dân bình thường cũng có thể biết được tình hình thời tiết chi tiết Đặc

biệt hơn nữa là hệ thống này cảnh báo hữu hiệu các thiên tai và với phần mềm bản đồ

số thì còn có thể biết được chính xác vị trí của thiên tai đó cách người sử dụng bao nhiêu Hệ thống này được gọi là Weather Information Network Enabled Mobile System- hệ thống mạng thông tin thời tiết di động được Với trình độ công nghệ thông tin như nước ta hiện nay thì việc xây dựng một hệ thống như vậy là có khả năng và rất

cần thiết để nghiên cứu dự báo và đặc biệt là trong việc cảnh báo thiên tai Trung tâm MICA hiện nay đang tham gia một dự án thiết lập một hệ thống thời tiết như vậy mang tên ISLAND Dự án này tập hợp các nhà khoa học của nhiều nước nhằm xây dựng một

hệ thống thống kê và tra cứu về các thông số khí tượng thông qua mạng Internet và công nghệ Wireless, góp phần dự báo thời tiết cho các vùng nhanh chóng, kịp thời, chính xác

2 C ấu trúc của một trạm khí tượng tự động

Một trạm khí tượng tự động thực hiện được các chức năng sau:

• Quan sát tổng thể

• Quan sát khí hậu

• Giám sát môi trường

• Giám sát phóng xạ

• Các chương trình ứng dụng công nghiệp

• Cài sẵn Internet

• Quan sát thời tiết trong hang không và giao thông vận tải

Một trạm khí tượng tự động được thiết kế cho nhiều ứng dụng và từ những nơi

nằm trong vùng dân cư đông đúc tới những nơi dân cư thưa thớt Nó bao gồm nhiều

loại cảm biến để đo nhiều thông số khác nhau và các thiết bị truyền thông để có thể truyền đi xa Kết hợp với một phần mềm tiên tiến thì trạm khí tượng tự động thực sự

trở thành một giải pháp hữu hiệu và đáng tin cậy để quan trắc khí tượng và môi trường

Hãng Micro-Step đã đưa ra thiết kế về trạm IMS AWS 111 để thực hiện được các chức năng trên Trạm giao tiếp được với nhiều loại cảm biến và thiết bị truyền thông và được nhúng trong một môi trường phần mềm tiên tiến Trạm bao gồm các

khối được nối với nhau bằng 1 hệ thống bus RS485, trạm khí tượng tự động vận hành như một cấu trúc module linh hoạt cho việc xây dựng các hệ thống đo đạc và ghi chép

với các cảm biến thông minh, các màn hình hiển thị và các máy tính

Sự linh hoạt của hệ thống cho phép phạm vi ứng dụng của trạm khí tượng từ hệ

thống đo chuyên dụng đến những trạm đo đa năng

Những đặc trưng của bộ biến đổi tương tự - số và phần mềm như chuẩn hoá số

liệu và điều khiển chất lượng sẽ đảm bảo cho độ chính xác của số liệu đo được

Hệ thống hỗ trợ cho đầu ra số liệu đi tới các đường dây RS232/485, các moderm

và các điện thoại di động, moderm viễn thông và các vệ tinh Với thiết kế như vậy trạm

có thể truy cập được Internet dễ dàng

Một trạm khí tượng tự động có thể có quy mô khác nhau:

Hình 3 Tr ạm khí tượng tự động quy mô nhỏ

Trạm quy mô nhỏ chủ yếu thực hiện chức năng đo đạc Toàn bộ số liệu của trạm

sẽ được gửi lên máy tính thu thập dữ liệu tại các trung tâm khí tượng thuỷ văn Module ghi số liệu: dùng để ghi lại dữ liệu để gửi đi Ngoài ra có thể có thêm module mở rộng như moderm, các màn hình hiển thị

Hình 4 Tr ạm khí tượng tự động quy mô lớn

Trạm quy mô lớn không chỉ thực hiện chức năng đo đạc mà còn thu thập phân tích dữ liệu và hiển thị nên nó gồm nhiều khối

Chức năng của các khối:

• Máy ghi chủ: thu thập số liệu từ các cảm biến thời tiết và gửi lên máy tính

• Máy ghi con: vì có một số cảm biến phải đặt trong đất nên có một máy ghi riêng

gửi số liệu lên máy tính

• Module đầu ra số mở rộng: để hệ thống có thể điều khiển nhiều loại thiết bị hơn

• Nguồn xoay chiều để cung cấp điện cho các máy ghi và các thiết bị trong hệ

thống

• Nguồn dự phòng dung để cấp điện trong trường hợp mất điện cho nguồn chính

• Màn hình hiển thị số liệu: hiển t hị đầy đủ các thông số được đo bằng các cảm

biến

• Màn hình hiển thị tại nơi công cộng: đặt tại địa điểm công cộng nhưng không

nằm xa trạm quá để tiện cho việc truyền thông

• Ngoài ra còn có một số cảm biến thông minh hoạt động độc lập như một trạm đo riêng để đo các thông số đặc biệt như phóng xạ, tầm nhìn xa

• Hệ thống bus RS 485 dùng để truyền thông giữa tất cả các thiết bị trong trạm

3 Các thông s ố của trạm

3.1 Nhi ệt độ

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật

chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt

độ là một vấn đề không đơn giản Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực

tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là đại lượng chỉ có

thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng

Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động

giữa hai nguồn có nhiệt độ θ1 và θ2trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và

θ2:

1 2

( ) ( )

F F

θηθ

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ Đặt F(θ) = T , khi đó hiệu suất nhiệt của động

cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

1 2

T

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn

Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng:

Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ Muốn

vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện

hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại

Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng

ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K

Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt

{ }

5

9 9

B ảng 1 Các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng

Nhiệt độ Kelvin (oK) Celsius (oC) Fahrenheit (oF)

T x – T c , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao Muốn vậy khi đo cần

phải:

• Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo

• Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài

Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

( x c) dt

dQ=αA T −T (1.7)

với:

o α - hệ số dẫn nhiệt

o A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

o T - thời gian trao đổi nhiệt

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ=mCdT e, với:

o m - khối lượng cảm biến

o C - nhiệt dung của cảm biến

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

Hình 5 Trao đổi nhiệt của cảm biến

Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta

phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn

chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra

mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp

Đơn vị đo áp suất:

• Trong hệ SI: Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/ 2

10− bar

• Châu Âu: bar ; Bắc Mỹ: psi ; Châu Á: kg/ 2

cm

3.3 Độ ẩm

Độ ẩm là lượng hơi nước trong không khí Nó thường được xác định bằng 3 đại lượng: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối và độ ẩm riêng Độ ẩm tương đối thường được dùng để xác định độ ẩm trong các bản tin thời tiết Độ ẩm này càng cao thì càng

làm cho cái nóng gay gắt hơn về mùa hè vì nó làm giảm sự tiết mồ hôi để làm mát cơ

thể

Trong công nghiệp, tuỳ vào từng sản phẩm cụ thể có các điều kiện độ ẩm khác nhau Ví dụ: trong công nghiệp thực phẩm phải luôn duy trì độ ẩm từ 85%-90% để bảo

quản thực phẩm tối ưu Trong nhiều quá trình công nghiệp cần đo độ ẩm ở cỡ rất nhỏ

và chính xác vì sự xuất hiện của hơi nước có thể gây nên những phản ứng phụ hoặc gây quá trình ngưng tụ

Như vậy độ ẩm cao trong không khí nói chung có thể gây hậu quả nghiệm trọng đối với quá trình sinh lý, lý hoá nên đo độ ẩm là điều bắt buộc trong một hệ thống quan

trắc môi trường

Các thông số cơ bản về độ ẩm:

• Độ ẩm tuyệt đối: là khối lượng nước chứa trong một thể tích không khí Đơn vị

đo là g/m3 Nếu tất cả nước trong một m3 không khí được ngưng tụ lại trong 1 bình

chứa thì cân nặng của bình chứa đó xác định được áp suất tuyệt đối Gọi mw là khối lượng nước, Va là thể tích của không khí thì độ ẩm tuyệt đối được tính:

a

V

m

• Áp suất hơi bão hoà: Áp suất hơi bão hoà ps(T) (đo bằng Pa) là áp suất hơi nước

ở trạng thái cân bằng với nước (lỏng) ở nhiệt độ T Đây là giá trị lớn nhất mà áp suất riêng phần pv có thể đạt tới ở nhiệt độ T Lớn hơn áp suất này có thể xảy ra ngưng tụ

• Độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối H(%) là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước và áp suất hơi bão hoà ở nhiệt độ T Điều đó có nghĩa là tỷ số giữa bao nhiêu năng lượng được dùng để làm bay hơi hết nước ở dạng hơi đối với năng lượng còn lại

O H

p

p

Trong đó:

Hình 7 Lượng nước trong không khí ở độ ẩm tương đối 100% theo nhiệt độ

Đo độ ẩm là một trong các thông số khó đo nhất bởi đây là đại lượng có phạm vi

đo rất rộng từ vài ppm (phần triệu) đến hơi nước có nhiệt độ vài chục độ C Mặc dù khó đo nhưng độ ẩm là một thông số rất quan trọng, cần thiết trong các lĩnh vực đời

sống và công nghiệp Có nhiều kỹ thuật và dụng cụ đo độ ẩm khác nhau, tuỳ vào từng hoàn cảnh cụ thể ta có thể chọn phương pháp đo và cảm biến thích hợp Ví dụ về một

số phương pháp đo độ ẩm cơ bản:

• Cảm biến điện dẫn: Điện trở của các chất dẫn điện phi kim thường phụ thuộc

vào lượng nước chứa trong chúng Hiện tượng này là cơ sở của cảm biến điện trở độ

ẩm hay dụng cụ đo độ ẩm Cảm biến chứa một chất liệu có điện trở suất tương đối thấp

hay thay đổi đáng kể dưới điều kiện độ ẩm không ổn định Chất này được đặt trên đỉnh

của hai cực đan nhau để tạo ra môi trường liên kết Khi các phân tử nước được hấp thụ

bởi lớp phía trên, điện trở suất giữa các cực thay đổi và có thể đo được bằng một mạch điện

• Cảm biến điện dung: Một tụ điện chứa không khí có thể được dùng làm cảm

biến đo độ ẩm tương đối vì hơi ẩm trong không khí thay đổi hằng số điện môi theo phương trình :

6 48

của tụ điện một môi chất thích hợp có hằng số điện môi thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào

độ ẩm Cảm biến điện dung có thể làm từ một miếng polyme hút ẩm mỏng (8-12µm)

với các điện cực kim loại đặt ở các phía đối diện Bản cực tụ được giữ bằng một vòng

kẹp và các điện cực được nối với cực của mạch điện Mạch điện có 2 chức năng: chuyển đổi từ điện dung sang điện áp và trừ đi lượng điện dung bù cho việc sinh ra một điện áp cấp chặn từ dư

• Gió mùa là một loại gió đổi hướng theo mùa Thuật ngữ này vốn được sử dụng cho gió mùa tại Biển Ả Rập và Ấn Độ Dương Có hai loạ i gió mùa: gió mùa đông và gió mùa hè Ở khu vực Đông Á và Đông Nam Á, mùa hạ có gió thổi từ Ấn Độ Dương

và Thái Bình Dương tới, đem theo không khí mát mẻ và mưa lớn Vào mùa đông, gió mùa thổi từ lục địa châu Á ra, đem theo không khí khô và lạnh Càng gần về xích đạo, gió ấm dần lên Gió mùa đong thổi thành từng đợt Mỗi khi gió về, ở vùng gần chí tuyến trời trở lạnh trong vài ba ngày, đôi khi kéo dài tới hàng tuần

• Gió mậu dịch là gió thổi thường xuyên trong những miền Cận Xích đạo Gió

mậu dịch thổi từ những miền áp cao ở các vĩ độ ngược về vùng áp thấp xung quanh xích đạo Ở Việt Nam, thuật ngữ thường được sử dụng rộng rãi để chỉ gió mậu dịch là tín phong

Trên Bắc bán cầu thì đây là những luồng gió thổi chủ yếu theo hướng (chiều) đông

bắc-tây nam, còn trên Nam bán cầu là hướng (chiều) đông nam- tây bắc (do ảnh hưởng

của lực Coriolis) Trong những miền cận xích đạo, gió mậu dịch đến từ hai bán cầu gặp nhau tạo thành những dòng đối lưu bốc lên cao (vì vậy mà ở sát mặt đất thì yên lặng,

hoặc gió thổi yếu) Gió mậu dịch thường xuất hiện vào mùa hè, thổi về hướng đông ở

tầng có độ cao trên 2 cây số phía trên xích đạo Còn ở tầng cao hơn nữa thì lại có

những luồng gió "mậu dịch ngược" thổi về hướng tây

Để đo hướng gió ta sử dụng phương pháp đo góc quay, do là đại lượng rất khó xác định nên có rất ít phương pháp đo vị trí góc chính xác Có 3 phương pháp thông dụng được sử dụng là: phương pháp sử dụng cảm biến từ trở , phương pháp mã hoá quang

học và phương pháp sóng siêu âm

• Cảm biến từ trở: Cảm biến từ trở là một trong những ứng dụng sử dụng cảm

biến Hall, nó cần một từ trường kích thích từ bên ngoài Bản thân cảm biến được đặt trong trường điện từ cấu tạo từ 2 nam châm vĩnh cửu được gắn vào một khung có thể quay được Đầu ra của cảm biến đo độ xoay của khung

• Phương pháp mã hoá quang học: Phương pháp mã hoá quang học (optical encoder) là phương pháp đo vị trí g óc bằng thước mã hóa Nó hay được sử dụng để xác định góc của trục quay và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường và điều khiển Đây là phương pháp dễ dàng chuyển sang dạng số do vậy các sensor số rất thuận tiện cho các ứng dụng vào đo lường, hiển thị và điều khiển

• Phương pháp sóng siêu âm: Đây là phương pháp được lựa chọn sử dụng trong

nội dung luận văn, tôi sẽ trình bày kĩ hơn phương pháp này trong phần sau của luận văn

3.5 T ốc độ gió

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ

Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh

Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của

Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng

mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán

cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại

từng địa phương Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên

nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

Thang sức gió Beaufort hay đơn giản là cấp gió là thang đo kinh nghiệm về sức gió, chủ yếu dựa trên trạng thái của mặt biển hay các trạng thái sóng

Thang sức gió này được Francis Beaufort, một đô đốc hải quân và đồng thời là

một nhà thủy văn học người Ireland, tạo ra năm 1805 Thang mang tên Beaufort có sự phát triển lâu dài và phức tạp, từ công trình trước đó của những người khác cho tới khi Beaufort trở thành người quản lý cao cấp trong Hải quân Hoàng gia Anh trong thập niên 1830 Đầu thế kỷ 19, các sĩ quan hải quân thực hiện các quan sát thời tiết theo thường lệ nhưng không tồn tại một thang tiêu chuẩn và vì thế các quan sát này là rất

chủ quan - một người cho đó là "gió nhẹ" thì người khác cũng có thể coi đó là "gió vừa

phải" Beaufort đã thành công trong việc đưa mọi thứ vào quy chuẩn

Thang ban đầu có 13 cấp (từ 0 tới 12) đã không dẫn chiếu tới các con số về vận

tốc gió mà liên quan tới các điều kiện gió định tính có tác động lên các cánh buồm

của các con tàu, khi đó là các loại tàu chủ yếu của Hải quân Hoàng gia Anh Ở cấp 0,

tất cả các buồm có thể giương lên, ở cấp 6 thì một nửa số buồm có thể phải hạ xuống, ở

cấp 12 thì tất cả các buồm phải xếp gọn lại

Thang sức gió này đã là tiêu chuẩn cho mọi nhật trình hàng hải trên các tàu thuyền của Hải quân Hoàng gia Anh vào cuối thập niên 1830, và đã được thích ứng để ứng dụng phi-hải quân kể từ thập niên 1850, với các số của thang tương ứng với sự xoay vòng của máy đo gió hình chén Năm 1906, để phù hợp với sự phát triển của tàu hơi nước, các miêu tả đã được thay đổi để miêu tả biển như thế nào chứ không phải là

buồm như thế nào, được vận hành và mở rộng cho các quan sát trên đất liền Sự xoay vòng của các con số trên thang chỉ được chuẩn hóa vào năm 1923 George Simpson, Giám đốc Cục Khí tượng Vương quốc Anh, là người chịu trách nhiệm về điều này và

về bổ sung các miêu tả trên cơ sở đất liền Sự đo đạc đã được thay đổi một chút vào vài

thập niên sau để hoàn thiện sự thuận tiện trong sử dụng cho các nhà khí tượng học

Ngày nay, nhiều quốc gia đã từ bỏ kiểu miêu tả và đơn vị đo này và sử dụng các đơn vị

của SI như m/s hay km/h, nhưng các cảnh báo thời tiết khắc nghiệt đưa ra công chúng

vẫn là xấp xỉ như vậy khi sử dụng thang Beaufort

Thang Beaufort được mở rộng năm 1946, khi các cấp từ 13 tới 17 được thêm vào Tuy nhiên, các cấp từ 13 tới 17 chỉ nhằm áp dụng cho các trường hợp đặc biệt, chẳng hạn khi có bão nhiệt đới mạnh Ngày nay, thang mở rộng chỉ được sử dụng tại Đài Loan, Trung Quốc và gần đây là Việt Nam

Tốc độ gió trên thang Beaufort mở rộng 1946 dựa trên công thức kinh nghiệm: v = 0,836 B3/2 m/s hay v = 3,0096 B3/2 km/h trong đó v là tương đương với vận tốc gió 10

mét trên bề mặt và B là số trên thang Beaufort Chẳng hạn, B = 9,5 cho giá trị của v là

24,48 m/s, nó tương đương với giới hạn dưới của "cấp 10 Beaufort" Sử dụng công

thức này thì gió mạnh nhất (trên 330 km/h) trong các trận siêu bão có thể đạt tới giá trị

cấp 23 trên thang

Ngày nay, đôi khi cấp gió bão được miêu tả như là cấp trong thang Beaufort từ

12 tới 16, có liên quan gần đúng với cấp tốc độ tương ứng của thang bão Simpson, trong đó các trận bão thực sự được đo đạc, trong đó cấp 1 của thang bão này tương đương với cấp 12 trong thang sức gió Beaufort Tuy nhiên, các cấp mở rộng trong thang sức gió Beaufort trên cấp 13 không trùng khớp với các cấp của thang bão Saffir-Simpson Các vòi rồng cấp 1 trên thang Fujita và thang TORRO cũng bắt đầu

Saffir-gần đúng ở mức trên của cấp 12 trong thang Beaufort nhưng chúng là các thang độc

• Phong kế dùng chén bán cầu: Phong kế bán cầu có cấu tạo gồm từ 3 đến 4 chén bán cầu được gắn vào cánh tay đòn để có thể quay quanh một trục Khi đặt máy đo trong dòng chảy, các chén bán cầu sẽ quay quanh trục của máy đo bởi vì hệ số sức cản

của mặt trước

Hình 8 Phong k ế chén bán cầu

• Phong kế dây và phong kế màng mỏng: Khi đặt trong dòng chảy một dây dẫn

hoặc một màng mỏng có nhiệt độ (sinh ra bởi hiệu ứng Joule) cao hơn nhiệt độ của

chất lưu thì sẽ xảy ra trao đổi nhiệt bằng đối lưu Nhiệt độ cân bằng To của dây và màng (cảm biến) xác định bằng cách đo điện trở của chúng Điện trở này phụ thuộc vào nhiệt lượng Joule toả ra và vận tốc của chất lưu Kim loại chế tạo dây dẫn và màng

mỏng cần có hệ số nhiệt điện trở αR cao

3.6 Lượng mưa

Trong khí tượng học, mưa là sản phẩm bất kỳ của quá trình ngưng tụ hơi nước ngưng đọng lại trên bề mặt trái đất Nó xảy ra khi khí quyển (là một lớp khí hoà tan)

trở nên bão hoà với hơi nước và nước sẽ ngưng đọng và rơi ra khỏi lớp đó Không khí

trở nên bão hoà nhờ hai quá trình: làm mát và bổ sung độ ẩm

Mưa khi rơi xuống mặt đất có nhiều dạng, gồm có hạt mưa, mưa đá, tuyết tức là

dạng lỏng, đang đóng băng và đã đóng băng Mưa đóng một vai trò quan trọng trong chu trình thủy học trong đó nước từ các đại dương (và các khu vực khác có chứa nước) bay hơi, ngưng tụ lại thành các đám mây trong tầng đối lưu của khí quyển do gặp lạnh,

khi các đám mây đủ nặng, nước sẽ bị rơi trở lại Trái Đất, tạo thành mưa, sau đó nước

có thể ngấm xuống đất hay theo các con sông chảy ra biển để lại tiếp tục lặp lại chu trình vận chuyển Xấp xỉ 505.000 km3 nước mưa rơi xuống trái đất mỗi năm và trong

đó có 398000 km3trên đại dương

Lượng mưa là đại lượng thể hiện mức độ mưa nhiều hay ít Lượng mưa tại một khu vực nào đó được đo bằng các máy đo lượng mưa đặt tại một số điểm ngẫu nhiên,

xa khu vực có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Nó là độ cao lượng nước thu được sau cơn mưa trên một bề mặt phẳng, không bị nhà cửa hay cây cối bao phủ hay che lấp và có thể được tính bằng mm (milimét) hay L/m², hoặc có thể đo mức lượng mưa trong 1 đơn vị thời gian

Ví dụ về một số phương pháp đo lượng mưa cơ bản:

• Cảm biến truyền động hình dây: Thành phần chính của cảm biến là một que dò,

giống như một ống dài có một điện cực là một ống hình trụ nhỏ đặt bên trong và một điện cực là lớp vỏ bọc hình trụ bên ngoài Que dò được để ngập trong nước sao cho

ngập cả khoảng không giữa hai điện cực Chiều dài của que dò thực tế có thể tính theo bước sóng nhưng là đối với đáp ứng tuyến tính, thường lấy nhỏ hơn 1

4λ Tín hiệu tần

số cao truyền dọc theo dây truyền động do 2 điện cực tạo thành Tín hiệu tần số cao sẽ

phản xạ lại mức chất lỏng và truyền về mạch điện của cảm biến Bằng cách đo độ lệch pha giữa tín hiệu truyền đi và tín hiệu phản xạ lại thì sẽ tính được mức chất lỏng

• Cảm biến điện dung: Ta có thể dùng phương pháp chuyển đổi điện dung để đo

mức nước Phương pháp này có ưu điểm là đạt được độ tuyến tính trong khoảng đo

lớn, thường dùng để đo mức của các chất lỏng dễ bay hơi, dễ nổ và ăn mòn Khoảng đo

từ 0 ÷ 5m Trong đó chuyển đổi điện dung là thanh kim loại thẳng phủ lớp chống ăn mòn hoá học đặt giữa thùng kim loại đựng chất lỏng Khi thùng rỗng, điện dung của thùng là 8pF, lúc đầy chất lỏng điện dung tăng lên đến 30pF

4 K ết luận

Quan trắc khí tượng thủy văn là một yêu cầu bức thiết phục vụ cuộc sống con người Sự phát triển công nghệ trong ngành khí tượng thủy văn với các cải tiến về kỹ thuật, công nghệ mang lại lợi ích lớn về kinh tế, xã hội Sau khi nghiên cứu về tổng quan, khái quát chung về ngành khí tượng, trong chương 2 đề cập đến việc lựa chọn đầu đo và sử dụng trong một trạm khí tượng điển hình Việc phân tích nguyên lý đo lường của đầu đo và cách thức hoạt động cũng được đề cập đến

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ ÁP DỤNG VÀO XÂY DỰNG TRẠM

KHÍ TƯỢNG

Dự báo khí tượng càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều lĩnh

vực trong cuộc sống của con người, có thể kể ra như trong ngành công nghiệp hàng không, các công ty vận chuyển, lắp đặt biển / cảng, sân bay, hoạt động quân sự, các công ty thăm dò ngoài khơi, khai thác trang trại gió, các hoạt động nông nghiệp và các

viện nghiên cứu, …

Do đó, hiện nay cảm biến đo các thông số của trạm khí tượng hiện nay được rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo và nghiên cứu phát triển Theo tài liệu tham khảo số [2] và [3], cảm biến hiện nay cho phép người sử dụng có nhiều lựa chọn cho công nghệ

cảm biến cho thiết bị của mình Các hãng nổi tiếng về lĩnh vực này có thể kể tới như SEBA – Đức là hãng chuyên về các thiết bị quan trắc khí tượng, hệ thống quan sát GAMMA của Siemens, Vaisala của Phần Lan, … Cũng với các tính năng là lấy dữ

liệu trực tiếp từ 1 hệ thống các cảm biến được tích hợp trong cùng một thiết bị để đo các đại lượng cơ bản của thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió, tốc độ gió, lượng mưa, áp suất,…và được kết nối qua cổng nối tiếp với giao thức truyền thông được xây

dựng trên nền là hệ điều hành Microsoft Windows

Trong rất nhiều thiết bị của các hãng trên thế giới thì thiết bị WXT 510 của hãng Vaisala Phần Lan là một trong những thiết bị tốt nhất với các ưu điểm vượt trội về thiết

kế gọn nhẹ, chắc chắn, tiêu thụ ít năng lượng, cài đặt nhanh và dễ dàng cùng một bộ công cụ hỗ trợ đặt cấu hình cho PC Do đó tôi quyết định sử dụng thiết bị cảm biến đa năng WXT510 vào trong trạm khí tượng đang xây dựng trong luận văn này

Trên cơ sở tài liệu tham khảo số [6] và [7] phần tiếp theo sẽ trình bày kĩ hơn về

cảm biến đa năng WXT510 mà tác giả luận văn đã lựa chọn

1 C ảm biến đa năng WXT510

Hình 9 C ảm biến đa năng WXT510

Thời tiết Transmitter WXT510 là một thiết bị đa chức năng nhỏ gọn, cung cấp 6 tham số thời tiết trong cùng một thiết bị WXT510 có khả năng đo tốc độ và hướng gió, lượng mưa, áp suất khí quyển, nhiệt độ và độ ẩm

WXT510 cấp nguồn từ 5 đến 30 VDC và dữ liệu kết quả đầu ra với các giao

thức truyền thông có thể lựa chọn là: SDI-12, ASCII tự động và NMEA 0183 với tùy

chọn truy vấn Bốn giao diện nối tiếp thay thế RS-232, RS-485, RS-422 và SDI-12

• Dễ lắp đặt : WXT510 lắp đặt sẵn module PTU nên WXT510 chỉ cần được lắp

thẳng đứng, nối với bộ thu thập số liệu và nguồn

• Dễ cài đặt : WXT510 sản xuất theo yêu cầu khách hàng nên có thể yêu cầu cài đặt thêm phần mềm của WXT510 Đây là công cụ dành cho cấu hình của WXT510 bao gồm phần mềm dễ sử dụng Window nên có thể điều chỉnh cài đặt WXT510 xa hơn nữa Phần mềm này có thể dùng như giao diện của người sử

dụng WXT510 trên máy tính

Thông số chung:

Điện áp cấp vào: 5 30 VDC

Tổn hao năng lượng trung bình :

• Thấp nhất: 0,07 mA ở 12 VDC (với SDI-12 mode)

• Cao nhất: 3 mA ở 30 VDC (đo liên tục các thông số)

• Thông thường: 3mA ở 12VDC (với khoảng thời gian đo mặc định)