Lựa chọn thiết bị và áp dụng vào xây dựng trạm khí tượng

Cũng với các tính năng là lấy dữ liệutrực tiếp từ 1 hệ thống các cảm biến được tích hợp trong cùng một thiết bị để đocác đại lượng cơ bản của thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió, tố

CHƯƠNG II 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 nhiềulĩnh vực trong cuộc sống của con người, có thể kể ra như trong ngành công nghiệphàng 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 nôngnghiệp và các viện nghiên cứu, …

Do đó, hiện nay cảm biến đo các thông số của trạm khí tượng hiện nayđược rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo và nghiên cứu phát triển SEBA – Đức

là hãng chuyên về các thiết bị quan trắc khí tượng, hệ thống quan sát GAMMAcủa Siemens, vaisala của Phần Lan, … Cũng với các tính năng là lấy dữ liệutrực tiếp từ 1 hệ thống các cảm biến được tích hợp trong cùng một thiết bị để đocác 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 truyềnthông 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 510của hãng Vaisala Phần Lan là một trong những thiết bị tốt nhất với các ưu điểmvượt 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

1 Cảm biến đa năng WXT510

Hình 1 Cảm 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 cácgiao 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

cài đặt WXT510 xa hơn nữa Phần mềm này có thể dùng như giao diệncủa người sử dụng WXT510 trên máy tính

Hình 2 Các kích thước của cảm biến WXT510

- Nguồn cấp :

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 thôngsố)

Thông thường: 3mA ở 12VDC (với khoảng thời gian đomặc định)

Thời gian trung bình : 1 600s (= 10min)

tại mỗi bước 1 giây trên cơ sở mẫu 0,25 giây

Khoảng thời gian cập nhật: 1 3600s (= 60min)

tại các bước 1 giây

- Lượng mưa : lượng tích luỹ sau lần xác lập lại tự động gần nhất hoặc

WXT 510 tích hợp nhiều cảm biến khác nhau của hãng Vaisala Tuy nhiênchúng không được thiết kế tách ròi mà cùng được đặt trong một cảm biếnchung Mỗi cảm biến thành phần đều được chế tạo theo công nghệ chế tạo cảmbiến thời tiết của hãng Vaisala Cảm biến WXT gồm có 1 bộ cảm biến đo gió để

đo tốc độ và hướng gió, một cảm biến đo lượng mưa và gồm có một modulePTU mà trong đó lại bao gồm cả các cảm biến nhỏ hơn để đo nhiệt độ, áp suất,

độ ẩm

Hình 23 Cảm biến WXT510 nhìn theo mặt cắt

1.1 Cảm biến đo gió WINDCAP

WXT510 sử dụng cảm biến Vaisala WINDCAP® trong việc đo gió

Các cảm biến gió là ba cột đầu dò siêu âm cách đều nhau trên một mặtphẳng nằm ngang Hướng gió và tốc độ gió được xác định bằng cách đo thờigian sóng siêu âm di chuyển từ đầu dò này sang tới hai đầu dò còn lại và ngượclại.Thời gian vận chuyển này phụ thuộc vào tốc độ gió dọc theo đường siêu âm.Đối với lúc tốc độ gió bằng 0, cả thời gian di chuyển giữa 2 cột chiều đến và đi

là như nhau Nếu có gió tồn tại dọc trên đường đi của âm thanh có nghĩa là thờigian truyền của hướng gió đi thuận so với hướng gió sẽ giảm, và thời giantruyền của hướng gió đi ngược so với hướng gió sẽ tăng

Cảm biến đo gió đo thời gian di chuyển của song siêu âm theo cả 2hướng Khoảng thời gian này phụ thuộc vào tốc độ gió dọc theo đường đi củasóng siêu âm Nếu tốc độ gió bằng 0 có nghĩa là thời gian song truyền xuôi vàngược bằng nhau Nếu có gió tồn tại dọc trên đường đi của âm thanh có nghĩa làthời gian truyền của hướng gió đi lên sẽ tăng và đi xuống sẽ giảm Từ các thờigian truyền đo được tại 3 đường khác nhau, bộ vi điều khiển sẽ tính toán tốc độ

và hướng gió theo chiều ngang Tốc độ gió theo thời gian di chuyển đo đượcđược tính theo công thức sau:

Trong đó:

Vw = tốc độ gió

L = khoảng cách giữa 2 cột đầu dò cảm biến

tf = Thời gian truyền theo chiều thuận

tr = thời gian truyền theo hướng ngược

Đo 6 thời gian truyền giữa 3 cọc ( 2 chiều) sẽ được 3 giá trị Vw cho mỗicặp 3 đường đi của sóng siêu âm Tốc độ gió tính được là độc lập với độ cao,nhiệt độ và độ ẩm do các đại lượng này bị khử đi khi đo thời gian truyền theo cả

2 hướng, mặc dù từng thành phần thời gian thì lại phụ thuộc vào các đại lượngtrên Giá trị Vwcủa 2 đường này là đủ để tính được tốc độ cũng như hướng gió.Với kĩ thuật xử lý tín hiệu thì có thể tính toán được tốc độ và hướng gió từ 2đường này với chất lượng tốt nhất

Tốc độ gió được coi là 1 đại lượng vô hướng có đơn vị m/s, kt, mph,km/h Hướng gió được biều thị bằng độ (o) Hướng gió được ghi bằng WXT510cho biết hướng mà gió thồi tới cảm biến Hướng bắc là 0o, đông là 90o, nam là

180o, tây là 270o

Hướng gió được không tính được khi tốc độ gió giảm xuống dưới0.05m/s Trong trường hợp này, đầu ra được tính gần thời điểm đo nhất sẽ đượcduy trì cho đến khi tốc độ gió lại tăng đến 0.05m/s

Giá trị trung bình của tốc độ và hướng gió được tính như 1 đại lượngtrung bình vô hướng của tất cả các mẫu trong toàn bộ khoảng thời gian trungbình được chọn(1…900s) Số lượng mẫu tuỳ thuộc vào tốc độ lấy mẫu: 4 Hz(mặc định), 2 Hz hoặc 1 Hz Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ vàhướng gió đại diện cho các cực trị đáp ứng trong khoảng thời gian trung bìnhđược chọn

1.2 Cảm biến đo lượng mưa RAINCAP

Cảm biến đo lượng mưa bao gồm một hộp vỏ bằng thép và một cảm biến

áp điện được đặt ở mặt dưới của vỏ

Cảm biến đo lượng mưa có thể nhận biết được tác động của từng giọtmưa riêng biệt Các tín hiệu do tác động của các hạt mưa tỉ lệ thuận với thể tíchcủa các hạt mưa Do đó tín hiệu của mỗi hạt mưa có thể được chuyển đổi trựctiếp thành lượng mưa tích tụ Kỹ thuật lọc nhiễu tiên tiến được áp dụng để lọc

ra các tín hiệu bắt nguồn từ các nguồn khác chứ không phải từ các hạt mưa

Các thông số đo được là lượng mưa, hướng các hạt mưa, lượng mưa lớnnhất và thời gian của mỗi trận mưa Việc nhận biết được từng giọt mưa chophép tính toán được lượng mưa và cường độ trận mưa với độ phân giải cao.Cường độ của một cơn mưa được cập nhật 10s một lần là kết quả của cường độtrong suốt một phút trước khi một bản tin yêu cầu hoặc tự động được gửi đi (đốivới phản ứng tới một trận mưa, trong suốt phút đầu tiên của trận mưa, cường độđược tính trong suốt quá trình mưa kéo dài theo các bước 10 giây một thay vì

cố định một phút một ) Cường độ mưa lớn nhất biểu diễn cho giá trị lớn nhất

của các giá trị cường độ mưa tính toán được hiện thời từ lúc giá trị cường độđược đặt lại lần sau cùng.

Cảm biến còn có khả năng phân biệt mưa đá với các giọt mưa bìnhthường Các thông số đo mưa đá là lượng mưa đá tích luỹ, cường độ mưa đá lớnnhất và hiện tại và khoảng thời gian của một trận mưa đá

Cảm biến đo mưa hoạt động theo 4 chế độ sau:

- Chế độ Khởi động/ Kết thúc: Cảm biến sẽ tự động gửi một bản tin lượngmưa trong 10s sau khi nhận được tín hiệu từ hạt mưa đầu tiên Các bảntin được gửi liên tục khi trời tiếp tục mưa và chỉ kết thúc khi hết mưa

- Chế độ tipping bucket (): Chế độ này mô phỏng kiểu tipping bucket củacác cảm biến đo mưa Cảm biến tự động gửi một bản tin về mưa khi bộđếm đếm được sự tăng theo đơn vị (0,1mm/0,01inch)

- Chế độ thời gian: Cảm biến tự động gửi một bản tin về mưa trong khoảngthời gian cập nhật được định nghĩa bởi người dùng

- Chế độ thu: Cảm biến gửi một bản tin về mưa mỗi khi người dung gửiyêu cầu

• Cảm biến điện dung chất dẻo BAROCAP để đo áp suất

Các cảm biến điện dung chất dẻo BAROCAP là một bộ cảm biến áp suấtđược sản xuất bởi công nghệ silicon dung để đo áp suất Chúng có những đặctính trễ và lặp rất tốt, đồng thời ít phụ thuộc nhiệt độ và có độ ổn định lâu dài

Hình 24 Cảm biến áp suất BAROCAP

Cảm biến áp suất BAROCAP bao gồm 2 lớp tinh thể silicon, giữa 2 lớpnày chứa một lớp thuỷ tinh Lớp silicon mỏng hơn được khắc axit trên cả 2 mặt

để tạo ra một lỗ chân không dành để tạo ra áp suất tuyệt đối và để tạo thành mộtmàng silicon nhạy với áp suất Lớp silicon dày hơn sẽ đóng vai trò là chân đếcứng của cảm biến và nó được phủ bởi một chất điện môi bằng thuỷ tinh Mảnhmỏng hơn của silicon được ghép tĩnh điện với bề mặt của thuỷ tinh để tạo thànhmột liên kết vững chắc và kín Lớp bọc kim loại kiểu màng mỏng sẽ được đặtsao cho có thể tạo ra một điện cực của tụ điện nằm bên trong của lỗ chân không,còn cực kia là màng silicon nhạy với áp suất

Hệ số giãn nở nhiệt của silicon và thuỷ tinh được sử dụng trong cảm biến

áp suất BAROCAP được kết hợp một cách cẩn thận để tối thiểu hoá sự phụthuộc vào nhiệt độ và để kéo dài tối đa thời gian ổn định của cảm biến.BAROCAP được thiết kể để có thể đạt được sự phụ thuộc nhiệt độ là 0 tại ápsuất 1000hPa và thời gian ổn định được kéo dài bằng cách gia nhiệt

Cảm biến điện dung này có đặc điểm là khoảng đo rộng và không có hiệuứng tự nóng lên Các đặc trưng về độ trễ và lặp tốt dựa vào các đặc điểm của lò

xo lý tưởng của tinh thể silicon Vật liệu silicon ở đây được đưa vào chỉ một vàiphần trăm trong toàn bộ khoảng co giãn

• Cảm biến điện dung gốm THERMOCAP để đo nhiệt độ không khí

Cảm biến hoạt động dựa vào nguyên lý điện dung của các hạt gốm ở bênchất điện môi thay đổi theo nhiệt độ Nó được chế tạo bằng các vật liệu điệnmôi bằng gốm, sự biến thiên nhiệt độ có thể được điều chỉnh chính xác bằngcách lựa chọn vật liệu và các thông số điều khiển quá trình

Hình 25 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ THERMOCAP

Các điện cực bằng kim loại được đặt ở trên cả 2 mạt của con chip nhỏbằng gốm (chiều 0,5x0,5x0,2) Điện trở giữa các điện cực là một hàm của nhiệt

độ Để đảm bảo cho sự chống ẩm tuyệt đối thì cảm biến được bịt kín trong mộtbằng một nút thuỷ tinh (dài 2,5mm; đường kính 1,5mm) với 2 đầu nối bằngdây chì(đường kính 0,4mm) Để tránh việc có thể điện dung không điều chỉnhđược, VD như việc xuất hiện giọt nước ở trên nút thuỷ tinh, thì một vỏ bọc bằngnhôm kiểu màng mỏng được nối điện xuống đất sẽ được đặt bên trên của nút vàdây chì Lớp vỏ bọc này cũng có những đặc tính bức xạ tốt để giảm thiểu cácsai số về mặt bức xạ (±2oC)

• Cảm biến điện dung màng mỏng HUMICAP 180 để đo độ ẩm

Nó hoạt động dựa vào sự thay đổi điện dung của 1 màng polyme mỏngkhi nó hấp thụ các phân tử nước Màng mỏng này có thể hấp thụ hoặc bay hơinước khi độ ẩm của không khí ở môi trường xung quanh tăng lên hoặc giảmxuống Các đặc tính điện môi của màng polymer phụ thuộc vào lượng nướcchứa trong nó: khi độ ẩm tương đối thay đổi, điện dung của cảm biến cũng thayđổi theo Trong đo độ ẩm, đặc biệt là khi điều chỉnh thì điều quan trọng là nhiệt

độ phải đạt đến trạng thái cân bằng Ngay cả một sự chênh lệch rất nhỏ của

nhiệt độ giữa đối tượng cần đo và cảm biến cũng có thể gây ra sai số VD như ở

20oC và độ ẩm 50% thì chênh lệch nhiệt độ giữa đối tượng cần đo và cảm biến

là ±1oC thì sẽ gây ra sai số là ±3% Nếu độ ẩm tương đối là 90% thì sai số cóthể lên đến ±5,4%

Sai số lớn nhất khi nhiệt độ của cảm biến sai khác so với nhiệt độ môitrường và độ ẩm cao Sự sai khác một vài đọ có thể làm cho nước ngưng tụ lêntrên bề mặt cảm biến Những hệ thống thông gió hiệu quả sẽ tăng tốc sự bay hơitrong khi những chỗ không được thông ío thì có thể mất tới hang giờ mới bayhơi được Cảm biến HUMICAP 180 sẽ quay trở lại hoạt động bình thương ngaykhi nước bay hơi hết Bất kì sự ngưng tụ nước nào trên cảm biến cũng có thểlàm ngắn tuổi thọ của nó và làm thay đổi thang chia độ

Hình 26 Sai số đo lường tại độ ẩm tương đối 100% khi sự chênh lệch nhiệt

độ giữa môi trường và cảm biến là 1oC

2 Các giao thức

WXT được nối với máy tính một cách trực tiếp thông qua cổng nốitiếp

2.1 Các giao thức truyền thông nối tiếp

Ngay khi WXT510 được nối và cấp nguồn một cách tương thích thì việctruyền dữ liệu có thể bắt đầu Các giao thức truyền thông sẵn có trong các giaodiện nối tiếp được trình bày như bảng sau:

Bảng 1 Các giao thức truyền thông của WXT510

Giao diện nối

RS-232 Chế độ ASCII tự động và tuần tự

Truy vấn kiểu NMEA 0183 v3.0 tự động Chế độ đo SDI-12 v1.3 thường và SDI-12 v1.3 liên tục

RS-485 Chế độ ASCII tự động và tuần tự

Truy vấn kiểu NMEA 0183 v3.0 tự động Chế độ đo SDI-12 v1.3 thường và SDI-12 v1.3 liên tục

RS-422 Chế độ ASCII tự động và tuần tự

Truy vấn kiểu NMEA 0183 v3.0 tự động Chế độ đo SDI-12 v1.3 thường và SDI-12 v1.3 liên tục

SDI-12 Chế độ đo SDI-12 v1.3 thường và SDI-12 v1.3 liên

tục

2.2 Các lệnh đặt chế độ truyền thông

a) Kiểm tra việc đặt chế độ giao tiếp hiện thời (aXU)

Với lệnh này bạn có thể gọi chế độ giao tiếp hiện thời của WXT510.Dạng lệnh trong ASCII và NMEA 0183:

aXU<cr><lf>

Dạng lệnh trong SDI-12:

aXXU!

trong đó:

a = Địa chỉ thiết bị, có thể là các kí tự sau: 0(mặc định)→9, A…Z, a…z

XU = Lệnh đặt thiết bị trong ASCII và NMEA 0183XXU = Lệnh đặt thiết bị trong SDI-12

<cr><lf> = Kết thúc câu lệnh trong ASCII và NMEA 0183

Trả lời của WXT 510:

aXU,A=a,M=[M],T=[T],C=[C],B=[B],D=[D],P=[P],S=[S],L=[L],N= [N],V=[V]<cr><lf>

(Giải thích các trường trong phần Phụ lục)

b) Thay đổi việc đặt chế độ giao tiếp hiện thời

Đặt chế độ mong muốn theo câu lệnh sau

Dạng lệnh trong ASCII và NMEA 0183:

aXU,A=x,M=x,C=x,B=x,D=x,P=x,S=x,L=x,…<cr><lf>

Dạng lệnh trong SDI-12:

aXXU,A=x,M=x,C=x,B=x,D=x,P=x,S=x,L=x!

trong đó:

A, M, C,… là các trường như ở trên

x = giá trị đầu vào mong muốnvới chế độ ASCII thì kết thúc bằng <cr><lf>, với SDI-12 thì kết thúc bằng !

*Chú ý:

- Thay đổi các thông số phải theo thứ tự các trường như trên

- Khi chuyển C=1 để trở về SDI-12 thì hệ thống sẽ tự động đặt1200,7,E,1

(-để cập nhật thông số thay đổi cần đặt lại và nối lại thiết bị theo lệnhaXZ)

- Câu lệnh đặt lại không thể vượt quá 32 kí tự

- Đặt lại cảm biên để xác nhận những thay đổi về các thông số truyềnthông bằng cách dung lệnh Reset(aXZ)

Ví dụ: Trong chế độ ASCII:

+ Đổi địa chỉ từ 0 sang 1:

Lệnh : 0XU, A =1<cr><lf>

Trả lời của WXT510 : 1XU, A =1<cr><lf>

+ Kiểm tra lại sự thay đổi:

Lệnh : 1XU<cr><lf>

Kết quả trả về :1XU,A=1,M=P,T=1,C=2,B=19200,D=8,P=N,S=1,L=25,N=WXT510,V=1.00<cr><lf>

+ Thay đổi chế độ RS-232 ASCII, tuần tự, tốc độ 19200,8,N,1 sang chế độRS-485 ASCII, tự động, tốc độ 9600,8,N,1

Bước 1: Kiểm tra lại hệ thống như trên

Bước 2: Thay đổi bằng lệnh: 0XU,M=A,C=3,B=9600<cr><lf>

Bước 3: Kiểm tra lại hệ thống sau khi đã thay đổi: 0XU<cr><lf>

c) Lấy bản tin:

• Các lệnh thông thường

i. Lệnh đặt lại (Reset):

+ Trong ASCII và NMEA 0183: aXZ<cr><lf>

+ Trong SDI-12: aXZ!

ii Lệnh đặt lại chế độ đo: Lệnh này dùng để ngắt tất cả các công việc đo

lường đang thực hiện trên máy truyền và bắt đầu lại từ đầu

+ Trong ASCII và NMEA 0183: aXZM<cr><lf>

+ Trong SDI-12: aXZM!

iii. Các lệnh lấy bản tin trong chế độ ASCII tuần tự

+ Lệnh truy vấn địa chỉ của thiết bị trên đường truyền: ?<cr><lf>

+ Lệnh kích hoạt thiết bị trên đường truyền: a<cr><lf>

+ Lệnh yêu cầu thông tin đo gió: aR1<cr><lf>