Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ




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




BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

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
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
__________________
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

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
Học hàm, học vị:
Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên Chức vụ: Phó phòng
Điện thoại:
Tổ chức: (04) 38549 525
Nhà riêng: (04)37 344 094 Mobile: 0914265494
Fax: (04) 38548187 E-mail:
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:
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
E-mail:
Website: www.nacentech.vn
Địa chỉ: 25 Lê Thánh Tông, Hoàn Kiếm, Hà Nội
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
II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN
1. Thời gian thực hiện đề tài:
- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 7/2009 đến tháng 6/2011
- Thực tế thực hiện: từ tháng 7/2009 đến tháng 6/2011
2. Kinh phí và sử dụng kinh phí:
a) Tổng s
ố kinh phí thực hiện: 392,5 tr.đ, trong đó:
+ Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 392,5 tr.đ
+ Kinh phí từ các nguồn khác:
b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH:
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Số
TT
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Ghi chú
(Số đề nghị
quyết toán)
1 2009 300 2009 300 (trong
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
2 2010 100 2010 100 100
c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:
Đối với đề tài:
Đơn vị tính: Triệu đồng
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Số
TT
Nội dung
các khoản chi
Tổn
g
SNKH Nguồn
khác
Tổng SNKH Nguồ
n khác
1 Trả công lao động (khoa
học, phổ thông)
155 155 148 148

2 Nguyên, vật liệu, năng
lượng

181 181 180,5 180,5

3 Thiết bị, máy móc


4 Xây dựng, sửa chữa nhỏ


5 Chi khác
64 64 64 64


Tổng cộng 400 400 392,5 392,5
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
hành văn bản
Tên văn bản Ghi chú
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

3 Biên bản ngày
25/07/2009
Biên bản thấm định tài chính
đề tài cấp bộ

4 1471/QĐ-BKHCN
ngày 31/7/2009
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

triển công nghệ cấp bộ
4. Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:
Số
TT
Tên tổ chức
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên tổ chức đã

tham gia thực
hiện
Nội dung
tham gia chủ yếu
Sản
phẩm
chủ yếu
đạt được
Ghi
chú*
1 Trung tâm Quan
trắc và phân tích
tài nguyên môi
trường
Trung tâm Quan
trắc và phân tích
tài nguyên môi
trường
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)

Số
TT
Tên cá nhân
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên cá nhân
đã tham gia
thực hiện
Nội dung tham
gia chính
Sản phẩm
chủ yếu đạt
được
Ghi
chú*
1 Nguyễn Tuấn
Vũ
Nguyễn Tuấn
Vũ
Nghiên cứu cấu
tạo, hoạt động
của thiết bị Level
TROLL 100. Chỉ
đạo thiết kế cơ
khí và hoàn thiện
thiết bị chế tạo
Chủ nhiệm đề tài
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
đo. Chỉ đạo thiết
kế các mạch điện
Báo cáo
chuyên đề và
sản phẩm
mẫu

tử của thiết
bị.Tham gia hoàn
thiện thiết bị chế

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
kết quả đo của
Báo cáo
chuyên đề

thiết bị chế tạo
9
Nguyễn
Thanh Bình
Đặng Thành
Trung
Lắp đặt, thử
nghiệm, đánh giá
kết quả đo của
thiết bị chế tạo
Báo cáo
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)
Thời gian
(Bắt đầu, kết thúc
- tháng … năm)
Số
TT
Các nội dung, công việc
chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ
yếu)
Theo kế
hoạch
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
9/2010-
4/2011
9/2010 -

4/2011
Nguyễn Thị Khuyến
Trung tâm Quang điện tử,
Đặng Thành Trung- TT
Quan trắc và phân tích tài
nguyên môi trường

4
Viết báo cáo tổng kết
6/2011
6/2011 Nguyễn Tuấn Vũ và nhóm
đề tài
Trung tâm Quang điện tử

- Lý do thay đổi (nếu có):
III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN
1. Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:
a) Sản phẩm Dạng I:
Số
TT
Tên sản phẩm và chỉ tiêu chất
lượng chủ yếu
Đơn
vị đo
Số
lượng
Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt

được

Mẫu thiết bị đo mức nước giếng
ngầm gồm:
Hệ 01 01 01
1
Đầu đo mức nước giếng ngầm
Bộ 01
01 01

- Chiều sâu đoso với miệng giếng:150m


- Dải đo mức nước thăng giáng: 2m


- Độ chính xác đo: ±0,2%FS



- Độ phân giải:1mm


- Dải đo nhiệt độ T
O
:0-60
O
C

- Độ chính xác T
O
đo: ± 0,5%
O
C



- Độ phân giải T
O
: 0,1
O
C


- Đường kính đầu đo:Φ≤ 40mm



- Chịu áp suất:100psi


- Kết nối với thiết bị lưu trữ: RS232

2
Thiết bị lưu trữ: Bộ 01
01 01

- 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
2. Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:
a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:
(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công
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 thuậ
t 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
chỉ bằng khoảng 60-70%.
3. Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:
Số
TT
Nội dung
Thời gian
thực hiện
Ghi chú
(Tóm tắt kết quả, kết luậ
n
chính, người chủ trì…)
I Báo cáo định kỳ
Lần 1 30/10/2009 Thực hiện đúng kế hoạch
đăng ký trong dự toán
Lần 2 11/11/2010 Thực hiện đúng kế hoạch
đăng ký trong dự toán
II Kiểm tra định kỳ
III Nghiệm thu cơ sở

Chủ nhiệm đề tài
(Họ tên, chữ ký)
Thủ trưởng tổ chức thực hiện
(Họ tên, chữ ký và đóng dấu)

Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

1
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 C
ỨU 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
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

2
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 đị
nh 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
2.3.2. Bản vẽ PCB và các layer 67
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

3
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
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

4
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 t
ế 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 b
ị 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.

Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:

“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

5
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



Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

6

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. 12. Mạch lắp ráp linh kiện 50
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

7
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 khố
i 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
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

8
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 gi
ếng 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 thiế
t bị CFOC-WD01 và thiết
bị LEVEL TROLL 100 của Mỹ 114

Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

9
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 như
ng 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 củ
a 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 th
ống 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 lạ
m 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 c
ứu có tính hệ thống để làm
chủ thiết bị đo mức nước giếng ngầm, góp phần bảo vệ nguồn tài nguyên nước
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

10

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 tă
ng 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 d
ựa 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 t
ới 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
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:

“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

11
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 đi
ểm 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
pp
h +
−
=
ρ

Trong đó: h là độ sâu thực tế;
h
0
là độ sâu tham chiếu ban đầu;

p là áp suất tương ứng với độ sâu h;
p
0
là áp suất tham chiếu tương ứng với độ sâu tham chiếu
h
0
,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
g
iải cao
- Bộ lưu trữ số liệu
- USB standar for PC
- Modbus open
- Nguồn nuôi
Đầu đo
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

12

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
Đơn vị tính
Chỉ tiêu kỹ thật đạt
được
- Chiều sâu đo so với miệng
giếng
m 112
- Dải đo mức nước thăng
giáng
m 76
- Độ chính xác đo %FS
±0,1
- Độ phân giải mm 1
- Dải đo nhiệt độ T
O

O
C -20 ÷ 50
- Độ chính xác T
O
đo %
O
C
± 0,5
- Độ phân giải T
O

O
C 0, 1
- Đường kính đầu đo mm 26,2
- Chịu áp suất psi 100
- 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
chươ
ng 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
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

13
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 m
ực 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 dụ
ng, 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.
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:

“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

14
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 thiế
t 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 t
ạo 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 kh
ăn.
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 củ
a Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài
nguyên Môi trường Hà Nội trong việc thử nghiệm và đưa ra các ý kiến đóng
Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2009-2011:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo mức nước giếng ngầm”

15
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 phươ
ng 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 s
ử 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 đ

o 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.
S
ản 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%.