Giải pháp đo mực nước hồ chứa thủy điện dùng cảm biến đo khoảng cách bằng chùm tia laser

PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 287

GIẢI PHÁP ĐO MỰC NƯỚC HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN
DÙNG CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH
BẰNG CHÙM TIA LASER
Trần Kỳ Hải, Tạ Đức Thọ
Công ty Thủy điện Bn Kuốp – Tổng cơng ty Phát điện 3
Tóm tắt: Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nhà máy thủy
điện trong vận hành và điều tiết hồ chứa. Hạn chế sai số đo mực nước giúp các chủ hồ
thủy điện quản lý hiệu quả hơn nguồn nước cấp cho hạ du trong mùa kiệt, tính tốn
chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phịng lũ trong mùa mưa lũ, góp phần
tiều tiết - xả lũ các hồ chứa một cách hợp lý, hạn chế tối đa những thiệt hại do mưa, lũ
gây ra.
Tình hình chung của thiết bị quan trắc mực nước kiểu áp lực nhúng chìm lắp tại các hồ
chứa do Công ty quản lý là làm việc đúng trong thời gian đầu, nhưng theo thời gian
thiết bị làm việc khơng cịn chính xác, cho dù thiết bị được tăng cường công tác kiểm
tra, hiệu chuẩn. Điều này gây khó khăn cho cơng tác quan trắc tại hồ chứa, đặc biệt là
hồ chứa có dung tích lớn (dung tích hữu ích 522,6 triệu m3) và độ thay đổi mực nước
lớn (22,5 m) và có chế độ điều tiết năm như hồ Buôn Tua Srah. Trong mùa mưa lũ chỉ
cần mực nước hồ sai từ 1 đến 2 cm là gây ra sai số tính tốn lưu lượng nước về hồ lên
đến hàng trăm m3/s;
Như vậy, nhu cầu đặt ra là cần thiết bị đo có độ chính xác cao và ổn định theo thời
gian. Việc tiếp tục sử dụng cảm biến áp lực cho thấy khơng cịn đem lại hiệu quả kinh
tế - kỹ thuật. Trong khi đó kỹ thuật đo khoảng cách bằng chùm tia laser ngày càng
hoàn thiện về độ chính xác và giá thành cảm biến ngày càng giảm. Do đó, chúng tơi
thay đổi phương pháp đo mực nước, chuyển từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng
cách sử dụng chùm tia laser.

1. GIỚI THIỆU

Theo thiết kế cũ, tại ba nhà máy thủy điện Buôn Tua Srah, Buôn Kuốp, Srêpốk 3

do Công ty quản lý đều được trang bị cảm biến đo mực nước kiểu áp lực nhúng chìm
dạng màng. Nguyên lý đo dựa trên sự biến dạng của màng cảm biến áp lực (vật liệu
Ceramic hoặc 316L) được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Trong suốt năm năm vận
hành, thiết bị có những ưu, khuyết điểm sau:
 Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, thường được lắp trong các lỗ khoan
hoặc ống đặt sẵn. Độ chính xác 0,001 ~ 0,05% trên tồn dải đo, tín hiệu đầu ra
4 ~ 20 mA kết nối đến PLC thuận tiện trong công tác đo lường giám sát từ xa.
 Khuyết điểm: Nguyên lý đo mực nước gián tiếp qua đo cột áp thủy tĩnh có độ
chính xác phụ thuộc vào màng cảm biến áp suất và suy giảm sau thời gian dài làm
việc. Nguyên nhân gây sai biệt ở màng áp lực do bùn, phù sa (lắng và bám lên bề


288 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017
mặt của lớp màng); mạch bù nhiệt độ mơi trường và bộ chuyển đổi tín hiệu tương
tự sang số của PLC. Do đó, thường xun bảo trì và hiệu chuẩn khi tín hiệu trả về
sai lệch so với thủy chí.

Hình 1: Mơ hình ngun lý đo áp lực của cảm biến dạng màng

Quan sát việc đo độ võng dầm cầu trục bằng thước đo laser, thiết bị này đo
khoảng cách bằng chùm tia laser mà kết quả của phép đo chính xác tới từng mm. Đây là
lý do chúng tôi thay đổi phương pháp do mực nước truyền thống từ kiểu đo áp lực sang
kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser.
2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Máy đo khoảng cách laser sử dụng một chùm tia laser để xác định khoảng cách
đến một đối tượng. Hình thức phổ biến nhất của máy đo khoảng cách laser hoạt động
dựa trên nguyên tắc thời gian bay (TOF1) bằng cách gửi một xung laser dưới dạng chùm
tia hẹp hướng thẳng đến đối tượng và đo thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận được
xung phản xạ từ mục tiêu.

1
.c.TOF , trong đó: c = 300.000 m/s là tốc
2
độ ánh sáng, không thay đổi theo nhiệt độ hoặc độ ẩm.
Khoảng cách được tính như sau: L =

Khi ánh sáng tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo được chỉ là một phần
nhỏ của tín hiệu ban đầu. Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau phụ
thuộc vào đặc tính bề mặt và góc tới của chùm sóng và có thể được hấp thụ hoặc đi
xuyên qua đối tượng. Nếu góc tiếp cận của nguồn phát tín hiệu bằng hoặc lớn hơn một
giá trị ngưỡng nào đó thì năng lượng phản xạ sẽ bị lệch hướng ra ngoài vùng của bộ thu.

1

TOF (Time of Fly): Thời gian bay


PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 289

(1) Cảm biến laser
(2) Mặt bích lắp thiết bị
(3) Ống dẫn hướng
(4) Phao phản xạ
(5) Cơn tiết lưu

Hình 2: Mơ hình đo

Qua q trình thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy nếu chiếu chùm tia laser tới đối
tượng phản xạ là chất lỏng có chiết quang cao sẽ gây ra sai số lớn. Vì ánh sáng bị khúc

xạ qua bề mặt làm tăng TOF. Để khắc phục điều này, chúng tôi tạo bề mặt phản xạ gắn
trên phao nổi. Thêm vào đó để có góc phản xạ tốt thì bề mặt phản xạ phải vng góc với
đường cao của hình nón tạo bởi chùm tia, để chống kẹt phao khi mực nước thay đổi thì
phương pháp lắp ống đo thẳng đứng là tốt nhất.
Độ chính xác phụ thuộc vào mạch định thời. Với kỹ thuật hiện nay bộ định thời
được chế tạo ở mức pico giây cho phép xác định một đối tượng trong cự li 50 m với sai
số ±2,5 mm; Trong ba hồ thủy điện do cơng ty quản lý, thì hồ Bn Tua Srah lớn nhất
và mực nước thay đổi lên đến 25 m. Do vậy, chọn tầm đo 30 m, từ đó tính ngược ra tấm
bia phản xạ có kích thước 90 x 90 mm, đường kính phao 114 mm và dùng ống thép phi
150 là thích hợp;
Để bù sai số đo, người ta thường lấy giá trị trung bình của nhiều phép đo lặp lại
sao cho chất lượng tín hiệu ở mức chấp nhận được.
Đối với mặt hồ thường có sóng lớn khi gió mạnh, để triệt tiêu các dao động này
chúng tơi chế tạo phao rỗng đổ cát để có mớn nước phù hợp, cuối ống dẫn hướng thắt
lại tạo thành tiết lưu. Vì vậy, phao nổi ổn định trong ống bất chấp sóng đánh bên ngồi
(xem Hình 2).
Cơng thức tính mực nước:
=
− + ∆ , trong đó
là cao trình mặt
bích, là khoảng cách do cảm biến đo được và ∆ là tổng khoảng cách gồm mớn nước
và từ mặt bích đến đầu thu phát.


290 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017
Bằng thực nghiệm, chúng tơi thấy rằng phép đo laser sẽ mất đi ưu thế nếu trả tín
hiệu analog 4 ~ 20 mA về PLC. Vì sai số lúc này gồm có sai số chuyển từ tín hiệu số
sang tương tự trong cảm biến (sai số DAC - Digital to Analog Converter) và sai số
chuyển ngược lại từ tương tự sang số tại module AI khi kết nối với PLC của hệ thống
SCADA. Do đó, cách tốt nhất là đọc trực tiếp tín hiệu số từ cảm biến. Tuy nhiên, mỗi

nhà sản xuất đưa ra các khung dữ liệu riêng biệt, khơng có kiểm tra sai số trên đường
truyền và khơng tương thích với chuẩn Modbus RTU là phổ biến của các hệ thống
SCADA.

Hình 3: Yêu cầu lắp đặt bề mặt phản xạ của cảm biến VDM100-50 của hãng Pepperl+Fuchs

.
Hình 4: Mạch dịch mã

Để giải quyết vấn đề trên, một mạch dịch mã (xem Hình 4) được chèn giữa cảm
biến và PLC. Nhiệm vụ chuyển toàn bộ dữ liệu sang chuẩn Modbus để hệ thống hiện
hữu có thể đọc được. Đây đơn thuần là mạch điện tử, viết chương trình cho vi xử lý đọc


PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 291

tín hiệu đầu vào từ cảm biến, lọc lấy giá trị đo lường, chuyển giá trị đọc của cảm biến
sang giao thức modbus - RTU trước khi gửi lên PLC.
3. ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ

Qua q trình thí nghiệm vận hành, chúng tơi thấy rằng kết quả đo mực nước sử
dụng cảm biến laser tốt hơn cảm biến áp lực tại cùng vị trí đặt.
271.8
271.7
271.6
271.5
271.4
271.3
271.2
271.1

271
270.9

Laser
Pressure

15/1/8h30
18/1/7h00
20/1/1h00
20/1/13h00
21/1/1h00
21/1/13h00
22/1/13h00
23/1/1h00
23/1/13h00
24/1/13h00
25/1/7h00
25/1/19h00
26/1/07h00
26/1/13h55
27/1/7h00
27/1/19h00
27/1/13h00
28/1/7h00
29/1/1h00
29/1/13h00
31/1/1h00

Thủy chí

Hình 5: Đồ thị quan hệ mực nước theo thời gian sử dụng cảm biến laser, áp lực, thủy chí

Qua đồ thị cho thấy, thiết bị đo mực nước bằng laser cho độ tuyến tính, chính xác
hơn hẳn thiết bị đo mực nước kiểu nhúng chìm. Trong khi đó cảm biến áp lực trong một
số thời điểm có giá trị đo vọt lố.
Bề mặt phản xạ nổi hẳn trên mặt nước 35 mm (mớn nước) nên không bị ướt mặt
gây ra sai số đo. Kết cấu cơn phía đi ống dẫn hướng giúp triệt tiêu các dao động khiến
phao không bị dập dềnh.

Hình 6: Hệ thống đo mực nước tại hồ chứa NMTĐ Srêpôk 3


292 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017
Sau 1,5 năm đưa vào vận hành tại hồ chứa NMTĐ Srêpơk 3 (Hình 6). Hệ thống
đo nước kiểu laser cho thấy hoạt động tin cậy, chính xác cao và không phải hiệu chỉnh
nhiều lần.
Từ kết quả đạt được, chúng tôi đã triển khai lắp đặt tại NMTĐ Buôn Kuốp và
Buôn Tua Srah vào năm 2016 (xem Hình 7). Hệ thống đo mực nước bằng cảm biến đo
khoảng cách sử dụng chùm tia laser đã được Công ty Thủy điện Buôn Kuốp công nhận
là sáng kiến cấp Cơng ty năm 2016.

Hồ Bn Tua Srah

Hồ Bn Kuốp

Hình 7: Hệ thống đo mực nước tại hồ chứa NMTĐ Buôn Kuốp và Buôn Tua Srah

4. KẾT LUẬN

Hệ thống đo mực nước kiểu laser làm việc ổn định, khắc phục hoàn tồn tình

trạng trơi điểm 0 và hiệu chỉnh nhiều lần của cảm biến áp lực. Các thơng số như cao
trình mặt bích, mớn nước chỉ cài đặt trong chương trình thu thập dữ liệu (SCADA) một
lần trong suốt qua trình làm việc. Toàn bộ cảm biến, mạch dịch mã nằm trên bờ thuận
tiện trong công tác kiểm tra, bảo dưỡng.
Nhờ việc cải thiện độ chính xác trong quan trắc mực nước, Công ty thiết lập
website quan trắc thông số vận hành các hồ chứa (tại địa chỉ />nhằm cung cấp thơng tin đến chính quyền, tổ chức và nhân dân trên địa bàn phục vụ sản
xuất nông nghiệp, vận tải đường sơng và phịng chống thiên tai.


PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 293

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Atmega128 Atmega128L Preliminary datasheet. 8 bit AVR with 128K byte in system
programmable flash; Rev. 2467E-AVR-05/02; Atmel Corporation.

[2]

Manual Distance measurement devices VDM100/G2; TDOCT3132_ENG; 08/2013.
Pepperl+Fuchs GmbH.

[3]

Low-power, Slew-rate-limited RS-485/RS-422 Transceivers; Maxim intergrated
products 2009.

[4]

S85-MH-5-Y Instruction manual; 821002573 rev.C; Datalogic automation srl.

[5]

S85 RS-485 serial interface configuration; Datalogic automation srl.

[6]

Wiring RS-485 networks Revision A; RS-485 HIG Rev A ENG-US.
www.controlsoft.com.

[7]

Modbus over serial line specification & implementation guide V1.0; 12/02/02;
www.Modbus.org.

[8]

Modbus protocol; www. />
[9]

Modicon modbus protocol reference guide; PI-MBUS-300 Rev.J; Modicon, inc.

[10]

Modbus RTU serial communications user manual; 51-52-25-66 Rev.T 03/2013;
Honeywell process solutions.

[11]

AC 800M communication protocols; System version 5.1; ABB control systems.

[12]

LM2576/LM2576HV series simple switcher 3A step-down voltage regurator; SNVS107B
08/2004; Texas Instruments.