CHƯƠNG 2: HỆ SCADA CHO QUẢN LÝ VẬN HÀNH CÔNG TRÌNH THỦY LỢI
2.3. Thiết bị đo và thu thập dữ liệu
2.3.5. Quan trắc mực nước thượng lưu, hạ lưu đập
Mục đích: Quan trắc mực nước thượng và hạ lưu đập nhằm xác định mực nước trong hồ chứa và tại khu vực hạ lưu đập, qua đó xác lập được mối liên hệ thuỷ lực giữa mực nước thượng lưu và hạ lưu đập trong mối tương quan với sự thay đổi của các thông số quan trắc khác, hoặc những hiện tượng bất thường có thể ảnh hưởng đến ổn định của đập. Ngoài ra số liệu quan trắc mực nước thượng lưu, hạ lưu đập còn để xác định kế hoạch dùng nước cho các hộ dùng nước, kế hoạch tích trữ, hay xả nước qua công trình đầu mối, xác định quan hệ V~Z của hồ chứa. Với các thông tin về mực nước nêu trên là một phần thông tin qua đó người điều hành có thể đưa ra phương án điều hành hồ tối ưu.
Vị trí quan trắc: Công tác quan trắc mực nước thượng, hạ lưu đập thường được thực hiện thông qua việc lắp đặt một ống đo nước hay được lắp đặt trên các trụ pin, nhà tháp van của đập trong khu vực thượng lưu đập để quan trắc mực nước trong hồ. Phụ thuộc vào điều kiện thực tế bố trí các hạng mục của công trình.
Mực nước hạ lưu đập được quan trắc bằng thiết bị đo nước tự động được bố trí phía hạ lưu đập, thường bố trí sau cống xả của đập.
Để tự động hóa công tác quan trắc mực nước các thiết bị đo mực nước được lắp đặt sao cho chúng có thể kiểm soát toàn bộ dải giao động lớn nhất của mực nước trong hồ cũng như mực nước phía hạ lưu đập. Trong ống đo nước tại các cao trình
thấp nhất, ứng với cao trình thấp nhất mực nước hạ lưu.
Thiết bị quan trắc: Công tác quan trắc mực nước thượng lưu, hạ lưu đối với đập chính công trình đầu mối đƣợc thực hiện kết hợp quan trắc thủ công và quan trắc tự động thông qua việc các thiết bị đo mực nước. Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị đo mức nước trên thị trường rất đa dạng về nguyên lý hoạt động và tính năng nhƣ: thiết bị đo sử dụng nguyên lý sóng siêu âm, thiết bị đo sử dụng nguyên lý sóng rada, thiết bị đo sử dụng nguyên lý áp suất, nguyên lý điện dung và thiết bị đo hoạt động theo nguyên tắc dây rung…vv. Tùy thuộc vào tình hình thực tế công trình dải đo cần quan trắc mà có sự lựa chọn các loại thiết bị đo khác nhau. Dưới đây là một số phân tích khi lựa chọn thiết bị đo cho công trình:
* Thiết bị đo kiểu rada:
Loại thiết bị đo này thường dùng trong các ứng dụng có dải đo rất lớn, vài mét đến vài trăm mét, do sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng rada nên thiết bị đo phải đƣợc chiếu vuông góc xuống mặt thoáng, thời gian phản xạ của sóng rada tỉ lệ với khoảng cách từ thiết bị đo đến mặt chất lỏng. Loại thiết bị đo này thích hợp với những vị trí công trình có mặt thoáng, mái thẳng đứng không bị cản trở trên đường đi của sóng rada. Thiết bị đo kiểu rada không thích hợp với công trình có mái soải, công trình có dải đo ngắn.
* Thiết bị đo kiểu Siêu âm:
Do sử dụng nguyên lý phản xạ của sóng siêu âm, nên công trình để gắn thiết bị cũng tương tự như loại dùng sóng rada.
* Thiết bị đo kiểu Điện dung:
Do nguyên lý sử dụng là sự thay đổi diện tích điện môi giữa hai bản tụ điện khi đặt trong môi trường chất lỏng, loại này thường sử dụng cho những môi trường chất lỏng đồng nhất. Do vậy loại thiết bị đo này thích hợp với công trình có mức đồng chất của chất lỏng cao, những nơi mà nước không đồng chất như các hồ chứa, nước trong kênh lâu ngày chất lượng nước sẽ không đồng nhất, nó sẽ mất tuyến tính khi chất lượng nước thay đổi, gây sai số của phép đo mực nước nên loại thiết bị đo theo nguyên lý này không phù hợp với công trình đo có chất lỏng khong đồng nhất.
* Thiết bị đo kiểu áp suất:
Thiết bị đo kiểu áp suất hoạt động theo nguyên lý khá đơn giản, dưới táp dụng của áp lực chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của đầu đo, gây nên sự biến dạng của các phần tử chuyển đổi, từ đó sẽ biến thành tín hiệu điện để đƣa ra đầu ra.
Cũng nhƣ các loại Sensor mức khác Sensor kiểu áp suất có thể dùng để đo mức của chất lỏng như xăng dầu, ga, nước…vv. Thiết bị đo theo nguyên lý áp suất tỷ lệ với chiều cao cột nước đo theo công thức tổng quát như sau:
P=*g*h (2-1) Trong đó:
- Tỉ trọng của chất lỏng cần đo g - Gia tốc trọng trường
h - Chiều cao cột nước tại vị trí đặt Sensor
Thiết bị đo áp suất có dải đo linh hoạt hơn Sensor siêu âm, nó thường có dải đo 0 20m và thi công lắp đặt dễ dàng. Dải nhiệt độ làm việc của thiết bị trong khoảng 10 800C, sai số bằng 0,3% của dải đo. Nhƣ vậy loại Sensor này có ƣu điểm là dải đo lớn, lắp đặt đơn giản hơn với Sensor siêu âm nhƣng có nhƣợc điểm là do thiết bị đƣợc đặt trong lòng chất lỏng nên thiết bị luôn phải tiếp xúc với các tác nhân gây hại cho thiết bị nhƣ các chất oxy hoá cao, các chất bẩn đục gây sai số cho thiết bị, đây là những nhƣợc điểm lớn nhất của loại Sensor kiểu áp suất. Do vậy Sensor kiểu áp suất rất thích hợp với công trình có mái dốc và dải đo biến đổi lớn mà đa số công trình thủy lợi hiện nay có mái dốc lớn, hơn nữa kiểu sensor này dễ dàng lắp đặt trên hiện trường nên loại thiết bị đo này rất phù hợp trong thực tế hiện nay.
* Thiết bị đo kiểu dây rung:
Cơ cấu chính của thiết bị đo gồm một sợi dây có tần số nhạy cảm theo lực căng. Một đầu sợi dây đƣợc gắn cố định, một đầu đƣợc gắn với một màng. Khi mực nước cần đo thay đổi, áp lực tác dụng lên màng cũng thay đổi, làm cho màng dịch chuyển, và dây gắn trên màng sẽ thay đổi lực căng. Do dây đƣợc làm bằng vật liệu đặc biệt nên khi lực căng thay đổi thì tần số riêng của dây cũng thay đổi. Thiết bị đo
kiểu dây rung có các ƣu điểm của thiết bị đo kiểu áp suất ngoài ra nó còn có độ bền cao trong quá trình làm việc, tuy vậy giá thành và thiết bị phụ của nó lại phức tạp hơn do phải có khâu biến đổi tín hiệu tần số sang tín hiệu tương tự để các thiết bị công nghiệp có thể giao tiếp đƣợc. Do vậy thiết bị đo kiểu dây rung thích hợp với công trình có mái dốc và dải đo biến đổi lớn như thiết bị đo kiểu áp suất nên thường đƣợc sử dụng trong các công trình đòi hỏi độ bền lớn. Cũng nhƣ thiết bị đo kiểu áp suất công trình đo cho loại đầu dây rung cũng khá đơn giản so với các loại thiết bị đo khác, dễ thi công, nên hay đƣợc chọn cho các công trình nhất là các công trình đập ngăn nước vì nó đòi hỏi thời gian làm việc lâu dài và có độ ổn định cao.
Dưới đây là một số loại thiết bị đo mực nước hay sử dụng trong hệ SCADA trên hệ thống thủy lợi.
Hình 2.4 - Một số loại thiết bị đo mực nước thường dùng
Công tác lắp đặt: Như đã phân tích ở trên, thiết bị đo mực nước thượng lưu, hạ lưu đập thường là thiết bị đo kiểu dây rung hoặc thiết bị đo kiểu áp suất nhưng thường được chọn là thiết bị đo kiểu dây rung. Các thiết bị đo được đặt trong ống đo nước thượng lưu là ống kẽm có đường kính 100 mm. Ống đo nước có cao trình miệng ống là cao trình mực nước với mực nước dâng gia cường, đầu ống đo nước có lắp đặt bảo vệ. Mực nước trong ống đo nước được xác định thông qua các thiết bị đo (Vibrating Wire Piezometer) lắp đặt kèm theo thiết bị chống đột biến điện.
Các thông số kỹ thuật chủ yếu của thiết bị đo dây rung Vibrating Wire Piezometer
nhƣ sau:
+ Dải đo từ 0 ÷ 70m cột nước khoảng đo này có thể thay đổi theo yêu cầu cần quan trắc
+ Độ phân giải: 0,025% dải đo + Độ chính xác ± 0,1% dải đo + Độ tuyến tính: ≤ ± 0,5% dải đo + Dải nhiệt độ làm việc: -200C ÷ 800C + Vật liêu: thép không gỉ
+ Cáp truyền tín hiệu: loại CP455-SS hoặc IRC-41A
Từ các thiết bị đo dây cáp truyền tín hiệu đƣợc tập chung về các hộp đo số liệu được đặt tại các cơ hạ lưu và trên bề mặt đập và truyền về trung tâm. Thời gian lắp đặt các thiết bị đo đƣợc thực hiện sau khi kết thúc công tác thi công công trình. Ống đo nước thượng lưu cần được lắp đặt trước khi hồ tích nước. Trạm đo nước hạ lưu có thể lắp đặt sau cùng để không ảnh hưởng đến quá trình thi công đập mà vẫn đảm bảo yêu cầu quan trắc.