Đo mức nước hồ chứa liên tục: Radar, thủy tĩnh hay siêu âm?

Đo mức nước hồ chứa và hồ thủy điện liên tục không chỉ là đọc một giá trị tại một thời điểm. Hệ thống còn phải theo dõi xu hướng mực nước tăng giảm, truyền dữ liệu ổn định về tủ điều khiển hoặc trung tâm giám sát và duy trì độ tin cậy khi lắp ngoài trời hoặc đo ở khoảng cách lớn.

Không có một công nghệ tốt nhất cho mọi hồ. Nếu có kết cấu lắp ổn định phía trên mặt nước, radar thường là phương án nên đánh giá trước. Nếu không thuận lợi lắp trên cao nhưng có thể thả đầu dò xuống nước, cảm biến thủy tĩnh thực tế hơn. Siêu âm phù hợp với khoảng đo ngắn, vùng đo thông thoáng và điều kiện lắp đơn giản.

Vì sao đo mức nước hồ chứa và hồ thủy điện khó hơn bể thông thường?

Hồ chứa thường có biên độ mực nước lớn, điểm lắp cách xa mặt nước và thiết bị phải hoạt động liên tục ngoài trời. Bề mặt nước có thể dao động do gió, dòng chảy, cửa lấy nước hoặc cửa xả.

Dữ liệu đo còn được truyền về PLC, RTU, datalogger hoặc SCADA để lưu lịch sử, cảnh báo và phục vụ vận hành. Vì vậy, không thể chỉ chọn cảm biến dựa trên chiều sâu danh nghĩa của hồ.

3 cách đo mức nước hồ chứa liên tục

Đo mức nước hồ chứa bằng radar không tiếp xúc

Radar phát sóng điện từ từ đầu cảm biến xuống mặt nước, sau đó nhận tín hiệu phản xạ để xác định khoảng cách. Giá trị khoảng cách được quy đổi thành chiều cao, phần trăm hoặc cao trình mực nước.

Radar không cần ngâm đầu đo nên thuận lợi khi lắp trên cầu, tháp lấy nước, cửa nhận nước hoặc kết cấu cố định phía trên hồ. Radar 80 GHz có chùm sóng tương đối hẹp, giúp tập trung vùng đo và hạn chế ảnh hưởng của kết cấu xung quanh.

Phương án này phù hợp khi:

• Cần đo liên tục và không tiếp xúc với nước.
• Có vị trí lắp ổn định phía trên mặt nước.
• Khoảng cách đo tương đối lớn.
• Bề mặt có sóng, gió hoặc điều kiện ngoài trời làm siêu âm khó ổn định.
• Cần truyền tín hiệu về PLC, RTU, datalogger hoặc SCADA.

Khi lắp, cảm biến phải hướng vào vùng mặt nước đại diện. Cần tránh lan can, dầm thép, đường ống, dây cáp và mép bê tông nằm trong vùng phát sóng.

Có thể xem thêm nguyên lý cảm biến radar để hiểu cách thiết bị đo khoảng cách và quy đổi thành mức.

Đo mực nước hồ thủy điện bằng cảm biến thủy tĩnh

Phương pháp này phù hợp khi không thuận lợi lắp cảm biến phía trên, nhưng có thể thả và cố định đầu dò trong hồ hoặc giếng quan trắc.

Ưu điểm của cảm biến thủy tĩnh là dải đo sâu, cách lắp tương đối đơn giản và không cần đường đo thông thoáng từ phía trên. Tuy nhiên, đầu dò và cáp phải ngập trong nước nên cần tính trước:

• Chiều dài cáp.
• Vị trí cố định đầu dò.
• Bùn cặn dưới đáy.
• Sóng và dòng chảy làm đầu dò dao động.
• Khả năng va đập vào thành hoặc kết cấu.
• Cách bảo vệ phần thông hơi của cáp.

Dinel HLM-25C được hãng công bố cho đo liên tục nước sạch, nước hơi đục hoặc có bùn nhẹ với dải từ 1–100 m. Thiết bị có phiên bản ngõ ra 4–20mA hoặc 0–10V.

Khi nào nên dùng siêu âm đo mức nước hồ chứa?

Siêu âm cũng được lắp phía trên và đo khoảng cách đến mặt nước mà không cần tiếp xúc. Thiết bị phát sóng âm, nhận tín hiệu phản xạ rồi tính khoảng cách dựa trên thời gian sóng truyền đi và quay về.

Siêu âm phù hợp hơn khi:

• Khoảng đo không lớn.
• Vùng phát sóng ít vật cản.
• Mặt nước tương đối ổn định.
• Có thể tránh cửa nạp, cửa xả hoặc dòng chảy mạnh.
• Vị trí lắp thuận lợi cho việc che nắng và bảo trì.

Dinel ULM-70có các phiên bản đo 2 m, 6 m, 10 m và tối đa 20 m. Tuy nhiên, thiết bị đạt IP67 và tài liệu hãng yêu cầu bảo vệ cảm biến khỏi ánh nắng trực tiếp. Vì vậy, khi lắp ngoài trời cần bố trí vị trí hoặc mái che phù hợp.

Khi khoảng đo lớn hoặc điều kiện ngoài trời phức tạp, nên đánh giá radar trước thay vì mặc định chọn siêu âm.

Cách đo mức nước hồ chứa: chọn công nghệ theo điều kiện thực tế

Lưu ý về dải đo:

Dải 30 m của LR81 và 120 m của LR85 là khoảng đo tối đa được Flowline công bố trong điều kiện tham chiếu. Khi mặt nước dao động mạnh, vị trí lắp có vật cản hoặc khoảng cách thực tế gần sát giới hạn, cần khảo sát và chừa dự phòng dải đo.

Không nên chọn cảm biến vừa đúng bằng khoảng cách cực đại. Một model có dải đo lớn hơn không tự động đo chính xác hơn, nhưng chọn quá sát giới hạn có thể làm giảm độ ổn định khi điều kiện thực tế thay đổi.

Cách lắp cảm biến đo mức nước hồ chứa hạn chế sai số

Chọn vùng mặt nước đại diện

Không nên lắp ngay trên cửa xả, cửa lấy nước hoặc khu vực có dòng chảy cục bộ mạnh. Mực nước tại những vị trí này có thể khác với mức trung bình của hồ.

Nếu dữ liệu được dùng để vận hành cửa van hoặc cảnh báo, nên có phương án đối chiếu bằng thước nước, điểm đo dự phòng hoặc thiết bị thứ hai tùy mức độ quan trọng của hệ thống.

Tính đúng khoảng cách cực đại

Với radar và siêu âm, khoảng đo phải được tính từ mặt phát của cảm biến đến mực nước thấp nhất dự kiến.

Ví dụ, hồ chỉ thay đổi 15 m nhưng cảm biến được lắp trên kết cấu cao hơn mực nước cao nhất 8 m thì khoảng cách cần đo có thể lên đến 23 m, không phải 15 m.

Giữ đường đo thông thoáng

Cần kiểm tra toàn bộ vùng phát sóng, không chỉ điểm ngay dưới cảm biến. Lan can, dầm thép, cáp, ống hoặc mép kết cấu nằm trong vùng phát có thể tạo tín hiệu phản xạ giả.

Đầu cảm biến phải hướng vuông góc hoặc đúng theo hướng dẫn của nhà sản xuất về vùng mặt nước cần đo.

Bảo vệ cảm biến thủy tĩnh

Cáp HLM-25C có ống mao dẫn dùng để bù áp suất khí quyển. Đầu thông hơi phải được giữ khô và kết nối qua hộp nối phù hợp; không nên tự ý cắt, bịt kín hoặc sửa đổi cáp.

Theo hướng dẫn Dinel, khi thả đầu dò sâu hơn 50 m cần dùng bộ giữ cáp KD-60. Tại vị trí có sóng hoặc dòng chảy mạnh, nên đặt đầu dò trong ống giảm dao động hoặc khu vực được che chắn để tránh va đập.

Bảo vệ tín hiệu ngoài trời

Đường cáp dài và thiết bị lắp ngoài trời có nguy cơ chịu ảnh hưởng của sét lan truyền và nhiễu điện từ. Cần bố trí cáp, chống sét, nối đất và tiếp địa theo thiết kế tổng thể của công trình.

Với HLM-25C, Dinel khuyến nghị bổ sung bảo vệ quá áp khi thiết bị lắp ngoài trời và cách tủ điện hoặc công trình kín trên 20 m.

Hiệu chuẩn theo mốc công trình

Cảm biến thường đo khoảng cách hoặc chiều cao cột nước, trong khi đơn vị quản lý có thể sử dụng cao trình tuyệt đối.

Do đó, cần xác định rõ:

• Mốc 0 của cảm biến.
• Cao độ vị trí lắp.
• Mực nước thấp nhất và cao nhất.
• Đơn vị cần hiển thị.
• Công thức quy đổi từ khoảng cách sang cao trình.

Truyền tín hiệu mực nước hồ chứa về PLC, RTU và SCADA

Tín hiệu 4–20mA thường được sử dụng để truyền giá trị mức về PLC, bộ hiển thị hoặc RTU. Chuẩn này có điểm 0 sống, giúp hệ thống phân biệt giá trị đo thấp với tình trạng mất nguồn hoặc đứt dây khi vòng dòng được thiết kế đúng.

Có thể xem thêm bài tín hiệu 4–20mA là gì để kiểm tra nguồn cấp, tải vòng dòng và cách kết nối với ngõ vào analog.

Khi cần lưu lịch sử hoặc truyền dữ liệu về trung tâm, hệ thống có thể bổ sung datalogger, modem 4G hoặc gateway phù hợp.

Các chuẩn tín hiệu có thể cân nhắc gồm:

• 4–20mA/HART: Phù hợp với PLC, bộ hiển thị và hệ thống điều khiển công nghiệp.
• Modbus RS485: Thuận lợi khi cần truyền dữ liệu số hoặc kết nối nhiều thiết bị.
• SDI-12: Thường gặp trong hệ thống quan trắc tài nguyên nước và môi trường.
• 0–10V: Có thể dùng với một số cảm biến thủy tĩnh, nhưng cần cân nhắc khoảng cách truyền và khả năng chống nhiễu.

Không phải model nào cũng hỗ trợ đồng thời tất cả chuẩn tín hiệu. Cần chọn đúng phiên bản cảm biến theo thiết bị nhận dữ liệu.

Cảm biến đo mức nước hồ chứa theo từng dải đo

Flowline LR81 cho hồ chứa cần radar không tiếp xúc đến 30 m

Flowline LR81 là cảm biến radar FMCW 80 GHz được hãng đề xuất cho reservoir, canal, weir và open channel. Thiết bị đạt IP68, phù hợp với vị trí ngoài trời hoặc khu vực có độ ẩm cao.

Dải đo chất lỏng tối đa là 30 m trong điều kiện tham chiếu. LR81 có các lựa chọn ngõ ra 4-20mA/HART, Modbus RS485 hoặc SDI-12 tùy phiên bản.

Flowline cũng công bố một ứng dụng thực tế dùng LR81 SDI-12 đo mực nước hồ chứavà truyền dữ liệu về hệ thống thu thập môi trường.

Thông tin sản phẩm:cảm biến radar Flowline LR81.

Flowline LR85 khi khoảng đo vượt 30 m

Khi khoảng cách từ vị trí lắp đến mặt nước thấp nhất vượt 30 m, Flowline LR85 là phương án radar cần đánh giá.

Theo tài liệu Flowline LR85, thiết bị sử dụng radar FMCW 80 GHz, đo chất lỏng tối đa 120 m và có góc beam 4°. Ngõ ra gồm 4–20mA/HART hoặc Modbus RS485 tùy phiên bản.

LR85 chỉ nên được chọn khi dải đo hoặc hình học công trình thực sự yêu cầu. Với những vị trí dưới 30 m, LR81 có thể là lựa chọn phù hợp và dễ tối ưu chi phí hơn.

Thông tin sản phẩm: cảm biến radar Flowline LR85.

Dinel HLM-25C khi phương án thả chìm thuận lợi hơn

Dinel HLM-25C là cảm biến thủy tĩnh thả chìm, có dải đo từ 1–100 m theo hãng. Thiết bị phù hợp với nước sạch, nước hơi đục hoặc có bùn nhẹ trong hồ chứa, giếng và bể không áp suất.

HLM-25C có phiên bản 4–20mA hoặc 0–10V. Khi chọn mã cần xác định chính xác dải đo, loại ngõ ra và chiều dài cáp.

Phương án này nên được xem xét khi có thể cố định đầu dò dưới nước nhưng không thuận tiện xây dựng kết cấu lắp radar phía trên.

Thông tin sản phẩm: cảm biến thủy tĩnh Dinel HLM-25C.

Dinel ULM-70 khi khoảng đo không vượt quá 20 m

Dinel ULM-70 là cảm biến siêu âm đo không tiếp xúc, có các dải tối đa 2 m, 6 m, 10 m và 20 m.

Thiết bị có phiên bản 4–20mA/HART hoặc Modbus RS485. ULM-70 có thể được cân nhắc khi vùng đo thông thoáng, mặt nước ít bọt, ít vật cản và khoảng cách không quá lớn.

Do thiết bị đạt IP67 và cần tránh ánh nắng trực tiếp, vị trí lắp ngoài trời phải được khảo sát và bố trí che chắn phù hợp.

Thông tin sản phẩm: cảm biến siêu âm Dinel ULM-70.

Thông tin cần cung cấp trước khi chọn cảm biến

• Khoảng cách từ vị trí lắp dự kiến đến mực nước thấp nhất và cao nhất.
• Vị trí có thể lắp: trên cầu, tháp lấy nước, giếng quan trắc hay phải thả chìm.
• Mức độ dao động, sóng, dòng chảy và vật cản quanh vùng đo.
• Cao trình hoặc đơn vị giá trị cần hiển thị tại trung tâm.
• Thiết bị nhận tín hiệu: PLC, RTU, datalogger, SCADA hay hệ thống quan trắc khác.
• Chuẩn tín hiệu mong muốn: 4–20mA, HART, Modbus hoặc SDI-12 nếu hệ thống có yêu cầu.
• Nguồn cấp, khoảng cách kéo cáp và điều kiện lắp ngoài trời.

Câu hỏi thường gặp

Hồ thủy điện nên dùng radar hay cảm biến thủy tĩnh?

Nếu có vị trí lắp ổn định phía trên mặt nước và muốn hạn chế phần tử ngập nước, nên đánh giá radar trước. Nếu không có kết cấu lắp phù hợp nhưng có thể thả và bảo vệ đầu dò tốt, cảm biến thủy tĩnh là phương án thực tế hơn.

Khoảng đo 40–50 m có dùng Flowline LR81 được không?

Không nên. LR81 được Flowline công bố dải chất lỏng tối đa 30 m. Với khoảng đo 40–50 m cần chuyển sang model có dải lớn hơn, chẳng hạn LR85 nếu điều kiện lắp radar phù hợp.

Hồ có độ sâu 20 m có chắc chắn dùng được ULM-70 không?

Chưa chắc. Cần tính khoảng cách từ mặt cảm biến đến mực nước thấp nhất, bao gồm cả phần kết cấu phía trên hồ. Nếu khoảng cách thực tế gần 20 m thì không nên chọn sát giới hạn.

Nên truyền tín hiệu 4–20mA hay Modbus?

4–20mA phù hợp với kết nối đơn giản, PLC và đường truyền công nghiệp thông dụng. Modbus thuận lợi khi cần dữ liệu số hoặc kết nối nhiều thiết bị. Lựa chọn cuối cùng phụ thuộc vào thiết bị nhận và kiến trúc hệ thống.

Chỉ cần báo mức cao hoặc thấp có cần cảm biến liên tục không?

Không nhất thiết. Nếu chỉ cần cảnh báo tại một ngưỡng, công tắc mức hoặc giải pháp báo mức điểm có thể đơn giản hơn. Cảm biến liên tục cần thiết khi muốn theo dõi giá trị mực nước và xu hướng thay đổi theo thời gian.

Kết luận

Đo mức nước hồ chứa và hồ thủy điện cần bắt đầu từ khoảng cách thực tế, vị trí có thể lắp cảm biến và tín hiệu cần truyền về trung tâm.

Radar phù hợp khi cần đo không tiếp xúc từ phía trên. Thủy tĩnh thực tế khi có thể thả đầu dò nhưng khó xây dựng vị trí lắp trên cao. Siêu âm nên được cân nhắc cho khoảng đo ngắn và điều kiện lắp đơn giản.

Người chịu trách nhiệm nội dung:

Lê Quân Đạt – Kỹ sư Tự động hóa

Phụ trách biên soạn và kiểm tra nội dung kỹ thuật về cảm biến đo lường, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu trong công nghiệp.

• Điện thoại: 0886 088 496
• Email: datle.huphaco@gmail.com
• Website: Chuyendoitinhieu.vn