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 Buôn Kuốp – Tổng công 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 toán 
chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phòng 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 không còn chính xác, cho dù thiết bị được tăng cường công tác kiểm 
tra, hiệu chuẩn. Điều này gây khó khăn cho công 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 toán 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 không còn 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 tôi 
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 toàn 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 môi trường và bộ chuyển đổi tín hiệu tương 
tự sang số của PLC. Do đó, thường xuyên bảo trì và hiệu chuẩn khi tín hiệu trả về 
sai lệch so với thủy chí. 
Hình 1: Mô hình nguyên 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. 
Khoảng cách được tính như sau: 1L = .c.TOF
2
, trong đó: c = 300.000 m/s là tốc 
độ ánh sáng, không thay đổi theo nhiệt độ hoặc độ ẩm. 
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) Côn tiết lưu 
Hình 2: Mô hình đo 
Qua quá 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 vuông 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 công ty quản lý, thì hồ Buôn 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 tôi 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 ngoài 
(xem Hình 2). 
Công thức tính mực nước: ܹܮ = ܪ௕௔௦௘ − ܮ + ∆݄, trong đó ܪ௕௔௦௘ là cao trình mặt 
bích, ܮ 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 TOÀN QUỐC 2017 
Bằng thực nghiệm, chúng tôi 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, không có kiểm tra sai số trên đường 
truyền và không 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 quá trình thí nghiệm vận hành, chúng tôi thấy rằng kết quả đo mực nước sử 
dụng cảm biến laser tốt hơn cảm biến áp lực tại cùng vị trí đặt. 
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 côn phía đuôi 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 
270.9
271
271.1
271.2
271.3
271.4
271.5
271.6
271.7
271.8
15
/1
/8
h3
0
18
/1
/7
h0
0
20
/1
/1
h0
0
20
/1
/1
3h
00
21
/1
/1
h0
0
21
/1
/1
3h
00
22
/1
/1
3h
00
23
/1
/1
h0
0
23
/1
/1
3h
00
24
/1
/1
3h
00
25
/1
/7
h0
0
25
/1
/1
9h
00
26
/1
/0
7h
00
26
/1
/1
3h
55
27
/1
/7
h0
0
27
/1
/1
9h
00
27
/1
/1
3h
00
28
/1
/7
h0
0
29
/1
/1
h0
0
29
/1
/1
3h
00
31
/1
/1
h0
0
Laser
Pressure
Thủy chí
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 Srêpôk 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 Công ty năm 2016. 
Hồ Buôn Tua Srah 
Hồ Buôn 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 toàn tình 
trạng trôi điểm 0 và hiệu chỉnh nhiều lần của cảm biến áp lực. Các thông 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 thông tin đến chính quyền, tổ chức và nhân dân trên địa bàn phục vụ sản 
xuất nông nghiệp, vận tải đường sông và phòng 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.