Nghiên cứu ứng dụng phương pháp từ trường cảm ứng để dò tìm vị trí dòng thấm, dòng rò rỉ qua thân đập thủy điện
Trong thực tế, việc khảo sát sự rò rỉ của nước hồ qua đập bằng phương pháp đánh dấu chủ
yếu chỉ xác định được các thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm như vận tốc trung bình, số kênh
thấm, mà không cho các thông tin về vị trí dòng rò rỉ ngầm trong thân đập cũng như trong nền đập.
Việc xử lý khắc phục rò rỉ vì thế vẫn gặp nhiều khó khăn và thiếu hiệu quả do không xác định được vị
trí dòng rò.
Từ năm 2016 đến năm 2018, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong Công nghiệp
(CANTI) đã nghiên cứu, tiếp cận phương pháp xác định vị trí dòng thấm và dòng rò bằng phương
pháp từ trường cảm ứng. Nghiên cứu của CANTI đã đạt được những kết quả nhất định có thể ứng
dụng vào việc xác định dòng rò dòng thấm của những đập thủy điện nhỏ bởi hệ thiết bị chỉ có thể xác
định được dòng thấm và dòng rò ở độ sâu tối đa là 70m.
Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng
và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ thiết
bị có thể phát hiện được những dòng thấm và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 150m.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Tóm tắt nội dung tài liệu: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp từ trường cảm ứng để dò tìm vị trí dòng thấm, dòng rò rỉ qua thân đập thủy điện
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 7Số 62 - Tháng 03/2020 1. MỞ ĐẦU Ngày nay, an toàn đập luôn là một vấn đề cấp thiết và được quan tâm hàng đầu. Việc khảo sát sự rò rỉ của nước hồ qua đập không chỉ gói gọn vào xác định các thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm mà còn phải xác định được vị trí dòng rò, từ đó giúp cơ quan quản lý khắc phục sự cố mất an toàn đập kịp thời. Ứng dụng từ trường cảm ứng trong khảo sát dòng thấm qua đập là một phương pháp mới, tiết kiệm thời gian và chi phí. Phương pháp dựa trên nguyên tắc: nước thấm qua đập từ hồ chứa sẽ làm tăng độ đẫn điện của vật liệu đập. Khi một dòng điện xoay chiều được đặt vào hai bên đập, dòng điện sẽ đi qua các vùng thấm trong thân đập, bằng cách đo các thành phần của từ trường được tạo ra bởi dòng điện, vị trí cũng như độ rộng của dòng rò sẽ được xác định. Phương pháp này sử dụng dòng phát 380Hz - 433Hz nhằm tối ưu độ nhạy của cảm biến từ và hạn chế nhiễu từ các sóng hài của mạng điện dân dụng. Bên cạnh đó, việc đặt điện cực sao cho hệ thống (gồm nguồn phát, dây dẫn và dòng rò rỉ đập) tạo thành một mạch kín là một lưu ý quan trọng. Các số liệu từ trường thực nghiệm luôn được hiệu chỉnh nhằm loại bỏ sự đóng góp của dây dẫn, điện cực và từ trường Trái Đất, từ đó kết hợp với các số liệu thủy địa chất của đập, tiến hành minh giải để đưa ra kết luận chính xác về vị trí dòng rò rỉ đập. Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỪ TRƯỜNG CẢM ỨNG ĐỂ DÒ TÌM VỊ TRÍ DÒNG THẤM, DÒNG RÒ RỈ QUA THÂN ĐẬP THỦY ĐIỆN Trong thực tế, việc khảo sát sự rò rỉ của nước hồ qua đập bằng phương pháp đánh dấu chủ yếu chỉ xác định được các thông số đặc trưng cho lưu lượng thấm như vận tốc trung bình, số kênh thấm, mà không cho các thông tin về vị trí dòng rò rỉ ngầm trong thân đập cũng như trong nền đập. Việc xử lý khắc phục rò rỉ vì thế vẫn gặp nhiều khó khăn và thiếu hiệu quả do không xác định được vị trí dòng rò. Từ năm 2016 đến năm 2018, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong Công nghiệp (CANTI) đã nghiên cứu, tiếp cận phương pháp xác định vị trí dòng thấm và dòng rò bằng phương pháp từ trường cảm ứng. Nghiên cứu của CANTI đã đạt được những kết quả nhất định có thể ứng dụng vào việc xác định dòng rò dòng thấm của những đập thủy điện nhỏ bởi hệ thiết bị chỉ có thể xác định được dòng thấm và dòng rò ở độ sâu tối đa là 70m. Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng và mạch điện tử đi kèm nhằm nâng cao độ nhạy của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ thiết bị có thể phát hiện được những dòng thấm và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 150m. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 8 Số 62 - Tháng 03/2020 của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng, qua đó hệ thiết bị có thể phát hiện được những dòng thấm và dòng rò qua thân đập thủy điện ở độ sâu tối đa 150m. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được tiếp tục để hoàn thiện phương pháp, tăng độ nhạy khảo sát đến độ sâu trên 250m để triển khai trên thực địa, phục vụ nhu cầu khảo sát dòng rò, góp phần tích cực vào công tác xử lý, đảm bảo an toàn đập. Hình 1. Minh họa phương pháp từ trường cảm ứng xác định dòng rò rỉ đập 2. NỘI DUNG 2.1. Cơ sở lý thuyết Theo định luật Ampere, độ lớn vector cảm ứng từ tại điểm cách dây dẫn một khoảng R (m) được tạo ra bởi dây dẫn thẳng, dài vô hạn: Với B là độ lớn vector cảm ứng từ (T), µ 0 là hằng số từ môi ( ), I là cường độ dòng điện (A). Khi một dòng điện xoay chiều được đặt vào hai bên đập, dòng điện sẽ đi qua các vùng thấm trong thân đập theo con đường ứng với trở kháng nhỏ nhất. Dòng điện ưu tiên được tạo ra bởi dòng rò rỉ đập có thể được xem như một dây dẫn. Dòng điện biến thiên này sẽ được ghi nhận gián tiếp thông qua từ trường biến thiên trên mặt đập bởi cảm biến từ. Bằng cách minh giải số liệu cường độ từ trường dọc và ngang thực nghiệm, một bản đồ cơ sở biểu diễn vị trí dòng rò sẽ được thiết lập. Hình 2. Minh họa từ trường tạo ra bởi dây dẫn thẳng dài vô hạn (trái) và các thành phần của từ trường (phải) 2.2. Hệ thiết bị và cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình 3 : Thành phần và cấu trúc của hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng Hệ thiết bị bao gồm 2 điện cực bằng đồng có chiều dài 1m được cắm vào điểm đầu và điểm cuối của vùng cần khảo sát, điện cực được nối với máy phát xung bằng dây dẫn lõi đồng có bọc cách điện. Máy phát xung có công suất 2000W có thể điều chỉnh được tần số phát từ vài Hz đến vài trăm Hz và tự động ổn định dòng điện phát thông qua điện cực. Thiết bị đo từ trường cảm ứng có độ nhạy cao gồm 3 cảm biến đặt vuông góc theo các trục XYZ nhằm thu nhận từ trường, tín hiệu được khuếch đại và lọc nhiễu sau đó chuyển đổi từ tín hiệu THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 9Số 62 - Tháng 03/2020 tương tự sang tín hiệu số. Số liệu được hiển thị trên màn hình LCD và lưu lại trong thẻ nhớ SD. Hình 4 : Hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng do CANTI chế tạo Hình 5 : Máy phát dòng và điện cực do CANTI chế tạo 2.2.1. Chế tạo cảm biến đo từ trường cảm ứng Bộ cảm biến đo từ trường cảm ứng bao gồm 03 cảm biến được đặt theo các trục X,Y, Z theo chiều không gian. Cảm biến sử dụng lõi Mumetal có độ từ thẩm cao có đường kính 4mm, chiều dài là 38mm, phía bên ngoài lõi từ được cuốn lên 02 cuộn dây vật liệu đồng đường kính 0.1mm, có số vòng lần lượt là 6000 và 33 vòng. Sơ đồ của một cuộn dây được thể hiện trong hình 6: Hình 6: Sơ đồ nguyên lý cuộn dây cảm biến Độ thẩm từ của lõi cảm biến được tính theo công thức: (2) - Trong đó μ là độ từ thẩm của lõi cảm biến - N là yếu tố khử từ được tính theo công thức: (3) Khi µ tiến tới ∞ thì Hình 7: Mối tương quan giữa µ và µc Như vậy, để cảm biến đạt được độ nhạy cao thì độ thẩm từ µc phải cao.Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ của chiều dài và đường kính dẫn đến tăng độ từ thẩm của lõi µ nhưng lại ảnh hưởng đến chức năng chuyển đổi của lõi từ.Việc tăng tỷ lệ của chiều dài và đường kính quá mức khiến lõi từ tăng nhạy với từ trường của Trái Đất làm nâng nền nhiễu của cảm biến. Giá trị tối đa được chấp nhận để giữ cho sự suy giảm của độ nhạy tương đối δs của lõi từ trong các giới hạn nhất định. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 10 Số 62 - Tháng 03/2020 (4) Trong đó: Bs là cảm ứng bão hòa của vật liệu lõi. µc không đồng nhất dọc theo lõi và giá trị cực đại của nó, nằm ở trung tâm, đối với một thanh hình lăng trụ thường sử dụng được đưa ra bởi biểu thức: (5) Độ thẩm từ trung bình của lõi tại các phần được tính theo phân bố cảm ứng từ dọc theo lõi là: (6) Hình 8: Đường cong điện áp và nhiễu so với chiều dài tương đối Điện áp tương đối thu được trong một cuộn dây hình trụ so với vị trí của nó trên lõi (đường cong màu xanh lá cây), tín hiệu nhiễu so với chiều dài tương đối l n / l (đường cong màu xanh nước biển) Độ tự cảm L của cuộn dây có lõi phụ thuộc vào độ thẩm từ của lõi µcc và điện trở của cuộn dây: (7) Trong đó L 0 là độ tự cảm của cuộn dây không có lõi, k D là tỉ số giữa đường kính ngoài và đường kính trong của cuộn dây, k mr là hệ số phụ thuộc vào điện trở của cuộn dây và lõi từ: (8) Điện trở của cuộn dây cảm biến được tính theo công thức: (9) Trong đó ρ là điện trở suất của đồng, ln là chiều dài cuộn dây trung bình, n là số vòng dây. Trọng lượng của cuộn dây được tính theo công thức: (10) Trong đó γc và γCu là mật độ của vật liệu lõi và cuộn dây Phương pháp tối ưu hóa tín hiệu đầu ra của cảm biến: kết hợp tối ưu các tham số đầu ra S của cảm biến và các tham số đầu vào tiền khuếch đại (PA) để có được tín hiệu nhiễu đầu ra của cảm biến thấp nhất có thể W B . Mức tín hiệu nhiễu tối thiểu có thể (theo công thức bán thực nghiệm từ Berkman-Korepanov): (11) W 0 ≈ 10-28T2 / Hz ; l - Chiều dài cảm biến; f -Tần số tín hiệu; A ≈ 30 m5 Hz2; B ≈ 10-4m5 Hz4. Để đạt được sự kết hợp tối ưu qua đó ta tính toán được các thông số cần thiết của cảm biến: n, l, M, µc. Hình 9: Sơ đồ tương đương của cảm biến và mạch THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 11Số 62 - Tháng 03/2020 Tổng mật độ nhiễu trong các giá trị của từ trường W B đo được (sử dụng độ nhạy cuộn dây G = U 0 / H) là: (12) Trong đó: Phổ tần số của nhiễu PA được đặc trưng bởi bộ 8 tham số nhiễu mở rộng: mật độ điện áp nhiễu tối thiểu W u0 ; tần số góc và góc độ cao ở tần số thấp fu1, αu; tần số góc của độ cao bổ sung ở tần số cực thấp fu2; mật độ dòng nhiễu tối thiểu W i0 ; tần số góc và góc độ cao của nhiễu hiện tại ở tần số cao fi1, αi; tần số góc ở tần số thấp fi2. Sau đó, điện áp và mật độ nhiễu hiện tại phụ thuộc vào tần số có thể được tính bằng các phương trình: (18) (19) Hình 10: Sơ đồ nhiễu điện áp của bộ khuếch đại Hình 11: Sơ đồ dòng nhiễu của bộ khuếch đại Hình 12: Tín hiệu nhiễu của cảm biến khi thay đổi số vòng dây của cảm biến Dựa vào đồ thị Hình 12 ta nhận thấy, với dải tần số thấp dưới 50Hz thì khi số vòng dây của cảm biến ít, tín hiệu nhiễu càng càng cao, với tần số cao trên 50Hz thì tín hiệu nhiễu cao ở cảm biến có số vòng dây nhiều. Thiết bị đo từ trường cảm ứng của đề tài này làm việc tại tần số trên dưới 400Hz nên ta chọn cảm biến sao cho số vòng dây phù hợp và không quá cao. Hình 13: Tín hiệu nhiễu của cảm biến khi thay đổi bộ tiền khuếch đại Trong đồ thị hình 13, đường cong số 1 màu xanh thể hiện tín hiệu nhiễu của cảm biến khi cảm biến được kết nối với bộ tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào cao ; đường cong số 2 màu đỏ thể hiện tín hiệu nhiễu của cảm biến khi cảm biến được kết nối với bộ tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào thấp. Như vậy với tần số làm việc của thiết bị là 400Hz thì sử dụng bộ tiền khuếch đại có trở kháng đầu vào cao để giảm nhiễu. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 12 Số 62 - Tháng 03/2020 Hình 14: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình 15: Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại và bộ lọc tần số Hình 16: Mạch điện tử và cuộn dây cảm biến Hình 17: Hình dáng bên ngoài của cảm biến đo từ trường cảm ứng Hình 18: Tín hiệu thu được của cảm biến theo dải tần Hình 19: Tín hiệu nhiễu của cảm biến Các thông số của cảm biến từ trường mà CANTI chế tạo: 2.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG Tiến hành thử nghiệm dò tìm dòng rò rỉ qua thân đập tại đập phụ số 2 Hồ thủy điện Hàm Thuận, sau thực nghiệm nhóm nghiên cứu đã tiến hành báo cáo với Công ty Cổ phần Thủy điện Đa Nhim - Hàm Thuận - Đa Mi. 2.3.1. Mô tả thực nghiệm tại hiện trường Tại đập phụ số 2 Hồ thủy điện Hàm Thuận có THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 13Số 62 - Tháng 03/2020 xuất hiện điểm thấm rò phía hạ lưu với lưu lượng là 0.2l/phút, với diện tích mặt bằng toàn bộ thân đập vào khoảng 5-7km2 nên nhóm nghiên cứu tiến hành đo trước 1 đường theo chiều dọc thân đập với khoảng cách 2m một điểm đo để xác định vị trí cần khảo sát sau đó tiến hành khảo sát đo trong vùng đã xác định. Một đầu của điện cực được đặt tại hồ chứa phía thượng nguồn và đầu điện cực còn lại được cắm phía hạ nguồn nơi chân đập, hệ thống dây dẫn điện từ điện cực về máy phát sử dụng 1000m dây dẫn lõi đồng có tiết diện 2,5mm được bọc cách điện chịu được điện áp 1000V. Máy phát phát ra nguồn điện có tần số phát 380Hz, dòng điện phát 0.2A và hiệu điện thế phát là 500V. Trên mặt đập khu vực cần khảo sát, tiến hành chia ô lưới theo khoảng cách 2m x 2m, tại các điểm giao là điểm đo. Hình 20: Tiến hành thí nghiệm tại đập phụ số 2 hồ Hàm Thuận 2.3.2. Kết quả thực nghiệm tại hiện trường và thảo luận Dựa vào thành phần Bx và By để xác định hướng của dòng thấm và rò rỉ qua thân đập, thành phần Bz nhằm xác định độ sâu của dòng rò thấm. Hình 21: Bản đồ từ trường thành phần Bx (Cuộn dây song song với thân đập) Hình 22: Bản đồ từ trường thành phần By (cuộn dây vuông góc với thân đập) Hình 23: Bản đồ từ trường thành phần Bz (cuộn dây thẳng đứng so với đập) THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 14 Số 62 - Tháng 03/2020 Bản đồ từ trường thành phần Bx trong hình 21 xác định được một dòng rò thấm từ hồ chứa về thân đập, điểm rò thấm chính cách điện cực 10m về phía máy phát, màu sắc độ thấm theo thang đo màu của bản đồ từ màu đen thể hiện độ thấm ít đến màu trắng thể hiện độ thấm cao. Do dòng thấm vuông góc với thân đập nên trong bản đồ từ trường thành phần By ở hình 22, từ trường dòng thấm thu nhận dược rất thấp. Hình 23 thể hiện bản đồ từ trường thành phần Bz, dựa vào thành phần Bz ta xác định được độ sâu của dòng thấm. Tuy nhiên hiện do thân đập có độ dốc chứ không phải là mặt phẳng như trong các thí nghiệm trên mô hình tại phòng thí nghiệm, vì thế cần phải có thêm thời gian để sử dụng các phương pháp tính toán và chiếu ngược mới xác định được độ sâu của dòng thấm. Trong bản đồ từ trường của 2 thành phần By và Bz có thể hiện được 2 đường từ trường cao phía đường đi trên thân đập, đây là 2 dãy lan can sắt của con đường. Theo nhận định của nhóm nghiên cứu, do dãy lan can làm bằng sắt cho nên nó thu nhận và tập trung các đường sức từ trường do dòng thấm phía dưới thân đập phát ra sau đó phát ngược lại. 3. KẾT LUẬN Qua những nghiên cứu thiết kế chế tạo CANTI đã chế tạo ra bộ cảm biến có kích thước nhỏ gọn, có độ nhạy cao qua đó chế tạo hệ thiết bị đo từ trường cảm ứng có thể phát hiện được vị trí dòng thấm và dòng rò ở độ sâu trên 150m. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao độ nhạy của thiết bị, hoàn thiện phương pháp và chế tạo thiết bị có khả năng đáp ứng tốt hơn nhằm ứng dụng phương pháp này phục vụ cho công tác quản lý, cảnh báo và khắc phục kịp thời sự cố mất an toàn đập. Bùi Trọng Duy, Nguyễn Hữu Quang, Đặng Quốc Triệu, Vuong Duc Phung, Vira Pronenko Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Willowstick Technologies LLC (2007), AquaTrack Technology Explained, White Paper, USA [2] Willowstick Technologies LLC (2011), Wil- lowstick Geophysical Investigation of Recycle Tailings Pond Dam Pogo Mine, Alaska, USA [3] Willowstick Technologies LLC (2012), Wil- lowstick Geophysical Investigation of Highgate Pond #2, USA [4] Filter Design in Thirty Seconds, Application Report SLOA093 – December 2001 [5] The Bubba Oscillator: An Op Amp Sine Wave Generator By Hunter Scott
File đính kèm:
- nghien_cuu_ung_dung_phuong_phap_tu_truong_cam_ung_de_do_tim.pdf