Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
GIẢI PHÁP LOẠI BỎ HIỆN TƯỢNG ĐỌNG SƯƠNG TRÊN<br />
MẶT KÍNH CAMERA TRONG HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN TỬ<br />
Đỗ Doanh Điện1*, Nguyễn Phú Giang1, Vũ Ba Đình1<br />
<br />
Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng các hệ quang điện tử phục vụ cảnh giới,<br />
giám sát, quan sát trở lên phổ biến. Trong điều kiện môi trường đặc biệt có độ<br />
ẩm cao, nhiệt độ khắc nghiệt như môi trường biển đảo, trên mặt kính của hệ<br />
quang điện tử thường xảy ra hiện tượng đọng sương. Bài báo trình bày một giải<br />
pháp hữu ích loại bỏ hiện tượng này bằng việc điều khiển các tham số nhiệt độ và<br />
độ ẩm trong một buồng camera được thiết kế có cơ cấu bẫy hơi nước với tham số<br />
điều khiển phù hợp.<br />
<br />
Từ khóa: Điểm đọng sương, độ ẩm tương đối, Quang điện tử, Mặt kính camera.<br />
<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Ở áp suất khí quyển nhất định, nhiệt độ điểm sương của một khối không khí là<br />
nhiệt độ mà ở đó thành phần hơi nước sẽ bắt đầu ngưng tụ thành dạng lỏng. Điểm<br />
sương có liên quan với độ ẩm tương đối, độ ẩm tương đối cao chỉ ra rằng điểm<br />
sương gần với nhiệt độ không khí hiện thời. Độ ẩm tương đối đạt 100% chỉ ra<br />
nhiệt độ điểm sương bằng với nhiệt độ hiện tại và không khí gọi là bão hòa[2].<br />
Việc nghiên cứu điểm sương và tác động của hiện tượng đọng sương đối với con<br />
người, vật nuôi, các trang bị kỹ thuật đã được nhiều ngành, lĩnh vực quan tâm<br />
nghiên cứu. Đối với lĩnh vực quân sự, việc bảo quản, niêm cất cũng như duy trì<br />
hoạt động của các máy móc, dụng cụ điện tử, cơ khí, khí tài quân sự cũng yêu cầu<br />
rất cao về điều kiện môi trường đặc biệt là điểm sương, nhiệt độ và độ ẩm...<br />
Trong hệ thống quang điện tử trong đó có các loại camera lại càng bị ảnh hưởng<br />
bởi độ ẩm không khí và hiện tượng đọng sương trên mặt kính của chúng. Độ ẩm<br />
cao dẫn đến ẩm mốc làm các linh kiện hư hại, sinh ra hiện tượng phóng điện, chạm<br />
chập. Ngược lại, độ ẩm quá thấp dễ dẫn đến cong vênh cho các bảng mạch. Trong<br />
điều kiện khí hậu nóng ẩm ở vùng nhiệt đới, đặc biệt ở nước ta, độ ẩm không khí<br />
luôn cao. Về đêm và sáng trên cả hai bề mặt kính camera thường xảy ra hiện tượng<br />
đọng sương, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng quan sát của thiết bị.<br />
Bài báo này trình bày một giải pháp loại bỏ hiện tượng đọng sương trên mặt<br />
kính camera trong hệ quang điện tử hỗ trợ cảnh giới cho bộ đội sử dụng ở điều<br />
kiện biển đảo. Trên cơ sở thiết kế phần cơ khí với cơ cấu bẫy hơi nước, cơ cấu sấy<br />
mặt kính và mô đun điều khiển nhiệt độ, độ ẩm để triệt điểm đọng sương, giúp cho<br />
mặt kính của hệ quan sát luôn đảm bảo độ trong suốt.<br />
2. HIỆN TƯỢNG ĐỌNG SƯƠNG Ở ĐIỀU KIỆN BIỂN ĐẢO<br />
– ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG KHẮC PHỤC<br />
2.1. Đặc điểm khí hậu biển đảo<br />
<br />
<br />
36 Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ … hệ thống quang điện tử.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Khí hậu biển đảo mang nét chung của khí hậu các vùng duyên hải lân cận trên<br />
đất liền và của vùng khí hậu hải dương. Các đặc điểm của khí hậu bao gồm: chế độ<br />
nhiệt, chế độ mưa, ẩm, chế độ gió, bốc hơi, nắng…Hệ thống quang điện tử của đề<br />
tài áp dụng cụ thể cho quần đảo Trường Sa. Qua nghiên cứu các tài liệu về khí hậu<br />
biển Đông[4] thì khí hậu quần đảo Trường Sa rất khắc nghiệt. Chế độ nhiệt vùng<br />
biển quần đảo Trường Sa mang đặc điểm của chế độ nhiệt vùng biển nhiệt đới xích<br />
đạo, có nền nhiệt độ cao và ít biến đổi qua các mùa trong năm. Giá trị nhiệt độ<br />
trung bình năm vào khoảng 27,0 - 28,00C. Tháng nóng nhất là tháng năm với nhiệt<br />
độ trung bình tháng là 29,20C, tháng có nhiệt độ thấp nhất là tháng một với nhiệt<br />
độ trung bình tháng khoảng 26,00C. Lượng mưa ở vùng biển quần đảo Trường Sa<br />
lớn và có sự phân chia rõ rệt theo mùa, mùa mưa và mùa ít mưa. Lượng mưa trung<br />
bình năm khoảng 2300 - 2500mm với hơn 16 ngày mưa/tháng. Mùa mưa bắt đầu<br />
từ tháng năm cùng với sự bắt đầu của hoạt động gió mùa mùa hè và kết thúc vào<br />
tháng mười hai. Độ ẩm tương đối trung bình năm ở vùng biển quần đảo Trường Sa<br />
rất cao. Độ ẩm chỉ xuống dưới 80% vào tháng tư và tháng năm. Chế độ gió vùng<br />
biển Trường Sa ổn định theo mùa, tốc độ gió lớn. Tổng lượng bốc hơi năm ở vùng<br />
biển quần đảo Trường Sa đạt giá trị lớn nhất so với các vùng biển khác. Lượng bốc<br />
hơi trung bình năm phổ biến trên khu vực biển Đông dao động trong khoảng 700 -<br />
1300 mm trong khi tại vùng biển quần đảo Trường Sa đạt khoảng 1500mm.<br />
2.2. Các phương pháp khắc phục<br />
Việc khắc phục hiện tượng đọng sương cũng như các tác động của điều kiện<br />
môi trường khác cơ bản được thực hiện bằng các phương pháp như sử dụng máy<br />
hút ẩm, máy sấy, tủ bảo quản vi khí hậu. Trong các thiết bị quang điện tử trong<br />
quân đội, phương pháp phổ biến để khắc phục hiện tượng nấm mốc trên các ống<br />
kính, mặt kính chủ yếu là sử dụng chất hút ẩm silicagel trong quá trình bảo quản.<br />
Sau một thời gian, có thể sấy các túi silicagel hoặc thay mới. Phương pháp này đơn<br />
giản, rẻ tiền nhưng không mang tính tự động hóa, chỉ thông qua lịch kiểm tra mới<br />
kiểm tra các túi hút ẩm này. Nhiều khi độ ẩm của hạt silicagel bão hòa, nên không<br />
còn có tác dụng hút ẩm, ngoài ra còn làm hư hại cho thiết bị. Phương pháp này<br />
không áp dụng được ở điều kiện thiết bị đang vận hành hoặc nếu có cũng không<br />
làm khô mặt kính phía ngoài của hệ quang.<br />
Ngoài ra để khắc phục tức thời, hiện nay người ta sử dụng cần gạt, khi có mưa,<br />
bụi, sương trên mặt kính, chỉ cần dùng cần gạt làm sạch mặt kính. Phương pháp<br />
này rẻ tiền, tiện lợi và hiệu quả. Trong một số hệ quang điện tử của nước ngoài<br />
cũng đã tích hợp sẵn cơ cấu cần gạt. Nhược điểm của phương pháp này là không<br />
có tính tự động hóa, tức là khi không có con người thì không biết khi nào sử dụng,<br />
khi nào không sử dụng cần gạt.<br />
Các giải pháp nêu ra trên đây khó áp dụng cho các hệ quang điện tử ở điều kiện<br />
làm việc liên tục. Các thiết bị có khả năng điều khiển các tham số môi trường<br />
thường có kích thước lớn, khó lắp đặt, tiêu thụ nguồn nhiều, gây nhiễu nguồn cấp<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 37<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
cũng như tín hiệu, không áp dụng được đối với hệ bán kín, không khắc phục hiện<br />
tượng đọng sương ngoài của kính…<br />
3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG<br />
LOẠI BỎ ĐIỀU KIỆN ĐỌNG SƯƠNG<br />
Giải pháp đưa ra là thiết kế một buồng camera bán kín có cơ cấu bẫy hơi nước<br />
và một hệ tự động đo, điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm theo đường điều khiển hợp lý.<br />
Giải pháp đã được áp dụng thử nghiệm cho một hệ camera làm việc ở điều kiện<br />
biển đảo.<br />
3.1. Giải pháp thiết kế hệ thống loại bỏ điều kiện đọng sương<br />
Thiết kế một buồng chứa camera có cơ cấu bẫy hơi nước và sấy mặt kính<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a. Hình chiếu ngang của buồng camera b. Bẫy hơi nước<br />
Hình 1. Hình chiếu ngang của buồng camera và cơ cấu bẫy hơi nước.<br />
Nguyên lý làm việc của bẫy:<br />
Buồng camera được coi là một buồng bán kín. Mặt trước của buồng là mặt kính,<br />
trong buồng có vị trí để gá lắp camera cũng như cơ cấu bẫy hơi nước. Các điều<br />
kiện ảnh hưởng chính là nhiệt độ, độ ẩm tương đối và áp suất trong buồng. Bằng<br />
việc sử dụng bo mạch vi xử lý điều khiển dòng qua một tấm pin nhiệt điện bán dẫn<br />
(pin Peltier) ta có thể điều khiển nhiệt độ trong buồng camera. Mặt lạnh và mặt<br />
nóng của pin nhiệt điện [8] được gắn với các tấm tản nhiệt. Khi mặt lạnh được làm<br />
lạnh sẽ ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Do bề mặt đặt dốc nên hơi nước dạng lỏng<br />
được dồn về và thấm vào xốp hút ẩm. Một mặt của xốp hút ẩm tiếp xúc với bên<br />
ngoài và lượng hơi ẩm này được thoát tự nhiên ra ngoài. Tại mặt nóng, luồng<br />
không khí sẽ đi từ dưới lên trên theo hiệu ứng đối lưu, sấy ấm cho mặt kính<br />
camera. Điều này làm phá điểm sương trên mặt ngoài của kính. Hệ thống sử dụng<br />
hiệu ứng đối lưu nên không cần dùng quạt tản nhiệt mặt nóng, tránh được việc hơi<br />
muối làm hỏng quạt. Đồng thời, khối không khí bên trong buồng camera được làm<br />
mát, độ ẩm tương đối trong buồng giảm, tránh được ẩm và nóng cho thiết bị điện<br />
tử vốn tỏa nhiệt khi làm việc.<br />
3.2. Xác định miền điều khiển và phương pháp điều khiển<br />
3.2.1. Cơ sở toán học xây dựng vùng điều khiển<br />
<br />
<br />
<br />
38 Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ … hệ thống quang điện tử.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Độ ẩm tuyệt đối được định nghĩa bằng tỷ số giữa khối lượng hơi nước (thường<br />
được tính bằng gam) trên thể tích của một hỗn hợp không khí nào đó (thường được<br />
tính bằng m³) chứa nó. Để tiện cho các tính toán hóa, kỹ thuật người ta định nghĩa<br />
độ ẩm tuyệt đối theo khối lượng hơi nước trên mỗi đơn vị khối lượng của không<br />
khí khô (còn được biết đến với tên gọi khác là tỷ số trộn khối). Điều này giúp việc<br />
tính toán cân bằng nhiệt độ theo khối lượng rõ ràng hơn [5].<br />
m<br />
v (1)<br />
ma<br />
Trong đó mv là khối lượng hơi nước có trong một thể tích nhất định, ma là khối<br />
lượng không khí khô có trong thể tích đó. Theo định luật áp suất riêng phần<br />
Dalton, chúng ta có áp suất tổng P của hỗn hợp hơi nước và không khí khô:<br />
P Pv Pa<br />
(2)<br />
trong đó Pv - áp suất do hơi nước và Pa - áp suất của không khí khô.<br />
Khai triển từ phường trình Clapeyron –Mendeleev: P V n R T<br />
Ta có:<br />
mv Pv V ( Rv T ) Pv 0.4615kJ kg.K (3)<br />
<br />
ma Pa V ( Ra T ) Pa 0.0287kJ kg.K <br />
Từ phương trình (1), (2), (3) ta có:<br />
mv P P <br />
0.622 v 0.622 v (4)<br />
ma Pa P Pv <br />
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với<br />
khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi nước bão hoà,<br />
hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương [2].<br />
mv Pv V ( Rv Tg ) Pv <br />
<br />
<br />
mg Pg V ( Rv Tg ) Pg <br />
<br />
(5)<br />
tại nhiệt độ mà hơi nước bão hòa Tg , áp suất hơi nước bão hòa Pg .<br />
Từ đây ta có mối quan hệ giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối:<br />
Pg Pg <br />
0.622 0.622 <br />
P P <br />
Pa g <br />
(6)<br />
3.2.2. Xây dựng vùng điều khiển và chọn giải pháp điều khiển<br />
Giả sử nhiệt độ bên trong buồng là TH , độ ẩm tuyệt đối trong buồng là H , thể<br />
tích buồng là V , áp suất trong buồng là PH . Nhiệt độ do hệ thống điện tử sinh ra<br />
trong buồng là T1 , do truyền nhiệt từ bên ngoài vào là T2 , do hệ thống điều khiển<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 39<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
tạo ra là T3 . Ta thấy giá trị T1 là dương, các giá trị T2 , T3 có thể âm và có thể<br />
dương do độ chênh nhiệt giữa bên ngoài và bên trong buồng hoặc điều khiển đảo<br />
chiều máy nhiệt. Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có:<br />
TH T1 T2 T3<br />
Độ ẩm tuyệt đối của hệ thống bao gồm độ ẩm do môi trường thẩm thấu vào 1 ,<br />
độ ẩm lấy ra thông qua cơ cấu bẫy hơi nước 2 . Ta có độ ẩm tuyệt đối của hệ:<br />
H 1 2<br />
Với thể tích buồng VH không thay đổi, ta có mối quan hệ giữa nhiệt độ bên<br />
trong buồng TH và áp suất trong buồng PH theo bảng thực nghiệm được NIST<br />
Chemistry đưa ra [1], [6], [7], tức là có thể biểu diễn PH f TH . Áp dụng công<br />
thức (6) với các tham số môi trường trong buồng camera<br />
PH f TH <br />
H 0.622 0.622 (7)<br />
P PH P f T <br />
H <br />
<br />
Tại mỗi một giá trị độ ẩm tương đối , bằng Matlab ta có thể biểu diễn mối<br />
quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối theo nhiệt độ bên trong buồng. Trong đó P là áp suất<br />
xét tại điều kiện tiêu chuẩn P 101.325 kPa .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối.<br />
Tập hợp các đường cong biểu diễn độ ẩm tương đối được thể hiện trên biểu đồ<br />
Hình 2, trong đó trục đứng là biến thiên độ ẩm tuyệt đối H có đơn vị là gam hơi<br />
nước/kg không khí khô g v kg air . Trục ngang là biến thiên nhiệt độ TH từ 00C<br />
đến 500C. Các đường cong biểu diễn các đường độ ẩm tương đối từ 10% đến độ<br />
<br />
<br />
<br />
40 Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ … hệ thống quang điện tử.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
ẩm bão hòa 100%. Các đường chéo là đường biến thiên enthalpy ứng với nhiệt độ<br />
từ 50C đến 300C.<br />
Để không xảy ra hiện tượng đọng sương, ta phải điều khiển hệ thống sao cho<br />
các tham số môi trường bên trong buồng: có độ ẩm càng xa đường độ ẩm bão hòa,<br />
đồng thời nhiệt độ nằm trong giới hạn chịu đựng của thiết bị. Giải pháp điều khiển<br />
là đưa trạng thái nhiệt độ, độ ẩm của buồng camera về vùng điều khiển thông qua<br />
điều khiển nhiệt độ, hút ẩm bằng cơ cấu bẫy hơi nước. Đồng thời dùng hơi nóng<br />
sinh ra từ máy nhiệt để sấy mặt kính phía ngoài.<br />
Với mục tiêu không để xảy ra hiện tượng đọng sương và duy trì nhiệt độ hợp lý<br />
cho hệ thống quang điện tử, miền điều khiển được chọn như mô tả trên Hình 2, tức<br />
là vùng này có biên là đường độ ẩm tương đối và nhiệt độ giới hạn phạm vi độ ẩm<br />
và nhiệt độ cho phép đảm bảo hệ thống làm việc bình thường:<br />
3.3. Kết quả thử nghiệm<br />
Khi thử nghiệm, vùng điều khiển được chọn là miền được giới hạn với độ ẩm<br />
tương đối nhỏ hơn 70% và lớn hơn 40%, nhiệt độ cao nhất là 390C, nhiệt độ thấp<br />
nhất là 250C. Thử nghiệm thực tế ở các điều kiện môi trường khác nhau cho thấy<br />
hiện tượng đọng sương không còn trên mặt kính của hệ thống quang điện tử. Kết<br />
quả tương tự cũng nhận được qua mô phỏng trên phần mềm Matlab các số liệu thu<br />
được, cho thấy hệ thống điều khiển làm việc ổn định, đưa các tham số trong buồng<br />
camera về vùng cần điều khiển.<br />
Bieu do do amva nhiet do<br />
<br />
18<br />
Do am tuyet doi (gm vap/kg dry air)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
17<br />
Duong dieu khien nhiet do do am<br />
<br />
70%<br />
16<br />
<br />
<br />
<br />
15<br />
<br />
60%<br />
<br />
14<br />
<br />
<br />
<br />
13<br />
<br />
<br />
<br />
12<br />
40%<br />
<br />
<br />
22 24 26 28 30 32<br />
Nhiet do (deg C)<br />
<br />
Hình 3. Quá trình điều khiển các tham số môi trường trong buồng camera.<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Hiện tượng đọng sương tác động trực tiếp đến các hệ quan sát quang điện tử.<br />
Đặc biệt trong điều kiện biển đảo khắc nghiệt, độ ẩm cao, tốc độ bốc hơi nước lớn,<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 41<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
độ mặn cao, những tác động của môi trường đến hệ quan sát là rất lớn. Thiết kế<br />
mạch điều khiển bằng các linh kiện và thiết bị có sẵn trên thị trường như vi xử lý,<br />
cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, pin nhiệt điện; cơ cấu bẫy hơi nước và áp dụng hiện<br />
tượng đối lưu của không khí đã khắc phục hiện tượng đọng sương bên trong và bên<br />
ngoài trên mặt kính camera của hệ quang điện tử. Với miền điều khiển và phương<br />
pháp điều khiển phù hợp, hệ quan sát loại bỏ điều kiện đọng sương và có thể làm<br />
việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
<br />
[1]. Maged. El-Shaarawi, "On the Psychrometric Chart", ASHRAE Transactions,<br />
Vol 100, part 1 (1994), pp. 3736.<br />
[2]. M. G. Lawrence, "The relationship between relative humidity and the dew<br />
point temperature in moist air: A simple conversion and applications", Bull.<br />
Am. Meteorol. Soc (2005), pp.225–233.<br />
[3]. Judith G. Mackintosh, “ASHRAE Handbook: 1985 Fundamentals”, American<br />
Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditoning Engineers, Inc.,<br />
Atlanta (1985).<br />
[4]. Mai Văn Khiêm, Trần Thục, Lã Thị Tuyết, Hoàng Đức Cường, “Một số nhận<br />
định về đặc điểm khí hậu Biển Đông” Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học<br />
quốc gia về khí tượng, thủy văn, môi trường và biến đổi khí hậu lần thứ 17,<br />
NXB Tài nguyên-môi trường và bản đồ Việt Nam (2014)<br />
[5]. Horstmeyer. Steve, "Relative Humidity....Relative to What? The Dew Point<br />
Temperature...a better approach", Meteorologist, WKRC TV, Cincinnati,<br />
Ohio University, (2009).<br />
[6]. Israel. Urieli, “MATLAB program for plotting a Simplified Psychrometric<br />
Chart”, Lecture of Mechanical Engineering Department, Ohio University<br />
(2010).<br />
[7]. “NIST Chemistry WebBook”, Feb 2008, National Institute of Standards and<br />
Technology, USA (2008).<br />
[8]. "Thermoelectric Coolers Basics", TEC Microsystems, March 2013.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
42 Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ … hệ thống quang điện tử.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
ABSTRACT<br />
<br />
A SOLUTION TO AVOID CONDENSATION ON THE GLASS SUFACE<br />
OF CAMERA LENS IN OPTO-ELECTRONIC SYSTEMS<br />
<br />
Nowadays, the use of opto-electronic systems in guarding, monitoring, and<br />
observing becomes more commonly. In particular environmental conditions<br />
of high humidity, extreme temperatures, such as the island and marine<br />
environment, water vapor often condense on the glass surface of opto-<br />
electronic systems. This paper present a useful solution to avoid this<br />
phenomenon by controlling the parameters of temperature and humidity in a<br />
camera housing consists of water vapor trap structures with appropriate<br />
control parameters.<br />
Keywords: Dew point , Relative humidity, Optoelectronics, Camera glass.<br />
<br />
<br />
Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015<br />
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Địa chỉ: 1Viện Điện tử -Viện KH-CNQS;<br />
*<br />
Email: evn.vdt@gmail.com<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 43<br />