Nghiên cứu cải tiến máy dò cá dùng một tần số sang hai tần số sóng siêu âm nhằm nâng cao sản lượng khai thác thủy sản

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 3/2013<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MÁY DÒ CÁ DÙNG MỘT TẦN SỐ<br /> SANG HAI TẦN SỐ SÓNG SIÊU ÂM NHẰM NÂNG CAO<br /> SẢN LƯỢNG KHAI THÁC THỦY SẢN<br /> RESEARCH TO IMPROVE FISH FINDER FROM USING SINGLE FREQUENCY<br /> TO CHANGE DUAL-FREQUENCY TO INCREASE FISHING YIELDS<br /> Trần Tiến Phức1<br /> Ngày nhận bài: 16/5/2013; Ngày phản biện thông qua: 19/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/9/2013<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Thời gian trước đây, những máy dò cá một tần số 50kHz được dùng rất phổ biến trong nghề cá Việt Nam. Ngư trường<br /> của các tỉnh Nam Trung bộ có nhiều cá Cơm mồm, cá Cơm săn. Do kích thước cá Cơm mồm, cá Cơm săn rất nhỏ nên máy<br /> dùng tần số 50kHz không phát hiện rõ. Để dò các đàn cá này phải dùng máy tần số cao (200kHz). Báo cáo này trình bày<br /> phương pháp cải tiến mày dò cá FURUNO FCV668 (một tần số 50kHz) sang hai tần số 50/200kHz cho ngư dân Quảng<br /> Ngãi, Phú Yên, Khánh Hòa làm nghề khai thác cá Cơm đạt hiệu quả cao hơn.<br /> Từ khóa: Máy dò cá, hai tần số, cá Cơm<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Formerly, the fishfinders with frequency 50kHz are widely used in Vietnam fisheries. Fishing grounds of the south<br /> central provinces has the Spined anchovy. The machines using 50kHz frequency are not clearly detected due to the small<br /> size of these kinds of fish. To detect the small fish, one must use the fishfinders with higher frequency (200kHz). In this<br /> paper, we present method to improve the FURUNO FCV668 fishfinder (a single frequency of 50kHz) into two frequencies<br /> 50/200kHz for fishermen of Quang Ngai, Phu Yen, Khanh Hoa provinces, in order to achieve higher efficiency of the Spined<br /> anchovy exploitation.<br /> Keywords: Fishfinder, two frequencies, Anchovy<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ngày nay, máy dò cá bằng phương pháp siêu<br /> âm là thiết bị điện tử hàng hải không thể thiếu đối<br /> với một số nghề khai thác cá biển mỗi khi tàu ra<br /> khơi. Không những chỉ để dò cá mà cả khi hành<br /> trình đi về, máy có chế độ tự động điều chỉnh các<br /> tham số thang đo sâu, hệ số khuếch đại tín hiệu dội,<br /> giúp thuyền trưởng phát hiện rõ đáy biển (độ sâu và<br /> địa hình) để nhận định ngư trường và phòng ngừa<br /> mắc cạn.<br /> Thời gian đầu triển khai máy dò cá ở Việt Nam,<br /> nguồn lợi còn rất phong phú mà ngư dân lại chưa<br /> quen sử dụng, ngôn ngữ hiển thị trên mặt máy bằng<br /> tiếng Anh nên hướng lựa chọn loại có chức năng tự<br /> động điều chỉnh thang đo (AUTO RANG), tự động<br /> 1<br /> <br /> điều chỉnh hệ số khuếch đại (AUTO GAIN) và chùm<br /> tia phát ra rộng (tần số siêu âm thấp) để dễ tìm thấy<br /> đàn cá được ưu tiên lên hàng đầu. Thực tế cho thấy,<br /> nhiều tàu đã đạt sản lượng cao hơn ngay từ chuyến<br /> biển đầu tiên nhờ có máy dò cá. Sau vài năm sử<br /> dụng máy dò cá, ngư trường càng được mở rộng,<br /> nguồn lợi có nhiều thay đổi, nhu cầu phát hiện nhiều<br /> loại cá tùy theo mùa vụ để tăng sản lượng được các<br /> thuyền trưởng quan tâm.<br /> Sóng siêu âm dội lại từ đàn cá phụ thuộc vào<br /> kích thước các cá thể trong đàn mà trong đó bong<br /> bóng có vai trò rất quan trọng. Bong bóng cá là<br /> một nội quan của các loài cá, có hình dạng như một<br /> chiếc túi chứa không khí giúp cá có thể điều chỉnh<br /> được tỉ trọng và khả năng nổi của mình, điều này<br /> <br /> TS. Trần Tiến Phức: Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 33<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 3/2013<br /> <br /> khiến cá có thể lơ lửng ở một độ sâu nhất định mà không cần phải bơi [1]. Bong bóng cá cũng có tác dụng giữ<br /> thăng bằng vì tại tư thế “chuẩn” của cá, trọng tâm khối lượng sẽ nằm ở phía dưới trọng tâm của thể tích do bong<br /> bóng cá nằm ở mặt lưng của cơ thể. Một chức năng khác của bong bóng cá là buồng cộng hưởng nhằm tiếp<br /> nhận hay tạo ra âm thanh. Sóng siêu âm của máy dò bị phản xạ mạnh nhất từ bong bóng cá vì túi khí tạo nên<br /> sự chênh lệch rất lớn về trở âm so với phần thân chủ yếu là mô mềm (soft tissue) và nước biển (hình 1). Để<br /> phát hiện cá có kích thước nhỏ không những cần phát xung siêu âm có công suất lớn, độ nhạy mạch thu cao<br /> mà còn phải dùng tần số phù hợp. Chính vì vậy, để tìm đàn cá Cơm Mồm, cá Cơm Săn có nhiều ở ngư trường<br /> nước ta [2] cần sử dụng máy dò tần số siêu âm cao (loại 200kHz).<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu: Máy dò tìm các loại cá Cơm có kích thước nhỏ<br /> <br /> Hình 1. Sóng siêu âm phản xạ từ cá Cơm<br /> <br /> Trên thế giới, cá Cơm tập trung nhiều ở Đại Tây<br /> Dương và Thái Bình Dương. Kể từ thập niên 1980,<br /> nguồn lợi cá Cơm đã suy giảm và thu hẹp vùng ngư<br /> trường. Theo bản đồ phân bố cá Cơm (hình 2) [3]<br /> trong những năm gần đây, ngư trường biển Miền<br /> Nam nước ta vẫn được coi là trọng điểm.<br /> Cá Cơm có nhiều chủng loại, ở mỗi địa phương<br /> có những tên gọi khác nhau như: cá Cơm trắng, cá<br /> Cơm ruồi, cá Cơm săn, cá Cơm than, cá Cơm mồm,<br /> cá Cơm trỏng. Thiết bị điện tử phát hiện được các<br /> đàn cá phụ thuộc vào mật độ, độ lớn đàn cá và kích<br /> thước mỗi con cá trong đàn nên có thể chia cá Cơm<br /> thành hai nhóm.<br /> <br /> Hình 3. Kích thước cá Cơm và bong bóng<br /> <br /> 34 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 2. Ngư trường cá Cơm<br /> <br /> Nhóm có kích thước khai thác lớn như<br /> cá Cơm ruồi, cá Cơm thường; Tên khoa học:<br /> Stolephorus commersonii (Lacepede, 1803); Tên<br /> tiếng Anh: Commerson’s anchovy. [4, 5].<br /> Nhóm có kích thước khai thác nhỏ hơn như cá<br /> Cơm mồm, cá Cơm săn; Tên khoa học: Stolephorus<br /> tri (Bleeker, 1852); Tên tiếng Anh: Spined anchovy.<br /> [4, 5] (hình 3).<br /> Cá Cơm là thực phẩm có thể ăn sống, phơi khô<br /> hay chế biến thành những sản phẩm có giá trị cao<br /> về dinh dưỡng như nước mắm. Hiện nay, nghề khai<br /> thác cá Cơm của Việt Nam tập trung chủ yếu ở các<br /> tỉnh miền Trung và Nam Bộ.<br /> Khai thác cá Cơm đã có từ rất lâu đời và là nghề<br /> đánh bắt truyền thống ở Việt Nam. Ngư cụ khai thác<br /> cá Cơm chủ yếu là: Vây mùng, Pha xúc, Mành đèn,<br /> Mành mùng. Cá Cơm có thể khai thác quanh năm,<br /> nhưng tập trung nhiều vào vụ cá nam từ tháng 3 đến<br /> tháng 9 hàng năm.<br /> Thực trạng nghề khai thác cá Cơm ở Việt Nam<br /> vẫn đang còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu từ<br /> công nghệ, quy mô khai thác, bảo quản, chế biến<br /> đến tiêu thụ sản phẩm cũng như bảo vệ nguồn lợi.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 3/2013<br /> <br /> Việc chuyển giao công nghệ về trang bị động lực, công nghệ chiếu sáng bằng LED để dẫn dụ, vật liệu ngư cụ<br /> khai thác cá Cơm vẫn đang cần được tiếp tục. Trong đó, máy dò tìm đàn cá Cơm mồm, cá Cơm săn sao cho<br /> hiệu quả là nội dung nghiên cứu được trình bày trong bài báo này.<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Tác giả sử dụng hai phương pháp chủ yếu:<br /> - Nghiên cứu lý thuyết về mức độ phản xạ sóng siêu âm khi gặp cá Cơm trong nước.<br /> - Nghiên cứu thực nghiệm cải tiến các máy dò cá hiện hữu để phát hiện rõ các loại cá Cơm mồm và cá<br /> Cơm săn có kích thước nhỏ, giá trị kinh tế cao. Loại cá Cơm này có nhiều ở ngư trường các tỉnh Nam Trung bộ.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Nghiên cứu mức độ phản xạ sóng siêu âm từ cá Cơm mồm và cá Cơm săn<br /> Dùng sóng siêu âm để đo độ sâu và tìm các mục tiêu trong nước là phương án tối ưu nhất hiện nay. Tốc<br /> độ sóng âm-siêu âm trong nước biển là một hàm phức tạp, phụ thuộc vào áp lực (độ sâu), nhiệt độ (thay đổi<br /> 10C~4m/s), và độ mặn (độ muối thay đổi của 1‰~1m/s). Phương trình thực nghiệm (1) để tính vận tốc sóng<br /> âm-siêu âm trong nước biển.<br /> <br /> c(T, S, z) = a1 + a2T + a3T2 + a4T3 + a5(S – 35) + a6z + a7z2 + a8T(S – 35) + a9Tz3<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó, T là nhiệt độ tính bằng thang Celsius, S là độ mặn tính bằng phần nghìn, z là độ sâu tính bằng<br /> mét [6].<br /> Các hằng số:<br /> a1=1448.96; a2=4.591; a3=-5.304×10-2; a4=2.374×10-4; a5=1.340;<br /> <br /> a6=1.630×10-2; a7=1.675×10-7; a8=-1.025×10-2; a9=-7.139×10-13.<br /> Chỉ số vận tốc sóng âm - siêu âm trong nước biển thường dùng để tính toán và chế tạo máy dò cá vào<br /> khoảng 1500 m/s. Như vậy, nếu máy dò cá dùng tần số 50kHz thì bước sóng trong nước biển là λ.<br /> <br /> (2)<br /> Sóng siêu âm sẽ phản xạ khi gặp môi trường bất đồng nhất trong nước có kích thước lớn hơn nửa<br /> bước sóng.<br /> <br /> (3)<br /> <br /> Nếu dùng tần số 200kHz thì độ phân giải tăng lên gấp bốn lần như kết quả ở biểu thức (4).<br /> <br /> (4)<br /> Hệ số phản xạ sóng siêu âm trong nước khi gặp môi trường không đồng nhất (bọt khí, thịt cá, đáy biển) phụ<br /> thuộc vào sự chênh lệch trở kháng âm Z và được tính theo biểu thức (5).<br /> <br /> (5)<br /> Trong đó Z1 là trở kháng âm của môi trường sóng tới, Z2 là trở kháng âm của môi trường gây phản xạ. Theo<br /> những kết quả nghiên cứu về trở kháng âm đã được công bố [7] đối với nước (water), mô mềm (soft tissue)<br /> (bảng 1) thì tỉ lệ sóng siêu âm phản xạ giữa nước với thịt cá là Rn→tc có giá trị khoảng 4%. Trong khi đó, tỉ lệ sóng<br /> siêu âm phản xạ giữa thịt cá với không khí trong bong bóng cá là Rtc→kk có giá trị khoảng 99,95%<br /> Bảng 1. Hệ số phản xạ sóng siêu âm giữa nước và cá<br /> Môi trường<br /> <br /> Z (MegaRayls)<br /> <br /> Nước (water)<br /> <br /> Zn = 1.50<br /> <br /> Thịt cá (soft tissue)<br /> <br /> Ztc = 1.63<br /> <br /> Không khí trong bong bóng cá (air)<br /> <br /> Hệ số phản xạ R<br /> <br /> Zkk = 0.0004<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 35<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Hệ số phản xạ Rtc→kk lớn gấp 24 lần Rn→tc nên bong bóng cá đóng vai<br /> trò rất quan trọng ở máy dò cá bằng phương pháp siêu âm. Ngoài ra,<br /> sóng siêu âm phản xạ từ cá trong nước còn bị phân tán trong góc khối<br /> lớn nên năng lượng thu nhận được ở đầu dò là rất nhỏ. Nếu tần số sóng<br /> siêu âm thấp, bước sóng dài, không gây phản xạ trên bong bóng của các<br /> loài cá nhỏ thì chỉ phát hiện được những đàn cá loại này khi trữ lượng<br /> rất lớn và mật độ bơi dày đặc. Điều kiện này rất ít xảy ra đối với cá Cơm<br /> mồm và cá Cơm săn ở ngư trường Việt Nam.<br /> Trong thực tế, máy dò cá FURUNO FCV668 tần số siêu âm 50kHz<br /> chỉ phát hiện được những đàn cá Cơm thường có độ dài thân 60 đến<br /> 70mm trở lên. Để phát hiện các đàn cá Cơm mồm, cá Cơm săn có độ<br /> dài thân 30 đến 40mm cần dùng máy dò có tần số siêu âm đủ cao,<br /> bước sóng ngắn hơn kích thước hiệu dụng của bong bóng cá (< 10mm)<br /> (hình 3). Đây là điều kiện cần để máy dò phát hiện đàn cá Cơm mồm,<br /> cá Cơm săn, loại cá có nhiều ở ngư trường các tỉnh Miền Trung nước<br /> ta. Loại cá này có màu trắng trong, rất mềm và dẻo, đặc biệt ngon, chủ<br /> yếu xuất khẩu sang Đài Loan, Hàn Quốc, giá cao hơn gấp hơn 2 lần cá<br /> Cơm thường [8].<br /> <br /> Số 3/2013<br /> <br /> Hình 4. Tần số thấp, chùm tia rộng hơn<br /> <br /> 2. Nghiên cứu lựa chọn loại đầu dò thu phát hai tần số phù hợp để<br /> phát hiện cá Cơm mồm, cá Cơm săn<br /> Máy dò cá FURUNO FCV668 chỉ thị trên màn hình màu được dùng<br /> phổ biến và thành công nhất trong thời kỳ đầu nghiên cứu triển khai ứng<br /> dụng ở Việt Nam. Trong thời kỳ đầu ứng dụng máy dò, các nghề Vây<br /> Hình 5. Loại đầu dò tần số kép phù hợp<br /> mùng, Pha xúc, Mành đèn, Mành mùng được khuyến cáo dùng tần số<br /> 50kHz vì góc phát của chùm tia rộng hơn, người dùng dễ tìm thấy đàn<br /> cá hơn (hình 4).<br /> Để máy hoạt động được hai tần số trong đó có tần số cao đáp ứng dò được đàn cá Cơm mồm, cá Cơm<br /> săn thì đường đặc tính điện kháng có hai điểm trở kháng cực tiểu trùng với cộng hưởng của mạch điện tử thu<br /> phát siêu âm.<br /> Các hãng chế tạo đầu dò gốm áp điện thường chọn tần số 50kHz cộng hưởng theo đường kính và ở<br /> tần số 200kHz cộng hưởng theo kích thước độ dày của đĩa gốm. Có nhiều loại đầu dò thu phát tần số kép<br /> được bán trên thị trường thế giới phù hợp về tần số và công suất như: 520-5PSC-A; 520-5MSC; 524ST-MSA;<br /> 520ST-PWA [9]. Do tập quán sử dụng và cách lắp đặt của ngư dân Việt Nam và thực nghiệm đo điện kháng thì<br /> chỉ loại 520-5PSC-A và 520-5MSC là phù hợp hơn (hình 5).<br /> 3. Nghiên cứu cải tiến mạch để thu phát được cả hai tần số<br /> Từ việc tìm hiểu sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch thu phát xung siêu âm [9] ta thấy được<br /> các linh kiện quyết định tần số: phối hợp thu phát, cộng hưởng lối vào mạch thu và cộng hưởng bằng gốm họ<br /> CSB (Ceramic Resonator).<br /> <br /> Hình 6. Những linh kiện lắp bổ sung trong khối thu phát và lọc cộng hưởng<br /> <br /> 36 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Cộng hưởng gốm là một linh kiện điện tử có<br /> tính áp điện mà sơ đồ tương đương như một khung<br /> cộng hưởng LC nhưng có tính chọn lọc tốt, độ ổn<br /> định cao dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm và<br /> nhiễu điện từ trường ngoài. Đầu dò của máy dò cá<br /> cũng cùng vật liệu áp điện nên dùng cộng hưởng<br /> gốm trong mạch lọc và dao động đổi tần sẽ có tính<br /> đồng bộ và cho kết quả thu phát tín hiệu ổn định<br /> cao hơn. Trong trường hợp cụ thể của máy dò cá<br /> FURUNO FCV668 khi cải tiến để hoạt động ở tần số<br /> 50/200kHz thì có thể lắp bổ sung cộng hưởng gốm<br /> CSB655 hoặc ZTB655 3.<br /> 4. Nghiên cứu đổi chương trình và nạp lại<br /> EPROM<br /> EPROM (Electrically Programmable Read<br /> Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình<br /> thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung<br /> vào được. Nội dung của EPROM không bị mất<br /> khi mất nguồn nuôi, nó được gắn sẵn trong máy<br /> và đã được hãng nạp sẵn hệ điều hành [10].<br /> Chương trình ghi trong EPROM tạo các giao diện<br /> trên màn hình.<br /> Với máy FURUNO FCV668 dùng EPROM họ<br /> 27C010 có dung lượng 1MB chứa chương trình tạo<br /> giao diện trên màn hình gồm các MODE: NORM;<br /> <br /> Số 3/2013<br /> <br /> Hình 7. Xóa EPROM để nạp chương trình<br /> <br /> M/Z; B/L; B/Z; GRAPH; DATA; MENU (hình 8). Khi<br /> cải tiến để máy dò được ở hai tần cần ưu tiên ba<br /> MODE đầu: Dò bình thường ở tần số 200kHz, dò<br /> bình thường ở tần số 50kHz và dò cả hai tần số<br /> 50/200kHz. Trong chương trình mới (tác giả sẽ trao<br /> đổi ở một bài viết khác về tin học), khi dò hai tần số,<br /> giao diện màn hình chia đôi theo chiều đứng, kết<br /> quả dò của mỗi tần số thể hiện trên một nửa. Để<br /> giảm chi phí, EPROM họ 27C010 được xóa chương<br /> trình cũ bằng đèn UV trong khoảng 10 phút (hình 7).<br /> Sau khi kiểm tra chất lượng xóa dữ liệu đã hoàn<br /> thành, nạp lại chương trình mới cho EPROM. Lắp<br /> EPROM vào bảng mạch và kiểm tra lại các MODE<br /> theo phân bố mới: NORM HF; NORM LF; DUAL;<br /> M/Z HF; M/Z LF; DATA; MENU. Chức năng của các<br /> núm nút điều khiển còn lại trên mặt máy không thay<br /> đổi (hình 8).<br /> <br /> Hình 8. Kết quả cải tiến máy FCV668 dùng một tần số 50kHz sang hai tần số 50/200kHz<br /> <br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Chúng tôi đã sử dụng trên năm trăm bộ linh<br /> kiện để cải tiến máy dò một tần số 50kHz thành hai<br /> tần số 50 và 200kHz cho ngư dân Quảng Ngãi, Phú<br /> <br /> Yên, Khánh Hòa khai thác bằng nghề Vây mùng,<br /> Pha xúc, Mành đèn, Mành mùng nhằm phát hiện tốt<br /> các đàn cá Cơm mồm, cá Cơm săn góp phần làm<br /> tăng năng suất và hiệu quả kinh tế. Chi phí cải tiến<br /> <br /> Các linh kiện này không phổ thông trên thị trường điện tử dân dụng ở Việt Nam nên nếu ai quan tâm đến việc cải tiến máy<br /> dò cá thành hai tần số mà gặp khó khăn xin liên hệ với tác giả bài viết.<br /> <br /> 3<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37<br /> <br />