TỰ ĐỘNG HÓA TRONG CANH
GÁC
Trong số chúng ta, ai đã sống qua thời kỳ đánh Mỹ hẳn đã từng nghe tới hàng rào (điện
tử) Mac Namara mà Mỹ đã lập ra ở phía Bắc tỉnh Quảng Trị. Với các cây nhiệt đới, các
cảm biến âm thanh, cảm biến hồng ngoại, những nhân viên thám sát ở tận Biên Hòa có
thể cảm nhận, thậm chí đếm từng đoàn xe vận tải chở vũ khí, đạn dược vào Nam, đếm
từng đoàn người (bộ đội, thanh niên xung phong) hành quân ra tiền tuyến, để rồi từ đó
đưa ra những lệnh oanh kích khốc liệt.
Ngày 13 tháng Tám năm nay, nước Đức kỷ
niệm 50 năm ngày xây bức tường rào Đông-
Tây Berlin. Bên cạnh những bức tường bằng
gạch hoặc bê tông kiên cố, hàng rào có nhiều
đoạn chỉ là những khoảng trống với các hàng
rào theo đúng nghĩa của nó (xem ảnh). Nếu ai
đó xem thường hiệu lực của những biển cảnh
báo “cố tình vượt qua hàng rào này có thể bị
bắn!” mà vượt qua khoảng trống cạnh hàng
rào thì lập tức ăn đạn được tự động bắn ra từ
nhiều phía. Những đoạn hàng rào điện-điện tử với những con mắt hồng ngoại đã thường
xuyên canh gác và giảm nhẹ sự làm việc căng thẳng của con người.
Tiếp theo là ai đã qua những khóa huấn luyện bộ binh dài ngày hẳn cũng khó quên những
đêm phải học tuần tra canh gác. Một mình căng mắt nhìn vào màn đêm, vừa sợ ma, sợ
“quân địch” và sợ chính chỉ huy của mình cải trang đi kiểm tra. Khi đó mới thấu hiểu sự
căng thẳng của công việc canh gác và thầm ước mong có cách gì thay thế được người
canh gác.
Một đoạn hàng rào Đông Tây Berlin.
Thực tế cho thấy ở đâu công việc lao động làm cho con người cảm thấy vất vả, căng
thẳng thì nơi ấy dễ trở thành mảnh đất màu mỡ cho việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa.
Trong lĩnh vực canh gác, tự động hóa dẫn đến sự ra đời của các hàng rào điện và sau đấy
là hàng rào điện tử. Những hàng rào điện ra đời gần đây cũng chứa nhiều thành tựu của
công nghệ mới như: cao áp, vật liệu cách điện, điều chế độ rộng xung, truyền và lưu trữ
ảnh động. Gần đây cũng xuất hiện những hàng rào thông minh. Bài viết này không đề cập
đến những mạch điện hoặc linh kiện cụ thể mà chỉ muốn giới thiệu một cách nhìn rộng
mở về mảng ứng dụng còn được ít người quan tâm đến của tự động hóa.
Hàng rào điện là gì ?
Hàng rào điện là một hàng rào sử dụng sốc điện (shocks) để ngăn chặn động vật hoặc con
người vượt qua một đường ranh giới nào đấy. Điện áp gây sốc có thể tác động trong
phạm vi từ mức gây khó chịu tới bị thương, thậm chí là gây chết người. Ngày nay, phần
lớn hàng rào điện được sử dụng để phục vụ ngành nông nghiệp cụ thể là cho mục đích
kiểm soát sự di chuyển của động vật, phần còn lại thường được sử dụng để tăng độ an
toàn cho những khu vực quan trọng hoặc nhạy cảm, có những nơi điện áp gây chết người
đã được sử dụng.
Hàng rào điện được thiết kế để tạo ra một mạch điện khép kín khi mà con người hoặc
động vật chạm vào. Một bộ phận được gọi là bộ tiếp năng lượng (energizer) đóng vai trò
biến đổi năng lượng sang một xung điện áp cao. Một đầu của bộ tiếp năng lượng được
nối với một dây dẫn cách điện và phát một xung điện trong từng giây; một đầu khác thì
được nối với một cột kim loại cắm vào đất. Khi người hoặc động vật chạm vào cả dây lối
ra và đất trong một thời gian ngắn sẽ tạo nên một mạch điện kín dẫn xung điện và gây ra
sốc điện. Ảnh hưởng của sốc điện phụ thuộc vào điện áp, năng lượng của xung, mức độ
tiếp xúc của người hoặc động vật với hàng rào. Khi tạo ra đường dẫn dòng điện truyền
qua cơ thể tới đất, xung điện có thể gây ra một sự khó chịu vừa đủ, bị thương hoặc trong
một số trường hợp hàng rào có thể gây chết người.
Hàng rào dùng bộ tích điện
Ban đầu bộ cấp điện cho hàng rào dùng điện xoay chiều, sử dụng máy biến thế và một
công tác điều khiển theo cách cơ học để tạo ra các xung điện. Các xung được tạo ra bởi
hệ thống này có độ rộng xung lớn và điện áp là không thể đoán trước được, khi không có
tải điện áp có thể vượt quá 10.000V và nhanh chóng sụt đi khi có sự rò rỉ dòng điện ở
hàng rào. Hệ thống đóng ngắt cơ học đã tồn tại trong thời gian ngắn, sau đó người ta đã
thay thế công tắc cơ điện bằng mạch bán dẫn, nhờ vậy làm tăng tuổi thọ và loại bỏ được
thao tác bảo dưỡng nhưng không có sự thay đổi gì về độ rộng xung và điện áp điều khiển.
Các bộ nạp điện hàng rào trở kháng thấp hiện đại sử dụng một dạng thiết kế khác. Một tụ
điện được nạp khi một cực của mạch điện tiếp xúc với người hoặc động vật có chân được
“tiếp đất”, sau đấy điện tích được giải phóng qua một mạch sử dụng thirixto hoặc một
linh kiện bán dẫn tương tự. Điện áp phù hợp được tạo ra bởi lối ra điều khiển điện tích
trong một giới hạn của công suất lối ra. Độ rộng xung tương đối hẹp, thường vào khoảng
10 micrô giây. Thiết kế này làm việc với nguồn nuôi từ acqui hoặc nguồn nắn từ lưới
điện.
Tùy thuộc vào từng khu vực được rào và sự cách biệt của nó, hàng rào điện có thể được
cấp điện thường xuyên hoặc gián đoạn, và thường được nuôi bằng nguồn acqui chì hoặc
pin khô hoặc là một bộ acqui nhỏ hơn được nạp điện bởi một tấm pin mặt trời. Công suất
tiêu thụ của hàng rào trong điều kiện làm việc bình thường là nhỏ, do đó một acqui chì có
thể cung cấp điện cho hàng trăm mét rào trong vài tuần. Khi thời gian sử dụng ngắn
người ta dùng acqui khô để cấp điện. Một vài hàng rào còn được bố trí một hay nhiều
nguồn dự phòng.
Vật liệu làm hàng rào
Vật liệu làm hàng rào thường dùng là dây thép một sợi hoặc nhiều sợi xoắn vào nhau
hoặc kết hợp với một cơ cấu làm căng dây. Đôi khi người ta cũng sử dụng dây kẽm gai để
tạo ra một hàng rào nguy hiểm hơn, đặc biệt nếu một người hoặc động vật vướng phải,
tuy vậy có nước quy định việc sử dụng dây kẽm gai dẫn điện là bất hợp pháp.
Hàng rào điện phải luôn được cách ly với đất và bất kỳ vật gì bởi nếu không sẽ gây ra
cháy hoặc là ngắn mạch. Khi làm hàng rào cần phải tránh xa cây cối và không để cho
hàng rào chạm trực tiếp vào gỗ hoặc các cột trụ kim loại. Khi sử dụng cần phải bọc chúng
bằng nhựa hoặc sứ, hoặc là sử dụng các cột làm bằng nhựa.
Vài nét về lịch sử
Từ năm 1870, trong cuốn sách khoa học giả tưởng “Hai vạn dặm dưới biển”, tác giả Jules
Verne đã miêu tả việc sử dụng của một cấu trúc nhiễm điện giống như một vũ khí phòng
thủ. Khái niệm hàng rào điện cũng được miêu tả trong tác phẩm “A connecticut Yankee
in King Arthur’s Court” của Mark Twain năm 1889, như một lá chắn phòng thủ.
David H. Wilson giành được bằng phát minh ở Hoa Kỳ vào năm 1886, cho một thiết bị
bảo vệ kết hợp giữa chuông báo động và truyền thông qua điện thoại. Ông đã xây dựng
để làm thí nghiệm một hàng rào điện dài 30 dặm ở Texas vào năm 1888, nhưng đã không
thành công.
Năm 1906, quân đội Nga đã cải tiến hàng rào điện trong suốt chiến tranh Nga-Nhật ở
cảng Arthur. Năm 1915, trong suốt chiến tranh thế giới thứ nhất, hàng rào điện của quân
đội Đức dọc biên giới giữa Bỉ và Hà Lan để ngăn cản sự di chuyển bất hợp pháp của
dòng người qua biên giới. Hàng rào trải dài 300km với vài sợi dây đồng có điện áp cung
cấp lên đến hàng ngàn vôn. Ước tính khoảng 3.000 người bất hạnh đã thiệt mạng bởi
hàng rào này đồng thời cũng là nguyên nhân gây ra cái chết của nhiều vật nuôi.
Hàng rào điện được sử dụng ở Mỹ những năm đầu của thập niên 30 với mục đích kiểm
soát vật nuôi và công nghệ hàng rào điện đã phát triển cả ở Mỹ và New Zealand.
Một trong những ứng dụng sớm nhất của hàng rào điện được phát triển năm 1936-1937
bởi nhà phát minh người New Zealand có tên William “Bill” Gallagher Sr. Built từ một
cuộn đánh lửa và một máy phát điện dùng cho ô tô. Gallgher đã sử dụng thiết bị này để
giữ ngựa của ông ta không cho làm xước ô tô. Về sau ông đã mở một công ty để cải tiến
và bán thiết kế của mình. Năm 1962, một nhà phát minh New Zealand khác, tên là Doug
Phillips, đã phát minh ra hàng rào điện chống được ngắt mạch dựa trên sự phóng điện của
tụ. Điều này cải thiện một cách đáng kể phạm vi hoạt động của hàng rào điện nên có thể
được sử dụng từ vài trăm mét đến 20km, đồng thời giảm giá thành hơn 80%. Hàng rào
điện chống được ngắt mạch đã được cấp bằng sáng chế bởi Phillips và vào năm 1964 đã
được chế tạo bởi Plastic Products, một công ty ở New Zealand, dưới cái tên “Hàng rào
điện Waikato”. Trong sản phẩm này các chi tiết bằng gốm đã được thay thế bằng nhựa
cách điện. Ngày nay, nhiều chi tiết bằng nhựa cách điện được sử dụng ở các hàng rào
nông trại trên toàn thế giới.
Vào năm 1939, những người quan tâm đến vấn đề an toàn ở Mỹ đã thúc đẩy
Underwriters Laboratories để công bố một văn bản về sự sốc điện do hàng rào điện gây
ra, dẫn đến sự ra đời một tiêu chuẩn (có tên ANSI/UL No. 69) cho bộ điều khiển hàng rào
điện.
Năm 1969 Robert B. Cox, một nông dân ở Adams County, Iowa, đã phát minh ra một
hàng rào điện cải tiến dưới dạng giá đỡ (bracket) và đã được công nhận là sáng chế ở Mỹ
vào năm 1970. Giá đỡ này cải thiện hàng rào điện bằng việc giữ nó đủ cao so với đất và
cách xa hàng rào để cho phép cỏ có thể phát triển phía dưới dây. Giá đỡ được gắn với cột
trụ bằng các chi tiết được thiết kế đặc biệt.
Hàng rào điện được cải tiến liên tục qua năm tháng theo các hướng sau:
* Dùng nhựa cách điện polyethylene thay thế cho sứ cách điện, bắt đầu vào những năm
1960. Nhựa polyethylene có giá rẻ hơn nhiều so với sứ và ít có khả năng bị vỡ hơn.
* Sự cải thiện trong thiết kế điện của bộ phận cấp điện cho hàng rào.
* Những thay đổi trong luật pháp. Do quy định của pháp luật, một số loại hàng rào bị
xem là bất hợp pháp cho đến những năm 50 hoặc 60 của thế kỷ trước. Trong một số nước
lại đưa ra những hạn chế đã giới hạn khả năng sử dụng. Thí dụ một số thành phố ở Mỹ
đưa ra những quy định lỗi thời về hàng rào điện để ngăn chặn việc đưa những hàng rào
điện dùng trong nông nghiệp vào lắp đặt trong thành phố. Houston là một thí dụ đã thay
đổi sắc lệnh ngăn cấm hàng rào điện vào năm 2008.