Cảm biến áp suất màng silicon carbide. Nguồn: research.csiro.au

Theo Th.S Nguyễn Tuấn Khoa ở SHTP Labs (thuộc Ban Quản lý Khu Công nghệ cao TP.HCM), với phương pháp đo thủ công phổ biến như hiện nay, khi có mưa ngập, triều cường, nhân viên đo phải túc trực tại các điểm ngập rồi gửi báo cáo về trung tâm, dẫn đến tốn kém thời gian và chi phí, ảnh hưởng đến hoạt động chống ngập.

Mong muốn tìm ra giải pháp cảnh báo sớm ngập lụt đã dẫn dắt ThS. Nguyễn Tuấn Khoa và các cộng sự đến với đề tài chế tạo cảm biến áp suất vật liệu silicon carbide từ năm 2019 trong khuôn khổ chương trình Aus4Innovation hợp tác giữa SHTP Labs với Đại học Griffith (Australia). “Chúng tôi đã hợp tác với các nhà khoa học Úc để nhận chuyển giao, chế tạo cảm biến áp suất này nhằm xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt sớm theo thời gian thực”, ThS. Nguyễn Tuấn Khoa giới thiệu trong sự kiện kết nối công nghệ do Trung tâm Thông tin và Thống kê KH&CN TP.HCM tổ chức vào cuối tháng 11 vừa qua. “Mục tiêu đặt ra là cảm biến phải hoạt động ổn định, chính xác, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, bao gồm cả vấn đề chi phí và vận hành”.

Làm chủ công nghệ chế tạo cảm biến

Việc ứng dụng cảm biến áp suất để xây dựng các hệ thống cảnh báo sớm ngập lụt không phải là giải pháp mới trên thế giới và Việt Nam. Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị ở Việt Nam hiện nay được nhập khẩu nên có chi phí khá cao, lại khó thích ứng với điều kiện thời tiết nóng ẩm ở Việt Nam, dẫn đến hiệu quả vận hành kém và tuổi thọ ngắn. Vậy làm thế nào để một công nghệ chuyển giao từ nước ngoài như cảm biến silicon carbide có thể tránh được những rào cản này?

ThS. Nguyễn Tuấn Khoa và các cộng sự đã tìm ra câu trả lời sau quá trình tiếp nhận, nghiên cứu và nội địa hóa việc chế tạo cảm biến. Cũng như hầu hết cảm biến áp suất nói chung, nguyên lý hoạt động của cảm biến màng silicon carbide dựa trên áp lực nước tác động lên màng, từ đó chuyển tín hiệu cơ của áp suất thành dòng điện. Sau đó, bộ chuyển đổi tín hiệu cảm biến sẽ đọc và khuếch đại tín hiệu này từ analog sang dạng digital, đồng thời xử lý nhiễu, chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra để truyền đến màn hình hiển thị thông tin. Tuy nhiên, theo ThS. Khoa, một tính chất đặc biệt của cảm biến màng silicon carbide là có độ nhạy và ổn định cao hơn, giúp cung cấp thông tin ngập lụt chính xác hơn.

Với mục tiêu đảm bảo hiệu quả hoạt động của cảm biến, đồng thời giảm bớt chi phí sản xuất, nhóm nghiên cứu đã tính toán kĩ càng nhằm tìm ra thông số thiết kế tối ưu cho các thiết bị. Cụ thể, dice cảm biến áp suất sẽ có kích cỡ nhỏ hơn 6x6mm, điện thế offset dưới 20mV và điện áp hoạt động hoảng 1,5V. Trong khi đó, bộ chuyển đổi phải đáp ứng các yêu cầu như dải hoạt động nằm trong khoảng 0-50 kPa (0-5m) và 0-100kPa; điện áp vào là 5-12V; sai số <0,5%FS với dải nhiệt độ thay đổi từ 20-40oC. Họ sử dụng thép không gỉ 304L để đóng gói cảm biến này. “Một điểm đáng chú ý của cảm biến này là chúng tôi sử dụng chuẩn 4-20mA với hai dây, vừa là tín hiệu vừa là nguồn cấp. Ưu điểm là không bị nhiễu, khác với công nghệ thường sử dụng là bốn dây, bắt buộc phải có bộ khuếch đại ở giữa”, anh cho biết.

Từ khoản tài trợ 400.000 AUD kết hợp với sự hỗ trợ của các chuyên gia Úc, ThS. Nguyễn Tuấn Khoa và các cộng sự đã chế tạo thành công sản phẩm cảm biến áp suất màng silicon carbide tại phòng sạch của SHTP Labs với giá thành bằng 1/3 so với thiết bị ngoại nhập, đặc biệt là không cần hiệu chuẩn thường xuyên (do cảm biến có chức năng bù nhiệt nên chỉ cần hiệu chuẩn một lần đầu tiên), chỉ cần bảo dưỡng vệ sinh sáu tháng một lần. Kết quả kiểm định đã chứng minh các thiết bị này hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành: “Để đánh giá được sai số theo dải nhiệt độ, chúng tôi đã gửi đi kiểm định, cảm biến được đặt vào một bồn gia nhiệt ở mực nước cố định. Khi gia nhiệt từ nhiệt độ phòng cho đến 80oC thì sai số tăng dần. Với 40oC thì sai số là 0,4, đến 50oC là 1, sau đó là 0,8. Kết luận cho thấy sai số của dải đo trong khoảng nhiệt độ 30-80oC là dưới 2cm. Đây là mức sai số tiêu chuẩn của ngành khí tượng thủy văn”, anh giải thích.

Mở rộng ứng dụng trong thực tế

Sau khi có được cảm biến áp suất - “hạt nhân” của hệ thống cảnh báo ngập lụt sớm theo thời gian thực, nhóm nghiên cứu đã nhanh chóng hoàn thiện hệ thống này. Ngoài module cảm biến áp suất, hệ thống bao gồm mạch truyền thông 3G; phần mềm quản lý dữ liệu tập trung và ứng dụng trên thiết bị di động - tất cả đều do các nhà khoa học ở SHTP Labs phát triển. “Hiện các trạm cảnh báo ngập có cảm biến áp suất sử dụng màng silicon carbide cho phép cập nhật dữ liệu theo thời gian thực đã được lắp đặt tại 23 vị trí ở TP Thủ Đức và ba vị trí đo triều cường ở quận 8, 12 và trạm Phú An. Những cảm biến này được gắn trong khu vực giếng phụ được xây dựng cạnh cống thoát nước theo nguyên tắc bình thông nhau. Khi nước dâng, áp lực nước sẽ tác dụng lên màng cảm biến và truyền dữ liệu cảnh báo ngập về máy chủ thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu. Dữ liệu hiển thị trên ứng dụng di động, website để người dân biết thông tin về tình trạng ngập ở mỗi khu vực và lựa chọn tuyến đường đi lại phù hợp. Ở điều kiện không mưa, cứ mỗi tiếng cảm biến truyền dữ liệu một lần, còn trong khi mưa, cứ 5 phút sẽ cập nhật dữ liệu”, ThS. Nguyễn Tuấn Khoa giải thích.

Sau khi triển khai thành công ở thành phố Thủ Đức, nhóm nghiên cứu dự định sẽ mở rộng ứng dụng tại huyện Nhà Bè và các quận huyện khác. “Ngoài xây dựng hệ thống quan trắc đô thị ngập lụt trực tuyến, hệ thống này có thể ứng dụng trong các trạm quan trắc khí tượng thủy văn tự động, giám sát xâm nhập mặn và sạt lở khu vực sông kênh rạch. Ngoài ra còn có thể ứng dụng trong giám sát chất lượng nước tại khu công nghiệp, khu chế xuất, khu công nghệ cao và cả TP.HCM”, anh hào hứng giới thiệu về tiềm năng của hệ thống này.

Một ưu điểm khác so với các hệ thống ngoại nhập, các thiết bị trong hệ thống này có thể dễ dàng nâng cấp, bổ sung tính năng, đồng thời đảm bảo tính an ninh. “Nếu mua các thiết bị đầu - cuối (scada) nhập khẩu, nếu muốn nâng cấp, bổ sung thêm một số tính năng thì bắt buộc phải làm việc với hãng, dẫn đến tăng chi phí. Hơn nữa, hầu hết dữ liệu thường điều hướng về máy chủ của hãng. Thứ ba là một số thiết bị thường đóng thành hộp đen, chỉ biết đầu vào đầu ra chứ không nắm được thông tin bên trong, không cung cấp được dữ liệu thô để làm dự báo. Tuy nhiên, thiết bị của chúng tôi đảm bảo cả ba yếu tố này, đảm bảo mọi quy định về truyền và nhận dữ liệu, chia sẻ dữ liệu dùng chung”, anh phân tích.

Thanh An