Giải pháp loại bỏ hiện tượng đọng sương trên mặt kính camera trong hệ thống quang điện tử

Kỹ thuật điện tử Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ hệ thống quang điện tử.” 36 GIẢI PHÁP LOẠI BỎ HIỆN TƯỢNG ĐỌNG SƯƠNG TRÊN MẶT KÍNH CAMERA TRONG HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN TỬ Đỗ Doanh Điện1*, Nguyễn Phú Giang1, Vũ Ba Đình1 Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng các hệ quang điện tử phục vụ cảnh giới, giám sát, quan sát trở lên phổ biến. Trong điều kiện môi trường đặc biệt có độ ẩm cao, nhiệt độ khắc nghiệt như môi trường biển đảo, trên mặt kính của hệ quang điện tử thường xảy ra hiện tượng đọng sương. Bài báo trình bày một giải pháp hữu ích loại bỏ hiện tượng này bằng việc điều khiển các tham số nhiệt độ và độ ẩm trong một buồng camera được thiết kế có cơ cấu bẫy hơi nước với tham số điều khiển phù hợp. Từ khóa: Điểm đọng sương, độ ẩm tương đối, Quang điện tử, Mặt kính camera. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ở áp suất khí quyển nhất định, nhiệt độ điểm sương của một khối không khí là nhiệt độ mà ở đó thành phần hơi nước sẽ bắt đầu ngưng tụ thành dạng lỏng. Điểm sương có liên quan với độ ẩm tương đối, độ ẩm tương đối cao chỉ ra rằng điểm sương gần với nhiệt độ không khí hiện thời. Độ ẩm tương đối đạt 100% chỉ ra nhiệt độ điểm sương bằng với nhiệt độ hiện tại và không khí gọi là bão hòa[2]. Việc nghiên cứu điểm sương và tác động của hiện tượng đọng sương đối với con người, vật nuôi, các trang bị kỹ thuật đã được nhiều ngành, lĩnh vực quan tâm nghiên cứu. Đối với lĩnh vực quân sự, việc bảo quản, niêm cất cũng như duy trì hoạt động của các máy móc, dụng cụ điện tử, cơ khí, khí tài quân sự cũng yêu cầu rất cao về điều kiện môi trường đặc biệt là điểm sương, nhiệt độ và độ ẩm... Trong hệ thống quang điện tử trong đó có các loại camera lại càng bị ảnh hưởng bởi độ ẩm không khí và hiện tượng đọng sương trên mặt kính của chúng. Độ ẩm cao dẫn đến ẩm mốc làm các linh kiện hư hại, sinh ra hiện tượng phóng điện, chạm chập. Ngược lại, độ ẩm quá thấp dễ dẫn đến cong vênh cho các bảng mạch. Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm ở vùng nhiệt đới, đặc biệt ở nước ta, độ ẩm không khí luôn cao. Về đêm và sáng trên cả hai bề mặt kính camera thường xảy ra hiện tượng đọng sương, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng quan sát của thiết bị. Bài báo này trình bày một giải pháp loại bỏ hiện tượng đọng sương trên mặt kính camera trong hệ quang điện tử hỗ trợ cảnh giới cho bộ đội sử dụng ở điều kiện biển đảo. Trên cơ sở thiết kế phần cơ khí với cơ cấu bẫy hơi nước, cơ cấu sấy mặt kính và mô đun điều khiển nhiệt độ, độ ẩm để triệt điểm đọng sương, giúp cho mặt kính của hệ quan sát luôn đảm bảo độ trong suốt. 2. HIỆN TƯỢNG ĐỌNG SƯƠNG Ở ĐIỀU KIỆN BIỂN ĐẢO – ĐẶC ĐIỂM VÀ KHẢ NĂNG KHẮC PHỤC 2.1. Đặc điểm khí hậu biển đảo Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 37 Khí hậu biển đảo mang nét chung của khí hậu các vùng duyên hải lân cận trên đất liền và của vùng khí hậu hải dương. Các đặc điểm của khí hậu bao gồm: chế độ nhiệt, chế độ mưa, ẩm, chế độ gió, bốc hơi, nắngHệ thống quang điện tử của đề tài áp dụng cụ thể cho quần đảo Trường Sa. Qua nghiên cứu các tài liệu về khí hậu biển Đông[4] thì khí hậu quần đảo Trường Sa rất khắc nghiệt. Chế độ nhiệt vùng biển quần đảo Trường Sa mang đặc điểm của chế độ nhiệt vùng biển nhiệt đới xích đạo, có nền nhiệt độ cao và ít biến đổi qua các mùa trong năm. Giá trị nhiệt độ trung bình năm vào khoảng 27,0 - 28,00C. Tháng nóng nhất là tháng năm với nhiệt độ trung bình tháng là 29,20C, tháng có nhiệt độ thấp nhất là tháng một với nhiệt độ trung bình tháng khoảng 26,00C. Lượng mưa ở vùng biển quần đảo Trường Sa lớn và có sự phân chia rõ rệt theo mùa, mùa mưa và mùa ít mưa. Lượng mưa trung bình năm khoảng 2300 - 2500mm với hơn 16 ngày mưa/tháng. Mùa mưa bắt đầu từ tháng năm cùng với sự bắt đầu của hoạt động gió mùa mùa hè và kết thúc vào tháng mười hai. Độ ẩm tương đối trung bình năm ở vùng biển quần đảo Trường Sa rất cao. Độ ẩm chỉ xuống dưới 80% vào tháng tư và tháng năm. Chế độ gió vùng biển Trường Sa ổn định theo mùa, tốc độ gió lớn. Tổng lượng bốc hơi năm ở vùng biển quần đảo Trường Sa đạt giá trị lớn nhất so với các vùng biển khác. Lượng bốc hơi trung bình năm phổ biến trên khu vực biển Đông dao động trong khoảng 700 - 1300 mm trong khi tại vùng biển quần đảo Trường Sa đạt khoảng 1500mm. 2.2. Các phương pháp khắc phục Việc khắc phục hiện tượng đọng sương cũng như các tác động của điều kiện môi trường khác cơ bản được thực hiện bằng các phương pháp như sử dụng máy hút ẩm, máy sấy, tủ bảo quản vi khí hậu. Trong các thiết bị quang điện tử trong quân đội, phương pháp phổ biến để khắc phục hiện tượng nấm mốc trên các ống kính, mặt kính chủ yếu là sử dụng chất hút ẩm silicagel trong quá trình bảo quản. Sau một thời gian, có thể sấy các túi silicagel hoặc thay mới. Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền nhưng không mang tính tự động hóa, chỉ thông qua lịch kiểm tra mới kiểm tra các túi hút ẩm này. Nhiều khi độ ẩm của hạt silicagel bão hòa, nên không còn có tác dụng hút ẩm, ngoài ra còn làm hư hại cho thiết bị. Phương pháp này không áp dụng được ở điều kiện thiết bị đang vận hành hoặc nếu có cũng không làm khô mặt kính phía ngoài của hệ quang. Ngoài ra để khắc phục tức thời, hiện nay người ta sử dụng cần gạt, khi có mưa, bụi, sương trên mặt kính, chỉ cần dùng cần gạt làm sạch mặt kính. Phương pháp này rẻ tiền, tiện lợi và hiệu quả. Trong một số hệ quang điện tử của nước ngoài cũng đã tích hợp sẵn cơ cấu cần gạt. Nhược điểm của phương pháp này là không có tính tự động hóa, tức là khi không có con người thì không biết khi nào sử dụng, khi nào không sử dụng cần gạt. Các giải pháp nêu ra trên đây khó áp dụng cho các hệ quang điện tử ở điều kiện làm việc liên tục. Các thiết bị có khả năng điều khiển các tham số môi trường thường có kích thước lớn, khó lắp đặt, tiêu thụ nguồn nhiều, gây nhiễu nguồn cấp Kỹ thuật điện tử Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ hệ thống quang điện tử.” 38 cũng như tín hiệu, không áp dụng được đối với hệ bán kín, không khắc phục hiện tượng đọng sương ngoài của kính 3. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG LOẠI BỎ ĐIỀU KIỆN ĐỌNG SƯƠNG Giải pháp đưa ra là thiết kế một buồng camera bán kín có cơ cấu bẫy hơi nước và một hệ tự động đo, điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm theo đường điều khiển hợp lý. Giải pháp đã được áp dụng thử nghiệm cho một hệ camera làm việc ở điều kiện biển đảo. 3.1. Giải pháp thiết kế hệ thống loại bỏ điều kiện đọng sương Thiết kế một buồng chứa camera có cơ cấu bẫy hơi nước và sấy mặt kính a. Hình chiếu ngang của buồng camera b. Bẫy hơi nước Hình 1. Hình chiếu ngang của buồng camera và cơ cấu bẫy hơi nước. Nguyên lý làm việc của bẫy: Buồng camera được coi là một buồng bán kín. Mặt trước của buồng là mặt kính, trong buồng có vị trí để gá lắp camera cũng như cơ cấu bẫy hơi nước. Các điều kiện ảnh hưởng chính là nhiệt độ, độ ẩm tương đối và áp suất trong buồng. Bằng việc sử dụng bo mạch vi xử lý điều khiển dòng qua một tấm pin nhiệt điện bán dẫn (pin Peltier) ta có thể điều khiển nhiệt độ trong buồng camera. Mặt lạnh và mặt nóng của pin nhiệt điện [8] được gắn với các tấm tản nhiệt. Khi mặt lạnh được làm lạnh sẽ ngưng tụ hơi nước trên bề mặt. Do bề mặt đặt dốc nên hơi nước dạng lỏng được dồn về và thấm vào xốp hút ẩm. Một mặt của xốp hút ẩm tiếp xúc với bên ngoài và lượng hơi ẩm này được thoát tự nhiên ra ngoài. Tại mặt nóng, luồng không khí sẽ đi từ dưới lên trên theo hiệu ứng đối lưu, sấy ấm cho mặt kính camera. Điều này làm phá điểm sương trên mặt ngoài của kính. Hệ thống sử dụng hiệu ứng đối lưu nên không cần dùng quạt tản nhiệt mặt nóng, tránh được việc hơi muối làm hỏng quạt. Đồng thời, khối không khí bên trong buồng camera được làm mát, độ ẩm tương đối trong buồng giảm, tránh được ẩm và nóng cho thiết bị điện tử vốn tỏa nhiệt khi làm việc. 3.2. Xác định miền điều khiển và phương pháp điều khiển 3.2.1. Cơ sở toán học xây dựng vùng điều khiển Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 39 Độ ẩm tuyệt đối được định nghĩa bằng tỷ số giữa khối lượng hơi nước (thường được tính bằng gam) trên thể tích của một hỗn hợp không khí nào đó (thường được tính bằng m³) chứa nó. Để tiện cho các tính toán hóa, kỹ thuật người ta định nghĩa độ ẩm tuyệt đối theo khối lượng hơi nước trên mỗi đơn vị khối lượng của không khí khô (còn được biết đến với tên gọi khác là tỷ số trộn khối). Điều này giúp việc tính toán cân bằng nhiệt độ theo khối lượng rõ ràng hơn [5]. a v m m  (1) Trong đó vm là khối lượng hơi nước có trong một thể tích nhất định, am là khối lượng không khí khô có trong thể tích đó. Theo định luật áp suất riêng phần Dalton, chúng ta có áp suất tổng P của hỗn hợp hơi nước và không khí khô: av PPP  (2) trong đó vP - áp suất do hơi nước và aP - áp suất của không khí khô. Khai triển từ phường trình Clapeyron –Mendeleev: TRnVP  Ta có:                    KkgkJP KkgkJP TRVP TRVP m m a v aa vv a v .0287.0 .4615.0 )( )(  (3) Từ phương trình (1), (2), (3) ta có:               v v a v a v PP P P P m m 622.0622.0 (4) Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi nước bão hoà, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương [2].                     g v gvg gvv g v P P TRVP TRVP m m )( )(  (5) tại nhiệt độ mà hơi nước bão hòa gT , áp suất hơi nước bão hòa gP . Từ đây ta có mối quan hệ giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối:                   g g a g PP P P P    622.0622.0 (6) 3.2.2. Xây dựng vùng điều khiển và chọn giải pháp điều khiển Giả sử nhiệt độ bên trong buồng là H T , độ ẩm tuyệt đối trong buồng là H , thể tích buồng là V , áp suất trong buồng là H P . Nhiệt độ do hệ thống điện tử sinh ra trong buồng là 1 T , do truyền nhiệt từ bên ngoài vào là 2T , do hệ thống điều khiển Kỹ thuật điện tử Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ hệ thống quang điện tử.” 40 tạo ra là 3T . Ta thấy giá trị 1T là dương, các giá trị 2T , 3T có thể âm và có thể dương do độ chênh nhiệt giữa bên ngoài và bên trong buồng hoặc điều khiển đảo chiều máy nhiệt. Theo phương trình cân bằng nhiệt ta có: 1 2 3  HT T T T Độ ẩm tuyệt đối của hệ thống bao gồm độ ẩm do môi trường thẩm thấu vào 1 , độ ẩm lấy ra thông qua cơ cấu bẫy hơi nước 2 . Ta có độ ẩm tuyệt đối của hệ: 1 2   H Với thể tích buồng H V không thay đổi, ta có mối quan hệ giữa nhiệt độ bên trong buồng H T và áp suất trong buồng H P theo bảng thực nghiệm được NIST Chemistry đưa ra [1], [6], [7], tức là có thể biểu diễn  H HP f T . Áp dụng công thức (6) với các tham số môi trường trong buồng camera     0.622 0.622                HH H H H f TP P P P f T    (7) Tại mỗi một giá trị độ ẩm tương đối  , bằng Matlab ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối theo nhiệt độ bên trong buồng. Trong đó P là áp suất xét tại điều kiện tiêu chuẩn kPaP 325.101 . Hình 2. Biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối. Tập hợp các đường cong biểu diễn độ ẩm tương đối được thể hiện trên biểu đồ Hình 2, trong đó trục đứng là biến thiên độ ẩm tuyệt đối H  có đơn vị là gam hơi nước/kg không khí khô  airv kgg . Trục ngang là biến thiên nhiệt độ HT từ 0 0C đến 500C. Các đường cong biểu diễn các đường độ ẩm tương đối từ 10% đến độ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 41 ẩm bão hòa 100%. Các đường chéo là đường biến thiên enthalpy ứng với nhiệt độ từ 50C đến 300C. Để không xảy ra hiện tượng đọng sương, ta phải điều khiển hệ thống sao cho các tham số môi trường bên trong buồng: có độ ẩm càng xa đường độ ẩm bão hòa, đồng thời nhiệt độ nằm trong giới hạn chịu đựng của thiết bị. Giải pháp điều khiển là đưa trạng thái nhiệt độ, độ ẩm của buồng camera về vùng điều khiển thông qua điều khiển nhiệt độ, hút ẩm bằng cơ cấu bẫy hơi nước. Đồng thời dùng hơi nóng sinh ra từ máy nhiệt để sấy mặt kính phía ngoài. Với mục tiêu không để xảy ra hiện tượng đọng sương và duy trì nhiệt độ hợp lý cho hệ thống quang điện tử, miền điều khiển được chọn như mô tả trên Hình 2, tức là vùng này có biên là đường độ ẩm tương đối và nhiệt độ giới hạn phạm vi độ ẩm và nhiệt độ cho phép đảm bảo hệ thống làm việc bình thường: 3.3. Kết quả thử nghiệm Khi thử nghiệm, vùng điều khiển được chọn là miền được giới hạn với độ ẩm tương đối nhỏ hơn 70% và lớn hơn 40%, nhiệt độ cao nhất là 390C, nhiệt độ thấp nhất là 250C. Thử nghiệm thực tế ở các điều kiện môi trường khác nhau cho thấy hiện tượng đọng sương không còn trên mặt kính của hệ thống quang điện tử. Kết quả tương tự cũng nhận được qua mô phỏng trên phần mềm Matlab các số liệu thu được, cho thấy hệ thống điều khiển làm việc ổn định, đưa các tham số trong buồng camera về vùng cần điều khiển. 22 24 26 28 30 32 12 13 14 15 16 17 18 Bieu do do am va nhiet do Nhiet do (deg C) D o am tu ye t d oi (g m v ap /k g dr y ai r) 40% 60% 70% Duong dieu khien nhiet do do am Hình 3. Quá trình điều khiển các tham số môi trường trong buồng camera. 4. KẾT LUẬN Hiện tượng đọng sương tác động trực tiếp đến các hệ quan sát quang điện tử. Đặc biệt trong điều kiện biển đảo khắc nghiệt, độ ẩm cao, tốc độ bốc hơi nước lớn, Kỹ thuật điện tử Đ.D. Điện, N.P. Giang, V.B. Đình, “Giải pháp loại bỏ hệ thống quang điện tử.” 42 độ mặn cao, những tác động của môi trường đến hệ quan sát là rất lớn. Thiết kế mạch điều khiển bằng các linh kiện và thiết bị có sẵn trên thị trường như vi xử lý, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, pin nhiệt điện; cơ cấu bẫy hơi nước và áp dụng hiện tượng đối lưu của không khí đã khắc phục hiện tượng đọng sương bên trong và bên ngoài trên mặt kính camera của hệ quang điện tử. Với miền điều khiển và phương pháp điều khiển phù hợp, hệ quan sát loại bỏ điều kiện đọng sương và có thể làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Maged. El-Shaarawi, "On the Psychrometric Chart", ASHRAE Transactions, Vol 100, part 1 (1994), pp. 3736. [2]. M. G. Lawrence, "The relationship between relative humidity and the dew point temperature in moist air: A simple conversion and applications", Bull. Am. Meteorol. Soc (2005), pp.225–233. [3]. Judith G. Mackintosh, “ASHRAE Handbook: 1985 Fundamentals”, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditoning Engineers, Inc., Atlanta (1985). [4]. Mai Văn Khiêm, Trần Thục, Lã Thị Tuyết, Hoàng Đức Cường, “Một số nhận định về đặc điểm khí hậu Biển Đông” Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học quốc gia về khí tượng, thủy văn, môi trường và biến đổi khí hậu lần thứ 17, NXB Tài nguyên-môi trường và bản đồ Việt Nam (2014) [5]. Horstmeyer. Steve, "Relative Humidity....Relative to What? The Dew Point Temperature...a better approach", Meteorologist, WKRC TV, Cincinnati, Ohio University, (2009). [6]. Israel. Urieli, “MATLAB program for plotting a Simplified Psychrometric Chart”, Lecture of Mechanical Engineering Department, Ohio University (2010). [7]. “NIST Chemistry WebBook”, Feb 2008, National Institute of Standards and Technology, USA (2008). [8]. "Thermoelectric Coolers Basics", TEC Microsystems, March 2013. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 43 ABSTRACT A SOLUTION TO AVOID CONDENSATION ON THE GLASS SUFACE OF CAMERA LENS IN OPTO-ELECTRONIC SYSTEMS Nowadays, the use of opto-electronic systems in guarding, monitoring, and observing becomes more commonly. In particular environmental conditions of high humidity, extreme temperatures, such as the island and marine environment, water vapor often condense on the glass surface of opto- electronic systems. This paper present a useful solution to avoid this phenomenon by controlling the parameters of temperature and humidity in a camera housing consists of water vapor trap structures with appropriate control parameters. Keywords: Dew point , Relative humidity, Optoelectronics, Camera glass. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Điện tử -Viện KH-CNQS; *Email: evn.vdt@gmail.com