Ở trường hợp một xung, hai đỉnh sẽ chập làm một, biên độ điện áp trên hai đỉnh:
max1
U = Umax 2= Umax và khơng có Umin.
Trường hợp xung quang điện dạng một chồi xung không bằng đầu, biên độ điện áp Umax1= Umax 2= Umaxvà có chỉ số trong mảng dữ liệu tương ứng trùng nhau hoặc sai khác không đáng kể.
Trường xung quang điện dạng một chồi xung bị bằng đầu, biên độ điện áp Umax1=
max 2
U = Umaxvà có chỉ số trong mảng dữ liệu khơng trùng nhau. Khoảng cách tạo ra giữa chỉ số mảng này mô tả độ bằng đầu của xung.
Gọi ui giá trị mẫu thu được thứ i trong tập mẫu.
uimax1 là giá trị mẫu lớn nhất ở sườn lên và tương ứng với là chỉ số imax1 uimax2 là giá trị mẫu lớn nhất ở sườn xuống và tương ứng là chỉ số imax2
Trường hợp chỉ có một chồi xung thì uimax1 ≈ uimax2 và khơng có uimin (giá trị mẫu nhỏ nhất) ở giữa hai điểm uimax1 và uimax2.
Khi imax1 = i max2 thì xung khơng bị bằng đầu. Khi imax1 i max2 thì xung bị bằng đầu. Gọi ld là độ rộng bằng đầu của xung. Khi đó
Bằng thực nghiệm, tính năng phân tích đa thức và hồi quy bậc hai trong phần mềm Origin, tập các hạt mẫu, khi tiến hành thả các hạt nhiều lần qua khoảng đo sẽ xác định được mối quan hệ giữa biến số biên độ cực đại umax hoặc độ rộng bằng đầu ld với kích thước D của hạt tùy theo từng trường hợp. Mối quan hệ D(umax) và D(ld) được mô tả trong biểu thức 2.14 và 2.15
+ Trường hợp xung có một chồi khơng bằng đầu có thể xác định được mối quan hệ giữa biên độ cực đại umax của xung với đường kính D của hạt trong biểu thức 2.14
2 11 11 max 12 max
D A B u B u (2.14)
+ Trường hợp xung có một chồi bằng đầu có thể xác định được mối quan hệ giữa độ rộng bằng đầu ld với đường kính D của hạt trong biểu thức 2.15
2
11 11 d 22 d
D A B l B l (2.15)
Trong đó: D là kích thước hạt tính theo mm
Với mơ hình phần cứng đáp ứng các yêu cầu ở phần 2.3.4, các hệ số A, B, C được tìm ra như sau:
A11 7,1855 B11 5,7804 B12 3,7794
Với mơ hình phần cứng đáp ứng các u cầu ở phần 2.3.4, các hệ số A, B, C được tìm ra như sau:
22 6,96342 21 4,71573 22 5,02497 A B B
Đề xuất này đã được công bố trong bài báo: Lai Thị Vân Quyên, Nguyễn Hồng Vũ, Nguyễn Thế Truyện; “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo kích thước hạt mưa
bằng quang học”; Tạp chí Nghiên cứu khoa học và Cơng nghệ qn sự, (2020), Vol.66.
2.2.2.2. Biểu thức tính vận tốc hạt
Xem xét hai trường hợp về tỷ số bán kính của hạt rd = 2
D và chiều rộng của khe nhạy sáng w: w ≥ D và w → 0.
- Khi w≥ D thì đỉnh của xung bị là phẳng. Về mặt lý thuyết, tín hiệu phải là hằng số, cho đến khi hạt bắt đầu đi vào khoảng đo tức khi đó tọa độ xc của hạt thỏa mãn điều kiện: 0 1 2 3 d c d d c d x r x x r x r x x r
trong đó x0 x3 là tọa độ của các đường biên của khe nhạy sáng.
Trong mơ hình đo nghiên cứu, vận tốc vd của hạt phải được xác định trên cơ sở các tham số của từng chồi xung đơn. Thực tế, khi hạt ở các vị trí 1 và 5 (hình 2.9a) là các vị trí mép của các khe nhạy sáng (bắt đầu đi qua khe nhạy sáng thứ nhất – điểm 1 và vừa đi qua khe nhạy sáng thứ 2 – điểm 5) thì có thể sử dụng biểu thức (2.16) để tính vận tốc vdlt của hạt theo đúng với lý thuyết vật lý là vận tốc bằng quãng đường chia cho thời gian.
2 dlt 1 2w v g (2.16)
trong đó Δτ1/2 là thời gian hạt đi từ điểm 1 sang điểm 5 (hình 2.9a). w: độ rộng khe nhạy sáng
g: khoảng cách giữa các khe nhạy sáng
Các điểm 1 và điểm 5 theo khảo sát thì trùng với thời điểm giá trị xung bằng 0,5 lần giá trị lớn nhất của xung.
- Khi w<D, nếu w→0 về mặt lý thuyết, tín hiệu đầu ra phải tỉ lệ thuận với
cường độ Ih của hạt. Giá trị cực đại của xung đảo ngược đạt được tại thời điểm khi tâm của hạt trùng với tâm của khe nhạy sáng tức ở điểm 2 có tọa độ 0 1
2 x x hoặc điểm 4 có tọa độ 2 3 2 x x
3 0 ( ) 2 2 c D
x x (ở sườn trước) và khi
3 3 ( ) 2 2 c D
x x (ở sườn sau). Không giống như trường hợp w ≥ D, mức 0,5 lần giá trị lớn nhất của xung này đạt ở điểm xc = x1 và xc = x3. Do đó, khoảng cách thực giữa các vị trí của tâm hạt khi đạt mức ½ giá trị lớn nhất của xung lớn hơn g (hoặc xấp xỉ 2w+ g). Nếu sử dụng biểu thức (2.16) để tính vận tốc, kết quả sẽ bị “bơm phồng” lên. Do đó, giá trị vận tốc ở trường hợp này được tính tốn dựa vào độ trễ giữa hai điểm cực đại của xung đảo ngược theo biểu thức (2.17) h bi v g (2.17)
trong đó Δτbi – thời gian hạt đi từ vị trí cực đại nọ sang cực đại kia của xung đảo ngược
(a) (b)
Hình 2.9. Mơ tả xung quang điện ứng với vị trí của hạt khi bay vào khoảng đo
x0
w
x1 x2 x3
w
Giả sử rằng giá trị của w là khơng đáng kể so với đường kính hạt và g. Trong trường hợp này, giá trị tốc độ ước lượng khơng phụ thuộc vào kích thước hạt. Tuy nhiên, độ chính xác cao hơn khi xác định tốc độ hạt (vh) lúc này là:
vh=vdlt·kv (2.18)
Hệ số hiệu chỉnh kv có thể tính được trong trường hợp khơng có nhiễu xạ w→0 bằng biểu thức (2.19); vdlt được tính theo biểu thức 2.16
3 1 2 v D k g (2.19)
Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào kích thước hạt. Ví dụ, khi g = 5 mm, D = 2
mm, hệ số kv xấp xỉ 1,35 và với D = 6 mm thì kv = 2,04. Do đó, giá trị tốc độ chỉ có thể xác định được sau khi tính tốn kích thước hạt.
Khi w < 2
D nhưng w không tiến dần về 0, ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh ít hơn. Ví dụ khi w = 2, g= 5 mm, D= 2 mm thì hệ số kv = 1 (do w = D), khi D = 3 mm thì kv 1,06 và khi D = 6 mm thì kv = 1,32.
Như vậy, ở đây, vận tốc của hạt được xác định như sau:
+ Với hạt có đường kính lớn hơn độ rộng của khe nhạy sáng thì vận tốc tính theo
biểu thức 2.20 Từ biểu thức 2.18, 2.19 kết hợp với 12 (i05 _ 2i05 _1) 05_ 2 05_1 2 ( ) h v w g v k i i (2.20) Trong đó
g – khoảng cách giữa các khe nhạy sáng w – độ rộng của khe nhạy sáng.
: khoảng thời gian lấy mẫu
v
k : hệ số hiệu chỉnh được tính theo biểu thức 2.19
05_1
i : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,5 x Umax1ở sườn lên của chồi thứ 1 trong tập n mẫu (hình 2.6)
05_ 2
i : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,5 x Umax 2ở sườn xuống của chồi thứ 2 trong tập n mẫu (hình 2.6)
+ Với hạt có đường kính nhỏ hơn độ rộng của khe nhạy sáng thì vận tốc tính theo biểu thức 2.21
Theo biểu thức 2.17 kết hợp với : bi (imax 2imax1) suy ra
max 2 max1 ( ) h g v i i (2.21)
Đề xuất này đã được công bố trong bài báo số 2: Device for measuring parameters of the meteorological precipitation; Lai Thi Van Quyen; Nguyen Manh Thang; Nguyen Hong Vu; Nguyen The Truyen ; Dmitry Kiesewetter; Scientific Conference Electronics (ET), 2017 XXVI International in Sozopol, Bulgaria, Bulgaria; IEEE Xplore; http://ieeexplore.ieee.org/document/8124364/; 01/12/2017
2.2.2.3. Đề xuất thuật tốn tính kích thước và vận tốc hạt
Từ việc phân tích các xung quang điện thu được trên cảm biến quang khi hạt chuyển động qua khoảng đo trong mơ hình 2.1 và các biểu thức tính đề xuất 2.12, 2.14, 2.15, 2.20, 2.21 để tính được các thơng số kích thước và vận tốc hạt cần phải trải qua hai bước lớn:
- Xây dựng được đường cong hiệu chuẩn kích thước D(k075) hoặc D(umax) hoặc D(ld) tùy vào từng điều kiện ở mục 2.2.2.
- Tính đường kính và vận tốc hạt bằng cách nội suy từ hàm hiệu chuẩn kích thước và các biểu thức vận tốc 2.20 hoặc 2.21 tùy vào từng đường kính hạt.
Với điều kiện lấy mẫu ban đầu:
- Tần số lấy mẫu fsample (Hz) suy ra chu kỳ lấy mẫu là 1
sample
sample
t
f
- Số lượng mẫu là n được lưu vào mảng dữ liệu Data_Array[] có n phần tử. - Chỉ số mảng mẫu là ik với k = ( 0 n 1)
- Độ rộng của khe nhạy sáng là w
Để có thể tính tốn được kích thước và vận tốc hạt, cần thiết phải xác định được các dạng xung là loại xung có hai chồi xung hay loại có một chồi xung bằng hay khơng bằng đầu để từ đó xác định các biến số tương ứng. Loại có một chồi xung thì sẽ bằng đầu hay không bằng đầu. Đây sẽ là cơ sở để xây dựng được đường cong hiệu chuẩn với tập mẫu ban đầu đồng thời là dữ kiện đầu vào để lựa chọn biểu thức tính tốn kích thước và vận tốc của hạt.
Thuật tốn 2.1 minh họa quá trình xác định dạng xung và các biến số tương ứng (hình 2.10).
Sau khi xác định dạng xung và các biến số tương ứng như minh họa trong thuật toán 2.1, bước đầu tiên để khi chế tạo thiết bị đo chính là xây dựng đường cong hiệu chuẩn kích thước D(k075), D(umax), D(ld) tùy vào từng hình dạng xung. Bước này được tiến hành trước khi đưa thiết bị đi đo đạc thực tế hoặc khi hiệu chỉnh lại thiết bị. Ở khâu này, vấn đề quan trong chính là cần phải có tập các hạt mẫu có kích thước chuẩn biết trước. Luận án lựa chọn tập hạt mẫu là tập các hạt bi sắt hình cầu có kích thước biết trước như đã nói đến ở mục 2.2.1. Các hệ số thu được là đầu vào để tính tốn kích thước và vận tốc hạt từ các biểu thức 2.12, 2.14, 2.15, 2.20, 2.21.
Thuật tốn này hồn tồn cho phép nhúng vào vi xử lý tốc độ cao để tính tốn kích thước tương đương và vận tốc hạt mưa ở chế độ thời gian thực.
Cả hai thuật tốn đều đã được cơng bố trong bài báo số 3. Lai Thị Vân Quyên., Nguyễn Hồng Vũ., Nguyễn Thế Truyện, “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo kích thước
hạt mưa bằng quang học”. Tạp chí Nghiên cứu khoa học và Cơng nghệ qn sự, (2020), Vol.66. p.105-116
Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán xác định dạng xung và biến số tương ứng
Bắt đầu
btwo_pulse=0;// cờ báo xung 2 chồi
bone_pulse_no_flat=0; // cờ báo xung 1 chồi nhọn bone_pulse_flat=0; // cờ báo xung 1 chồi bằng đầu valmax1=0 ; giá trị lớn nhất đạt được ở sườn lên đầu tiên imax1=0 ; chỉ số imax1 của valmax1 trong tập mẫu valmax2=0 ; giá trị lớn nhất đạt được ở sườn lên đầu tiên imax2=n-1 ; chỉ số imax1 của valmax2 trong tập mẫu
bone_pulse_no_flat=0 ;
bone_pulse_flat=0; btwo_pulse=1;
Tìm i075_1, i075_2, i075_3,
i075_4 Tính 075 075 _ 3 075_ 2 075 _ 4 075 _1 i i k i i Kết thúc Tìm valmax1; imax1; valmax2; imax2
Tìm valmin; imin umax=valmax1 bone_pulse_no_flat=1 bone_pulse_flat=0; btwo_pulse=0; btwo_pulse=0; bone_pulse_no_flat=0 bone_pulse_flat=1; ld=imax2-imax1 imax1 = imax2 Đúng Sai imax1 ≠ imax2 imin ≠ 0 Đọc dữ liệu vào mảng Data_Array[n]
Đúng
Đúng
Sai
Thuật tốn 2.2 minh họa q trình xác định đường kính và vận tốc hạt (hình 2.11)
Hình 2.11. Sơ đồ thuật tốn xác định đường kính và vận tốc hạt
Bắt đầu
Tải A, B1, B2// các hệ số của hàm D(k075) A11, B11, B12// các hệ số của hàm D(umax) A22, B21, B22// các hệ số của hàm D(ld) Kết thúc D = A11 + B11. umax + B12. umax.umax bone_pulse_no_flat =1 Đúng Sai Tải w, g, tsample D = A + B1. k075+ B2 x k075 . k075 btwo_pulse=1 Đúng Sai D = A22 + B21. ld + B22. ld. ld bone_pulse_flat=1 Đúng Sai D < w Đúng Sai Tìm i025_1; i025_2 Kv= (1+sqrt((D/2).(D/2).(D/2)))/g Vdrop =Kv . (2.w+g)/ (i025_2-i025_1).tadc Vdrop = g/ (imax2-imax1).tadc
2.3. Đề xuất hồn thiện cơng nghệ
2.3.1. Thay thế nguồn sáng
Mục tiêu của thiết bị đo kích thước hạt mưa là có thể lắp đặt được ở ngồi trời để đo các thông số hạt mưa, trận mưa. Do đó thiết bị cần phải bền, nhỏ gọn, dễ lắp đặt ở những khu vực có hạn chế về khơng gian. Bởi thế nguồn sáng hợp lý cho dòng thiết bị này là nguồn sáng dạng bán dẫn. Trong các nghiên cứu [62, 63, 64] và nhiều nghiên cứu về nguồn sáng khác đã chỉ ra: nguồn sáng laser có tính kết hợp (coherence) dễ gây ra hiện tượng giao thoa tạo ra vệt sáng tối (nhiễu đốm) [63] đáng kể trong các hình ảnh được tái tạo khiến cho chất lượng hình ảnh bị giảm đi rất nhiều. Việc giảm thiểu đốm nhiễu này đã được đề xuất trong các nghiên cứu [62, 63, 64], tuy nhiên những giải pháp này đều làm tăng độ phức tạp của hệ thống quang và tăng chi phí.
Một giải pháp rẻ tiền và hiệu quả hơn ở bài tốn này chính là sử dụng nguồn sáng LED. So với điốt laser (LD), LED có những ưu điểm như rẻ tiền hơn, khơng có tính “coherence” nên khơng bị ảnh hưởng của nhiễu đốm, ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ nên cơng suất phát ít bị ảnh hưởng [63]. Sử dụng nguồn sáng LED trong nghiên cứu [14, 16] là hợp lý. Bảng 2.1 đưa ra những so sánh giữa hai loại nguồn sáng.
Theo cơng trình của Anderson năm 2009 [25, 66, 67, 68] và một số cơng trình khác, kích thước hạt mưa phổ biến trong dải từ 1mm ÷ 6mm. Ngồi ra, với mơ hình đo 2.1 cũng như các đề xuất biểu thức 2.12, 2.14, 2.15 có thể mở rộng dải đo ở đây tác giả dự kiến đo đến 10 mm ở dải cận trên và 0,5 mm ở dải cận dưới. Các bước sóng ánh sáng đều nhỏ hơn kích thước nhỏ nhất của hạt cần đo nên hoàn toàn đo được dải đường kính hạt này. Để tạo thuận lợi cho việc hiệu chỉnh hệ quang, luận án lựa chọn sử dụng bước sóng ánh sáng trong dải ánh sáng khả kiến để đo đạc. Hiệu ứng Tyndall chỉ ra rằng ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng dễ bị tán xạ và tiêu hao mạnh [69]. Để đảm bảo chùm sáng đi tới khối thu quang ln có mức năng lượng ổn định ít bị ảnh hưởng bởi các hạt rất nhỏ như khói, bụi, tác giả lựa chọn nguồn ánh sáng đỏ cho thiết bị đo kích thước hạt của luận án.
Từ những phân tích trên, lựa chọn nguồn sáng là LED có bước sóng trung tâm 650nm trong thiết bị đo của luận án.
Bảng 2.1. So sánh các thông số của LED và LD [63]
Thông số LED LD
Nguyên lý làm việc Bức xạ tự phát Phát xạ cưỡng bức
Điện áp 1,5-2,5VDC 1,5-2,5VDC
Cơng suất phát Thấp Cao
Đặc tính ánh sáng Tính Coherence thấp gần như khơng có và có nhiều bước sóng Tính Coherence cao và chỉ có một bước sóng ánh sáng. Độ rộng phổ Rộng Nhỏ và hẹp Giá thành Thấp Cao Ảnh hưởng bởi nhiệt độ Ít Nhiều
2.3.2. Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang
Ở đề xuất [14, 16], các khối thu, phát quang được gá lắp trên các thanh trục cứng nên việc hiệu chỉnh khó khăn, mất nhiều thời gian và cơng sức. Thêm nữa, khi có va đập cơ khí, trục quang rất dễ bị lệch dẫn tới sai số lớn trong đo đạc. Để hạn chế và hiệu chỉnh dễ dàng, đề xuất hoàn thiện cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang bằng hệ treo trên các lị xo. Hình 2.12 mơ tả cấu trúc cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất.
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu
Với mơ hình đo trong nghiên cứu [14, 16], dữ liệu đo được tính tốn thơng qua