CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA
1.1. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa
1.1.2.1. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện
Các cơng trình nghiên cứu phương pháp này đã được cơng bố có thể kể đến Illingworth, A.J.; Stevens, C.J (1987) [30], Grossklaus, M.; Uhlig, K.; Hasse, L (1998) [26]
Nghiên cứu [30] đã đưa ra mơ hình đo P-POD (Paired pulse optical Disdrometer)
(hình 1.6). Mơ hình sử dụng nguồn sáng halogen H cho ra dải sáng có độ đồng nhất khơng cao khiến cho việc xử lý tín hiệu thơ gặp nhiều khó khăn. Dải ánh sáng hình khun để đo các hạt mưa rơi giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo. Giá trị xung quang điện được đưa tới xử lý trên máy tính nên việc ứng dụng ngồi trời có nhiều hạn chế. Kết cấu của thiết bị cồng kềnh, khối vách ngăn tương đối phức tạp, khó sửa chữa khi thiết bị lỗi.
H: nguồn sáng halogen, I: nguồn điện, G: vỏ, C: ống chuẩn trực, F: đường dẫn hội tụ, D: khối gia nhiệt, B: khối vách ngăn, A: vòng giữ ống kính, F: ống quang hội tụ,
E: khối quang điện tử
Hình 1.6. Mơ hình đo của thiết bị P-POD [30]
Nghiên cứu [26] đã đưa ra mơ hình đo mới mơ tả trong hình 1.7 để khắc phục
của cánh gió. Dạng dải sáng hình trụ giúp cho phép đo khơng phụ thuộc vào góc tới của hạt mưa. Do đó, sự thay đổi của vận tốc gió khơng ảnh hưởng đến các phép đo. Nguồn sáng của thiết bị là một đèn LED hồng ngoại 880 nm công suất 150 mW được điều chế với tần số 20 kHz. Thông qua hệ quang học, chỉ phần ánh sáng song song với trục quang học mới có thể đến được diode thu. Khi khơng có hạt rơi vào khoảng đo, điện áp thu được trên diode quang là 5VDC. Khi có hạt cắt qua dải sáng, điện áp này sẽ giảm đi tương ứng tỷ lệ với thương số giữa diện tích mặt cắt ngang của giọt và diện tích mặt cắt ngang của dải sáng hình trụ. Khác với cơng trình [30], đường kính hạt rơi ở [26] tỷ lệ với diện tích của hạt dẫn tới việc tính tốn, xử lý phức tạp hơn.
1, 11) Thành phần điện tử, 2) điốt quang, 3) hệ thống thấu kính, 4) cửa sổ, 5) vách ngăn, 6) Khoảng đo, 7) thấu kính thu, 8) khối trộn quang học, 9) mắt thu,
10) diode quang
Hình 1.7. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26]
Hai cơng trình [30], [26] đều có kết cấu phần cứng của thiết bị tránh được ảnh hưởng của gió bằng những dải sáng hình vành khuyên [30] hoặc dải sáng hình trụ [26]. Kích thước hạt được nội suy từ mức điện áp thu được trên diode quang khi hạt cắt qua dải sáng. Điều này rất dễ dẫn tới sai số do nhiễu. Ngồi ra, kết cấu của mơ hình khiến cho các thiết bị đo trở nên phức tạp, cồng kềnh.
Thay vì tính tốn từ giá trị điện áp thu được, các nghiên cứu của Löffler-Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005) [8] đã đưa ra một cách đo khác dựa
vào xung quang điện thu được. Với một xung quang điện thu được khi hạt cắt qua dải sáng, kích thước hạt mưa được nội suy từ biên độ của xung, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng xung [8]. Phương pháp này cịn có một cách gọi khác là phương pháp xử lý giá trị tuyệt đối của biên độ tín hiệu quang điện từ các hạt tán xạ. Hai mơ hình thiết bị hiện đang sử dụng phương pháp đo này là OTT Parsivel và Thies LPM (Thies disdrometer Laser Precipitation Monitor) (hình 1.8).
(a) Thies LPM (b) Parsivel 2
Hình 1.8. Hai mơ hình đo Thies LPM và Parsivel 2
Cả hai mơ hình đều sử dụng một bộ phát laser (có thể là một hoặc một mảng các bộ phát) và một bộ thu tín hiệu quang đặt đồng trục với nguồn sáng. Hình 1.9 mơ tả phương pháp đo ứng dụng trong hai mơ hình.
a) Nguồn phát ra một chùm sáng phẳng theo chiều ngang đến bộ thu quang b) Dạng xung thu được bất cứ khi nào có hạt cắt qua chùm sáng
c) Các tham số xung liên quan đến kích thước và vận tốc
Hình 1.9. Mơ tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8]
Hạt cắt qua chùm sáng sẽ làm suy giảm năng lượng ánh sáng thu được trên cảm
biến nhận. Điều này khiến cho biên độ tín hiệu quang điện ra sau cảm biến bị giảm đi. Từ đường cong thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa đường kính và biên độ xung sẽ tính ra kích thước hạt. Đường cong thực nghiệm thu được khi thả các hạt có đường kính biết trước qua khoảng lấy mẫu và đo biên độ xung quang điện thu được. Vận tốc của hạt khi bay qua khoảng lấy mẫu chính là tỷ số giữa độ dầy của dải sáng so với thời gian hạt bay qua dải sáng hay chính là độ rộng xung thu được (hình 1.9c).
Thiết bị theo mơ hình OTT Parsivel do hãng PM Tech Inc nghiên cứu (cơng trình của Lưffler-Mang và Joss năm 2000 [38]). Hình 1.10 mơ tả cấu trúc mơ hình đo và hình 1.11 mơ tả tín hiệu quang điện thu được khi hạt cắt qua dải sáng. Dải kích thước đo được từ 0,2mm đến 25mm, vận tốc đo được từ 0,2m/s đến 20m/s và được chia thành 32 khoảng nhỏ.
Hình 1.10. Mơ tả các mặt chiếu của mơ hình đo Parsivel1 [38]
Luồng sáng Luồng sáng 1mm Mái che Gương Thu quang Gương Phát quang Khung giá 200mm 160mm 225mm 100mm 520mm 340mm Luồng sáng Phát quang Thu quang 30mm 160mm
a. Các hạt khác nhau cắt qua chùm sáng
b. Tín hiệu điện quang thơ thu được trên cảm biến nhận c. Tín hiệu điện sau tiền xử lý
Hình 1.11. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38]
Hạt nhỏ Hạt to
1mm
U
Luồng sáng
Điện áp trên điốt quang
Thời gian
Thời gian Mức điện áp sau tiền xử lý
Ua 5V
0V Umax1 Umax2
Khoảng thời gian rơi giữa 2 hạt Khoảng thời gian qua luồng sáng 0V
5V a)
b)
Vào năm 2005, OTT Hydromet đã phát triển thiết bị này và được trình bày trong nghiên cứu của Tokay và công sự vào năm 2013 [2]. Trong nghiên cứu trên, Tokay và cơng sự đã tìm ra một hệ số độ lệch quan trọng liên quan đến lượng mưa khi thống kê và so sánh lượng mưa bằng thiết bị Parsivel và thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Đó là hệ số độ lệch phần trăm và độ lệch phần trăm tuyệt đối. Vào năm 2011, OTT Hydromet đã cho ra đời Parsivel2 và là phiên bản hiện tại của dòng máy trên thị trường. Phiên bản cải tiến đã sử dụng nguồn sáng laser có chùm tia đồng nhất hơn và phần xử lý dữ liệu có thêm hệ số hiệu chỉnh hình dạng để nâng cao độ tin cậy của kết quả đo. Các cơng trình của Tokay và cộng sự năm 2013 [2]; Angulo- Martínez và Barros năm 2015 [1] đã chỉ ra điều này.
Thiết bị theo mơ hình Thies LPM do hãng Adolf Thies GmbH & Co nghiên cứu và
cho ra thị trường vào năm 2005. Nghiên cứu trên mơ hình đã được Bloemink và Lanzinger (2005) [8] công bố tại Hội nghị kỹ thuật WMO về các thiết bị mơi trường và khí tượng tại TECO-2006, Geneva, Thụy Sĩ. Cũng sử dụng phương pháp đo như mơ hình Parsivel, xét về cấu tạo, mơ hình Thies LPM khác ở các chỉ số về độ dài, rộng, dày của chùm sáng, khoảng diện tích lấy mẫu và kết cấu vỏ thiết bị. Chùm sáng có độ dài 228mm, độ rộng 20 mm, độ dày: 0,75 mm, diện tích lấy mẫu: 45,6 cm2. Ở hai đầu vát của ống thu, phát được gắn thêm hai tấm nhỏ để tránh nước bắn từ phía trên mái của hai ống vào khoảng đo. Tay đỡ của ống thu, phát quang cũng được hạ xuống thấp hơn để tránh hạt bắn rơi vào khoảng đo. Dải đo kích thước của Thies LPM từ 0,125 mm đến 8,5 mm được chia làm 22 dải nhỏ, vận tốc đo được từ 0 đến 12m/s chia làm 20 khoảng khác nhau. Các dữ liệu chạy thơ và một vài biến bulk cịn gọi là (PSVD moment) đều được tích hợp và xử lý bằng phần mềm nhúng trên chip của thiết bị.
Bảng 1-1. Liệt kê các cơng trình đã nghiên cứu về phương pháp đo kích thước và vận tốc hạt mưa dựa trên mức hoặc một xung quang điện thu được
Với phương pháp đo mà hai mơ hình cùng sử dụng có hạn chế là khi hạt rơi gần với nguồn phát hơn sẽ gây ra ít sai số hơn so với hạt rơi xa nguồn phát [30]. Mật độ năng lượng không đồng đều của chùm sáng khiến cho biên độ và thời gian của tín hiệu là khác nhau tùy thuộc vị trí giọt đi qua [53].
Bảng 1.1. Các cơng trình đã nghiên cứu về phương pháp đo thông số hạt mưa dựa trên một xung quang điện
Cơng trình
nghiên cứu
Tên mơ hình mẫu/ thiết bị
Các tham số đo Những đánh giá
Về khoa học Về công nghệ Illingworth và Stevens (1987) [30] Paired pulse optical disdrometer (P-POD)
Cường độ mưa: Khơng đo Kích thước hạt: 0.72–3.62
mm. Với bước nhảy 0.21 mm. Kích thước <0.72 và >3.62 mm cũng có thể phát hiện
Vận tốc hạt: khơng đo Động năng: Khơng đo Khoảng lấy mẫu ( kích thước chùm sáng): khơng đề
cập
Kích thước hạt suy ra từ mức điện áp thu được trên cảm biến quang dễ bị nhiễu do nhiều nguyên do như hệ quang không ổn định, do phần xử lý điện không tốt
- Dải ánh sáng hình khuyên giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo
- Kết cấu cơ khí tạo dải sáng hình khuyên phức tạp - Giá trị xung quang điện được đưa tới xử lý trên máy tính nên việc ứng dụng ngồi trời có nhiều hạn chế. - Nguồn sáng halogen H cho ra dải sáng có độ đồng nhất khơng cao
- Kết cấu của thiết bị cồng kềnh, khối vách ngăn tương đối phức tạp, khó sửa chữa khi thiết bị lỗi.
Cơng trình nghiên cứu
Tên mơ hình mẫu/ thiết bị
Các tham số đo Những đánh giá
Về khoa học Về công nghệ
Grossklaus và cộng sự (1998) [26]
Cường độ mưa: Không đo Kích thước hạt: 0.35–6.4
mm
Vận tốc hạt: khơng đo Động năng: Không đo
Khoảng lấy mẫu ( kích thước chùm sáng): Hình trụ
có kích thước 120 mm x 22 mm
- Đường kính hạt tỷ lệ với diện tích của hạt.
- Điện áp trên cảm biến tỷ lệ với thương số giữa diện tích mặt cắt ngang của giọt và diện tích mặt cắt ngang của chùm sáng phát.
>> Phần tính tốn phức tạp
- Dải ánh sáng hình trụ giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo
- Nguồn sáng LED hồng ngoại 880nm khó hiệu chỉnh quang. Krajewski và cộng sự. (2006) [34]; Thurai và cộng sự. (2009) [60]; Friedrich và cộng sự. OTT Parsivel® disdrometer Cường độ mưa: <1200 mm/h Kích thước hạt: 0,2–5 mm chia làm 32 khoảng Vận tốc hạt: 0.2–20 m/s chia làm 32 khoảng Động năng: <30 KJ Khoảng lấy mẫu ( kích
- Kích thước hạt mưa được nội suy từ biên độ, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng của một xung quang điện thu được
- Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu do đường kính hạt tính từ một biến số là biên độ cực đại của
- Dải ánh sáng hình trụ giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo
- Mật độ năng lượng không đồng đều của chùm sáng khiến cho biên độ và thời gian của tín hiệu là khác nhau tùy thuộc vị trí
Cơng trình nghiên cứu
Tên mơ hình mẫu/ thiết bị
Các tham số đo Những đánh giá
Về khoa học Về công nghệ
(2013) [20] thước chùm sáng): 54 cm2
(18 cm x 3 cm)
xung giọt đi qua
Bloemink &Lanzinger (2005) [8]; Clima (2007) [22]; Upton &Brawn (2008) [18]; Anderson (2009) [25]; de Moraes Frasson(2011) [26] Thies Clima® Laser Precipitation Monitor (LPM) Cường độ mưa: <250 mm/h Kích thước hạt: 0,125-8,5 mm chia làm 23 khoảng Vận tốc hạt: <11 m/s chia làm 20 khoảng
Động năng: Không đo Khoảng lấy mẫu ( kích
thước chùm sáng): 45,6 cm2