Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất

2.3.5. Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa của luận án

Thiết bị đo sau khi chế tạo từng phần cần được lắp ráp và hiệu chỉnh trước khi đem ra thực địa. Các bước hiệu chỉnh lần lượt được tiến hành như sau:

- Hiệu chỉnh phần cứng - Hiệu chỉnh phần mềm

2.3.5.1. Hiệu chỉnh phần cứng

Hiệu chỉnh phần cứng được tiến hành song song với việc lắp ráp các bộ phận của thiết bị. Phần hiệu chỉnh này sẽ được tiến hành hiệu chỉnh cả ở khối thu và khối phát.

Ở khối phát, chủ yếu hiệu chỉnh dịng điện cấp cho nguồn sáng, vị trí nguồn sáng trên trục quang. Vị trí nguồn sáng nằm vào tiêu cự của thấu kính. Các bước hiệu chỉnh được trình bày trong phần phụ lục: “Cách hiệu chỉnh

phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo”

Ở khối thu, hiệu chỉnh sao cho ánh sáng từ khối phát hội tụ thành điểm sáng nhỏ nhất trên bề mặt nhận sáng của tế bào quang điện (Photodiode nằm tại tiêu điểm của thấu kính). Sau đó hiệu chỉnh phần điện tử để xung quang điện thu được sẽ có biên độ cực đại của các chồi gần bằng nhau nhất có thể. Các bước hiệu chỉnh được trình bày trong phần phụ lục 4: “Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo”.

2.3.5.2. Hiệu chỉnh phần mềm

Mục đích của việc hiệu chỉnh phần mềm là cho thiết bị “học” các mẫu chuẩn để xây dựng được đường cong hiệu chuẩn tức tìm ra các hệ số A, B1, B2 trong các biểu thức 2.12, 2.14, 2.15. Sơ đồ các bước hiệu chỉnh phần mềm được chỉ ra trong hình 2.16.

Bước hiệu chỉnh mềm được thực hiện sau bước hiệu chỉnh cứng. Mơ hình bố trí thiết bị hiệu chỉnh như trong hình 3.1. Hạt mẫu dùng cho hiệu chỉnh là các viên bi sắt có kích thước khác nhau biết trước. Lần lượt thả nhiều lần từng cỡ hạt mẫu qua

khoảng đo, đọc các biến số tương ứng, tính trung bình biến số k075 ; umax ;ld . Dùng tính năng phân tích đa thức và hồi quy bậc hai trong phần mềm Origin để tính tốn các hệ số và kiểm tra độ khớp của hàm tìm được thơng qua giá trị R-square. Giá trị này lớn hơn 90% thì các hệ số sẽ được coi là đáp ứng mong

Đọc các số k075 ;umax ; ld trên thiết bị tùy theo

kích thước hạt mẫu

Sử dụng phần mềm Oirigin và lệnh Polynomial Fit để tìm các hệ số A, B1, B2 của các công thức 2.6, 2.8, 2.9

Nhập các hệ số tìm được vào thiết bị.

Đo các hạt bằng bộ mẫu kiểm tra và đánh giá sai số

Bắt đầu

Chuẩn bị thiết bị đã hiệu chỉnh phần cứng Chuẩn bị mẫu học

Đã chuyển thiết bị sang chế độ

hiệu chỉnh? Sai

Đúng

Thả mẫu học qua khoảng đo của thiết bị nhiều lần

Đã chuyển thiết bị sang chế độ

nhập hệ số? Sai

Đúng

Sai

Sai số kích thước đạt mức cho phép?

Đúng Kết thúc

Hình 2.17 là kết quả hiệu chỉnh mơ tả hàm D(k075) tìm được trên thiết bị của luận án.

Hình 2.17. Kết quả hiệu chỉnh mềm với các hạt nhỏ hơn 3,5mm

2.4. Đánh giá mơ hình tốn học đề xuất cho dạng hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc

Như đã phân tích ở mục 2.2.1, biểu thức 2.11, 2.12 chỉ có thể tính được khi kích thước hạt nhỏ hơn tổng độ rộng hai khe và khoảng cách giữa chúng. Khơng mất tính tổng qt, coi như hai khe có độ rộng bằng nhau và bằng w, khoảng cách giữa hai khe là g. Khi đó, phương pháp tính này chỉ tính được với các hạt có đường kính D<(2w+g). Đây cũng là hạn chế của phương pháp tính dựa vào độ sâu điều chế M.

Với các hạt nhỏ, lượng ánh sáng suy hao khi hạt đi qua khoảng đo không lớn. Lượng suy hao quang thông này ảnh hưởng bởi độ nhạy của tế bào quang điện bên khối thu quang. Thiết bị thiết kế ở phần 2.3.4 đã cho phép phát hiện các hạt nhỏ tới mức 0,5 mm - 1mm. Từ mức nhỏ hơn và bằng 0,5 mm chồi xung thu được rất nhỏ dễ bị lấp trong khoảng nền nhiễu nên tỷ lệ bắt được tín hiệu khơng cao và rõ rệt như từ 0,7mm trở lên. Do đó với các hạt càng nhỏ thì độ chính xác của kết quả đo càng thấp.

Phương pháp tính dựa vào biến số k

 i075 _ 3  i075 _ 2

: có thể tính tốn đường 075

i  i

hạt nhỏ hơn khoảng cách khe do đó kích thước hình học của các khe nhạy sáng dễ chế tạo hơn khi đo cùng một dải đo.

Phương pháp tính dựa vào độ sâu điều chế

M  Umax  Umin : khơng thể tính tốn Umax  Umin

đường kính khi điểm cực tiểu của xung quang điện do các hạt tạo ra bằng nhau. Đó là các hạt nhỏ hơn khoảng cách khe do đó kích thước hình học của các khe nhạy sáng khó chế tạo hơn khi đo cùng một dải đo.

2.5. Kết luận chương II

Chương II của Luận án đã trình bày những kết quả nghiên cứu về lý thuyết phương pháp đo và tính tốn nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hai dải sáng do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Trên cơ sở thực nghiệm, vận dụng lý thuyết thống kê, phương pháp phân tích đa thức và hồi quy bậc hai, tác giả đã có những đề xuất về khoa học và đề xuất về cải tiến công nghệ cụ thể:

- Về khoa học: đã đề xuất biểu thức tốn học tính tốn kích thước, vận tốc tương đương của hạt mưa dựa vào dạng xung quang điện thu được theo các biểu thức của tác giả đề xuất cho các trường hợp cụ thể: Với dạng xung có hai chồi xung, đường kính hạt được tính tốn như trong biểu thức 2.12. Với dạng xung có một chồi xung thì đường kính hạt được tính tốn như trong biểu thức 2.14; 2.15. Biểu thức 2.20, 2.21 dùng để tính vận tốc hạt. Từ những biểu thức tính tốn, đề xuất ra thuật tốn 2.1, 2.2 cho phép tính tốn kích thước tương đương và vận tốc của hạt có khả năng nhúng trên vi điều khiển tốc độ cao.

-Về công nghệ: đã đề xuất hồn thiện cơng nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mơ hình đo gốc như nguồn sáng, trục quang và phần cứng xử lý dữ liệu.

-Trên cơ sở đề xuất về khoa học và về cơng nghệ, chương II cũng đã trình bày thiết kế hồn chỉnh một thiết bị đo các tham số hạt mưa và tham số trận mưa có khả năng chạy được ngồi thực địa. Thơng số kỹ thuật của thiết bị đo mưa được chỉ ra trong bảng 2.2.

Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo mưa đề xuất trong luận án

Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Thơng số

Dải đo kích thước hạt mưa mm 0,5÷6

( có khả năng mở rộng đến 10mm)

Tốc độ hạt m/s 0,1-10

Dải đo cường độ mưa mm/phút 0,1-4

Độ phân giải mm 0,5

Sai số đo lượng mưa %

±0,4 mm khi lượng mưa nhỏ hơn hoặc bằng 10 mm và nhỏ hơn hoặc bằng ±5% khi

lượng mưa lớn hơn 10 mm. Chức năng giao tiếp người

máy Giao tiếp qua bàn phím và LCD

Chức năng truyền thông RS485

Nguồn nuôi 12VDC/ 200mA-500mA

Dải nhiệt độ hoạt động 0

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN MƠ HÌNH ĐỀ XUẤT

Để kiểm chứng hiệu quả của những đề xuất về mơ hình tốn học và hồn thiện cơng nghệ, chương III của luận án sẽ tập trung xây dựng các mơ hình thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả thu được.

Đánh giá thực nghiệm gồm đánh giá trong phịng thí nghiệm và trong thực tế. Khi thử nghiệm thực tế, tác giả cũng đề xuất phương pháp xử lý số liệu góp phần vào việc đánh giá độ xói mịn của đất do hạt mưa rơi.

Kết quả của chương III đã được công bố trong bài báo số 4: Lai Thị Vân Quyên, Nguyễn Hồng Vũ, Nguyễn Thế Truyện, “Nghiên cứu các thông số mưa ở

khu vực hà nội bằng thiết bị đo hạt theo nguyên lý quang học”. Tạp chí Nghiên cứu khoa học và Cơng nghệ quân sự, (2020), Vol 70, p 45-53

3.1. Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc bằng

thực nghiệm

Phần này sẽ trình bày về một số kết quả đo, đánh giá hiệu quả (so sánh độ chính xác) giữa phương pháp tính kích thước hạt đề xuất và phương pháp tính kích thước hạt thơng qua độ sâu điều chế của xung dạng hai chồi do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất trước đây. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, thiết bị thực nghiệm mà tác giả xây dựng là thiết bị đo mưa có khả năng đo được kích thước hạt nước từ 0,5mm ÷ 10mm. Tuy nhiên để thuận lợi cho việc chế tạo khe nhạy sáng thay cho khe dùng phương pháp k075, nhằm áp dụng phương pháp dùng độ sâu điều chế để tính kích thước hạt, tác giả lựa chọn dải hạt từ 1mm ÷ 6mm để thực nghiệm đánh giá.

3.1.1. Tham số đánh giá

Tham số đánh giá là độ chính xác đường kính D đo được của hạt. Tham số đánh giá độ chính xác đường kính hạt đo được dựa vào sai số tương đối của đường kính hạt đo so với hạt mẫu chuẩn. Sai số này được tính theo biểu thức 3.1.

Trong đó:

 D  D *100%

n

n

D là sai số tuyệt đối của đường kính hạt với Dm là đường kính hạt mẫu và được

tính theo biểu thức D  D  Dm

(3.2)

D : đường kính trung bình đo được của hạt khi thực hiện n lần đo và được tính theo

 Di

biểu thức D  i  1

n (3.3)

Với độ lệch chuẩn phản ánh sự phân tán của giá trị đo được

s(d ) 

và độ khơng đảm bảo đo loại A được tính theo biểu thức: uA

3.1.2. Mơ hình đánh giá

Kịch bản đánh giá

 s(d )

(3.4)

(3.5)

Trong kịch bản đánh giá này, sẽ tiến hành đánh giá hiệu năng của hai phương pháp tính với trường hợp xung quang điện có dạng 2 chồi xung. Tức các hạt mẫu chuẩn có đường kính nhỏ hơn tổng bề rộng hai khe và khoảng cách giữa hai khe đó. Ở trường hợp xung quang điện có dạng hai chồi xung:

- Biểu thức tính đường kính hạt do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất:

D (R)  A  B M  B M 2

(3.6)

M m1 m2

Trong đó: M  val max val minval max val min (3.7) valmax: giá trị đỉnh xung cao nhất

valmin: giá trị đỉnh xung thấp nhất

- Biểu thức tính đường kính hạt do tác giả đề xuất: D (R)  A 

Bk  B k 2 (3.8)

075 1 075 2 075

Hàm quan hệ (3.8) được tách thành hai dải kích thước nhỏ hơn 3,5mm và lớn hơn hoặc bằng 3,5mm. k  i075 _ 3  i075 _ 2 Trong đó: 075 i  i (3.9) 075 _ 4 075 _1

i075 _1 : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax1ở sườn lên của chồi thứ 1

n(d  d ) 2 i i1 n 1

i075 _ 2 : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax1 ở sườn xuống chồi thứ 1 i075 _ 3 : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax 2 ở sườn lên của chồi thứ 2

i075 _ 4 : chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax 2 ở sườn xuống của chồi thứ 2

Mơ hình đánh giá

Sử dụng các mẫu bi sắt có đường kính biết trước. Lần lượt thả nhiều lần các viên bi với kích thước khác nhau qua khoảng đo của thiết bị đo mưa đã thiết kế. Thu thập dữ liệu đo và so sánh, đánh giá hiệu quả của phương pháp đo đề xuất với phương pháp đo trước đó.

Hình 3.1. Mơ hình kịch bản đánh giá hai phương pháp đo

Đầu vào:

- Các hạt mẫu chuẩn hình cầu có kích thước biết trước trong dải từ 2 đến 6 mm được chia ra làm hai tập hạt:

+ Tập học dùng để hiệu chỉnh máy trước khi đo đạc + Tập kiểm tra dùng để đo đạc, đánh giá

- Các hạt mẫu này có kích thước được cho trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Đường kính hạt chuẩn dùng cho so sánh đề xuất với nghiên cứu gốc

Độ phân giải của thước panme 0,01 mm

Đường kính chuẩn (mm) 2,15 2,51 3,09 3,51 4,11 4,51 5,09 6,08

Thiết bị đo mưa Viên bi có đường kính

Bắt đầu Nạp các giá trị w, g,  ,  i 075 _ 4 075 _1 i  i075 _ 3  i075 _ 2 075 k

val max val

min ;

M  val max val min

Tính tốn các số

Đọc dữ liệu kích thước hạt đo có kích thước biết trước ở tập kiểm tra

Kết thúc Vẽ đồ thị mỗi quan hệ giữa D075, DM,  D

075 ,  D

M tương ứng với các hạt đã

đo và so sánh

Đầu ra: Thơng số đường kính hạt D075, DM, sai số tuyệt đối D

075, DM , sai số tương đối  D075 , 

DM tương ứng với từng phương pháp tính theo k075 hay theo M Lưu đồ thuật tốn sao sánh được cho trong hình 3.2

Tìm các hệ số A, B1, B2 tương ứng với các phương pháp theo M (công thức 3.6) và theo k075 (công thức 3.8)  i 075 _ 4 075 _1 i  i075 _ 3  i075 _ 2 075 k

val max val

min ;

M  val max val min

Tính tốn các số

Đọc dữ liệu kích thước hạt đo có kích thước biết trước ở tập học

Tính D075, DM, D075 , DM ,  D075 ,  DM và lưu cơ sở dữ liệu ứng với từng

3.1.3. Kết quả và đánh giá

Hình 3.3, 3.4 lần lượt là kết quả đánh giá so sánh đường kính hạt đo được giữa hai phương pháp tính kích thước hạt nội suy từ độ sâu điều chế M và nội suy từ biến số k075.

Hình 3.3. So sánh đường kính trung bình của hai phương pháp tính với hạt mẫu

Hình 3.4. So sánh sai số của hai phương pháp tính với hạt mẫu

S ai s ố tư ơn g đố i ( % )

Từ các hình cho thấy phương phát tính nội suy đường kính hạt từ biến số k075 có độ chính xác cao hơn so với phương pháp từ độ sâu điều chế M.

Bảng 3.2. Kết quả so sánh về hiệu quả đo của hai phương pháp M và k075

Kích thước hạt Sai số lớn nhất ở phương

pháp nội suy từ độ sâu điều chế M

Sai số lớn nhất ở phương pháp nội suy từ biến số k075

<3,5mm 6,92% 3,41%

3,5mm – 6 mm 2,35% 0,69%

Điều này cho thấy phương pháp tính đề ra đã nâng cao độ chính xác đo hơn so với phương pháp tính đề cập trước đó.

3.2. Triển khai, đánh giá thử nghiệm trong phịng thí nghiệm

Vấn đề thử nghiệm được tiến hành trên các mơ hình cụ thể: mơ hình giả lập và môi trường thực tế khi sử dụng thiết bị đo mưa của Luận án. Các kịch bản đánh giá lần lượt tiến hành như sau:

- Các viên bi sắt hình cầu có đường kính biết trước (kịch bản đánh giá 1) - Các hạt lỏng do thả một lượng nước biết trước qua khoảng đo của thiết bị

(kịch bản đánh giá 2)

- Mơ hình giả lập trận mưa (kịch bản đánh giá 3).

Do khơng có thiết bị đo vận tốc hạt có độ chính xác cao để đối chứng nên ở đây chỉ đánh giá kích thước hạt.

3.2.1. Kịch bản đánh giá 1 thử nghiệm với viên bi sắt

 Mơ hình kịch bản đánh giá

Thử nghiệm với các mẫu bi sắt có đường kính biết trước. Do điều kiện chưa tìm được mẫu bi chuẩn cỡ 0,5mm nên ở đây tác giả sử dụng các mẫu bi có cỡ từ 1 ÷ 10 mm. Bước thử nghiệm với các mẫu này sẽ tiến hành trước để đánh giá thơng số đo kích thước. Khi thử nghiệm với từng hạt mẫu chuẩn, những ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, nhiễu cao tần cũng sẽ được tạo ra bằng các thiết bị từ

mục 3.1.1. Mơ hình kịch bản một cũng tương tự như mơ hình so sánh hai phương pháp tính kích thước hạt hình 3.1.

Hạt mẫu có dải đo từ 1 ÷ 10 mm được chia ra làm hai tập: