Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện

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

1.1.2.2. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện

Phương pháp hai xung quang điện cũng chính là phương pháp đo kích thước hạt dựa trên số lượng dải sáng đi đến cảm biến quang điện khi có hạt cắt qua luồng sáng. Các cơng trình nghiên cứu phương pháp này đã được cơng bố có thể kể đến Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I (2004) [16], (2009) [14], Michael Peter Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6].

Phương pháp do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất đo đồng thời vận tốc và kích thước của các hạt

chuyển động bằng quang học trên cơ sở phân tích hai chồi xung. Phương pháp cho phép xác định kích thước hạt và phân bố vận tốc hạt trong dịng chảy các hạt thơ khơng cần biết là chúng có đồng nhất về mặt quang học hay khơng. Phương pháp này dựa trên những phân tích về dạng xung xuất hiện khi hạt đi qua dải sáng chiếu vào một mặt có hai khe nhạy sáng như hình 1.12.

w1 g

w2

w1, w2: độ rộng của hai khe nhạy sáng g: khoảng cách giữa hai khe nhạy sáng

Hình 1.12. Mặt khe nhạy sáng trong mơ hình D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin Hình dạng, biên độ và độ dài

của các xung mang thơng tin về kích thước và vận

tốc của mỗi hạt. Sơ đồ khối cơ bản của thiết bị ứng dụng phương pháp được chỉ ra trên hình 1.13.

Nguồn sáng 1 tạo ra ánh sáng chiếu vào mẫu cần đo. Thấu kính hội tụ 2 có tác dụng tạo ra chùm sáng song song có đường kính bao ngồi bao được trọn vẹn khe nhạy sáng trên màn 3. Chùm sáng song song qua màn 3 và thấu kính được hội tụ tại cảm biến quang điện 4. Tín hiệu quang điện được đưa qua khối tiền xử lý 5, bộ ADC 6 và máy tính để tính tốn đưa ra kích thước và vận tốc hạt. Khoảng cách z từ màn khe nhạy sáng 3 đến tâm khoảng chứa mẫu đo (vùng nhiễu xạ Fresnel) thỏa mãn các biểu thức 1.1:

z    max  0,6D 2 (1.1)  zmi n  D

Trong đó:  là bước sóng ánh sánh sử dụng D là đường kính hạt cần đo

zmax, zmin: khoảng cách lớn nhất, nhỏ nhất từ màn khe nhạy sáng 3 đến tâm khoảng chứa mẫu 1.Nguồn sáng; 2. Thấu kính hội tụ; 3. Màn khe nhạy sáng; 4. Cảm biến quang điện;

5. Khối tiền xử lý; 6. Bộ ADC; 7. Máy tính z: khoảng cách từ màn 3 đến tâm khoảng chứa mẫu

Hình 1.13. Sơ đồ khối thiết bị đo hạt từ hai xung quang điện [14]

Xung quang điện thu được khi hạt đo bằng mơ hình 1.13 minh họa trong hình

1.14. Khi một mẫu hạt nhiễu xạ XC có tiêu cự ngắn, có thể coi như là một điểm tối (hình cầu) di chuyển dọc theo

trục OX, cường độ dòng quang điện I trên bộ thu quang sẽ phụ thuộc vào vị trí của XC so với các khe nhạy sáng. Trường hợp đơn giản nhất là khi độ rộng của các khe nhạy sáng bằng nhau dọc theo trục OX, w1 = w2 = w;

tâm của bộ thu quang nằm tại điểm x = 0; khoảng cách giữa các khe nhạy sáng là g. Xét đường cong I(Xc) nhận thấy :  X  w - g  D  C 1 2 2

chuyển động của hạt không ảnh hưởng đến độ lớn của I(X )



 X  w + g C

 D

 C 2 2 2

2 C  w - g  X   w1+g  1 C  w +g2 hàm I(XC ) giảm  0  X  C  2 2   (w1+g)  X  0  2C hàm  w +g w +g  2  X  2  2 C 2  w1  g

Điểm cực tiểu toàn cục tại XC    2

w  g

 2

Điểm cực đại toàn cục tại

 2

XC  0

Giá trị tại I (XC = 0) phụ thuộc vào đường kính D của hạt. Độ sâu điều chế của xung quang điện được tính như trong biểu thức (1.2)

M  II( XC ( X 0) 0)  I Iminmin (1.2)

Tuy nhiên, trong thực tế, khi lập trình xử lý tín hiệu I(t), sử dụng xung đảo ngược sẽ thuận tiện hơn.

M (R)  Imax (t)  Imin (t)

Imax (t)  Imin (t)

(1.3)

trong đó, giá trị I

max là dịng quang điện cực đại của xung quang điện đảo ngược và Imin là dòng quang điện ở điểm cực tiểu của xung đảo ngược. Nếu tính đến sự nhiễu xạ bởi hạt, đường cong I (t) có thể thay đổi nhưng bản chất của phương pháp không thay đổi. Mối quan hệ của M và R đã được tính tốn trước bằng thực nghiệm thể hiện ở đường cong M(R) hình 1.15.

Với hạt có đường kính D  w1  g  w2 thì xung thu được là dạng hai chồi xung như mơ tả trên hình 1.14. Khi đó vận tốc được tính tốn trước theo biểu thức 1.4:

w1

 g  w2

(1.4)

v  2 2

k

Ở đây, i là thời gian hạt bắt đầu đi qua điểm giữa của khe nhạy sáng đầu tiên đến khi bắt đầu đi qua điểm chính giữa khe nhạy sáng thứ hai (thời gian giữa hai đỉnh xung). Sau đó, kích thước hạt được tính thơng qua M(R) ở biểu thức 1.3 trong đó

I(t) phụ thuộc vào vận tốc hạt được tính theo biểu thức 1.5:

IS ( t )   I( t  m )

m1 (1.5)

với k là tổng số thành phần hình chữ nhật bao quanh hạt khi chia hình chiếu của hạt lên một mặt phẳng thành nhiều hình chữ nhật (coi mặt cắt của hạt như tập hợp của nhiều hình chữ nhật).

m( g  w1  w1 )

  2 2

v

(1.6)

Với hạt có đường kính

D  w1  g  w2 thì hai xung thu được sẽ bị chập thành

một xung. Theo phương pháp này, vận tốc hạt khi chỉ thu được một xung sẽ được tính theo biểu thức 1.7:

v  w1  g  w2 C( R )

1/ 2

(1.7)

trong đó: 1/2 là khoảng thời gian hạt bắt đầu đi qua khe nhạy sáng đầu tiên đến khi bắt đầu rời khe nhạy sáng thứ hai.

Phương pháp đo được đường kính hạt khơng phụ thuộc vào vận tốc. Ngược lại vận tốc lại phụ thuộc vào đường kính hạt ở hệ số hiệu chỉnh C(R) khi hai xung bị chập thành một xung. Tuy nhiên nghiên cứu [14, 16] cịn có những hạn chế như:

- Do dựa vào độ sâu điều chế M nên sai số khi xác định các giá trị cực đại của dòng quang điện rất dễ bị nhiễu.

- Khi hai xung quang điện có các điểm cực đại khác nhau thì nghiên cứu này chưa đề cập đến.

- Khi sử dụng độ sâu điều chế M để tính đường kính hạt, ngồi việc ln có giá trị cực đại của chồi xung thì giá trị cực tiểu của khoảng trũng cũng là một vấn đề. Do đó thiết kế khe nhạy sáng cần phải đảm bảo thu được điểm cực tiểu của xung. Điều này dẫn tới khoảng cách của hai khe nhạy sáng phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị đường kính hạt nhỏ nhất muốn đo thì mới có được điểm cực tiểu thay đổi mỗi khi đường kính hạt thay đổi trong dải đo. Như vậy dải hạt càng nhỏ thì khoảng cách giữa hai khe càng nhỏ. Đây là một khó khăn trong thiết kế, chế tạo.

-Thiết bị của nghiên cứu [14,16] mới dừng lại ở mơ hình thử nghiệm (hình 1.16). Việc phân tích dữ liệu được thực hiện trên máy tính thơng qua bộ chuyển đổi ADC ngồi.

d

Nghiên cứu của Bryson Evan Winsky tại trường Đại học Iowa tháng 7 năm 2012

[3] đã cải tiến cả về phần cứng và phần xử lý dữ liệu trên nguyên mẫu thiết bị do Michael Peter Cloos thiết kế [30]. Mơ hình đo được chỉ ra trong hình 1.17. Mơ hình gồm các khối đầu phát quang và khối đầu thu quang. Bên trong đầu phát, sử dụng hai diode laser 1 bước sóng 650 nm đặt cách nhau 1,1875 cm phát hai chùm sáng qua thấu kính hình trụ 2 nhằm tạo thành hai dải sáng laser. Hai dải sáng tiếp tục đi qua thấu kính 3 nhằm tạo một chùm sáng đồng nhất rộng 2,5 cm. Dải sáng đi qua hai khe trên tấm chắn sáng 4, màng lọc 5 (chỉ cho bước sóng 630 nm đến 740 nm đi qua), thấu kính hội tụ 6 để thu ảnh trên cảm biến quang 7. Tín hiệu quang điện được lấy mẫu với tần số 66,6kHz để biến đổi thành tín hiệu số trước khi đưa đến xử lý trên máy tính.

Đầu phát 1 3 2 Đầu thu 5 6 4 7 8

1. Nguồn sáng laser; 2. Thấu kính hình trục; 3. Thấu kính Fresnel; 4. Tấm chắn sáng; 5. Màng lọc; 6. Thấu kính hội tụ; 7. Cảm biến quang; 8. Máy tính Hình 1.17. Mơ hình thiết bị cải tiến của Bryson Evan Winsky

Với thiết kế phần cứng của thiết bị, tín hiệu xung quang điện thu được khi có hạt đi qua chùm laser (hình 1.18) cũng có dạng tương tự như trong cơng trình [7,8] với trường hợp hạt tạo hai xung quang điện.

Từ việc phân tích từng xung quang điện thu được ứng với các kích thước hạt khác nhau, Bryson đã đề xuất phương pháp tính đường kính D và vận tốc VZ của hạt trong biểu thức 1.8:

D  D1corrected  D2 2corrected (1.8)

VZ  L t

dL khoảng cách giữa các khe. Trong thiết kế khoảng cách dL = 1,187cm. hL độ dày của một khe

Dxcorrected (với x lần lượt = 1 và 2) được tính bằng cách sử dụng phân tích đa thức

và hồi quy bậc hai để xây dựng đường phụ thuộc giữa Dxcorrecte

d vào kích thước D1 ma x 2 (hình 1.18). (a) (b) (c)

a. Hình dạng xung quang điện khi hạt che ánh sáng chiếu đến 1 khe sáng b. Hình dạng xung quang điện khi hạt che ánh sáng chiếu đến 2 khe sáng c. Xung đảo ngược của b

Hình 1.18. Xung quang điện thu được trên thiết bị đo ở cơng trình [3]

Với từng hạt có đường kính biết trước, với từng chồi xung, tính các đường kính

t1 2att là thời gian hạt ở vị trí tạo ra một nửa chiều cao cực đại của xung

D11 max  t1 att1*VZ (1.9) 2 2 D21 ma x  t1 att 2 *VZ 2 2

Sử dụng các phân tích đa thức và hồi quy bậc hai để tính D1correcte

d và D2corrected D1corrected  0, 021* D12 1 max 1,3897D11 max  0, 2011 (1.10) 2 2 D2correcte d  0,0481* D22 1 max 1,6792D21 max  0,7995 (1.11) 2 2

Hình 1.19. Các dường cong phân tích đa thức và hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa

đường kính hạt thực với đường kính

D1 max 2

Việc xác định được khoảng thời gian tlag hạt đi qua điểm tâm chính giữa của từng dải sáng gặp nhiều khó

khăn khi đỉnh xung bị bằng đầu xảy ra với trường hợp đường kính hạt nhỏ hơn độ rộng của dải sáng. Do đó, mỗi tín hiệu xung cần có một hàm cosine tương ứng để xác định được tlag. Biểu thức 1.8 không thể sử dụng với hạt

giả đề xuất tính bán kính hạt thơng qua lượng ánh sáng suy giảm K tính từ lúc hạt bắt đầu đi qua tâm đến khi thoát khỏi dải sáng trong khoảng thời gian t .

K   2

1  t.VZ (1.12)

a R .cos  R    t.VZ .  Trong đó:

K: lượng ánh sáng suy giảm R: bán kính của hạt cần đo

t : khoảng thời gian hạt bắt đầu đi qua tâm đến khi thoát khỏi dải sáng

VZ : vận tốc của hạt

a: hệ số hiệu chỉnh

Lượng ánh sáng suy giảm K bị ảnh hưởng bởi mật độ năng lượng trên độ dày của dải sáng. Điều này làm tăng sai số của kết quả đo. Khi sử dụng biểu thức 1.12, việc rời rạc hóa tín hiệu quang điện cần phải tăng độ phân giải tức cần nâng số bít của ADC khiến chi phí của thiết bị tăng lên và việc tính tốn thì cần xử lý trên máy tính khiến cho thiết bị trở nên cồng kềnh. Với các hạt có kích thước lớn hơn tổng hai dải sáng và khoảng cách giữa chúng khơng thấy tác giả cơng trình đề cập tới cách tính. Bên cạnh đó, nguồn sáng sử dụng trong mơ hình là LD có tính “coherence” cao dẫn tới chùm sáng xuất hiện nhiễu đốm ảnh hưởng lớn đến kết quả

R2  (t.V )2 

Bảng 1.2. Các cơng trình nghiên cứu về phương pháp hai 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

Michael Peter Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6] Mới có mơ hình thử nghiệm Cường độ mưa: Có đo Kích thước hạt: có đo, khơng chỉ rõ dải đo Vận tốc hạt: có đo,

khơng chỉ rõ dải đo

Động năng: Khơng

đo

Khoảng lấy mẫu ( kích thước chùm sáng): Hai dải sáng

có độ rộng 2,5 cm

- Chỉ có thể đo được các hạt có bán kính nhỏ nhất đúng bằng độ rộng của dải sáng. - Biểu thức tính và hàm cosine hiệu chính thời gian ứng với mỗi xung quang điện khiến cho việc xử lý trở nên phức tạp, cần có máy tính mạnh để thực hiện.

- Sử dụng hai nguồn sáng LD: làm cho kết cấu của thiết bị trở nên phức tạp hơn và bị ảnh hưởng bởi nhiễu đốm.

Cơng trình nghiên cứu

Tên mơ

hình mẫu/ thiết bị

Các tham số đo Những đánh giá

Về khoa học Về công nghệ

Kiesewetter D. V. Mới có Cường độ mưa: - Kích thước hạt mưa được suy ra từ độ - Dải đo hạt cỡ mm, sử

và Malyugin V.I mơ hình Có đo sâu điều chế M dụng nguồn sáng LED

(2004) [16], (2009) thử Kích thước hạt: - Gặp sai số khi xác định các giá trị cực hồng ngoại 850nm khó [14] nghiệm cỡ mm đại, cực tiểu của xung quang điện. Chưa đề hiệu chỉnh quang.

Vận tốc hạt: có đo, cập tới vấn đề hai xung có chồi xung khác - Cơ cấu gá đỡ và hiệu

khơng chỉ rõ dải nhau thì như thế nào. chỉnh quang khó

Động năng: khơng - Kích thước khe nhạy sáng bị phụ thuộc - Phân tích tín hiệu đo

đo vào dải hạt cần đo. Để có được giá trị cực trên máy tính khiến mơ

Khoảng lấy mẫu ( tiểu thì khoảng cách giữa hai khe cần phải hình cồng kềnh.

kích thước chùm nhỏ hơn hoặc bằng đường kính hạt nhỏ

sáng): hình trụ nhất muốn đo. Nên khó khăn khi hạt muốn