Ở mục 1.1, 1.2 đã chỉ ra những tồn tại trong nghiên cứu của D. V. Kiesewetter và V.
I. Malyugin:
Về khoa học: Gặp sai số khi xác định các giá trị cực đại, cực tiểu của xung quang điện. Chưa đề cập tới vấn đề hai xung có chồi xung khác nhau. Chỉ sử dụng một giá trị cực đại, cực tiểu để tính độ sâu điều chế nên việc để cho hai xung có chiều cao bằng nhau là điều cần thiết. Điều này rất khó khăn vì trong thực tế để hai xung bằng nhau cần khử được các nhiễu về quang, nhiễu về điện cũng như sai số cơ khí. Khó khăn khi muốn mở rộng dải đo về phía hạt nhỏ.
Về công nghệ:
- Dải đo hạt cỡ mm, sử dụng nguồn sáng LED hồng ngoại 850nm khó hiệu chỉnh quang. - Khoảng cách giữa các khe cần phải nhỏ hơn đường kính hạt nhỏ nhất muốn đo nên khó khăn khi muốn mở rộng dải đo về phía hạt nhỏ.
- Cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh quang khó
- Phân tích tín hiệu đo trên máy tính khiến mơ hình cồng kềnh. Từ những phân tích trên, bài tốn được đặt ra là:
Nâng cao độ chính xác của phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng hai dải sáng chiếu tới cảm biến quang trên mơ hình đo kích thước hạt do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Cụ thể:
Về khoa học: Đề xuất biểu thức tốn học tính kích thước hạt mưa, vận tốc hạt mưa để nâng cao độ chính xác của kết quả đo dựa trên việc phân tích xung quang điện thu được.
Về cơng nghệ: Đề xuất hồn thiện cơng nghệ bằng một kết cấu phần cứng giảm thiểu được nhiễu quang học, dễ chế tạo, dễ hiệu chỉnh quang, dễ bảo trì, bảo dưỡng có thể hoạt động được ngồi trời và kết nối thành hệ thống khí tượng. Về thực tiễn: Chế tạo được thiết bị đo các thơng số hạt mưa có khả năng hoạt động được ngồi trời và bước đầu đưa ra phương pháp xử lý đánh giá các thông số hạt mưa, thông số trận mưa ứng dụng trong ngành khí tượng, khí quyển.
Giới hạn bài tốn: Những đề xuất khơng tính đến nhiễu của mơi trường ví dụ như nhiễu do cơn trùng bay vào khu vực đo, hơi ẩm của mơi trường.
Dải đo kích thước hạt: 0,5mm ÷ 6mm là dải kích thước hạt mưa phổ biến. Về phần vận tốc, luận án khơng đánh giá độ chính xác do trong thời gian thực hiện luận án gặp nhiều khó khăn về thiết bị đối chứng có độ chính xác cao. Từ bài tốn đưa ra, dự kiến nội dung cơng việc thực hiện:
- Nghiên cứu mơ hình tốn học thống kê để khảo sát, tìm mối liên quan giữa xung quang điện với kích thước tương đương và vận tốc của hạt. - Sử dụng lý thuyết mơ phỏng để thực hiện nhúng thuật tốn, biểu thức xử lý dữ liệu mới trên vi xử lý và thiết bị để thử nghiệm.
- Sử dụng nguyên lý thiết kế máy và lý thuyết thực nghiệm để chế tạo thiết bị đo mưa có khả năng làm việc ngồi thực địa. Đánh giá các kết quả thử nghiệm và kết luận về tính hiệu quả của thuật tốn được đề xuất.
1.4. Kết luận chương I
Chương I của luận án đã trình bày tổng quan các phương pháp đo kích thước hạt mưa trong đó đi sâu về phân tích các phương pháp đo bằng hiệu ứng quang học. Từ những ưu nhược điểm của chúng, luận án lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng hai dải sáng của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin làm cơ sở để nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo.
Sau khi lựa chọn, Chương I của luận án cũng đồng thời xác định bài toán, giới hạn bài toán và hướng giải quyết.
CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC, KÍCH THƯỚC HẠT MƯA
Dựa trên những nghiên cứu tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa ở chương I, bài tốn và nội dung nghiên cứu của Luận án đã được xác định ở mục 1.3. Trong chương II, tác giả trình bày kỹ mơ hình (thiết bị) đo ban đầu của các giáo sư Nga xây dựng, chỉ rõ những hạn chế rồi sau đó đưa ra các đề xuất của tác giả để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo. Cụ thể:
- Đề xuất biểu thức tốn học tính tốn đường kính, vận tốc hạt mưa dựa trên những phân tích về xung quang điện thu được bằng thực nghiệm. - Đề xuất hồn thiện cơng nghệ, xây dựng hồn thiện phần cứng thiết bị cho phép hoạt động trong môi trường thực tế.
Các kết quả của chương II đã được công bố trong các bài báo [1, 2, 3] 2.1. Mơ hình đo và những hạn chế
Năm 2016 Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa có hợp tác với Trường Đại học Bách khoa Saint Peterburg (Nga) thực hiện đề tài hợp tác nghiên cứu để thiết kế, chế tạo thiết bị đo kích thước và vận tốc hạt mưa ứng dụng trong dự báo mưa lũ phục vụ cơng tác phịng chống biến đổi khí hậu, do đó chúng tơi đã được các Giáo sư Nga bàn giao cho mơ hình thiết bị đo và phần mềm xử lý trên máy tính để cùng nghiên cứu hồn thiện thiết kế, chế tạo được thiết bị có thể ứng dụng thực tế. Sau khi nhận được mơ hình, tác giả và nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu, phân tích, thử nghiệm và tìm ra các hạn chế cần hồn thiện để có thể chế tạo được thiết bị ứng dụng trong thực tế.
Về khoa học, mơ hình gốc của các giáo sư Nga tính tốn đường kính hạt mưa dựa vào độ sâu điều chế M trên mơ hình thử nghiệm. Như đã chỉ ra ở chương I, vấn đề xử lý thông qua M bị phụ thuộc vào biên độ cực đại và cực tiểu của xung quang điện thu được. Khi đó, vấn đề nhiễu ở các đỉnh xung, vấn đề điểm cực của các chồi xung không bằng nhau sẽ gây ra các sai số không mong muốn. Thêm nữa, với các hạt nhỏ hơn khoảng cách hai khe, điểm cực tiểu của khoảng trũng giữa hai chồi xung bằng khơng thì phương pháp tính này khơng dùng được nữa.
d n g u ồ n 1– Nguồn sáng
2 – Khối cấp điện cho nguồn sáng 3 – Thấu kính tạo chùm song song
4 – Màn khe nhạy sáng
Fl: tiêu cự của thấu kính 3 Vd: vận tốc của hạt rơi
Hình 2.1. Sơ đồ kết cấu hệ đo do D. V. Kiesewetter and V. I. Malyugin đề xuất Về cơng nghệ, trong mơ hình đo D. V. Kiesewetter and V. I. Malyugin đề xuất
(hình 2.1), nguồn sáng sử dụng là LED nên đã giảm thiểu được nhiễu đốm trong chùm sáng do nguồn LD phát ra [62, 63, 64]. Tuy nhiên bước sóng ánh sáng trung tâm của nguồn sáng sử dụng là 850nm nằm trong dải hồng ngoại khiến cho việc hiệu chỉnh quang gặp nhiều khó khăn.
Bên cạnh đó, việc điều chỉnh nguồn sáng và điốt quang vào đúng vị trí tiêu cự của các thấu kính tương ứng là điều chỉnh cứng nên sẽ khó khăn khi cần hiệu chỉnh trục quang trong điều kiện thực tế sử dụng.
Theo các cơng trình của Illingworth and Stevens (1987) [30], Grossklaus và cộng sự (1998) [26] chỉ ra rằng gió khơng làm thay đổi đáng kể thành phần vận tốc dọc của hạt rơi xuống khi sử dụng dải sáng có hình trụ. Trong phương pháp đo nghiên cứu, dải sáng có dạng hình trụ và khe nhạy sáng bố trí song song với bề mặt của trái đất nên cũng giảm được ảnh hưởng của gió. Do đó, phổ của tín hiệu coi như khơng phụ thuộc vào tốc độ gió. Trong mơ hình đo (hình 2.1), bên khối phát quang có
phần tạo dải sáng hình trụ từ nguồn sáng thơng qua thấu kính 3 nên tác giả sẽ kế thừa phần tạo chùm phát sáng.
Như vậy, trong chương II, tác giả sẽ trình bày các đề xuất nâng cao hiệu quả đo sản phẩm của cơng trình [14,16] cả về khoa học và cơng nghệ.
Về khoa học, thực hiện theo các nội dung sau:
- Đề xuất biểu thức tính tốn đường kính, vận tốc tương đương của hạt mưa dựa trên các xung quang điện thu được
- Đề xuất thuật tốn tính tốn đường kính và vận tốc hạt mưa.
-Thay đổi nguồn sáng để giảm thiểu nhiễu quang.
-Thay đổi cơ cấu điều chỉnh trục quang tạo điều kiện dễ dàng hơn cho điều chỉnh
- Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu hiện đang sử dụng máy tính để tiến tới thiết kế, chế tạo được thiết bị có thể hoạt động ngồi thực địa. 2.2. Đề xuất về khoa học
2.2.1. Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý số liệu
2.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện ChươngI đã đưa ra quan điểm, kích thước hạt khi đề cập trong nghiên cứu này I đã đưa ra quan điểm, kích thước hạt khi đề cập trong nghiên cứu này
là kích thước tương đương của hạt mưa với hạt hình cầu có cùng đáp ứng quang điện. Bởi thế, có thể coi hạt mưa như là một vật hình cầu. Hạt mưa có tiêu cự ngắn nên có thể coi nó như một vật đen tuyệt đối. Bởi thế, có thể sử dụng viên bi sắt có kích thước biết trước để tiến hành thực nghiệm nhằm xác định các điểm đặc trưng của xung quang điện thu được rồi từ đó đưa ra các đề xuất.
Sử dụng mơ hình thực nghiệm (hình 2.2), lần lượt thả các viên bi (hạt) với kích thước khác nhau biết trước qua khoảng đo. Khi hạt rơi cắt ngang qua chùm sáng song song do nguồn sáng LED 1 và thấu kính hội tụ 3 tạo ra làm suy giảm cường độ ánh sáng nhận được trên cảm biến quang. Điều này khiến xung quang điện thu được trên photodiode 6 thay đổi theo trong suốt quá trình chuyển động
của hạt qua khoảng đo có độ rộng LS. Xung quang điện sau khi được đưa qua các
g w1 w2 1– Nguồn sáng
2 – Khối cấp điện cho nguồn sáng
3 – Thấu kính tạo chùm song song 4 – Màn khe nhạy sáng
Fl: tiêu cự của thấu kính 3 LS: độ rộng khoảng đo
Hình 2.2. Mơ hình thực nghiệm xác định xung quang điện Với các hạt có kích thước khác nhau nhận thấy các xung quang điện thu được cũng có những dạng khác nhau.
2.2.1.2. Phân tích các xung quang điện Dạng xung quang điện có hai chồi
5 – Thấu kính hội tụ chùm song song 6 – Cảm biến quang
7 – Khối khuếch đại và lọc
w1, w2: lần lượt là độ rộng khe nhạy sáng 1, 2
Xung quang điện thu được trên cảm biến quang khi có hạt đi qua khoảng đo của mơ hình thực nghiệm. Giá trị nhỏ nhất của xung quang điện đạt được ở điểm hạt che giữa tâm khe nhạy sáng (điểm 2 và 4 trong hình 2.3). Giá trị lớn nhất của xung quang điện đạt được ở điểm hạt nằm ở trung tâm khoảng cách giữa hai khe nhạy sáng (điểm 3 trong hình 2.3). Biên độ của chồi xung quang điện thể hiện lượng ánh sáng bị suy hao khi hạt đi qua khoảng đo. Khoảng cách giữa các sườn xung thể hiện thời gian hạt đi qua một quãng đường nào đó nằm trong khoảng đo.
Khơng làm mất tính tổng quát, xét xung quang điện được đảo lại (hình 2.4) so với xung quang điện mơ tả ở hình 2.3.
Umax1 Umax2 l1 l2 l3 1 2 3 4 t1 t2 t3 g Umin 2 1 43 w1 w2
Hình 2.4. Hình dạng xung hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi Xét quãng đường hạt rơi từ điểm 1 2 3 4 với điểm 1, 2 cách đều tâm khe
nhạy sáng có độ rộng w1, điểm 3,4 cách đều tâm khe nhạy sáng có độ rộng w2, khoảng cách giữa hai khe là g như mô tả trên hình 2.4.
Gọi quãng đường hạt rơi từ điểm 1 đến điểm 2 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l12 và tương ứng với chồi xung từ điểm 1 đến điểm 2
Quãng đường hạt rơi từ điểm 2 đến điểm 3 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l23 và tương ứng với chồi xung từ điểm 2 đến điểm 3
Quãng đường hạt rơi từ điểm 3 đến điểm 4 mô tả trên hai khe nhạy sáng là l34 và tương ứng với chồi xung từ điểm 3 đến điểm 4
Quãng đường l12, l23, l34 không đổi.
- Xét với cùng một cỡ hạt đường kính D đi qua khoảng đo với các vận tốc khác nhau.
Độ rộng khoảng đo rất nhỏ so với chiều cao mà hạt rơi nên có thể coi vận tốc hạt
đi qua khoảng đo là đều. Gọi các vận tốc đó lần lượt là v1 ,v1, và v1 ,v1, không đổi
khi hạt đi qua dải sáng
Hạt rơi với vận tốc v1 , thời gian hạt đi hết quãng đường l12, l23, l34 lần lượt là t12,
t23, t34
Hạt rơi với vận tốc v1, , thời gian hạt đi hết quãng đường l12, l23, l34 lần lượt là
t ,,t , ,t ,
12 23 34
Khi đó, thời gian hạt đi trên những quãng đường l12, l23, l34 được tính như sau:
t
t
t
41
Ứng với từng vận tốc, xét các tỷ số:
Thay (2.1), (2.2), (2.3) vào (2.4) thu được
k'
Rút gọn n ở cả từ số là mẫu số thu được
(2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) Từ (2.5) và (2.7), có thể thấy k ' k tức là với cùng một cỡ hạt, tỷ số k không đổi khi vận tốc hạt thay đổi.
- Xét các hạt có đường kính khác nhau bay cùng vận tốc qua khoảng đo
Khi đường kính D của hạt càng lớn thì lượng áng sáng mất đi càng nhiều dẫn
đến giá trị lớn nhất Umax1 và Umax2 của các chồi xung càng lớn, biên độ của các điểm xung càng tăng khiến độ rộng các chồi xung tăng lên. Mà khoảng cách, độ rộng của hai khe nhạy sáng là không đổi nên khoảng trũng giữa hai chồi xung sẽ bị thu hẹp lại. Điều này có nghĩa rằng các khoảng thời gian t12, t34 tăng lên còn t23 giảm khi D tăng.
k
k
Mà theo kết luận phần trên, ở cùng cỡ hạt, khi vận tốc thay đổi thì tỷ số k khơng thay đổi. Do đó: khi đường kính D của hạt tăng thì tỷ số k giảm.
Như vậy với dạng xung hai chồi có thể dựa vào tỷ số k ở biểu thức 2.5 để tính đường kính hạt. Đây là một biến số khơng thay đổi khi vận tốc của một hạt rơi biến đổi và biến số này giảm khi đường kính hạt tăng.
Khi sử dụng tỷ số k để tính kích thước hạt thì chỉ có thể tính được khi có khoảng trũng giữa hai chồi xung tức có dạng xung hai chồi. Mà dạng xung hai chồi chỉ có thể có được khi t23>0. Điều này chỉ xảy ra khi D < w1+w2+g. Trong khoảng đường kính này:
Khi D g, điểm cực tiểu bắt đầu có xu hướng tăng dần lên tức Umin tăng lên tiến dần đến Umax khi D tăng.
Khi D < g, điểm cực tiểu bằng khơng và có xu hướng đi ngang một đoạn trước khi đi lên để tạo thành chồi xung tiếp theo, độ rộng khoảng đi ngang của điểm cực tiểu tỉ lệ nghịch với đường kính D. (xem phục lục 1 hình các xung quang điện khi thả các hạt đường kính khác nhau qua khoảng đo của thiết bị thiết kế ở mục 2.3.4).
Do đó, cần lựa chọn điểm xác định tỷ số k sao cho càng gần điểm cực đại càng tốt nhưng lại khơng rơi vào khu vực có khả năng xảy ra nhiễu ở các đỉnh xung. Cụ thể tác giả sẽ trình bày ở mục 2.2.2.
Khi D w1+w2+g thì t23 = 0, lúc này dạng xung trở thành xung một chồi.
tăng bằng và vượt điểm cực đại (hình 2.5). Khi đó, điểm cực tiểu của dạng xung hai chồi trở thành điểm cực đại của dạng xung một chồi. Thử nghiệm với tập các hạt có đường kính ở dải quan sát, biên độ cực đại của xung, diện tích bao bởi xung thay đổi đồng biến với đường kính hạt. Hình 2.5 là ví dụ xung quang điện sau tiền xử lý thu được khi đo trên oscillo với đường kính hạt trong dải kích thước này khi thả hạt mẫu qua phần cứng thiết kế ở mục 2.3.4. Với đường kính