3.2. Triển khai, đánh giá thử nghiệm trong phịng thí nghiệm
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 bên ngoài. Thước đo đánh giá ở kịch bản thử nghiệm một là tham số đánh giá như ở
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:
-Tập học
-Tập kiểm tra.
Hình 3.5. Hình ảnh viên bi mẫu có đường kính biết trước Bảng 3.3. Đường kính hạt chuẩn từ 1 ÷ 10 mm được đo trước Bảng 3.3. Đường kính hạt chuẩn từ 1 ÷ 10 mm được đo bằng thước panme Độ phân giải của thước panme 0,01 mm
Đường kính 1,2 1,53 2,51 3,09 3,51 4,11 4,51 5,09 6,08 7,93 10,03 chuẩn (mm)
Trước khi tiến hành thử nghiệm, sử dụng tập học để tìm các hệ số A,B,C trong các hàm D(umax); D(k075); D(ld). Bước này được gọi là bước học của máy.
D A11 B11u max B12 umax2
D A B1k 075 B2 k0752
Sau khi học, tiến hành bước kiểm tra. Sử dụng tập kiểm tra để thử nghiệm thả từng viên bi sắt qua khoảng đo nhiều lần và đánh giá.
Kết quả và đánh giá
Khi thả các viên bi qua khoảng đo, kết quả đo được đánh giá như trên hình 3.6. Thay đổi những yếu tố mơi trường như ánh sáng, nhiệt độ và nhiễu cao tần rồi đọc giá trị đo được trên màn hiển thị của thiết bị, khi thay đổi các yếu tố môi trường, kết quả đo khơng bị ảnh hưởng. Hình 3.5 trích đồ thị biểu diễn đường kính viên bi mẫu do thiết bị cải tạo đo được so với kích thước bi mẫu. Các đồ thị với những viên bị khác trình bày trong phần phụ lục của luận án.
Đường kính cỡ hạt 1 mm Đường kính đo (mm) Thứ tự hạt rơi Đường kính cỡ hạt 1,5 mm Đường kính đo (mm) Thứ tự hạt rơi 78
Đường kính cỡ hạt 2,5 mm
Đường kính đo (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.6. Đường kính đo của từng cỡ bi mẫu trong mơ hình thử nghiệm 1 Từ hình 3.7, 3.8, thiết bị đo có độ chính xác như sau:
D< 3,5mm, trên tập mẫu thử, sai số lớn nhất là: 3,42%. 3,5<= D <=6mm, trên tập mẫu thử, sai số lớn nhất là: 0,69%. 6<D<= 10mm, trên tập mẫu thử, sai số lớn nhất là: 0.63%.
Hình 3.8. Sai số tương đối của viên bi trong mơ hình thử nghiệm 1 3.2.2. Kịch bản đánh giá 2 thử nghiệm với hạt lỏng thả từ ống nhỏ giọt
Mơ hình kịch bản đánh giá
Thử nghiệm với hạt lỏng được thả từ các ống có kích thước đầu nhỏ giọt khác nhau ( hình 3.10). Hạt nước đi qua khoảng đo được hứng bằng một cốc đong có vạch định lượng. Độ cao thả hạt nước cố định so với đường nối tâm nằm ngang của khoảng đo là 80cm. Sử dụng các van chỉnh để thay đổi lưu lượng nước tức thay đổi tốc độ rơi của hạt nước. Mơ hình đo được mơ tả trong hình 3.9.Tiến hành nhỏ giọt qua khoảng đo của thiết bị đo mưa nhiều lần với các kích thước hạt khác nhau và đánh giá kết quả. Tham số đánh giá của bước thử nghiệm này sẽ là tổng thể tích nước thu được so sánh với lượng nước thả xuống được đo bằng cốc đo có chia thể tích với sai
số ±1 ml. Tổng thể tích nước Vdo thu được được tính bằng biểu thức 3.10.
k 4 Di 3 V do . . (3.10) 3 2 i 1 Trong đó:
Di (mm): đường kính hạt mưa thứ i đo được
i trong dải (1 k ) là số lượng hạt rơi đếm từ lúc bắt đầu rơi đến khi kết thúc. Thể tích nước trung bình đo được tính theo biểu thức 3.11:
n
V
V i 1 (3.11)
n
Trong đó:Vdo _ i : thể tích nước đo được lần thứ i với i từ 1 n
Sai số tuyệt đối thể tích nước đo được tính theo biểu thức 3.12:
n
V Vdo _ i V
i 1
n chuan
Sai số tương đối thể tích nước đo được tính theo biểu thức 3.13:
V V *100% n V do _ i i 1 n (3.12) (3.13)
Hình 3.9. Mơ hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 2 Các bước thử nghiệm sẽ lần lượt được tiến hành với:
-Thả nhiều lần với một loại kích thước hạt nước từ từng cỡ ống nhỏ giọt riêng
-Thả nhiều lần với kích thước hạt nước từ các cỡ ống nhỏ giọt khác nhau cùng một lúc. Các hạt rơi ngẫu nhiên, nhanh chậm khác nhau.
Đầu nhỏ giọt 2
Đầu nhỏ giọt 1
Đầu nhỏ giọt Đầu nhỏ giọt
3 4
Đầu nhỏ giọt 5
Hình 3.10. Các loại đầu nhỏ giọt sử dụngKết quả và đánh giá Kết quả và đánh giá
Với một loại cỡ đầu nhỏ giọt thả hạt nước
Hình 3.11, 3.12 lần lượt là kết quả thu được khi đo kích thước hạt ở cỡ ống nhỏ giọt riêng rẽ với tốc độ nhỏ giọt cố định và tốc độ nhỏ giọt thay đổi.
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 1
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 2
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 3
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.11. Kết quả đo kích thước hạt nước với từng cỡ đầu khi tốc độ khơng đổi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 4 (tốc độ 1)
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước hạt qua đầu nhỏ giọt 4 (tốc độ 2)
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.12. Kết quả đo kích thước hạt nước khi tốc độ thay đổi
Khi thả các hạt nước qua từng cỡ đầu nhỏ giọt, các thông số hạt thống kê và lượng nước thu được với từng loại so với lượng nước đo về trên cốc đong được chỉ ra trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Các kết quả đo đạc khi thả rơi từng cỡ hạt nước
Cỡ đầu Đường kính Đường kính Đường kính đo Số hạt Lượng nước Lượng nước Sai số lượng nhỏ giọt trung bình hạt đo được lớn được nhỏ nhất đo được trung bình đo đọc trên cốc nước
(mm) nhất (mm) (mm) được (ml) đo (ml)
A B B-A C C-A D E F ((F-E)/E)*100%
Đầu 1 2,65 2,8 0,15 2,42 -0,23 1044 10,23 11 -7,5% Đầu 2 2,95 3,1 0,15 2,8 -0,15 1130 15,29 17 -11,2% Đầu 3 3,48 3,57 0,09 3,4 -0,08 1275 28,24 30 -6,2% Đầu 4 với lưu lượng 4,09 4,23 0,14 3,95 -0,14 2006 71,87 73 -1,6% 1 Đầu 4 với lưu lượng 4,5 4,6 0,1 4,43 -0,07 1547 74,05 76 -2,6% 2 Đầu 5 với lưu lượng 5,09 5,17 0,08 5,03 -0,06 1399 96,62 97 -0,4%
Đầu 5 với
lưu lượng 6,21 6,31 0,1 6,06 -0,15 1425 178,63 179 -0,2%
2
Từ hình 3.11, 3.12 thấy được rằng với các cỡ đầu tạo hạt nước khác nhau và thay đổi vận tốc hạt rơi khác nhau, thiết bị đã đo được kích thước của các hạt phân bố xung quang điểm trung bình của các hạt với sai số cỡ ±5% khơng nhiều. Kích thước của các hạt rơi khá đều và phân bố đồng đều. Các hình 3.11, 3.12 và bảng 3.4 cho thấy với các hạt nước đo được có kích thước nhỏ hơn 3,5mm dao động nhiều hơn so với các hạt lớn.
Xét về lượng nước đo được, sai số lớn nhất là 11,2 % khi lượng nước nhỏ hơn 20ml. Các hạt có kích thước càng lớn thì lượng nước thu được càng gần với lượng nước đo được bằng cốc đo thể tích.
Với nhiều loại cỡ đầu nhỏ giọt thả hạt cùng một lúc
Hình 3.13 là kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt cùng lúc
Kích thước giọt nước qua đầu nhỏ giọt 1 và 2
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Kích thước giọt nước qua 5 đầu nhỏ giọt
Đường kính hạt (mm)
Thứ tự hạt rơi
Hình 3.13. Các kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt
Khi thả các hạt nước qua nhiều cỡ đầu nhỏ giọt cùng một lúc xảy ra hiện tượng các hạt rơi cùng lúc che lẫn nhau tạo thành hạt to do đó đường kính hạt lúc này là đường kính của ảnh thu được trên hệ quang của thiết bị chứ khơng cịn là đường kính của hạt riêng rẽ. Điều này xảy ra cũng tương tự như thí nghiệm thả nhiều viên bi cùng một lúc. Các thông số hạt thống kê và lượng nước thu được với từng loại so
với lượng nước đo về trên cốc đong được chỉ ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Các kết quả đo đạc khi thả rơi các cỡ hạt nước cùng lúc
Cỡ Đường kính Đường kính Lượng nước Lượng nước Sai số đầu trung bình đo được lớn trung bình đọc trên cốc tương đối
nhỏ hạt (mm) nhất (mm) đo được (ml) đo (ml) lượng
giọt nước
Đầu 1 2,79 3,68 22.16 24 -8.3%
và 2
Cả 5 4,47 6,24 65.97 67 -1.6%
đầu
Xét về lượng nước đo được, với các hạt có kích thước trung bình nhỏ, lượng nước đo được có sai số lớn hơn so với trung bình các hạt có kích thước to. Điều này đúng với đo từng hạt với từng cỡ đầu nhỏ giọt.
3.2.3. Kịch bản đánh giá 3 thử nghiệm với mơ hình tạo mưa Mơ hình kịch bản đánh giá
Thử nghiệm với các dòng hạt nước được tạo ra từ một mơ hình tạo mưa. Mơ hình tạo mưa có khả năng: điều chỉnh được lưu lượng phun hạt nước và đạt tương đương lưu lượng mưa trong dải đo của thiết bị; điều chỉnh được đường kính các hạt nước mô phỏng cơn mưa trong dải đo của thiết bị đo; tạo được luồng gió giống trong tự nhiên, điều khiển được lưu lượng và tính chất dịng chảy khơng khí do đó sẽ có khả năng tạo được những môi trường gần giống với môi trường thực tế để thử nghiệm.
Tham số đánh giá:
Kịch bản thử nghiệm ba chủ yếu đánh giá về lượng mưa (biểu thức 3.14). Đây là một cách đánh giá độ chính xác gián tiếp về kích thước hạt mưa vì lượng mưa được tính bằng việc cộng dồn thể tích các hạt mưa đo được chia cho diện tích chứa mẫu.
Tính tốn lượng mưa H_sum được: n 4 D3 . . i 3 2 R = i 1 (3.14) S s ample _ holding Trong đó: R (mm): lượng mưa
Di (mm): đường kính hạt mưa thứ i đo được
i trong dải (1 n ) là số lượng hạt mưa đếm từ lúc bắt đầu mưa đến khi kết thúc. Ssample _ hol ding (mm2) : diện tích lấy mẫu tính theo biểu thức 3.15
S
s ample _ hol d ing L
sample _ holding l (3.15) với Lsample _ holding : chiều dài khoảng lấy mẫu. Theo thực nghiệm, với mưa tại khu vực Hà Nội, Lsample _ holding =35mm là phù hợp với phân bố khoảng cách giữa các hạt mưa.
l: Chiều dài của khe nhạy sáng l=30mm
Thay vào biểu thức 3.15 tính được S sample _ hol ding 35*30 1050mm2
Lúc này biểu thức 3.14 trở thành: n 4 Di 3 . . 3 R = i 1 2 .kR (3.16) 1050
Trong đó: kR: là hệ số hiệu chỉnh lượng mưa được xây dựng khi hiệu chỉnh lượng mưa với những lượng nước biết trước thả giọt qua thiết bị đo.
Việc đánh giá về lượng mưa sẽ được tiến hành theo cách so sánh đối chứng với thiết bị đo mưa chuẩn. Khi thử nghiệm với mưa thực tế, thiết bị đo mưa chuẩn là thiết bị đo mưa của trạm khí tượng đang chạy. Khi thử nghiệm với hệ tạo mưa, thiết bị đo mưa chuẩn là thiết bị đo mưa kiểu chao lật The Rain Collector II của Davis Mỹ (hình 3.14) với các thơng số kỹ thuật:
- Đường kính miệng ống: 16,5 cm
- Chiều cao ống đựng: 24 cm
-Độ phân giải là: 0,2 mm
- Sai số: ±0,4mm khi lượng mưa ≤ 10mm
±4% khi lượng mưa >10mm
Hình 3.14. Thiết bị đo mưa The Rain Collector II của Davis Mỹ Mơ hình thực nghiệm được bố trí như trong hình 3.15
Hệ tạo mưa và mưa thực tế
Trung tâm
TCP/IP
TCP/IP Thiết bị đo mưa
quang học
Thiết bị đối sánh Hình 3.15. Mơ hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 3
Thiết bị đo mưa của luận án và thiết bị đo mưa chao lật làm đối chứng sẽ được bố trí đặt song song với nhau gần nhất có thể để kết quả đo được sẽ gần giống nhất
có thể. Các thiết bị này được bố trí như trong hình 3.18.
Tiến hành thực nghiệm với hệ tạo mưa trong nhiều khoảng thời gian liên tục sau khi đặt thiết bị đo mưa chao lật và thiết bị đo mưa thiết kế vào khu vực đo lường, theo dõi giá trị đo được và so sánh với thiết bị chuẩn.
Kết quả đánh giá
Hình 3.16. Trung bình lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3
Hình 3.17. Sai số tuyệt đối lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3 Kết quả thử nghiệm chỉ ra: sai số tuyệt đối cao nhất khi thử nghiệm giá trị đo là 0,3 mm. Thiết bị đo chuẩn có sai số ±4% khi lượng mưa >10mm tức với lượng mưa
40 mm thì sai số tuyệt đối sẽ là 40 x ±4% = ±1,6mm. Như thế thiết bị đo mưa thiết kế với thiết bị đo chuẩn là tương đương.
Hình 3.18. Bố trí thiết bị trong hệ thử nghiệm đo mưa.
3.3. Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mịn Việcđo lường kích thước (D) và vận tốc hạt mưa (v) cho phép nội suy ra các thông số khác đo lường kích thước (D) và vận tốc hạt mưa (v) cho phép nội suy ra các thông số khác như động năng (KE), lượng mưa (R) và cường độ mưa (I). Đường kính hạt mưa (D, mm) và sự phân bố của nó là thơng số mơ tả sự kiện mưa, kết cấu vật lý của hạt mưa. Cường độ mưa (I) là sự phản ánh của các loại mưa khác nhau được biểu thị bằng lượng mưa rơi trên một đơn vị thể tích khơng gian trong một đơn vị thời gian [40]. Trong các nghiên cứu của Van Dijk và cộng sự năm 2002, Fornis và cộng sự năm 2005, động năng của hạt mưa (KE) là năng lượng của hạt mưa làm phá vỡ kết tụ của đất do đó thơng số này được khuyến nghị như một thước đo về sự xói mịn đất [40,54]. Động năng của hạt mưa có thể biểu thị theo hai kiểu: động năng theo thời gian KEtime là động năng được tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian có thứ
nguyên là J/m2h và động năng theo lượng mưa KEmm là động năng được tính trên một
đơn vị diện tích trên độ cao lượng mưa, có thứ nguyên là J/m2mm. Để xác định động
năng của hạt mưa thì có các cách như từ kích thước D và vận tốc rơi v của hạt mưa hoặc nội suy từ cường độ mưa I [40, 54]. Mối quan hệ KE-I không giống nhau ở các quốc gia do đặc điểm mưa ở mỗi khu vực đều khác nhau. Do đó việc nghiên cứu các thơng số mưa đặc biệt là mối quan hệ KE-I có ý nghĩa rất lớn với mỗi nước. Do đó
phần thử nghiệm này ngồi việc đánh giá độ ổn định, độ tin cậy của thiết bị đo cịn nhằm phân tích, đánh giá và tìm ra các mối quan hệ thống kê giữa các tham số hạt mưa để có thể phục vụ cho nhu cầu thực tiễn tại khu vực Hà Nội. 3.3.1. Mơ hình kịch bản đánh giá
Mơ hình thực nghiệm đo các thơng số mưa được mơ tả trong hình 3.19b. Mơ hình gồm trạm đo đặt tại khu vực cần đo đạc và trạm trung tâm. Dữ liệu thời tiết ở trạm đo gửi về trạm trung tâm qua đường truyền GPRS để thu thập và phân tích, xử lý. Dữ liệu này sẽ được đối sánh với dữ liệu đo tại trung tâm khí tượng để so sánh, kiểm chứng.
a b
a. Hình ảnh thiết bị đo mưa cải tiến
b. Mơ hình thực nghiệm đo các thơng số mưa
Hình 3.19. Thiết bị đo và mơ hình thực nghiệm đo các thơng số mưa