Cụ thể thiết kế và chế tạo phần cứng thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa độc lập như được trình bày cụ thể tại Phụ lục 1 và Phụ lục 4.
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 k 075 ; u max ;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 muốn. Hình 2.16 mơ tả các bước hiệu chỉnh phần mềm của thiết bị đo cải tiến.
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
Đọc các số k 075 ; u max ;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
Đã chuyển thiết bị sang chế độ Sai nhập hệ số?
Đúng
Nhập các hệ số tìm được vào thiết bị.
Đo các hạt bằng bộ mẫu kiểm tra và đánh giá sai số
Sai Sai số kích thước đạt mức cho
phép? Đúng Kết thúc
Hình 2.16. Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa đã của luận án
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 xungcủa luận án với nghiên cứu gốc 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 i
075 _ 2: có thể tính tốn đường
075 i
075 _ 4 i
075 _ 1
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 MUmax U
min : khơng thể tính tốn
U
max U
min
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 công 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
±0,4 mm khi lượng mưa nhỏ hơn hoặc bằng Sai số đo lượng mưa % 10 mm và nhỏ hơn hoặc bằng ±5% khi
lượng mưa lớn hơn 10 mm. Chức năng giao tiếp người Giao tiếp qua bàn phím và LCD máy
Chức năng truyền thông RS485
Nguồn nuôi 12VDC/ 200mA-500mA
Dải nhiệt độ hoạt động
0C 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.
D D *100% (3.1)
D
Trong đó:
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
n
D
i
biểu thức D i 1
n
Với độ lệch chuẩn phản ánh sự phân tán của giá trị đo được
(d i d )2n
s ( d ) i 1
n 1
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 ) n (3.3) (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.
Ởtrường 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:
DM (R ) A Bm1 M Bm 2 M 2
val max val min Trong đó: M
val maxval min
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:
D075 (R ) A B1k 075 B2 k0752
(3.6)
(3.7)
(3.8)
Hàm quan hệ (3.8) được tách thành hai dải kích thước nhỏ hơn 3,5mm và lớn hơn hoặc bằng 3,5mm. Trong đó: k 075 i 075 _ 3 i 075 _ 2 (3.9) i 075 _ 4 i 075 _1
: chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax1 ở sườn xuống chồi thứ 1
: chỉ số mẫu tương ứng với giá trị 0,75 x Umax 2 ở sườn lên của chồi thứ 2
: 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.
Viên bi có đường kính biết trước
Thiết bị đo mưa 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 i 075 _ 4 i 075 _ 2 i 075 _ 3
Đầu ra: Thơng số đường kính hạt D075, DM, sai số tuyệt đối D075 , DM , sai số tương đối D075 , DM tương ứng với từng phương pháp tính theo k075 hay theo M
Lưu đồ thuật toán sao sánh được cho trong hình 3.2 Bắt đầu
Nạp các giá trị w, g, ,
Đọc dữ liệu kích thước hạt đo có kích thước biết trước ở tập học
Tính tốn các số M val max val min ; k 075 i 075 _ 3 i 075 _ 2 i 075 _ 4 i 075 _1
val max val min
Tìm các hệ số A, B1, B2 tương ứng với các phương pháp theo M (công thức 3.6) và theo k075 (cơng thức 3.8)
Đọc dữ liệu kích thước hạt đo có kích thước biết trước ở tập kiểm tra
Tính tốn các số M val max val min ; k 075 i 075 _ 3 i 075 _ 2 i 075 _ 4 i 075 _1
val max val min
Tính D075, DM, D075 , DM , D075 , DM và lưu cơ sở dữ liệu ứng với từng hạt đo
Vẽ đồ thị mỗi quan hệ giữa D075, DM, D075 , DM tương ứng với các hạt đã đo và so sánh
Kết thúc
Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán đo D và so sánh theo hai phương pháp M và k075
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
Sai số tương đối (%)
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
<3,5mm 6,92%
3,5mm – 6 mm 2,35%
Sai số lớn nhất ở phương pháp nội suy từ biến số k075 3,41%
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 mơi 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 sắtMơ hình kịch bản đánh giá 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