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 toán 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 qn 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: Thông 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 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 môi 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