1.1. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa
1.1.2. Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học
pháp đo kích thước hạt bằng hiệu ứng quang học ra đời từ những năm
1980. Bản chất của phương pháp đo kích thước hạt bằng hiệu ứng quang học là xét mối quan hệ giữa ánh sáng và bề mặt của hạt nơi xảy ra hiện tượng ánh sáng thay đổi đường đi. Khi ánh sáng chiếu tới một hạt sẽ xảy ra các hiện tượng: khúc xạ, phản xạ, tán xạ và hấp thụ (hình 1.5).
Phản xạ Khúc xạ
Hấp thụ và tái bức xạ
Tán xạ rìa
Hình 1.5. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạtKích thước hạt trong phương pháp đo này được hiểu là kích thước tương đương Kích thước hạt trong phương pháp đo này được hiểu là kích thước tương đương với hạt hình cầu có cùng đáp ứng quang điện với hạt cần đo trong phương pháp đo bằng quang học xem xét. Với đo kích thước hạt mưa, từ việc hấp thụ và tán xạ của hạt mưa khi cắt qua dải ánh sáng, đã có các cơng trình nghiên cứu được cơng bố [1,
2, 3, 8, 7, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24...]. Dựa vào số lượng chùm sáng đi tới cảm biến quang có thể phân loại thành loại một dải sáng và loại hai dải sáng. Khi hạt mưa cắt qua chùm sáng, số lượng dải sáng đi đến cảm biến quang sẽ tạo ra các xung quang điện tương ứng. Do đó dựa vào số xung quang điện thu được trên cảm biến có thể phân thành hai loại là: loại một xung và loại hai xung.
1.1.2.1. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện Các cơng trình nghiên cứu phương pháp này đã được cơng bố có thể kể đến Illingworth, A.J.; Stevens, C.J (1987) [30], Grossklaus, M.; Uhlig, K.; Hasse, L (1998) [26]
Nghiên cứu [30] đã đưa ra mơ hình đo P-POD (Paired pulse optical Disdrometer) (hình 1.6). Mơ hình sử dụng nguồn sáng halogen H cho ra dải sáng có độ đồng nhất khơng cao khiến cho việc xử lý tín hiệu thơ gặp nhiều khó khăn. Dải ánh sáng hình khuyên để đo các hạt mưa rơi giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo. Giá trị xung quang điện được đưa tới xử lý trên máy tính nên việc ứng dụng ngồi trời có nhiều hạn chế. Kết cấu của thiết bị cồng kềnh, khối vách ngăn tương đối phức tạp, khó sửa chữa khi thiết bị lỗi.
H: nguồn sáng halogen, I: nguồn điện, G: vỏ, C: ống chuẩn trực, F: đường dẫn hội tụ, D: khối gia nhiệt, B: khối vách ngăn, A: vòng giữ ống kính, F: ống quang hội tụ,
E: khối quang điện tử
Hình 1.6. Mơ hình đo của thiết bị P-POD [30]
Nghiên cứu [26] đã đưa ra mơ hình đo mới mơ tả trong hình 1.7 để khắc phục nhược điểm về dải sáng đo khơng đồng đều. Dải sáng hình trụ có chiều dài 120 mm và đường kính 22 mm được giữ vng góc với hướng rơi của mưa nhờ sự trợ giúp
của cánh gió. Dạng dải sáng hình trụ giúp cho phép đo khơng phụ thuộc vào góc tới của hạt mưa. Do đó, sự thay đổi của vận tốc gió khơng ảnh hưởng đến các phép đo. Nguồn sáng của thiết bị là một đèn LED hồng ngoại 880 nm công suất 150 mW được điều chế với tần số 20 kHz. Thông qua hệ quang học, chỉ phần ánh sáng song song với trục quang học mới có thể đến được diode thu. Khi khơng có hạt rơi vào khoảng đo, điện áp thu được trên diode quang là 5VDC. Khi có hạt cắt qua dải sáng, điện áp này sẽ giảm đi tương ứng tỷ lệ với thương số giữa diện tích mặt cắt ngang của giọt và diện tích mặt cắt ngang của dải sáng hình trụ. Khác với cơng trình [30], đường kính hạt rơi ở [26] tỷ lệ với diện tích của hạt dẫn tới việc tính tốn, xử lý phức tạp hơn.
1, 11) Thành phần điện tử, 2) điốt quang, 3) hệ thống thấu kính, 4) cửa sổ, 5) vách ngăn, 6) Khoảng đo, 7) thấu kính thu, 8) khối trộn quang học, 9) mắt thu,
10) diode quang
Hình 1.7. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26]
Hai cơng trình [30], [26] đều có kết cấu phần cứng của thiết bị tránh được ảnh hưởng của gió bằng những dải sáng hình vành khun [30] hoặc dải sáng hình trụ [26]. Kích thước hạt được nội suy từ mức điện áp thu được trên diode quang khi hạt cắt qua dải sáng. Điều này rất dễ dẫn tới sai số do nhiễu. Ngoài ra, kết cấu của mơ hình khiến cho các thiết bị đo trở nên phức tạp, cồng kềnh.
Thay vì tính tốn từ giá trị điện áp thu được, các nghiên cứu của Löffler-Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005) [8] đã đưa ra một cách đo khác dựa
vào xung quang điện thu được. Với một xung quang điện thu được khi hạt cắt qua dải sáng, kích thước hạt mưa được nội suy từ biên độ của xung, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng xung [8]. Phương pháp này cịn có một cách gọi khác là phương pháp xử lý giá trị tuyệt đối của biên độ tín hiệu quang điện từ các hạt tán xạ. Hai mơ hình thiết bị hiện đang sử dụng phương pháp đo này là OTT Parsivel và Thies LPM (Thies disdrometer Laser Precipitation Monitor) (hình 1.8).
(a) Thies LPM (b) Parsivel 2 Hình 1.8. Hai mơ hình đo Thies LPM và Parsivel 2
Cả hai mơ hình đều sử dụng một bộ phát laser (có thể là một hoặc một mảng các bộ phát) và một bộ thu tín hiệu quang đặt đồng trục với nguồn sáng. Hình 1.9 mơ tả phương pháp đo ứng dụng trong hai mơ hình.
a b c
a) Nguồn phát ra một chùm sáng phẳng theo chiều ngang đến bộ thu quang b) Dạng xung thu được bất cứ khi nào có hạt cắt qua chùm sáng c) Các tham số xung liên quan đến kích thước và vận tốc
Hình 1.9. Mơ tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8] Hạt cắt qua chùm sáng sẽ làm suy giảm năng lượng ánh sáng thu được trên cảm
biến nhận. Điều này khiến cho biên độ tín hiệu quang điện ra sau cảm biến bị giảm đi. Từ đường cong thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa đường kính và biên độ xung sẽ tính ra kích thước hạt. Đường cong thực nghiệm thu được khi thả các hạt có đường kính biết trước qua khoảng lấy mẫu và đo biên độ xung quang điện thu được. Vận tốc của hạt khi bay qua khoảng lấy mẫu chính là tỷ số giữa độ dầy của dải sáng so với thời gian hạt bay qua dải sáng hay chính là độ rộng xung thu được (hình 1.9c).
Thiết bị theo mơ hình OTT Parsivel do hãng PM Tech Inc nghiên cứu (cơng trình của Lưffler-Mang và Joss năm 2000 [38]). Hình 1.10 mơ tả cấu trúc mơ hình đo và hình 1.11 mơ tả tín hiệu quang điện thu được khi hạt cắt qua dải sáng. Dải kích thước đo được từ 0,2mm đến 25mm, vận tốc đo được từ 0,2m/s đến 20m/s và được chia thành 32 khoảng nhỏ.
Luồng sáng Mái che
Gương Gương 1mm Phát 200mm Thu quang quang 160mm Khung giá 225mm 520mm Thu quang 100mm Luồng sáng Luồng sáng 160mm 30mm Phát quang 340mm
a) U 5V b) 0V Ua 5V c) Hạt nhỏ Hạt to Luồng sáng 1mm
Điện áp trên điốt quang
Thời gian
Mức điện áp sau tiền xử lý
Khoảng thời gian rơi giữa 2 hạt Khoảng thời gian qua luồng sáng
Umax1 Umax2
0V
Thời gian a. Các hạt khác nhau cắt qua chùm sáng
b. Tín hiệu điện quang thơ thu được trên cảm biến nhận c. Tín hiệu điện sau tiền xử lý
Hình 1.11. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38]
Vào năm 2005, OTT Hydromet đã phát triển thiết bị này và được trình bày trong nghiên cứu của Tokay và công sự vào năm 2013 [2]. Trong nghiên cứu trên, Tokay và cơng sự đã tìm ra một hệ số độ lệch quan trọng liên quan đến lượng mưa khi thống kê và so sánh lượng mưa bằng thiết bị Parsivel và thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Đó là hệ số độ lệch phần trăm và độ lệch phần trăm tuyệt đối. Vào năm 2011, OTT Hydromet đã cho ra đời Parsivel2 và là phiên bản hiện tại của dòng máy trên thị trường. Phiên bản cải tiến đã sử dụng nguồn sáng laser có chùm tia đồng nhất hơn và phần xử lý dữ liệu có thêm hệ số hiệu chỉnh hình dạng để nâng cao độ tin cậy của kết quả đo. Các cơng trình của Tokay và cộng sự năm 2013 [2]; Angulo-Martínez và Barros năm 2015 [1] đã chỉ ra điều này.
Thiết bị theo mơ hình Thies LPM do hãng Adolf Thies GmbH & Co nghiên cứu và cho ra thị trường vào năm 2005. Nghiên cứu trên mơ hình đã được Bloemink và Lanzinger (2005) [8] cơng bố tại Hội nghị kỹ thuật WMO về các thiết bị môi trường và khí tượng tại TECO-2006, Geneva, Thụy Sĩ. Cũng sử dụng phương pháp đo như mơ hình Parsivel, xét về cấu tạo, mơ hình Thies LPM khác ở các chỉ số về độ dài, rộng, dày của chùm sáng, khoảng diện tích lấy mẫu và kết cấu vỏ thiết bị. Chùm sáng có độ dài 228mm, độ rộng 20 mm, độ dày: 0,75 mm, diện tích lấy mẫu:
45,6 cm2. Ở hai đầu vát của ống thu, phát được gắn thêm hai tấm nhỏ để tránh
nước bắn từ phía trên mái của hai ống vào khoảng đo. Tay đỡ của ống thu, phát quang cũng được hạ xuống thấp hơn để tránh hạt bắn rơi vào khoảng đo. Dải đo kích thước của Thies LPM từ 0,125 mm đến 8,5 mm được chia làm 22 dải nhỏ, vận tốc đo được từ 0 đến 12m/s chia làm 20 khoảng khác nhau. Các dữ liệu chạy thô và một vài biến bulk cịn gọi là (PSVD moment) đều được tích hợp và xử lý bằng phần mềm nhúng trên chip của thiết bị.
Bảng 1-1. Liệt kê các cơng trình đã nghiên cứu về phương pháp đo kích thước và vận tốc hạt mưa dựa trên mức hoặc một xung quang điện thu được
Với phương pháp đo mà hai mơ hình cùng sử dụng có hạn chế là khi hạt rơi gần với nguồn phát hơn sẽ gây ra ít sai số hơn so với hạt rơi xa nguồn phát [30]. Mật độ năng lượng không đồng đều của chùm sáng khiến cho biên độ và thời gian của tín hiệu là khác nhau tùy thuộc vị trí giọt đi qua [53].
Bảng 1.1. Các cơng trình đã nghiên cứu về phương pháp đo thơng số hạt mưa dựa trên một xung quang điện
Cơng trình Tên mơ hình Các tham số đo Những đánh giá
nghiên cứu mẫu/ thiết bị Về khoa học Về công nghệ
Illingworth và Paired pulse Cường độ mưa: Khơng đo Kích thước hạt suy ra từ mức - Dải ánh sáng hình khuyên Stevens (1987) optical Kích thước hạt: 0.72–3.62 điện áp thu được trên cảm biến giảm thiểu được ảnh hưởng [30] disdrometer mm. Với bước nhảy 0.21 quang dễ bị nhiễu do nhiều của gió lên kết quả đo
(P-POD) mm. Kích thước <0.72 và nguyên do như hệ quang khơng - Kết cấu cơ khí tạo dải >3.62 mm cũng có thể phát ổn định, do phần xử lý điện sáng hình khuyên phức tạp
hiện không tốt - Giá trị xung quang điện
Vận tốc hạt: không đo được đưa tới xử lý trên máy
Động năng: Khơng đo tính nên việc ứng dụng
Khoảng lấy mẫu ( kích ngồi trời có nhiều hạn chế.
thước chùm sáng): khơng đề - Nguồn sáng halogen H
cập cho ra dải sáng có độ đồng
nhất khơng cao
- Kết cấu của thiết bị cồng kềnh, khối vách ngăn tương đối phức tạp, khó sửa chữa khi thiết bị lỗi.
Cơng trình Tên mơ hình Các tham số đo Những đánh giá
nghiên cứu mẫu/ thiết bị Về khoa học Về công nghệ
Grossklaus và Cường độ mưa: Khơng đo - Đường kính hạt tỷ lệ với - Dải ánh sáng hình trụ cộng sự (1998) Kích thước hạt: 0.35–6.4 diện tích của hạt. giảm thiểu được ảnh hưởng
[26] mm - Điện áp trên cảm biến tỷ lệ của gió lên kết quả đo
Vận tốc hạt: không đo với thương số giữa diện tích - Nguồn sáng LED hồng Động năng: Không đo mặt cắt ngang của giọt và diện ngoại 880nm khó hiệu chỉnh Khoảng lấy mẫu ( kích tích mặt cắt ngang của chùm quang.
thước chùm sáng): Hình trụ sáng phát.
có kích thước 120 mm x 22 >> Phần tính tốn phức tạp mm
Krajewski và OTT Parsivel® Cường độ mưa: <1200 - Kích thước hạt mưa được - Dải ánh sáng hình trụ cộng sự. disdrometer mm/h nội suy từ biên độ, còn vận tốc giảm thiểu được ảnh hưởng (2006) [34]; Kích thước hạt: 0,2–5 mm hạt được nội suy từ độ rộng của gió lên kết quả đo Thurai và cộng chia làm 32 khoảng của một xung quang điện thu - Mật độ năng lượng
sự. (2009) Vận tốc hạt: 0.2–20 m/s chia được không đồng đều của chùm
[60]; làm 32 khoảng - Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu sáng khiến cho biên độ và
Cơng trình Tên mơ hình Các tham số đo Những đánh giá
nghiên cứu mẫu/ thiết bị Về khoa học Về công nghệ
(2013) [20] thước chùm sáng): 54 cm2 xung giọt đi qua
(18 cm x 3 cm)
Bloemink Thies Clima® Cường độ mưa: <250 mm/h &Lanzinger Laser Kích thước hạt: 0,125-8,5 (2005) [8]; Precipitation mm chia làm 23 khoảng Clima (2007) Monitor (LPM) Vận tốc hạt: <11 m/s chia
[22]; làm 20 khoảng
Upton Động năng: Khơng đo
&Brawn Khoảng lấy mẫu ( kích
(2008) [18]; thước chùm sáng): 45,6 cm2 Anderson (22,5 cm x 2 cm) (2009) [25]; de Moraes Frasson(2011) [26] 20