Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và triển khai chế tạo thiết bị thăm dò địa điện đa cực

Chia sẻ: Acacia2510 _Acacia2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là chế tạo thiết bị đo EIS đáng tin cậy cho thí nghiệm hiện trường, đánh giá nguồn nhiễu ở khu vực đô thị, đề xuất và thực hiện giải pháp triển khai nhanh việc chế tạo thiết bị ERT đa cực cho TNHT cũng như các ứng dụng liên quan.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Dự thảo tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu và triển khai chế tạo thiết bị thăm dò địa điện đa cực

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN *********** Trần Vĩnh Thắng NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ THĂM DÕ ĐỊA ĐIỆN ĐA CỰC Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 62440105 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ 0
Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Đức Vinh 2. TS. Đỗ Trung Kiên Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng cấp cơ sở chấm luận án tiến sĩ họp tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Vào hồi giờ ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 1
MỞ ĐẦU Phương pháp ảnh điện EIT, ERT là phương pháp vẽ ảnh cấu trúc điện của đối tượng vật chất thông qua các đại lượng vật lý như điện trở suất hay độ phân cực. Với đối tượng là bề mặt trái đất, các kết quả khảo sát ảnh điện thường bị ảnh hưởng bời nhiều nguồn nhiễu tự nhiên lẫn nhân tạo nhất là ở khu vực đô thị. Ngoài ra, các hiệu ứng ghép cặp điện từ ở tần số thấp cũng ảnh hưởng mạnh tới kết quả đo do không gian khảo sát rộng và cáp đa lõi dùng cho hệ thống đo đa điện cực. Gần đây, đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến phương pháp ảnh điện được ứng dụng trong các lĩnh vực như khảo sát các công trình ngầm, ô nhiễm môi trường đất hay phát triển nông nghiệp công nghệ cao. Các khảo sát đó thường được thực hiện ở khu vực đô thị hay cần quan trắc dài ngày và triển khai rộng rãi với chi phí thấp. Do đó, cần phải có những nghiên cứu cụ thể về phương pháp cũng như phương thức triển khai các thiết bị EIT phù hợp. Hiện nay, nhờ sự phát triển của vật lý, công nghệ điện tử viễn thông, các công cụ xử lý tín hiệu và số liệu hiện đại, việc giải các bài toán của khoa học và thực tế trở nên chính xác hơn và có nhiều cơ hội ứng dụng. Ngoài ra, sự phát triển và giảm giá thành của các tấm pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao, các thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện, pin Lithium Polymer cũng hứa hẹn nhiều giải pháp ứng dụng lý thú. Trước những thách thức nghiên cứu, nhu cầu triển khai ứng dụng thực tiễn, cũng như các thành quả lý thú của công nghệ hiện đại chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu và triển khai chế tạo thiết bị thăm dò địa điện đa cực” nhằm góp phần phát 1
triển phương pháp và các giải pháp ứng dụng trong điều kiện Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo thiết bị đo EIS đáng tin cậy cho thí nghiệm hiện trường, đánh giá nguồn nhiễu ở khu vực đô thị, đề xuất và thực hiện giải pháp triển khai nhanh việc chế tạo thiết bị ERT đa cực cho TNHT cũng như các ứng dụng liên quan. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan phương pháp ERT, EIT cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo EIS khi áp dụng cho điều kiện thí nghiệm trong lĩnh vực địa vật lý – KSTĐ. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo EIS cho thí nghiệm hiện trường về phần cứng, phần mềm, áp dụng các phương pháp xử lý số liệu và đánh giá các thông số kỹ thuật của thiết bị trong phòng thí nghiệm thông qua các chuẩn hóa với mẫu chuẩn, đánh giá khả năng TNHT. Tiến hành TNHT: đo và phân tích các nguồn nhiễu ngoài (tự nhiên, nhân tạo) tại khu vực đô thị, đo và ước lượng giá trị và độ bất định của tổng trở phức. Qua đó đánh giá về phổ của nhiễu nền và độ tin cậy của phép đo với thiết bị thử nghiệm. Đề xuất giải pháp kỹ thuật và triển khai nhanh việc chế tạo chế tạo thiết bị đo đa cực phù hợp với điều kiện Việt Nam và đánh giá hiệu quả giải pháp. Đề xuất các giải pháp ứng dụng qua những kết quả thu được cũng như hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện.. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm, kết hợp tính toán và thực hiện qua lập trình qua các 2
bước từ việc xây dựng thiết bị trong phòng thí nghiệm, và triển khai thí nghiệm ngoài hiện trường đến các ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu.. Những đóng góp mới của luận án Về mặt khoa học: Thông tin về nhiễu địa điện ở khu vực đô thị Hà Nội dùng cho việc lựa chọn các tần số khảo sát địa điện phù hợp. Góp phần bổ xung hoàn thiện phương pháp EIT hiện trường như: kỹ thuật thu phát toàn dạng sóng tùy ý, phương pháp ước lượng tham số với dạng sóng thu được, đo đồng thời điện trở suất một chiều và IP bằng phương pháp FDIP ở tần số > 1Hz với chỉ vài chu kỳ, điều đó giảm được thời gian khảo sát ảnh điện. Về mặt ứng dụng thực tiễn: 01 hệ đo EIS hiện trường, 01 hệ đo ERT đa cực, 02 giải pháp ứng dụng nhiễu để ước lượng mật độ giao thông và nguồn năng lượng mặt trời cho các thiết bị quan trắc ảnh địa điện. Cấu trúc của luận án Luận án gồm bốn chương: Chương 1: Tổng quan về bài toán EIT hiện trường. Chương 2: Xây dựng hệ đo phổ EIS cho thí nghiệm hiện trường. Chương 3: Trình bày các kết quả thu được trong quá trình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và KSTĐ. Chương 4: Đề xuất các giải pháp và ứng dụng thực tiễn. Cuối cùng là phần kết luận, danh mục các công trình đã công bố và tài liệu tham khảo. CHƢƠNG I. TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN HIỆN TRƢỜNG 3
Trình bày cơ sở phương pháp ảnh điện EIT, ERT, các ứng dụng của phương pháp, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, qua đó đánh giá được các vấn đề còn tồn tại và xác định được đối tượng và phạm vi của nghiên cứu, định hướng cho việc thực hiện nội dung nghiên cứu của luận án. CHƢƠNG II: XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ CHO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG Phần cứng: Gồm các mạch, modul điện tử xây dựng từ các linh kiện và modul DAQ công nghiệp cách ly điện. Bộ thu thập số liệu đa kênh DNA-AI-211 với 4 kênh vào độc lập 24 bít, lấy mẫu đồng thời 125 ksps và hoàn toàn cách ly điện đến 350Vdc giữa các phần với nhau. Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường Bộ nguồn phát tín hiệu có dạng sóng tùy được điều khiển 4
bằng máy tính qua cổng USB dùng DDS-3X25 có dải tần từ 1 Hz đến 2 kHz. Mạch khuếch đại đệm cách ly điện áp dùng AD203SN và mạch lọc thông thấp 50 kHz. Module chuyển đổi số-tương tự DNA-AO-308 dùng cho tần số thấp mHz đến 1 kHz đồng thời đặt điện áp ngưỡng DC và hệ số khuếch đại cho mạch tương tự nhân và cộng tín hiệu dùng IC MPY634 theo công thức (2.1). VwVA V out   VDC (2.1) 10 Toàn bộ hệ thống bao gồm bộ phát sóng kích thích và thu thập dữ liệu được kết nối về với máy tính qua mạng LAN, USB cách ly điện hoàn toàn so với đất và với các bộ phận với nhau. Mạch chuyển đổi điện áp – dòng điện V-I dùng khuếch đại thuật toán PA85A Apex cho dòng điện phát cực đại 100 mA với điện áp bám ±200Vpp. Hình 2.6. Sơ đồ phần mạch ASP Bộ nguồn cao áp gồm 18 module chuyển đổi DC-DC 9- 36Vdc sang ±12V dùng ASD0512D12 mắc nối tiếp để cung cấp điện áp max 216V ở dòng điện cực đại 170 mA cho PA85A. Phần cứng của thiết bị được cho gọn vào trong một ống PVC để bảo đảm về điều kiện làm việc cơ học (hình 2.9). 5
Hình 2.9Hình ảnh minh họa hệ thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường Phần mềm Phần mềm thu thập dữ liệu và điều khiển viết bằng Labview và chạy trên hệ điều hành Windows, có khả năng thiết lập các tham số phát như cường độ dòng phát, dạng sóng, chu kỳ phát. Đồng thời thiết lập các tham số thu như tốc độ lấy mẫu, hệ số khuếch đại, xử lý tín hiệu và hiển thị, lưu trữ kết quả. 6
Hình 2.11 Minh họa phần mềm đo phổ tổng trở (a) giao diện, (b) sơ đồ chương trình Chương trình phần mềm thực hiện các công đoạn xử lý số sau: tín hiệu thu được toàn dạng sóng theo thời gian được lọc nhiễu qua bộ lọc thông thấp tần số cắt tùy chọn. Tiếp đó, phương pháp ước lượng tham số của U và I theo mô hình toán học của tín hiệu + nhiễu được xây dựng dựa trên đặc tính của nguồn nhiễu đã được phân tích, kết hợp với biểu diễn toán học của dạng sóng phát. Mô hình dòng điện phát I  tk   I 0 cos tk  I   I  tk  (2.5) Mô hình hiệu điện thế phản hồi U  tk   U 0 cos U  cos tk  (2.7)  U 0 sin U  sin tk   A0  A1tk  U (tk ) Ma trận hệ số của I  I  t1    cos t1  sin t1        I  t2   cos t2  sin t2    a1      a2      (2.8)  I  t   cos tn  sin tn    n  Ma trận hệ số của U 7
 U  t1    cos t1  sin t1  1 t1   b1        U  t2   cos t2  sin t2  1 t2   b2        b3       (2.9)  U  t   cos tn  sin tn  1 tn   b4   n  Hệ phương trình (2.8) và (2.9) có thể giải đơn giản bằng máy tính, để thu được các hệ số ai, và bi tương ứng với a1  I 0 cos I  , a 2 =I0sin I  (2.10) từ đó ta có I 0  a12  a22 (2.11) a  I  arctan  2   a1  U 0  b12  b22 (2.12) b  U  arctan  2   b1  Các hệ số còn lại b2 = a0 và b3 =a1 tương ứng là thành phần một chiều và hệ số của điện áp trôi tuyến tính theo thời gian. Sai số của phép hồi quy (ước lượng) được phản ánh qua độ lệch chuẩn, tương ứng của dòng phát I và hiệu điện thế phản hổi U qua các hàm ước lượng được ở cùng thời điểm lấy mẫu là: 1 n I    I  tk   I est  tk   2 n k 1 (2.13) 1 n U   U  tk   U est  tk   2 n k 1 Trở kháng Zmeas được tính theo định luật Ohm với sai số truyền Z 8
U0 Z meas  I0 2 2 (2.14) Z  U 0   I 0  Z MSE  meas      Z meas  U0   I0  Pha của Z được tính theo công thức U eiU  Z ( )   I ( )  U ( )  Z e  I U   i   Z eiz  Z ( )  U ( )   I ( )  i I Ie Kết luận chƣơng 2: Hệ đo phổ tổng trở cho khảo sát thực địa đã được xây dựng hoàn chỉnh và đạt được các thông số cơ bản sau: + Bộ DAQ 4 kênh đo đồng thời các đại lượng Uc, Im, Um, và dự phòng cho tín hiệu tham chiếu, tín hiệu trực giao. Độ phân giải 24 bít với tốc độ tối đa 125 ksps. + Nguồn phát dòng có dạng sóng tùy ý: sin, xung vuông có độ rộng xung 50 và 100%. Biên độ dòng điện max đến 100 mAp, điện áp bám 200Vpp max, dải tần số đo từ DC đến 3 kHz (giới hạn bởi bộ khuếch đại cách ly). + Các khối được bảo vệ điện, cách ly theo chuẩn công nghiệp, phù hợp với các điều kiện KSTĐ + Phần mềm GUI viết bằng Labview thực hiện 3 công đoạn chính: thu thập dữ liệu, ước lượng tổng trở Z(). Hệ đo hứa hẹn là công cụ hữu dụng để đo phổ tổng trở EIS hiện trường hay trong các ứng dụng cần đo EIS trong y sinh, hóa học, khoa học vật liệu hay địa vật lý. CHƢƠNG III: KẾT QUẢ ĐO VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU Nội dung bao gồm các đánh giá kết quả đo trong phòng thí nghiệm, và thí nghiệm hiện trường tại khu vực đô thị: khuôn 9
viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội khu vực Thượng Đình, nơi có mật độ giao thông cùng các hoạt động công nghiệp, xây dựng mật độ cao. Các đặc trƣng của thiết bị Nhiễu nền được đo bằng cách chập mạch lối vào để đo nhiễu nội, với thang đo lớn nhất ± 10V, sai số RMS của cường độ dòng điện I~27A, và hiệu điện thế U ~ 580 V bao gồm cả nhiễu 50 Hz bởi tính đến ảnh hưởng của cáp. Dải tần phát từ 1 Hz đến 3 kHz, các đặc trưng bao gồm: đặc trưng tần số và đặc trưng tải. Biên độ của tín hiệu phát tỷ lệ với cường độ dòng điện phát và thay đổi được với mức phân giải đến 100 uA. Với biên độ dòng điện đặt I=10 mA, cường độ dòng điện phát hầu như không thay đổi trong dải tần số thấp dưới 1000 Hz, ở tần số cao ~ 2000 Hz, dòng điện đo được giảm ~ 0.3 mA tương đương sai số cực đại khoảng 3%. Sai số này là do điện dung ký sinh của mạch công suất đã bắt đầu có sự ảnh hưởng ở tần số cao. Hình 3.3 Phổ tổng trở (a) và phổ pha (rad) (b) của các trở tải khác nhau 10
Kết quả đo với các mẫu thuần trở có các giá trị tương ứng là 10, 100, 1000 và 10000 Ohm, và dung sai 0.1% với cáp dài 30 m cho thấy sự ảnh hưởng của cáp tín hiệu khá rõ ràng. Hình 3.4 Phổ tổng trở của mạch RC song song Kết quả hiệu chỉnh EMCE với phổ tổng trở của mạch điện gồm tụ điện 470 nF ghép song song với điện trở thuần 100  là phù hợp với kết quả tính toán mạch RC song song. Kết quả thí nghiệm hiện trƣờng Địa điểm tiến hành được thực hiện tại sân T1, trường ĐHKHTN-ĐHQG Hà Nội. Hệ điện cực gồm có hai điện cực dòng, hai điện cực thế được cắm theo cấu hình Wenner với khoảng cách a = 5m. Dạng tín hiệu phát và thu thử nghiệm là dạng sin với biên độ của dòng điện phát nhỏ nhất 1 mA (a) (b) Hình 3.7. Tín hiệu phát (a) và thu (b) với dạng sóng sine 11
. Biểu diễn của các tín theo theo thời gian được minh họa như trên hình 3.7, kết quả ước lượng tham số minh họa trên hình 3.8. Với cường độ dòng phát nhỏ (1 mA) cho thấy tín hiệu phải hồi thu được có ảnh hưởng khá mạnh bởi của nhiễu ngoài, tuy vậy kết quả sau khi xử lý số liệu vẫn cho kết quả có độ chính xác khá cao. Hình 3.8. Minh họa phương pháp khớp hàm sine Phổ FFT của cường độ dòng điện phát 1 mA và tín hiệu thu được trên hai điện cực thế ở tần số 1 Hz, đo ở tốc độ lẫy mẫu 1000 sps tại thời điểm khảo sát minh họa như trên hình 3.11. Ngoài tín hiệu phát đặt ở tần số 1 Hz, các hài bậc cao xuất hiện do chất lượng nguồn phát DDS3X25, tuy nhiên các hài bậc cao này có biên độ nhỏ hơn nhiều so với dòng phát (~ -60 dB). Tín hiệu thu được có nhiễu nền thấp ngoại trừ nhiễu 50 Hz và hài bậc cao của nó. Một số dải tần khác vùng từ 800-1000 Hz và hài bậc hai của dải tần này xuất hiện tại thời điểm khảo sát 12
Hình 3.11 phổ FFT của dòng phát (trên) và hiệu điện thế phản hồi (dưới) . Hình 3.12. Nhiễu địa điện khu vực HUS Phổ trở suất phức () tính bằng cách chia tổng trở biểu kiến đo được cho hệ số cấu hình cực K =2a trong dải tần số từ 1-3000 Hz (hình 3.13). Sai số MSE của các kết quả đo () tính theo công thức 2.14 minh họa như trên hình 3.14. Với cường độ dòng nhỏ nhất được sử dụng là 1 mA, sai số MSE% 13
(Cv) với điểm đo T1 lớn nhất tính được không quá 14%, với toàn bộ điểm đo, Cv ~ 4%. Hình 3.13 Phổ tổng trở của điểm khảo sát T1 Hình 3.14 MSE của trở suất phức đo được tại T1 Trong dải tần số thấp dưới 10 Hz, phần thực coi như không đổi khoảng 34 .m, qua đó ta có thể sử dụng dải tần này để khảo sát ERT cho hệ đa cực sử dụng cáp nhiều lõi, điều đó làm tăng tốc độ khảo sát lên nhiều lần. Kết luận chƣơng 3: Thiết bị đo phổ tổng trở EIS cho thí nghiệm hiện trường đã được chế tạo đáp ứng được mục tiêu đề ra. Điểm nổi bật là bằng phương pháp ước lượng tham số với dữ liệu thu được toàn 14
dạng sóng, các giá trị tổng trở có thể đo được chính xác ngoài hiện trường đô thị với dòng phát rất bé chỉ 1 mA thể hiện qua phổ tổng trở thể hiện là liên tục, phổ pha có sự thăng giáng ở nhiễu 50 Hz do biên độ này khá lớn trong điều kiện đô thị. CHƢƠNG IV: CÁC GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG Giải pháp triển khai nhanh thiết bị thăm dò điện DC đa cực Với mục tiêu nhanh chóng triển khai các hệ thăm dò ảnh điện đa cực phù hợp với khảo sát thực địa, và ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao cũng như quan trắc môi trường. Chúng tôi đề xuất giải pháp và chế tạo thử nghiệm thiết bị thăm dò ERT đa cực dựa trên các module DAQ công nghiệp, các mạch điện tử, cáp đa lõi có giá thành hợp lý, phổ biến. Hệ đo điện đa cực được chế tạo thử nghiệm thành công gồm: 24 điện cực, chuyển mạch relay, các hoạt động được điều khiển bởi phần mềm. Dữ liệu toàn dạng sóng thu được có độ phân giải 16 bít, sau đó được dùng để ước lượng điện trở suất biểu kiến, lưu thành file theo cấu trúc có thể đọc được bởi các phần mềm tái tạo hình ảnh ERT thông dụng. Tính hiệu quả của giải pháp thể hiện qua các thử nghiệm thực tế, với sự so sánh kết quả theo TCVN và với thiết bị thương mại của Hoa Kỳ. Bên trong thiết bị thử nghiệm Thiết bị và cable Hình 4.2, Hình ảnh minh họa thiết bị ERT hiện trường 15
(a) Dữ liệu thô (b) Dữ liệu sau khi bỏ kỳ dị (c) Đường hồi quy, loại bỏ SP (d) Dữ liệu sau khi loại bỏ SP, phân cực Hình 4.7 kết quả các quá trình xử lý dữ liệu Tính trung bình Hồi quy tuyến tính Hình 4.8 Hai cách ước lượng điện trở suất biểu kiến 16
Thiết bị chuẩn hóa thông qua kết quả đo đối với mạng điện trở chuẩn mô tả điệ trở biểu kiến và điện trở tiếp xúc. So sánh với thiết bị thương mại SuperSting R1 (AGI) qua kết quả đo tại 5 khu vực khác nhau trong thành phố Hà Nội. Kết quả cho thấy trong dải điện trở suất khảo sát từ 15-85 m, sai số hệ thống < 1.5% và khi khác biệt với SuperSting R1 khoảng 2.5% tương ứng với dòng phát trung bình của thiết bị ~ 30mA trong khi SuperSting là 300 mA. a) b) Hình 4.9 Kết quả so sánh hai thiết bị Hình 4.10: Hình ảnh 2D được tạo bởi phần mềm tái tạo hình ảnh Earth Imager (a) thiết bị thử nghiệm 17
Hình 4.10: Hình ảnh 2D được tạo bởi phần mềm tái tạo hình ảnh Earth Imager (b) SuperSting R1 Ƣớc lƣợng mật độ và tốc độ trung bình phƣơng tiện cơ giới tham gia giao thông đƣờng bộ Các kết quả khảo sát nhiễu địa điện ở khu vực đô thị cho thấy các nguồn nhiễu băng thông rộng trong vùng từ 1-2000 Hz. Trong đó có nguồn nhiễu do các phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ gây ra. Minh chứng thể hiện qua kết quả thu nhận đồng thời nhiễu điện từ thu được trên phương tiện giao thông phổ biến là ô tô và tín hiệu điện dưới mặt đất thông qua hai điện cực bên dưới xe ở các trạng thái: tắt máy và nổ máy với vòng tua khác nhau. Hình 4.11 Phổ tương quan của nhiễu điện từ do ô-tô gây ra 18