Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học" được nghiên cứu với mục tiêu đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính đường kính và vận tốc tương đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo đường kính hạt bằng hai xung quang điện; hoàn thiện công nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mô hình đo gốc rồi từ đó thiết kế, chế tạo thiết bị có thể hoạt động trong thực tế...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA --------------------------- LAI THỊ VÂN QUYÊN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số ngành: 9.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - NĂM 2022
Công trình được hoàn thành tại Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Người hướng dẫn 1. PGS.TSKH. Nguyễn Hồng Vũ Người hướng dẫn 2: GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin Phản biện độc lập 1: …….……………………………………………….. Phản biện độc lập 2: ……………………………………………………... Phản biện 1: ................................................................................................ Phản biện 2: ................................................................................................ Phản biện 3: ............................................................................................... Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá họp tại: Phòng họp, tầng 6, Nhà C, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa. Địa chỉ: 156A, Quán Thánh, Ba Đình, Hà Nội vào lúc …….giờ ….. ngày …… tháng ….. năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa - Thư viện Đại học Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU Hệ thống thiết bị đo mưa cung cấp cho người sử dụng các thông số về hạt mưa như kích thước, vận tốc hạt mưa, thông số về trận mưa như cường độ mưa, lượng mưa.... Trong các thông số đó, phân bố kích thước hạt mưa có ý nghĩa lớn đối với nhiều ứng dụng như truyền sóng, sói mòn đất, nghiên cứu khí tượng, môi trường, vật lý khí quyển, đo lường cấu trúc tầng đối lưu,…. Thiết bị đo mưa chao lật được sử dụng rộng rãi hiện nay không thể đo được các thông số hạt mưa mà cần phải có các dòng thiết bị khác dựa trên nguyên lý cơ học, xử lý hình ảnh và hiệu ứng quang học. Khắc phục những nhược điểm như không đo được hạt có vận tốc cao, nhiễu môi trường lớn của các thiết bị đo bằng tác động cơ học, cồng kềnh, khó vận chuyển, triển khai lắp đặt, giá thành cao của thiết bị đo bằng hình ảnh, các thiết bị đo bằng hiệu ứng quang học đã trở thành lựa chọn hợp lý trong đo kích thước hạt mưa. Trong nhóm này, đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai xung quang điện do Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I đề xuất được lựa chọn để nghiên cứu, nâng cao hiệu quả đo. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: bài toán đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai xung quang điện. Phạm vi nghiên cứu: tập trung nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu dựa trên hai xung quang điện thu được và hoàn thiện một phần công nghệ trong bài toán tính kích thước tương đương của hạt mưa do hai nhà khoa học D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Mục tiêu của luận án 1. Về khoa học: Đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính đường kính và vận tốc tương đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo đường kính hạt bằng hai xung quang điện. 2. Về công nghệ: Hoàn thiện công nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mô hình đo gốc rồi từ đó thiết kế, chế tạo thiết bị có thể hoạt động trong thực tế. 1
3. Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa và các tham số mưa có khả năng nhúng vào hệ thống giám sát khí tượng. Phương pháp nghiên cứu của luận án Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích công trình của hai nhà khoa học V.I. Malygin và D.V. Kiesewetter, xây dựng mô hình toán học của bài toán đo các tham số hạt mưa, tìm ra mối quan hệ của các tham số trong mô hình bằng thực nghiệm và lý thuyết thống kê. Hoàn thiện công nghệ, chế tạo thiết bị đo mưa ứng dụng lý thuyết thực nghiệm, nguyên lý thiết kế máy. Nội dung nghiên cứu của Luận án Bố cục của Luận án gồm ba chương: Chương I. Trình bày những kết quả nghiên cứu, khảo sát và đánh giá về đo kích thước hạt mưa, từ đó đưa ra những vấn đề cần giải quyết của luận án. Lựa chọn phương pháp đo, nâng cao độ chính xác của phép đo và phương pháp tính kích thước hạt. Cụ thể lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện với phần cứng theo nguyên mẫu của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin để nghiên cứu. Chương II. Trình bày những cơ sở nâng cao hiệu quả của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện theo mô hình của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin. Những đề xuất gồm: đề xuất thuật toán và biểu thức tính kích thước và vận tốc tương đương của hạt mưa; đề xuất hoàn thiện công nghệ bằng việc thay thế một phần mô hình đo gốc. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo mưa của luận án cho phép chạy ngoài trời. Chương III. Tập trung đánh giá hiệu quả biểu thức, thuật toán đề xuất trong thiết bị đo mưa so với nghiên cứu trước đó bằng thực nghiệm. Thử nghiệm đánh giá thiết bị trong phòng thí nghiệm với viên bi sắt, các đầu nhỏ giọt nước, hệ tạo mưa giả lập. Luận án đã bước đầu đưa ra phương pháp xử lý các thông số hạt mưa, trận mưa đo được phục vụ đánh giá sói mòn đất do hạt rơi khi tiến hành thử nghiệm thiết bị trong thực tế. Phần cuối. Trình bày một số kết quả mới đạt được và hướng nghiên cứu tiếp. 2
CHƯƠNG I. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA BẰNG QUANG HỌC 1.1. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa 1.1.1. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa Dựa trên nguyên lý ứng dụng có thể phân thành các nhóm thiết bị: đo bằng tác động cơ học, đo bằng hình ảnh, đo bằng hiệu ứng quang học. Nhóm đo kích thước hạt mưa bằng tác động cơ học đầu tiên là đo bằng màng lọc, sau đó đo bằng tác động của hạt lên cảm biến cơ điện. Nhóm này dễ bị nhiễu khi có các trận mưa lớn, gió to và không đo được vận tốc hạt. Nhóm thiết bị đo bằng hình ảnh sử dụng camera để chụp ảnh của các hạt mưa rồi dùng các phần mềm xử lý ảnh trên máy tính để phân tích, tính toán các thông số của hạt. Nhóm này đo được nhiều thông số như kích thước, vận tốc, hình dạng nhưng thiết bị khá cồng kềnh, giá thành cũng đắt gấp 3 đến 5 lần so với nhóm khác. Nhóm đo bằng hiệu ứng quang học sử dụng nguồn sáng và điốt quang để đo các thông số kích thước và vận tốc của hạt mưa. Tùy theo số lượng dải ánh sáng đi đến điốt quang có thể phân ra thành hai loại là: loại một dải sáng và hai dải sáng tương ứng là loại một xung và hai xung. Nhóm này khắc phục được nhược điểm của hai nhóm trên nên Luận án lựa chọn để nghiên cứu, nâng cao chất lượng phép đo. 1.1.2. Các phương pháp đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học 1.1.2.1. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện Kích thước và vận tốc hạt mưa được nội suy từ biên độ và độ rộng của một xung quang điện thu được. Các thông số này của xung phụ thuộc vào vị trí hạt đi qua khoảng đo nên dễ bị nhiễu hơn khi mật độ năng lượng của dải sáng chiếu đến điốt quang không đồng đều. 1.1.2.2. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện Kích thước và vận tốc hạt được nội suy từ biên độ và độ rộng của hai xung quang điện nên những sai số do vị trí hạt cắt qua dải sáng đã được 3
hạn chế. Nghiên cứu của Bryson Evan Winsky (2012) tính vận tốc hạt từ phân tích các xung rồi nội suy ra đường kính. Nnghiên cứu của V.I. Malygin và D.V. Kiesewetter (2004), (2009), đường kính của hạt được tính từ độ sâu điều chế M của các xung do đó hạn chế sai số tính toán. 1.2. Đánh giá và lựa chọn phương pháp đo nghiên cứu, cải tiến Cách tiếp cận đo bằng hai xung giảm thiểu được ảnh hưởng của nhiễu trong kênh thu quang, yêu cầu về chất lượng của hệ quang và xác suất ra được kích thước đúng sẽ lớn hơn. Do đó, luận án lựa chọn phương pháp đo này để nghiên cứu, nâng cao độ chính xác của kết quả đo kích thước hạt. Nghiên cứu của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin có mô hình đo đơn giản và phương pháp tính có khả năng nhúng được trên vi xử lý cao nên luận án chọn mô hình này để nghiên cứu. 1.3. Xây dựng bài toán nghiên cứu và nội dung công việc Bài toán được đặt ra là: Nâng cao độ chính xác của phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng hai dải sáng chiếu tới cảm biến quang trên mô hình đo kích thước hạt do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Cụ thể: Về khoa học: Đề xuất thuật toán, biểu thức tính kích thước hạt mưa, vận tốc hạt mưa để nâng cao độ chính xác của kết quả đo dựa trên việc phân tích xung quang điện thu được; Về công nghệ: Đề xuất một kết cấu phần cứng giảm thiểu được nhiễu quang học, dễ hiệu chỉnh quang, bảo trì, bảo dưỡng có thể hoạt động được ngoài trời và kết nối thành hệ thống khí tượng; Về thực tiễn: Chế tạo được thiết bị đo mưa có khả năng hoạt động được ngoài trời và bước đầu đưa ra phương pháp xử lý đánh giá các thông số hạt mưa, trận mưa phục vụ đánh giá sói mòn. Giới hạn bài toán: Những đề xuất không tính đến nhiễu của môi trường ví dụ như nhiễu do côn trùng bay vào khu vực đo, hơi ẩm của môi trường. Dải đo: 0,5mm ÷ 6mm là dải kích thước hạt mưa phổ biến. Dự kiến nội dung công việc thực hiện: Nghiên cứu mô hình toán học thống kê để khảo sát, tìm mối liên quan giữa xung quang điện với kích 4
thước tương đương và vận tốc của hạt; Sử dụng lý thuyết mô phỏng để thực hiện nhúng thuật toán, biểu thức xử lý dữ liệu mới trên thiết bị; Sử dụng nguyên lý thiết kế máy và lý thuyết thực nghiệm để chế tạo thiết bị đo mưa có khả năng làm việc ngoài thực địa. Đánh giá các kết quả thử nghiệm và kết luận về tính hiệu quả của thuật toán được đề xuất. 1.4. Kết luận chương I Chương I của luận án đã trình bày tổng quan các phương pháp đo kích thước hạt mưa trong đó đi sâu về phân tích các phương pháp đo bằng hiệu ứng quang học. Từ những ưu nhược điểm của chúng, luận án lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng hai dải sáng của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin làm cơ sở để nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo. Sau khi lựa chọn, luận án cũng đồng thời xác định bài toán, giới hạn bài toán và hướng giải quyết. CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC, VẬN TỐC HẠT 2.1. Mô hình đo và những hạn chế Về khoa học, mô hình gốc tính toán đường kính hạt mưa dựa vào độ sâu điều chế M trên mô hình thử nghiệm. Vấn đề xử lý thông qua M bị phụ thuộc vào biên độ cực đại và cực tiểu của xung quang điện thu được. Khi đó, vấn đề nhiễu ở các đỉnh xung, vấn đề điểm cực của các chồi xung không bằng nhau sẽ gây ra các sai số không mong muốn. Không đo được các hạt nhỏ hơn khoảng cách giữa hai khe nhạy sáng. Về công nghệ, trong mô hình đo gốc (hình 2.1), nguồn sáng sử dụng là LED bước sóng 850nm nằm trong dải hồng ngoại và hệ quang gắn cứng trên trục nên hiệu chỉnh quang gặp nhiều khó khăn. Như vậy, trong chương II, tác giả sẽ đề xuất những cải tiến cả về khoa học và công nghệ : 5
- Về khoa học: Đề xuất biểu thức tính toán đường kính, vận tốc tương đương của hạt mưa dựa trên các xung quang điện thu được; Đề xuất thuật toán tính toán đường kính và vận tốc hạt mưa. - Về công nghệ: Thay đổi nguồn sáng để giảm thiểu nhiễu quang; Thay đổi cơ cấu điều chỉnh trục quang; Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu hiện đang sử dụng máy tính để tiến tới thiết kế, chế tạo được thiết bị có thể hoạt động ngoài thực địa. 2.2. Cải tiến phần mềm xử lý số liệu đo kích thước, vận tốc hạt 2.2.1. Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý 2.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện Coi kích thước hạt mưa là đường kính tương đương với hạt hình cầu có cùng đáp ứng quang điện. Hạt mưa có tiêu cự rất ngắn nên có thể coi như một vật đen tuyệt đối. Bởi thế, luận án sử dụng viên bi sắt có kích thước biết trước thả qua khoảng đo (hình 2.1) để thu các xung quang điện sau khối khuếch đại, lọc nhiễu 7 trên oscillo phục vụ phân tích. Các hạt có kích thước khác nhau nhận thấy các xung quang điện thu được cũng khác. Hình 2.1. Mô hình đo thực nghiệm xác định xung quang điện 6
2.2.1.2. Phân tích dạng xung quang điện  Dạng xung quang điện có một chồi Hình 2.2. Hình dạng xung hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi Không làm mất tính tổng quát, xét xung quang điện đảo lại so với xung trên cảm biến quang. Biên độ của chồi xung quang điện thể hiện lượng ánh sáng bị suy hao khi hạt đi qua khoảng đo. Khoảng cách giữa các sườn xung thể hiện thời gian hạt đi qua một quãng đường nào đó nằm trong khoảng đo. Umax1, Umax2 tương ứng thời điểm hạt che giữa tâm khe nhạy sáng. Umin tương ứng thời điểm hạt ở trung tâm khoảng cách giữa hai khe nhạy sáng 4. Xét quãng đường, thời gian hạt rơi từ điểm 1  2  3  4, tỷ số k (biểu thức 2.1) không đổi khi vận tốc mỗi hạt thay đổi và tỷ số k giảm khi đường kính D của hạt tăng. t 23 (2.1) k t12  t 23  t 34 Trong đó : t12, t23, t34 lần lượt là thời gian hạt đi qua các quãng đường 1  2 ;2  3 ;3  4. Do đó có thể tính đường kính D của hạt từ k khi thu được dạng xung hai chồi tức lúc hạt có D < w1+w2+g. Với D  g, điểm cực tiểu 7
bắt đầu có xu hướng tăng dần lên tức Umin tăng lên tiến dần đến Umax khi D tăng. Khi D < g, điểm cực tiểu bằng không và có xu hướng đi ngang một đoạn trước khi đi lên để tạo thành chồi xung tiếp theo.  Dạng xung quang điện có một chồi Xung quang điện có một chồi xung xảy ra khi hạt rơi qua khoảng đo có đường kính D  w1+w2+g tức t23 = 0. Lúc này, giá trị điểm cực tiểu của xung quang điện tăng bằng và vượt điểm cực đại (hình 2.3). Khi đó, điểm cực tiểu của dạng xung hai chồi trở thành điểm cực đại của dạng xung một chồi. Biên độ cực đại, diện tích bao bởi xung thay đổi đồng biến với đường kính hạt. Do đó có thể dựa vào biên độ cực đại của xung, độ bằng đầu của xung để nội suy ra đường kính của hạt. Hình 2.3. Dạng xung quang điện có một chồi 2.2.2. Đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý tính kích thước và tốc độ hạt 2.2.2.1. Tính kích thước hạt  Với các hạt tạo xung quang điện dạng hai chồi Từ phân tích ở mục 2.2.1.2, luận án lựa chọn điểm xác định tỷ số k sao cho càng gần điểm cực đại Umax1, Umax2 càng tốt để hạn chế việc khi điểm cực tiểu Umin tăng lên sẽ dẫn tới không xác định được những khoảng thời gian ở các chồi xung và khoảng trũng. Tuy nhiên, điểm xác định này cần phải đủ an toàn để không rơi vào khu vực xảy ra nhiễu ở các đỉnh xung nếu 8
có. Từ thực nghiệm, tác giả đề xuất chọn mức 0,75 của giá trị đỉnh xung để tính toán biến số k và tìm mối quan hệ giữa biến số này với đường kính D. Từ đây gọi là biến số k075 được tính theo biểu thức 2.2. i075 _ 3  i 075 _ 2 (2.2) k 075  i 075 _ 4  i 075 _1 Trong đó (hình 2.4): i075_1 : chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,75 U max1 ở sườn lên1 trong n mẫu i075_ 2 : chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,75 U max1 ở sườn xuống 1 trong n mẫu i075_ 3 : chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,75 U max 2 ở sườn lên 2 trong n mẫu i075_ 4 :chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,75 U max 2 ở sườn xuống 2 trong n mẫu Bằng thực nghiệm, tính năng phân tích đa thức và hồi quy bậc hai trong phần mềm Origin, tập các hạt mẫu, khi tiến hành thả các hạt nhiều lần qua khoảng đo sẽ xác định được mối quan hệ giữa biến số k075 với đường kính D của hạt. Mối quan hệ D(k075) được mô tả trong biểu thức 2.3. D  A  B1k075  B2 k075 2 (2.3) Hình 2.4. Xung quang điện dạng hai chồi đảo ngược và các điểm đặc trưng 9
 Với các hạt tạo xung quang điện dạng một chồi + Trường hợp xung có một chồi không bằng đầu tương tự cách làm trong trường hợp trên có thể xác định được mối quan hệ giữa biên độ cực đại umax của xung với đường kính D của hạt trong biểu thức 2.4. D  A11  B11u max  B12 u 2max (2.4) + Trường hợp xung có một chồi bằng đầu tự cách làm trong trường hợp trên có thể xác định được mối quan hệ giữa độ rộng bằng đầu ld với đường kính D của hạt trong biểu thức 2.5. D  A11  B11ld  B22 ld2 (2.5) Đề xuất đã được công bố trong bài báo số 3. 2.2.2.2. Tính vận tốc hạt + Với hạt có đường kính lớn hơn độ rộng của hai khe nhạy sáng, vận tốc tính theo biểu thức 2.6. 2w  g (2.6) vh  kv  (i05_ 2  i05 _1 )   Trong đó g – khoảng cách giữa các khe nhạy sáng w – độ rộng của khe nhạy sáng.  : khoảng thời gian lấy mẫu D 3 kv  1  . : hệ số hiệu chỉnh vận tốc 2 g i05 _1 : chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,5 U max1 ở sườn lên 1 i05 _ 2 : chỉ số mẫu ứng với giá trị 0,5 U max 2 ở sườn xuống 2 + Với hạt có đường kính nhỏ hơn độ rộng của hai khe nhạy sáng, vận tốc tính theo biểu thức 2.7. g (2.7) vh  (imax 2  imax1 )   10
2.2.2.3. Đề xuất thuật toán tính kích thước và vận tốc hạt Để tính được các thông số kích thước và vận tốc hạt cần phải trải qua hai bước: Xây dựng được đường cong hiệu chuẩn kích thước D(k075) hoặc D(umax) hoặc D(ld) tùy vào từng điều kiện ở mục 2.2.2.1; Tính đường kính và vận tốc hạt bằng cách nội suy từ hàm hiệu chuẩn kích thước và các biểu thức vận tốc. Thuật toán 2.1 minh họa quá trình xác định dạng xung và các biến số tương ứng (hình 2.5). Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán xác định dạng xung và biến số tương ứng 11
Thuật toán 2.2 minh họa quá trình xác định đường kính và vận tốc hạt (hình 2.6) Cả hai thuật toán đều đã được công bố trong bài báo số 2. Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán xác định đường kính và vận tốc hạt 2.3. Đề xuất hoàn thiện công nghệ 2.3.1. Thay thế nguồn sáng Xét về môi trường hoạt động thực tế của thiết bị, nguồn sáng hợp lý cho dòng thiết bị này là LED có bước sóng 650nm. Đây là nguồn sáng dạng bán dẫn, rẻ tiền, tính “coherence” thấp gần như không có nên ít bị ảnh hưởng của nhiễu đốm, ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, bước sóng ánh sáng nhìn thấy dễ điều chỉnh. 12
2.3.2. Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang Ở nghiên cứu gốc, hệ quang được gá lắp trên các thanh trục cứng nên việc hiệu chỉnh khó khăn, mất nhiều thời gian và công sức, dễ bị lệch khi có va đập cơ khí. Để hạn chế và hiệu chỉnh dễ dàng, đề xuất cải tiến cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang bằng hệ treo trên các lò xo. Hình 2.7 mô tả cấu trúc cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất. 1.Vít chỉnh trục x; 2.Vít chỉnh trục y; 3.Bộ vít và lò xo chỉnh tiêu cự; 4. Mạch cảm biến hoặc nguồn sáng; 5.Khung đỡ hệ điều chỉnh tiêu cự 3 và 4; 6. Giá đỡ thấu kính hoặc hệ thấu kính màn chắn 7.Thanh cứng nối khung 5 và giá 6; 8.Lò xo đè chỉnh trục x,y; 9. Nắp đậy ống thu/phát quang; 10.Vỏ ống thu phát quang Hình 2.7. Mô tả cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất 2.3.3. Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu Tác giả để xuất sử dụng các chip tốc độ cao kết hợp với lý thuyết thiết kế mạch điện tử và lý thuyết thiết kế máy để đưa ra thiết kế thiết bị đo kích thước hạt mưa, trận mưa có thể chạy được ở thực địa. 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo Từ mô hình đo mô tả trong hình 2.1 và những đề xuất cải tiến nguồn sáng, cơ cấu gá đỡ, điều chỉnh trục quang và phần cứng xử lý dữ liệu, luận án đưa ra thiết kế phần cứng thiết bị với sơ đồ khối trong hình 2.8. 13
Hình 2.8. Sơ đồ khối thiết bị đo mưa của luận án 2.3.4.1 Thiết kế phần quang của thiết bị đo mưa Việc lựa chọn các thành phần quang học của thiết bị sẽ như sau:. Nguồn sáng: lựa chọn LED bước sóng 650 nm. Cụ thể nguồn sáng là TLDR5800 của hãng ViShay. Cảm biến quang: lựa chọn photodiode BPW34 của Vishay. Thấu kính tạo chùm song song và hội tụ: lựa chọn thấu kính làm bằng thủy tinh quang học K8, hai mặt lồi, đường kính 53mm (đường kính thông quang 50mm), tiêu cự 100mm. Khe nhạy sáng: dải hạt mưa đo phổ biến trong khoảng (0,5-6mm) nên sẽ ưu tiên xung quang điện dạng có “khoảng lõm” ở các kích thước hạt này. Dựa vào thực nghiệm và khả năng gia công cơ khí, khe nhạy sáng có các kích thước: khoảng cách giữa 2 khe g=5mm; độ rộng mỗi khe w=1mm; chiều dài khe không vượt quá đường kính của thấu kính nên chọn 30mm. Thiết kế kỹ thuật cơ cấu gá đỡ và chỉnh định trục quang: Cơ cấu đỡ cơ khí sẽ bố trí thêm các lò xo chỉnh nguồn sáng và cảm biến vào đúng vị trí của tiêu cự trên trục quang (hình 2.9). 14
Hình 2.9. Lò xo chỉnh nguồn quang của hệ quang Bố trí khối phát quang, thu quang, khối mạch điện tử đồng trục trong hai ống nhôm loại 6061, đường kính trong 70mm, độ dày 5mm, sơn đen, một đầu được phay vát góc 45 độ, một đầu bằng có nắp đáy chống nước bằng nhựa ABS và keo silicon. 2.3.4.2 Thiết kế phần điện tử, xử lý dữ liệu đo Các khối phát quang sử dụng nguồn sáng được điều khiển bằng khối tạo tần số 455kHz độ chiếm trống (duty) 50%. Xung thu được trên cảm biến quang được đưa qua khối khuếch đại, lọc, tiền xử lý, ADC lấy mẫu với tần số 50kHz, xử lý tính toán trên vi xử lý STM32F407VGT6 theo các thuật toán đề xuất. Hình ảnh thiết bị chế tạo theo đề xuất chỉ ra trong hình 2.10. Hình 2.10. Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất 2.3.5. Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa cải tiến 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 15
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 ở khối thu và khối phát. Ở khối phát, chủ yếu hiệu chỉnh dòng điện cấp cho nguồn sáng, vị trí nguồn sáng trên trục quang. 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. Hình 2.11. Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị của luận án 2.3.5.2. Hiệu chỉnh phần mềm Mục đích của việc hiệu chỉnh phần mềm là cho thiết bị “học” các mẫu chuẩn (các viên bi sắt có kích thước khác nhau biết trước) để xây dựng được đường cong hiệu chuẩn tức tìm ra các hệ số A, B1, B2 trong các biểu 16
thức 2.3, 2.4, 2.5. Sơ đồ các bước hiệu chỉnh phần mềm được mô tả trong hình 2.11. 2.4. Đánh giá mô hình toán học đề xuất cho hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc Như đã phân tích ở mục 2.2.1, biểu thức 2.2, 2.3 chỉ có thể tính được khi kích thước hạt nhỏ hơn tổng độ rộng hai khe và khoảng cách giữa chúng. Đây cũng là hạn chế của cách tính dựa vào độ sâu điều chế M. Phương pháp tính dựa vào biến số k075: có thể tính toán đường kính khi điểm cực tiểu của xung quang điện do các hạt tạo ra bằng nhau nhưng theo độ sâu điều chế M thì không. Đó là các 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. 2.5. Kết luận chương II Chương II của Luận án đã trình bày những kết quả đề xuất về khoa học là đề xuất các biểu thức tính, thuật toán tính kích thước, vận tốc hạt mưa và đề xuất hoàn thiện công nghệ như cải tiến về nguồn sáng, cơ cấu chỉnh hệ quang, phần cứng xử lý tín hiệu số trên nghiên cứu gốc của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin. Đồng thời cũng đã chế tạo ra thiết bị đo mưa cải tiến và đưa ra cách hiệu chỉnh thiết bị trước khi ra thực tế. Các kết quả của chương II đã được công bố trong các bài báo 1,2, 3 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN THIẾT BỊ ĐO ĐỀ XUẤT 3.1. Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc bằng thực nghiệm Phương pháp tính kích thước hạt gốc dựa vào độ sâu điều chế của xung dạng hai chồi và 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, ở đây sử dụng dải hạt từ 1 mm ÷ 6mm để thực nghiệm, đánh giá. 17
3.1.1. Tham số đánh giá Tham số đánh giá là độ chính xác đường kính D đo được của hạt. D (3.1) D  *100% D Trong đó: D là sai số tuyệt đối của đường kính hạt; D : đường kính trung bình đo được của hạt khi thực hiện n lần đo 3.1.2. Mô hình đánh giá Hình 3.1. Mô hình kịch bản đánh giá hai phương pháp đo 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. 3.1.3. Kết quả và đánh giá  D< 3,5mm, sai số lớn nhất ở phương pháp nội suy từ M là: 6,92% lớn hơn so với phương pháp đề xuất (3,41%)  3,5