Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả hệ thống đo mưa quang học - Tác giả Lai Thị Vân Quyên

LỜI CAM ĐOAN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến Điện tử và GS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học Bách Khoa St.

Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận án này là nghiên cứu của mình cùng với sự hỗ trợ về kinh phí của Bộ công thương thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: “Tiếp nhận, làm chủ công nghệ đo kích thước và vận tốc hạt bằng phương pháp quang học ứng dụng trong hệ thống quan trắc lượng mưa phục vụ nghiên cứu chống biến đổi khí hậu” và sự hỗ trợ về máy móc, thiết bị, nhân lực của Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả Lai Thị Vân Quyên i LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành được luận án này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.

Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến Điện tử, GS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học Bách Khoa St. Peterburg, và TS.

Nguyễn Thế Truyện – Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã tận tình hướng dẫn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa cùng các anh, chị, bạn bè đồng nghiệp trong Viện đã chia sẻ, động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện bản luận án này. Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình đã luôn bên tôi, quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành bản luận án này. Tác giả Lai Thị Vân Quyên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

II CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG .VI DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT. VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.IX MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa.

Các phương pháp đo kích thước hạt mưa. Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện.

Đánh giá và lựa chọn phương pháp đo nghiên cứu, cải tiến. Xây dựng bài toán nghiên cứu và nội dung công việc cần thực hiện. Kết luận chương I. 35 CHƯƠNG II.

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC, KÍCH THƯỚC HẠT MƯA. Mô hình đo và những hạn chế. Đề xuất về khoa học. Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý số liệu.

Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện. Phân tích các xung quang điện. Đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý tính kích thước và tốc độ hạt. Biểu thức tính kích thước hạt.

Biểu thức tính vận tốc hạt. Đề xuất thuật toán tính kích thước và vận tốc hạt. Đề xuất hoàn thiện công nghệ. Thay thế nguồn sáng.

Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang. Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu. Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo. Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa của luận án.

Đánh giá mô hình toán học đề xuất cho dạng hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc. Kết luận chương II. 69 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT.

Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc bằng thực nghiệm. Tham số đánh giá. Mô hình đánh giá. Kết quả và đánh giá.

Triển khai, đánh giá thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Kịch bản đánh giá 1 thử nghiệm với viên bi sắt. Kịch bản đánh giá 2 thử nghiệm với hạt lỏng thả từ ống nhỏ giọt. Kịch bản đánh giá 3 thử nghiệm với mô hình tạo mưa.

Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mòn. Mô hình kịch bản đánh giá. Phân tích, xử lý số liệu thông số trận mưa đo được và đề xuất ứng dụng đánh giá xói mòn đất ở Việt Nam. Kết luận chương III.

99 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 100 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Hình xung quang điện khi thả các viên bi sắt đường kính khác nhau qua khoảng đo của thiết bị và một số đánh giá sơ bộ.

Bản vẽ thiết kế phần điện tử của thiết bị đo mưa cải tiến. Các kết quả đo với mô hình thử nghiệm với viên bi sắt. 123 iv Phụ lục 4: Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo. Module phần mềm tính toán các tham số hạt mưa và trận mưa.

135 v CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG Ký Ý nghĩa hiệu D Đường kính I Cường độ mưa ix_y Giá trị rời rạc trong tập giá trị mô tả xung quang điện thu được tương ứng với giá trị mức x% của biên độ xung lớn nhất trên sườn xung thứ y KE Động năng của mưa lc Chiều dài của khe nhạy sáng ld Độ bằng đầu của xung quang điện thu được M Độ sâu điều chế R Lượng mưa Umax Biên độ cực đại của xung quang điện thu được Umin Biên độ cực tiểu của xung quang điện thu được v Vận tốc g Khoảng cách giữa các khe nhạy sáng w Chiều rộng của khe nhạy sáng vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ gốc Nghĩa tiếng Việt tắt 2DVD Two Dimension Video Thiết bị đo mưa bằng hình ảnh hai Disdrometer chiều D Diameter Đường kính DIA Dynamic Image Analysis Phân tích hình ảnh động DLS Dynamic Lighty Scattering Tán xạ ánh sáng động I Intensity Cường độ JWD Joss Waldvogel Disdrometer Thiết bị đo mưa Joss Waldvogel KE Kinetic Energy Động năng LALLS Low Angle Laser Light Tán xạ góc hẹp ánh sáng laser Scattering LD Laser Diode Laser điốt LD-DM Laser Diffraction – Dynamic Nhiễu xạ laser chế độ động Mode LD-SM Laser Diffraction – Static Mode Nhiễu xạ laser chế độ tĩnh LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang OP Optical Counting Đếm quang học Parsivel Particle Size Velocity Tốc độ và kích thước hạt P-POD Paired pulse optical Disdrometer Thiết bị đo mưa quang học loại hai xung RUSLE Revised Universal Soil Loss Phương trình mất đất hiệu chỉnh Equation SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SIA Static Image Analysis Phân tích hình ảnh tĩnh SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu vii SVI Snowflake Video Imager Thiết bị đo tuyết bằng hình ảnh TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy TLPM Thies Laser Precipitation Máy đo lượng mưa bằng laser Thies Monitor USLE Universal Soil Loss Equation Phương trình mất đất tổng quát viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Nguyên lý đo kích thước bằng tác động cơ học [22]. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22]. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hình ảnh [22,57].

Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hiệu ứng quang. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạt. Mô hình đo của thiết bị P-POD [30]. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26].

Hai mô hình đo Thies LPM và Parsivel 2. Mô tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8]. Mô tả các mặt chiếu của mô hình đo Parsivel1 [38]. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38].

Mặt khe nhạy sáng trong mô hình D. Sơ đồ khối thiết bị đo hạt từ hai xung quang điện [14]. Mô tả một dạng xung quang điện thu được trong mô hình D. Malyugin [16] khi hạt rơi qua khoảng đo.

Một đường cong hiệu chỉnh M(R)-1 và C(R)-2 trong mô hình đo bằng độ sâu điều chế [14]. Mô hình thực tế thiết bị đo kích thước hạt trong nghiên cứu [14,16]. Mô hình thiết bị cải tiến của Bryson Evan Winsky. Xung quang điện thu được trên thiết bị đo ở công trình [3].

Các dường cong phân tích đa thức và hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa đường kính hạt thực với đường kính D1. Sơ đồ kết cấu hệ đo do D. Mô hình thực nghiệm xác định xung quang điện. Hình dạng xung hai chồi trên cảm biến quang ứng với vị trí rơi của hạt.

Hình dạng xung hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi. Mô tả hình dạng một chồi xung sau xử lý với phần cứng của luận án. Mô tả các điểm lựa chọn trong xung quang điện dạng hai chồi. Sự phụ thuộc của đường kính D vào k075.

Dạng xung quang điện có một chồi. Mô tả xung quang điện ứng với vị trí của hạt khi bay vào khoảng đo. Sơ đồ thuật toán xác định dạng xung và biến số tương ứng. Sơ đồ thuật toán xác định đường kính và vận tốc hạt.

Mô tả cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất. Sơ đồ khối thiết bị đo mưa của luận án. Lò xo chỉnh nguồn quang của hệ quang. Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất.

Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa của luận án. Kết quả hiệu chỉnh mềm với các hạt nhỏ hơn 3,5mm. Mô hình kịch bản đánh giá hai phương pháp đo. Lưu đồ thuật toán đo D và so sánh theo hai phương pháp M và k 075.

So sánh đường kính trung bình của hai phương pháp tính với hạt mẫu. So sánh sai số của hai phương pháp tính với hạt mẫu. Hình ảnh viên bi mẫu có đường kính biết trước. Đường kính đo của từng cỡ bi mẫu trong mô hình thử nghiệm 1.

Đường kính trung bình của viên bi trong mô hình thử nghiệm 1. Sai số tương đối của viên bi trong mô hình thử nghiệm 1. Mô hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 2. Các loại đầu nhỏ giọt sử dụng.

Kết quả đo kích thước hạt nước với từng cỡ đầu khi tốc độ không đổi. Kết quả đo kích thước hạt nước khi tốc độ thay đổi .