chương I của luận án. Đồng thời, ưu, nhược điểm của các phương pháp cũng sẽ được đánh giá để từ đó lựa chọn phương pháp đo phù hợp cho việc nghiên cứu và cải tiến nâng cao độ chính xác của kết quả đo trong công trình này. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa 1. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa Đo kích thước hạt mưa là một phép đo chiều dài có đơn vị là mét (ký hiệu là m) trong hệ SI.
Với các hạt hình cầu, đường kính hoặc bán kính là thông số mô tả đầy đủ về kích thước hạt. Nhưng với các hạt phi hình cầu thì cần nhiều hơn một số liệu để mô tả ví dụ như với hạt có hình hộp chữ nhật thì cần có các số liệu về chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Trong thực tế, chủ yếu là các hạt phi hình cầu nên khái niệm kích thước hạt ở đây sẽ là “kích thước tương đương” cụ thể là đường kính tương đương với đường kính của hạt hình cầu. Do đó trong luận án, khi nhắc tới kích thước hạt chính là đường kính tương đương hình cầu của hạt mưa có cùng đáp ứng quang học.
Để đo thông số hạt mưa, đã có những phương pháp được đưa ra chia thành hai nhóm đo thủ công và đo tự động. Nhóm đo kích thước hạt mưa thủ công Ngay từ những năm 1900, đã có các nghiên cứu sử dụng những kỹ thuật thủ công để đo kích thước hạt mưa. Các kỹ thuật đo thủ công có thể kể đến: - Phương pháp đo thông qua vết trên giấy thấm đã nhuộm khi hạt mưa rơi vào được đề xuất đầu tiên trong công trình nghiên cứu của Lowe [39] năm 1892; 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Phương pháp viên bột do Bentley [9] đề xuất đầu tiên năm 1904 đo kích thước hạt mưa thông qua kích thước viên bột tạo ra khi hạt mưa rơi vào bột đã sàng mịn; - Phương pháp ngâm dầu được Fuchs and Petrjanoff [21] để xuất đầu tiên vào năm 1937 lợi dụng độ nhớt thấp và tính chất kỵ nước của dầu khiến các giọt mưa tạo thành các khối lỏng hình cầu nằm trong dầu khi rơi vào sau đó dùng kính hiển vi hoặc ảnh chụp để đo kích thước của hạt mưa. Các phương pháp đo thủ công này đơn giản nhưng tốn thời gian, hạn chế về tính chính xác của kết quả đo và tính thời gian thực, không đo được vận tốc của hạt mưa.
Nhóm đo kích thước hạt mưa tự động Máy đo thông số mưa tự động được sử dụng phổ biến hiện nay là thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Thiết bị này chỉ có thể đo lượng mưa, cường độ mưa và thời gian mưa. Khi cần đo kích thước hạt mưa người ta phải dùng các dòng thiết bị khác. Dựa trên nguyên lý ứng dụng có thể phân thiết bị đo kích thước hạt mưa thành các nhóm: đo bằng tác động cơ học, đo bằng hình ảnh, đo bằng hiệu ứng quang học.
Nhóm đo bằng tác động cơ học điển hình là công trình của Joss and Waldvogel (1967) [51] nghiên cứu đo kích thước bằng tác động của hạt lên cảm biến cơ điện. Nguyên lý đo được chỉ ra trên hình 1. Hạt rơi Lõi từ Dòng ra Cuộn cảm Cuộn cảm Ở điều kiện bình thường Khi có hạt rơi trên màng Hình 1. Nguyên lý đo kích thước bằng tác động cơ học [22] Khi hạt rơi trên màng di động của thiết bị JWD sẽ làm dịch chuyển lõi từ của 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cuộn cảm khiến năng lượng điện từ thay đổi.
Đo năng lượng thay đổi này sẽ nội suy ra được kích thước hạt mưa tương đương. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer được chỉ ra trong hình 1. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22] Tuy nhiên, các nghiên cứu của Tokay và cộng sự (2001), Caracciolo và cộng sự (2006) [34] đã chỉ ra rằng JWD thích hợp với các trận mưa có cường độ mưa nhỏ và trung bình, với các trận mưa có cường độ mưa lớn, có gió to và các hạt mưa bị vỡ khi va chạm xuống cảm biến sẽ gây ra các sai số lớn do cảm biến bị rung liên tục tạo ra các xung nhiễu. Công trình của Thurai và cộng sự (2013) đã chứng minh JWD không thể đo vận tốc hạt [6, 19].
Nhóm đo bằng xử lý hình ảnh: 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.3 mô tả sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước hạt bằng hình ảnh. Các nghiên cứu của Kruger và Krajewski (2002) [33]; Schönhuber và cộng sự (2007) [57] đã đưa ra loại thiết bị 2DVD (Two Dimension Video Disdrometer) dùng đo các thông số hạt mưa. Hai camera chuyển động (2DVD) để ghi lại hình ảnh của giọt mưa rồi từ đó tính toán đường kính, vận tốc rơi và cả thông số hình dạng hạt. Để đo các thông số hạt tuyết, nghiên cứu của Newman và cộng sự (2009) đưa ra loại thiết bị SVI - Snowflake Video Imager cũng sử dụng camera có sơ đồ khối tương tự như hình 1.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khối camera Khối nguồn sáng Khối điều khiển và thu thập hình Khối xử lý dữ ảnh liệu hình ảnh Hình 1. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hình ảnh [22,57] Ưu điểm + Cho phép người sử dụng có được một cái nhìn trực quan đối với các hạt, đánh giá được hình dạng và kích thước của chúng. + Người sử dụng có thể có nhiều thông tin hơn các phương pháp khác. Hạn chế + Thời gian phân tích có thể rất dài vì cần phải phân tích hình ảnh rồi mới đưa ra được kết quả + Số lượng các hạt dùng đo thường nhỏ so với các phương pháp khác vì thế mẫu đại diện là một đòi hỏi ngặt nghèo + Thường không thể đưa ra quyết định nếu có hai hoặc nhiều hơn các hạt dính vào nhau và phải xem như là một hạt to.
Điều này thường gây ra sai số trong phép đo. + Việc chuẩn bị mẫu thường lâu, đắt và đòi hỏi cần phải thẩm định kỹ thuật. + Cấu tạo gồm phần cảm biến ngoài trời và máy tính xử lý bên trong tủ khiến kích thước của thiết bị khá cồng kềnh, khó triển khai ở những nơi hạn chế về không gian, ngoài ra giá thành cũng đắt gấp 3 đến 5 lần so với nhóm sản phẩm đo kích thước và vận tốc hạt mưa khác. + 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nhóm hiệu ứng quang học sử dụng hiệu ứng quang học để đo kích thước hạt.
Các hạt khi đi qua khu vực chiếu sáng sẽ tạo ra một vùng có chiết suất khác với chiết suất của không gian chứa nó. Dựa vào các hiệu ứng tán xạ, hấp thụ ánh sáng, ., cường độ ánh sáng thu được trên cảm biến quang có liên quan mật thiết với đường kính của hạt cắt qua chùm sáng.4 mô tả sơ đồ khối của loại thiết bị đo theo phương pháp đo bằng hiệu ứng quang học. Khối phát quang Khối thu quang Khối điều khiển xử lý dữ liệu Hình 1. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hiệu ứng quang Tùy theo cách tính toán dựa vào số lượng xung quang điện thu được có thể phân ra thành hai loại là: loại một xung - theo các nghiên cứu của Illingworth, A.; Hasse, L (1998) [26], Löffler- Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005) [8] và loại hai xung – các nghiên cứu của Kiesewetter D.
Ưu điểm + Dễ sử dụng và đáp ứng nhanh + Việc đo thử không làm hỏng mẫu đo + Số lượng cảm biến quang sử dụng ít + Vấn đề xử lý tín hiệu quang điện đơn giản hơn phương pháp đo bằng hình ảnh do đó đáp ứng được tính thời gian thực + Có thể đồng thời đo được tốc độ của hạt + Giá thành thiết bị rẻ, kích thước thiết bị gọn nên dễ dàng lắp đặt. Hạn chế + Chỉ đo được kích thước tương đương hình cầu của hạt. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Bị phụ thuộc vào mẫu chuẩn (do sử dụng đường cong thực nghiệm để xác định đường kính hạt). Khắc phục những nhược điểm bị ảnh hưởng nhiễu mạnh do môi trường của nhóm đo bằng tác động cơ học; cồng kềnh, khó vận chuyển, triển khai lắp đặt ở những nơi có hạn chế về không gian, giá thành đắt của nhóm đo bằng hình ảnh, nhóm thiết bị đo bằng hiệu ứng quang học trở thành lựa chọn hợp lý cho những ứng dụng đo các thông số mưa.
Luận án lựa chọn phương pháp đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học để nghiên cứu, nâng cao chất lượng phép đo. Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học Phương 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.
Khúc xạ Phản xạ Hấp thụ và tái bức xạ Tán xạ rìa Hình 1. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạt 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 công trình nghiên cứu được công bố [1, 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện Các công trình nghiên cứu phương pháp này đã được công bố có thể kể đến Illingworth, A. Mô hình sử dụng nguồn sáng halogen H cho ra dải sáng có độ đồng nhất không cao khiến cho việc xử lý tín hiệu thô gặp nhiều khó khăn.