Chương này mô tả hệ thống thu nhận dữ liệu dùng cho nghiên cứu về cống và giải thích các quy trình phân tích dữ liệu.
Thu nhận dữ liệu cho thí nghiệm cống
Các cảm biến áp lực để đo đường năng lượng thủy lực (HGL), lưu lượng kế để đo lưu lượng, và cửa xả cuối (tailgate) để điều khiển bộ thí nghiệm cống được liên kết vào hệ National Instruments FieldPoint®, một hệ thống vào/ra phân tán dạng mô-đun. FieldPoint được thiết kế cho các ứng dụng đo lường, điều khiển và ghi log dữ liệu đòi hỏi độ tin cậy cao, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, liên quan đến nhiều cảm biến và cơ cấu chấp hành đặt tập trung hoặc phân tán trên khoảng cách lớn. FieldPoint cũng cho phép linh hoạt chọn công nghệ mạng mở, tiêu chuẩn như Ethernet, serial, hoặc không dây, tùy ứng dụng. Tại FHWA Hydraulics Laboratory, công nghệ mạng không dây được dùng để tích hợp FieldPoint vào hệ thống thu nhận dữ liệu của phòng thí nghiệm. Phần mềm phát triển đồ họa LabVIEW® của National Instruments cung cấp các công cụ để tạo ra những ứng dụng đo lường và điều khiển cho FieldPoint.
Các cảm biến áp lực sử dụng là Baumer Sensopress Type PCRD D015.14C.B110. Áp lực tối đa có thể đặt lên cảm biến là 10 kPa (tương đương 100 mbar hay cột nước 39 inch). Với các thí nghiệm inlet control, chỉ cảm biến áp lực của tailbox được phân tích. Với các thí nghiệm outlet control, các số đo áp lực tại headbox, barrel và tailbox đều được đánh giá. Để kiểm chứng số đo cảm biến áp lực trong khoang cống, bốn ống đo mực nước (standpipes) cho mỗi khoang được lắp đặt. Cảm biến áp lực được gắn ở đáy của các ống đo mực. Ngoài cảm biến áp lực, thước đo (scale) gắn ở thân các ống đo mực nước được dùng để đọc thủ công mực nước trong ống. Thước cũng được lắp trong headbox và tailbox nhằm đối chiếu/kiểm định số đọc của thiết bị điện tử.
Quản lý dữ liệu
Công tác quản lý và phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm LabVIEW—môi trường lập trình đồ họa cho các ứng dụng như kiểm định/đo lường, thu nhận dữ liệu, điều khiển thiết bị, ghi log, phân tích đo lường, và lập báo cáo. Các chương trình LabVIEW được gọi là dụng cụ ảo (Virtual Instruments—VIs) vì chúng mô phỏng giao diện và hoạt động của các thiết bị vật lý như dao động ký và đồng hồ đa năng. Mỗi VI gồm các hàm xử lý dữ liệu từ giao diện người dùng hoặc từ các nguồn khác và hiển thị thông tin đó, hoặc truyền nó tới các tập tin hay máy tính khác. Hình 21 trình bày quy trình tính toán dùng để thu được đường cong hiệu năng của cửa vào, các hệ số inlet control, và các hệ số outlet control.
Phân tích dữ liệu cho các thí nghiệm INLET CONTROL
Dùng phương trình 14 của chương trước như một phương trình hồi quy, các hệ số inlet control K và M cho điều kiện không ngập được suy ra trực tiếp từ dữ liệu đường cong hiệu năng. Với dòng ngập, các hằng số c và Y được suy ra bằng phương trình 15 như một phương trình hồi quy.
Khi đã thu đủ một chuỗi dữ liệu thử (lý tưởng là 5 bộ không ngập và 5 bộ ngập), phép hồi quy phi tuyến Levenberg–Marquardt trong LabVIEW được dùng để tìm bộ hệ số làm nhỏ nhất đại lượng chi-bình phương (phương trình 22)
Phương trình 22. Phân tích hồi quy, chi-bình phương:
$$\chi^2=\sum_{i=0}^{N-1}\!\left(\frac{y_i-f(x_i;\,a_1,\ldots,a_M)}{\sigma_i}\right)^2$$
Trong đó \(x_i,y_i\) là dữ liệu vào; \(f(x;\,a_1,\ldots,a_M)\) là hàm phi tuyến; \(a_1,\ldots,a_M\) là các hệ số. Nếu sai số đo độc lập, phân bố chuẩn và có độ lệch chuẩn không đổi \(\sigma_i=\sigma\), phương trình cho ước lượng bình phương tối thiểu.
Ngoài các hệ số inlet (K, M, c, Y) đề xuất, các đa thức bậc năm cũng được xây dựng để dùng trong các cập nhật HDS-5 tương lai, nhằm khớp dữ liệu không ngập và ngập (phương trình 23):
Phương trình 23. Đa thức bậc năm cho \(HW_i/D\):
$$\frac{HW_i}{D} = a + b\!\left[\frac{Q}{A D^{0.5}}\right] + c\!\left[\frac{Q}{A D^{0.5}}\right]^2 + d\!\left[\frac{Q}{A D^{0.5}}\right]^3 + e\!\left[\frac{Q}{A D^{0.5}}\right]^4 + f\!\left[\frac{Q}{A D^{0.5}}\right]^5$$
Các hệ số a đến f là hệ số đa thức; các ký hiệu khác đã được định nghĩa trước đó. Bộ hệ số khớp tốt nhất được tính bằng công cụ đa thức tổng quát của LabVIEW, dựa trên bình phương tối thiểu.
Phân tích dữ liệu cho các thí nghiệm OUTLET CONTROL
Tổn thất vào cửa chỉ là một thành phần trong tổng tổn thất (cùng với ma sát và tổn thất ra cửa) để quy đổi cao độ headwater về cao độ tailwater. Dữ liệu từ thí nghiệm outlet control cần được xem xét kỹ để tránh kết quả không hợp lý. Hệ số tổn thất vào cửa Ke cho outlet control được tính từ quan hệ phương trình 19 của chương trước; Phương trình 19 được biến đổi lại trong Phương trình 24 – Hệ số tổn thất vào cửa:
$$H_{Le}=K_{e}\!\left(\frac{V^{2}}{2g}\right) \quad\text{hoặc}\quad K_{e}=\frac{H_{Le}}{\left(\frac{V^{2}}{2g}\right)}$$
\(H_{Le}\) là thành phần tổn thất vào cửa thường được tính cho tình huống thiết kế nhưng được đo trong phòng thí nghiệm để tính \(K_e\).
Kỹ thuật đo \(H_{Le}\) minh họa ở Hình 25 gồm ngoại suy các đường năng lượng (EGL) trong headbox và trong khoang cống về cùng một mặt phẳng, rồi lấy chênh lệch EGL tại mặt phẳng chung đó. Thực hành tiêu chuẩn là báo cáo giá trị thiết kế trung bình của Ke chỉ như hàm của dạng cửa vào.
Với cường độ lưu lượng lớn, khi khoang cống đầy hoặc gần đầy, các giá trị \(K_e\) tính được khá nhất quán, đủ cơ sở để lấy giá trị trung bình phục vụ thiết kế. Với lưu lượng nhỏ, khi khoang cống chỉ đầy một phần, các giá trị \(K_e\) phân tán đáng kể. Nguyên nhân là cột áp vận tốc khi đó rất nhỏ và tiệm cận 0 ở lưu lượng rất thấp. Ngoài ra, \(H_{Le}\) nhạy với quy trình ngoại suy và với phân bố dòng trong cống nhiều khoang, điều này vượt giới hạn độ phân giải của cảm biến áp (xem Hình 26). Do khó khăn của ngoại suy ở lưu lượng nhỏ, việc tách Ke thành hệ số cho trạng thái không ngập và hệ số cho trạng thái ngập là hợp lý.
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.