Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10959:2015 về Khí tượng học - Phong kế/nhiệt kế dạng sóng âm - Phương pháp thử

• Số hiệu: TCVN10959:2015
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2015

T	Nhiệt độ (°K)
Ts	Nhiệt độ sóng âm (°K) (xem công thức B.4)
Ti	Cường độ nhiễu
Uo	Tốc độ của dòng ổn định trong ống khí động, hay tốc độ gió được đo bởi cảm biến (m/s)
Ua	Tốc độ gió, đầu ra siêu âm (m/s) theo góc phương vị siêu âm a.
Ub	Tốc độ gió, đầu ra siêu âm (m/s) theo góc phương vị siêu âm b.
Ua,n	Giá trị thứ n của Ua (m/s)
Uv	Giá trị vector của Ua (m/s)
Us	Giá trị vô hướng của Ua (m/s)
Umax	Giá trị lớn nhất đo được với sóng siêu âm (m/s)
Umin	Giá trị nhỏ nhất đo được (m/s)
Z	Trở kháng âm thanh (Z= ρ.c [kg.m^-2. s^-1])
a	Góc phương vị của sóng siêu âm (°)
b	Góc phương vị của sóng siêu âm (°)
c	Tốc độ của âm thanh(m/s)
d	Độ dài (m)
e	Áp suất riêng phần của hơi nước (hPa)
h	Độ cao so với mực nước biển (m)
p	Áp suất (hPa)
Pe	Áp suất tương đương (hPa), xem Bảng D.1
ta	Thời gian trung bình (s)
t+	Thời gian lan truyền từ đầu dò (+) tới đầu dò (-), (s)
t-	Thời gian lan truyền từ đầu dò (-) tới đầu dò (+), (s)
u0, v0, w0		Thành phần vận tốc theo trục dọc, ngang, thẳng đứng của dòng ổn định (m/s)
ua, va, wa		Thành phần vận tốc theo trục dọc, ngang, thẳng đứng của đầu ra sóng âm (m/s)
ua,n, va,n, wa,n		Thành phần thứ n của ua, va, wa (m/s)
vd	Thành phần vận tốc của gió dọc theo đường nối giữa hai đầu dò (sound path), (m/s)
vn	Thành phần vận tốc của gió cắt ngang đường nối giữa hai đầu dò (m/s)
vt	Tốc độ gió tại vị trí của đường nối giữa hai đầu dò ()
α	Hướng gió, so với đầu ra của sensor (°)
α0	Phương vị của dòng ổn định dựa theo hướng sóng âm, hoặc tương đương với góc giữa phương vị ống khí động và góc phương vị sóng âm, hoặc là góc phương vị được đo bởi cảm biến (°)
αα	Hướng gió, đầu ra sóng âm (°) so với góc phương vị sóng âm a
αb	Hướng gió, đầu ra sóng âm (°) so với góc phương vị sóng âm b
αa,n	Đại lượng thứ n của αα
αv	Giá trị vector của αα (°)
αs	Giá trị vô hướng của αα (°)
∆α	Sai số của vector khác nhau giữa giá trị đo và vận tốc của luồng gió ổn định ở tại góc phương vị α
∆α,b	Sai số của vector khác nhau giữa các vector đo được trong phòng kín với các góc phương vị αα, αb
∆α,n,m	Sai số của vector khác nhau giữa đại lượng thứ n và m của vector đo được trong phòng kín với gốc phương vị αα
φ	Độ nghiêng của cảm biến cho luồng khí trong ống khí động ngang (°); các góc dương là góc tạo bởi các phương thay đổi bên trên phương ngang, góc âm là góc tạo bởi các phương thay đổi bên dưới phương ngang.
ρ	Mật độ không khí (kg/m^3)
Ω	Vận tốc góc quay của cảm biến (°/s)

5  Tổng quan về các phương pháp

Mảng thiết bị cần được kiểm tra sự nguy hại và tiện dụng với quy định thiết kế của nhà sản xuất trước khi thử. Độ chính xác của tất cả các phép đo và kết quả phải được xác định và báo cáo phù hợp với TCVN 10958-1 (ISO 5725-1) và TCVN 10958-2 (ISO 5725-2).

- Thử buồng kín gió: Giá trị bù của tốc độ gió đo được thì được xác định trên toàn bộ dải nhiệt độ hoạt động.

- Thử ống khí đệm: Sai số của phép đo từ tốc độ thực tế được xác định trên toàn bộ dải hoạt động của tốc độ dòng chảy và hướng.

- Thử áp suất phòng: Dải hoạt động của mật độ không khí sẽ được xác định. Mặc dù nguyên tắc của phép đo không phụ thuộc vào mật độ không khí, tuy nhiên mật độ thấp nhất được yêu cầu cho việc truyền tín hiệu âm thanh có thể xác định.

- Thử hiện trường: Nhằm đưa ra những đáp ứng của các điều kiện bất lợi tiềm ẩn của môi trường bên mà gây khó khăn trong việc mô phỏng trong phòng thí nghiệm

6  Kiểm tra mảng trước khi thử

Phải đảm bảo rằng mảng được đặt đúng chiều, hướng, và không thể bị va đập hay hư hỏng.

Thực hiện đo và ghi lại chiều dài đường giữa các cặp đầu dò, và so sánh với độ dài và dung sai được đưa ra bởi nhà sản xuất nếu có. Nếu kết quả đo vượt quá dung sai của nhà sản xuất thì phải kết thúc quá trình.

...

...

...

7.1  Mục đích

Mục đích của việc thử buồng kín gió là để xác định độ lớn của giá trị bù 0 và/hoặc sự liên kết của thiết bị hoặc các vấn đề về hiệu chuẩn.

Trễ hệ thống (3.6) bao gồm thời gian lan truyền của tín hiệu trong khoảng các đầu dò và mạch điện tử. Phần không đối xứng của trễ hệ thống (đó là sự khác nhau về độ trễ giữa sự lan truyền tín hiệu theo các hướng) gây ra một giá trị bù 0 của thành phần gió. Thông thường, giá trị bù 0 được xác định chủ yếu bằng đường xử lý tín hiệu, dựa trên việc hiệu chuẩn hoàn toàn. Mặc dù vậy, giá trị bù có thể thay đổi theo thời gian và nó có thể bị phụ thuộc bởi nhiệt độ. Điều này có thể được xác định bằng việc thử mảng trong một buồng kín gió.

7.2  Quy trình

7.2.1  Chuẩn bị một buồng kín gió theo tính năng chuẩn từ nhà sản xuất.

7.2.2  Đặt mảng vào trong buồng kín và đợi cho tới khi nhiệt độ và sự di chuyển không khí bên trong buồng ổn định. Phải chắc chắn rằng phong kế đang hoạt động nhưng mảng đang được gia nhiệt, nếu không nó sẽ tắt.

7.2.3  Cài đặt khoảng thời gian trung bình cho sóng sóng âm tới giá trị vẫn thường được sử dụng. Phải đảm bảo rằng quạt trong buồng tắt nếu được sử dụng.

7.2.4  Đọc và ghi lại nhiệt độ, vận tốc gió và hướng cũng như các thành phần của gió đo được bởi sóng sóng âm.= > U_a,nα_a,n hoặc u_a,nv_a,nw_a,n. Chỉ số a biểu thị hướng góc phương vị của thiết bị trong buồng kín gió, và chỉ số n biểu thị số các đại lượng.

7.2.5  Lặp lại bước 7.2.4 ít nhất 3 lần với khoảng thời gian trung bình là 10 min. Nếu tất cả giá trị tốc độ gió đo được đều nằm trong giá trị bù 0 của thiết bị, kết quả này được chấp nhận. Báo cáo nhiệt độ buồng, bởi vì giá trị bù có thể bị phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu buồng kín gió được sử dụng nhưng chưa nhận được sự đồng ý của nhà sản xuất và trong trường hợp này nếu một hoặc nhiều đại lượng tốc độ gió đo được có giá trị quá giá trị bù 0 của thiết bị, thì kết quả sẽ không được chấp nhận.

...

...

...

Trong đó: ∆_α,n,m là mô đun của sai khác vector giữa đại lượng thứ n và đại lượng thứ m của vector gió với góc phương vị thiết bị là α.

Nếu giá trị lớn nhất của ∆_α,n,m nhỏ hơn 10 % so với mức tham chiếu 0 của thiết bị, mức tham chiếu ổn định theo thời gian và chuyển động không khí có thể bị loại trừ. Bây giờ, phải chắc chắn rằng giá trị bù đó không bị gây ra bởi sự dội âm. Để làm điều này, quay mảng quanh trục phương vị của nó theo buồng kín một nửa góc đối xứng của mảng (60° cho mảng với góc đối xứng 120°) và đợi cho tới khi không khí trở nên ổn định. Sau đó, tiếp tục đọc và ghi lại vận tốc gió và hướng gió. => U_b, α_b.

a) Nếu không có sự dội âm, giá trị bù 0 phụ thuộc vào góc phương vị của bộ đầu dò (array) trong buồng (được kí hiệu hai chỉ số a và b). Trong trường hợp này, mô đun của sự sai khác vector ∆_α,b từ công thức (3) là nhỏ (nhỏ hơn 10 % của (U_a+ U_b)/2). Nếu rơi vào trường hợp này, giá trị bù 0 quan sát được là thực tế và không phải do con người. Trường hợp này cũng loại trừ.

b) Nếu có sự dội âm, giá trị bù 0 phụ thuộc vào góc phương vị của bộ đầu dò (array) trong buồng, và ∆_α,b sẽ không nhỏ. Trường hợp này sẽ phải thiết kế lại buồng kín gió.

Nếu giá trị lớn nhất của ∆_α,n,m (công thức (2)) là không nhỏ so với giá trị bù, thì sóng âm không ổn định hoặc có quá nhiều không khí chuyển động trong buồng thử. Đảm bảo rằng buồng kín gió phải cân bằng nhiệt.

7.2.7  Lặp lại việc thử giá trị bù 0 tại điểm giới hạn trên và giới hạn dưới của dải nhiệt độ hoạt động. Với mục đích này, một buồng có thể điều chỉnh nhiệt độ thích hợp với buồng kín gió và sóng âm điện từ sẽ được yêu cầu.

Thử ở giới hạn nhiệt độ dưới: Giá trị bù 0 không phụ thuộc vào nhiệt độ không khí nhưng phụ thuộc vào đầu dò và thiết bị điện tử. Nếu thiết bị sóng âm có một hệ thống gia nhiệt đầu dò, mà được hoạt động tại nhiệt độ thấp, nhiệt độ bộ đầu dò cho phép có thể cao hơn giá trị nhiệt độ thấp nhất ở môi trường xung quanh. Thiết bị gia nhiệt này phải được tắt trong quá trình thử buồng kín gió, giới hạn nhiệt độ dưới của buồng gia nhiệt nên được đặt ở nhiệt độ thấp nhất cho phép của đầu dò.

...

...

...

8.1  Mục đích

Để kiểm tra sai số của các thiết bị đo vận tốc từ vận tốc đã biết của ống khí động.

Khi hàm đáp ứng lí tưởng của một sóng âm (cho một thành phần gió) được đưa ra bởi công thức (B.2), hàm đáp ứng thực tế chỉ ra sai lệch từ công thức này. Những sai số này bao gồm giá trị bù 0, được mô tả trong Điều 7, và những lỗi xảy ra do nhiễu động dòng và bóng, có thể được xác định bằng việc so sánh tốc độ gió và hướng, được chỉ ra bởi thiết bị sóng âm, với tốc độ ống khí động khi không có nhiễu động và hướng của góc phương vị của thiết bị sóng âm theo trục ống khí động. Thông thường, các lỗi xảy ra do nhiễu động dòng và bóng được giảm bớt bằng ứng dụng hiệu chỉnh trên đường tín hiệu (xem Phụ lục B).

Những lỗi này phụ thuộc vào tốc độ, góc phương vị và góc nghiêng φ của dòng. Do đó, một phương pháp thử hoàn chỉnh sẽ yêu cầu một số lượng rất lớn các phép đo. Với các mục thử chấp nhận một quy trình đơn giản hóa được mô tả, cho thấy sử dụng thực tế rằng giá trị lớn nhất, nhỏ nhất liên quan đến lỗi thông thường xảy ra ở gần phương vị và nâng lên một dải rộng hơn của tốc độ dòng.

Yêu cầu tối thiểu cho ống khí động được sử dụng để kiểm tra chấp nhận được đưa ra ở Phụ lục C.

8.2  Khuyến cáo

Trong các ống khí động với các phần thử gần nhau việc phản xạ từ bề mặt có thể gây ra các lỗi (xem Điều 7). Mục đích của qui trình dưới đây là để đánh giá lỗi phản xạ. Trước qui trình này, buồng kín phải vượt qua được các kiểm tra. Phương pháp được chọn dựa trên tốc độ thấp nhất có thể tạo ra trong ống khí động.

a) Tốc độ gió trong ống khí động có thể đặt ở giá trị thấp hơn giá trị bù 0 được quy định cho thiết bị.

1) Đọc và ghi lại trị tốc gió đo được U_α cho năm góc phương vị α_α của thiết bị sóng âm trong phạm vi nửa góc đối xứng của mảng (Ví dụ: α₁= 0°, α₂= 15°, α₃= 30°, α₄= 45°, α₅= 60° cho mảng có đối xứng góc 120°.)

...

...

...

b) Tốc độ gió trong ống không thể được đặt ở những giá trị thấp hơn giá trị bù 0 được qui định cho thiết bị.

1) Đặt tốc độ gió trong ống U₀ ở giá trị nhỏ nhất có thể với tốc độ và hướng xác định.

2) Ghi lại giá trị đo được của tốc độ gió và hướng (U_α, α_α) cho năm góc phương vị α_α của thiết bị sóng âm trong phạm vi một nửa góc đối xứng của mảng,

3) Tính mô đun của sự khác nhau vector từ vận tốc gió trong ống ở điều kiện không bị nhiễu động.

Trong đó: ∆_α là tổng của tất cả các số lỗi bao gồm giá trị bù 0, nhiễu dòng chảy và phản xạ.

4) Tính sự phân bố của ∆_α cho tất cả năm góc α_α. Nếu sự chênh lệch nằm trong khoảng 10 % của giá trị trung bình, tất cả các lỗi gây ra do phản xạ có thể được loại trừ.

CHÚ THÍCH: Kể từ khi lỗi do nhiễu dòng chảy tăng cùng với việc tăng tốc độ gió, phương pháp này chỉ được áp dụng tại tốc độ gió thấp, dựa theo yêu cầu kĩ thuật của thiết bị, các lỗi nhiễu dòng chảy là an toàn khi thấp hơn giá trị bù 0.

8.3  Qui trình

...

...

...

Sai lỗi của tốc độ gió U_α và hướng gió α_α so với hướng gió thực tế được đo bởi sự biến thiên hướng thiết bị sóng âm đối với dòng không khí tại những điểm rời rạc của tốc độ gió trong ống. Quay thiết bị sóng âm một vòng 360° với mỗi bước quay là 5° hoặc nhỏ hơn. Dữ liệu sẽ được lấy tại các điểm cách nhau mỗi khoảng thời gian là 30 s hoặc lâu hơn. Giá trị trung bình có thể được tính một cách độc lập để tính được khoảng thời gian tin cậy của mỗi điểm dữ liệu từ sự phân bổ của các mẫu. Tiến hành hướng kiểm tra tại một giá trị nhỏ nhất trong số năm giá trị tốc độ xác định trong toàn bộ dải hoạt động U_min tới U_max. Sử dụng một sự phân bố tốc độ đều trong thang logarit. Các mức tốc độ gió được khuyến cáo là: (tính theo % của U_max)

10 %, 18 %, 32 %, 56 %, 100 %.

Đặt tốc độ ống khí động ở một giá trị biết trước, sao cho độ chính xác lớn nhất của ống khí động, và nằm trong phạm vi sai số 10 % so với những giá trị được liệt kê ở trên.

Phân tích dữ liệu thử để tìm ra hướng cho trường hợp xấu nhất và tốt nhất (dựa theo giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất). Thông thường, trường hợp xấu nhất và tốt nhất không phụ thuộc vào tốc độ.

CHÚ THÍCH: Các hướng xấu nhất và tốt nhất khác nhau về độ chệch tốc độ và độ chệch hướng. Đối với một số thiết kế thiết bị sóng âm, hướng xấu nhất về chiều trùng với hướng tốt nhất về tốc độ và ngược lại.

8.3.2  Biến đổi tốc độ gió tại các hướng xấu nhất và tốt nhất

Độ chệch gió theo phương vị được đo bằng việc thay đổi tốc độ gió trong ống tại các hướng xấu nhất và tốt nhất của thiết bị sóng âm. Trong trường hợp nhiều hướng xấu nhất, tốt nhất được phát hiện cho những dải tốc độ khác nhau, việc kiểm tra sẽ được tiến hành theo từng phương hướng. Quan sát điểm dữ liệu (ít nhất) mỗi 30 s. Giá trị trung bình có thể được tính một cách độc lập nhằm đưa ra khoảng thời gian tin cậy từ thống kế phân bố của mẫu. Lấy dữ liệu thu được tại 10 điểm phân bố tốc độ trên toàn bộ dải hoạt động. Sử dụng một phương pháp phân bố mẫu tại những khoảng cách bằng nhau theo thang logarit (và U_min nên là tốc độ nhỏ nhất tại thời điểm mà lưu lượng ống khí động ổn định có thể được duy trì) bắt đầu với 1 % của U_max như tốc độ nhỏ nhất. Tốc độ gió được khuyến nghị (tính theo % của Umax) là

1,0 %; 1,7 %; 2,8 %; 4,6 %; 7,7 %; 13 %; 21 %; 36 %; 60 %; 100 %.

Trong một số ống khí động, 1 % của U_max thì nhỏ hơn tốc độ nhỏ nhất được quy định của ống khí động. Trong trường hợp này, sự phân bố tốc độ được khuyến nghị như sau:

...

...

...

8.3.3  Đáp ứng ngoài trục

Lặp lại các quy trình tại 8.3.1 và 8.3.2 với độ nghiêng góc phương vị sóng âm 15° ngược hướng gió và 15° xuôi gió.

Nếu thiết bị sóng âm được thiết kế để đo tốc độ của các đại lượng phương ngang của vector gió, so sánh U_α với U₀, cosφ, trong đó φ là góc nghiêng.

Nếu thiết bị sóng âm được thiết kế để đo tốc độ của vector gió theo 3 hướng, so sánh U_α với U₀.

8.3.4  Giá trị trung bình của vector

Thông thường, bộ xử lý tín hiệu của thiết bị sóng âm tính toán một giá trị gọi là giá trị vector trung bình của vector gió, dựa trên giá trị các thành phần gió trong hệ tọa độ Đề các.

 và                                   (5)

Trong đó,

u_a là giá trị đại lượng gió trục dọc. u_a có giá trị dương (v_a= 0) trường hợp α= 0;

...

...

...

 được định nghĩa như sau:

y

x

Giá trị của arctan

Từ

Tới

≥ 0

≥ 0

...

...

...

0

≤ 90

≥ 0

< 0

180 -

> 90

≤ 180

< 0

< 0

...

...

...

> 180

≤ 270

< 0

≥ 0

360 -

> 270

≤ 360

8.3.5  Trung bình vô hướng (tùy chọn)

Trong một số ứng dụng, trạng thái đáp ứng của phong kế quay được yêu cầu tương ứng với việc tính trung bình vô hướng.

...

...

...

Phương pháp để đưa ra trung bình vô hướng được kiểm tra bằng việc quay thiết bị sóng âm quanh góc phương vị trục trong một khoảng thời gian trung bình là t_α với vận tốc góc không đổi là Ω. Trong trường hợp này vận tốc U_v và U_s là khác nhau.

U_s = U_a đó là khi trung bình vô hướng không phụ thuộc vào α₀, trong khi đó giá trị có hướng sẽ dần tới 0 với:

                                                                            (7)

CHÚ THÍCH 1: Các công thức có thể có giá trị trong điều kiện các quy định kĩ thuật đúng của thiết bị.

Trung bình vô hướng có một vấn đề đặc biệt, được biết tới đến chong chóng gió giống như hiện tượng cắt ngang phương bắc (north-crossing problem). Có hai phương thức cho sự phân chia tần số theo hướng nếu nó bao gồm bước nhảy từ 360° tới 0°. Trong trường hợp này, sự phân bố phải được "đặt" hướng bắc khi tính giá trị trung bình. Có nhiều phép toán để tính giá trị này. Tính khả dụng của phép toán có sẵn được kiểm tra bằng cách thay đổi góc phương vị của thiết bị sóng âm từ 355° tới 5° trong khoảng trung bình, cùng với đó là sự phân bố góc phương vị đối xứng với mốc 0°. Giá trị trung bình được tính mà không cần xét tới bước nhảy sẽ cho α_s= 180°. Với xử lý chính xác, hướng gió thu được phải là α_s= 360°. (với điều kiện các thông số của thiết bị hoạt động chính xác).

CHÚ THÍCH 2: Qui trình được mô tả ở trên không thể hiện đầy đủ bằng chứng về đáp ứng của việc quay phong kế. Kết quả hướng α_v hay α_s là giống nhau trong các điều kiện kiểm tra được mô tả. Sự phân biệt giữa α_v hay α_s sẽ đòi hỏi lấy trung bình các góc phương vị α₀ và vận tốc U₀ khác nhau.

9  Thử áp suất buồng (tùy chọn)

9.1  Mục đích

Phép đo thời gian truyền của âm thanh chỉ thực hiện được nếu tín hiệu thu về ở trên ngưỡng phát hiện. Mức độ của tín hiệu thu về phụ thuộc vào tình trạng của không khí giữa các đầu dò, bởi vì hiệu suất đầu dò là một hàm của trở kháng âm thanh tại điểm tiếp xúc giữa màng đầu dò và không khí. Trong hầu hết các thiết kế đầu dò, hiệu suất của việc truyền và nhận xấp xỉ theo một tỉ lệ với Z = ρ.c, (tích của mật độ không khí ρ và vận tốc âm thanh c. Do đó, hiệu suất tổng, tỉ số giữa năng lượng của tín hiệu nhận về so với năng lượng của tín hiệu phát ra, được thể hiện bởi công thức Z^2= (ρ.c)^2. Giá trị nhỏ nhất của hiệu suất được dùng để xác định tín hiệu nhận về trong điều kiện ảnh hưởng của nhiệt độ, các nguồn phát điện tử và nhiễu âm. Trở kháng âm của không khí, Z, phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất làm việc và độ ẩm. Dựa trên sự biến đổi một cách tự nhiên của các tham số này, Z^2 có thể giảm tới 70 % giá trị trung bình của nó tại một vị trí xác định, xem [1], Z cũng sẽ giảm theo độ cao. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của độ cao tới Z còn phụ thuộc vào điều kiện thực tế của nhiệt độ và độ ẩm. Bỏi vậy, độ cao hoạt động lớn nhất thì không cố định mà phụ thuộc vào trạng thái của không khí.

...

...

...

9.2  Thiết bị, dụng cụ

Thiết bị sóng âm phải được thiết kế để đưa ra thông tin về sai lỗi khi chất lượng tín hiệu dưới ngưỡng qui định. Buồng áp suất nên đủ lớn để đặt vừa mảng. Buồng này phải có một hệ thống kiểm soát áp suất dựa trên dải quy định của thiết bị sóng âm (chân không và bơm phồng), với độ chính xác trong khoảng 10hPa.

Nếu thiết bị sóng âm không được thiết kế để đưa ra thông điệp chỉ thị việc mất tín hiệu đang thu về, tham khảo ý kiến của nhà sản xuất về cách có được các thông tin này.

9.3  Quy trình

Sử dụng Bảng D.1 để xác định áp suất tương đương nhỏ nhất p_e và điều chỉnh áp suất trong buồng tương ứng. Chờ cho tới khi nhiệt độ không khí trong buồng đạt tới trạng thái cân bằng với nhiệt độ vách buồng (thông thường là ít hơn 1 min). Ghi chú nếu có tin nhắn lỗi hoặc không

CHÚ THÍCH: Sau một quá trình giãn nở đột ngột của không khí trong buồng (chamber), nhiệt độ không khí giảm và khi đó mức nhiệt độ cao hơn ở các bức vách sẽ tạo ra hiện tượng không đồng nhất trong buồng. Trong trường hợp này, các thuật toán kiểm soát chất lượng tự động có thể sẽ không ổn định khi phát hiện sai lỗi do chênh lệch vận tốc âm thanh quá cao giữa các đường âm thanh.

10  Thử hiện trường

10.1  Mục đích

Không phải tất cả phép thử chấp chận nào cũng tiến hành trong phòng thử nghiệm. Ví dụ, mật độ và phổ của sự nhiễu loạn không khí không thể được mô phỏng trong các ống khí động trong phòng thử nghiệm. Có bằng chứng chỉ ra rằng các lỗi xảy ra do dòng nhiễu động và phản xạ phụ thuộc vào một số đặc tính nhiễu loạn không khí của dòng chảy. Những dạng lắng đọng khác nhau, bao gồm mưa đá là những ví dụ khác của các điều kiện môi trường liên quan mà rất khó mô phỏng đầy đủ trong phòng thử nghiệm.

...

...

...

Chỉ các điều kiện nhỏ nhất gặp trong một quá trình thử hiện trường được mô tả ở đây. Việc hướng dẫn đầy đủ cách thực hiện và đánh giá kết quả thử hiện trường không thuộc phạm vi của tiêu chuẩn này.

10.2  Khoảng thời gian

Với một thiết bị được thiết kế để có thể hoạt động trong khoảng thời gian dài, các thử nghiệm chấp nhận lĩnh vực chung nên được thực hiện trong tất cả các điều kiện ở tất cả các mùa trong năm.

10.3  Địa điểm

10.3.1  Đồng nhất không gian

Địa điểm phải thỏa mãn các điều kiện chung cho khí tượng tại bề mặt thiết bị đo, xem WMO CIMO No. 8 và ASTM D5741 để chắc chắn rằng tính đồng nhất về không gian của điều kiện môi trường tại địa điểm định thực hiện.

10.3.2  Khí hậu

Khí hậu tại địa điểm kiểm tra nên tương tự với điều kiện hoạt động dự kiến của thiết bị. Các yếu tố liên quan là:

- Sự phân bố gió,

...

...

...

- Sự phân bố mưa,

- Sự xuất hiện của các dạng thời tiết khác,

- Sự xuất hiện và cường độ của các điều kiện băng giá.

10.4  Thiết bị thử hiện trường

10.4.1  Cảm biến gió tham chiếu

Lắp đặt một hoặc nhiều các cảm biến gió tại cùng một độ cao so với mặt đất trong vùng lân cận của thiết bị sóng âm. Do không có cảm biến tham chiếu tuyệt đối phù hợp với điều kiện hiện trường, nên phải dùng tới các cảm biến với tính năng hoạt động tốt và phải dựa trên các đặc tính vật lý của thiết bị sóng âm. Trong trường hợp này, có thể ít nhất một vài trạng thái môi trường, mà rất quan trọng với sự cho phép của sóng âm, và không gây hại cho các cảm biến gió tham chiếu. Tuy nhiên, dựa theo độ mạnh của thiết bị sóng âm, nhiều khả năng cảm biến gió tham chiếu sẽ hoạt động không chính xác trong khi thiết bị sóng âm hoạt động. Những tình huống này có thể được xác định một cách dễ dàng bằng việc trang bị tại địa điểm thực hiện một thiết bị sóng âm tham chiếu thứ hai.

CHÚ THÍCH: Cơ cấu của các cảm biến gió được sử dụng như các dụng cụ kiểm tra có thể không có chức năng để đáp ứng trên toàn bộ các điều kiện mà thiết bị sóng âm được mong đợi sẽ hoạt động. Bởi vậy, sự so sánh giữa một dụng cụ kiểm tra mẫu có thể không thể thực hiện trong toàn bộ điều kiện kiểm tra.

Nếu một thiết bị sóng âm được sử dụng như để tham chiếu, nó nên có một góc hoạt động động lớn với nhiễu loạn dòng chảy nhỏ nhất (xem [2], [3]).

Việc phân chia theo phương ngang của thiết bị sóng âm và một cảm biến gió tham chiếu là một sự lựa chọn giữa hai yêu cầu mang tính đối lập nhau. Không gian nên là:

...

...

...

- Nhỏ để tránh sự khác biệt do tính đồng nhất về không gian của trường gió.

Như quy luật ngón tay cái, khoảng cách nhỏ nhất giữa các cảm biến nên gấp 10 lần đường kính ngoài của cấu trúc cảm biến cơ. Khoảng cách lớn nhất nên là 10 m. Sắp thẳng hàng trục nối giữa các cảm biến và hướng gió mạnh nhất. Nếu có nhiều hơn hai cảm biến được lắp đặt, chúng nên được sắp theo một đường thẳng để không phải tối thiểu hóa các vector gió khi đánh giá.

10.4.2  Các cảm biến phụ trợ

Có các cảm biến để quan sát các biến của môi trường được coi là cốt yếu để chấp nhận, như các cảm biến nhỏ nhất đo các biến được liệt kê trong 10.3.2. Lắp đặt các cảm biến phụ trợ sử dụng các điều kiện thông thường của địa điểm thực hiện cho các dụng cụ khí tượng bề mặt hiện trường được thể hiện trong WMO CIMO No. 8 và ASTM D 5741.

10.5  Đánh giá

10.5.1  Các sự cố

Báo cáo các dạng hỏng hóc hoặc sự cố xảy ra, xuất hiện với tần suất như thế nào và trường hợp dẫn tới hư hỏng hoặc sự cố.

10.5.2  Kiểm soát chất lượng tự động

Nếu các thuật toán kiểm soát chất lượng tự động của thiết bị sóng âm cung cấp những dòng lệnh sai, sắp xếp chúng vào theo các cấp phát hiện lỗi sai.

...

...

...

10.5.3  Đánh giá sự chênh lệch của tốc độ và hướng gió tham chiếu

a) Sắp xếp dữ liệu vào trong các cấp của biến môi trường (bao gồm tất cả các trạng thái mưa) và trong các vùng tốc độ gió xác định dải quan tâm của người dùng.

b) Tính toán sự chênh lệch tương đối giữa tốc độ gió và sự chênh lệch giữa các hướng gió cho mỗi một vùng. Các vùng với hướng gió nằm trong khoảng ± 60° từ trục nối giữa các cảm biến gió phải được loại trừ trong khi đánh giá; các vùng chứa ít hơn 100 cặp dữ liệu cũng nên được loại trừ khỏi việc đánh giá.

c) Tính độ chệch trung bình, độ lệch chuẩn và độ chụm cho mỗi các vùng còn lại.

CHÚ THÍCH: Thông thường sử dụng độ chênh lệch tuyệt đối cho những mức tốc độ gió dưới 5 m/s và độ chênh lệch tương đối cho các mức tốc độ gió bằng hoặc lớn hơn 5 m/s.

Nếu độ chệch trung bình nhỏ hơn quy định của thiết bị thì kết quả là chấp nhận được.

10.5.4  Lỗi thiết bị sóng âm hay tính không đồng nhất vùng gió?

Nếu độ chệch trung bình lớn hơn quy định của thiết bị, cần đảm bảo rằng sự chênh lệch này không bị gây ra bởi không gian không đồng nhất của trường gió. Điều này có thể được kiểm tra theo hai cách sau:

a) Vẽ đồ thị độ chệch trung bình của tốc độ gió và hướng theo hàm của α. So sánh dạng hàm này với dạng hàm thiết lập được trong ống khí động. Nếu dạng là tương đồng nhau, độ chệch này chắc chắn chủ yếu được gây ra do hàm đáp ứng sóng sóng âm.

...

...

...

Cần chú ý tới ảnh hưởng của sự không đồng nhất về không gian và thời gian lên sự khác nhau về các thiết bị đọc gió.

Phụ lục A

(tham khảo)

Buồng kín gió

A.1  Thiết bị dụng cụ

A.2.1  Hộp, nắp chụp hoặc vỏ bọc có kích cỡ vừa với mảng và để chứa cảm biến nhiệt độ

Bề mặt bên trong nên làm từ vật liệu hấp thụ âm để tối thiểu sự phản xạ. Trong các buồng lớn, nên đặt một quạt để làm đồng nhất nhiệt độ bên trong buồng và để ngăn cản việc nhiễu loạn không khí trước khi thực hiện việc kiểm tra.

A.2  Hiệu ứng phản xạ

...

...

...

Phụ lục B

(tham khảo)

Phép đo gió với thiết bị sóng âm

B.1  Nguyên tắc đo

Vận tốc lan truyền của sóng âm thanh trong khí quyển được xác định bằng vận tốc trung bình c và thành phần vận tốc theo đường dọc (v_d) và thành phần vận tốc theo đường ngang (v_n). Thời gian chuyển tiếp của sóng âm thanh giữa hai điểm cách nhau một khoảng d là (xem Hình B.1). [4].

                                                                    (B.1)

CHÚ DẪN:

...

...

...

2          Đầu dò +

3          Vận tốc gió thành phần

Hình B.1 - Công thức tính sóng âm

Từ sự chênh lệch về thời gian chuyển tiếp của sóng âm thanh từ đầu dò + tới đầu đò - (t₊) và từ đầu dò - tới đầu dò + (t_-), độ lớn của thành phần vận tốc theo phương dọc là v_d được tính bằng công thức [5][6]:

                                                                       (B.2)

Quãng đường của phép đo thường có độ dài từ 10 cm tới 20 cm. Một phong kế 3 chiều là sự kết hợp của 3 chiều đo không đồng phẳng các thành phần gió v_d1, v_d2, v_d3, từ đó, vector gió có thể được chuyển đổi trong bất kì một hệ trục nào được yêu cầu. Với phép đo giá trị theo phương ngang, được áp dụng trong tiêu chuẩn này, thiết bị sóng âm hai thành phần được sử dụng (xem B.2.2). Mỗi một thiết bị sóng âm một thành phần được sử dụng cho những mục đích đặc biệt.

Chú thích: Với tốc độ gió, vận tốc âm thanh c có thể được tính từ tổng của nghịch đảo thời gian chuyển tiếp và vận tốc gió thành phần v_n:

                                                            (B.3)

Từ c, đại lượng "nhiệt độ sóng âm" (sonic temperature) có thể được rút ra như sau [12]

...

...

...

T_s = T(1 + 0,32 e/p) = c^2/403                                                                            (B.5)

Phương pháp này thì không được khuyên dùng cho các phép đo nhiệt độ trung bình, do độ chính xác không cao của nó. Tuy nhiên, phép đo dao động nhiệt độ sóng âm có giá trị ứng dụng lớn trong việc đánh giá chất lượng không khí.

B.2  Các dạng sóng âm

B.2.1  Lịch sử phát triển

B.2.1.1  Hệ thống điều chế

Các thiết bị trước đây rút ra thời gian chuyển tiếp từ sự dịch pha giữa việc tuyền và nhận tín hiệu liên tục [7], [8]. Phương pháp này không còn được khuyến khích sử dụng bởi vì độ nhậy của thiết bị thu tín hiệu, không chỉ từ nguồn phát mà còn từ cấu trúc phản xạ lân cận.

Các đơn vị có sẵn sử dụng cho tín hiệu điều chế xung âm. Thông thường, thời gian chuyển tiếp được xác định bởi việc đánh giá đường bao của tín hiệu âm hoặc để tăng mức độ chính xác của pha sóng mang.

Những thiết bị điều chế xung đầu tiên không xác định từng thời gian chuyển tiếp ở mỗi quãng đường, nhưng chỉ ra sự chênh lệch giữa thời gian truyền của tất cả các hướng [9], [10]. Sự hạn chế của những hệ thống này là kết quả phép đo bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ và độ ẩm.

B.2.1.2  Đầu dò song phân và đơn phân

...

...

...

Việc đưa ra các hệ thống đo toàn bộ thời gian truyền, ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên phép đo gió có thể được loại trừ [5], [6]. Sự cải tiến lớn là sự phát triển của các đầu dò thông thường cho việc truyền và nhận xung âm thanh. Các phép đo gió với những hệ thống đơn phân này thì kém nhậy hơn với ảnh hưởng của đầu dò, từ đó, do sự trao đổi lẫn nhau của hàm truyền cho việc truyền và nhận, ảnh hưởng được bù phần lớn cho hướng xuôi và ngược lại của xung âm thanh. Theo đó, các hệ thống đơn phân có một thời gian ổn định lớn hơn cho các phép đo gió. Nhiệt độ phép đo cũng nhậy với độ trễ hệ thống (đầu dò và điện tử). Tuy nhiên, khả năng phân giải nhiễu loạn của nhiệt độ mang lại một giá trị lớn [12].

B.2.2  Hình dạng mảng cảm biến

Ứng dụng được đề cập tới trong tiêu chuẩn này là đo các thành phần gió theo phương ngang. Điều này có thể thu được về nguyên tắc bằng hai quãng đường đo theo phương ngang theo như công thức (B.2), chỉ ra một đáp ứng cosin hoàn hảo. Trong thực tế, các đầu dò và cơ cấu hỗ trợ là những vật cản dòng không khí, những thứ có thể gây ra nhiễu loạn dòng chảy và bóng với một sai lệch tương ứng của đáp ứng cosin lí tưởng. Lượng giảm đi của vận tốc phụ thuộc vào đường kính của đầu dò và thiết kế đầu dò. Sai số lớn nhất xuất hiện khi hướng gió song song với hướng đo, khi toàn bộ quãng đường nằm trong vùng bóng của đầu dò ngược gió. Trong trường hợp này, vận tốc có thể giảm 20 % [11]. Các cấu trúc hình học của mảng cảm biến khác nhau là nhằm tối thiểu hóa độ chệch liên quan tới nhiễu loạn và bóng. Độ chính xác nâng cao đạt được nhờ việc sử dụng nhiều hơn hai đường đo. Bởi vậy, các thiết bị sóng âm với 3 đường đo trở lên trong phương ngang đã được thiết kế. Sự dư thừa của các đường này cho phép ta lựa chọn dựa trên hướng gió đo được. Ý tưởng này là các đường đó được hướng trong phạm vi một góc rất nhỏ với tham chiếu tới vector gió có thể được loại trừ khỏi việc đánh giá. Thông thường, các thành phần gió theo phương thẳng đứng không nên được loại trừ trong các dòng chảy không khí tự nhiên. Kiến thức này có thể được yêu cầu sau này (ngay cả khi nếu điều đó không quan trọng cho ứng dụng) để hiệu chỉnh lỗi do nhiễu loạn và bóng. Bởi vậy, tóc thiết kế khác có sử dụng ba hướng (không đồng phẳng) đưa ra một mối quan hệ rõ ràng giữa vector gió ba chiều và đầu ra của sóng âm.

B.3  Xử lý tín hiệu trực tuyến

B.3.1  Các chức năng cơ bản

Các thiết bị sóng âm được thiết kế cho các ứng dụng bao gồm một bộ xử lý số để thực hiện các bước xử lý tín hiệu sau:

a) Hiệu chỉnh các phép đo thời gian truyền với độ trễ hệ thống cho mỗi đường đo và mỗi hướng đo được lưu trong bộ nhớ.

b) Tính toán các thành phần gió song song với các đường đo theo công thức (B.2)

c) Tính toán vector gió trong hệ tọa độ Đề các.

...

...

...

e) Chiếu vector gió lên mặt phẳng nằm ngang (chỉ trong trường hợp mảng đầu dò không đồng phẳng).

f) Tính toán giá trị trung bình các thành phần gió trong hệ tọa độ Đề các (giá trị vector trung bình) hoặc các thành phần gió phân cực (trung bình vô hướng).

g) Đưa ra vận tốc trung bình theo các dạng khác nhau (số, tương tự).

h) Tính lại vector gió trong hệ tọa độ yêu cầu.

B.3.2  Các chức năng khác

B.3.2.1  Khái quát

Các bộ xử lý tín hiệu hiện đại đưa ra khả năng mở rộng không giới hạn các chức năng cơ bản, và sự tăng lên nhanh chóng của các đặc tính hiện hữu không được đưa ra đây. Chỉ một số lượng nhỏ các lựa chọn chức năng thực sự cần thiết được mô tả.

B.3.2.2  Hiệu chỉnh phương vị

Việc hiệu chỉnh phương vị điện tử khiến cho việc sử dụng cơ cấu thẳng hàng chuẩn phương Bắc không còn cần thiết nữa. Cơ cấu xếp thẳng thực tế được lưu trong bộ nhớ và được thêm vào hướng gió đo được, và như vậy hướng gió được chỉ ra có liên quan tới chuẩn phương Bắc.

...

...

...

Một cảnh báo lỗi được đưa ra nếu:

- Tín hiệu nhận được trong một hay nhiều đường đo thấp hơn ngưỡng phát hiện.

Điều này có thể xảy ra nhất thời, ví dụ với các vật cản lớn nằm trong đường đo âm thanh (ví dụ: Chim), hoặc xảy ra một cách thường xuyên, ví dụ như do lỗi của đầu dò.

- Sự khác nhau về vận tốc âm thanh, được đo trên các đường đo âm thanh theo như công thức (B.3) vượt quá một ngưỡng nhất định.

Điều này xuất hiện một cách nhất thời, ví dụ do các vật cản nhỏ trên một hay nhiều đường đo âm thanh (Ví dụ: côn trùng, hạt mưa hay các bông tuyết) hoặc một cách thường xuyên do dự thay đổi của độ dài đường đo (hư hỏng cơ khí).

B.3.2.4  Hiệu chính méo dòng

Các méo dòng có thể được hiệu chính bằng cách sử dụng các hàm hiệu chính hay bảng hiệu chuẩn, mà được đưa ra dựa trên cơ sở việc hiệu chuẩn phép đo trong ống khí động. Đầu vào của những hàm hiệu chính này là vector gió ba chiều thô đo được, bởi vì quá trình hiệu chỉnh thường phụ thuộc vào cả ba thành phần của vector gió.

Do méo dòng trong dòng tự nhiên có nhiễu có thể khác trong các ống khí động trong phòng thí nghiệm, việc sử dụng các biện pháp hiệu chỉnh có giới hạn. Bởi vậy, các biện pháp hiệu chỉnh không nên lớn hơn nhiều so với các sai số quy định của thiết bị sóng âm. Nếu hiệu chỉnh được thêm vào, nó nên bị loại trừ khi cần.

CHÚ THÍCH: Méo dòng bao gồm độ lệch của gió như khi nó va chạm phải một vật cản, trong khi đầu dò tạo ra vùng bóng là kết quả của kích hoạt gió xuôi của vật cản nằm hoàn toàn trong dòng. Việc kiểm tra trong ống khí động tạo ra một kết quả là ảnh hưởng cộng dồn của méo dòng và ảnh hưởng bóng đầu dò.

...

...

...

Phụ lục C

(tham khảo)

Ống khí động

C.1  Kích thước của khu thử nghiệm

Khu vực thử nghiệm phải đủ lớn để đặt vừa mảng và đảm bảo mảng có thể quay theo bất kì hướng nào, góc nào. Hình chiếu của mảng cảm biến và các thiết bị hỗ trợ phải nhỏ hơn 5 % của vùng cắt ngang của khu vực thử ống khí động.

Nó là thích hợp khi phong kế chiếm ít hơn 5 %, tốt hơn là gần 1 % hoặc nhỏ hơn khu vực thử ống khí động.

CHÚ THÍCH: Có thể để sử dụng hai ống khí động cho toàn bộ dải thử nghiệm hiệu chuẩn, bởi vì một số ống khí động được thiết kế cho các vận tốc cao hơn có thể có mức nhiễu loạn cao hơn (T_i) tại tốc độ không khí thấp hơn trong ống. Khoảng 10 % tắc nghẽn dòng chảy có thể được chấp nhận nếu tốc độ gió thấp hơn 2 m/s.

C.2  Dải tốc độ

Ống khí động phải có một bộ điều khiển tốc độ cho phép điều chỉnh lưu lượng trên toàn bộ các ứng dụng của thiết bị sóng âm trong điều kiện kiểm tra (thích hợp nhất là từ 0.01 U_max tới U_max, thấp nhất là từ 0.02 U_max tới U_max). Thay đổi tốc độ nên duy trì lưu lượng trong khoảng ± 0.2 m/s, thích hợp nhất là trong khoảng ± 0.1 m/s.

...

...

...

Lưu lượng trung bình phải được xác nhận tại các điểm tốc độ bắt buộc bằng việc sử dụng dụng cụ theo dõi chuyển đổi (tốt nhất là chỉ loại từng bước một), đã được căn chỉnh trong phòng thử nghiệm quốc gia hoặc bằng một phương pháp vật lý căn bản. Các điểm tốc độ dưới 2 m/s phải được kiểm tra bởi phong kế có độ nhạy cao hoặc bằng kĩ thuật cơ bản về thời gian và khoảng cách, ví dụ như đo thời gian truyền của khói thuốc, bong bóng xà phòng hoặc dòng nhiệt giữa hai điểm cách nhau một khoảng đã biết. Một bàn ống thổi thay đổi các tỉ lệ hoặc một vài chỉ số khác, có liên quan tới phương pháp điều khiển lưu lượng, nên được thiết lập bởi kĩ thuật này cho các mức tốc độ 2 m/s và thấp hơn.

C.4  Đặc tính dòng

Lưu lượng càng đồng nhất càng tốt và mức nhiễu loạn phải nhỏ hơn 1 % trong toàn khu thử nghiệm.

Độ lệch từng phần của lưu lượng phải nằm trong khoảng 1 % giá trị trung bình. Mức nhiễu loạn cũng cần được biết.

C.5  Bộ gá kiểm tra quay

Một bộ gá kiểm tra quay đặt trong khu vực thử nghiệm để thu được các hướng thay đổi của mảng cảm biến đầu dò thiết bị sóng âm để tiến tới góc tiếp xúc 360° nếu cần. Bộ kiểm tra quay cố định nhỏ nhất phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Được quy định cho thiết bị đo.

- Nghiêng 15° trong các hướng xuôi và ngược gió.

- Độ phân giải là 1°.

...

...

...

Việc thiết kế bộ này để giữ mảng cảm biến tại những góc đã chọn trước mà không gây ra trở ngại trong việc thử tốc độ gió trong vùng thử hoặc thay đổi mức nhiễu loạn của nó.

Phụ lục D

(tham khảo)

Sự thay đổi trở kháng âm thanh theo độ cao

Bảng D.1 chỉ ra mối quan hệ giữa độ cao hoạt động và trở kháng âm thanh. Ngoài ra nó còn chỉ ra áp suất tương đương, là áp suất gây ra bởi sự giãn nở nhiệt để tạo ra trở kháng âm trong khí quyển tiêu chuẩn tại độ cao xác định.

Ba cột đầu của Bảng D.1 được lấy từ tiêu chuẩn khí quyển Mỹ. Cột 4 và 5 là kết quả được tính ra từ cột thứ 2 và 3. Cột thứ 6 đưa ra áp suất p_e, đại lượng tương ứng với giá trị Z trong hang đó, nếu không khí giãn nở đẳng nhiệt thì bắt đầu từ giá trị bề mặt của tiêu chuẩn khí quyển Mỹ. Theo đó, p_e là áp suất mang lại giá trị tương đương của trở kháng âm thanh Z trong buồng áp suất như những gì xảy ra tại độ cao h trong tiêu chuẩn khí quyển Mỹ.

CHÚ THÍCH: Mối quan hệ của áp suất tương đương tới độ cao được chỉ ra trong Bảng D.1 khác so với mối quan hệ giữa áp suất với độ cao trong khí quyển, do tỉ lệ nhiệt độ và hơi nước phụ thuộc và độ cao trong khí quyển.

Bảng D.1 - Tiêu chuẩn khí quyển Mỹ (cột 1 đến cột 5) và áp suất tương đương (cột 6)

...

...

...

p

c

Z

Z^2/Z₀^2

p_e

m

kg.m^-3

m.s^-1

kg.m^-2∙s^-1

...

...

...

hPa

0

1,225

340,29

416,86

1

1 013,25

1 000

1,112

...

...

...

374,12

0,805

909,36

2 000

1,007

332,53

334,86

0,645

813,94

...

...

...

0,9091

328,58

290,71

0,513

726,07

4 000

0,8191

324,59

265,87

...

...

...

646,24

5 000

0,7361

320,54

235,92

0,320

573,44