CHẾ TẠO CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH ĐỘ MẶN CỦA NƢỚC BẰNG PHƢƠNG PHÁP KHÔNG TIẾP XÚC

Trong nghiên cứu ngoài việc tính toán lý thuyết, nghiên cứu đã thiết kế các cảm biến với các cấu hình khác nhau bằng cách thay đổi các thông số chế tạo cảm biến như: đường kính, chiều dà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO KHOA HỌC

THAM GIA XÉT KHEN THƯỞNG "CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI"

NĂM HỌC 2021 - 2022

CHẾ TẠO CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH ĐỘ MẶN CỦA NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG TIẾP XÚC

Thuộc nhóm lĩnh vực khoa học: Công nghệ - Kỹ thuật

Tác giả: Phạm Hồng Phúc, Phạm Xuân Sơn, Đỗ Vinh Tân, Hoàng Thế Lịch

Đơn vị đào tạo: Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Tên đề tài

“Chế tạo cảm biến xác định độ mặn của nước bằng phương pháp không tiếp

xúc”

2 Tên tác giả

Phạm Hồng Phúc, Phạm Xuân Sơn, Đỗ Vinh Tân, Hoàng Thế Lịch

3 Địa chỉ

Khoa Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Nano (VLKT & CNNN) - Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội

4 Tóm tắt

“Xuất phát từ tình trạng xâm nhập mặn đang ngày càng đe dọa đến đời sống và phát triển kinh tế, đặc biệt và nuôi trồng thủy hải sản và gieo trồng trong nông nghiệp, nhóm nghiên cứu tại Khoa VLKT & CNNN, trường Đại học Công Nghệ đã nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện một hệ cảm biến đo lường độ mặn nhằm hộ trợ cảnh báo sớm nguy cơ xâm nhập mặn tại các vùng cửa sông Nghiên cứu chế tạo cảm biến dựa trên phương pháp không tiếp xúc và hiện tượng cộng hưởng RLC [1, 2, 7] Trong nghiên cứu ngoài việc tính toán lý thuyết, nghiên cứu đã thiết kế các cảm biến với các cấu hình khác nhau bằng cách thay đổi các thông số chế tạo cảm biến như: đường kính, chiều dài, số vòng dây Kết quả đã đưa ra cảm biến đáp ứng tốt để cảnh báo sự xâm nhập mặn của nước biển (35g/l) tại các vùng cửa sông với độ nhạy đạt được là S

= 23 μH.lít/gam, vùng tần số làm việc trong khoảng 640 kHz – 790 kHz Cảm biến

hoàn toàn có thể được ứng dụng trong giám sát độ mặn nước trong thời gian dài với năng lượng tiêu hao thấp, có thể phục vụ cho ứng phó biến đổi khí hậu

“From the reality that saltwater intrusion is increasingly threatening life and economic development, especially aquaculture and farming The research team at the Faculty of Engineering Physics amd NanoTechnology, University of Engineering and Technology has researched, developed and perfected a salinity measurement sensor system to support early warning of the risk of saltwater intrusion in estuary areas Research and fabricate sensor based on non-contact method based with RLC resonance phenomenon [1, 2, 7] In addition to theoretical calculations, the research

has designed sensors with different configurations by changing sensor fabrication parameters such as diameter, length, number of turns The results have shown that the sensor has a good response to warn of saline intrusion of sea water (35g/l) in estuary

areas with the sensor's sensitivity of S = 23 μH liter/gram, the area working frequency

in the range 640 kHz - 790 kHz The sensor can be applied in long-term monitoring of water salinity with low energy consumption, which can serve to respond to climate change”

5 Từ khóa

- Độ mặn – Salinity

- Xâm nhập mặn – Salinization

- Dữ liệu lớn về nước – Big data of water

- Độ tự cảm – Inductance

- Độ nhạy – Sensitivity

6 Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu

Xâm nhập mặn là một trong những vấn đề đặc biệt đáng lo ngại đang đe dọa nghiêm trọng đến hoạt động nông nghiệp cũng như đời sống sinh hoạt của người dân vùng đồng bằng sông Cửu Long và một số tỉnh miền Trung

Tình trạng xâm nhập mặn đã gây ra ảnh hưởng tới hoạt động sản xuất nông nghiệp của người dân Theo báo cáo của Tổng cục Thủy lợi (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), năm 2019 - 2020 hạn mặn đã làm cho khoảng 41.900ha lúa đông xuân ở các tỉnh ĐBSCL thiệt hại, trong đó mất trắng là 26.000ha [2]

Hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng bị tác động mạnh bởi hiện tượng xâm nhập mặn Đến cuối năm 2015, diện tích nuôi tôm toàn vùng ĐBSCL bị thiệt hại khoảng 3.771 ha, riêng Cà Mau chiếm khoảng 72% (2.700ha), kế đến là Trà Vinh, Bến Tre Bên cạnh đó, xâm nhập mặn còn dẫn đến tình trạng thiếu nước sinh hoạt tại các tỉnh ĐBSCL Trong đợt xâm nhập mặn xảy ra năm 2016, ước tính có khoảng 600.000 người dân khu vực này phải sống trong cảnh thiếu nước sinh hoạt Chính vì vậy việc tiến hành các biện pháp phòng chống xâm nhập mặn là hết sức cần thiết nhằm hạn chế tối đa các tác động xấu của hiện tượng này đến hoạt động sản xuất và đời sống của

người dân Ở nước ta đã có một số nhóm nghiên cứu chế tạo thiết bị giám sát, cảnh báo, kiểm soát hàm lượng mặn của nước nhằm phục vụ các hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng như ứng phó với biến đổi khí hậu Tuy nhiên, hầu hết những thiết bị này

có đầu dò cảm biến là sản phẩm ngoại nhập khiến cho việc làm chủ công nghệ này của các nhóm nghiên cứu gặp nhiều khó khăn [0]

Bên cạnh đó, cũng do phải nhập khẩu linh kiện nên giá thành còn cao, gây trở ngại cho việc tiếp cận sản phẩm của đông đảo người dân Trên thị trường cũng đã xuất hiện một số thiết bị cảm biến thương mại nhưng những sản phẩm này đều không đáp ứng được yêu cầu về độ bền, độ chính xác cũng như không có khả năng quan sát thời gian thực ngoài hiện trường

Từ những vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu nghiên cứu, chế tạo ra các cảm biến dựa vào hiện tượng cảm từ Điểm đặc biệt cảm biến này không cần tiếp xúc trực tiếp với dung dịch muối nhưng vẫn có thể phát hiện được sự thay đổi nồng độ muối và điều này giải quyết được vấn đề ăn mòn, hư hại cảm biến dưới cơ chế điện hóa Sau khi thiết kế thành công hệ thống cảm biến kết hợp với các mạch điện tử, hệ thống sẽ có khả năng kết nối không dây đến các thiết bị ngoại vi như điện thoại di động, máy tính…Một điểm đặc nổi bật nữa là hệ thống có thể được sử dụng với nguồn năng lượng pin mặt trời; giúp cập nhật liên tục, chính xác thông tin về độ mặn của nước mà không phải lo lắng về vấn đề năng lượng để duy trì hệ thống

7 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên của đề tài là phương pháp thực nghiệm: các cuộn cảm biến được tính toán thiết kế dựa trên lý thuyết về cảm ứng điện từ để đưa ra các cấu hình phù hợp Cảm biến thiết kế được chế tạo tại Phòng thí nghiệm của Khoa Vật lý

kỹ thuật và Công nghệ Nano-Trường Đại học Công nghệ Các kết quả đo được khảo sát trên thiết bị đo RLC của phòng thí nghiệm, được chuẩn hóa trên các thiết bị hiện đại tại Viện ứng dụng Công Nghệ thuộc Bộ Khoa học Công Nghệ

7.1 Cơ sở lý thuyết

Trong đề tài này nhóm nghiên cứu dùng một hệ cảm biến không tiếp xúc để đo

sự thay đổi của độ tự cảm L và tần số cũng như sự thay đổi của theta theo tần số Nguyên lý đo cho hầu hết các cảm biến dẫn điện không tiếp xúc là cảm ứng điện Hai

loại cảm biến dẫn điện cảm ứng thường được sử dụng là: một cuộn dây (biến áp đơn)

và 2 cuộn dây [0]

Cảm biến không tiếp xúc thực chất là một cuộn cảm bên ngoài được phủ một lớp polymer chống ăn mòn để tránh tiếp xúc trực tiếp xúc trực tiếp với dung dich Cảm biến một cuộn dây gồm một thiết bị cảm ứng từ, một cuộn dây đơn đóng vai trò là cuộn sơ cấp của máy biến áp với từ trường được biểu diễn như hình 1 Cuộn thứ cấp của máy biến áp được hình thành bởi chất lỏng xung quanh có độ dẫn điện được xác định Một nguồn dao động có tần số và biên độ được sử dụng để điều khiển cuộn sơ cấp Dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên theo thời gian, được gọi là trường sơ cấp tạo ra một điện trường Theo định nghĩa của định luật Faraday Khi cuộn dây được đưa đến gần một vật dẫn điện, nước biển trong trường hợp này, điện trường tạo ra dòng điện xoáy trong đó Mật độ của các dòng điện xoáy này tỉ lệ thuận với khả năng dẫn điện của môi trường ( được đưa ra theo định luật Ôm) Các dòng điện xoáy này tạo ra một từ trường thứ cấp, theo hướng ngược lại với trường

sơ cấp ( theo định luật Lenz) [0]

Độ tự cảm của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua: [0]

Hình 1 Đường sức từ xung quanh cuộn dây

Mối liên hệ giữa các thông số độ tự cảm của cuộn dây được biểu diễn trong công thức (1) với độ lớn L:

l

S n

L 4.107.r 2

 (1) Trong đó :

- L là hệ số tự cảm của cuộn dây, đơn vị là Henry(H)

- n là số vòng dây của cuộn dây

- l là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét(m)

- S là tiết diện của lõi, tính bằng m2

- µ r là hệ số từ thẩm của vật liệu lõi

Nguyên lý thay đổi độ tự cảm L trong cuộn dây ( cảm biến không tiếp xúc) : Trong máy phát tần sẽ phát ra một dải tần số thay đổi từ đó dòng AC chảy qua cuộn cảm sẽ thay đổi và từ đó thay đổi được dòng điện tích chảy qua cuộn cảm và theo công thức của lực Lorentz: F = q × v × B × sinα ( là lực của một từ trường tác dụng lên điện tích đang chuyển động ) thì từ trường sẽ thay đổi từ đó độ tự cảm L sẽ thay đổi do độ

tự cảm sinh ra do dòng chuyển động trong cuộn dây và cuộn dây sinh ra dòng điện cảm ứng [0, 10]

7.2 Các cấu hình cảm biến chế tạo và khảo sát trong nghiên cứu

Nhóm thực hiện khảo sát các cảm biến dạng cuộn dây với nhiều thông số khác nhau nhằm tìm ra được cảm biến tối ưu nhất :

(mm)

Đường kính (mm)

Số vòng dây (vòng)

Bảng 1 Bảng thông số của các cảm biến được đưa chế tạo và khảo sát

Các thông số của các cảm biến được tính toán bằng cả lý thuyết và thực nghiệm khảo sát nhiều lần để kiểm chứng độ hoạt động hiệu quả và độ lặp lại của chúng Thiết bị Module LCR Meter 3550 để khảo sát các giá trị độ tự cảm, điện dung

và tổng trở Z của mỗi cảm biến (xem trên hình 2) Một số thông số hoạt động của thiết

bị LCR Meter 3550 là giá trị điện áp hoạt động trong khoảng 110 – 240 V AC, dải tần hoạt động từ 42Hz – 5MHz, nhiệt độ yêu cầu môi trường 5℃ ~ 40℃ Nguyên lý của thiết bị khảo sát TEGAM LCR Meter 3550: Sử dụng dòng AC phát ra những dải tần khác nhau để khảo sát sự phụ thuộc giữa độ tự cảm L của cuộn dây và tần số do máy phát ra Bản chất dòng điện trong máy phát ra là dòng AC nên khi thay đổi dải tần số f

sẽ xảy ra sự thay đổi độ tự cảm L do có sự thay đổi của lực Lorentz tác động lên dòng điện tích đang chuyển động trong từng dung dịch đang xét [0]

Bằng một hệ đo đạc gồm Module LCR Meter, một dung dịch muối và một hệ thống máy tính xử lý số liệu thu được (xem trên hình 2)

Hình 2 Hệ thực nghiệm thiết bị TEGAM LCR Meter 3550 trong quá trình

khảo sát tính chất điện của cảm biến

Nhóm dùng dung dịch muối ăn NaCl, dung dịch NaNO3 và FeCl2 là những hợp chất phổ biến trong nước biển thông thường để kết quả nghiên cứu được chính xác và phù hợp với thực tế Nhóm đo lường giá trị nồng độ của các loại muối trên dải nồng độ

thay đổi từ 0,5g/l đến 3g/l, điều này hoàn toàn phù hợp với thực trạng xâm nhập mặn ở các tỉnh ven biển, khi những năm hạn mặn lịch sử, chiều sâu rãnh mặn trong đất liền khoảng 3 – 4g/l [3]

Cảm biến sau khi hoàn thành sẽ được đóng gói cùng mạch được chứa trong quá cầu (thiết kế bằng phần mềm AutoCad và được in bằng máy in 3D với chất liệu là nhựa) có thể thả trôi trên nước (xem trên hình 3, 4) Kích thước thiết kế của quả cầu là: đường kính quả cầu: 160mm, đường kính ống chứa cảm biến: 9mm, chiều dài ống chứa cảm biến: 150mm

Hình 3 Mô phỏng khối trên của hệ

thống

Hình 4 Mô phỏng khối dưới của hệ

thống

8 Kết quả nghiên cứu và thảo luận

8.1 Tổng hợp sự phụ thuộc giữa độ tự cảm L và tần số f

Hình 5a Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc

giữa tần số và độ tự cảm L của cảm

biến 280 vòng (ghép nối tiếp 2 cuộn dây

cũng chiều)

Hình 5b Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc giữa tần số và độ tự cảm L của cảm biến 280 vòng (cuộn liên tục 280 vòng)

Trên hình 5 biểu diễn kết quả đặc trưng của một cảm biến (C5) phụ thuộc giữa tần số phát của máy với độ tự cảm cuộn dây thu được khi thay đổi nồng độ của dung dịch muối từ 0 đến 3g/lít Với dung dịch chỉ có nước (H2O) ta ta có thể thấy khi tăng tần số đo đến 2 MHz chưa thấy được đỉnh cộng hưởng của cuộn dây Tuy nhiên khi pha NaCl vào dung dịch ta có thể thấy bắt đầu xuất hiện các đỉnh cộng hưởng 0,65 – 0,8MHz (đỉnh dương) và 0,95 – 1,2 MHz (đỉnh âm) điều này được giải thích do quá trình dao động cộng hưởng của các ion dương Na+ (ở đỉnh dương) và và ion Cl- (ở đỉnh âm) đây là tần số dao động riêng của các ion này trong dung dịch nước

Hình 6 Cuộn cảm mắc theo kiểu nối tiếp cùng chiều

Cảm biến với số vòng dây 280 nhóm thực hiện khảo sát với cách mắc 2 cuộn cảm 140 vòng ghép nối tiếp cùng chiều (xem trên hình 6) Khi cuộn cảm được ghép nối tiếp thì tổng độ tự cảm của cuộn sẽ tăng hoặc giảm phụ thuộc vào lượng từ trường ghép và sự tự cảm lẫn nhau giữa các cuộn con, có thể là “hỗ trợ” khi mắc cùng chiều hoặc “đối nghịch” khi mắc ngược chiều Với cách mắc mới thì các thông số kết quả cũng có sự khác biệt với 2 cuộn còn lại Cụ thể ở cuộn này sự tách đỉnh xảy ra ở 2 nồng độ muối 1,5g/l và 2,5g/l, giá trị Lmax khá cao, trong khoảng gần 120H ở nồng

độ 3 g/l, giá trị tần số cộng hưởng nằm trong khoảng từ 0,65 – 0,8 MHz Đây là kết quả khá thú vị để tăng độ nhạy cảm biến theo cách mắc các cuộn dây trong quá trình thiết kế chế tạo Điều đó cho thấy tính tương thích điện từ trường của cuộn cảm này hoản toàn khác với các cuộn thẳng

Hình 7 Tổng hợp giá trị độ tự cảm L tại nồng độ muối 1.5g/l của tất cả các cảm biến

với cấu hình khác nhau

Trên hình 7 là bảng tổng hợp kết quả đo của các cấu hình cảm biến đáp ứng với nồng độ 1.5g/lít của NaCl Cảm biến với số vòng dây lớn như (C5, C6, C7, C8) đáp ứng tốt trong vùng tần số thấp, tín hiệu độ tự cảm cao hơn gấp 2.5 lần so với các cảm biến có số vòng dây nhở (C1, C2, C3) Trên đồ thị chỉ ra rằng với cảm biến C7 (d = 9mm, L = 90mm, N = 280): Khi thay đổi nồng độ các muối trong dung dịch, giá trị Lmax của cuộn cảm biến đáp ứng với các dung dịch này được xác định trong khoảng tần số cộng hưởng từ 0,6MHz – 0,7MHz Tại giá trị nồng độ muối 2,75g/l thì cho đỉnh Lmax cao khoảng 105H và tần số cộng hưởng là nhỏ nhất, cách khá xa các đỉnh cộng hưởng của các giá trị muối khác, độ tự cảm lớn nhất so với các cảm biến khác, đây được coi là một sự tách đỉnh, nguyên nhân có thể là do tại một nồng độ muối nhất định thì các phân tử và nguyên tử muối sẽ tương tác và hoạt động rất mạnh dẫn đến đỉnh cộng hưởng càng tăng nếu nồng độ muối càng tăng Do dung dịch khảo sát của nhóm

là NaCl mà ion Na+ và Cl- không có moment từ điện tử do vậy chỉ có momen từ quỹ đạo đóng góp vào độ từ hóa cuối cùng của dung dịch ion

Kết quả chỉ ra rằng khi tăng số vòng dây lên một ngưỡng nhất định thì giá trị tần số sẽ ngày càng giảm và khoảng dao động ngắn hơn Cụ thể cảm biến 280 vòng nối tiếp và 280 vòng liên tục cho ra thông số tốt nhất, giá trị tần số cộng hưởng chỉ dao