Tính ổn định của hệ vi phân tuyến tính chịu nhiễu

Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo cảm biến thủy phần dùng tụ trụ, khảo sát sự phụ thuộc của điện dung tụ theo hàm lượng nước thông số điện môi trong điện trường của tụ, đề x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Dung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Thị Dung

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, tôi kính xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Phạm Quốc Triệu đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đỗ Trung Kiên cùng các thầy,

cô giáo trong bộ môn Vật lý vô tuyến và điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy cô trong khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian học tập tại trường

Tôi xin kính cảm ơn gia đình, bố mẹ, anh em và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên cao học

BÙI THN DUNG

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN 2

1.1 Cảm biến độ "m không khí 2

1.1.1 Những định nghĩa cơ bản về không khí "m 2

1.1.2 Phân loại "m kế 5

1.1.3 Ẩm kế ngưng tụ 6

1.1.4 Ẩm kế hấp thụ 8

1.1.5 Ẩm kế biến thiên trở kháng 12

1.1.6 Ẩm kế điện ly 17

1.2 Thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m 19

1.2.1 Vai trò của thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m 19

1.2.2 Chuyển đổi đo lường 20

Chương 2- MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN THƯỜNG DÙNG VỚI CẢM BIẾN 25

2.1 Mạch khuếch đại vi sai 25

2.1.1 Chế độ một chiều 26

2.1.2 Chế độ xoay chiều 27

2.2 Mạch khuếch đại 29

2.3 Mạch cầu khử điện áp lệch 30

2.4 Cầu đo điện dung và góc tổn hao 31

2.5 Mạch lặp lại điện áp 33

2.6 Mạch cầu điện trở 34

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO 35

3.1 Nghiên cứu chế tạo máy đo thủy phần của gạo theo nguyên lý điện dẫn 35

3.1.1 Nghiên cứu số liệu thực nghiệm 35

3.1.2 Cơ sở thiết kế máy đo độ "m của thóc, gạo (thang đo tuyến tính) 40

3.2 Nghiên cứu chế tạo máy đo thủy phần theo nguyên lý điện dung 43

3.2.1 Tụ điện 43

3.2.2 Cầu điện dung Booton 72B 47

3.3 Kết quả thực nghiệm 48

3.3.1 Khảo sát sự thay đổi điện dung C theo lượng vật chất: 48

3.3.2 Khảo sát sự phụ thuộc điện dung C theo thủy phần gạo 54

3.3.3 Đề xuất mạch chức năng cho thiết bị đo thủy phần 55

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý Nm kế ngưng tụ 7

Hình 1.2 Đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa 9

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý đầu đo dùng clorua liti 11

Hình 1.4 Hàm lượng nước trong chất hấp thụ là hàm của độ Nm và nhiệt độ 13

Hình 1.5.a Sự phụ thuộc của điện trở vào độ Nm tương đối 14

Hình 1.5.b Mạch đo có Nm kế điện trở 14

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo và mạch tương đương của Nm kế tụ điện Al O2 3 .16

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Nm kế điện ly 18

Hình 1.8 Thiết bị đo H theo nguyên lý cân sấy MB45 22

Hình 1.9 Thiết bị KETT F512……… 23

Hình 1.10 Thiết bị GMK 303RS 23

Hình 1.11 Thiết bị KETT PM 600 24

Hình 2.1 Mạch khuếch đại vi sai 25

Hình 2.2 Phân cực cho mạch vi sai 26

Hình 2.3 Mạch KĐVS ở chế độ đơn 27

Hình 2.4 Mạch KĐVS hoạt động ở chế độ đồng pha 29

Hình 2.5 Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm ba KĐTT ghép nối điện trở 30

Hình 2.6 Sơ đồ khử điện áp lệch 31

Hình 2.7 Cầu đo tụ điện tổn hao ít 31

Hình 2.8 Cầu đo tụ điện tổn hao lớn 32

Hình 2.9 Sơ đồ mạch lặp điện áp 33

Hình 2.10 Sơ đồ mạch cầu điện trở 34

Hình 3.1 Đồ thị phụ thuộc của H % theo ρ 37

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của điện trở suất của gạo theo nhiệt độ 38

Hình 3.3 Mạch nguyên lý của máy đo 41

Hình 3.4 Sơ đồ máy đo độ Nm của thóc gạo 42

Hình 3.5 Kết quả so sánh giữa hai máy đo 42

Hình 3.6 Tụ điện phẳng 44

Hình 3.7 Tụ trụ 45

Hình 3.8 Hai tụ trụ được chế tạo 46

Hình 3.9 Mạch cầu đo trong thiết bị Booton 72B 47

Hình 3.10 Thiết bị đo điện dung DL8000 48

Hình 3.11 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ C MN phụ thuộc lượng mẫu 51

Hình 3.12 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ C MN phụ thuộc lượng mẫu 53

Hình 3.13 Đồ thị tổng hợp các quan hệ C MN(tụ nhỏ) theo các lượng mẫu khác nhau 53

Hình 3.14 Đồ thị tổng hợp các quan hệ C MN(tụ lớn) theo các lượng mẫu khác nhau 54

Hình 3.15 Tương quan độ Nm và điện dung của mẫu gạo Si 55

Hình 3.16 Tương quan độ Nm và điện dung của mẫu gạo Tám Điện Biên 55

Hình 3.17 Khối tạo tín hiệu sine 56

Hình 3.18 Sơ đồ mạch phát xung 56

Hình 3.19 Sơ đồ mạch chia tần 57

Hình 3.20 Sơ đồ mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất 58

Hình 3.21 Mạch cầu Sauty 59

Hình 3.22 Mạch khuếch đại vi sai 59

Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và lượng mẫu L 61

Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và H 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch

muối clorua liti 10

Bảng 3.1 Tương quan giữa điện trở suất và độ Nm của gạo 35

Bảng 3.2 Giá trị của điện trở suất ρ (Ω.cm) 37

Bảng 3.3 Số liệu của hàm đa thức và lũy thừa 38

Bảng 3.5 So sánh thông số nhiệt của gạo và của nhiệt trở Ge pha tạp Cu 39

Bảng 3.7 So sánh số chỉ của máy Kett và máy lắp ráp 43

MỞ ĐẦU

Là một đất nước nông nghiệp, Việt Nam có lượng sản phNm nông nghiệp hết sức phong phú Có hàng trăm các chủng loại sản phNm đầu ra thường xuyên cần được bảo quản, thu mua hoặc giao dịch buôn bán như thóc gạo, ngô, đỗ, lạc, vừng, cà phê, thuốc lá v.v… Tất cả các hoạt động đó đều yêu cầu một chỉ tiêu riêng về độ Nm (lượng nước trong sản phNm hay thủy phần) Nhiều công trình khoa học, nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã quan tâm nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo thủy phần phục

vụ đối tượng trên Tại Việt Nam, cũng đã có đề tài cấp nhà nước nghiên cứu và chế tạo thành công máy đo thủy phần thóc gạo dùng nguyên lý điện dẫn Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế, chế tạo một loại thiết bị đo thủy phần sử dụng nguyên lý cảm biến điện dung Ưu điểm của cảm biến này là có khả năng đánh giá thủy phần trong các sản phNm nông nghiệp đa dạng hơn về chủng loại, đồng thời kết cấu cũng nhỏ gọn, bền về phương diện cơ học, dễ mang xách, vận hành tại hiện trường

Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo cảm biến thủy phần dùng tụ trụ, khảo sát sự phụ thuộc của điện dung tụ theo hàm lượng nước (thông số điện môi trong điện trường của tụ), đề xuất mạch điện tử xử lý tín hiệu đo và đối chiếu với thiết bị Riceter của hãng Kett (Nhật Bản) Kết cấu của luận văn gồm ba Chương như sau:

Chương 1 Chuyển đổi tín hiệu thủy phần

Chương 2 Một số mạch điện thường dùng với cảm biến

Chương 3 Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo

Các kết quả thu được cho thấy thiết bị dùng cảm biến điện dung có khả năng đo thủy phần các sản phNm nông nghiệp Tuy nhiên, để trở thành thương phNm áp dụng trên thị trường, cần có thêm thời gian nghiên cứu, hiệu chỉnh, chuNn hóa số liệu trên từng đối tượng cụ thể

Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN

1.1. Cảm biến độ "m không khí [5]

Độ Nm cao của không khí và của chất khí nói chung có thể có hậu quả nghiêm trọng đối với các quá trình lý hóa và sinh lý Bởi vậy đo độ Nm là điều bắt buộc trong nhiều thiết bị và môi trường làm việc vì những lý do có thể liệt kê dưới đây Trong đời sống, độ Nm tương đối cần phải duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chịu cho con người thay đổi trong một khoảng tương đối rộng: từ 35% đến 70% Nếu độ

Nm tương đối thấp hơn 70%, bộ máy tiêu hóa bị kích thích, còn nếu lớn hơn 70% thì

sự ra mồ hôi bị giảm nghiêm trọng Nói chung độ Nm ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng; độ Nm càng cao thì càng tốn phí năng lượng để có điều kiện môi trường Trong công nghiệp, các điều kiện về độ Nm rất khác nhau phụ thuộc vào sản phNm cụ thể Trong một số trường hợp, phải duy trì độ Nm không đổi trong môi trường làm việc, thí dụ, trong công nghiệp dệt, bởi vì sự thay đổi độ Nm làm thay đổi các đặc tính của sợi (như sức căng cơ học) Trong công nghiệp thực phNm, điều kiện bảo quản thực phNm tối ưu phụ thuộc vào loại sản phNm, thường là nhiệt độ 0

1.1.1 Những định nghĩa cơ bản về không khí "m

Xét không khí Nm có thể tích V ở nhiệt độ T Khối lượng M không khí Nm chứa trong thể tích V là tổng của khối lượng không khí khô m a và khối lượng của hơi nước là m V Gọi áp suất tổng của áp suất riêng phần của không khí khô p a và

của hơi nước p V (P= p a+ p V) Khi đó một số khái niệm chung được định nghĩa như sau:

m r m

=

- Áp suất hơi bão hòa:

Áp suất hơi bão hòa p T s( ) (đo bằng Pa) là áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước (lỏng) ở nhiệt độ T Đây là giá trị lớn nhất mà áp suất riêng phần p V có thể đạt tới nhiệt độ T Lớn hơn áp suất này sẽ xảy ra ngưng tụ

p U

- Điểm ngưng tụ (điểm sương) là nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong không

khí ngưng tụ thành nước ( nhiệt độ được hạ thấp trong khi áp suất khí không thay đổi) Cũng có thể hiểu điểm ngưng tụ là nhiệt độ mà tại nhiệt độ đó, hỗn hợp khí bão hòa và không có khả năng chứa thêm hay hấp thụ hơi nước Như vậy, khi đó, hơi nước sẽ bắt đầu ngưng tụ thành nước và tách khỏi hỗn hợp khí đó Giọt nước sẽ đọng trên bề mặt của các vật nằm trong thể tích khí đó

- Thí dụ về hơi nước trong khí quyển

Đám mây đen giông bão có chứa tới 10 g hơi nước trong 1m3 khí (tương đương với 100.000 tấn nước trên 2,59 km2)

Mây đen trung bình có chứa tới 0,8 g hơi nước trong 1m3 khí

Đám mây mưa nhẹ có chứa tới 0,2 g hơi nước trong 1m3 khí

Đám mây trắng nhẹ có chứa khoảng 0.1 g hơi nước trong 1m3 khí

Trong trường hợp mây đen giông bão lượng hơi nước 10g/m3 khí tương đương với 100.000 tấn nước trên 2,59 km2

- Enthalpy riêng:

Tổng nhiệt lượng chứa trong không khí Nm có nguồn gốc chính là enthalpy tương ứng với không khí khô ở 0o C Enthalpy riêng i (đo bằng kJ/kg) được tính cho một đơn vị khối lượng của không khí khô

Thí dụ, để chuyển không khí Nm có chứa khối lượng không khí khô m a xác định bởi điều kiện A (T =T A, r=r A) sang điều kiện (T =T B, r=r B) cần cung cấp một năng lượng:

(i A−i B).m a (1.3)Trong đó i A và i B là enthalpy riêng ở điều kiện A và B

Tiện lợi của enthalpy riêng là có thể nhóm nhiệt lượng “nhạy” tương ứng với thay đổi nhiệt độ (T B −T A) giữa A và B với nhiệt lượng “Nn” tương ứng với sự thay đổi(r B−r A) của tỷ lệ trộn giữa A và B thành một số hạng:

0 ( , ) pa ( pv ) (1.4)

- Tỷ lệ trộn và áp suất hơi:

(1.5)

v v

p r

P p

δ

=

−Trong đó:

0,622

v a

M M

a

M và M v là khối lượng phân tử của không khí và hơi nước

- Nhiệt độ Nm và áp suất hơi:

Có thể phân chia Nm kế thành hai loại chính:

- Loại thứ nhất dựa trên nguyên lý vật lý cho phép trực tiếp xác định độ Nm, thí dụ Nm kế ngưng tụ, Nm kế điện ly

- Loại thứ hai có nguyên lý dựa trên việc do tính chất của vật có lien quan đến

độ Nm, thí dụ Nm kế biến thiên trở kháng

Các loại Nm kế khác nhau này, tùy theo nguyên tắc hoạt động, cho phép tiếp cận với một trong những thông số của không khí Nm đã mô tả ở mục trước Các thông số của không khí Nm và loại Nm kế thích hợp để đo chúng được liệt kê như sau:

- Nhiệt độ hóa sương T d đo bằng Nm kế ngưng tụ, Nm kế hấp thụ, Nm kế oxit nhôm và Nm kế điện ly;

- Nhiệt độ Nm T h đo bằng psychromet;

- Độ Nm tương đối U đo bằng Nm kế biến thiên điện trở và Nm kế biến thiên điện dung

Nói chung rất khó so sánh các loại Nm kế khác nhau bởi vì chúng đo các thông số khác nhau của không khí Nm Trước khi chọn một Nm kế cần phải biết thông số chính muốn đo để chọn lựa thiết bị cho phép đo với độ sai lệch nhỏ nhất

1.1.3 Ẩm kế ngưng tụ

a Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của Nm kế

Khi làm lạnh một vật có thể đo nhiệt độ của nó một cách liên tục cho đến khi hình thành lớp sương hoặc lớp băng trên bề mặt của nó Tiếp theo, ổn định quá trình làm lạnh bằng cách giữ trạng thái cân bằng giữa không khí và lớp sương Nhiệt độ

đo chính là điểm sương T d(dew point) còn gọi là điểm băng giá T f(frost point) Bắt đầu từ điểm sương này người ta đo áp suất hơi trong không khí Nm

Các Nm kế đo điểm sương chỉ đáng tin cậy khi chúng được tự động hóa Trên hình 1.1 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của một Nm kế tự động theo nguyên lý ngưng tụ Các phần tử của Nm kế ngưng tụ bao gồm:

- Gương bằng kim loại và hệ thống điều chỉnh nhiệt độ của gương;

- Cảm biến đo nhiệt độ của gương (điện trở platin hoặc cặp nhiệt độ);

- Nguồn phát chùm tia ánh sáng và đầu đo quang

Nguồn sáng chiếu vào gương sao cho đầu đo không nhạy cảm khi không có ngưng tụ hơi nước Lúc này hệ thống điều khiển phát tín hiệu để làm lạnh gương (bằng hiệu ứng Peltier hoặc bằng nito lỏng) cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang kích thích phát tín hiệu nung nóng gương thông qua bộ điều khiển Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến mất cùng với sự chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng và một chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu Bằng cách hiệu chỉnh thích hợp có thể nhận được lớp ngưng tụ có bề dày cố định và tạo ra trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ Cảm biến nhiệt độ đặt phía sau gương cho phép xác định nhiệt độ của gương

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý "m kế ngưng tụ

b Các yếu tố ảnh hưởng

Gradient nhiệt độ và sự dò nhiệt ảnh hưởng rất mạnh đến độ chính xác của đầu đo Theo lý thuyết, nhiệt độ hóa sương là nhiệt độ của bề mặt phân biên giữa không khí và nước Tuy nhiên, trên thực tế luôn luôn tồn tại gradient nhiệt độ giữa

bề mặt này và cảm biến nhiệt độ vì nó đặt sau gương Đấy là chưa kể đến sai số gây nên bởi hiệu ứng dẫn nhiệt của dây dẫn Tuy vậy, đây là sai số hệ thống và có thể loại bỏ bằng cách chuNn Nm kế

Khi điểm hóa sương thấp hơn 0

0 C, nước có thể tồn tại dưới dạng băng hoặc dạng chất lỏng chậm đông Do vậy, với cùng tỷ lệ trộn r có thể có hai điểm cân bằng tương ứng với áp suất riêng phần khác nhau Trong trường hợp này, với cùng

tỷ lệ trộn r cho trước, nhiệt độ hóa sương và nhiệt độ băng giá có thể khác nhau Để tránh hiện tượng này có thể áp dụng biện pháp làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp để chắc chắn là đã đạt được tráng thái rắn sau đó nâng lên nhiệt độ đóng băng

Quá trình chuyển trạng thái giữa nước và băng không nhất thiệt phải xảy ra xung quanh điểm 0

0 C Một số máy đo có thể làm việc ở trong nước chậm đông

Nguồn sáng

Nguồn nuôi

Hiệu chỉnh

Làm nguội Nung nóng

Cảm biến nhiệt độ

gương Đầu thu quang

180 C

+ để đo nhiệt độ hóa sương của axit hoặc để

đo áp suất cao

Độ chính xác khi đo điểm hóa sương T d phụ thuộc vào độ chính xác khi đo nhiệt độ vào sai số hệ thống Một số Nm kế có độ chính xác đến 0

0, 2 C

những chất có độ hóa sương cao hơn 0

20 C, thời gian hồi đáp cỡ khoảng vài phút Ở 0

80 C

− phải mất 3 giờ với lưu lượng 10 l/h để hình thành một lớp băng 0,3µm,

tương đương với thời gian hồi đáp ở điều kiện này

Ưu điểm nổi bật của Nm kế ngưng tụ là có thể làm việc trong môi trường ăn mòn (thí dụ khí nhiên liệu) Tuy vậy, sự phức tạp về cấu tạo, giá thành cao, nhu cầu hiệu chỉnh thường xuyên là những nhược điểm chính làm Nm kế loại này chỉ được

sử dụng trong phòng thí nghiệm

1.1.4 Ẩm kế hấp thụ

a Nguyên tắc đo

Nguyên tắc đo độ Nm dùng Nm kế hấp thụ dựa trên hai hiện tượng:

- Áp suất hơi ở phía trên của một dung dịch bão hòa chứa các muối hòa tan nhỏ hơn áp suất ở bên trên mặt nước với cùng điều kiện nhiệt độ như nhau (hình 1.2)

- Độ dẫn điện của một muối kết tinh nhỏ hơn rất nhiều so với độ dẫn điện của dung dịch của chính muối đó với tỷ lệ cỡ 3 4

10− ÷ 10− Hiện tượng này cho phép thực hiện việc nung nóng dung dịch và hiệu chỉnh công suất nung

Hình 1.2 Đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số

dung dịch bão hòa

Khi đo độ Nm bằng Nm kế hấp thụ người ta nung nóng dung dịch muối chứa

trong Nm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi

ở trong môi trường không khí bình thường Biết được nhiệt độ này sẽ xác định được

áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương

Thông thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ

cho trước áp suất hơi càng nhỏ càng tốt Trên thực tế clorua liti (LiCl) là muối duy

nhất được sử dụng để chế tạo Nm kế (hình 1.2) Trong bảng 1 ghi các giá trị áp suất

hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối colorua liti bão hòa ở nhiệt độ

khác nhau Đường cong áp suất hơi gần như tương ứng với đường cong độ Nm

tương đối 12%

Bảng 1 Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch

muối clorua liti

p LiCl T U

119,2 157,6 203,6 260,6 353,2 473,9 628,7 823,6 1066,1 1364,6 1727,5 2163,4 2681,1

13,7 12,8 11,9 11,1 11,1 11,2 11,2 11,2 11,1 11,1 11,0 10,9 10,7

Thí dụ: ứng với cùng một giá trị của áp suất hơi bằng 2163Pa, nhiệt độ hóa

Cảm biến có cấu tạo bao gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tNm dung

dịch LiCl trên đó có cuốn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn Giữa hai

điện cực này đặt một điện áp xoay chiều cho dòng điện chạy qua trong dung dịch để

đốt nóng và làm bay hơi nước Khi nước bay hơi hết, dòng điện giữa các điện cực

giảm xuống một cách đáng kể bởi vì độ dẫn của muối clorua liti ở thể rắn nhỏ hơn

rất nhiều so với độ dẫn của dung dịch, do vậy nhiệt độ của cảm biến giảm xuống

Đồng thời, vì LiCl là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước, độ Nm tăng và dòng điện I lại tăng lên làm cho nhiệt độ của cảm biến tăng lên Cuối cùng sẽ đạt được cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch Theo nguyên lý nêu trên, cân bằng này xảy ra ở nhiệt độ liên quan trực tiếp đến áp suất hơi và cũng đồng thời đến nhiệt độ hóa sương T d Như vậy có thể xác định được T d Trong hệ thống này phần tử điều chỉnh chính là clorua liti

Sơ đồ nguyên lý của Nm kế LiCl biểu diễn trên hình 1.3

như trong trường hợp cảm biến ngưng tụ) là ưu điểm của loại cảm biến này là sự đơn giản, độ tin cậy cao và giá thành thấp

Độ chính xác có thể đạt tới 0

0, 2 C

± Độ chính xác này phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến nhiệt độ đặt trong đầu đo, vào cấu tạo của đầu đo và điều kiện sử dụng (như sự lưu thông không khí, nhiệt độ môi trường) Nếu cảm biến được chuNn hóa, độ chính xác là 0

1 C

± khi tốc độ lưu thông không khí thấp hơn 0,5m/s

Thời gian hồi đáp của đầu đo LiCl tương đối lớn, cỡ hang chục phút

Phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất nằm trong khoảng từ 0

Các chất hút Nm có khả năng chứa lượng nước thay đổi phụ thuộc vào độ Nm tương đối của không khí Nếu muốn chế tạo cảm biến dựa trên nguyên tắc này cần phải sử dụng các chất có tính chất điện là hàm của lượng nước (tức là của độ Nm), hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính thuận nghịch và tuyến tính

Các cảm biến độ Nm dựa trên nguyên lý biến thiên trở kháng được phân thành bao

họ chính:

- Ẩm kế điện trở;

- Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi polymer;

- Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi là Al O2 3

a Ẩm kế điện trở

- Nguyên tắc hoạt động và phương pháp chế tạo

Trong Nm kế điện trở, người ta dùng một lượng nhất định chất hút Nm phủ lên đế có kích thước nhỏ (vài 2

mm ) Trên đế này cũng đồng thời phủ thêm hai điện cực bằng kim loại không bị oxy hóa Giá trị của điện trở R đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ và khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút Nm, mà hàm lượng nước lại phụ thuộc vào

độ Nm tương đối và nhiệt độ (hình 1.4)

Hình 1.4 Hàm lượng nước trong chất hấp thụ là hàm của độ "m và nhiệt độ

Một số nhà chế tạo dùng chất lỏng làm chất hút Nm Các chất điện phân là những chất dẫn điện Điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích, mà thể tích lại thay đổi theo hàm lượng nước Người ta sử dụng tính chất này để tìm cách biến đổi độ

Nm tương đối thành tín hiệu điện Trên hình 1.5.a biểu diễn đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở vào độ Nm tương đối của phần tử nhạy của Nm kế Có thể thấy rằng phạm vi thay đổi điện trở của Nm kế tương đối rộng, từ 1 MΩ đến tận

Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi polymer là một màng polymer dày cỡ µm

có khả năng hấp thụ phân tử nước của không khí Sự hấp thụ hơi nước này làm thay đổi hằng số điện môi ε của lớp polymer do đó làm thay đổi điện dung của tụ điện

dùng lớp polymer này làm chất điện môi Thực nghiệm cho thấy, sự thay đổi của điện dung tụ điện là hàm tuyến tính của độ Nm với một hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt

Các đặc trưng đo lường chủ yếu của Nm kế tụ điện dùng chất điện môi là polymer như sau:

- Phạm vi đo: từ 0% đến 100% trong dải nhiệt độ làm việc thay đổi từ 0

-40 Cđến 0

80 C hoặc 0

100 C;

- Độ chính xác: từ ± 2% đến ± 3%;

- Thời gian hồi đáp: cỡ vài giây

Ngoài ra phải kể đến một số đặc tính ưu việt khác của cảm biến như: ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, phần tử nhạy cảm có thể nhúng vào nước mà không bị hư hỏng

c Ẩm kế tụ điện Al O2 3

Trong Nm kế này, lớp điện môi là Al O2 3 được chế tạo bằng phương pháp anot hóa tấm nhôm, và bản than tấm nhôm đóng vai trò là điện cực thứ nhất của tụ điện Điện cực thứ hai là một màng mỏng kim loại được chế tạo trên mặt kia của lớp điện môi (hình 1.6)

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo và mạch tương đương của "m kế tụ điện Al O2 3

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu chiều dày lớp Al O2 3 nhỏ hơn 0,3µm thì thay đổi trở kháng của tụ điện chỉ phụ vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ, do vậy có thể đo độ Nm tuyệt đối của môi trường

Quá trình anot hóa để tạo lớp điện môi được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch axit sunfuric H SO2 4 trong nước dùng nhôm làm anot Oxy hình thành trên điện cực Al sẽ oxy hóa bề mặt điện cực này thành Al O2 3 Oxit nhôm là chất cách điện nên sẽ tạo thành nhiều điểm đánh thủng làm cho lớp này có cấu trúc xốp Thí dụ: trong bể chứa axit H SO2 4nồng độ 15% ở nhiệt độ 0

10 C điện phân dưới điện

áp 15V, sẽ được lớp oxit nhôm xốp chứa 10

7,7.10 lỗ hổng trên diện tích 1 2

cm , đường kính lỗ hổng thay đổi trong khoảng 100 300 A÷ 0 Như vậy, tương ứng với bề mặt ngoài bằng 1 2

cm sẽ có bề mặt hấp thụ bằng 2

0, 2m

Để thay đổi hình dạng và sự phân bố lỗ hổng (tức là thay đổi tính chất của lớp điện môi đối với độ Nm) có thể tác động bằng nhiều cách như:

- Thay đổi nhiệt độ và nồng độ dung dịch điện phân chưa trong bể;

- Thay đổi điện áp nguồn;

- Thay đổi thời gian oxy hóa anot;

- Thêm các ion phụ gia vào dung dịch

Các Nm kế chế tạo theo chế độ nêu trên thích hợp với độ Nm thấp Đối với chế độ ứng dụng này, yêu cầu lớp điện môi phải càng mỏng càng tốt Vì vậy sau khi oxy hóa anot, lớp điện môi được mài cơ học với mục đích giảm bề dày để làm cho cảm biến chỉ nhạy ở nhiệt độ hóa sương của môi trường bao quanh

Điện cực thứ hai phủ trên lớp điện môi Al O2 3 thường là một trong những kim loại như Al, Cu, Au, Pt, Pd, hoặc hợp chất Ni-Cr

Các đặc trưng đo lường chính của Nm kế tụ điện sử dụng chất điện môi

- Cảm biến được chế tạo để sử dụng trực tiếp tại điểm cần đo độ Nm

- Thời gian hồi đáp cỡ vài giây

Ưu điểm của cảm biến này là có thể làm việc trong dải áp suất rất rộng, từ chân không đến hàng trăm bar

Tuy nhiên, cần tránh sử dụng cảm biến trong môi trường có chứa các chất ăn mòn như NaCl, lưu huỳnh vì chúng có thể ăn mòn nhôm và làm hư hỏng phần tử nhạy Nm của Nm kế

1.1.6 Ẩm kế điện ly

a Nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo

Ẩm kế điện ly dùng để đo lượng hơi nước rất nhỏ trong không khí hoặc trong các chất khí Phần tử nhạy của Nm kế cấu tạo từ một ống dài ~10cm ở bên trong có cuốn hai điện cực bằng platin hoặc rodi giữa chúng là lớp P O2 5(anhydride phosphoric)

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Nm kế điện ly biểu diễn trên hình 1.7

Khi chất khí nghiên cứu chạy qua ống đo, hơi nước sẽ bị lớp anhydride phosphoric hấp thụ thành H PO2 3 Điện áp một chiều cỡ 70V đặt giữa hai điện cực sẽ gây nên hiện tượng điện phân nước giải phóng O2, H2 và tái sinh P O2 5

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của "m kế điện ly

Theo định luật Faraday về tỷ số giữa điện lượng chạy qua các điện cực và lượng nước bị điện phân, cần 96500 Culong (C) để phân ly 1 gam hóa trị (9g) của nước (1 phân tử gam H O2 hóa trị 2 chứa 16g O2và 2g H2) Nếu gọi dm c/dt là khối lượng nước bị giữ (cũng là lượng nước bị điện ly) trong một đơn vị thời gian thì cường độ dòng điện phân I sẽ là:

m s) đi qua đầu đo;

- C V là nồng độ hơi nước (kg hơi nước/ 3

m không khí);

- α là hệ số giữa phân tử nước trong lớp P O2 5 Nếu tốc độ khí không đổi, đối với một cấu trúc hình học, hệ số α không đổi, do đó có thể xác định α bằng cách chuNn đầu đo

Biểu thức của dòng điện I cuối cùng có thể viết thành:

3

96500 à (1.9)

Ống dẫn khí

Vỏ teflon

Điện cực

Đối với một thể tích không khí cho trước, dòng điện phân tỷ lệ với nồng độ hơi nước biểu diễn bằng kg hơi nước/ 3

m không khí

b Các đặc trưng

Ẩm kế loại này đặc biệt thích hợp với các chất khí chứa lượng hơi nước rất nhỏ Giới hạn dưới của dải đo bị hạn chế bởi các vấn đề về hấp thụ và nhả hơi nước trên đường dẫn khí, thí dụ, các phép đo công nghiệp không thể thực hiện được khi nhiệt độ hóa sương hạ xuống tới 0

70 C

− (với nồng độ 10÷20ppm)

Mặc dù sử dụng ống dẫn khí băng thép không rỉ, các hiện tượng hấp thụ vẫn làm tăng thời gian cần thiết để đạt tới trạng thái cân bằng (24 giờ đối với nồng độ nhỏ hơn 10ppm và T< 0

70 C

Thời gian hồi đáp phụ thuộc chủ yếu vào hướng thay đổi độ Nm:

- Nếu theo hướng tăng độ Nm (giữa 100 và 1000 ppm) thời gian hồi đáp nhỏ hơn 30s

- Nếu theo hướng giảm độ Nm (giữa 1000 và 100 ppm) thời gian hồi đáp tăng lên và có thể đạt tới vài phút

Theo nguyên lý làm việc của đầu đo, chất được tự động tái sinh thường xuyên Tuy vậy thời gian sống của lớp này có giới hạn cho nên phải tái sinh nó theo chu kỳ Tần số tái sinh phụ thuộc vào điều kiện sự dụng và độ sạch của chất khí phân tích Có thể giảm tần số này bằng cách sử dụng bộ lọc bằng theosp không rỉ kết dính

Ẩm kế điện ly được sử dụng để đo độ Nm của rất nhiều loại khí như nito, hydro, metan, CO2, các chất khí làm lạnh (freon), không khí… Một số chất khí không dùng được với Nm kế điện ly vì chúng làm hư hỏng đầu đo hoặc làm thay đổi hoạt động của nó, thí dụ ammoniac, hơi rượu (các chất tác dụng với P O2 5)

1.2 Thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m [2]

1.2.1 Vai trò của thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m

Trên thực tế, thông số thủy phần trong các nguyên liệu, sản phNm đóng một vai trò khá quan trọng Nếu không chú trọng đến thông số này, có thể gặp hậu quả xấu về kinh tế, sản xuất, thậm chí ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng

Trong công nghiệp, các nguyên vật liệu như: than, gỗ, khoáng sản, cây, lá… đều chứa một lượng nước nhất định Hàm lượng nước này phải nằm trong khoảng

tỷ lệ cho phép (được quy chuNn) Khâu thu mua và bảo quản là khâu đặc biệt phải lưu ý thông số này

Các sản phNm của ngành công nghiệp hóa chất, giấy, vải sợi, chè, thuốc lá,

cà phê… luôn phải có tiêu chuNn về độ Nm Đặc biệt trong nông nghiệp, các sản phNm vô cùng đa dạng, phong phú Trong thu mua, giao dịch buôn bán, xuất nhập khNu bên cạnh chất lượng sản phNm, thông số thủy phần H (%) của sản phNm luôn được quan tâm Giá trị H lớn khiến người bán hưởng lợi còn người mua chịu thiệt thòi Ngược lại giá trị H thấp khiến người bán thiệt thòi trong khi người mua có lợi Chính vì vậy, thông số thủy phNn H của sản phNm còn quyết định đến giá cả thỏa thuận lúc mua bán

Độ Nm cao trong các sản phNm còn gây ra hiện tượng mốc, lên men, mau hỏng Riêng các loại ngũ cốc, củ, quả trong ngành trồng trọt có thể liệt kê ra hàng trăm sản phNm Mỗi sản phNm đòi hòi một tiêu chuNn độ Nm riêng

Thực tế đã xảy ra trường hợp cả lô hang gạo xuất khNu bị đình trệ vì sau khi cân, bên mua phát hiện gạo quá Nm (giá trị H cao vượt mức thỏa thuận) Rất nhiều giao dịch tương tự cũng đã xảy ra trong thu mua đậu, lạc, thóc, hạt điều, chè…

Lá chè xanh tại Thái Nguyên rất được các thương lái Trung Quốc, Hàn Quốc

ưa chuộng Tuy nhiên họ chỉ thu mua loại lá chè phơi khô Nhiều giao dịch xảy ra hiện tượng bên bán đã phơi khô nhưng bên mua không chấp nhận vì cho rằng chưa khô

Để đánh giá độ khô, cần phải có thiết bị đo chính xác thủy phần H

1.2.2 Chuyển đổi đo lường [13, 14]

a Nguyên lý cân sấy

Để xác định được độ Nm trong nguyên liệu sản phNm, người ta thường sử dụng các phương pháp đo trực tiếp hoặc gián tiếp Có thể đơn cử một số ví dụ như sau:

Gọi nguyên liệu, sản phNm muốn xác định độ Nm (thủy phần) là đối tượng đo Đối tượng đo có thể là gạo, thóc, tinh bột, đậu, đỗ, lạc, vừng, chè, cà phê, củ quả, gỗ, giấy…

Khối lượng của đối tượng đo là: M

Trong M bao gồm hai phần: khối lượng nước m n và khối lượng vật chất m c Như vậy:

Để thực hiện phép đo thủy phần H, ta tiến hành các bước:

+ Cân đối tượng đo tại nhiệt độ xác định, ghi được giá trị M (kg)

+ Sấy khô hoàn toàn đối tượng đo, ghi được giá trị m c (kg)

Phép đo sử dụng nguyên lý cân sấy để xác định H của đối tượng đo là phép

đo chính xác nhất, hợp pháp nhất Tuy nhiên, trong thực tế, không phải lúc nào sử dụng phép đo này cũng thuận lợi Lý do là vì thời gian đo một mẫu khá lâu Dù kiểm tra xác suất cũng cần số lượng mẫu khá lớn Các bên giao dịch mong muốn kiểm tra tức thời giá trị H của các mẫu đo ngay tại hiện trường Trên hình 1.8 là thiết bị đo độ Nm đa đối tượng dùng nguyên lý cân sấy Thiết bị này của sản xuất Ohaus (Mỹ), ký hiệu MB45 Mỗi mẫu đo cần 45 g Thiết bị hiển thị giá trị H (%),

đồng thời hiển thị giá trị phần trăm vật chất: m c(%)

M

Hình 1.8 Thiết bị đo H theo nguyên lý cân sấy MB45

b Nguyên lý chuyển đổi

Nhằm mục đích đo nhanh giá trị H của đối tượng đo, người ta sử dụng nguyên lý chuyển đổi tín hiệu từ đại lượng không điện lượng sáng đại lượng điện Quá trình chuyển đổi này chấp nhận sai số lớn hơn phép đo theo nguyên lý cân sấy nhưng bù lại, nguyên lý này cho phép đo đạc thuận tiện, nhanh chóng tại hiện trường

* Chuyển đổi điện dẫn: Hàm lượng nước chứa trong đối tượng đo có quan hệ

với giá trị điện dẫn của mẫu Điện dẫn là hằng số nghịch đảo của điện trở suất ρ Nếu đối tượng đo được nèn ép thành một mẫu đo có hình dạng, kích thước cố định thì nó sẽ có một giá trị điện trở R tương ứng:

(1.13) ( )

Với S(l) tiết diện mẫu và l là chiều dài mẫu

Có thể biểu diễn quan hệ giữa R và H theo một hàm thực nghiệm:

Quan hệ R(H) không phải là quan hệ tuyến tính, vì vậy người ta thường phải chuNn bằng số liệu thực nghiệm

Có nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã chế tạo ra các thiết bị đo thủy phần theo nguyên lý điện dẫn Hình 1.9 là thiết bị KETT F512 của Nhật Bản và hình 1.10

là thiết bị GMK-303 RS của Hàn Quốc Các thiết bị này cho phép đo thủy phần các loại ngũ cốc, gạo, thóc, lúa mạch, đậu tương, ngô, bột, lúa mì, trà, cà phê, bột ớt, mật ong…

Dải đo H trong khoảng 8,5 – 30%

Hình 1.9 Thiết bị KETT F512 Hình 1.10 Thiết bị GMK 303RS

* Chuyển đổi điện dung:

Điện dung của tụ điện phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và bản chất vật liệu nằm trong không gian của hai bản tụ (ε) Ba dạng tụ thường dùng là: tụ phẳng,

tụ trụ và tụ cầu Nếu đối tượng đo được đặt trong vùng không gian giữa hai bản cực

tụ thì điện dung C sẽ thay đổi tùy theo ε

Khối lượng, hàm lượng nước, bản chất đối tượng đo (gạo, ngô, lạc, đậu…) nhiệt độ… là những thông số làm thay đổi ε trong tụ

Nếu cố định tất cả các thông số phụ thuộc khác, có thế thu được: C = C(H)

Sử dụng phép đo điện dung của tụ bằng thực nghiệm, có thể thu được đường đặc trưng C(H) cho các đối tượng đo Trên cơ sở đó, suy ra giá trị thủy phần H Hình 1.11 là một thiết bị đo thủy phần H ngũ cốc của Nhật Bản (KETT PM600)

Thiết bị cho phép đo 99 sản phNm ngũ cốc theo nguyên lý đo điện dung Dải do từ 0 đến 40% Độ chính xác 0,5%, độ phân giải 0,1% Thiết bị có sử dụng sensor bù trừ nhiệt độ

Hình 1.11 Thiết bị KETT PM 600

Chương 2- MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN THƯỜNG DÙNG VỚI CẢM BIẾN

2.1 Mạch khuếch đại vi sai [3, 7]

Khi tín hiệu vào là đồng pha thì theo như nguyên lý của sơ đồ khuếch đại vi sai, tín hiệu lối ra sẽ không được khuyếch đại còn nếu tín hiệu vào là lệch pha nhau thì tín hiệu lối ra sẽ được khuyếch đại Vì vậy, thu tín hiệu bằng phương pháp khuếch đại vi sai (KĐVS) sẽ loại trừ được nhiễu do yếu tố bên ngoài tác động đồng thời vào KĐVS Hình 2.1 trình bày một sơ đồ nguyên lý mạch KĐVS

Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai như sau:

Hình 2.1 Mạch khuếch đại vi sai

Mạch gồm hai đầu vào, hai đầu ra và cực emitter của hai transistor được nối với nhau, mạch làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng nếu hai transistor được chế tạo cùng điều kiện và RC1=RC2=RC Điện áp ra được lấy giữa hai collector hoặc trên mỗi collector đối với đất (kiểu đối xứng và không đối xứng) Tuỳ theo cách đưa tín hiệu vào mà có các chế độ khác nhau :

- Đưa tín hiệu vào một đầu còn một đầu nối đất - chế độ đơn

- Hai đầu vào đưa hai tín hiệu khác nhau - chế độ vi sai

- Đưa cùng một tín hiệu vào hai đầu vào - chế độ đồng pha

2.1.1 Chế độ một chiều

Sơ đồ phân cực cho mạch vi sai như hình 2.2:

Hình 2.2 Phân cực cho mạch vi sai

EE E

E

R

V7,0UR

UU

(2.2) Nếu T1, T2 hoàn toàn giống nhau thì:

IE1 = IE2 =

2

IE (2.3) Và:

- Hạn chế góc mở của đầu thu

IC1 = IC2 = IC≈

2

IE (2.4) Điện áp trên mỗi collector là :

-T1 T2

IE1

IE2

a) Chế độ đơn; b) Sơ đồ tương đương

Nếu hai transistor hoàn toàn như nhau thì :

Ib =

r 2

U 1 (2.8) Dòng điện tại collector :

IC = βIb = β

r 2

U 1 (2.9)

Điện áp ra :

Ur = ICRC = β

r 2

R

β Uv1 = e

c

r2

c

r2

R (2.11)

c

r2

R (2.12)

U

RI12

U − β+

(2.13) Suy ra :

Ib =

v

R12r

U++ β (2.14)