Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng vào các hệ thống định lượng nước, dầu trong một dòng dầu- nước trong ống, phát hiện những chất lạ làm thay đổi hằng số điện
GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor
Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic, được phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, những kỹ thuật nàylà rất tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngoài ra,siliconkhôngthích hợpđược áp dụngtrong một thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa nó vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cực tímngoàido vậy cầnchi phí cao để xử lý
Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi cơ điện tử(MEMS)với các quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1
Trong quá trình chế tạo,vật liệu sử dụng là mộtpolymer,được lắng đọng trênmột chất nềnđầu tiên, và sau đómột mô hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệu bằngin thạch bản Sau một quá trìnhkhắc, ăn mòn(khắc ăn mòn ướt hoặckhô), để được cấu trúc mong muốn.Cuối cùng sẽ được mộtcấu trúcgắntrên bề mặtcủa chipgắn với vi kênh [1]
Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1]
Công nghệ in thạch bản: Kỹ thuật in thạch bản sử dụng đầu tiên trong ngành in ấn người ta dựa vào lực đẩy giữu dầu và nước Dầu và nước không trộn lẫn cùng nhau và luôn có xu hướng tách rơi nhau Hình ảnh ngược của vết dầu được dính trên bề mặt Sau đó bề mặt này ngâm vào nước Nước sẽ chảy vào vị trí không dính dầu Tiếp đến là trống mực in lăn qua bề mặt Người ta sử dụng loại mực dầu là mực hòa tan trong dầu, nhưng lai bị đẩy ra trong nước Như vậy những chỗ nào dính dầu sẽ dính mực Chỗ dính nước thì không Hình ảnh mực trên bề mặt giống với hình ảnh vệt ban đầu Khi lấy bản in này để in vào giấy sẽ được hình ảnh xuôi
Nếu áp trực tiếp bản này lên giấy, ta thu được bản in, nhưng bản in sẽ dính nước Để cải tiến, người ta áp bản mực lên trống cao su, đế dính mực lên trống này, nhưng ép hết nước rơi ra ngoài Trống này sau đó truyền mực lên giấy Phương pháp này chính là in thạch bản offset
Nhiều cải tiến công nghệ đã liên tục được thực hiện, như in nhiều màu trong một lần in, hay phương pháp rắc mực Dahlgren không cần đến giai đoạn tách nước ra khỏi bản in
Sự xuất hiện của xuất bản trên máy tính giúp mọi người dễ dàng tạo các bản in một cách chuyên nghiệp Máy chụp bản giúp in trực tiếp từ máy tính lên phim mà không qua giai đoạn chụp ảnh trung gian Máy chế bản giúp loại bỏ mọi công đoạn tráng phim, đưa tín hiệu số máy tính trực tiếp lên bản in
Công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn áp dụng các phương pháp của in thạch bản Phương pháp in thạch bản cũng dùng cho các ứng dụng MEMS, vì có khả năng tạo các chi tiết có kích cỡ micrômét trên một bề mặt rộng Trong chế tạo bán dẫn, công nghệ này hay áp dụng cho bề mặt silic, nhưng một số vật liệu khác cũng được dùng
Phương pháp sử dụng bước sóng tím trong in thạch bản dùng cho công nghệ vi chế tạo đạt hệ số chính xác cao các vi cấu trúc ứng dụng trong thành phần vi lưu và quang [2]
Các yếu tố trong quá trình in ấn chẳng hạn như do không chủ ý đến độ nghiêng trong quá trình nướng, các hạt bụi bẩn, độ cong của bề mặthoặc mặt nạ… cũng có thể góp phầngiảm độ phẳng bề mặt.Các lỗi bằng phẳng sau đó tạo thành những khoảng trốngkhông khí giữa mặt nạ, chống lại bề mặt dẫn đến kết quả nhiễu xạ nghiêm trọng, biến dạng hình ảnh chụp từ trên không và các lỗi in ấn
Hệ thống vi-cơ-điện (Micro-Eectro-Mechanical system (MEMS)) cho phép sử dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon Thiết bị của MEMS thì rất nhỏ Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính của sợi tóc Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS Những chi tiết vi gia công được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đó việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ-điện MEMS đã giữ được thăng bằng đối với những thay đổi lớn về mỗi loại sản phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch vi điện nền silicon với công nghệ vi gia công, tạo ra một hệ thống hoàn thiện trên một con “chip” Nó có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cường khả năng tính toán của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những bộ cảm biến vi mô và bộ khuếch đại vi mô
Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế MEMS đã từng được sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang trí trong ôtô
Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo bằng công nghệ sản xuất vi- điện Mặc dù, chúng có thể sản xuất những cấu trúc chính xác về kích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công đối với kích thước thứ 3, và hầu như bị hạn chế về silicon như một vật liệu nền Ngày nay với chiến lược quan trọng là phát triển và sản xuất những cấu trúc vi mô 3 kích thước
Với sự ra đời của vi máy gia công tia lửa điện -Micro EDM (Micro- Electro Discharge Machining) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cung cấp điện Có nguyên lý hoạt động là gồm có công cụ gắn điện cực định hình (đóng vai trò là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hình dạng của dụng cụ Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn mòn của nhiệt độ và sự hóa hơi Điều này làm tăng khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon được quét sơn Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công Về bản chất, EDM là một quá trình gia công cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công
Micro-EDM có thể sản xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kích thước Đặc biệt, nó có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai và sai là 3 micromet tốc độ cắt ( tốc độ bóc vật liệu) là khoảng 25 triệu (micromet3/s)
Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc phóng điện để chế tạo ra những sản xuất vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được tăng lên Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10-6 J đến 10-7J dưới những điều kiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0.1mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu Quá trinh Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy
Một số cấu trúc đã phát triển
Một cấu trúcchip vi lỏng với điện cực phẳng như hình 1.2 dùng để xác định kích thước và tốc độ của giọt chất lỏng trong vi kênh đặt bên dưới điện cực Cấu trúc ống kết nối hình chữ T dùng để tạo ra các giọt trong kênh [2]
Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2]
Cấu trúc làmột vi kênh gồm một lối vào để bơm dầuvà một lối vào để bơm nước được đặt trên đế làm từ vật liệu cao su silic (PDMS) Sự thay đổi điện dung của tụ điện của cảm biến khi xuất hiện một giọt nước trong vi kênh dẫn dầu đặt bên dưới trên điện cực đồng phẳng có thể được phát hiện, có thể xác định được kích thước và tốc độ Một mô hình phân tích dùng để dự đoán tín hiệu phát hiện và tối ưu hóa cấu trúc hình học của cảm biến Thông tin về giọt chất lỏng đo được hiển thị thông qua một Labview với giao diện thời gian thực
Hình 1.3 Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5]
Cấu trúc đề xuất
Qua nghiên cứu nhiều tài liệu, để chế tạo khả thi một cảm biến điện dung với những điều kiện về công nghệ cho phép Tôi chọn tụ điện đồng phẳng với cấu trúc lược với kỹ thuật chế tạo bằng bản mạch in, hoàn toàn có thể thực hiện đượcvới hiệu quả kinh tế, thẩm mĩ nhưng vẫn đảm bảo được sự hoạt động tốt trong nghiên cứu, đo đạc và thử nghiệm.
Tổ chức luận văn
Trong luận văn này, chủ yếu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược Qua đó có những nghiên cứu, về sự hoạt động giữa cảm biến dòng chảy và phán đoán được hành vi chất lưu trong ống Qua đó cũng có sự phân tích, đối sánh với các cảm biến dòng chảy khác như cảm biến dòng kiểu áp điện trở, cảm biến kiểu tụ hai điện cực, tụ ba điện cực cũng đã được nhóm MEMS Đại học Công nghệ chế tạo thành công
Trong chương 1, luận văn này, tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo loại cảm biến dòng chảy trên nguyên lý kiểu tụ từ những nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của hai loại cảm biến áp điện trở và cảm biến điện dung và điện dung đồng phẳng
Trong chương 2, luận văn tập trung viết về Cơ sở lý thuyết và cấu trúc chung của cảm biến điện dung
Trong chương 3,luận văn tập trung viết về các nguyên lý, chế tạo các cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý điện dung trong MEMS và đánh giá cảm biến điện dung đồng phẳng kiểu răng lược đã được chế tạo thành công Sử dụng cảm biến dòng chảy đã chế tạo thành công thử nghiệm phát hiện giọt nước trong kênh dẫn chất lỏng dầu - nước
Trong chương 4,luận văn trình bày nguyên lý và mô hình cảm biến điện dung và mạch điện tử, phương pháp đo Khảo sát phân tích kết quả với các kịch bản bài toán ứng dụng từ mô hình kênh vi lỏng Định hướng nghiên cứu phát triển vào ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu, vận chuyển hóa chất trong đường ống trong nhà máy
Phần kết luận của luận văn đưa ra một số định huớng phát triển luận văn trong nghiên cứu cũng như ứng dụng; Khắc phục những hạn chế để đạt được hiệu quả trong nghiên cứu, ứng dụng.
CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ
Khi chất lỏng chuyển động qua cực của tụ điện, làm thay đổi từ trường xuất hiện trên tụ, làm hằng số điện môi thay đổi Một mạch điện tử của cảm biến sẽ cảm nhận được sự thay đổi đó chuyển thành một tín hiệu điện để xử lý
Hình 2 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử b) giọt chất lỏng rơi qua điện cực, làm hằng số điện môi ɛ thay đổi [6]
Hình 2 12Mô hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6]
Sự thay đổi hằng số điện môi do giọt chất lỏng di chuyển qua cực của cảm biến ở hình 2.11 (a và b) sẽ được đo bằng giá trị điện áp U0 biến thiên từ (Umin đến Umax) đầu ra cảm biến theo thời gian thực như tại mô hình điện áp theo thời gian tại hình 2.12
Cảm biến tụ kép vi sai
Tụ kép là hệ tụ gồm các tụ đơn kết hợp với nhau các bản cực của tụ đơn thường đặt song song, trượt tịnh tiến hoặc quay quanh trục hoặc tâm
Hình 2 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3]
Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng như hình 2.12 a)
Hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay như theo hình 2.12 b
Theo như hình 2.12 c tụ kép có sự dịch chuyển thẳng gồm ba bản cực Bản cực động A1 dịch chuyển giữa hai bản cực cố định A2 và A3 tạo thành cùng với hai bản cực này hai tụ điện có điện dung C21 và C31 biến thiên ngược chiều nhau
Do vậy, độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau.[3]
Mạch đo
Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo trong đó có cả cảm biến cho phép xác định giá trị cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể Thông thường mạch đo dùng cảm biến điện dung là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều Mạch đo cần thoả mãn các yêu cầu sau:
- Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn
- Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài
- Không được mắc các điện trở song song với cảm biến
Theo như hình 2.13 a) là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao
Theo như hình 2.13 b) đây là sơ đồ mạch mạch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện
Hình 2 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường được dùngđể đo điện dung [3]
THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC
Giới thiệu chung
Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ đồng phẳng là một loại cảm biến thụ động hoạt động như một trở kháng
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tớnh chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ƍ, độ từ thẩm à, hằng số điện mụi ɛ) Tác động của đại lượng đo có ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến
Trong các cảm biến có các phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử chuyển động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng
Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng cần đo (lực hoặc đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng cảm biến Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan tới đại lượng cần đo Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất của tính chất vật liệu làm trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, áp suất, hằng số điện môi, từ trường,…) Để chế tạo cảm biến người ta chọn sao cho tính chất điện của cảm biến chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.
Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược
Cấu trúc cảm biến được nghiên cứu, tính toán và chế tạo trong đề tài cũng có cấu trúc dạng lược kiểu đan ngón tay Được chế tạo bằng đồng gắn trên đế là bản mạch bằng nhựa phíp cách điện kích thước (800 x40 mm) Mỗi lược có 4 răng hình chữ nhật đan vào nhau Khoảng cách của các răng lược trên 2 bản cực là 0.15 mm Cảm biến được gắn trực tiếp vào mạch điện tử đo dùng nguồn nuôi DC 9 vol; chân cổng ra được nối tới bộ dao động ký để khảo sát, phân tích dạng sóng khi cho dung dịch chất lỏng dầu- nước chảy qua ống nhựa được đặt trên bề mặt của hai bản cực của cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược
Cảm biến tụ điện dự định chế tạo sẽ có 4 răng lược đặt đan xen như kiểu đan ngón tay vào nhau tạo nên hai tụ diện kiểu luợc có cấu trúc giống nhau Khoảng cách chiều ngang giữu các bản cực được chế tạo là 1.5mm
Hình 3 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược và kênh dẫn
3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo
Chúng ta đã biết khuếch đại vi sai là khuếch đại mà tín hiệu ra không tỷ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số nhỏ (tới vài chục Hz), còn gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều Trong cấu trúc của cảm biến điện dung chế tạo giá trị điện dung trên của tụ trên kênh cảm biến sẽ được so sánh với giá trị điện dung tụ còn lại trên kênh tham chiếu ( Reference Chanel)
IC AD 620 là loại IC khuếch đại thuật toán có dải khuếch đại rộng (1-10000), chỉ cần 01 điện trở ngoài, tiêu thụ năng lượng thấp dòng tối đa cỡ 13 mA và giá thành rẻ Cú độ tin cậy cao 40 ppm, bự điện ỏp thấp cỡ 50 àV, độ bự trụi nhỏ 0.6 àV/ 0 C, thời gian đỏp ứng cỡ 15 às vỡ vậy rất thớch hợp sử dụng với thu thập dữ liệu chớnh xỏc và MEMS y sinh điện tim, điện tâm đồ, đo huyết áp
Chính vì các lý do đó mà IC AD620 được lựa chọn để chế tạo mạch điện tử của cảm biến
Hình 3 2 Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược đan xen đã được chế tạo thành công.
Thiết kế kênh dẫn
Dòng chảy được sử dụng hệ thống xi lanh - pit tông y tế để bơm chất lỏng dầu - nước qua ống dẫn đặt trên điện cực của tụ Ống dẫn làm bằng nhựa dẻo đường kính ống là ỉ 0.3 mm Dầu sử dụng là loại dầu làm mỏt động cơ
Hình 3 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế
Thiết kế mạch điện tử
Toàn bộ mạch điện tử sẽ hoạt đông theo nguyên tắc Tín hiệu được đưa cùng vào hai tụ điện.Nếu tín điện dung trên trên hai cảm biến là giống nhau ∆C= C1 – C2 = 0 (không có sự biến thiên điện dung) thì tại tín ở lối ra= 0; Tín hiệu trên kênh cảm biến và kênh tham chiếu được so sánh về biên độ tại cùng một thời điểm vì thế pha giữa hai kênh không ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra của cảm biến
Nếu tín hiệu xuất hiện trên hai cảm biến là khác nhau về biên độ, ∆C= C1 – C2
≠ 0 Bộ khuếch đaị vi sai sẽ khuếch đại tín hiệu và đưa ra lối ra
Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến
Mạch RC lấy tín hiệu trên tụ C nên là mạch lọc thông thấp (mạch tích phân), mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu lối vào
2𝛱𝑅𝐶 (3.1) tại tần số cắt điện áp ra có biên độ V0 = 𝑉𝑖
2 (3.2) Tín hiệu lối vào Vin(t) = Vr(t) + Vc (t) (3.3) Điều kiện là f(i) >> fc= 1
Và do vậy VR(t) ) >> Vc(t) suy ra: i(t)= 𝑉𝑖(𝑡 )
Như vậy điện áp lối ra V0(t) của mạch lọc thông thấp (mạch tích phân RC) tỷ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào 𝑉𝑖 𝑡 với hằng số tỷ lệ K= 1
𝑅𝐶 ;Khi tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc
Với mạch thiết kế trong luận văn là mạch tạo tín hiệu hình sin dạng Vi(t) Vm.sin(𝝎t) được đưa vào tụ cảm biến (1) và tụ cảm biến (2)
Thì điện áp lối ra của mạch RC là:
Theo công thức thì điện áp lối ra sẽ bị trễ pha 𝛱
2 hay 90 0 so với tín hiệu lối vào và biên độ giảm xuống với hệ số: 1
Một mạch điện tương tự sẽ tín hiệu điện áp lối ra sớm pha 90 0 so với tín hiệu lối vào Như vậy bài toán thiết kế chế tạo mạch theo sơ đồ nguyên lý như hình 3.6 , và hình 3.7bên dưới đã được giải
Do trên mạch sử dụng nguồn đối xứng cho các khuếch đại thuật toán và bộ khuếch đại vi sai nên bộ nguồn thiết kế để chuyển đổi DC 12V sang +9 và -9V (hình 3.5) và bộ ICL7660 là IC chuyển đổi từ +9V sang -9V.[9]
Hình 3 5 Mạch nguồn của cảm biến Mạch phát tín hiệu sine
Hình 3 6 Mạch phát xung hình sin
Tần sốđược tính toán theo công thức:
Chọn các giá trị của mạch với:
R=R1=R2; C và R3" KΩ ; R4 KΩ và giá trị K =3 Tính được: F= 15,9 KHz với R= 10 KΩ và C = 1nF
Tần số phát sine của mạch theo các tham số ở trên sẽ là: F= 9 Khz
Hình 3 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp
Hình 3.7 là sơ đồ mạch đo điện dung, cảm biến Csen1 và Csen2 đưa tín hiệu sin vào mạch khuếch đại, khi Csen1 và Csen2 thay đổi thì Zcsen1 và Zcsen2 thay đổi và tín hiệu đuợc khuếch đại một nửa chu kỳ bởi khuếch đại thuật toán nguồn đơn MC34074 Tín hiệu đo đuợc cho qua mạch lọc thông thấp bởi Rf1,Rf2, Cf1, và Cf2 Rf1=Rf2 10KOhm, Cf1= 0.1 uF
Hình 3 8 Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620
Khuếch đại vi sai dùng IC AD620 để đọc ra tín hiệu khi có sự chênh lệch của hai cảm biến Csen1 và Csen2 thì tín hiệu qua hai bộ lọc thông thấp có sự t chênh lệch với nhau, tín hiệu chênh lệch này đuợc qua bộ khuếch đại vi sai để chuyển thành tín hiệu ra Mạch này có ưu điểm là triệt tiêu được các nguồn nhiễu đồng pha ở hai kênh đặc biệt là nhiễu điện từ với nguồn là mạng điện lưới
Mạch khuếch đại điện tích
Hình 3 9 Mạch khuếch đại điện tích (Change Amplifier)
Cả điện dung C(x) của cảm biến và điện dung ký sinh Cp nối đất phải bao gồm bởi vì các kết nối giữa bộ cảm biến và bộ khuếch đại luôn luôn bổ sung thêm một lượng điện dung ký sinh Ở đây, một bộ khuếch đại điện trở truyền (hình 2.7) được sử dụng để xác định dòng điện qua tụ C(x) Ưu điểm của cấu hình này là vì đất ảo tại đầu vào bộ khuếch đại, có điện tích không đáng kể trên các tụ điện điện ký sinh và do đó nó không ảnh hưởng nhiều đến đo lường Giá trị của C(x) có thể xác định từ biên độ đầu ra sóng sine
Từ sơ đồ nguyên lý chế tạo mạch điện tử tích hợp mạch nguồn, tạo sóng hình sin, mạch đo tụ điện lọc thông thấp và khuếch đại vi sai Được tích hợp trên bản mạch điện tử kích thước cỡ (40 x80 mm)
Hình 3 10 Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 42
Thiết lập mạch đo
Một thiết lập đo lường gồm tín hiệu lối ra của hệ thống cảm biến điện dung Hệ thống bơm chất lưu qua kênh dẫn đặt trên cực của cảm biến, tín hiệu lối ra của cảm biến được đưa qua card NI DAQ-50 kết nối với máy tính để thu thập và xử lý số liệu
Hình 4 1 Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung
Kết quả, đánh giá và thảo luận
Lúc bắt đầu đo kênh dẫn chứa đầy dầu tạo một giọt nước trong ống dẫn dầu bằng cách hút một giọt nước vào ống chứa đầy dầu sau đó lại cắm ống dẫn vào cốc đựng dầu để chất lưu kênh dẫn khi dẫn qua bản cực tụ điện của cảm biến là chỉ có một giọt nước trong dòng dầu Kích thước của giọt nước hoàn toàn có thể chọn theo ý muốn Đầu ra của cảm biến có thể ghi nhận từ dao động ký hoặc sử dụng card National Intrutments DAQ kết nối với máy tính qua cab LPT
Chọn kích thước giọt nước cỡ 3.5 mm trong ống dẫn dầu- nước được bơm chậm và đều qua kênh dẫn đặt trên cực của cảm biến Xử lý số liệu thu thập trên máy tính bằng phần mềm MathLab ta được có đồ thị tín hiệu ở lối ra của cảm biến Hình 4.2 dưới đây là ảnh chụp của một giọt nước chuẩn bị được bơm sẽ di chuyển trên bản cực của cảm biến
Hình 4 2 Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung
Hình 4 3 Tín hiệu thu được trên cảm biến với kích thước giọt nước 3.0 mm
Tín hiệu xét theo trục ngang từ vị trí điểm 0 đến chấm đỏ A được đánh dấu đầu tiên là lúc giọt nước đang di chuyển tới cực của tụ răng lược, tới điểm B khi giọt nước qua cực của tụ trên Và tại điểm C khi giọt nước bắt đầu vào bản cực và tại điểm điểm
D khi giọt nước qua bản cực của tụ điện dưới Qua mỗi điện cực của răng lược do hằng số điện môi của nước vào khoảng ɛw và hằng số điện môi của dầu vào khoảng ɛw=2.7 sự thay đổi hằng số điện môi khi giọt nước qua mỗi bản cực răng lược đan xen trên cảm biến làm sự thay đổi điện dung của tụ Kết quả tín hiệu trên cảm biến sẽ có 7 đỉnh của tín hiệu đầu ra cảm biến Biên độ đỉnh không đều nhau dao động từ 0.6 vol đến 0.8 Vol và khoảng cách giữa các đỉnh không đều nhau điều này được giải thích do tiếp xúc giữa ống và cực của tụ và độ tròn đồng đều của ống làm giọt nước khi qua
Water 3 mm mỗi răng lược có những hằng số ɛ khác nhau, cũng như tốc độ bơm chất lỏng cũng không đều
Lặp lại thí nghiệm này khi thay đổi kích thước giọt nước lớn hơn cỡ 4.5mm Biên độ các đỉnh của tín hiệu đầu ra dao động cỡ 1.5 vol tăng hơn so với thí nghiệm trước Điều này giải thích hằng số điện môi tại những vị trí tức thời khi giọt nước di chuyển trên cực lớn hơn so với thí nghiệm trước Điều này khẳng định cảm biến hoạt động tốt và có độ tin cậy cao
Hình 4 4 Tín hiệu thu được tại đầu ra cảm biến với kích thước giọt nước 5 mm
Làm thí nghiệm đối với 02 giọt nước kích thước 5.0 mm gần giống nhau cách nhau khoảng 5mm, Xử lýsố liệu thu được có đồ thị như hình ở dưới đây:
Hình 4 5 Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua kênh dẫn dầu của cảm biến dòng chảy
Biên độ các đỉnh của tín hiệu lối ra khi có hai giọt nước muối kích thước khoảng 5 mm trong kênh dẫn của cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ từ 1,5 đến 3 vol
Làm thí nghiệm để cảm biến phát hiện ra chất rắn kim loạicó trong kênh dẫn chất lỏng Sử dụngmột hạt thiếc kích thước đường kính 0.3 mm cho vào trong kênh dẫn chứa dầu chạy qua bản cực của cảm biến Dữ liệu thu thập được xử lý có đồ thị tín hiệu lối ra của cảm biến
Hình 4 6 Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong kênh dẫn dầu chảy qua cảm biến
Biên độ các đỉnh của tín hiệu lối ra khi có hạt thiếc trong kênh dẫn của cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ 0.2 đến 0.4 vol
Làm thí nghiệm phát hiện nước biển có trong dầu Ta biết nước biển tự nhiên có độ mặn trung bình khoảng 3,5% (dao động từ 3,1% cho đến 3,8%) chủ yếu lànước tự nhiên và muối ăn Natri Clourua ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Magie, Canxi, lưu huỳnh… với tỷ lệ rất nhỏ[8]
Khi hòa tan 3,5 g muối ăn trong 1000 ml nước tự nhiên được nước muối có độ mặn 3,5% gần giống với nước biển Khi tạo giọt nước muối trong kênh dẫn dầu chảy qua cảm biến, để cảm biến phát hiện nước muối có trong dầu Dưới dây lần lượt là đồ thị tín hiệu lối ra của cảm biến với giọt nước muối có kích thước 3 mm, giọt nước muối kích thước 3,5 mm và giọt nước muối có kích thước 5 mm di chuyển trong kênh dẫn dầuqua cảm biến
Hình 4 7 Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động trong kênh dẫn dầu của cảm biến dòng chảy
Biên độ các đỉnh của tín hiệu lối ra khi có giọt nước muối trong kênh dẫn của cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ 1.0 đến 1,5 vol
Hình 4 8 Đồ thị tín hiệu lối ra khi cho giọt nước, hạt thiếc và giọt nước muốiqua kênh dẫn chất lỏng của cảm biến Đánh giá hoạt động của cảm biến:
- Cảm biến điện dung có độ nhạy cao Khi thử nghiệm nhiều lần vẫn phát hiện được những giọt nước kích thước tương đối nhỏ cỡ mm, các hạt kim loại kích thước vài trăm micro-met (àm) cho ra tớn hiệu đầu ra tốt cú thể đo trực tiếp trờn dao động ký mà không cần phải dùng bộ khuếch đại Lock-IN
- Với ứng dụng phát hiện nước lẫn trong dầu, mặc dù cảm biến không được bọc bằng hộp kim loại chống nhiễu, và hoạt động trong môi trường có nhiễu.Nhưng cảm biến vẫn cho tín hiệu đầu ra tương đối tốt.
Tính toán vận tốc dòng chảy
Bằng việc thu được tín hiệu ra trên cảm biến ta hoàn toàn tính toán được vậntốc dòng chảy Thời điểm các tác nhân tác động vào cảm biến từ lúc bắt đầu (t1) và thời điểm kết thúc (t2) việc thay đổi hằng số điệnmôi trong kênh dẫn chất lưu đã được lưu
Salt water 3mmWater 3mmTin particle 0.3mm trong file log của card DAQ Với chiều dài chính xác kênh dẫn (L) đặt trên bản cực của cảm biến tụ điện đồng phẳng
Với thí nghiệm xác định vận tốc dòng chảy, vì chiều dài kênh dẫn (L) nhỏ cỡ
100 mm,chất lưu là không nén (nhiệt độ, áp suất không thay đổi trong suốt quá trìnhnghiên cứu)tacoi chuyển động của chất lỏng trong kênh dẫn là chuyển động đều (gia tốc =0).Vận tốc dòng chảy vclcủa chất lưu trong kênh dẫn xác định theo công thức vật lý bằng tỷ số của chiều dài kênh dẫn với khoảng thời gian tác nhân đi qua kênh dẫn của cảm biến
Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu
Thực tế cho thấy khi nghiên cứu dòng hai pha có đặc trưng bởi sự tồn tại đồng thời trong cùng một ống dẫn sự kết hợp của hai loại chất lỏng hoặc chất lỏng và chất rắn trong ống dẫn Khi nghiên cứu loại hình dòng chảy này có liên quan nhiều tới thực tế khi chúng ta gặp nhiều trong nhiều lĩnh vực đời sống, ứng dụng công nghiệp chẳng hạn như trong các nhà máy hóa chất cần vận chuyển hóa chất bằng đường ống, hoặc công nghiệp lọc dầu vận chuyển dầu bằng đường ống Sự kết hợp giữa các dòng chảy có tốc độ khác nhau bản chất do độ nhớt giữa chất lỏng khác nhau với thành ống
Bài toán đặt ra khi nghiên cứu một dòng dầu - nước trong đường ống dẫn dầu Điều này quyết định đến điện năng tiêu thụ trong việc bơm đẩy dòng dầu - nước trong ống dẫn Chế độ dòng chảy sẽ là dòng dầu chuyển động trong lõi ống, nước sẽ chuyển động xung quanh với tiết diện ống là hình tròn thì nơi dòng chảy của dầu tại trung tâm của ống và dòng chảy của nước xung quanh
Hình 4 9 Mô hình dầu và nước trong mặt cắt của ống dẫn [10]
Một định hướng nghiên cứu khi đặt hệ thống cảm biến điện dung (Capacitive Sensing System) trên đường ống để xác định phần nhỏ khu vực bị chiếm đóng bởi dầu Dựa trên đặc tính điện khác nhau của hai chất lỏng nước và dầu Thực tế đặc tính điện đó chính là sự phân phối khác nhau của hằng số điện môi trong một khu vực khảo sát trên ống Những thay đổi về hằng số điện môi có thể được đo thành công bởi cặp cảm biến điện dung hoạt động như một tụ điện Với ưu điểm khi sử dụng kỹ thuật đo đạc này là tối ưu cho việc nghiên cứu và mô tả đặc điểm của dòng chảy mà không làm ảnh hưởng đến bản chất, hành vi của dòng chảy
Hình 4 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10]
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
Về phương diện thiết kế cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ đồng phẳng đã được thiết kế chế tạo thành công tại Đại học công nghệ Hà Nội
Với thiết kế đơn giản nhưng vẫn đạt được yêu cầu về hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, mỹ thuật và hiệu quả trong sử dụng cảm biến để giải quyết các bài toán đặt ra cũng như trong nghiên cứu
Do cấu trúc cảm biến là tụ đồng phẳng (các bản cực nằm trên một mặt phẳng) nên có khả năng ứng dụng lớn so với cấu trúc tụ thông thường (hai bản cực đặt song song) có thể đặt bên trên, bên dưới, áp vào thành kênh dẫn, đặt bên trong kênh dẫn… mà không bị giới hạn về kích thước như cảm biến tụ điện thường
Cảm biến tuy mới được thử nghiệm nhưng đã cho được kết quả tốt khi phát hiện được những giọt chất lỏng cỡ mm với tín hiệu đầu ra xử lý tốt, ít nhiễu Tuy nhiên đây mới là những đánh giá mang tính định tính Để có những đánh giá chính xác cần phải cho cảm biến trải qua những kịch bản đánh giá bằng thực nghiệm với trang bị hiện đại để có được những thông số chính xác nhất cho cảm biến
2 Hướng phát triển của luận văn
Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là cơ sở ban đầu cho các nghiên cứu, thực nghiệm tiếp theo để có thể ứng dụng cảm biến vào thực tế Một số hướng cần nghiên cứu cần triển khai để hoàn thiện kết quả nghiên cứu trong luận văn này:
- Tiến hành các thực nghiệm để đánh giá định lượng cảm biến dòng chảy kiểu tụ đã được nhóm nghiên cứu đề xuất thiết kế và chế tạo
- Bằng việc xác định sự thay đổi hằng số điện môi của chất lưu cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng hoàn toàn có thể nghiên cứu áp dụng trong việc xác định, định lượng nước trong các sản phẩm của dầu mỏ như dầu mazút (FO), Dầu Diesel (DO); Dầu thủy lực, dầu nhớt, dầu phanh, xăng máy bay, dầu thực vật,… Áp dụng trong các đường ống xuất, nhập của các nhà máy nhiệt điện, nhà máy kính, nhà máy thủy tinh, nhà máy thép, tàu biển chạy FO hoặc DO; hoặc các nhà máy sử dụng nhiều dầu đốt
Có thể lắp trên giàn khoan để xác định phần trăm (%) của nước trong dầu thô
Trong các dây chuyền công nghệ của nhà máy lọc dầu, nhà máy sản xuất dầu nhớt
Lắp cùng bộ thiết bị trộn nhũ tương mazút - nước để kiểm soát nước trong nhũ tương Hoặc dùng trong phòng thí nghiệm, trong xưởng
Cảm biến cũng có thể nghiên cứu để sử dụng đo hàm lượng nước trong máy phát, hộp số của các máy cán thép, máy cuốn giấy
- Tiến hành thử nghiệm cảm biến dòng chảy đã chế tạo trong việc xác định bọt khí trong máu và thành phần bột sắt trong dầu máy, bọt khí trong dầu, nước muối trong dầu, hóa chất trong kênh dẫn…
- Thiết kế và chế tạo một cảm biến dòng chảy hoạt động đồng thời trên cả hai nguyên lý áp điện trở và tụ điện để tận dụng được những ưu thế của hai nguyên lý này.