Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thủy phần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Bùi Thị Dung NGHIÊN C ỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà N ội – N ăm 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Bùi Thị Dung NGHIÊN C ỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN Chuyên ngành: Vật lý Vô ến Điện tử Mã s ố: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Quốc Triệu Hà N ội – N ăm 2013 LỜI CẢM ƠN Trong trình làm luận văn thạc sĩ, tơi kính xin chân thành c ảm ơn thầy giáo PGS.TS Phạm Quốc Triệu t ận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành lu ận văn Tôi c ũng xin chân thành c ảm ơn thầy giáo TS.Đỗ Trung Kiên ầthy, cô giáo môn V ật lý vô ến điện tử giúp đỡ nhiệt tình trình học tập làm lu ận văn Tôi c ũng xin chân thành c ảm ơn tồn b ộ thầy khoa V ật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiênđã cho nh ững kiến thức quý báu thời gian học tập trường Tơi xin kính c ảm ơn gia đình, bố mẹ, anh em b ạn bè động viên, giúpđỡ tơi q trình làm lu ận văn Hà N ội, tháng 12 năm 2013 Học viên cao học BÙI TH N DUNG MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN 1.1 Cảm biến độ "m khơng khí 1.1.1 Những định nghĩa khơng khí "m 1.1.2 Phân lo ại "m kế 1.1.3 Ẩm kế ngưng tụ 1.1.4 Ẩm kế hấp thụ 1.1.5 Ẩm kế biến thiên trở kháng 12 1.1.6 Ẩm kế điện ly 17 1.2 Thủy phần nguyên liệu, sản ph"m 19 1.2.1 Vai trò c thủy phần nguyên liệu, sản ph"m 19 1.2.2 Chuyển đổi đo lường 20 Chương 2- MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN THƯỜNG DÙNG V ỚI CẢM BIẾN 25 2.1 Mạch khuếch đại vi sai 25 2.1.1 Chế độ chiều 26 2.1.2 Chế độ xoay chiều 27 2.2 Mạch khuếch đại 29 2.3 Mạch cầu khử điện áp ệlch 30 2.4 Cầu đo điện dung góc t ổn hao 31 2.5 Mạch lặp lại điện áp 33 2.6 Mạch cầu điện trở 34 Chương - NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO 35 3.1 Nghiên ứcu chế tạo máyđo thủy phần gạo theo nguyên lýđiện dẫn 35 3.1.1 Nghiên ứcu số liệu thực nghiệm 35 3.1.2 Cơ sở thiết kế máyđo độ "m thóc, g ạo (thang đo tuyến tính) 40 3.2 Nghiên ứcu chế tạo máyđo thủy phần theo nguyên lýđiện dung 43 3.2.1 Tụ điện 43 3.2.2 Cầu điện dung Booton 72B 47 3.3 Kết thực nghiệm 48 3.3.1 Khảo sát ựs thay đổi điện dung C theo lượng vật chất: 48 3.3.2 Khảo sát ựs phụ thuộc điện dung C theo thủy phần gạo 54 3.3.3 Đề xuất mạch chức cho thiết bị đo thủy phần 55 KẾT LUẬN 63 TÀI LI ỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 65 DANH MỤC HÌNH V Ẽ Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý Nm kế ngưng tụ Hình 1.2 Đường cong áp suất phụ thuộc vào nhi ệt độ số dung dịch bão hòa Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý đầu đo dùng clorua liti 11 Hình 1.4 Hàm l ượng nước chất hấp thụ hàm c độ Nm nhi ệt độ 13 Hình 1.5.a Sự phụ thuộc 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 m ạch tương đương Nm kế tụ điện Al O3 16 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo 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 c ực cho mạch vi sai 26 Hình 2.3 Mạch KĐVS chế độ đơn 27 Hình 2.4 Mạch KĐVS hoạt động chế độ đồng pha 29 Hình 2.5 Sơ đồ khuếch đại đo lường gồm ba KĐTT ghép nối điện trở 30 Hình 2.6 Sơ đồ khử điện áp ệlch 31 Hình 2.7 Cầu đo tụ điện tổn hao 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 H % theo ρ 37 Hình 3.2 Sự phụ thuộc điện trở suất gạo theo nhiệt độ 38 Hình 3.3 Mạch nguyên lý máyđo 41 Hình 3.4 Sơ đồ máyđo độ Nm thóc g ạo 42 Hình 3.5 Kết so sánh hai máyđo 42 Hình 3.6 Tụ điện phẳng 44 Hình 3.7 Tụ trụ 45 Hình 3.8 Hai tụ trụ chế tạo 46 Hình 3.9 Mạch cầu đo 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 CMN phụ thuộc lượng mẫu 51 Hình 3.12 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ CMN phụ thuộc lượng mẫu 53 Hình 3.13 Đồ thị tổng hợp quan hệ CMN (tụ nhỏ) theo ượlng mẫu khác 53 Hình 3.14 Đồ thị tổng hợp quan hệ CMN (tụ lớn) theo ượlng mẫu khác nhau54 Hình 3.15 Tương quan độ Nm điện dung mẫu gạo Si 55 Hình 3.16 Tương quan độ Nm điện dung mẫu gạo TámĐiện 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 khu ếch đại cơng su ất 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 Vout l ượng mẫu L 61 Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn tương quan Vout H 62 DANH MỤC BẢNG Bảng Giá trị áp suất bão hòa mặt nước dung dịch muối clorua liti 10 Bảng 3.1 Tương quan điện trở suất độ Nm gạo 35 Bảng 3.2 Giá trị điện trở suất ρ (Ω.cm) 37 Bảng 3.3 Số liệu hàm đa thức l ũy thừa 38 Bảng 3.5 So sánh thông số nhiệt gạo c nhiệt trở Ge pha tạp Cu .39 Bảng 3.7 So sánh ốs máy Kett máyắlp ráp 43 MỞ ĐẦU Là m ột đất nước nơng nghi ệp, Việt Nam có l ượng sản phNm nơng nghi ệp phong phú Có hàng tr ăm chủng loại sản phNm đầu thường xuyên ầcn bảo quản, thu mua giao dịch bn bán thóc g ạo, ngơ, đỗ, lạc, vừng, cà phê, thuốc v.v… T ất hoạt động yêu cầu tiêu riêngềvđộ Nm (lượng nước sản phNm hay thủy phần) Nhiều cơng trình khoa h ọc, nhiều hãng sản xuất giới quan tâm nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thủy phần phục vụ đối tượng Tại Việt Nam, có đề tài c ấp nhà n ước nghiên ứcu ch ế tạo thành cơng máy đo thủy phần thóc g ạo dùng ngun lý điện dẫn Trong luận văn này, nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị đo thủy phần sử dụng nguyên lý cảm biến điện dung Ưu điểm cảm biến có kh ả đánh giá thủy phần ảsn phNm nông nghi ệp đa dạng chủng loại, đồng thời kết cấu nhỏ gọn, bền phương diện học, dễ mang xách, vận hành t ại trường Nội dung nghiên ứcu tập trung vào vi ệc chế tạo cảm biến thủy phần dùng tụ trụ, khảo sát ựs phụ thuộc điện dung tụ theo hàm l ượng nước (thông s ố điện môi điện trường tụ), đề xuất mạch điện tử xử lý tín hi ệu đo đối chiếu với thiết bị Riceter hãng Kett (Nh ật Bản) Kết cấu luận văn gồm ba Chương sau: Chương Chuyển đổi tín hiệu thủy phần Chương Một số mạch điện thường dùng với cảm biến Chương Nghiên cứu thiết kế chế tạo máyđo Các kết thu cho thấy thiết bị dùng cảm biến điện dung có kh ả đo thủy phần ảsn phNm nông nghi ệp Tuy nhiên,để trở thành th ương phNm áp dụng thị trường, cần có thêm thời gian nghiên ứcu, hiệu chỉnh, chuNn hóa s ố liệu đối tượng cụ thể Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN 1.1 Cảm biến độ "m khơng khí [5] Độ Nm cao khơng khí c chất khí nói chung có th ể có h ậu nghiêm trọng q trình lý hóa sinh lý B ởi đo độ Nm điều bắt buộc nhiều thiết bị môi tr ường làm vi ệc lý có th ể liệt kê Trong đời sống, độ Nm tương đối cần phải trì để đảm bảo cảm giác dễ chịu cho người thay đổi khoảng tương đối rộng: từ 35% đến 70% Nếu độ Nm tương đối thấp 70%, máy tiêu hóa ịbkích thích, cịn n ếu lớn 70% mồ b ị giảm nghiêm trọng Nói chung độ Nm ảnh hưởng đến tiêu thụ lượng; độ Nm cao t ốn phí lượng để có điều kiện mơi tr ường Trong cơng nghi ệp, cácđiều kiện độ Nm khác phụ thuộc vào s ản phNm cụ thể Trong số trường hợp, phải trì độ Nm khơng đổi mơi trường làm vi ệc, thí dụ, cơng nghi ệp dệt, thay đổi độ Nm làm thay đổi cácđặc tính sợi (như sức căng học) Trong công nghi ệp thực phNm, điều kiện bảo quản thực phNm tối ưu phụ thuộc vào lo ại sản phNm, thường nhi ệt độ T  00 C độ Nm khoảng 85% - 90% Độ Nm cao làm cho thực phNm bị hỏng, th ấp làm giảm trọng lượng bay nước Vấn đề phát vết nước: nhiều trình cơng nghiệp, việc tránh vết nước khơng khí ho ặc chất khí (cacbon, etylen, khí tự nhiên…) quan trọng, có m ặt nước lượng đáng kể có th ể gây nên phản ứng phụ gây nên trình ngưng tụ Nhu cầu phát độ Nm nhỏ cỡ phần triệu thể tích (ppm) đặc biệt quan trọng số ứng dụng công nghiệp lượng hạt nhân, vi điện tử, luyện kim, gia công nhi ệt, điện áp cao 1.1.1 Những định nghĩa khơng khí "m Xét khơng khí Nm có th ể tích V nhiệt độ T Khối lượng M khơng khí Nm chứa thể tích V t khối lượng khơng khí khơ ma kh ối lượng nước mV Gọi áp suất tổng áp suất riêng phần khơng khí khơ pa Hình 3.13 Đồ thị tổng hợp quan hệ CMN (tụ nhỏ) theo ượlng mẫu khác Hình 3.14 Đồ thị tổng hợp quan hệ CMN (tụ lớn) theo ượlng mẫu khác Nhận xét: Cácđồ thị biểu diễn kết đo phụ thuộc điện dung theo lượng mẫu nơng s ản chứa tụ có d ạng hàm ến tính Điều hồn tồn phù h ợp với tính tốn lý thuyết Khi lượng mẫu tăng, số điện môi t ụ tăng Hằng số điện mơi đóng góp b ởi hai thành ph ần: chất nông s ản l ượng nước chứa Nh vậy, lượng mẫu c ố định (mẫu nông s ản lấp đầy không gian t ụ), điện dung tụ phụ thuộc tuyến tính theo thủy phần (lượng nước nông s ản) 3.3.2 Khảo sát ựs phụ thuộc điện dung C theo thủy phần gạo ChuNn độ Nm theo máy Kett: Nhận xét: Các kết chuNn hóa th ứ cấp số liệu đo điện dung cảm biến máy Riceter hãng Kett (Nh ật Bản) hai mẫu gạo Điện Biên Si dải thủy phần 12-16% phù hợp Mặc dù hai phương phápđo khác đ(iện dung điện dẫn) đánh giáđúng vai trò thủy phần gạo Như vậy, hồn tồn có th ể quy đổi thị điện dung cảm biến sang thị thủy phần mẫu nông s ản 1 Kett (%) 1 1 C (pF) Hình 3.15 Tương quan độ "m điện dung mẫu gạo Si Hình 3.16 Tương quan độ "m điện dung mẫu gạo TámĐiện Biên 3.3.3 Đề xuất mạch chức cho thiết bị đo thủy phần a Khối tạo tín hiệu sine Có th ể sử dụng IC chế tạo theo công ngh ệ CMOS để thiết kế khối tạo tín hiệu sine ni c ầu đo điện dung nhằm tiết kiệm lượng, đồng thời hoạt động tốt tần số cao C + LM35 R 1 IC401 IC401 Hình 3.17 Khối tạo tín hiệu sine b Khối phát xung - Mạch phát xung có sơ đồ hình 3.18: Hình 3.18 Sơ đồ mạch phát xung Linh kiện chủ yếu: Linh kiện chủ yếu mạch phát xung IC 4011,được tạo thành t mạch NAND thuộc loại CMOS Mạch phát xung làm việc tần số 4f c Khối chia tần - Mạch chia tần có s đồ hình 3.19: Hình 3.19 Sơ đồ mạch chia tần - Linh kiện chủ yếu: IC 4013 thuộc loại CMOS Mục đích khối chia tần: Xung lối mạch phát (hình 3.18) khơng đặn Do đó, c ần có kh ối chia tần để tạo xungđều đặn, tức xung vuông có độ trống ½ - Mạch chia tần làm vi ệc tần số f - Khối chia tần xây d ựng từ hai IC 4013 Qua khối s ẽ thực hai lần chia tần d Khối tạo sóng sine kh ối khuếch đại cơng su ất - Ý ngh ĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công su ất để nuôi Sensor Mạch tạo sóng sine khu ếch đại cơng su ất có s đồ hình 3.20: R C R C Hình 3.20 Sơ đồ mạch tạo són - Mạch tạo sóng sine khu ếch đại cơng su ất làm vi ệc tần số f e Mạch cầu đo thủy phần Mạch cầu đo thủy phần thiết kế dựa nguyên lý ầcu Sauty, gồm nhánh trongđó nhánh điện trở, nhánh tụ trụ (hình 3.21) R1, R2 điện trở thuần, R3 bi ến trở dùng để cân b ằng cầu C1 t ụ điện trụ đối xứng với C2 t ụ điện trụ làm c ảm biến đo Tín hiệu hình sin đưa vào hai điểm Tín hi ệu cầu cácđiểm đưa vào kh ối khuếch đại vi sai ch ỉ thị đo Cầu Sauty cho phép loại trừ mức điện áp chiều khu ếch đại mạnh tín hiệu cầu bị lệch khỏi vị trí cân b ằng thủy phần nơng sản chứa tụ C2 Có th ể sử dụng C1 làm c ảm biến, tụ C2 t ụ đối xứng nhánh ầcu R1 R2 C2 R3 Hình 3.21 Mạch cầu Sauty f Mạch khuếch đại vi sai +5 C3 R1 in3 4.7k R12 4.7k Hình 3.22 Mạch khuếch đại vi sai Kết thực nghiệm hệ đo dùng cầu Sauty: + Bố trí mạch Trên mạch cầu (hình 3.21), C1 C2 hai t ụ trụ chế tạo để làm cảm biến đo thủy phần Tụ C1 t ụ lớn, tụ C2 t ụ nhỏ Ở đây, t ụ C1 dùng để xácđịnh thủy phần nơng s ản cịn t ụ C2 có tác dụng cân b ằng mạch cầu Các điện trở R1 , R2 mắc có giá trị chọn sau : R1  R2  33K + Chọn tần số tối ưu Chúng kh ảo sátđiện lối (Vout Vra) cầu với nguồn ni cầu có t ần số khác trường hợp cảm biến C1 có khơng ch ứa nông s ản Kết thu cho thấy, sử dụng nguồn ni c ần có t ần số f = 210 KHz cho tín hiệu lối nhạy với biến đổi điện dung C1 vai trị c nơng s ản chứa tụ gây + Khảo sát tín hiệu cảm biến theo lượng nông s ản chứa tụ Theo nhận xét ừt phần thực nghiệm trước, điện dung C1 phụ thuộc vào hai thơng s ố l ượng mẫu th ủy phần mẫu Các quan hệ C=C(L) H=const C=C(H) V=const tuyến tính dải đo định Ở L lượng mẫu chứa tụ Số liệu đo C=C(L) H=const mẫu gạo TámĐiện Biên sau : Lượng mẫu L (TámĐiện Biên) V out (mV) V (mV) Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn tương quan Vout l ượng mẫu L + Khảo sát tín hiệu lối cầu (V out) theo thủy phần nông s ản H Phép đo thực với mẫu nông s ản g ạo Bắc Thơm theo quan hệ : Vout  f ( H ) (khi mẫu chứa đầy cảm biến C1 ) Số liệu đo đồng thời ghi máyđo thủy phần Riceter hãng Kett (Nhật Bản) H(%) máy Kett V out cầu đo V (mv ) Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn tương quan Vout H Nhận xét :Kết thu ầcu đo thủy phần nông s ản dùng nguyên lý điện dung thể hiệu ứng phát thủy phần chứa nông s ản rõ r ệt Kết kh ẳng định khả chế tạo thiết bị đo thủy phần nông s ản Do thời gian có h ạn, luận văn chưa có đủ điều kiện nghiên ứcu, thu thập nhiều số liệu đo với mẫu nông s ản khác ũcng q trình hồn thiện mạch điện tử l ập bảng hiệu chỉnh số liệu cho loại nơng ph Nm Hy vọng cơng vi ệc s ẽ hoàn thi ện giai đoạn tới để thiết bị đem ứng dụng thực tế KẾT LUẬN Sau trình nghiênứcu lý thuy ết, tiến hành th ực nghiệm đề tài thi ết kế chế tạo thiết bị đo thủy phần dùng cảm biến điện dung, luận văn thu số kết chính: Tổng quan số phương pháp xácđịnh thủy phần mẫu nông s ản sử dụng giới phương pháp cân sấy, điện dẫn, điện dung Đã thi ết kế chế tạo hai cảm biến điện dung-thủy phần dạng trụ Đã kh ảo sátđặc trưng điện dung-thủy phần hai cảm biến chứa mẫu nông s ản thiết bị đo điện dung chuNn DL8000 Hãng Bio-Rad (Anh, Mỹ)sản xuất Kết thu hoàn toàn phù h ợp với tính tốn lý thuyết Đã ti ến hành chu Nn thứ cấp số liệu điện dung cảm biến chứa hai mẫu gạo có th ủy phần thay đổi với số liệu máy Riceter Hãng Kett (Nhật Bản) chế tạo Kết thu có độ phù hợp cao Nghiên ứcu đề xuất khối mạch điện tử thiết bị đo thủy phần mẫu nông s ản Kết khảo sát ươtng quan số liệu đo thủy phần mẫu gạo Bắc thơm thiết bị đề xuất với số liệu đo máy Kett ểthhiện rõ hi ệu ứng chuyển đổi tín hiệu thủy phần kh ả ứng dụng vào th ực tiễn Một số kết nghiên cứu theo hướng cảm biến giai đoạn 2009-2013 công b ố ba báo cáo khoaọhc Hội nghị khoa học toàn qu ốc qu ốc tế: + Cuong N.H, Manh L.T, Dung Bui, Trieu P.Q, Application differential circuits in instrumentation manufacturing, The 3th Academic conference on natural science for master and PhD students from Cambodia, Laos, Malaysia, Thailand and Vietnam, Phnom Penh, Cambodia 11-2013 (submitted) + PQ Triệu, NT Nghĩa, NT Hưng, NTM Đức, BT Dung, Nghiên ứcu chế tạo th nghiệm sensor phát từ trường, Hội nghị Vật lý ch ất rắn KHVL toàn quốc lần thứ VI (SPMS-2009), Đà N ẵng 10-2009, trang 1086 + PQ Triệu, NT Hưng, BT Dung, Thiết bị phát bão t ừ, Hội nghị KHKT đo lường toàn qu ốc lần thứ V, Hà N ội 2010, trang 517 Định hướng nghiên ứcu hướng đề tài : + ChuNn ốs liệu đo thủy phần theo phương pháp cân sấy nhiều mẫu nông s ản khác ngô, đỗ, đậu, lạc, chè, cà phê… + Sử dụng mạch vi xử lý ch ức để thuận tiện cho người sử dụng PHỤ LỤC ... - NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO 35 3.1 Nghiên ứcu chế tạo máyđo thủy phần gạo theo nguyên lýđiện dẫn 35 3.1.1 Nghiên ứcu số liệu thực nghiệm 35 3.1.2 Cơ sở thiết kế máyđo... hay thủy phần) Nhiều công trình khoa h ọc, nhiều hãng sản xuất giới quan tâm nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thủy phần phục vụ đối tượng Tại Việt Nam, có đề tài c ấp nhà n ước nghiên ứcu ch ế tạo. .. ước nghiên ứcu ch ế tạo thành công máy đo thủy phần thóc g ạo dùng nguyên lý điện dẫn Trong luận văn này, nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị đo thủy phần sử dụng nguyên lý cảm biến điện