Nghiên cứu chế tạo cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Chử Đức Trình Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn LỜI CẢM ƠN Bài báo cáo hoàn thành giảng dạy hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Chử Đức Trình Với kính trọng lịng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy dẫn chu đáo, tận tình Thời gian em nghiên cứu thầy không nhiều giúp em có thêm nhiều kiến thức bổ ích, phương pháp tư tiến hành công việc cách có hệ thống, khoa học, có hiệu kiến thức thực tế mà thầy mang lại cho em Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, giảng viên Khoa Điện tử Viễn thông tạo điều kiện cho học viên chúng em có mơi trường học tập, nghiên cứu truyền thụ cho em kiến thức bản, tảng khoa học suốt bốn năm học Đại Học hai năm học sau Đại Học Tôi xin chân thành cảm ơn bạn Vũ Quốc Tuấn (Học viên cao học K18)cũng nghiên cứu lĩnh vực MEMS giúp đỡ tơi nhiều để hồn thiện nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, người ln chỗ dựa tinh thần vững con, cổ vũ động viên Xin gửi tới người thân yêu gia đình, bạn bè, đồng nghiệp tình cảm thân thương nhất! Xin chân thành cảm ơn người! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Tuấn MỤC L`ỤC Chƣơng GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor 10 1.2 Một số cấu trúc phát triển 15 1.3 Cấu trúc đề xuất 16 1.4 Tổ chức luận văn 16 Chƣơng CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18 2.3 Các tượng vật lý cảm biến điện dung 27 2.4 Nguyên lý cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ 28 2.5 Cảm biến tụ kép vi sai 32 2.4 Mạch đo: 32 Chƣơng THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC 34 3.1 Giới thiệu chung 34 3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu lược 34 3.2.2 Phác họa thiết kế 35 3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo 35 3.3 Thiết kế kênh dẫn: 36 3.4 Thiết kế mạch điện tử: 37 Chƣơng THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN42 4.1 Thiết lập mạch đo 42 4.2 Kết quả, đánh giá thảo luận 42 4.3 Tính tốn vận tốc dịng chảy: 48 4.4 Định hướng, ứng dụng cảm biến vào công nghệ lọc dầu 49 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều ASIC Application Specific Integrated Mạch tích hợp chuyên dụng Bipolar Lưỡng cực DC Direct Current Dòng chiều DO Diesel Oil Dầu đi-ê-sel DUV Deep UltraVilolet Tia tử ngoại xa FO Fuel Oil Dầu thô chưa chưng cất IC Integrated Circuit Mạch tích hợp Lithography In thạch Micro Electro Mechanical Systems Hệ thống vi điện tử MEMS Micro- EDM (Micro Electro Discharge Machining) Vi máy gia công tia lửa điện PDMS Polydimethylsiloxane Cao su Silicone UV UltraVilolet Tia tử ngoại DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] 10 Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, vi kênh đặt phía điện cực hình thành cảm biến điện dung [2] 15 Hình 1.3 Mơ hình xử lý cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] 16 Hình Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn 19 Hình 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] 20 Hình Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] 21 Hình Cảm biến siêu âm Dropler [3] 22 Hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] 22 Hình a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh 23 Hình Cảm biến đo xạ xác định mức chất lỏng 24 Hình Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu bình 25 Hình Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) 27 Hình 10 Bản cực tụ phẳng di chuyển [4] 28 Hình 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử 31 Hình 12 Mơ hình cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] 31 Hình 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] 32 Hình 14 Mạch điện tử cầu mạch cầu biến áp thường 33 Hình Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu lược 35 Hình Cảm biến dịng chảy dựa ngun lý tụ điện đồng phẳng 36 Hình 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế 36 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử cảm biến 37 Hình Mạch nguồn cảm biến 39 Hình Mạch phát xung hình sin 39 Hình Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật tốn lọc thơng thấp 40 Hình Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620 40 Hình Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện 41 Hình Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung 42 Hình Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung 43 Hình Tín hiệu thu cảm biến với kích thước giọt nước 3.5 mm 43 Hình 4 Tín hiệu thu đầu cảm biến với kích thước giọt nước mm 44 Hình Đồ thịtín hiệu lối có 02 giọt nước chảy qua 45 Hình Đồ thị tín hiệu lối phát hạt thiếc có 46 Hình Đồ thị tín hiệu lối giọt nước muối chuyển động 47 Hình Đồ thị tín hiệu lối cho giọt nước, hạt thiếc giọt nước muối 48 Hình Mơ hình dầu nước mặt cắt ống dẫn [10] 49 Hình 10 Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] 50 MỞ ĐẦU Từ năm 50 kỷ trước với cách mạng công nghệ bán dẫn đem lại nhiều thành tựu, tạo thay đổi lớn lao mặt đời sống người.Sự đời công nghệ MEMS viết tắt cụm từ MicroElectromechanical Systems, nghĩa hệ thống vi điện tử thuật ngữ hệ thống điện tử thêm phận chuyển động kích thước cỡ micromét (vi cơ), hệ thống vi cảm biến,các yếu tố vi điện Silic công nghệ vi chế tạo Trong thành phần có thuộc tính điện chế tạo dùng cơng nghệ mạch tích hợp (IC) CMOS, bipolar, BICMOS, thành phần vi chế tạo dùng trình vi phù hợp vi khắc có chọn lựa phần wafer Si thêm vào lớp có cấu trúc để tạo nên thiết bị điện Hệ thống vi điện tử (MEMS) thường sử dụng vi mạch điều khiển vi cảm biến có khả cảm nhận yếu tố phi điện môi trường xung quanh nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc, áp suất.v.v…,được tích hợp hồn chỉnh chíp Hệ thống sử dụng vi nguồn để hoạt động Ngày nay, MEMS cách mạng hóa loại sản phẩm cách mang yếu tố vi điện lại với Si theo công nghệ vi cơ, cách tạo hệ thống Chip hồn chỉnh Cơng nghệ vi (micromachining) hệ thống điện (micro- electromechical system (MEMS) dùng để tạo cấu trúc, linh kiện hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro MEMS cơng nghệ có khả cho phép mang lại phát triển sản phẩm thơmg minh, tăng khả tính tốn yếu tố vi điện tử với vi cảm biến vi kích hoạt có khả nhận biết điều khiển Ngồi ra, với MEMS cịn mở rộng khả thiết kế ứng dụng mặt đời sống Trong hệ thống, tích hợp yếu tố vi điện xem “bộ não”, MEMS tăng cường thêm khả “mắt” “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều cho phép vi hệ thống nhận biết điều khiển theo môi trường Các cảm biến tập hợp thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh, tượng từ… Sau đó, yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến thông nhận biết tác động trực tiếp đến kích hoạt đáp ứng lại cách di chuyển, thay đổi vị trí, dị tìm, lọc, theo điều khiển mơi trường theo ý muốn Do thiết bị MEMS chế tạo theo công nghệ khối tương tự dùng cho mạch tích hợp, có chức năng, độ tin cậy độ tinh vi chưa thấy đặt chip Si nhỏ với giá thành thấp Các sản phẩm thành công thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến vi cảm biến Vì vậy, thành cơng hầu hết sản phẩm dùng công nghệ MEMS khai thác tích chất sau đây: Thuận lợi tỉ lệ: Một vài tượng vật lý trình bày tốt hiệu tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro, nano Chế tạo khối : Với quy trình in quang (lithographic) chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho mơt linh kiện MEMS theo khối thấp so với chi phí sản xuất nhiều linh kiện MEMS Tích hợp mạch: Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, nhiên giá thành độ phức tạp bị hạn chế Trong cơng nghiệp hóa dầu hệ thống cảm biến nghiên cứu dòng dầunước đường ống mục đích để tính tốn, định lượng phần diện tích chất lỏng bị chiếm đóng phần định ống, phát nước bị lẫn dầu thành phẩm Chính lý chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Nghiên cứu, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa nguyên lý cảm biến kiểu tụ đồng phẳng”- (Research, manufacturing flow sensor based on the principle coplanarcapacitorsensor) Trong luận văn này, nội dung nghiên cứu cảm biến dòng chảy dựa nguyên lý kiểu tụ đồng phẳng Các cấu trúc đề xuất nghiên cứu có tiềm ứng dụng vào hệ thống định lượng nước, dầu dòng dầu- nước ống, phát chất lạ làm thay đổi số điện mơi dịng chất lỏng việc vận chuyển hóa chất nhà máy hóa chất, phát bọt khí mạch máu, phát vật thể lạ mao dẫn, đo nồng độ kim loại dầu máy động …v.v 10 Chƣơng GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic, phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, kỹ thuật nàylà tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngồi ra,siliconkhơngthích hợpđược áp dụngtrong thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cực tímngồido cầnchi phí cao để xử lý Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi điện tử(MEMS)với quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1 Trong trình chế tạo,vật liệu sử dụng mộtpolymer,được lắng đọng trênmột chất nềnđầu tiên, sau đómột mơ hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệu bằngin thạch Sau q trìnhkhắc, ăn mịn(khắc ăn mịn ướt hoặckhơ), để cấu trúc mong muốn.Cuối 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 sử dụng ngành in ấn người ta dựa vào lực đẩy giữu dầu nước Dầu nước không trộn lẫn có xu hướng tách rơi Hình ảnh ngược vết dầu dính bề mặt Sau bề mặt ngâm vào nước Nước chảy vào vị trí khơng dính dầu Tiếp đến trống mực in lăn qua bề mặt Người ta sử dụng loại mực dầu mực hịa tan 39 Hình 5Mạch nguồn cảm biến Mạch phát tín hiệu sine Hình 6Mạch phát xung hình sin Tần sốđược tính tốn theo công thức: F= 2𝛱𝑅𝐶 Chọn giá trị mạch với: R=R1=R2; C=C1=C2 R3=22 KΩ ; R4=10 KΩ giá trị K =3 Tính được: F= 15,9 KHz với R= 10 KΩ C = 1nF Tần số phát sine mạch theo tham số là: F= =15.9 Khz 40 Hình 7Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán lọc thơng thấp Hình 3.7 sơ đồ mạch đo điện dung, cảm biến Csen1 Csen2 đưa tín hiệu sin vào mạch khuếch đại, Csen1 Csen2 thay đổi Zcsen1 Zcsen2 thay đổi tín hiệu đuợc khuếch đại nửa chu kỳ khuếch đại thuật tốn nguồn đơn MC34074 Tín hiệu đo đuợc cho qua mạch lọc thông thấp Rf1,Rf2, Cf1, Cf2 Rf1=Rf2= 10KOhm, Cf1=Cf2= 0.1 uF Hình 8Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620 Khuếch đại vi sai dùng IC AD620 để đọc tín hiệu có chênh lệch hai cảm biến Csen1 Csen2 tín hiệu qua hai lọc thơng thấp có t chênh lệch 41 với nhau, tín hiệu chênh lệch đuợc qua khuếch đại vi sai để chuyển thành tín hiệu Mạch có ưu điểm triệt tiêu nguồn nhiễu đồng pha hai kênh đặc biệt nhiễu điện từ với nguồn mạng điện lưới Mạch khuếch đại điện tích Hình Mạch khuếch đại điện tích (Change Amplifier) Cả điện dung C(x) cảm biến điện dung ký sinh Cp nối đất phải bao gồm kết nối cảm biến khuếch đại luôn bổ sung thêm lượng điện dung ký sinh Ở đây, khuếch đại điện trở truyền (hình 2.7) sử dụng để xác định dịng điện qua tụ C(x) Ưu điểm cấu hình đất ảo đầu vào khuếch đại, có điện tích khơng đáng kể tụ điện điện ký sinh khơng ảnh hưởng nhiều đến đo lường Giá trị C(x) xác định từ biên độ đầu 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 khuếch đại vi sai Được tích hợp mạch điện tử kích thước cỡ (40 x80 mm) Hình 10Mạch điện tử dùng ghép nối với cảm biến tụ điện 42 Chƣơng THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 4.1 Thiết lập mạch đo Một thiết lập đo lường gồm tín hiệu lối hệ thống cảm biến điện dung Hệ thống bơm chất lưu qua kênh dẫn đặt cực cảm biến, tín hiệu lối cảm biến đưa qua card NI DAQ-50 kết nối với máy tính để thu thập xử lý số liệu Hình 1Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung 4.2 Kết quả, đánh giá thảo luận Lúc bắt đầu đo kênh dẫn chứa đầy dầu tạo giọt nước ống dẫn dầu cách hút giọt nước vào ống chứa đầy dầu sau lại cắm ống dẫn vào cốc đựng dầu để chất lưu kênh dẫn dẫn qua cực tụ điện cảm biến có giọt nước dịng dầu Kích thước giọt nước hồn tồn chọn theo ý muốn Đầu cảm biến ghi nhận từ dao động ký sử dụng card National Intrutments DAQ kết nối với máy tính qua cab LPT Chọn kích thước giọt nước cỡ 3.5 mm ống dẫn dầu- nước bơm chậm qua kênh dẫn đặt cực cảm biến Xử lý số liệu thu thập máy tính phần mềm MathLab ta có đồ thị tín hiệu lối cảm biến Hình 4.2 ảnh chụp giọt nước chuẩn bị bơm di chuyển cực cảm biến 43 Hình Giọt nước chuẩn bị di chuyển vào cảm biến điện dung 1.5 Voltage - V 0.5 -0.5 -1 -1.5 Water mm 50 100 150 200 Time - x30ms Hình 3Tín hiệu thu cảm biến với kích thước giọt nước 3.0 mm Tín hiệu xét theo trục ngang từ vị trí điểm đến chấm đỏ A đánh dấu lúc giọt nước di chuyển tới cực tụ lược, tới điểm B giọt nước qua cực tụ Và điểm C giọt nước bắt đầu vào cực điểm điểm D giọt nước qua cực tụ điện Qua điện cực lược số điện môi nước vào khoảng ɛw=80 số điện môi dầu vào khoảng ɛw=2.7 thay đổi số điện môi giọt nước qua cực lược đan xen cảm biến làm thay đổi điện dung tụ Kết tín hiệu cảm biến có đỉnh tín hiệu đầu cảm biến Biên độ đỉnh không dao động từ 0.6 vol đến 0.8 Vol khoảng cách đỉnh khơng điều giải thích tiếp xúc ống cực tụ độ tròn đồng ống làm giọt nước qua 44 lược có số ɛ khác nhau, tốc độ bơm chất lỏng không Lặp lại thí nghiệm thay đổi kích thước giọt nước lớn cỡ 4.5mm Biên độ đỉnh tín hiệu đầu dao động cỡ 1.5 vol tăng so với thí nghiệm trước Điều giải thích số điện mơi vị trí tức thời giọt nước di chuyển cực lớn so với thí nghiệm trước Điều khẳng định cảm biến hoạt động tốt có độ tin cậy cao 1.5 Voltage - V 0.5 -0.5 -1 -1.5 Water mm -2 200 400 600 800 1000 Time - x30ms Hình 4 Tín hiệu thu đầu cảm biến với kích thước giọt nước mm Làm thí nghiệm 02 giọt nước kích thước 5.0 mm gần giống cách khoảng 5mm, Xử lýsố liệu thu có đồ thị hình đây: 45 Voltage - V -1 -2 -3 Two Drops of Water -4 50 100 150 200 Time - x30ms Hình 5Đồ thịtín hiệu lối có 02 giọt nước chảy qua kênh dẫn dầu cảm biến dịng chảy Biên độ đỉnh tín hiệu lối có hai giọt nước muối kích thước khoảng mm kênh dẫn cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ từ 1,5 đến vol Làm thí nghiệm để cảm biến phát chất rắn kim loạicó kênh dẫn chất lỏng Sử dụngmột hạt thiếc kích thước đường kính 0.3 mm cho vào kênh dẫn chứa dầu chạy qua cực cảm biến Dữ liệu thu thập xử lý có đồ thị tín hiệu lối cảm biến 46 0.4 0.3 Voltage - V 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 Tin particle 0.3 mm 100 200 300 400 Time - x30ms Hình 6Đồ thị tín hiệu lối phát hạt thiếc có kênh dẫn dầu chảy qua cảm biến Biên độ đỉnh tín hiệu lối có hạt thiếc kênh dẫn cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ 0.2 đến 0.4 vol Làm thí nghiệm phát nước biển có dầu Ta biết nước biển tự nhiên có độ mặn trung bình khoảng 3,5% (dao động từ 3,1% 3,8%) chủ yếu lànước tự nhiên muối ăn Natri Clourua cịn có ngun tố khác Magie, Canxi, lưu huỳnh… với tỷ lệ nhỏ[8] Khi hòa tan 3,5 g muối ăn 1000 ml nước tự nhiên nước muối có độ mặn 3,5% gần giống với nước biển Khi tạo giọt nước muối kênh dẫn dầu chảy qua cảm biến, để cảm biến phát nước muối có dầu Dưới dây đồ thị tín hiệu lối cảm biến với giọt nước muối có kích thước mm, giọt nước muối kích thước 3,5 mm giọt nước muối có kích thước mm di chuyển kênh dẫn dầuqua cảm biến 47 1.5 Voltage - V 0.5 -0.5 -1 -1.5 Salt water mm 50 100 150 200 250 300 350 Time - x30ms Hình 7Đồ thị tín hiệu lối giọt nước muối chuyển động kênh dẫn dầu cảm biến dòng chảy Biên độ đỉnh tín hiệu lối có giọt nước muối kênh dẫn cảm biến có trị số điện áp đỉnh từ 1.0 đến 1,5 vol 48 1.5 Voltage - V 0.5 -0.5 -1 Salt water 3mm Water 3mm Tin particle 0.3mm -1.5 -2 50 100 150 200 250 300 350 Time - x30ms Hình 8Đồ thị tín hiệu lối cho giọt nước, hạt thiếc giọt nước muốiqua kênh dẫn chất lỏng cảm biến Đánh giá hoạt động cảm biến: - Cảm biến điện dung có độ nhạy cao Khi thử nghiệm nhiều lần phát giọt nước kích thước tương đối nhỏ cỡ mm, hạt kim loại kích thước vài trăm micro-met (µm) cho tín hiệu đầu tốt đo trực tiếp dao động ký mà không cần phải dùng khuếch đại Lock-IN - Với ứng dụng phát nước lẫn dầu, cảm biến không bọc hộp kim loại chống nhiễu, hoạt động mơi trường có nhiễu.Nhưng cảm biến cho tín hiệu đầu tương đối tốt 4.3 Tính tốn vận tốc dịng chảy: Bằng việc thu tín hiệu cảm biến ta hồn tồn tính tốn vậntốc dịng chảy Thời điểm tác nhân tác động vào cảm biến từ lúc bắt đầu (t1) thời điểm kết thúc (t2) việc thay đổi số điệnmôi kênh dẫn chất lưu lưu 49 file log card DAQ Với chiều dài xác kênh dẫn (L) đặt cực cảm biến tụ điện đồng phẳng Với thí nghiệm xác định vận tốc dịng chảy, chiều dài kênh dẫn (L) nhỏ cỡ 100 mm,chất lưu không nén (nhiệt độ, áp suất không thay đổi suốt trìnhnghiên cứu)tacoi chuyển động chất lỏng kênh dẫn chuyển động (gia tốc =0).Vận tốc dòng chảy vclcủa chất lưu kênh dẫn xác định theo công thức vật lý tỷ số chiều dài kênh dẫn với khoảng thời gian tác nhân qua kênh dẫn cảm biến Vcl = L (t2−t1) (4.1) 4.4 Định hƣớng, ứng dụng cảm biến vào công nghệ lọc dầu Thực tế cho thấy nghiên cứu dịng hai pha có đặc trưng tồn đồng thời ống dẫn kết hợp hai loại chất lỏng chất lỏng chất rắn ống dẫn Khi nghiên cứu loại hình dịng chảy có liên quan nhiều tới thực tế gặp nhiều nhiều lĩnh vực đời sống, ứng dụng công nghiệp chẳng hạn nhà máy hóa chất cần vận chuyển hóa chất đường ống, công nghiệp lọc dầu vận chuyển dầu đường ống Sự kết hợp dòng chảy có tốc độ khác chất độ nhớt chất lỏng khác với thành ống Bài toán đặt nghiên cứu dòng dầu - nước đường ống dẫn dầu Điều định đến điện tiêu thụ việc bơm đẩy dòng dầu - nước ống dẫn Chế độ dòng chảy dòng dầu chuyển động lõi ống, nước chuyển động xung quanh với tiết diện ống hình trịn nơi dịng chảy dầu trung tâm ống dịng chảy nước xung quanh Hình Mơ hình dầu nước mặt cắt ống dẫn [10] Một định hướng nghiên cứu đặt hệ thống cảm biến điện dung (Capacitive Sensing System) đường ống để xác định phần nhỏ khu vực bị chiếm đóng dầu Dựa đặc tính điện khác hai chất lỏng nước dầu Thực tế đặc tính điện phân phối khác số điện môi khu vực khảo sát ống Những thay đổi số điện mơi đo thành cơng cặp cảm 50 biến điện dung hoạt động tụ điện Với ưu điểm sử dụng kỹ thuật đo đạc tối ưu cho việc nghiên cứu mơ tả đặc điểm dịng chảy mà khơng làm ảnh hưởng đến chất, hành vi dòng chảy Hình 10Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10] 51 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Kết luận Về phương diện thiết kế cảm biến dòng chảy dựa nguyên lý tụ đồng phẳng thiết kế chế tạo thành công Đại học công nghệ Hà Nội Với thiết kế đơn giản đạt yêu cầu hiệu kinh tế, kỹ thuật, mỹ thuật hiệu sử dụng cảm biến để giải toán đặt nghiên cứu Do cấu trúc cảm biến tụ đồng phẳng (các cực nằm mặt phẳng) nên có khả ứng dụng lớn so với cấu trúc tụ thông thường (hai cực đặt song song) đặt bên trên, bên dưới, áp vào thành kênh dẫn, đặt bên kênh dẫn… mà không bị giới hạn kích thước cảm biến tụ điện thường Cảm biến thử nghiệm cho kết tốt phát giọt chất lỏng cỡ mm với tín hiệu đầu xử lý tốt, nhiễu Tuy nhiên đánh giá mang tính định tính Để có đánh giá xác cần phải cho cảm biến trải qua kịch đánh giá thực nghiệm với trang bị có thơng số xác cho cảm biến Hƣớng phát triển luận văn Các kết nghiên cứu trình bày luận văn sở ban đầu cho nghiên cứu, thực nghiệm để ứng dụng cảm biến vào thực tế Một số hướng cần nghiên cứu cần triển khai để hoàn thiện kết nghiên cứu luận văn này: - Tiến hành thực nghiệm để đánh giá định lượng cảm biến dịng chảy kiểu tụ nhóm nghiên cứu đề xuất thiết kế chế tạo - Bằng việc xác định thay đổi số điện môi chất lưu cảm biến dòng chảy dựa nguyên lý cảm biến tụ điện đồng phẳng hồn tồn nghiên cứu áp dụng việc xác định, định lượng nước sản phẩm dầu mỏ dầu mazút (FO), Dầu Diesel (DO); Dầu thủy lực, dầu nhớt, dầu phanh, xăng máy bay, dầu thực vật,… Áp dụng đường ống xuất, nhập nhà máy nhiệt điện, nhà máy kính, nhà máy thủy tinh, nhà máy thép, tàu biển chạy FO DO; nhà máy sử dụng nhiều dầu đốt Có thể lắp giàn khoan để xác định phần trăm (%) nước dầu thô Trong dây chuyền công nghệ nhà máy lọc dầu, nhà máy sản xuất dầu nhớt Lắp thiết bị trộn nhũ tương mazút - nước để kiểm soát nước nhũ tương Hoặc dùng phịng thí nghiệm, xưởng 52 Cảm biến nghiên cứu để sử dụng đo hàm lượng nước máy phát, hộp số máy cán thép, máy giấy - Tiến hành thử nghiệm cảm biến dòng chảy chế tạo việc xác định bọt khí máu thành phần bột sắt dầu máy, bọt khí dầu, nước muối dầu, hóa chất kênh dẫn… - Thiết kế chế tạo cảm biến dòng chảy hoạt động đồng thời hai nguyên lý áp điện trở tụ điện để tận dụng ưu hai nguyên lý 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Daiying Zhang 1, Liqiu Men and Qiying Chen 1,3,* Microfabrication and Applications of Opto-Microfluidic Sensors,2011 [2] Caglar Elbuken, Tomasz Glawdel, Danny Chan, Carolyn L Ren,Detection of microdroplet size and speed using capacitive sensors,2011 [3] Trịnh Lương Miên, Đo lưu lượng chất lỏng chất khí cơng nghiệpTạp chí tự động hóa ngày nay, số 142(10/2012) [4] Hồng Minh Cơng, Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng,2004 [5] http://vi.wikipedia.org/wiki/Áp_điện [6] Andreas Ernst, Klaus Mutschler 1, Laurent Tanguy, Nils Paust, Roland Zengerle and Peter Koltay Numerical Investigations on Electric Field Characteristics with Respect to Capacitive Detection of Free-Flying Droplets,2012 [7] Jacobson, SC, McKnight,TE., and Ramsey J.M., Microfluidic devices for electrokinetcally driven paralled and serial mixing, Anal,Chem.,71,4455,1999 [8] http://vi.wikipedia.org/wiki/N%C6%B0%E1%BB%9Bc_bi%E1%BB%83n [9] http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/icl7/icl7660.pdf [10] Marco Demoria,*, Vittorio Ferraria, Domenico Strazzab ,A sensor system for oil fraction estimation in a two phase oil-water flow, 2009 ... NGHỆ NGUYỄN HỒNG TUẤN NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203... mạch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện Hình 14 Mạch điện tử cầu mạch cầu biến áp thường dùngđể đo điện dung [3] 34 Chƣơng THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG... nguyên lý, chế tạo cảm biến dòng chảy dựa nguyên lý điện dung MEMS đánh giá cảm biến điện dung 17 đồng phẳng kiểu lược chế tạo thành công Sử dụng cảm biến dịng chảy chế tạo thành cơng thử nghiệm