Môn học các cảm biến (202702) đề tài FLOW SENSOR

Môn học: CÁC CẢM BIẾN (202702 ) Đề tài: FLOW SENSOR Nguyên lý vật lý của cảm biến lưu lượng Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng nước Nhiệt lưu kế cho dòng vi mô (Microflow Thermal Transport Sensors)

Đề tài: FLOW SENSOR

Môn học: CÁC CẢM BIẾN (202702)

GVHD: TS Trần Hải Nam

Đại học Bách Khoa TPHCM

1 Tổng quan

 Một trong những nguyên tắc cơ bản của vật lý là khối lượng là một đại lượng bảo toàn.

 Khối lượng đi vào hệ thống (Min) bằng khối lượng đi ra hệ thống (Mout):

 Lưu lượng:

 Mối quan hệ giữa khối lượng và thể tích đối với vật liệu không nén được là thông qua khối lượng riêng:

 Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ống

Cơ bản về động lực học lưu chất

Hình 1 1: a Ống dòng chảy và b Dòng chảy qua mặt cắt ‑

Đặc trưng của lưu chất

 Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất:

 Tính nhớt: là tính chống lại sự dịch chuyển, nó biểu hiện sức dính phân tử hay khả năng lưu động của lưu chất

 Trị số Reynold (Re): đại lượng thể hiện đặc trưng các yếu tố ảnh hưởng đến lưu chất

Trạng thái dòng chảy

2 Nguyên lý vật lý

Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp

 Sử dụng lưu lượng kế đo dựa trên hiệu áp (differential pressure flowmeter)

 Bao gồm 2 thành phần chính:

Thành phần 1: Là nguyên nhân gây lên sự thay đổi trong năng lượng động học, tạo nên sự thay đổi áp suất trong ống, thành phần này phải phù hợp với kích thước của đường ống, điều kiện dòng chảy, tính chất của lưu chất

Thành phần 2: Đo sự chênh lệch áp và tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành giá trị lưu lượng

 Từ sự thay đổi áp suất, suy ra lưu lượng thể tích

Sử dụng các thiết bị tạo chênh áp bằng cách thay đổi tiết diện ngang của ống (theo hướng nhỏ lại) như:

Hình 2 2: Hình ảnh cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lý chênh áp ‑

Hình 2 3: Ống venturi ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine

Hình 2 12: Cấu tạo thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý turbine ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý turbine

Hình 2 11: Sơ đồ đo lưu lượng bằng nguyên lý turbine ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý điện từ

Hình 2 13: Nguyên lý đo lưu lượng bằng điện từ ‑

Hình 2 14: Cấu tạo máy đo lưu lượng bằng điện từ ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex

Hình 2 16: Sơ đồ cấu trúc nguyên lý Vortex ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ Positive Displacement

Hình 2 19: Sơ đồ nguyên lý công tơ thể tích ‑

Hình 2 22: Hình ảnh thực tế cảm biến lưu lượng sử dụng nguyên lý chiếm chổ ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý siêu âm

 Phương pháp thời gian chuyển tiếp (transit time)

Hình 2 23: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp thời gian chuyển tiếp ‑

 Phương pháp Doppler

Hình 2 24: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Doppler ‑

Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

Các cảm biến lưu lượng sử dụng phương pháp trên là

− Lưu kế dây nóng (Hot-wire anemometer)

− Nhiệt lưu kế ba thành phần (Three-Part Thermoanemometer)

− Nhiệt lưu kế hai thành phần (Two-Part Thermoanemometer)

− Nhiệt lưu kế cho dòng vi mô (Microflow Thermal Transport Sensors)

Lưu kế dây nóng (Hot-wire anemometer)

Hình 2 28: Cầu cân bằng về không cấp nhiệt không đổi cho lưu kế dây nóng ‑

Hình 2 29: a Đầu dò dây nóng và b Đầu dò màng nóng dạng hình nón ‑

Nhiệt lưu kế ba thành phần (Three-Part Thermoanemometer)

Hình 2 30: a Thiết kế đơn giản của nhiệt lưu kế hai cảm biến và b Mặt cắt ngang của đầu dò nhiệt độ ‑

Nhiệt lưu kế hai thành phần (Two-Part Thermoanemometer)

Hình 2 32: a Nhiệt lưu kế hai thành phần ‑

Nhiệt lưu kế cho dòng vi mô (Microflow Thermal Transport Sensors)

Hình 2 34: Cảm biến lưu lượng khí gia công vi mô ‑

Nhiệt được phân tán khỏi cảm biến thông qua 3 cách thức khác nhau:

− Dẫn nhiệt thông qua ống công xôn

− Dẫn nhiệt qua dòng khí với hệ số

− Bức xạ nhiệt được tuân theo định luật Stefan-Boltzmann

3 Vật liệu và công nghệ

 Silicon có ký hiệu hóa học là Si và số nguyên tử bằng 14

 Là nguyên tố phổ biến sau oxy trong vỏ Trái Đất (25,8 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, là á kim có hóa trị +4 Nhiệt độ nóng chảy là 14100C, và nhiệt độ sôi là 23550C

 Trong dạng tinh thể, silic có màu xám sẫm ánh kim Là một nguyên tố tương đối trơ

 Trong tự nhiên, silic tồn tại ở dạng silic dioxide (SiO2)

 Truyền khoảng hơn 95% các bước sóng hồng ngoại

 Silicon không có hiệu ứng áp điện, hiệu ứng Hall, hiệu ứng Seebeck, và điện trở áp là khá lớn

 Nhạy cảm đáng kể với nhiệt độ

Hình 3 1: Các hiệu ứng hữu ích của silicon được ứng dụng trong chế tạo cảm biến ‑

 Ngày nay, Silicon được sử dụng rộng rãi để chế tạo các thiết bị như đầu dò áp suất, cảm biến nhiệt độ, máy phát hiện lực

và xúc giác bằng cách sử dụng các công nghệ MEMS

 Hình thành vật liệu với tên gọi là polysilicon (PS) cho phép phát triển các cảm biến với thuộc tính đặc biệt

 PS khắc phục được vấn đề của silicon là nhạy cảm với nhiệt độ khi có thể kiếm soát bằng cách pha nồng độ tạp chất

Hình 3 2: Ảnh hưởng của nồng độ tạp chất lên hệ số nhiệt độ của PS và SCS ‑ Hình 3 3: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi điện trở dưới tác động của lực ‑

 Một trong các công nghệ chế tạo phổ biến và hiện đại nhất hiện nay để sản xuất các cảm biến là công nghệ MEMS (Micro – electromechanical system)

 Là quy trình công nghệ tạo ra những thiết bị hoặc hệ thống vi mô mà kết hợp giữa các thành phần cơ khí và điện tử

 Được sản xuất sử dụng kỹ thuật xử lí hàng loạt mạch tích hợp (IC)

 Silicon là vật liệu nền chính được sử dụng

Quang khắc (Photolithography)

Hình 3 4: Quang khắc dương bản và âm bản ‑

Vi gia công silicon (Silicon Micromachining)

 Sử dụng để tạo mẫu màng mỏng có được lắng đọng trên một tấm silicon, và để định hình tấm wafer, để tạo thành một bộ cấu trúc vi mô cơ bản (vi gia công silicon số lượng lớn)

 Ăn mòn điện hóa (Electrochemical etching) là kỹ thuật vi gia công silicon cơ bản

 Kỹ thuật liên kết silicon cũng có thể được sử dụng để mở rộng các cấu trúc được tạo ra bởi kỹ thuật vi gia công silicon thành cấu trúc nhiều lớp

Ăn mòn ướt (Wet Etching)

 Việc loại bỏ vật liệu bằng cách nhúng tấm wafer vào một bể dung dịch chứa hóa chất ăn mòn

 Ăn mòn ướt được chia thành hai loại lớn; ăn mòn đẳng hướng và ăn mòn dị hướng

 Một số chất ăn mòn tấn công silicon với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào nồng độ của các tạp chất trong silicon (sự ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ)

Hình 3 5: Ăn mòn đẳng hướng dưới mặt nạ ‑

Hình 3 6: Cấu trúc đơn giản ăn mòn bởi KOH ‑ Hình 3 7: Cấu trúc Mesa ‑

Ăn mòn phụ thuộc nồng độ (Concentration-dependent Etching)

 Các màng ngăn mỏng hơn, có thể được sản xuất bằng cách sử dụng boron để ngăn chặn quá trình ăn mòn dị hướng KOH

 Mức độ của boron trong silicon sẽ làm giảm tốc độ bị ăn mòn trong KOH

Hình 3 8: Ăn mòn quanh silicon pha boron ‑

Ăn mòn khô (Dry Etching)

 Hình thức ăn mòn khô phổ biến nhất cho các ứng dụng gia công vi là ăn mòn ion phản ứng (RIE: Reactive Ion Etching)

 RIE là một kỹ thuật ăn mòn dị hướng, không bị giới hạn bởi các mặt phẳng tinh thể trong silicon

 Kết hợp giữa ăn mòn khô và ăn mòn ướt đẳng hướng có thể được sử dụng để tạo thành các điểm rất sắc nét

Hình 3 9: Ăn mòn khô của cấu trúc nhọn ‑

4 Hàm truyền

Hàm truyền cảm biến lưu lượng nước

 Mối quan hệ này có thể là E=f(s) Thông thường, kích thích s không được biết trong khi tín hiệu đầu ra E được đo và do đó được biết đến Giá trị của E được biết trong quá trình đo là một số (điện áp, dòng điện, số đếm, v.v.) đại diện cho kích thích s

Hình 4 1: Hàm truyền ‑

Hàm truyền cảm biến lưu lượng nước

 Trong thực tế, bất kỳ cảm biến nào cũng được gắn vào một hệ thống đo lường Một trong những chức năng của hệ thống là “ngắt

mã E” và suy ra giá trị chưa biết của s từ giá trị đo được của E Vì vậy, hệ thống đo lường sẽ sử dụng hàm truyền nghịch đảo �=�^(−1) ) ), để thu được (tính toán) giá trị của kích thích s

Hình 4 1: Chức năng truyền nghịch đảo ‑

Hàm truyền cảm biến lưu lượng nước

 Mô hình toán học

Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ:

Trong đó F: tiết diện dòng chảy ( )

k: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo công tơ

n: tốc độ quay của turbine (Hz)

 

5 Sơ đồ mạch điện

Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng nước

Hình 5 1: Sơ đồ cảm biến Hall ‑

Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng nước

Hình 5 2: Cảm biến Hall dạng Analog và Digital ‑

Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng nước

Hình 5 3: Cảm biến Hall tích hợp Trigger Schmitt ‑

Cấu tạo mạch điện cảm biến lưu lượng nước

Hình 5 4: Sơ đồ cảm biến lưu lượng ‑

Cảm biến lưu lượng YF-S201 DN15

Board điều khiển Arduino

Hình 5 5: Arduino UNO R3 ‑

Sơ đồ nối dây

Hình 5 6: Sơ đồ nối dây ‑

Sơ đồ nối dây thực tế

Hình 5 7: Sơ đồ nối dây thực tế ‑

Kết quả hiển thị lưu lượng Lít/giờ

Hình 5 8: Kết quả hiển thị trên Serial Monitor của Arduino IDE ‑

Cảm ơn thầy và các bạn đã chú ý lắng nghe