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).
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 4.1 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. 1Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung
4.2 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. 3Tín 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=80 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
0 50 100 150 200 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 V o lta g e - V Time - x30ms 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:
0 200 400 600 800 1000 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 V o lta g e - V Time - x30ms Water 5 mm
Hình 4. 5Đồ thịtín hiệu tại lối ra khi có 02 giọt nước chảy qua kênh dẫn dầu của cảm biến dòng chảy 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.
0 50 100 150 200 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 V o lta g e - V Time - x30ms
Hình 4. 6Đồ thị tín hiệu lối ra khi phát hiện hạt thiếc có trong kênh dẫn dầu chảy qua cảm biến 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. 0 100 200 300 400 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 V o lta g e - V Time - x30ms Tin particle 0.3 mm
Hình 4. 7Đồ thị tín hiệu lối ra khi giọt nước muối chuyển động trong kênh dẫn dầu của cảm biến dòng chảy 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.
0 50 100 150 200 250 300 350 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 V o lta g e - V Time - x30ms Salt water 3 mm
Hình 4. 8Đồ 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 (µm) cho ra tín hiệu đầu ra tốt có thể đo trực tiếp trên 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.
4.3 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
0 50 100 150 200 250 300 350 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 V o lta g e - V Time - x30ms Salt water 3mm Water 3mm Tin 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.
Vcl = L
(t2−t1) (4.1)
4.4 Định hƣớng, 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. 10Phác họa hệ thống đo đạc, nghiên cứu dòng chảy hai pha dầu - nước [10]
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 1. Kết luận
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. Hƣớng 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.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Daiying Zhang 1, Liqiu Men 2 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 trong công nghiệpTạp chí tự động hóa ngày nay, số 142(10/2012)
[4] Hoàng Minh Công, Giáo trình cảm biến công 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 1 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