Chương 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO
3.3. Kết quả thực nghiệm
3.3.3. Đề xuất mạch chức năng cho thiết bị đo thủy phần
a. Khối tạo tín hiệu sine
Có thể sử dụng IC được chế tạo theo công nghệ CMOS để thiết kế khối tạo tín hiệu sine nuôi cầu đo điện dung nhằm tiết kiệm năng lượng, đồng thời hoạt động tốt ở tần số cao.
Hình 3.17 Khối tạo tín hiệu sine
b. Khối phát xung
- Mạch phát xung có sơ đồ như trên hình 3.18:
Hình 3.18 Sơ đồ mạch phát xung - Linh kiện chủ yếu:
Linh kiện chủ yếu của mạch phát xung là các IC 4011, được tạo thành từ các mạch NAND thuộc loại CMOS.
Mạch phát xung làm việc ở tần số 4f.
c. Khối chia tần
- Mạch chia tần có sơ đồ như trên hình 3.19:
R 12 R
13 4011
4011 5
6
7 8
9 4011
11
R
IC401 C
IC 401 3
IC 401 3
+ -
R R R
R R
+ -
R
R
LM35 LM35
2 1 3 5
6 7
C C C
C
IC401
IC401 9 8 1
5 6 R
R 1 1
1
8 9 2
4
Hình 3.19 Sơ đồ mạch chia tần - Linh kiện chủ yếu: các IC 4013 thuộc loại CMOS.
- Mục đích của khối chia tần: Xung ở lối ra mạch phát (hình 3.18) không đều đặn. Do đó, cần có khối chia tần để tạo ra các xung đều đặn, tức là các xung vuông cú độ trống bằng ẵ.
- Mạch chia tần làm việc ở tần số f.
- Khối chia tần được xây dựng từ hai IC 4013. Qua khối này sẽ thực hiện hai lần chia tần.
d. Khối tạo sóng sine và khối khuếch đại công suất
- Ý nghĩa: Tạo sóng hình sine đơn sắc đủ công suất để nuôi Sensor.
- Mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất có sơ đồ như trên hình 3.20:
4013 4013
9 8
11
5 6
2
101 4
Hình 3.20 Sơ đồ mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất - Mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất làm việc ở tần số f.
e. Mạch cầu đo thủy phần
Mạch cầu đo thủy phần được thiết kế dựa trên nguyên lý cầu Sauty, gồm 4 nhánh trong đó 2 nhánh là điện trở, 2 nhánh là tụ trụ (hình 3.21)
R1, R2 là các điện trở thuần, R3 là biến trở dùng để cân bằng cầu. C1 là tụ điện trụ đối xứng với C2 là tụ điện trụ làm cảm biến đo. Tín hiệu hình sin được đưa vào hai điểm 1 và 2. Tín hiệu ra của cầu trên các điểm 3 và 4 được đưa vào khối khuếch đại vi sai và chỉ thị đo. Cầu Sauty cho phép loại trừ mức điện áp một chiều và khuếch đại mạnh tín hiệu khi cầu bị lệch khỏi vị trí cân bằng do thủy phần nông sản chứa trong tụ C2. Có thể sử dụng C1 làm cảm biến, tụ C2 là tụ đối xứng trên nhánh cầu.
+ -
R R R
R R
+ - R
R
R
LM3 LM3
2 1 3 5
6 7
C C C
C 2
3
4
Hình 3.21. Mạch cầu Sauty
f. Mạch khuếch đại vi sai
Hình 3.22. Mạch khuếch đại vi sai Kết quả thực nghiệm trên hệ đo dùng cầu Sauty:
+ Bố trí mạch
Trên mạch cầu (hình 3.21), C1 và C2 là hai tụ trụ do chúng tôi chế tạo để làm cảm biến đo thủy phần. Tụ C1 là tụ lớn, tụ C2 là tụ nhỏ. Ở đây, tụ C1 được dùng để
R1
R2
R3
C1
C2 1
2
3 4
2 1 in3
+5 C3
10à
4.7k R1 1
4.7k R12
3 2
+
- RES
2 R1
5 ADC3
C13 CAP U2
A
LM32 4
1
C17 103
VR4 C16 103
VR_KE P
C20 10à C21 R17 10à
RES 1
R16 RES
1 +5
1
xác định thủy phần nông sản còn tụ C2 có tác dụng cân bằng trong mạch cầu. Các điện trở R1, R2 được mắc có giá trị được chọn như sau : R1 =R2 =33KΩ
+ Chọn tần số tối ưu
Chúng tôi đã khảo sát điện thế lối ra (Vout hoặc Vra) của cầu với nguồn nuôi cầu có tần số khác nhau trong trường hợp cảm biến C1có và không chứa nông sản.
Vout (mV) Tần số
Không chứa mẫu Có mẫu
2,1 MHz 30,2 57,7
210 KHz 31,5 87,2
21 KHz 26,2 37,9
Kết quả thu được cho thấy, sử dụng nguồn nuôi cần có tần số f = 210 KHz sẽ cho tín hiệu lối ra nhạy nhất với biến đổi điện dung C1 do vai trò của nông sản chứa trong tụ gây ra.
+ Khảo sát tín hiệu ra của cảm biến theo lượng nông sản chứa trong tụ
Theo nhận xét từ phần thực nghiệm trước, điện dung C1 phụ thuộc vào hai thông số chính là lượng mẫu và thủy phần của mẫu. Các quan hệ C=C(L) khi H=const và C=C(H) khi V=const đều tuyến tính trong dải đo nhất định. Ở đây L là lượng mẫu chứa trong tụ.
Số liệu đo C=C(L) khi H=const đối với mẫu gạo Tám Điện Biên như sau : Lượng mẫu L
(Tám Điện Biên) 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 8/8 V out (mV) 31,5 37,9 45,2 53,3 60,6 67,8 74,3 80 87,2
0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 8/8 30
40 50 60 70 80 90
V ra (mV)
L−ợng mẫu (L) V ra = f (V)
y = 7,03 x + 24, 60556 R = 0,99927, ∆y = 0,78633
Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và lượng mẫu L + Khảo sát tín hiệu lối ra cầu (V out) theo thủy phần nông sản H
Phép đo được thực hiện với mẫu nông sản là gạo Bắc Thơm theo quan hệ : ( )
Vout = f H (khi mẫu chứa đầy trong cảm biến C1).
Số liệu đo đồng thời được ghi trên máy đo thủy phần Riceter của hãng Kett (Nhật Bản)
H(%) trên máy Kett 17,5 15,7 15 14,4 14,1 13,6 12,5 12,1 V out cầu đo 97,4 87,5 84,2 83,4 79,9 77,3 75,4 73,8
Lượng mẫu L
12 13 14 15 16 17 18 70
75 80 85 90 95 100
V ra = f ( H )
y =4,32867 x + 20,19193 R = 0,98558; ∆y =1,39941
V ra (mv )
Thủy phần ( % )
Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và H
Nhận xét : Kết quả thu được trên cầu đo thủy phần nông sản dùng nguyên lý điện dung thể hiện hiệu ứng phát hiện thủy phần chứa trong nông sản rõ rệt. Kết quả này khẳng định khả năng chế tạo thiết bị đo thủy phần nông sản.
Do thời gian có hạn, luận văn chưa có đủ điều kiện nghiên cứu, thu thập nhiều số liệu đo với các mẫu nông sản khác nhau cũng như quá trình hoàn thiện mạch điện tử và lập bảng hiệu chỉnh số liệu cho từng loại nông phNm.
Hy vọng công việc đó sẽ được hoàn thiện trong giai đoạn tới để thiết bị có thể đem ra ứng dụng thực tế.
Thủy phần (H %)