Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ đồng phẳng là một loại cảm biến thụ động hoạt động như một trở kháng.
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ƍ, độ từ thẩm µ, hằng số điện môi ɛ). Tác động của đại lượng đo có ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến.
Trong các cảm biến có các phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử chuyển động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng.
Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng cần đo (lực hoặc đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan tới đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo.
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất của tính chất vật liệu làm trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, áp suất, hằng số điện môi, từ trường,…). Để chế tạo cảm biến người ta chọn sao cho tính chất điện của cảm biến chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.
3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lƣợc
Cấu trúc cảm biến được nghiên cứu, tính toán và chế tạo trong đề tài cũng có cấu trúc dạng lược kiểu đan ngón tay. Được chế tạo bằng đồng gắn trên đế là bản mạch bằng nhựa phíp cách điện kích thước (800 x40 mm) . Mỗi lược có 4 răng hình chữ nhật đan vào nhau. Khoảng cách của các răng lược trên 2 bản cực là 0.15 mm. Cảm biến được gắn trực tiếp vào mạch điện tử đo dùng nguồn nuôi DC 9 vol; chân cổng ra được nối tới bộ dao động ký để khảo sát, phân tích dạng sóng khi cho dung dịch chất
lỏng dầu- nước chảy qua ống nhựa được đặt trên bề mặt của hai bản cực của cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược.
3.2.2 Phác họa thiết kế
Cảm biến tụ điện dự định chế tạo sẽ có 4 răng lược đặt đan xen như kiểu đan ngón tay vào nhau tạo nên hai tụ diện kiểu luợc có cấu trúc giống nhau. Khoảng cách chiều ngang giữu các bản cực được chế tạo là 1.5mm.
Hình 3. 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược và kênh dẫn
3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo
Chúng ta đã biết khuếch đại vi sai là khuếch đại mà tín hiệu ra không tỷ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào. Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số nhỏ (tới vài chục Hz), còn gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều. Trong cấu trúc của cảm biến điện dung chế tạo giá trị điện dung trên của tụ trên kênh cảm biến sẽ được so sánh với giá trị điện dung tụ còn lại trên kênh tham chiếu ( Reference Chanel).
IC AD 620 là loại IC khuếch đại thuật toán có dải khuếch đại rộng (1-10000), chỉ cần 01 điện trở ngoài, tiêu thụ năng lượng thấp dòng tối đa cỡ 13 mA và giá thành rẻ. Có độ tin cậy cao 40 ppm, bù điện áp thấp cỡ 50 µV, độ bù trôi nhỏ 0.6 µV/0C, thời gian đáp ứng cỡ 15 µs vì vậy rất thích hợp sử dụng với thu thập dữ liệu chính xác và MEMS y sinh điện tim, điện tâm đồ, đo huyết áp...
Chính vì các lý do đó mà IC AD620 được lựa chọn để chế tạo mạch điện tử của cảm biến.
Hình 3. 2Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược đan xen đã được chế tạo thành công.
3.3 Thiết kế kênh dẫn:
Dòng chảy được sử dụng hệ thống xi lanh - pit tông y tế để bơm chất lỏng dầu - nước qua ống dẫn đặt trên điện cực của tụ. Ống dẫn làm bằng nhựa dẻo đường kính ống là Ø 0.3 mm. Dầu sử dụng là loại dầu làm mát động cơ.
3.4 Thiết kế mạch điện tử:
Toàn bộ mạch điện tử sẽ hoạt đông theo nguyên tắc. Tín hiệu được đưa cùng vào hai tụ điện.Nếu tín điện dung trên trên hai cảm biến là giống nhau ∆C= C1 – C2 = 0 (không có sự biến thiên điện dung) thì tại tín ở lối ra= 0; Tín hiệu trên kênh cảm biến và kênh tham chiếu được so sánh về biên độ tại cùng một thời điểm vì thế pha giữa hai kênh không ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra của cảm biến.
Nếu tín hiệu xuất hiện trên hai cảm biến là khác nhau về biên độ, ∆C= C1 – C2
≠ 0 Bộ khuếch đaị vi sai sẽ khuếch đại tín hiệu và đưa ra lối ra.
Hình 3. 4Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến
Mạch RC lấy tín hiệu trên tụ C nên là mạch lọc thông thấp (mạch tích phân), mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu lối vào .
Tần số cắt: fc= 1
2𝛱𝑅𝐶 (3.1)
tại tần số cắt điện áp ra có biên độ V0 = 𝑉𝑖
2 (3.2) Tín hiệu lối vào Vin(t) = Vr(t) + Vc (t) (3.3) Điều kiện là f(i) >> fc= 1
2𝛱𝑅𝐶 (3.4) Suy ra : R >> Zc = 1
2𝛱𝑓𝑖.𝐶 (3.5) Và do vậy VR(t) ) >> Vc(t) suy ra: i(t)=𝑉𝑖(𝑡) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
𝑅 ( Điện áp ra V0(t)= Vc(t)= 1 𝐶 𝑖 𝑡 𝑑𝑡 = 1 𝐶 𝑉𝑖(𝑡) 𝑅 𝑑𝑡= 1 𝑅𝐶 𝑉𝑖 𝑡 𝑑𝑡
Như vậy điện áp lối ra V0(t) của mạch lọc thông thấp (mạch tích phân RC) tỷ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào 𝑉𝑖 𝑡 với hằng số tỷ lệ K=1
𝑅𝐶 ;Khi tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc.
Với mạch thiết kế trong luận văn là mạch tạo tín hiệu hình sin dạng Vi(t)= Vm.sin(𝝎t) được đưa vào tụ cảm biến (1) và tụ cảm biến (2)
Thì điện áp lối ra của mạch RC là: V0(t)=1 𝑅𝐶 𝑉𝑖 𝑡 𝑑𝑡=1 𝑅𝐶 𝑉𝑚.𝑆𝑖𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝑡 V0(t) = − 𝑉𝑚 𝜔𝑅𝐶 𝐶𝑜𝑠(𝜔𝑡)= 𝑉𝑚 𝜔𝑅𝐶 𝑆𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 𝛱 2) Theo công thức thì điện áp lối ra sẽ bị trễ pha 𝛱
2 hay 900 so với tín hiệu lối vào và biên độ giảm xuống với hệ số: 1
𝜔𝑅𝐶
Một mạch điện tương tự sẽ tín hiệu điện áp lối ra sớm pha 900 so với tín hiệu lối vào. Như vậy bài toán thiết kế chế tạo mạch theo sơ đồ nguyên lý như hình 3.6, và
hình 3.7bên dưới đã được giải.
Do trên mạch sử dụng nguồn đối xứng cho các khuếch đại thuật toán và bộ khuếch đại vi sai nên bộ nguồn thiết kế để chuyển đổi DC 12V sang +9 và -9V. (hình 3.5) và bộ ICL7660 là IC chuyển đổi từ +9V sang -9V.[9]
Hình 3. 5Mạch nguồn của cảm biến
Mạch phát tín hiệu sine
Hình 3. 6Mạch phát xung hình sin
Tần sốđược tính toán theo công thức:
F= 1 2𝛱𝑅𝐶
Chọn các giá trị của mạch với:
R=R1=R2; C=C1=C2 và R3=22 KΩ ; R4=10 KΩ và giá trị K =3 Tính được: F= 15,9 KHz với R= 10 KΩ và C = 1nF
Hình 3. 7Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp
Hình 3.7 là sơ đồ mạch đo điện dung, cảm biến Csen1 và Csen2 đưa tín hiệu sin vào mạch khuếch đại, khi Csen1 và Csen2 thay đổi thì Zcsen1 và Zcsen2 thay đổi và tín hiệu đuợc khuếch đại một nửa chu kỳ bởi khuếch đại thuật toán nguồn đơn MC34074. Tín hiệu đo đuợc cho qua mạch lọc thông thấp bởi Rf1,Rf2, Cf1, và Cf2. Rf1=Rf2= 10KOhm, Cf1=Cf2= 0.1 uF.
Hình 3. 8Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
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
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
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