BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN ĐẮC HẢI

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN

CHO ỨNG DỤNG CẢM NHẬN THAY ĐỔI MÔI TRƢỜNG

TRONG KÊNH DẪN

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 62.52.02.03

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH

2. TS. NGUYỄN NGỌC MINH

HÀ NỘI, 2016

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan dưới đây là luận án tốt nghiệp của riêng tôi, dưới sự hướng

dẫn của PGS.TS. Chử Đức Trình, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia

Hà Nội và TS. Nguyễn Ngọc Minh, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.

Tất cả những kết quả và số liệu trong luận án này là trung thực và có được từ những

nghiên cứu mà tôi và nhóm nghiên cứu của tôi đã thực hiện trong quá trình làm luận

án.

Hà Nội, tháng 11 năm 2016

Tác giả luận án

Nguyễn Đắc Hải

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án tốt nghiệp, tôi đã

nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi muốn bày tỏ sự

cảm ơn sâu sắc của mình tới tất cả trong quyển luận án này.

Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến hai thầy PGS.TS. Chử Đức Trình và

thầy TS. Nguyễn Ngọc Minh đã hướng dẫn tận tình tôi trong suốt quá trình nghiên

cứu và hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Vũ Quốc Tuấn, Viện Vật lý ứng dụng và thiết

bị khoa học, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và ThS. Phạm Quốc

Thịnh, Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Thái Nguyên

đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện các nghiên cứu này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên Khoa Kỹ thuật Điện tử 1,

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ

thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia

Hà Nội tạo điều kiện cho tôi và nhóm nghiên cứu tiến hành các thực nghiệm.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên trong Học viện Công nghệ

Bưu chính Viễn thông và Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã

giúp đỡ tôi trong khoảng thời gian nghiên cứu, đem đến cho tôi cảm hứng để theo

đuổi con đường nghiên cứu khoa học.

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn b đã đóng góp giúp tôi

hoàn thành luận án.

Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Gia đình của tôi, những

người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn

thành tốt luận án này.

Hà Nội, tháng 11 năm 2016

Tác giả luận án

Nguyễn Đắc Hải

iv

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1

Chương 1 .............................................................................................................. 4

TỔNG QUAN ....................................................................................................... 4

1.1. Kênh dẫn và loại vật thể chuyển động trong kênh dẫn ........................... 4

1.1.1. Kênh dẫn .......................................................................................... 4

1.1.2. Các vật thể chuyển động trong kênh dẫn ......................................... 5

1.2. Nhận biết vật thể trong kênh dẫn ............................................................ 6

1.2.1. Sự cần thiết phải nhận biết vật thể trong kênh dẫn .......................... 6

1.2.2. Khảo sát nghiên cứu ......................................................................... 8

1.3. Cấu trúc của luận án .............................................................................. 18

Chương 2 ............................................................................................................ 19

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN ..... 19

2.1. Cảm biến điện dung ................................................................................. 19

2.1.1. Điện dung ......................................................................................... 19

2.1.2. Điện trường ....................................................................................... 21

2.1.3. Tính điện dung .................................................................................. 22

2.1.4. Ảnh hưởng của khoảng trống giữa hai cực đến điện dung ............... 26

2.1.5. Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung ......................... 27

2.1.6. Mô hình điện của cảm biến điện dung.............................................. 28

2.1.7. Mạch điện cơ bản đo điện dung ........................................................ 29

2.2. Thiết kế cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện ................................................. 31

2.2.1. Thiết kế cấu trúc cảm biến ................................................................ 31

2.2.2. Tính toán và thiết kế mạch điện ....................................................... 39

2.3. Mô phỏng ................................................................................................. 56

2.3.1. Phần mềm mô phỏng ........................................................................ 56

v

2.3.2. Mô phỏng .......................................................................................... 59

2.4. Kết luận .................................................................................................... 83

Chương 3 ............................................................................................................ 86

CHẾ TẠO CẢM BIẾN, THIẾT LẬP HỆ ĐO ................................................... 86

3.1. Chế tạo cảm biến ..................................................................................... 86

3.1.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến ........................................................................... 86

3.1.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến................................................................................... 87

3.1.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến................................................................................... 88

3.2. Thiết bị sử dụng trong hệ đo .................................................................... 89

3.2.1. Xi lanh panme ................................................................................... 89

3.2.2. Bộ thu thập dữ liệu NI ...................................................................... 90

3.2.3. Thiết kế vỏ hộp ................................................................................. 90

3.2.4. Phần mềm LabVIEW ....................................................................... 92

3.3. Thiết lập hệ đo ......................................................................................... 92

3.3.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến ........................................................................... 92

3.3.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến................................................................................... 93

3.3.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến................................................................................... 94

3.4. Kết luận .................................................................................................... 96

Chương 4 ............................................................................................................ 97

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 97

4.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống cảm biến ....................................................................................... 97

vi

4.1.1. Một bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn ........................................ 97

4.1.2. Nhiều bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu ..................................... 101

4.1.3. Giọt chất lỏng qua cảm biến kênh không khí ................................. 105

4.1.4. Thảo luận ........................................................................................ 107

4.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến .................................................................................................... 107

4.2.1. Bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn máu ..................................... 107

4.2.2. Giọt nước đi qua cảm biến kênh dầu biến thế ................................ 112

4.2.3. Hạt kim loại đi qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ ........ 114

4.2.4. Hạt hữu cơ đi qua cảm biến kênh dẫn dầu biến thế ........................ 117

4.2.5. Bọt khí đi qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ ................ 119

4.2.6. Thảo luận ........................................................................................ 122

4.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến ..................................................................................... 123

4.3.1. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn lỏng không

dẫn điện ........................................................................................................... 123

4.3.2. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn chất lỏng dẫn

điện .................................................................................................................. 128

4.3.3. Thảo luận ........................................................................................ 133

4.4. Kết luận .................................................................................................. 133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 139

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC Alternating Current Dòng xoay chiều

ASIC Application Specific Integrated

Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

CMOS Complementary Metal Oxide

Semiconductor

Công nghệ CMOS

DC Direct Current Dòng một chiều

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

IC Integrated Circuit Mạch tích hợp

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

MEMS Micro Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử

PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

C4D Capacitively Coupled Contactless

Conductivity Detection

Cảm biến độ dẫn cặp tụ

không tiếp xúc

DC4D Differential Capacitively Coupled

Contactless Conductivity Detection

Cảm biến độ dẫn cặp tụ

không tiếp xúc vi sai

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU

Bảng 2.1. Thông số cảm biến điện dung chất lỏng. 35

Bảng 2.2. kích thước hình học của cảm biến được thiết kế 37

Bảng 2.3. kích thước hình học chính của cảm biến được thiết kế 39

Bảng 2.4. Kích thước của thiết kế tụ điện cảm ứng 60

Bảng 2.5. Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng 61

Bảng 2.6. Điện dung của cảm biến thay đổi khi thể tích của bọt khí thay đổi 65

Bảng 2.7. kích thước hình học của cảm biến được thiết kế 68

Bảng 2.8 Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng 70

Bảng 2.9. Kích thước hình học của cảm biến được thiết kế 77

Bảng 2.10. Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng 77

Bảng 3.1. Kích thước cảm biến điện dung. 86

Bảng 3.2. Kích thước của cảm biến 87

Bảng 3.3. Các kích thước hình học của cảm biến 88

Bảng 4.1. Thể tích của bọt khí tương ứng với biên độ và điện dung của cảm

biến.

98

Bảng 4.2. Các thông số của cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận

kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến

107

Bảng 4.3. Biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến tương ứng với thể tích

của các bọt khí

110

Bảng 4.4. Thể tích của giọt nước tương ứng với các thông số biên độ 113

Bảng 4.5. Thể tích của hạt thiếc tương ứng với điện áp đầu ra và thay đổi

điện dung của cảm biến

115

Bảng 4.6. Thể tích của mẩu rau tương ứng với điện áp đầu ra của mạch cảm 118

ix

biến

Bảng 4.7. Thể tích của bọt khí tương ứng với điện áp đầu ra và điện dung

thay đổi

119

Bảng 4.8. Các thông số của cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song

song với mặt phẳng hệ thống cảm biến

122

Bảng 4.9. Điện áp và điện dung đầu ra thay đổi tương ứng với thể tích hạt

thiếc trong kênh dầu biến thế

126

Bảng 4.10. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt

trong dung dịch muối và nước

129

Bảng 4.11. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt trong các

nồng độ khác nhau của dung dịch muối

130

Bảng 4.12. Các thông số của cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận

kênh dẫn lỏng không dẫn điện

134

x

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Kênh dẫn chất lỏng sử dụng trong lĩnh vực y tế và công nghiệp 7

Hình 1.2. Hình ảnh mô tả cảm biến áp điện trở của đầu vòi phun của máy

in phun

9

Hình 1.3. Cấu trúc cảm biến mô phỏng cho thấy sự phân bố của ứng suất

cơ học theo hướng x theo tải áp suất trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi

phun

10

Hình 1.4. Sử dụng siêu âm để giám sát chất lượng dầu và xuất hiện bọt khí

trong dầu

11

Hình 1.5. Cảm biến sử dụng tế bào quang điện 12

Hình 1.6. Sử dụng cảm biến tự cảm phát hiện mạt kim loại trong chất lỏng 12

Hình 1.7. Sơ đồ của hệ thống cảm biến đồng phẳng. 13

Hình 1.8. (a) Sơ đồ và (b) hình ảnh kính hiển vi quang học của cảm biến

giọt.

13

Hình 1.9. a)Vòi phun giọt chất lỏng được thiết kế bên ngoài cảm biến; b)

Hình ảnh thực nghiệm

14

Hình 1.10. a) Sơ đồ của cảm biến có tấm che; b) Sơ đồ điện tương đương 17

Hình 1.11. a) Cảm biến dùng cuộn cảm; b) Sơ đồ điện tương đương 18

Hình 2.1. Điện dung giữa các điện cực 20

Hình 2.2. (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực 20

Hình 2.3. Điện trường cho bản tụ song song 21

Hình 2.4. Một tụ điện phẳng, các tấm điện cực song song 22

Hình 2.5. Tụ có 2 cực là trụ đồng tâm 23

Hình 2.6. a)Tụ có 2 cực là trụ song song; b) Tụ có 2 cực trụ song song cách

xa so với đường kính trụ

24

xi

Hình 2.7. Tụ điện có hai bản cực đồng phẳng 25

Hình 2.8. Tụ điện hai bản cực đồng phẳng có tấm che 25

Hình 2.9. Khoảng trống giữa các điện cực nhỏ 26

Hình 2.10. Phụ thuộc δ vào s 27

Hình 2.11. Điện dung dựa trên cảm biến điện môi 27

Hình 2.12. Mô hình của cảm biến điện dung 28

Hình 2.13. Sử dụng một mạch khuếch đại điện trở truyền (Transimpedance

amplifier) xác định dòng qua tụ điện có sử dụng tụ điện phản hồi

29

Hình 2.14. Đo lường điện áp ra của một tụ điện vi sai 30

Hình 2.15. Thiết kế các cảm biến kênh lỏng, có hai kênh dẫn lỏng tương

ứng với kênh cảm biến và kênh tham chiếu

31

Hình 2.16. (a) Cảm biến điện dung với kênh dẫn chất lỏng và hạt bên trong

kênh dẫn, (b) Mạch tương đương.

33

Hình 2.17. (a) Mặt cắt ngang của bộ cảm biến điện dung; và (b) một mạch

tương đương đơn giản.

33

Hình 2.18. Mô tả cấu trúc của cảm biến điện dung chế tạo trên PCB 35

Hình 2.19. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh

dẫn

36

Hình 2.20. Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước

hình học của nó

36

Hình 2.21. Cảm biến tụ điện có 3 cực chữ U ôm sát kênh dẫn 38

Hình 2.22. a) Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích

thước hình học của nó và b) mạch điện tương đương.

38

Hình 2.23. Sơ đồ của hệ thống khuếch đại lock-in 40

Hình 2.24. Thiết kế sơ đồ mạch điện 41

xii

Hình 2.25. Sơ đồ mạch tín hiệu của cảm biến điện dung 43

Hình 2.26. Mạch phát xung sine 43

Hình 2.27. Bộ khuếch đại điện tích 44

Hình 2.28. Mạch điện nguyên lý của hệ thống cảm biến. 44

Hình 2.29. Mạch điện tương đương của cảm biến 46

Hình 2.30. Thiết kế của một cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ

không tiếp xúc cơ bản (C4D đơn)

48

Hình 2.31. a) Cảm biến điện dung hình chữ U dựa trên cấu trúc ba điện cực

và b) mạch điện tương đương

51

Hình 2.32. Sơ đồ khối thiết kế bộ cảm biến kênh chất lỏng DC4D. 52

Hình 2.33. Mạch điện của hệ thống cảm biến DC4D 52

Hình 2.34. Mạch điện tương đương của cảm biến với kênh chất lỏng không

dẫn

53

Hình 2.35. Mạch điện tương đương của cảm biến với kênh chất lỏng dẫn

điện

55

Hình 2.36. Mô hình của cảm biến 59

Hình 2.37. Bọt khí trong dầu cùng với cảm biến tụ điện hình cung tròn 60

Hình 2.38. Thiết lập thông số cho cảm biến tụ 61

Hình 2.39: Mô hình cảm biến và lưới mesh. 62

Hình 2.40. Một số hình chia lưới mô phỏng hệ thống cảm biến 62

Hình 2.41. Phân bổ điện trường bên trong cảm biến điện dung. 63

Hình 2.42. Điện dung của cảm biến tương ứng với các vị trí của bọt khí 64

Hình 2.43. Điện dung thay đổi lớn nhất của cảm biến phụ thuộc vào thể 65

xiii

tích của bọt khí

Hình 2.44. Bọt khí ở các vị trí khác nhau bên trong cảm biến điện dung 66

Hình 2.45. Điện dung thay đổi tương ứng với vị trí của các bọt khí 67

Hình 2.46. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh

dẫn

69

Hình 2.47. Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước

hình học của nó

69

Hình 2.48. Mô phỏng điện trường khi bọt khí bên trong cảm biến với kênh

dầu bôi trơn

72

Hình 2.49. Mô phỏng phân bố điện trường với hạt thiếc trong kênh dầu bôi

trơn

73

Hình 2.50. Điện dung thay đổi khi hạt thiếc và bọt khí đi qua cảm biến

kênh dẫn dầu

74

Hình 2.51. Điện dung thay đổi tương ứng với thể tích của hạt thiếc trong

kênh dẫn dầu

74

Hình 2.52. Cảm biến tụ điện DC4D 75

Hình 2.53. a) Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích

thước hình học của nó và b) mạch điện tương đương

76

Hình 2.54. Mô phỏng điện trường khi một hạt nhựa bên trong các kênh

nước sạch.

79

Hình 2.55. Mô phỏng điện trường khi một hạt thiếc bên trong kênh dầu

máy

79

Hình 2.56. Điện dung thay đổi so với vị trí hạt bên trong cảm biến C4D 80

Hình 2.57. Điện dung của cảm biến C4D thay đổi tuyến tính với thể tích

của hạt thiếc bên trong kênh dầu

81

Hình 2.58. Mạch tương đương của cảm biến cho kênh chất lỏng dẫn điện. 82

xiv

Hình 2.59. Mạch điện tương đương của cảm biến 82

Hình 3.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc

với mặt phẳng hệ thống được chế tạo bằng công nghệ PCB

86

Hình 3.2. Hệ thống cảm biến ba điện cực cung tròn. 87

Hình 3.3. Cảm biến 3 điện cực thẳng kênh song song với mặt phẳng hệ

thống.

88

Hình 3.4. Hệ thống cảm biến 3 điện cực hình chữ U kênh song song với

mặt phẳng hệ thống

89

Hình 3.5. Bơm tạo bọt khí và giọt nước vào kênh dẫn 89

Hình 3.6. Bộ thu thập dữ liệu NI 90

Hình 3.7. Thiết kế vỏ hộp cho hệ thống cảm biến. 91

Hình 3.8. Hệ thống cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh

vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến

92

Hình 3.9. Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến ba điện cực thẳng cảm

nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến

94

Hình 3.10. Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến ba cực hình chữ U. 95

Hình 4.1. Tín hiệu khi bọt khí di chuyển qua cảm biến điện dung 97

Hình 4.2. Sáu bọt khí với thể tích khác nhau được phát hiện và thể hiện giá

trị điện áp đầu ra của cảm biến tỷ lệ tương ứng với thể tích của bọt khí

98

Hình 4.3. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi tương ứng với thể

tích của bọt khí

99

Hình 4.4. Thay đổi điện dung tương ứng với thể tích của bọt khí 99

Hình 4.5. Tín hiệu thu được từ cảm biến khi có một bọt khí xuất hiện trong

kênh lỏng đi qua cảm biến

100

Hình 4.6. Phát hiện các bọt khí có thể tích không bằng nhau trong dầu 102

Hình 4.7. Phát hiện ba bọt khí có thể tích gần bằng nhau trong dầu 103

Hình 4.8. Điện dung thay đổi theo thể tích bọt khí 104

xv

Hình 4.9. Ống truyền dịch được luồn qua hai tụ điện Cx và Cr 105

Hình 4.10. Tín hiệu giọt chất lỏng qua tụ Cx rồi tới tụ Cr 106

Hình 4.11. Hệ thống cảm biến 108

Hình 4.12. Tín hiệu đầu ra của mạch cảm biến khi có bọt khí thể tích 27.75

mm3 dịch chuyển qua cảm biến

109

Hình 4.13. Bọt có thể tích khác nhau qua cảm biến 109

Hình 4.14. Sự phụ thuộc của biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến đối

với thể tích bọt khí

110

Hình 4.15. Tín hiệu đầu ra mạch cảm biến thay đổi khi bọt khí di chuyển

qua cảm biến trong kênh dẫn

111

Hình 4.16. Một giọt nước trong kênh dẫn dầu biến thế 112

Hình 4.17. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể tích

của giọt nước

113

Hình 4.18. Hạt thiếc trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ 114

Hình 4.19. Điện dung thay đổi khi hạt thiếc có thể tích 2,14 mm3 di chuyển

qua cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ

115

Hình 4.20. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể tích

của hạt thiếc

116

Hình 4.21. Điện dung đầu ra của cảm biến thay đổi theo thể tích hạt thiếc

đi qua cảm biến

116

Hình 4.22. Mẩu rau trong kênh dẫn dầu biến thế 117

Hình 4.23. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể tích

của mẩu rau

118

Hình 4.24. Điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi khi có bọt khí di

chuyển qua cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ

120

Hình 4.25. Điện dung thay đổi khi bọt khí có thể tích là 5.57 mm3

di

chuyển qua cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ

120

xvi

Hình 4.26. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể tích

của bọt khí 121

Hình 4.27. Điện dung đầu ra của cảm biến thay đổi theo thể tích bọt khí 121

Hình 4.28. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D khi một hạt đi qua các điện

cực trong kênh dầu biến thế

124

Hình 4.29. Sự thay đổi điện dung của hệ thống cảm biến DC4D khi một hạt

đi qua các điện cực trong kênh dầu biến thế

125

Hình 4.30. Đầu ra của cảm biến DC4D thay đổi tương ứng với thể tích hạt

thiếc trong kênh dầu biến thế

127

Hình 4.31. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D khi một hạt nhựa đi qua các

điện cực

128

Hình 4.32. Sự thay đổi điện dẫn khi một hạt nhựa đi qua các điện cực của

cảm biến DC4D

129

Hình 4.33. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt

trong dung dịch muối và nước

130

Hình 4.34. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D tương ứng với các thể tích

hạt trong các nồng độ khác nhau của dung dịch muối

131

Hình 4.35. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D tương ứng với điện trở suất

của kênh lỏng dẫn điện.

132

Hình 4.36. Tính toán vận tốc của hạt bên trong kênh chất lỏng 132

1

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Các hệ thống kênh dẫn chất lỏng ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế

công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khai khoáng. Việc cảm nhận phát hiện các tạp

chất xuất hiện trong các kênh dẫn và có chiến lược loại bỏ các tạp chất này là có

yêu cầu trong thực tiễn xã hội. Dầu thô được hút trực tiếp từ các mỏ dầu thường bao

gồm các thành phần đầu thô, nước muối biển, bùn đất. Việc cảm biến và phân tích

được thành phần của dầu thô rất quan trọng trong các hệ thống khai thác thực tế.

Hệ thống tuần hoàn trong cơ thể động vật đóng vai trò như những hệ thống giao

thông vận chuyển các tế bào máu, các chất dinh dưỡng, không khí đến các bộ phận

trong cơ thể sống. Giám sát được quá trình vận hành của các hệ thống mạch máu

trong cơ thể sống thông qua cảm nhận, phát hiện, đếm và bắt được các tế bào sống

đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xét nghiệm y sinh học. Các hệ thống này có

thể ứng dụng để phát hiện các trường hợp bệnh như hẹp động mạch do mỡ máu, tắc

mạch máu do máu đông hoặc các hệ thống phân tích tế bào.

Để cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn, nhiều nhóm nghiên cứu đã sử

dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như siêu âm, quang điện, tự cảm, điện dung,..

Cảm biến kiểu tụ điện có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt động trong nhiều môi trường

khác nhau cũng như môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao hoặc trong

cơ thể sống. Cảm biến kiểu tụ điện chuyển đổi một sự thay đổi vị trí, khoảng cách,

hay chất điện môi thành một tín hiệu điện dung. Cảm biến kiểu tụ điện có thể phát

hiện ra sự thay đổi của một trong ba thông số của tụ điện như khoảng cách, diện tích

tấm điện cực hay hằng số điện môi.

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cảm biến kênh chất lỏng dựa trên

cảm biến kiểu tụ điện để cảm nhận được các thay đổi môi trường trong kênh dẫn

chất lỏng, đo thể tích, vận tốc và đặc tính của chất lỏng là một định nghiên cứu có

2

tính thực tiễn và khoa học. Đây là lý do tôi chọn đề tài cho luận án tiến sĩ là:

“Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi

môi trường trong kênh dẫn”.

Mục đích nghiên cứu:

Mục đích của luận án này là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến kiểu tụ

điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn với yêu cầu cụ thể

như sau:

- Cảm nhận được xuất hiện của một số hạt trong kênh dẫn như bọt khí, hạt kim

loại, hạt nhựa,…;

- Có thể xác định được một số thông số của hạt như thể tích, vận tốc, loại hạt

trong những điều kiện cụ thể cho trước;

- Hệ thống cảm biến có thể sử dụng cho kênh chất lỏng không dẫn điện và dẫn

điện;

- Các mạch điện được thiết kế để tăng cường đặc tính giảm thiểu ảnh hưởng

của các nhiễu chung do môi trường và nhiễu nguồn;

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:

Luận án đề cập và nghiên cứu các cấu trúc cảm biến kiểu tụ điện, kênh dẫn dầu,

kênh chất lỏng dẫn điện có kích thước cỡ milimét và tác nhân là bọt khí, mạt kim

loại, giọt nước có kích thước nhỏ đến 0,1 mm3.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:

Trong luận án này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến kiểu tụ điện và các kết

quả thu được được trình bày theo hướng ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường

trong kênh dẫn. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng

trong y sinh và ngành công nghiệp khác như theo dõi bọt khí trong mạch máu, phát

hiện vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ bọt khí, hạt kim loại và giọt nước trong

dầu máy động cơ, ...v.v.

3

Phƣơng pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết của cơ học chất rắn, chất lỏng cổ điển;

- Mô phỏng và tính toán để tối ưu các thông số thiết kế sử dụng phần mềm

Matlab, Comsol, và Ansoft Maxwell. Từ đó chế tạo cấu trúc cảm biến và

thiết kế mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu;

- Đo đạc và đánh giá hoạt động của hệ thống dựa trên các thiết bị điện tử được

trang bị trong phòng thí nghiệm, các hệ thống kính hiển vi và camera tốc độ

cao.

4

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1. Kênh dẫn và loại vật thể chuyển động trong kênh dẫn

1.1.1. Kênh dẫn

Trong tự nhiên cũng như khoa học công nghệ, kênh dẫn chất lỏng có vai trò rất

quan trọng và là thành phần cấu thành của hầu hết các cơ thể động thực vật khác

nhau. Hệ thống mạch máu trong cơ thể động vật là tổ hợp của nhiều kênh dẫn có

kích thước từ khoảng milimét đến vài chục micromét. Hệ thống mạch máu trong cơ

thể người là một trong những hệ thống kênh dẫn chất lỏng phức tạp nhất. Hệ thống

này cho phép vận chuyển các chất dinh dưỡng, ôxi, các chất thải, hệ thống an ninh,

v.v.. đến và đi mọi nơi trong cơ thể. Nghiên cứu và phát triển các hệ thống kênh dẫn

chất lỏng từ cơ bản đến phức tạp như hệ thống mạch máu để ứng dụng phát triển

sản phẩm khoa học công nghệ phục vụ thực tế đòi hỏi của đời sống là một định

hướng được nhiều nhà khoa học và nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm [1-3].

Hệ thống đường ống dẫn dầu được sử dụng để vận chuyển dầu trong các nhà

máy lọc dầu. Trong quá trình vận chuyển dầu bằng đường ống, tạp chất có thể xuất

hiện và trộn lẫn trong dầu. Một yêu cầu đặt ra là phải nhận biết sự xuất hiện của tạp

chất trong dầu để kịp thời xử lý. Nghiên cứu kênh dẫn chất lỏng là các sản phẩm

của dầu mỏ được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và quan tâm [4].

Hệ thống đường dẫn nhiên liệu, phun nhiên liệu trong các động cơ hiện đại luôn

cần phải được kiểm soát trong quá trình vận hành. Trong quá trình vận hành máy

móc đường dẫn nhiên liệu, phun nhiên liệu có thể xuất hiện một số tác nhân như

nước hay bọt khí gây tắc hay lỗi kim phun nhiên liệu. Các nhà khoa học đã và đang

nghiên cứu để phát hiện, kiểm soát tốt sự xuất hiện của các tác nhân này [5].

5

1.1.2. Các vật thể chuyển động trong kênh dẫn

a) Giọt chất lỏng, bọt khí

Dầu bôi trơn được chứa trong các can có thể bị nhiễm các giọt nước nhỏ do sự

ngưng tụ của các giọt nước trên thành can. Đồng thời nếu lốc máy của động cơ bị

nứt có thể bị thấm nước từ ngoài vào dầu bôi trơn. Trong quá trình máy móc vận

hành, nếu dầu bôi trơn trong lốc máy bị nhiễm các giọt nước nhỏ nó sẽ cuốn không

khí lẫn vào trong dầu.

Trong y tế, bọt khí có thể xuất hiện trong ống truyền máu hay ống truyền dịch

vào cơ thể bệnh nhân [6]. Thể tích của các bọt khí và tốc độ di chuyển của bọt khí là

yếu tố gây nguy hiểm cho tính mạng của bệnh nhân. Không khí di chuyển vào tĩnh

mạch có thể gây sốc hoặc ngừng tim bệnh nhân [7], [2]. Cụ thể, tiêm 2 hoặc 3 ml

không khí vào hệ thống tuần hoàn não có thể gây tử vong. Hơn nữa, khoảng 0,5 ml

không khí vào động mạch vành có thể gây rung thất [1].

b) Mạt kim loại và các vật thể khác

Các ổ trục, vòng bi trong các động cơ khi hoạt động có thể bị bào mòn và sinh

ra các mạt kim loại. Các mạt kim loại này sẽ hòa lẫn vào trong dầu bôi trơn. Các

mạt kim loại sẽ được tích tụ với hàm lượng tăng dần làm tăng sự bào mòn các chi

tiết trong lốc máy của động cơ. Vì vậy, việc phát hiện các mạt kim loại trong dầu

bôi trơn và nhắc nhở việc thay dầu mới cho động cơ kịp thời là rất cần thiết [8], [9].

Các hạt xâm nhập vào bên trong các bộ phận của máy biến áp thông qua dầu

cách điện dẫn đến thay đổi đáng kể khả năng cách điện của dầu, dễ gây nên những

hư hỏng nguy hại cho máy biến áp. Việc phải theo dõi, kiểm soát hàm lượng hạt đối

với dầu cách điện trong các máy biến áp có ý nghĩa với chất lượng vận hành của

máy biến áp. Hàm lượng hạt trong dầu cách điện có ảnh hưởng xấu tới tính chất

cách điện, sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào số lượng, kích thước hạt tạp chất. Số

lượng hạt tạp chất đánh giá mức độ nhiễm bẩn chung của dầu, số lượng hạt tạp chất

6

có thể dùng để đánh giá hiệu quả chất lượng của dầu mới trước khi đưa vào sử

dụng, cũng như chất lượng của quá trình đại tu lọc dầu [10], [11].

c) Các tế bào sống trong hệ thống mạch máu

Hồng cầu chiếm hơn 99% trong các thành phần hữu hình của máu. Hồng cầu

trưởng thành, lưu thông trong máu là các tế bào không có nhân. Ở người, trong điều

kiện tự nhiên, hồng cầu có hình đĩa hai mặt lõm, đường kính 7-8 μm, bề dày phần

ngoại vi 2-2,5 μm và phần trung tâm 1 μm, thể tích trung bình 90-95 μm3. Thành

phần chung của hồng cầu gồm: nước 63-67%, chất khô 33-37%.

Bạch cầu là những tế bào máu có khả năng vận động. Chúng giúp cơ thể chống

lại các tác nhân gây nhiễm khuẩn và nhiễm độc bằng quá trình thực bào hoặc bằng

quá trình miễn dịch. Số lượng bạch cầu thường ít hơn cả nghìn lần so với hồng cầu.

Lượng bạch cầu tăng trong các bệnh nhiễm khuẩn cấp tính hoặc mãn tính, sau khi

ăn hoặc đang mang thai. Lượng bạch cầu giảm trong trường hợp bị nhiễm độc,

nhiễm xạ, suy tủy hoặc tuổi già.

Tiểu cầu là những thể nhỏ, hình dáng không ổn định, không có nhân, đường

kính từ 2- 4 µm, số lượng 200.000 - 400.000/1 mm3 máu. Lượng tiểu cầu tăng khi

bữa ăn có nhiều thịt, lúc chảy máu và khi bị dị ứng. Lượng tiểu cầu giảm trong các

bệnh thiếu máu ác tính, ban xuất huyết, choáng, khi bị phóng xạ.... [12].

1.2. Nhận biết vật thể trong kênh dẫn

1.2.1. Sự cần thiết phải nhận biết vật thể trong kênh dẫn

Kênh dẫn chất lỏng được sử dụng ở nhiều lĩnh vực trong y tế và công nghiệp

như ống truyền dịch, ống dẫn trong lọc máu, ống dẫn dầu,… Hình 1.1 chỉ ra một số

ứng dụng của cảm biến phát hiện bọt khí trong thực tế công nghiệp và xã hội.

7

Bệnh

nhân

Đồng hồ áp lực tĩnh mạch

Phát hiện và loại bỏ

bọt khíỐng dẫn máu đã

lọc về cơ thể

Ống dẫn máu đến

hệ thống lọca)

Cảm biến

kiểu tụLoại bỏ

bọt khí

Bọt khí

Giọt nước

Dầu trong

kênh dẫn

b)

Hình 1.1. Kênh dẫn chất lỏng sử dụng trong lĩnh vực y tế và công nghiệp.

Trong thực tế, việc theo dõi xuất hiện các thay đổi trong kênh dẫn như sự xuất

hiện của bọt khí trong mạch máu, của giọt nước trong dầu,… là một yêu cầu bắt

buộc.

Việc kiểm soát thể tích, vận tốc giọt chất lỏng trong vòi phun mực cũng như

trong các ứng dụng khác như pha chế dung dịch, trong ống dẫn truyền dịch là rất

quan trọng. Trong vòi phun mực của các máy in phun nếu giọt mực được tạo ra có

kiểm soát tốt về vận tốc, thể tích thì chất lượng của tài liệu được in ra sẽ đẹp.

Nếu trong dầu bôi trơn có xuất hiện các giọt nước nhỏ, các giọt nước này sẽ gây

rỉ sét ăn mòn động cơ, tăng quá trình oxy hóa của dầu, có thể gây ra một số chất phụ

gia kết tủa. Nhiễm các giọt nước cũng làm tăng khả năng của dầu cuốn không khí,

do đó làm tăng sự tạo bọt không khí trong dầu [9], [13].

Trong các ứng dụng lọc hóa dầu công nghiệp, người ta cần phải phát hiện và

kiểm soát được các bọt không khí xuất hiện trong đường ống. Trong một giếng dầu,

sự xuất hiện của các bọt không khí có thể là chỉ báo sớm của túi khí gas tự nhiên

trong giếng dầu, từ đó người ta có thể đề phòng và ngăn chặn sự nguy hiểm từ túi

khí gas lớn này.

8

Bọt không khí cũng có thể xuất hiện trong các máy lọc thận. Thể tích và tốc độ

của bọt khí là yếu tố ảnh hưởng đến tính mạng của bệnh nhân [7], [2]. Bọt không

khí có thể được tạo ra khi tiêm truyền tĩnh mạch cho bệnh nhân. Vì vậy, việc phát

hiện các bọt không khí trong máu hoặc trong ống truyền dịch là điều cần thiết [6].

Nếu tiêm khoảng 2-3 ml không khí vào mạch máu tuần hoàn não có thể gây tử vong

[1]. Hơn nữa, chỉ cần bơm khoảng 0.5 ml không khí vào động mạch vành có thể gây

nguy hiểm đến tính mạng cho bệnh nhân [1]. Các kích thước bọt khí trong nghiên

cứu của các nhà khoa học trong tài liệu số [1] này là kết quả quan trọng cho việc

nghiên cứu sinh lựa chọn kích thước bọt khí cho nghiên cứu của luận án này. Như

vậy, theo dõi bọt khí ở trong dòng máu và truyền dịch hoặc lọc máu là cần thiết.

Nghiên cứu sự thay đổi môi trường trong kênh dẫn là bài toán cấp thiết đặt ra

đối với một số lĩnh vực trong y tế và công nghiệp.

1.2.2. Khảo sát nghiên cứu

Nghiên cứu sự thay đổi môi trường trong kênh dẫn lỏng là đề tài được nhiều

nhóm nghiên cứu quan tâm, ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã sử dụng các

phương pháp khác nhau. Tác nhân làm thay đổi môi trường trong kênh dẫn có thể là

bọt khí, giọt nước, mạt kim loại hay thậm chí tác nhân là chất hữu cơ.

Người ta đã sử dụng cảm biến áp điện trở để phát hiện sự thay đổi áp suất của

màng thành ống phun giọt chất lỏng để từ đó có thể giám sát và ước lượng giọt chất

lỏng được tạo ra [14].

Hình 1.2 là cấu trúc và nguyên tắc làm việc của một cảm biến áp trở. Thiết bị

truyền động áp điện gắn trên sườn của kênh phun tác động xung lực tạo ra một áp

suất chất lỏng tác động vào màng mỏng vòi phun. Các áp điện trở được gắn trên bề

mặt của màng, dọc theo miệng vòi phun có tác dụng phát hiện các biến dạng màng

gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tác động lên màng mỏng tại vòi phun.

9

Hình 1.2. Hình ảnh mô tả cảm biến áp điện trở của đầu vòi phun của máy in

phun [14].

Trong sự hình thành giọt, một xung áp lực được tạo ra bởi các thiết bị chấp hành

áp điện gắn trên các sườn của kênh phun và đi về phía vòi phun. Các cảm biến được

đặt ở phần vòi phun bao gồm một màng mỏng với một lỗ trong đó.

Bằng cách phát hiện biên độ và pha của áp suất tại vòi phun và so sánh chúng

với các tín hiệu chấp hành, thông tin cần thiết về trạng thái thể lỏng trong kênh chứa

mực có thể được trích xuất. Những thông tin này có thể được sử dụng để phát hiện

bất kỳ tắc nghẽn, bọt khí và hỏng hóc cơ khí nào xuất hiện bên trong đầu vòi phun.

Để xác định vị trí của các yếu tố áp điện trở hoạt động như một cảm biến cơ phát

hiện biến dạng màng mỏng của vòi phun, sự phân bố của ứng suất trên bề mặt của

vòi phun được nghiên cứu với các phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

Khi áp suất chất lỏng tác dụng lên mặt dưới của màng mỏng vòi phun, có hai vùng

chính xuất hiện ứng suất mạnh, như trong hình 1.3. Ở màng vòi phun, một ứng suất

nén cao có thể được phát hiện. Điều này cũng tương tự như trường hợp của một

cảm biến áp suất áp điện trở thông thường dựa trên biến dạng màng. Khu vực thứ

hai với ứng suất cao dọc theo lỗ vòi phun, nơi một ứng suất kéo có thể thu được.

10

Điều này là do sự kéo dài của chu vi lỗ do sự biến dạng của màng theo hướng ngoài

mặt phẳng.

Về mặt lý thuyết, cả hai khu vực ứng suất có thể được sử dụng cho cảm biến áp

điện trở. Tuy nhiên, các ứng suất nén nằm ở rìa của màng mỏng và vị trí này phụ

thuộc rất nhiều vào độ chính xác vị trí của khoang phía sau. Nhiều hiệu ứng diễn ra

trong suốt quá trình ăn mòn. Chẳng hạn, như hiệu ứng ăn mòn phía dưới lớp oxit và

sự lạc nhịp giữa các định hướng tinh thể, có thể tạo ra sự thay đổi bất ngờ của vị trí

và kích thước màng mỏng. Điều này gây khó khăn đối với sự liên kết của áp điện

trở với mép của màng mỏng.

Công đoạn chế tạo linh kiện này khá phức tạp, đòi hỏi phải có một hệ thống

trang thiết bị tiêu chuẩn cao trong chế tạo CMOS.

Hình 1.3. Cấu trúc cảm biến mô phỏng cho thấy sự phân bố của ứng suất cơ học

theo hướng x theo tải áp suất trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi phun [14].

11

Phát sóng

siêu âm

Thu sóng

siêu âm

Dầu máy

Hình 1.4. Sử dụng siêu âm để giám sát chất lượng dầu và sự xuất hiện bọt khí

trong dầu.

Để phát hiện ra sự xuất hiện các bọt không khí có kích thước nhỏ cỡ milimét có

lẫn trong dầu bôi trơn, người ta đã sử dụng siêu âm (hình 1.4) [5]. Người ta sử dụng

một đầu phát tín hiệu sóng siêu âm đặt bên này ống, còn một đầu thu sóng siêu âm

đặt ở phía đối diện bên kia thành ống dẫn dầu. Biên độ của sóng siêu âm sẽ thay đổi

tương ứng với sự xuất hiện các bọt khí trong ống dẫn dầu. Phương pháp này có chi

phí đầu tư chế tạo lớn và thường xuyên phải bảo dưỡng.

Để phát hiện bọt khí trong máu người ta đã dùng tế bào quang điện. Bọt không

khí được phát hiện bao gồm một nguồn ánh sáng chiếu qua ống dẫn truyền máu đến

một tế bào quang điện nằm ở phía đối diện, tế bào quang điện sẽ không phản ứng

nếu bị máu cản trở ánh sáng, ngược lại tế bào quang điện sẽ nhận được ánh sáng (có

phản ứng) khi có bọt khí xuất hiện trong máu (xem hình 1.5) [15].

Các thiết bị này nhạy cảm với các bọt không khí lớn (choán cả đường ống dẫn)

nhưng không nhạy cảm với các bọt khí nhỏ (không choán cả đường ống). Thiết bị

này có thể đo các bọt khí có thể tích cỡ 1ml (tức 1000 mm3) hoặc lớn hơn, với kích

thước này bọt khí được coi là lớn khi xuất hiện trong máu. Ngoài ra, ánh sáng môi

trường xung quanh là một nguồn nhiễu. Các nhiễu này có thể gây ra các báo động

sai.

12

Bọt khíNguồn phát

ánh sáng

Tế bào quang điện

nhận ánh sángMạch nhận

tín hiệu

Hình 1.5. Cảm biến sử dụng tế bào quang điện.

Ống phi kim loại

Dòng chất lỏng

Cuộn từ cảm

Hình 1.6. Sử dụng cảm biến tự cảm phát hiện mạt kim loại trong chất lỏng.

Thiết bị ánh sáng hồng ngoại sử dụng với tế bào quang điện có thể tăng thêm

độ nhạy để phát hiện bọt khí, nhưng vẫn chưa đủ nhạy để không gây ra cảnh báo

sai.

Một phương pháp khác để phát hiện bọt khí trong ống dẫn truyền máu là

phương pháp siêu âm. Phương pháp này thường phức tạp và độ chính xác thực sự

không cao [3].

Để phát hiện hạt kim loại, người ta đã sử dụng phương pháp cảm biến tự cảm

(hình 1.6), phương pháp này có độ nhạy thấp đối với mạt kim loại nhỏ.

Cảm biến điện dung có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt động trong nhiều môi

trường khác nhau cũng như môi trường khắc nghiệt. Do đó cảm biến điện dung

13

được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau [17], [18], pha chế dược

phẩm [19], trong kênh vi lỏng áp dụng cho kiểm tra sinh hóa, tổng hợp hạt và hóa

học phân tích [20], trong khoảng trống lưu lượng phần chất lỏng [21], [22], ngành

công nghiệp dầu khí [23], công nghệ in phun [24].

Cảm biến điện dung đồng phẳng được sử dụng để theo dõi, đo lường vận tốc

chuyển động và thể tích giọt nước trong kênh dẫn. Sơ đồ của hệ thống cảm biến

điện dung đồng phẳng phát hiện giọt nước trong kênh dẫn được mô tả trong hình

1.7.

Dầu vào

Dầu ra

Giọt nước

Kênh dẫn dầu

Điện cực

cảm biến

Đế thủy

tinh

Kênh dẫn

Nước vào

Điện cực cảm biến

C1

C2

Kích

thích

Giọt nước

a)

b)

c)

Hình 1.7. a) Sơ đồ của hệ thống cảm biến đồng phẳng. b) Sơ đồ phân bố điện

trường của cảm biến tụ, c) Sơ đồ giọt nước đi qua cảm biến [20].

A B C D E

a b

Hình 1.8. (a) Sơ đồ và (b) Hình ảnh kính hiển vi quang học của cảm biến giọt

[20].

14

Khi giọt nước đi vào kênh dẫn, nó đi qua các điện cực của cảm biến đồng phẳng

tạo ra sự thay đổi môi trường giữa các cực của cảm biến, từ đó tạo ra sự thay đổi về

điện dung. Khảo sát sự thay đổi của điện dung sẽ ước lượng được thể tích và vận

tốc giọt nước. Với phương pháp tụ điện đồng phẳng này, điện trường không tập

trung nhiều vào giọt nước. Như vậy, độ nhạy của phương pháp này không thật sự

cao.

Tín hiệu vào Tín hiệu ra

Vòi phun

Điện cực

Điện trường Giọt chất lỏng

Vòi phun

PCB

Giọt chất

lỏng

Cảm biến tụ

điện

a)

b)

Hình 1.9. a) Vòi phun giọt chất lỏng được thiết kế bên ngoài cảm biến; b) Hình

ảnh thực nghiệm [19].

15

Hình 1.9 là sơ đồ thiết kế hệ thống cảm biến nhận biết giọt chất lỏng được phun

ra từ vòi phun chất lỏng. Trong thiết kế này, vòi phun được đặt bên ngoài các điện

cực của cảm biến. Khi giọt chất lỏng được phun ra và bay không thẳng hướng, nó sẽ

va đập trực tiếp vào các bản cực cảm biến gây ra sự dính ướt chất lỏng vào cảm

biến. Nếu không thường xuyên vệ sinh bản cực của cảm biến, sai lệch trong đo

lường sẽ xuất hiện.

Các nghiên cứu về cảm biến điện dung này đã phát hiện được sự thay đổi môi

trường trong kênh dẫn lỏng. Nhưng trong các nghiên cứu đó, hệ thống rất phức tạp

và chi phí cao. Đồng thời, các mô hình này chưa loại bỏ triệt để được nhiễu sinh ra

khi đo đạc và mạch tín hiệu trong các mô hình chưa hoạt động ổn định.

Khi dung dịch trong kênh dẫn có độ dẫn điện tương đối cao, việc sử dụng cảm

biến điện dung để khảo sát là khó khăn. Hầu hết các kỹ thuật khảo sát độ dẫn điện

của dung dịch hay phát hiện tạp chất trong dung dịch có độ dẫn điện cao đều dựa

trên các kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực của máy đo với chất lỏng hay dung

dịch điện phân [25]. Ở phương pháp này, các hiệu ứng phân cực trong dung dịch và

sự ăn mòn điện hóa các điện cực là không thể tránh khỏi. Bên cạnh đó, sự bám két

vào các điện cực thường gây ra lỗi trong phép đo độ dẫn điện. Những nhược điểm

này hạn chế các ứng dụng thực tế của các kỹ thuật phát hiện tiếp xúc dẫn thông

thường.

Cấu trúc cảm biến điện dung bản tụ không tiếp xúc với dung dịch đã được đề

xuất để tránh những vấn đề trên. Nghiên cứu này tác giả mới sử dụng cảm biến đo

được cho ống kênh dẫn lớn có đường kính 34 mm. Với kích thước ống này thì có

thể sử dụng bản cực tụ điện cảm ứng có kích thước to. Như vậy, phương pháp này

chỉ có thể phát hiện các bọt không khí có kích thước lớn [26]. Trong các cấu trúc

này, độ nhạy phát hiện dòng chảy bị giảm khi độ dẫn điện của chất lỏng là tương

đối cao. Trong trường hợp đó, điện trở của chất lỏng bên trong kênh thể lỏng là quá

nhỏ so với trở kháng của tụ điện. Một giải pháp đã được sử dụng cho vấn đề này là

tăng tần số tín hiệu đầu vào. Tuy nhiên, giải pháp này có giới hạn vì năng lượng mất

16

mát và môi trường hấp thụ tín hiệu mạnh. Jaworek và các đồng tác giả đã trình bày

một cảm biến điện dung tần số cao để giải quyết những tác động dẫn điện của nước

bằng cách sử dụng một bộ dao động 80 MHz. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu

một điện cực rất nhỏ và một mạch khá phức tạp [27].

Một giải pháp khác là cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ

không tiếp xúc (C4D). Các cấu trúc cảm cảm biến C

4D là một kỹ thuật phát hiện độ

dẫn mới, được đề xuất bởi Zemann, da Silva vào năm 1998 [28], [29]. Một số nhóm

nghiên cứu đã sử dụng cấu trúc cảm biến C4D kết hợp với phương pháp cộng hưởng

để đo độ dẫn [30], [31]. Bên cạnh đó để đo độ dẫn người ta cũng đã sử dụng cấu

trúc C4D kết hợp với phương pháp phát hiện độ dẫn dựa trên công nghệ nhúng trên

Chip [32]. Đây là kỹ thuật được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và đã mang lại những

lợi thế không thể phủ nhận trong các lĩnh vực phát hiện và đo lường. Dòng chảy sẽ

truyền tín hiệu từ một điện cực kích thích tới điện cực nhận, từ đó tính được độ dẫn

điện của chất lỏng [28], [34-41].

Cảm biến C4D có thể được sử dụng trong việc phát hiện dầu trong nước và các

tạp chất trong nước máy (chất lỏng dẫn điện). Do đó, ứng dụng này có thể trở thành

một phương pháp tuyệt vời trong việc giải quyết các vấn đề trong ngành công

nghiệp dầu khí [42]. Hơn nữa, đến nay, các kỹ thuật C4D được nghiên cứu và sử

dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu của hóa học phân tích để phát hiện nồng độ ion,

độ dẫn trong các mao mạch và độ dẫn của kênh thể lỏng [33], [34]. Một ứng dụng

hữu ích của kỹ thuật này là sử dụng để ước tính vận tốc của dòng chảy chất dịch từ

việc đo tốc độ các bong bóng trong dòng chảy với ống dẫn cỡ milimét. Đó là một

vấn đề cơ bản đang tồn tại trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như hóa chất,

dược phẩm, dầu khí, năng lượng và kỹ thuật máy móc [35]. Mặc dù có nhiều khó

khăn, ứng dụng dựa trên kỹ thuật C4D trong việc phát hiện tạp chất và ước tính vận

tốc của nó trong kênh thể lỏng được nghiên cứu và phát triển bởi nhiều nhóm

nghiên cứu trên khắp thế giới [38], [39], [43].

17

Cực tụ đưa tín

hiệu nguồn vào

Cực tụ lấy tín

hiệu ra

Mạch nhận

tín hiệu

Xung

nguồn vào

a)

b)

C R

Co

C

Rf

Hình 1.10. a) Sơ đồ của cảm biến có tấm che; b) Sơ đồ điện tương đương.

Nhiều phương pháp đo lường mới đã được phát triển để khắc phục những khó

khăn và hạn chế của các kỹ thuật thông thường C4D. Một lá chắn đất giữa các điện

cực đưa tín hiệu nguồn vào và điện cực lấy tín hiệu ra có thể được sử dụng để ngăn

chặn điện dung rò (hình 1.10) [38], [44-46] hoặc tận dụng hiệu ứng cộng hưởng

song song để loại bỏ ảnh hưởng của điện dung ký sinh (điện dung không tập trung

vào kênh dẫn) [47]. Một số thiết kế sử dụng phương pháp cộng hưởng này để đo độ

dẫn điện của dung dịch. Trong trường hợp này, điện từ trường không thể nhận dạng

với trường hợp đầy dầu bên trong đường ống (hình 1.11) [34], [48].

Cấu trúc C4D đã được áp dụng cho dung dịch dẫn điện. Tuy nhiên, các nhóm

nghiên cứu trên thế giới thiết kế, chế tạo cấu trúc này chưa tối ưu. Cấu trúc này vẫn

chưa khắc phục loại bỏ được tối ưu nhiễu, các thiết kế hệ thống chống nhiễu như

tấm che (hình 1.10 và 1.11) còn phức tạp và chưa hiệu quả. Ngoài ra, cấu trúc cảm

biến này chưa đồng thời đo được cho cả kênh chất lỏng không dẫn điện và có dẫn

điện. Các cảm biến này chưa đo được cho kênh chất lỏng dẫn điện cao đến 6 S/m.

18

A

C

Cực kích thích Cực nhận

Tấm che

cực nhận

Tín hiệu ra

AC

a)

b)

Vin VoutL r R

C1 C2

Cd1 Cd2

Hình 1.11. a) Cảm biến dùng cuộn cảm; b) Sơ đồ điện tương đương.

1.3. Cấu trúc của luận án

Xuất phát từ việc khảo sát và đánh giá các mô hình, phương pháp và kỹ thuật sử

dụng cảm biến dòng chảy kiểu tụ để phát hiện sự thay đổi môi trường trong kênh

dẫn lỏng nêu trên, nghiên cứu tập trung một số vấn đề liên quan đến việc xây dựng

mô hình loại bỏ nhiễu kênh và kỹ thuật chế tạo cảm biến tối ưu hơn. Chế tạo tụ cảm

biến có kích thước các bản cực không đòi hỏi quá nhỏ mà vẫn có thể đo được các

tác nhân nhỏ. Tính toán, thiết kế và chế tạo ra hệ thống cảm biến có thể đo được

kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao hơn, đồng thời có thể ứng dụng được cả với

kênh dẫn chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện.

Để thực hiện nghiên cứu về cảm biến tụ điện cảm nhận kênh dẫn chất lỏng,

nghiên cứu sinh đã tiếp cận từng bước từ nghiên cứu tổng quan, tính toán lý thuyết,

mô phỏng, chế tạo cảm biến, thiết lập hệ đo và khảo sát kết quả. Luận án được trình

bày trong 4 chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thiết kế và mô phỏng cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện

Chương 3: Chế tạo cảm biến, thiết lập hệ đo

Chương 4: Kết quả và thảo luận

19

Chƣơng 2

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN CHẤT LỎNG

KIỂU TỤ ĐIỆN

2.1. Cảm biến điện dung

2.1.1. Điện dung

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn

cách bởi chất điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, giữa chúng sẽ

xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Tụ điện được phát minh vào năm

1746 bởi Cuneus và Mussenbroek. Điện dung là khái niệm được đưa ra bởi

Maxwell vào năm 1873 [49]. Tụ điện được sử dụng phổ biến trong các bảng mạch

điện tử hay các thiết bị điện tử.

Nếu có cách cấu hình để tạo ra một số bất kỳ các điện cực như thể hiện trên

hình 2.1 thì điện dung giữa hai điện cực (i và j) có thể được tính theo công thức sau

[50]:

ji

ij

ijVV

QC

(2.1)

Trong đó, Cij là điện dung giữa hai điện cực i và j; Qij là điện tích trên điện cực i

(và trái dấu với điện tích trên điện cực j) gây ra bởi hiệu điện thế Vi - Vj (Vi, Vj là

điện thế tương ứng trên điện cực i, j). Điện thế của các điện cực còn lại có thể bằng

0 (điện áp đất) nhưng nó vẫn làm ảnh hưởng đến điện dung giữa điện cực i và j.

Khi chỉ quan tâm đến điện dung giữa hai điện cực, sự xuất hiện của một điện

cực khác sẽ là một thành phần không mong muốn. Để khắc phục điều này, cần phân

biệt tụ điện hai cực, tụ điện nhiều cực và các phép đo của chúng.

20

Hình 2.1. Điện dung giữa các điện cực.

Cx

Cx

C p2Cp1

a) b)

Hình 2.2. (a) Tụ 2 cực (b) tụ ba cực.

Với tụ điện hai cực (hình 2.2a), các điện cực không xác định làm ảnh hưởng

đến điện dung của tụ không đáng kể hoặc có thể chấp nhận được. Để giảm ảnh

hưởng của chúng, một điện cực chính sẽ bao quanh điện cực còn lại, khi đó điện

dung giữa hai điện cực là độc lập với vị trí của tất cả các điện cực khác, ngoại trừ nó

trong vùng lân cận của các điện cực.

Với tụ điện ba cực (Hình 2.2b), Cx là điện dung trực tiếp giữa hai điện cực hoạt

động (điện dung quan tâm). Khi trường bảo vệ được sử dụng, điện dung này là độc

lập với vị trí của tất cả các điện cực khác ngoại trừ trong vùng bảo vệ [50].

Trong trường hợp chỉ có hai điện cực, điện dung phụ thuộc vào kích thước, hình

dạng, khoảng cách và điện môi của môi trường giữa hai điện cực. Khi các tham số

đó xác định, điện dung giữa hai điện cực có thể tính toán được. Tuy nhiên, việc

21

phân tích, tính toán chỉ thích hợp với cấu trúc đơn giản. Phương pháp phần tử hữu

hạn (FEM) được sử dụng để tìm một giải pháp xấp xỉ cho các cấu trúc phức tạp

hơn.

2.1.2. Điện trƣờng

Khi áp một điện thế vào hai cực của tụ điện song song thì điện trường được tạo

ra giữa hai bản cực của tụ điện (hình 2.3)

Q1

Q2

Dòng thông

lượng

Mặt đẳng

thế

Hình 2.3. Điện trường cho bản tụ song song.

Điện trường E được tính theo gradient của điện thế V theo từng điểm vuông góc

với mặt đẳng thế như sau: [51]

(2.2)

Nếu a và b là hai điểm nằm trong điện trường thì điện áp giữa hai điểm a và b

được tính như sau: [51]

∫

(2.3)

Trong khu vực giữa của bản cực tụ, điện trường là liên tục và vuông góc với

bản cực tụ ta có thể tính được V12 = E.d, với d là khoảng cách của hai bản cực tụ.

22

2.1.3. Tính điện dung

Tấm phẳng song song:

Cấu trúc đơn giản nhất của một cảm biến điện dung là hai tấm phẳng song song

với điện tích đối diện nhau A và khoảng cách giữa hai bản tụ d (Hình 2.4).

d

Điện cực

Điện môi

A

Hình 2.4. Một tụ điện phẳng, các tấm điện cực song song.

Khi d nhỏ hơn nhiều so với kích thước điện cực, giá trị điện dung có thể xấp xỉ

là:

d

AC r 0 (2.4)

Trong đó ε0 là hằng số điện môi của chân không (ε0 = 8,85 × 10-12

F/m) và εr là

hằng số điện môi tương đối của điện môi giữa hai điện cực.

Công thức (2.4) chỉ có giá trị với điều kiện xác định. Tuy nhiên, có nhiều loại tụ

điện khác nhau, giá trị điện dung tăng lên theo sự gia tăng khu vực tác động A hay

điện môi của môi trường giữa các điện cực và giảm cùng với tác động của khoảng

cách d. Theo đó, ta phân biệt ba loại cảm biến điện dung [50]:

- Các cảm biến điện dung với các giá trị A và d cố định, đối tượng đo là sự

thay đổi thuộc tính điện môi. Hằng số điện môi tương đối có thể phụ thuộc

23

nhiệt độ, không đồng nhất hoặc dị hướng với một số vật liệu, do đó độ chính

xác của cảm biến kiểu này bị hạn chế.

Các cảm biến điện dung kiểu này có thể được sử dụng để xác định đặc trưng

của vật liệu (chất điện môi) hoặc là vị trí mặt phân cách giữa các kiểu chất

lỏng khác nhau như nước và chất rắn, nước và khí, hay hai chất lỏng như

nước và dầu.

- Các cảm biến điện dung với các giá trị A và ε cố định, đối tượng đo là sự

thay đổi khoảng cách. Các cảm biến điện dung kiểu này rất hiệu quả đối với

những phép đo khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, độ nhạy giảm đáng kể khi

khoảng cách tăng lên.

- Các cảm biến điện dung với các giá trị d và ε cố định, đối tượng đo là sự

thay đổi khu vực tác động. Kiểu này có thể được sử dụng trong phạm vi đo

lường rất lớn.

Độ chính xác của cảm biến điện dung phụ thuộc lớn vào độ chính xác của quy

trình chế tạo như độ phẳng của bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, biến dạng

và khoảng cách giữa các điện cực.

Trụ đồng tâm:

Điện dung giữa hai trụ đồng tâm chiều dài L và bán kính a và b là: [51]

L

ba

Hình 2.5. Tụ có 2 cực là trụ đồng tâm.

(2.5)

24

Trụ song song:

Đối với trụ chiều dài L, bán kính là a và cách nhau b có điện dung là: [51]

L

b

a

L

b

a) b)a

Hình 2.6. a)Tụ có 2 cực là trụ song song; b) Tụ có 2 cực trụ song song cách xa

so với đường kính trụ.

Nếu khoảng cách b không quá lớn so với a (hình 2.6. a) thì:

√

(2.6)

Nếu b >> a (hình 2.6. b) thì:

(2.7)

Hai bản cực đồng phẳng (coplanar plates)

Hai tấm điện cực trong cùng một mặt phẳng có chiều dài L1>> L2

25

L1

b1

L2

b2

s

Hình 2.7. Tụ điện có hai bản cực đồng phẳng.

Điện dung được tính như sau: [52]

(2.8)

Hai bản cực đồng phẳng có tấm che (coplanar plates with shield)

Tụ đồng phẳng có tấm che với khoảng cách d lớn 5 lần điện cực hình 2.8

d

L

x1 x2 x3 x4

x

Hình 2.8. Tụ điện hai bản cực đồng phẳng có tấm che.

26

Điện dung được tính [52]

*

+ *

+

*

+ *

+ (2.11)

2.1.4. Ảnh hƣởng của khoảng trống giữa hai cực đến điện dung

1 2

3 4s

L

d

Hình 2.9. Khoảng trống giữa các điện cực nhỏ.

Đối với những cấu trúc cảm biến mà khoảng cách giữa các điện cực liền kề là

nhỏ, sự ảnh hưởng đến điện dung của cảm biến C’ = C.δ giữa điện cực 1 và 4 hoặc

2 và 3 (Hình 2.9) [52]

(2.12)

Khi d = 1 cm, δ phụ thuộc vào khoảng trống s như Hình 2.10.

Từ đồ thị ta thấy đại lượng s nhỏ hơn 1/5 khoảng cách d và với điện cực của

cảm biến là đủ mỏng thì sai số δ nhỏ hơn 10-6

.

27

1 2 3 4 5

1*10 -6

1*10 -5

1*10 -4

1*10 -3

1*10 -2

1*10 -1

s - cm

ᵟ

Hình 2.10. Phụ thuộc δ vào s.

2.1.5. Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung chuyển đổi một sự thay đổi vị trí, khoảng cách, hay chất

điện môi thành một tín hiệu điện. Cảm biến điện dung phát hiện ra bất kỳ sự thay

đổi nào của một trong ba thông số của tụ điện: khoảng cách (d), diện tích tấm điện

cực (A) và hằng số điện môi (εr) do đó:

C = f(d,A,εr) (2.13)

Tín hiệu vào

Tác nhân

Tín hiệu ra

Hình 2.11. Điện dung dựa trên cảm biến điện môi.

28

Giá trị điện dung đầu ra của cảm biến là thay đổi theo hàm f biểu diễn sự thay

đổi các giá trị d, A, εr đầu vào.

2.1.6. Mô hình điện của cảm biến điện dung

Đo lường một điện dung nhỏ với sự xuất hiện của một đối tượng chèn vào giữa

các điện cực của cảm biến như hình 2.12.

C 1

C 21 C 22

C p

Z GND

V in V out

Hình 2.12. Mô hình của cảm biến điện dung [24].

Tùy thuộc vào hệ số dẫn điện của đối tượng được ch n vào, điện dung của cảm

biến sẽ thay đổi tăng hoặc giảm khi đối tượng đang đi vào cảm biến.

Khi trở kháng phức tương đương ZGND rất nhỏ so với giá trị điện dung C2x thì

phần lớn tín hiệu tại đầu vào truyền xuống đất thông qua tụ điện C21. Do đó, chỉ một

phần nhỏ tín hiệu đến được điện cực đầu ra thông qua tụ điện C22. Trong trường hợp

này, điện dung tương đương của cảm biến chủ yếu là C1. Giá trị điện dung của tụ

điện C1 giảm khi đối tượng đi vào cảm biến và tăng khi đối tượng đi ra khỏi cảm

biến.

Khi trở kháng phức tương đương ZGND là rất lớn so với giá trị điện dung C2x thì

phần lớn tín hiệu đầu vào đi vào tụ điện C2x và đến điện cực đầu ra. Khi C2x có một

giá trị thấp hơn, tín hiệu tại điện cực đầu ra thông qua hai mạch tăng khi đối tượng

đi vào giữa các điện cực của cảm biến.

29

2.1.7. Mạch điện cơ bản đo điện dung

Trong thực tế, có nhiều cấu trúc mạch điện có thể sử dụng để đo điện dung. Tuy

nhiên, ta cần đi phân tích cấu trúc mạch để sử dụng cho phù hợp. Đầu tiên, cần phải

xác định mối quan hệ điện tích – điện áp của tụ điện. Giả định rằng mối quan hệ này

là tuyến tính (không có thành phần điện môi phi tuyến tham gia) và điện dung phụ

thuộc vào điện môi của môi trường giữa các điện cực [53].

Do đó có thể viết như sau:

Q = C(x).V (2.14)

Trong đó Q là điện tích của tụ điện, V là điện thế qua tụ điện và C(x) là một hàm

phụ thuộc vào biến x (x đặc trưng cho sự thay đổi các thông số của cảm biến kiểu tụ

điện như diện tích của bản tụ, khoảng cách giữa hai bản tụ, hằng số điện môi). Khi

đó, dòng điện qua tụ điện theo thời gian: [53]

dt

dx

x

CV

dt

dVxCic

)( (2.15)

Nếu sử dụng một xung sin đóng vai trò một nguồn Vs, ta có thể xác định điện

dung một cách trực tiếp. Ví dụ, nếu điện môi cố định thì điện dung là một hằng số

và Vs= Vs0cosωt thì đầu ra của bộ khuếch đại là -ωVs0C(x)cosωt. Giá trị của C(x)

có thể xác định từ biên độ đầu ra sóng sin.

CF

Vs

C(x)

Cp

ic

V0

RF

Hình 2.13. Sử dụng một mạch khuếch đại điện trở truyền (Transimpedance

amplifier) xác định dòng qua tụ điện có sử dụng tụ điện phản hồi.

30

Đầu ra là: [53]

sV

FC

xCV

)(

0

(2.16)

Chức năng của điện trở là cung cấp phản hồi một chiều DC vào đầu vào khuếch

đại thuật toán, nên giá trị DC tại đầu vào đảo được giữ ở không. Ngoài ra, điện trở

có thể được kết nối giữa đầu vào đảo và đất. Nếu không có điện trở, điện thế tại đầu

vào có thể trôi khỏi mức không và đầu ra bộ khuếch đại có thể bão hòa.

C1

Cp

Vx

V0

+Vs

C2

-Vs

Hình 2.14. Đo điện áp ra của một tụ điện vi sai [53].

Khi một tụ điện vi sai được sử dụng, điện áp Vx trên phần chia sẽ được đo. Hình

2.14 minh họa việc sử dụng một bộ đệm cảm nhận điện áp đầu ra Vx. Tuy nhiên, ở

đây xuất hiện điện dung ký sinh đóng góp vào thành phần điện áp đầu ra. Giả sử hai

tín hiệu sin ngược pha nhau +Vs và -Vs được đưa vào như đầu vào tụ điện C1 và C2

tương ứng. Khi đó Vx được tính như sau: [53]

sV

pCCC

CC

xV

21

21

(2.17)

Điện dung ký sinh làm giảm tín hiệu và ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Để giảm

thiểu vấn đề này trong các thiết kế là chế tạo một điện cực bảo vệ bên dưới các kết

nối với đầu ra V0. Khi đó V0 gần như bằng Vx điện áp qua các kết nối điện dung ký

31

sinh rất nhỏ giống như trường hợp đất ảo. Tuy nhiên, việc chế tạo theo cách này rất

phức tạp và khó bỏ qua tất cả điện dung ký sinh. Một phương pháp thay thế là sử

dụng các nguồn tín hiệu sin trái dấu theo từng giai đoạn cho +Vs và -Vs và thay thế

kết nối C(x) trong hình 2.13 với kết nối chia sẻ của tụ điện vi sai. Khi đó tín hiệu ra

là: [53]

sV

FC

CCV 21

0

(2.18)

Như vậy, từ các giá trị đo được như CF, Vs, V0 ta tính được giá trị C1 – C2.

2.2. Thiết kế cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện

2.2.1. Thiết kế cấu trúc cảm biến

a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Hình 2.15(a) thể hiện thiết kế của hệ thống cảm biến điện dung cho kênh dẫn

lỏng. Hai kênh dẫn chất lỏng đi vuông góc với bản mạch in PCB, tương ứng là kênh

cảm biến và kênh tham chiếu. Hình 2.15(b) là hình ảnh của một tụ điện ba cực trên

PCB bao quanh ống dẫn chất lỏng. Hai cảm biến điện dung được chế tạo ngay trên

bản mạch tương tự như các mạch điện tử. Thiết kế này cho phép giảm điện dung ký

sinh và nhiễu do đã bỏ qua dây kết nối.

Hình 2.15. (a) Thiết kế các cảm biến kênh lỏng, có hai kênh dẫn lỏng tương ứng

với kênh cảm biến và kênh tham chiếu; (b) Các cảm biến điện dung được chế tạo

trực tiếp trên các bản mạch in.

32

Hệ thống cảm biến này bao gồm hai tụ điện ba điện cực. Trong đó, một tụ là

tụ điện cảm biến và tụ còn lại đóng vai trò là tụ điện tham chiếu. Hai tụ này được

chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ PCB truyền thống, các điện cực của tụ điện

được chế tạo từ các mạch đồng (xem hình 2.15(b)).

Hình 2.16 thể hiện một cấu trúc cảm biến điện dung với dòng chảy chất lỏng qua

kênh dẫn và một hạt hình cầu trong kênh dẫn. Hằng số điện môi của chất lỏng là ε1

và hạt là ε2. Điện dung giữa các điện cực V1 và V2 có thể được tính dựa trên lý

thuyết [54], [55]. Điện dung lối ra phụ thuộc vào thể tích, hình dạng và giá trị điện

môi của hạt và điện môi chất lỏng.

Khi chỉ có chất lỏng ở giữa hai điện cực mà không có sự hiện diện của hạt, điện

môi giữa hai điện cực là đồng nhất, điện dung có thể được tính như sau [54]

1 2

QC

V V

(2.19)

trong đó, Q là điện tích của các điện cực; V1 và V2 là điện thế tương ứng của các

điện cực trên và dưới. Điện áp đầu ra có thể được tính bằng:

s

s

Q dS

(2.20)

0 14

s

s

dSV

d

(2.21)

ρs là mật độ điện tích bề mặt, εr là điện môi của chất lỏng giữa các điện cực. Các

phương trình (2.19), (2.20) và (2.21) cho thấy điện dung đầu ra phụ thuộc vào cả

hằng số điện môi chất lỏng εr bên trong kênh dẫn và hình dạng của điện cực.

33

Dòng chảy

Điện cực - V1

Điện cực - V2

Ctrái CphảiCtrung tâm

V1

V2

a) b)

Ɛ1Ɛ2

Hình 2.16. (a) Cảm biến điện dung với kênh dẫn chất lỏng và hạt bên trong kênh

dẫn, (b) Mạch tương đương. Giá trị điện dung của tụ điện phụ thuộc vào thể tích,

hình dạng, giá trị điện môi của chất lỏng và hằng số điện môi của hạt.

Điện cực 1 Điện cực 2

Điện cực 3

Đầu vào Đầu ra

Đất

Hình 2.17. (a) Mặt cắt ngang của bộ cảm biến điện dung; và (b) một mạch

tương đương đơn giản.

34

Cấu hình của tụ điện thay đổi khi có một hạt hình cầu nằm giữa hai điện cực

(xem hình 2.16 (a)). Trong nghiên cứu này, tụ điện được xem xét là một mạch

tương đương gồm ba tụ điện như trên hình 2.16(b). Các hiệu ứng cạnh của tụ điện

được coi là nhỏ và bỏ qua trong các tính toán. Hai tụ thành phần Ctrái và Cphải có thể

được tính bằng cách sử dụng phương trình (2.19). Tụ điện trung tâm Ctrung tâm chịu

tác động bởi hạt hình cầu với hằng số điện môi khác so với hằng số điện môi của

chất lỏng.

Hình 2.17 cho thấy mặt cắt ngang của một tụ điện ba cực và mạch tương đương.

Hình 2.17 (b) là một mạch tương đương đơn giản của cảm biến điện dung. Mạch

này bao gồm ba nút và ba tụ điện C1, C2, và C3. Điện dung tương đương giữa hai

điện cực liền kề là C1 = C2 = C3 = C. Trong nghiên cứu này, hiệu ứng cạnh được bỏ

qua, C có thể được tính theo [24]

d

whC r

.4

0 (2.22)

ε0 là hằng số điện môi của chất lỏng, εr là hằng số điện môi của các lớp điện môi

trên các điện cực, w là chiều rộng của mỗi điện cực, d là đường kính của ống và h là

chiều dài của các điện cực.

Hình 2.18 cho thấy hình nhìn từ trên xuống và hướng mặt cắt ngang của tụ điện

này. Chiều cao h của các điện cực bằng với độ dày PCB (xem hình 2.18 (a)). Vòng

xuyến đồng được chia làm ba phần bằng nhau, mỗi phần được tương ứng với một

cực của tụ điện (xem hình 2.18 (b)). Giá trị điện dung được thay đổi trong khoảng

vài femto fara đến vài chục femto fara tương ứng với thông số điện môi của dầu bôi

trơn (εr = 3) hoặc nước (εr = 80).

35

Kích thước

phía trong

thành ống

Kích thước

phía ngoài

thành ốngĐộ dày PCB

dinner = 1,4 mm

d = 1,6 mm

h = 1,4 mm

Độ rộng của

điện cực

w = 1,4 mm

Mạch inĐiện cực

bằng đồngỐng dẫn

Hình 2.18. Mô tả cấu trúc của cảm biến điện dung chế tạo trên PCB.

Bảng 2.1. Thông số cảm biến điện dung chất lỏng.

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc

(mm)

d Đường kính thành ống ngoài 1.6

W Độ rộng của điện cực 1.4

h Chiều cao của điện cực 1.4

b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến

Hình 2.19 mô tả cấu trúc của hệ đo cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh

song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến. Hình 2.19 cho thấy cảm biến kiểu tụ

điện được thiết kế kẹp sát dọc theo thành ống dẫn. Các bản cực của tụ điện được kết

nối với hệ thống đo. Hệ thống này đo sự thay đổi điện thế thông qua sự thay đổi

điện dung của cảm biến tụ điện.

36

Điện cựcỐng kênh dẫn

chất lỏng

Điện cực

PCB

a) b)

Hình 2.19. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh dẫn.

Le0

Le1 Le2

a)

b)

Điện cực

Ống kênh dẫn

h1

h2

r1 r2

d1

d2

k1

k2

Hình 2.20. Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước hình học

của nó: (a) góc nhìn từ trên xuống và (b) mặt cắt ngang.

37

Bảng 2.2. Kích thước hình học của cảm biến được thiết kế

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc

(mm)

Le0 Chiều dài điện cực đất 16

Le1 Chiều dài điện cực 1 06

Le2 Chiều dài điện cực 2 06

h1 Chiều cao điện cực 05

d1 Độ dày đáy điện cực 2.5

d2 Độ dày phía trên điện cực 03

k1 Khoách cách chân 2 điện cực 04

k2 Khoách cách đỉnh 2 điện cực 03

r1 Bán kính thành ngoài ống dẫn 1.75

r2 Bán kính trong ống dẫn 1.5

Hình 2.20 là hình ảnh của cảm biến với góc nhìn từ trên xuống và mặt cắt ngang

của tụ điện. Cảm biến gồm 3 điện cực thẳng hình khối chữ nhật, điện cực dài được

tiếp nhận xung kích thích, 2 điện cực ngắn là điện cực nhận (hay điện cực cảm

biến).

c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Hình 2.21 là hệ thống cảm biến kênh lỏng kiểu tụ điện có 3 điện cực hình chữ U

thẳng hàng nhau. Ba cực tụ cảm biến hình chữ U có kích thước và hình dạng như

nhau được thiết kế ôm bên sát bên ngoài thành ống dẫn. Các cực tụ được gắn trực

tiếp trên bề mặt của mạch PCB. Cấu trúc thiết kế này cho phép giảm điện dung ký

sinh và nhiễu bằng cách bỏ qua dây kết nối.

38

a) b)

Điện cực

PCB

Ống kênh dẫn chất

lỏng

Hình 2.21. Cảm biến tụ điện có 3 cực chữ U ôm sát kênh dẫn.

L1 L2

L3

Ống kênh

dẫn

Điện cực

bằng đồng

d1 d2 d3 L3

C0

Cw1 Cw2Rs

R0

Zx

Tín hiệu ra 1

C0

Cw2 Cw1

Zx

Tín hiệu ra 2

R0

Rs

b )

a)

Hình 2.22. a) Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước

hình học của nó và b) mạch điện tương đương.

39

Bảng 2.3. Kích thước hình học của cảm biến được thiết kế

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc

(mm)

d1 Đường kính bên ngoài thành ống 04

d2 Đường kính bên trong thành ống 3,6

d3 Độ dày của thành ống 0,2

L1 Chiều rộng của điện cực 12

L2 Khoảng cách giữa hai điện cực 02

L3 Chiều cao của điện cực 05

Trong thiết kế này cảm biến có ba điện cực, gồm hai điện cực bên ngoài nhận tín

hiệu (điện cực cảm biến) và điện cực giữa là điện cực kích thích (xem hình 2.22).

Các tín hiệu vi phân giữa hai điện cực cảm biến thể hiện sự thay đổi trong kênh thể

lỏng. Khoảng cách giữa hai điện cực là L2, L1 và L3 là chiều dài và chiều cao tương

ứng của điện cực. Hai điện cực này tạo thành một tụ điện đồng phẳng. Cấu trúc cảm

biến hình chữ U có tác dụng bao quanh kênh dẫn. Một đường ống với đường kính

ngoài d1 được đặt bên trong ba điện cực như trong hình 2.22 (a). Hình 2.22 (b) cho

thấy sơ đồ tương đương của mạch điện. Trở kháng của chất lỏng bên trong kênh là

RS. Điện dung thành ống Cw1, Cw2 phụ thuộc vào độ dày, hằng số điện môi và kích

thước của điện cực. Điện dung C0 được tạo ra phía ngoài kênh lỏng (C0 là tụ rò,

điện dung mất mát). Cấu trúc cảm biến này làm giảm ảnh hưởng của nhiễu chung

trong kênh dẫn lỏng và khuếch đại các tín hiệu vi sai giữa hai điện cực cảm biến.

2.2.2. Tính toán và thiết kế mạch điện

a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Cấu trúc lock-in được sử dụng để đo những tín hiệu AC rất nhỏ cỡ vài nV. Bộ

khuếch đại lock-in sử dụng một kỹ thuật gọi là "kỹ thuật dò nhạy pha" được dùng

để chọn ra một tín hiệu có pha và tần số xác định, trong khi các tín hiệu nhiễu ở tần

40

số khác bị loại bỏ [56]. Bằng cách này, ngay cả tín hiệu có công suất nhỏ hơn so

với nhiễu vẫn có thể được phát hiện ở một tần số được xác định. Sơ đồ cấu trúc này

được minh họa trong hình 2.23.

Một hệ thống lock-in đơn giản bao gồm một khối vòng khóa pha PLL, một bộ

tiền khuếch đại, một bộ trộn và một mạch lọc thông thấp. Cấu trúc lock-in cho cảm

biến được kích thích bởi một tín hiệu AC ở một tần số cố định fdriver.

Để theo dõi chính xác chuyển động của các tác nhân bên trong ống dẫn, hai yêu

cầu quan trọng cần phải có được: độ phân giải và băng thông. Độ phân giải được

xác định bởi sự thay đổi điện dung phát hiện tối thiểu, được giới hạn bởi mức độ

nhiễu của các mạch thu thập tín hiệu. Tuy nhiên, đối với một phép đo băng thông

rộng hơn, nhiễu sẽ có mặt trong các tín hiệu đầu ra. Do đó, yêu cầu giảm thiểu

nhiễu ở mạch thu thập tín hiệu trở nên quan trọng [24].

Vdrive

Cảm biến Amp Amp

Khuếch đại Khuếch đại lock - in

LPFVout

PLL

Hình 2.23. Sơ đồ của hệ thống khuếch đại lock-in [24].

41

-1

+1

-

+

Vs

VOut

Rf

CfCr

Cx

1 2

3

1 2

3Tín hiệu

xung vào

Cảm biến

Khuếch đại điện tích

Khuếch đại Lock – in số 7220 -

PLL

LPF

NI Data

acquisition

( DAQPad -

6016 )

PC

Vs

Khối xử lý tín hiệu ra

AMP

-Vs

+Vs

Hình 2.24. Thiết kế sơ đồ mạch điện.

Để phát hiện hạt tác nhân, một mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi điện

dung sang thay đổi điện áp [57-59]. Điện tích trong các điện cực của cảm biến được

chuyển đổi thành điện áp thông qua một mạch khuếch đại điện tích. Hình 2.24 cho

thấy một thiết kế sơ đồ mạch, tín hiệu sin với pha 0 và 180 được áp dụng cho các

điện cực đầu tiên của tụ cảm biến và tụ tham chiếu. Do đó, các nhiễu chung được

loại bớt khi sử dụng mạch tổng hợp này. Các tín hiệu vi sai sau đó được khuếch đại.

Sự thay đổi điện dung có thể được xác định một cách trực tiếp dựa trên điện áp

đầu ra của khối cảm biến (xem hình 2.24). Trong nghiên cứu này, sự khác biệt C

giá trị giữa các tụ điện cảm biến Cx và tụ điện tham chiếu Cr có thể được ước tính từ

điện áp đầu ra. Điện dung của tụ tham chiếu Cr là không thay đổi trong suốt quá

trình đo lường. Do đó, C chính là sự thay đổi điện dung của tụ điện cảm biến. Nó

được cho bởi biểu thức:

42

x rC C C (2.23)

Khi một tín hiệu sin Vs = Vs0 cosωt được đặt lên đầu vào của khối cảm biến,

điện áp đầu ra của bộ khuếch đại điện tích được tính toán bằng công thức sau

0 0

0

0

00

cos cos

cos cos

cos cos

xOut S S

f

Sx r

f

Sr r

f

SS S

f f f

r

f

CV V V

C

VC t

Ccos

C tC

VC C t C t

C

V C CC t V t V

C C

t cos tC

C

(2.24)

Trong trường hợp này, điện trở phản hồi Rf được sử dụng để loại bỏ điện áp trôi

DC. Điện trở này được bỏ qua trong phương trình (2.24). Chức năng của điện trở

này là cấp tín hiệu phản hồi đến đầu vào. Ngoài ra, điện trở này có thể được kết nối

giữa đầu vào và đất. Nếu không có điện trở này, các bộ khuếch đại đầu ra có thể đạt

trạng thái bão hòa. Giá trị của C có thể được xác định từ biên độ tín hiệu đầu ra.

Khi sử dụng điện xoay chiều tần số cao, giá trị điện môi thành phần phụ thuộc vào

thay đổi liên tục của dòng điện có thể được bỏ qua. Điện dung thay đổi C có thể

được tính bằng công thức

Outf

S

VC C

V (2.25)

b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến

Mạch điện hình 2.25 là mạch tương đương của hệ thống cảm biến. Khi tín hiệu

vi sai giữa hai tụ điện bao gồm tụ cảm biến và tụ tham chiếu đuợc khuếch đại sử

dụng vi mạch khuếch đại công cụ AD620. Mạch này cho phép triệt tiêu các nguồn

nhiễu đồng pha ở hai kênh đặc biệt là nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz.

43

Khuếch đại

điện tích

V drive Khuếch đại

vi sai

AD 620

VoutLPF

NI card Labview

Computer

Vout

Lọc thông

thấp

Cảm

biến

Amp LPF

Amp LPF

Hình 2.25. Sơ đồ mạch tín hiệu của cảm biến điện dung.

Hình 2.26 là mạch phát sóng hình sin dùng làm tín hiệu đầu vào của hệ thống

mạch cảm biến.

C1 R1R2

R3R4

C2

Hình 2.26. Mạch phát xung sin.

44

Tần số tín hiệu ra của mạch này được tính toán theo công thức:

f =

(2.26)

Trong đó: C1 = C2 = C; R1 = R2 = R; R3 = 2*R4

V out

V drive

C 2

R 1

R 2

R 3

R 4

R 5

C 1

Hình 2.27. Bộ khuếch đại điện tích.

R1 = 1M

V driveVout

R2 = 100 K

R3 = 330 K

R4 = 10 K

C1 = 0,1 uF

R1 = 1M

R2 = 100 K

R3 = 330 K

R4 = 10 K

C1 = 0,1 uF

R0 = 56 K

R0 = 56 K

Khuếch đại

vi sai

AD 620

R5

C2

Hình 2.28. Mạch điện nguyên lý của hệ thống cảm biến.

45

Hình 2.27 là sơ đồ một mạch khuếch đại điện tích được sử dụng trong hệ thống

cảm biến này. Trong đó, C1 là tụ điện cảm biến, các điện trở R1, R2 có tác dụng

chuyển đổi sự thay đổi về điện dung thành sự thay đổi về điện áp. Điện áp này

được cho qua mạch tiền khuếch đại trước khi đi đến mạch thông thấp.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cảm biến được thể hiện chi tiết trên hình 2.28.

Trong thiết kế này, tín hiệu sin đầu vào, có tần số 130 kHz và điện áp đỉnh-đỉnh 10

V, được cung cấp cho các điện cực điều khiển chung của bộ cảm biến điện dung. Sơ

đồ của cảm biến điện dung chuyển mạch tín hiệu bao gồm hai bộ tiền khuếch đại để

chuyển đổi cả hai tín hiệu cảm biến từ hai điện cực ngắn của cảm biến điện dung.

Hai tín hiệu chuyển đổi sau đó đi đến bộ lọc thông thấp để loại bỏ tần số sóng mang

của 130 kHz. Tín hiệu vi sai từ hai cực của cảm biến điện dung, sau khi đi qua lọc

thông thấp, được đưa vào bộ khuếch đại vi sai. Sau đó, tín hiệu đầu ra của bộ

khuếch đại vi sai được đưa qua lọc thông thấp, một lần nữa để tách lấy thành phần

tín hiệu. Để theo dõi sự thay đổi của tín hiệu vi sai giữa hai cực của cảm biến điện

dung, một bộ thu thập dữ liệu NI được sử dụng và kết nối với máy tính.

Sử dụng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn, điện dung của cảm biến là C≈ 300

fF. Để xác định độ thay đổi giá trị điện dung khi kênh dẫn thay đổi, ta tính được trở

kháng của tụ điện như sau:

(Ω)

Ta thấy trở kháng ZC có bậc 108 (Ω) còn điện trở R1 = 10

6 (Ω). Như vậy, giá trị của

R1 rất nhỏ so với ZC. Do đó, trong nghiên cứu này giá trị R1 được bỏ qua trong các

công thức tính toán. Khi đó, ta có mạch tương đương của hệ thống như hình sau:

46

R1 = 1M

Vout 1

Zc 1

Vin

Vout 1Zc 1

Vin

Vout 2Zc 2

Vin

R1 = 1M

Vout 2

Zc 2

Vin R0 R2

R0 R2 R0 R2

R0 R2

Hình 2.29. Mạch điện tương đương của cảm biến.

Từ sơ đồ mạch điện, ta có:

√ √

(

*

[

(

*

]

√ √

√

Mà ta có:

(vì ∆C nhỏ)

Suy ra:

(2.27)

Bên cạnh đó, ta có:

47

(2.28)

Và

(2.29)

Từ phương trình (2.27), (2.28) và (2.29) ta có:

(2.30)

c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

* Cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc cơ

bản

Cảm biến chất lỏng dựa trên cấu trúc tụ điện cho kênh dẫn lỏng đã được phát

triển với nhiều loại hình, như cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp

xúc cơ bản áp dụng trong cả hai kênh chất lỏng không dẫn điện và dẫn điện. Trong

trường hợp của chất lỏng dẫn điện, cảm biến điện dung trở nên ít nhạy hơn so với

trường hợp chất lỏng không dẫn điện do giá trị của trở kháng trong trường hợp này

chủ yếu là ảnh hưởng bởi các tụ điện. Trong hầu hết các trường hợp, cấu trúc cảm

biến điện dung có điện dung thay đổi khoảng một vài femto Farad đến vài chục pico

Farad. Điều này có nghĩa là trở kháng của nó sẽ đạt một vài MΩ đến vài trăm kΩ,

trong khi trở kháng của chất lỏng chủ yếu đóng góp bởi trở kháng của chất lỏng bên

trong kênh dẫn. Ở kích thước cỡ milimét, trở kháng của nó là chỉ khoảng vài trăm

đến vài k phụ thuộc vào tạp chất trong kênh dẫn. Để tăng độ nhạy của hệ thống

cảm biến, trở kháng của tụ điện phải giảm hoặc trở kháng của chất lỏng phải được

tăng lên. Một cấu trúc của cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp

48

xúc cơ bản (C4D đơn) bao gồm hai điện cực, một điện cực kích thích và một điện

cực nhận [60] như thể hiện trong hình 2.30.

Dòng chảy

chất lỏng

Điện cực

kích thích

Điện cực

nhận

Nguồn

ACTín hiệu raoi

C0

Cw R s

b)

R1

X C

a)

Hình 2.30. Thiết kế của một cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không

tiếp xúc cơ bản (C4D đơn): (a) Các điện cực kích thích và điện cực nhận; (b) Các

mạch tương đương.

Mạch điện tương đương đơn giản của cấu trúc C4D đơn (hình 2.30 a) được thể

hiện trong hình 2.30 (b). Điện cực bên trái được cấp bởi một tín hiệu hình sin, điện

cực bên phải là điện cực cảm biến và là điện cực lấy tín hiệu ra. Hai điện cực kẹp

hai bên kênh dẫn lỏng tạo ra hai tụ điện qua lớp điện môi của vỏ của kênh dẫn (Cw1,

Cw2). Trở kháng của chất lỏng dẫn điện bên trong ống là RS. Các tụ Cw1, Cw2 phụ

thuộc vào độ dày, hằng số điện môi của lớp điện môi và kích thước của điện cực.

Hai điện cực cũng tạo ra một điện dung C0 (điện dung không tập trung trong kênh

49

dẫn) song song dọc theo kênh dẫn lỏng. Các hiệu ứng ký sinh của điện dung có thể

được loại bỏ bằng cách sử dụng cấu trúc bảo vệ nối đất [38], [44-46], hoặc đặt một

cấu trúc cách ly giữa các điện cực [46], [61].

Trở kháng trong mạch điện trên hình 2.30(b) mạch gồm tụ C0, tụ Cw và điện trở

Rs được tính như sau

Suy ra:

[

]

[ ][

]

[

]

[ ]

(2.31)

Như vậy trở kháng Z được xác định bằng phương trình:

[

]

[ ]

(2.32)

Trong đó: R1 và Xc là phần thực và phần ảo của trở kháng C4D, Rs là điện trở của

chất lỏng, , f là tần số đo và √ là đơn vị ảo.

50

Khi đó ta tính được | |:

| |

√

√

(2.33)

Trong đó là độ dẫn của dung dịch. Có thể thấy rằng, trong trường

hợp của độ dẫn của dung dịch cao ( , phương trình (2.33) được đơn giản

hóa như sau:

| |

√

(2.34)

Như vậy, GS có thể được bỏ qua trong trường hợp này. Do đó, phương trình

(2.34) cho thấy, ở một tần số cụ thể, giá trị | | chủ yếu phụ thuộc vào giá trị của

điện dung Cw và điện dung C0. Để tăng độ nhạy của phép đo, giá trị điện trở RS của

chất lỏng và các điện dung Cw1, Cw2 phải ở cùng cấp trong mối tương quan với

nhau. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tăng RS hoặc giảm Tuy nhiên,

trong dung dịch có tính dẫn điện cao, RS có thể không tăng và GS không thể giảm.

Do đó, phải giảm bằng cách đặt khoảng cách giữa hai điện cực xa hơn, hoặc

tăng Cw bằng cách tăng chiều dài của điện cực.

* Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Luận án này, đề xuất cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song

song với mặt phẳng. Hệ thống cảm biến bao gồm ba điện cực còn gọi là bộ cảm

biến vi sai phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc (DC4D). Trong đó hai

điện cực nhận nằm ở phía ngoài và điện cực ở giữa là điện cực kích thích (hình

2.31).

Khoảng cách giữa hai điện cực là L2, L1 và L3 là chiều dài và chiều cao của điện

cực. Cấu trúc cảm biến hình chữ U được thiết kế ôm chặt kênh dẫn và tạo ra cấu

51

trúc tụ điện đồng phẳng. Cấu trúc hình chữ U này thuận tiện để sử dụng cho kênh

dẫn lỏng. Một ống có đường kính phía ngoài thành ống là d1 được đặt bên trong ba

điện cực như thể hiện trong hình 2.31 (a). Hình 2.31 (b) thể hiện sơ đồ tương đương

của cảm biến. Trở kháng của chất lỏng dẫn điện bên trong kênh là RS. Các điện

dung Cw1, Cw2 phụ thuộc vào độ dày, hằng số điện môi của thành ống dẫn và kích

thước của điện cực. Điện dung C0 là điện dung rò, không tập trung vào kênh dẫn.

Cấu trúc DC4D này làm giảm ảnh hưởng của nhiễu trong kênh thể lỏng và khuếch

đại các tín hiệu khác biệt giữa hai C4D đơn.

L1 L2

L3

Ống kênh

dẫn

Điện cực

bằng đồng

d1 d2 d3 L3

C0

Cw1 Cw2Rs

R0

Zx

Tín hiệu ra 1

C0

Cw2 Cw1

Zx

Tín hiệu ra 2

R0

Rs

b )

a)

Hình 2.31. a) Cảm biến điện dung hình chữ U dựa trên cấu trúc ba điện cực và b)

mạch điện tương đương.

52

V in

V outLPF

Bình

chứa

Nguồn

AC

Xung sine 580 KHz

Hạt

Xi lanh

Khuếch đại

vi sai

Ro

Ro

Hình 2.32. Sơ đồ khối thiết kế bộ cảm biến kênh chất lỏng DC4D.

R01

R02

R2

R1

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16R17

C11

10 k

10 k

1 k

1 k

1 k

1 k

1 k

1 k

1 k

1 k

10 k

10 k

10 k10 k

10 k

47 k

47 k

1 k1 k

Vout

Vin

Hình 2.33. Mạch điện của hệ thống cảm biến DC4D.

53

Hình 2.32 là sơ đồ thiết kế khối của DC4D cảm biến kênh chất lỏng dựa trên ba

điện cực dùng để phát hiện các hạt bên trong của cả kênh chất lỏng dẫn điện và chất

lỏng không dẫn điện. Cấu trúc này bao gồm hai C4D đơn với một nguồn xung sin

đặt vào điện cực ở giữa đóng vai trò điện cực kích thích. Sau đó các tín hiệu khác

biệt giữa các điện cực trên và dưới được khuếch đại và giải điều chế để loại bỏ các

thành phần sóng mang. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu vi sai giữa hai cấu trúc C4D đơn.

Cảm biến này có thể phát hiện những hạt chẳng hạn như hạt nhựa, hạt kim loại, bọt

khí bên trong kênh dẫn lỏng khi nó đi qua các điện cực.

Với kênh dẫn là chất lỏng không dẫn điện (như dầu bôi trơn, dầu biến thế), điện

trở của chất lỏng Rs là rất lớn. Khi có hạt tác nhân đi vào cảm biến, ta có thể bỏ qua

∆Rs và chỉ tính đến sự thay đổi của ∆Zc. Mạch điện được vẽ tương đương như hình

2.34.

C

R0 = 10 k

Vin

Vout

Hình 2.34. Mạch điện tương đương của cảm biến với kênh chất lỏng không dẫn

điện.

Ta có:

54

(2.35)

Mà:

√

√(

*

√(

)

√(

*

(2.36)

Thay phương trình (2.36) vào (2.35) ta có:

√(

)

(2.37)

Trong đó: là độ chênh lệch về hiệu điện thế giữa hai bản cực tụ trong hai

trường hợp có tác nhân trong dung dịch và không có tác nhân trong dung dịch.

Với kênh dẫn là chất lỏng dẫn điện (như nước máy, nước muối, nước sinh lý,

máu) thì điện trở của chất lỏng Rs nhỏ và Zc là rất lớn hơn. Khi có hạt tác nhân đi

vào cảm biến ta có thể bỏ qua ∆Zc và chỉ tính đến sự thay đổi của ∆Rs. Mạch điện

được vẽ tương đương như hình 2.35.

55

R0 = 10 k

Vin

Vout

Rs

Hình 2.35. Mạch điện tương đương của cảm biến với kênh chất lỏng dẫn điện.

Ta có:

(2.38)

56

2.3. Mô phỏng

2.3.1. Phần mềm mô phỏng

a. Phần mềm mô phỏng Comsol 4.2a

* Giới thiệu phần mềm Comsol 4.2a

Mô phỏng bằng máy tính đã trở thành một phần thiết yếu của khoa học và kỹ

thuật. Mô phỏng rất quan trọng khi nghiên cứu mới một thiết kế nó hỗ trợ để có thể

thiết kế tối ưu.

COMSOL Multiphysics là một phần mềm mô phỏng có môi trường tương tác

mạnh cho các mô hình và giải quyết hầu hết các vấn đề khoa học và kỹ thuật. Với

phần mềm này chúng ta có thể dễ dàng thiết kế và mô phỏng một mô hình thực tế

có tham gia của nhiều môi trường vật lý khác nhau như điện, điện tử, trường tĩnh

điện, áp điện, áp điện trở, sức bền vật liệu, truyền nhiệt, chất lỏng, chất khí, … [62]

COMSOL Multiphysics được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: [62]

- Kênh dẫn vi lỏng

- Công nghệ MEMS

- Khoa học sinh học

- Điện trường

- Từ trường

- Động lực chất lỏng

- Quang

- Quang tử

- Vật lý Plasma

- Cơ học lượng tử

- Truyền thông vô tuyến, truyền sóng

- Các linh kiện bán dẫn

- Cơ học kết cấu

- ...

57

Phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics có nhiều thế mạnh để mô phỏng

hệ thống cảm biến của đề tài này. Chúng tôi nghiên cứu các đặc trưng khác nhau,

các mô hình khác nhau trên COMSOL và từ đó đưa ra những quyết định về các

thông số cho cấu trúc thiết kế.

* Phƣơng trình tính toán

Để mô phỏng bọt khí trong dòng chảy chất lỏng, nghiên cứu sinh sử dụng các

phương trình cổ điển của động lực học chất lỏng cùng với phương pháp thiết lập có

sẵn trong Comsol Multiphysics [62-64].

Phương trình Navier-Stokes mô tả chuyển động và động lực của dòng chất lỏng

không nén. Trong mô phỏng, không khí và chất lỏng chảy qua kênh dẫn được giả

thiết là các vật liệu không nén được và có vận tốc nhỏ hơn tốc độ âm thanh [62-64].

Nếu chất liệu giữa các bản cực của cảm biến tụ điện là cách điện. Ta có phương

trình như sau [65]:

(2.39)

∮

(2.40)

Trong đó r là tọa độ không gian, phân phối điện thế φ [V], điện thế giữa hai cực

I và j là ∆Vij [V], điện tích Qij [C]. Điện trường được tính bằng và các

điều kiện biên tương ứng: điện cực kích thích có điện thế V0, điện cực cảm biến có

điện thế 0 V và tấm bao xung quanh được nối đất.

Nếu chất liệu giữa các bản cực của cảm biến tụ điện là chất dẫn điện. Ta có

phương trình như sau [65]:

( ) (2.41)

58

∮ ∮

(2.42)

Trong đó σ [S/m] là phân bố độ dẫn, ω [rad/s] là tần số kích thích, Ij [A] dòng

điện đi vào điện cực j, Vi [V] là điện thế đặt vào điện cực i, Zij [Ω] trở kháng tụ điện.

Điện dung tương đương được tính [66]:

{ } (2.43)

Với điều kiện biên: điện cực kích thích có điện thế V0, điện cực cảm biến có

điện thế là 0 V và tấm bao xung quanh được nối đất.

b) Phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell D

Ansoft Maxwell 3D là một phần mềm mô phỏng có nhiều chức năng. Phần

mềm có sử dụng phân tích phần tử hữu hạn để giải các bài toán mô phỏng về trường

tĩnh điện trong chất điện môi, điện từ trường,…. Ansoft Maxwell 3D giải quyết các

vấn đề về điện từ trường bằng các phương trình với các điều kiện biên thích hợp và

điều kiện ban đầu do người dùng quy định.

Một ưu điểm nổi bật của Ansoft Maxwell 3D là tiến trình xử lí tự động tại

những vị trí người dùng mong muốn, đưa ra các đặc tính của vật liệu để trích xuất

dữ liệu ra bên ngoài. Nhờ tính năng độc đáo này Ansoft Maxwell 3D có thể giải

quyết vấn đề một cách hiệu quả bằng việc tạo ra lưới phù hợp, với độ chính xác cao.

Các thành phần mà Ansoft Maxwell 3D giải quyết như:

- Trường tĩnh điện: Trường tĩnh điện, điện dung gây ra bởi phân bố điện áp.

- Trường từ tĩnh: Trường từ tĩnh, cảm ứng từ gây ra bởi dòng một chiều, trường

điện tĩnh ngoài và nam châm. Các vật liệu tuyến tính và phi tuyến tính.

- Trường điện không ổn định.

59

2.3.2. Mô phỏng

a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

* Mô hình cảm biến sử dụng

Hình 2.36 thể hiện mô hình của cảm biến được sử dụng trong mô phỏng 3D của

nghiên cứu này. Cảm biến sử dụng là một tụ điện ba cực trên PCB bao quanh ống

dẫn chất lỏng, kênh dẫn chất lỏng đi vuông góc vào bảng PCB.

Mô phỏng phát hiện bọt không khí trong dầu bôi trơn động cơ. Dầu được bơm

chảy trong ống dẫn, ban đầu bọt khí được tạo ra tại 1 đầu của ống dẫn, sau đó bọt

khí được chảy theo dầu dịch chuyển dần dần qua cảm biến tụ điện. Khi bọt khí dịch

chuyển từ ngoài vào trong cảm biến rồi đi qua cảm biến, các giá trị điện dung của

cảm biến thay đổi được ghi lại.

Hình 2.36. Mô hình của cảm biến.

* Thiết lập mô phỏng

+ Thiết lập kích thƣớc hình học của hệ thống cảm biến mô phỏng

Sử dụng phần mềm mô phỏng Comsol 4.2a để mô phỏng bọt khí trong ống dẫn

dầu. Thiết lập cảm biến tụ điện 3 cực hình trụ tròn có kích thước theo thiết kế ở trên

với chất liệu là đồng. Ống dẫn có chất liệu là plastic cũng có kích thước như thực

nghiệm (xem Bảng 2.4). Hình 2.37 là mô hình bọt khí trong dầu cùng với cảm biến

tụ điện hình cung tròn.

60

Bảng 2.4. Kích thước của thiết kế tụ điện cảm ứng

Thông số Kích thƣớc (mm)

Đường kính (d) 1,6

Chiều rộng của cực tụ (w) 1,4

Chiều cao của cực tụ (h) 1,4

3 cực của cảm

biến tụ điệnBọt khíDầu bôi trơn PCB Ống

platics

Hình 2.37. Bọt khí trong dầu cùng với cảm biến tụ điện hình cung tròn.

Trong bước mô hình hóa mô phỏng này, tấm PCB được thiết lập có kích thước

1,4 mm về độ dày và diện tích là một hình tròn có bán kính là 10 mm.

Chiều dài của ống dẫn dầu được mô hình hóa đến 10 mm.

+ Thiết lập thông số mô phỏng cho các thành phần của hệ thống cảm biến

Thông số của dầu, không khí, ống dẫn và chất liệu PCB được đưa vào mô

phỏng như bảng 2.5.

61

Bảng 2.5. Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng

+ Thiết lập các thông số khác

Thiết lập điện thế cho 3 cực của tụ điện cảm biến: một cực nối đất, một cực

được đặt xung vào điện thế bằng 3,5 V và tần số 100 kHz, một cực là đầu ra (hình

2.38)

Điện cực 1

nối đất

Điện cực 2

nối với

nguồn vào

Điện cực 3

là đầu ra

Hình 2.38. Thiết lập thông số cho cảm biến tụ.

Thành phần hệ

thống cảm biến Chất liệu Điện môi Độ dẫn điện

Tác nhân làm thay đổi

môi trường kênh dẫn Bọt không khí 1,0 0 (S/m)

Kênh dẫn lỏng Dầu bôi trơn động cơ 3,0

Bảng mạch Phíp FR-4 4,5 0,004 (S/m)

Ống dẫn Nhựa plastic 2,36

Điện cực Đồng 5,998.e7 (S/m)

62

*Quá trình mô phỏng

Sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để mô hình hóa và mô phỏng cảm biến điện

dung chất lỏng. Cho bọt khí di chuyển qua tụ cảm biến, mỗi bước di chuyển là 0,07

mm. Gốc tọa độ ứng với 0 mm khi tâm của bọt khí bắt đầu đi vào cảm biến, bọt khí

được di chuyển từ tọa độ - 0,5 mm đến 2,5 mm.

Thiết lập chế độ đặt lưới mesh của các thành phần:

- Kích thước tối đa phần tử: 0,66 mm

- Kích thước tối thiểu phần tử: 0,048 mm

Trong mô phỏng này, mô hình được chia lưới theo không gian 3D như hình 2.39

và hình 2.40.

Bọt khíĐiện cực tụ

điện

Hình 2.39. Mô hình cảm biến và lưới mesh.

Hình 2.40. Một số hình chia lưới mô phỏng hệ thống cảm biến.

63

Hình 2.41. Phân bổ điện trường bên trong cảm biến điện dung.

Ba điện cực của tụ điện được thiết lập như là đầu vào tín hiệu, đầu ra tín hiệu và

đất. Phân bổ điện trường của tụ điện được thể hiện trong hình 2.41.

Hình 2.41 cho thấy phân bố điện trường của cảm biến điện dung khi bọt khí đi

vào cảm biến. Điện trường bên trong cảm biến cao hơn khi bọt khí đến gần cảm

biến.

* Kết quả mô phỏng

Mô hình một bọt khí chảy trong kênh chất lỏng được mô phỏng thông qua khảo

sát một số hữu hạn vị trí của bọt khí trong kênh dẫn. Bọt khí dịch chuyển chậm từ

phía ngoài cảm biến dần tiến đến cảm biến, đi vào cảm biến rồi đi ra khỏi cảm biến.

Khi bọt khí đi qua cảm biến, điện môi trong cảm biến sẽ thay đổi và dẫn đến điện

dung của cảm biến cũng thay đổi theo. Như vậy, sự xuất hiện của bọt khí trong kênh

dẫn được cảm nhận thông qua thay đổi điện dung của tụ điện (xem hình 2.42).

Hình 2.42 thể hiện sự thay đổi điện dung của cảm biến tương ứng với các vị trí

của bọt khí trong cảm biến.

64

Trong hình 2.42, vị trí 1 tương ứng với vị trí của bọt khí bắt đầu đi vào cảm

biến, vị trí 6 tương ứng với bọt khí ra khỏi cảm biến. Trong quá trình bọt khí đi qua

cảm biến, vị trí 2 tương ứng với bọt khí đi vào cảm biến được 50%, vị trí 5 tương

ứng với cảm biến đi ra khỏi cảm biến được 50%, vị trí 3 tương ứng với bọt khí bắt

đầu đi vào hết trong cảm biến, vị trí 4 tương ứng với bọt khí chuẩn bị bắt đầu đi ra

ngoài cảm biến.

Tọa độ tương ứng của vị trí 5 so với vị trí 2 đúng bằng chiều dài của tụ điện

cảm biến, trong hệ thống này cảm biến có độ dài là 1,4 mm.

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 251

51.5

52

52.5

53

53.5

54

54.5

55

Die

n d

un

g -

fF

Toa do - mm

1

2

3 4

5

6

Bọt khí

Điện dung -

fF

Tọa độ - mm

Hình 2.42. Điện dung của cảm biến tương ứng với các vị trí của bọt khí.

65

Bảng 2.6. Điện dung của cảm biến thay đổi khi thể tích của bọt khí thay đổi

Thể tích – mm3

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

C

- fF

Mo phong

Xap xi tuyen tinh

Hình 2.43. Điện dung thay đổi lớn nhất của cảm biến phụ thuộc vào thể tích

của bọt khí.

Thể tích (mm3) Điện dung thay đổi – mô phỏng (fF)

0.1 0.67

0.27 1.66

0.78 3.32

1.45 6.31

1.83 7.45

2.28 8.95

66

Hình 2.43 cho thấy giá trị điện dung của tụ điện cảm biến thay đổi khi thể tích

của bọt khí thay đổi tương ứng từ 0,1 mm3 đến 2,28 mm

3

Trong quá trình đo thực tế, tâm của bọt khí không nhất thiết nằm trên tâm của

dòng chất lỏng mà có thể bị lệch về một phía bất kỳ. Để khảo sát các trường hợp

này, vị trí của bọt khí bên trong cảm biến được thay đổi như hình 2.44, bao gồm các

bọt khí di chuyển từ trung tâm của cảm biến đến lần lượt các điện cực của cảm biến.

Đối với mỗi vị trí, kích thước của các bọt khí được giả sử là không thay đổi. Hình

2.44 thể hiện 5 vị trí của bọt khí trong kênh dẫn được thực hiện mô phỏng. Với mỗi

vị trí, điện dung của tụ điện được mô phỏng khi thể tích của bọt khí thay đổi từ 0,1

đến 1,2 mm3.

Hình 2.44. Bọt khí ở các vị trí khác nhau bên trong cảm biến điện dung [67].

67

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

C

- fF

Vi tri 1

Vi tri 2

Vi tri 3

Vi tri 4

Vi tri 5

Thể tích - mm3

Hình 2.45. Điện dung thay đổi tương ứng với vị trí của các bọt khí trong hình 2.44

[67].

Vị trí 1 và vị trí 2 các bọt khí ở gần các điện cực đầu vào và đầu ra của cảm

biến. Hình 2.45 cho thấy vị trí 1 là nhạy nhất, giá trị lớn nhất của điện dung có thể

đạt tới 10 fF ứng với bọt khí lớn nhất 1,2 mm3. Vị trí 2, điện dung đạt tới 8 fF. Ba vị

trí bọt khí còn lại xa điện cực vào và điện cực ra, điện dung đạt được là nhỏ hơn. Vị

trí 4, bọt khí gần điện cực đầu vào và cách xa điện cực đầu ra cho độ nhạy thấp hơn

khi bọt khí ở vị trí trung tâm cảm biến (vị trí 5). Vị trí 3, bọt khí cách xa cả 2 điện

cực đầu vào và đầu ra cho độ nhạy thấp nhất.

* Thảo luận

Cảm biến điện dung này cho phép phát hiện thay đổi điện môi trong các kênh

chất lỏng không dẫn điện theo thời gian thực. Cấu trúc đề xuất này có thể phát hiện

một bọt khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi tương ứng từ

0,67 đến 8,95 fF.

68

Mô phỏng cho thấy sự phân bố điện trường của cảm biến điện dung khi bọt khí

đi vào cảm biến. Điện trường bên trong cảm biến cao hơn khi bọt khí đến gần cảm

biến và tập trung nhiều trong kênh dẫn, điều này cho thấy cấu trúc cảm biến này có

độ nhạy cao.

b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến

* Mô hình cảm biến sử dụng

Hình 2.46 là mô tả cấu trúc của hệ đo cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận

kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến. Hình 2.46 cho thấy cảm biến

kiểu tụ điện được thiết kế kẹp sát dọc theo thành ống dẫn. Mỗi bản cực của tụ điện

được kết nối với hệ thống đo. Hệ thống này sẽ đo được sự thay đổi điện thế thông

qua sự thay đổi điện dung của cảm biến tụ điện.

Bảng 2.7. Kích thước hình học của cảm biến được thiết kế

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc (mm)

Le0 Chiều dài điện cực đất 16

Le1 Chiều dài điện cực 1 6,0

Le2 Chiều dài điện cực 2 6,0

h1 Chiều cao điện cực 5,0

d1 Độ dày đáy điện cực 2,5

d2 Độ dày phía trên điện cực 3,0

k1 Khoách cách chân 2 điện cực 4,0

k2 Khoách cách đỉnh 2 điện cực 3,0

r1 Bán kính thành ngoài ống dẫn 1,75

r2 Bán kính trong ống dẫn 1,5

69

Điện cựcỐng kênh dẫn

chất lỏng

Điện cực

PCB

a) b)

Hình 2.46. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh dẫn.

Le0

Le1 Le2

a)

b)

Điện cực

Ống kênh dẫn

h1

h2

r1 r2

d1

d2

k1

k2

Hình 2.47. Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước hình

học của nó: a) hướng mặt cắt ngang và b) hướng từ trên xuống.

70

* Thiết lập mô phỏng

+ Thiết lập kích thƣớc hình học của hệ thống cảm biến mô phỏng

Sử dụng phần mềm mô phỏng Ansoft Maxwell để mô phỏng bọt khí và hạt

thiếc trong ống dẫn dầu. Thiết lập cảm biến tụ điện 3 cực thẳng có kích thước

theo thiết kế ở trên với chất liệu là đồng. Ống dẫn có chất liệu là plastic cũng có

kích thước như thực nghiệm (Bảng 2.7). Hình 2.47 cho thấy hình ảnh với góc

nhìn từ trên xuống và hướng mặt cắt ngang của tụ điện này. Cảm biến gồm 3

điện cực hình khối chữ nhật. Điện cực dài được tiếp nhận xung kích thích, hai

điện cực ngắn là điện cực cảm biến.

+ Thiết lập thông số mô phỏng cho các thành phần của hệ thống cảm biến

Thông số của dầu, không khí, ống dẫn và chất liệu hạt kim loại được đưa vào

mô phỏng như bảng 2.8.

Bảng 2.8: Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng

+ Thiết lập các thông số khác

Thiết lập điện thế cho 3 cực của tụ điện cảm biến: một cực nối đất, một cực

được đặt xung vào điện thế 10 V và tần số 130 kHz, cực còn lại là đầu ra. Tín hiệu ở

điện cực đầu ra của cảm biến được đưa tới mạch xử lý tín hiệu.

Thành phần hệ

thống cảm biến Chất liệu Điện môi Độ dẫn điện

Tác nhân làm thay đổi

môi trường kênh dẫn

Bọt không khí 1,0 0 (S/m)

Hạt thiếc 15,5.106 (S/m)

Kênh dẫn lỏng Dầu bôi trơn động cơ 3,0 0 (S/m)

Ống dẫn Nhựa plastic 2.36

Điện cực Đồng 5,998.107 (S/m)

71

* Quá trình mô phỏng

Hình 2.48 cho thấy ba hình ảnh của trường tĩnh điện khi một bọt khí xuất hiện ở

giữa hai điện cực trong kênh dầu bôi trơn. Sự phân bố của điện trường là không

đồng đều từ bên trong ra bên ngoài của điện cực, ngay cả bên trong bọt khí vì bọt

khí không phải là vật liệu dẫn điện. Các khu vực màu đỏ thể hiện cường độ điện

trường cao và các vùng màu xanh thể hiện cường độ điện trường thấp hơn.

Hình 2.49 mô phỏng hạt thiếc di chuyển trong kênh dẫn là dầu bôi trơn. Điện

trường phân bố chủ yếu dọc theo điện cực và không có điện trường bên trong hạt

thiếc (màu xanh bên trong hạt - xem hình 2.49).

* Kết quả mô phỏng

Hình 2.50 thể hiện sự thay đổi điện dung của cặp điện cực phụ thuộc vào vị trí

của hạt trong kênh dẫn. Điện dung thay đổi 18,74 fF và 8,02 fF, tương ứng với hạt

thiếc và bọt khí có thể tích 3.93 mm3 và 5.57 mm

3 bên trong kênh dầu.

72

Hình 2.48. Mô phỏng điện trường khi bọt khí bên trong cảm biến với kênh dầu

bôi trơn.

73

Hình 2.49. Mô phỏng phân bố điện trường với hạt thiếc trong kênh dầu bôi trơn.

74

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

C

- fF

Bot khi trong dau

Hat thiec trong dau

Vị trí Bọt khí và Hạt thiếc - mm

Hình 2.50. Điện dung thay đổi khi hạt thiếc và bọt khí đi qua cảm biến kênh dẫn

dầu.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

C

- fF

- mm3Thể tích

Hình 2.51. Điện dung thay đổi tương ứng với thể tích của hạt thiếc trong kênh

dẫn dầu.

75

* Thảo luận

Mô phỏng cho thấy cảm biến tụ điện nhận biết được bọt khí và hạt thiếc trong

kênh dẫn dầu. Khi bọt khí hay hạt thiếc trong kênh dẫn dầu di chuyển qua cảm biến

tụ điện sẽ làm thay đổi điện dung của cảm biến tụ điện, từ đó làm thay đổi điện áp

đầu ra của mạch cảm biến.

Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi của điện dung khi có bọt khí và hạt kim

loại xuất hiện là tương đối rõ. Đồng thời mô phỏng cũng cho thấy sự phân bổ điện

trường tập trung nhiều trong kênh dẫn và dọc theo các điện cực khi có xuất hiện bọt

khí hay hạt kim loại. Sự thay đổi điện dung và phân bổ điện trường này thể hiện cấu

trúc cảm biến có độ nhạy cao.

c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

* Mô hình cảm biến sử dụng

Hình 2.52 là hệ thống cảm biến kênh lỏng kiểu tụ điện có 3 điện cực chữ U. Ba

cực tụ cảm biến có kích thước và hình dạng như nhau được thiết kế ôm bên sát bên

ngoài thành ống dẫn. Hệ thống này được đề xuất với tên gọi là bộ cảm biến vi sai

phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc (Differential Capacitively

Coupled Contactless Conductivity Detection - DC4D). Các điện cực của tụ điện

được gắn trực tiếp ngay trên bề mặt của mạch PCB.

a) b)

Điện cực

PCB

Ống kênh dẫn chất

lỏng

Hình 2.52. Cảm biến tụ điện DC4D.

76

* Thiết lập kích thƣớc hình học của hệ thống cảm biến mô phỏng và tính

toán

Cấu trúc cảm biến có kích thước vật lý được thể hiện trên Hình 2.53 và chi tiết

trong Bảng 2.9.

L1 L2

L3

Ống kênh

dẫn

Điện cực

bằng đồng

d1 d2 d3 L3

C0

Cw1 Cw2Rs

R0

Zx

Tín hiệu ra 1

C0

Cw2 Cw1

Zx

Tín hiệu ra 2

R0

Rs

b )

a)

Hình 2.53. a) Cấu trúc của các cảm biến điện dung đề xuất với các kích thước hình

học của nó và b) mạch điện tương đương.

77

Bảng 2.9. Kích thước hình học của cảm biến được thiết kế

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc

(mm)

d1 Đường kính bên ngoài thành ống 4,0

d2 Đường kính bên trong thành ống 3,6

d3 Độ dày của thành ống 0,2

L1 Chiều rộng của điện cực 12,0

L2 Khoảng cách giữa hai điện cực 2,0

L3 Chiều cao của điện cực 5,0

Bảng 2.10. Điện môi và độ dẫn của vật liệu trong mô phỏng

Thành phần hệ

thống cảm biến Chất liệu Điện môi Độ dẫn điện

Tác nhân làm thay đổi

môi trường kênh dẫn

Bọt không khí 1,0 0 (S/m)

Hạt thiếc 15,5.106 (S/m)

Hạt nhựa 2.36

Kênh dẫn lỏng Dầu biến thế 3,0

Nước sạch 65,0 (µS/cm)

Ống dẫn Nhựa plastic 2.36

Điện cực Đồng 5,998.107 (S/m)

78

* Mô phỏng cho trƣờng hợp kênh dẫn lỏng không dẫn điện

Đối với kênh lỏng không dẫn điện hoặc dẫn điện thấp (ζ ≤ 0.01 S/m), điện trở

của chất lỏng bên trong kênh lớn. Do đó, các yếu tố chi phối trong trường hợp này

là thành phần điện dung. Trong nghiên cứu này, cảm biến được mô hình hóa và mô

phỏng bằng cách sử dụng phần mềm Ansoft Maxwell 3D.

+ Thiết lập thông số mô phỏng cho các thành phần của hệ thống cảm biến

Thông số của dầu biến thế, nước sạch, không khí, thiếc, ống dẫn và hạt nhựa

được đưa vào mô phỏng như bảng 2.10.

+ Thiết lập các thông số khác

Thiết lập điện thế cho 3 cực của tụ điện cảm biến: một cực nối đất, một cực

được đặt xung vào có mức điện thế 3 V và tần số 580 kHz, cực còn lại là đầu ra. Tín

hiệu ở điện cực đầu ra của cảm biến được đưa tới mạch xử lý tín hiệu.

+ Quá trình mô phỏng

Hình 2.54 cho thấy ba hình ảnh của trường tĩnh điện khi một hạt nhựa xuất hiện

ở giữa hai điện cực trong kênh nước sạch. Sự phân bố của điện trường là không

đồng đều từ bên trong ra bên ngoài của điện cực hình chữ U, ngay cả bên trong hạt

nhựa vì nhựa không phải là vật liệu dẫn điện. Các khu vực màu đỏ thể hiện cường

độ điện trường cao và các vùng màu xanh thể hiện cường độ điện trường thấp hơn.

Trường hợp tác nhân là hạt thiếc di chuyển trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ

thì điện trường được thể hiện trong hình 2.55. Điện trường phân bố chủ yếu dọc

theo điện cực hình chữ U và không có điện trường bên trong các hạt thiếc (màu

xanh bên trong hạt - xem hình 2.55).

79

Hình 2.54. Mô phỏng điện trường khi một hạt nhựa bên trong các kênh nước sạch.

Hình 2.55. Mô phỏng điện trường khi một hạt thiếc bên trong kênh dầu.

80

+ Kết quả mô phỏng

Hình 2.56 thể hiện sự thay đổi về chênh lệch điện dung của 2 cặp điện cực phụ

thuộc theo vị trí của hạt trong kênh dẫn. Điện dung thay đổi lên đến 0,08 pF khi một

hạt nhựa có kích thước 4.18 mm3 chuyển động trong kênh nước sạch. Điện dung

thay đổi 0,02 pF và 0,08 pF tương ứng cho hạt thiếc và bọt khí bên trong kênh dầu.

Hình 2.57 cho thấy điện dung của cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích của

hạt thiếc bên trong kênh dầu. Điện dung thay đổi lớn nhất lên đến 33.25 fF khi thể

tích hạt thiếc là 6.61 mm3.

-5 0 5 10 15 20 25 30-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

C

- p

F

Hat nhua trong nuoc

Hat thiec trong dau

Bot khi trong dau

Vị trí hạt - mm

Hình 2.56. Điện dung thay đổi so với vị trí hạt bên trong cảm biến C4D.

81

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

C -

fF

- mm3Thể tích hạt

Hình 2.57. Điện dung của cảm biến C4D thay đổi tuyến tính với thể tích của hạt

thiếc bên trong kênh dầu.

* Tính toán cho trƣờng hợp kênh dẫn lỏng dẫn điện

Khi độ dẫn của chất lỏng trong kênh dẫn là đủ lớn (ζ> 0,1 S/m), ảnh hưởng của

điện dung bên trong các điện cực chữ U của cảm biến so với tổng trở kháng là nhỏ.

Các điện dung trong phương trình tương đương chủ yếu phụ thuộc vào điện dung C0

(xem hình 2.58). Tuy nhiên, C0 là tham số không thay đổi, do đó yếu tố cảm biến

chính là độ dẫn điện của chất lỏng khi hạt chuyển động trong kênh dẫn chất lỏng

dẫn điện. Mạch tương đương của cấu hình này được thể hiện trong hình 2.59. Trong

nghiên cứu này, các hạt nhựa được đưa vào trong kênh dẫn dung dịch NaCl có nồng

độ khác nhau để khảo sát. Điện dung Cw được tạo ra bởi thành ống dẫn và điện cực.

Rs là điện trở của dung dịch giữa hai điện cực (xem hình 2.58).

82

l1 l2 l3

Hạt tác

nhân

C1 C2 C3Cw

R1

R2 R3 Rs

C0

Chất lỏng

Điện cực

L

Hình 2.58. Mạch tương đương của cảm biến cho kênh chất lỏng dẫn điện.

Hạt tác nhân được giả định là hình cầu với đường kính là l2, L là chiều dài của

các điện cực. Khi hạt ở bên trong của điện cực hình chữ U, kênh có thể được chia

thành ba phần tương ứng với l1, l2 và l3 (xem hình 2.58). Phần đầu tiên (l1) và phần

thứ ba (l3) chỉ chứa dung dịch muối. Phần thứ hai (l2) có chứa dung dịch muối với

hạt nhựa. Các tụ điện được tạo ra bởi điện cực và thành ống dẫn cũng có thể được

chia thành ba thành phần C1, C2, và C3 như thể hiện trong hình 2.58. Điện dung

Cw≈16.939 pF và điện dung kí sinh (không có tham gia của kênh dẫn) C0≈1.995 pF

được trích xuất từ các kết quả mô phỏng sử dụng Ansoft Maxwell 3D khi không có

hạt bên trong kênh dẫn.

R1

C2

R2

R3 Rs Cw

C3

Tín hiệu ra

AC C0

R0AC

Hình 2.59. Mạch điện tương đương của cảm biến.

83

Trở kháng của chất lỏng và tổng trở kháng được tính bởi:

[ ]

[ ]

(2.44)

(2.45)

Trong đó thành phần trở kháng và điện dung được tính như sau:

;

;

;

;

;

;

* Thảo luận

Cảm biến DC4D có thể được sử dụng cho cả hai kênh, chất lỏng dẫn điện và

chất lỏng không dẫn điện.

Mô phỏng bọt không khí, hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh dẫn

chất lỏng không dẫn điện và hạt nhựa với kích cỡ khác nhau trong kênh dẫn chất

lỏng dẫn điện đều cho thấy độ thay đổi điện dung đầu ra là lớn và rõ ràng. Mô

phỏng cũng cho thấy điện trường được phân bố tập trung trong kênh dẫn. Các kết

quả này cho thấy cấu trúc cảm biến này có độ nhạy cao với cả hai loại chất lỏng dẫn

điện và không dẫn điện.

2.4. Kết luận

Chương này trình bày thiết kế của ba cấu trúc cảm biến chất lỏng sử dụng cấu

trúc điện dung. Ba cấu trúc đó đã được nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô phỏng.

84

Mỗi cấu trúc có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng cụ thể khác

nhau.

Cấu trúc thứ nhất được thiết kế trên cơ sở ba điện cực và kênh dẫn vuông góc

với mặt phẳng của mạch điện. Ưu điểm của cấu trúc này là cảm biến được thiết kế

gồm 3 điện cực ngay trên bản mạch PCB, gồm hai kênh là kênh cảm biến và kênh

tham chiếu. Với thiết kế này loại bỏ được nhiễu dây dẫn, đồng thời kết hợp với việc

sử dụng cấu trúc vi sai để loại bỏ tối ưu nhiễu.

Cấu trúc thứ hai được thiết kế với ba điện cực thẳng kẹp hai bên kênh dẫn và

nằm ngay trên bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc này là loại bỏ được nhiễu

chung trong kênh dẫn do các điện cực được thiết kế trên cùng một kênh dẫn, và với

thiết kế mạch nêu trên, tín hiệu từ hai điện cực đầu ra của cảm biến sau khi qua bộ

khuếch đại vi sai sẽ loại bỏ được tối ưu các nhiễu đường dây, nhiễu chung ở hai

kênh đặc biệt là nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz. Đầu ra của hệ thống chỉ là tín hiệu thay

đổi do tác động của hạt tác nhân xuất hiện trong kênh dẫn.

Cấu trúc thứ ba là cấu trúc DC4D được thiết kế với ba điện cực hình chữ U ôm

sát dọc theo kênh dẫn và nằm trên mặt bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc DC4D

là đo được đặc trưng của kênh dẫn đối với chất lỏng có độ dẫn điện cao. Đồng thời,

cấu trúc này còn đo được cho cả chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện.

Ngoài ra, chương này còn trình bày ba cấu trúc mạch điện được sử dụng cho ba

cấu trúc cảm biến và trình bày phương pháp tính, tính toán lý thuyết để tìm ra các

phương trình và công thức để tính được sự thay đổi điện dung của cảm biến tụ khi

có hạt tác nhân xuất hiện. Đồng thời, chương này cũng trình bày mô hình hóa và mô

phỏng ba cấu trúc cảm biến chất lỏng được thực hiện trong đề tài nghiên cứu. Các

kịch bản mô phỏng được xây dựng dựa trên các quy trình đo thực tế của các cấu

trúc chế tạo được để làm cơ sở đánh giá hoạt động và tối ưu các thông số thiết kế

của các cấu trúc cảm biến đề xuất.

85

Các thiết kế, tính toán và mô phỏng này là cơ sở cho các thiết kế cụ thể, các

phép đo đạc và đánh giá được trình bày ở chương sau.

86

Chƣơng 3

CHẾ TẠO CẢM BIẾN, THIẾT LẬP HỆ ĐO

3.1. Chế tạo cảm biến

3.1.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến điện dung ba điện cực cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ

thống cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ PCB. Kích thước của cảm biến

được thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Kích thước cảm biến điện dung.

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc (mm)

d Đường kính 1.6

W Độ rộng của điện cực 1.4

h Chiều cao của điện cực 1.4

Hình 3.1 thể hiện hai cảm biến có kích thước như nhau nằm trên PCB. Ba điện

cực được chế tạo bằng đồng, kết nối giữa hai lớp của mạch in trên PCB và có chiều

cao bằng độ dày của tấm PCB là 1,4 mm. Kênh dẫn chất lỏng đặt luồn qua cảm biến

và vuông góc với hệ thống.

Hình 3.1. Cảm biến ba điện cực

hình cung tròn cảm nhận kênh

vuông góc với mặt phẳng hệ

thống được chế tạo bằng công

nghệ PCB.

87

Cảm biến Mạch khuếch đại điện tích

Hình 3.2. Hệ thống cảm biến ba điện cực cung tròn.

Mạch điện bao gồm mạch khuếch đại kết nối với bộ cảm biến. Mạch điện này

được đặt trong hộp nhôm với mục đích giảm nhiễu do hiệu ứng Faraday. Hình 3.2

thể hiện một cấu trúc chế tạo của cảm biến điện dung ba điện cực kênh dẫn chất

lỏng hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống.

3.1.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến

Cảm biến điện dung kênh lỏng ba điện cực được chế tạo bằng đồng, trên bề mặt

của mạch PCB, với các thông số như trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Kích thước của cảm biến

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc (mm)

Le0 Chiều dài điện cực đất 16

Le1 Chiều dài điện cực 1 6,0

Le2 Chiều dài điện cực 2 6,0

h1 Chiều cao điện cực 5,0

d1 Độ dày đáy điện cực 2,5

d2 Độ dày phía trên điện cực 3,0

k1 Khoảng cách chân 2 điện cực 4,0

k2 Khoảng cách đỉnh 2 điện cực 3,0

r1 Đường kính thành ngoài ống dẫn 1,75

r2 Đường kính trong ống dẫn 1,5

88

Hình 3.3. Cảm biến 3 điện cực thẳng kênh song song với mặt phẳng hệ thống.

a) cảm biến với góc nhìn từ trên xuống; b) cảm biến với góc nhìn ngang.

Cảm biến được thiết kế có một điện cực dài và hai điện cực ngắn có kích thước

như nhau. Hai điện cực ngắn của cảm biến được thiết kế thẳng hàng với nhau, song

song với điện cực dài và kẹp hai bên của kênh dẫn.

3.1.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến được chế tạo dựa trên mạch in (PCB). Điện cực hình chữ U được gắn

trực tiếp trên PCB cùng với mạch xử lý tín hiệu để làm giảm các thành phần ký sinh

và nhiễu thông thường. Ống nhựa được đặt bên trong các điện cực hình chữ U. Các

kích thước của cảm biến tụ được thiết kế như trong bảng 3.3.

Bảng 3.3. Các kích thước hình học của cảm biến

Ký hiệu Mô tả Kích thƣớc (mm)

d1 Đường kính ngoài kênh dẫn 4,0

d2 Đường kính trong kênh dẫn 3,6

d3 Độ dày của kênh dẫn 0,2

L1 Độ rộng của điện cực 12,0

L2 Khoảng cách giữa hai điện cực 2,0

L3 Chiều cao của điện cực 5,0

89

a) b)

Hình 3.4. Hệ thống cảm biến 3 điện cực hình chữ U kênh song song với mặt phẳng

hệ thống.

3.2. Thiết bị sử dụng trong hệ đo

3.2.1. Xi lanh panme

Hình 3.5. Bơm tạo bọt khí và giọt nước vào kênh dẫn.

Một xi lanh có gắn panme vi chỉnh được sử dụng để tạo bọt khí và giọt nước với

thể tích theo ý muốn. Bọt khí hay giọt nước này được bơm vào kênh dẫn qua một

đầu nối chữ T.

90

3.2.2. Bộ thu thập dữ liệu NI

National Instruments DAQPad-6016 (bộ thu thập dữ liệu NI) (Hình 3.6) là thiết

bị thu thập dữ liệu đa chức năng. Thiết bị này có thể kết nối với hệ thống cảm biến

để nhận dữ liệu. Đồng thời, thiết bị gửi dữ liệu tới máy tính qua cổng USB. Dữ liệu

được xử lý bằng phần mềm LabView.

3.2.3. Thiết kế vỏ hộp

Vỏ hộp của hệ thống cảm biến được chế tạo từ nhôm khối, được phay bằng

máy phay CNC. Vỏ hộp được chế tạo theo kỹ thuật này có độ chính xác cao, sắc nét

và đẹp. Hình 3.7 là thiết kế vỏ hộp và hình ảnh vỏ hộp bằng nhôm hoàn chỉnh, có

khe đặt ống kênh dẫn qua cảm biến, các mấu chốt cố định mạch điện gắn cảm biến.

Hình 3.6. Bộ thu thập dữ liệu NI.

91

Khe đặt ống

kênh dẫn

a)

b)

Nắp hộp

Thân hộp

Chốt cố định

mạch điện

Hình 3.7. Thiết kế vỏ hộp cho hệ thống cảm biến. a) Hình vẽ bên trong của vỏ

hộp; b) Hình vẽ mặt trên và mặt dưới của vỏ hộp; c) Hình ảnh vỏ hộp bằng nhôm đã

được thiết kế.

92

3.2.4. Phần mềm LabVIEW

LabVIEW là một phần mềm có thể lập trình được. LabVIEW sử dụng ngôn ngữ

lập trình đồ họa để tạo ra các chương trình.

LabVIEW bao gồm các thư viện để thu thập dữ liệu, điều khiển thiết bị nối tiếp,

phân tích, trình bày và lưu trữ dữ liệu. Sử dụng LabVIEW ta có thể kiểm soát dữ

liệu qua các chương trình.

Kết nối bộ thu thập dữ liệu NI với máy vi tính đã được cài và lập trình

LabVIEW giúp chúng ta có thể kiểm soát, lấy mẫu và ghi lại các dữ liệu đến từ NI.

3.3. Thiết lập hệ đo

3.3.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Bộ khuếch

đại Lock-in

Máy phát

xung

chuẩnCard NI

Cảm biến

Hình 3.8. Hệ thống cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc

với mặt phẳng hệ thống cảm biến.

93

Một tín hiệu xung sin tần số 100 kHz, có biên độ từ 3,5 - 13 V lấy từ đầu ra máy

phát xung chuẩn HM8030 (HAMEG Ins., Germany) được đưa tới đầu vào bộ tạo

hai xung ngược pha –Vs và +Vs của bo mạch. Tín hiệu xung sin được đưa vào điện

cực kích thích của cảm biến. Tín hiệu đầu ra của cảm biến được đưa tới bộ khuếch

đại lock-in (Lock-in amplifier 7220, EG&G Instruments Corporation, UK) rồi đến

bộ thu thập dữ liệu NI có kết nối với máy tính. Cuối cùng, tín hiệu này sẽ được xử

lý bằng phần mềm LabView.

3.3.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng

hệ thống cảm biến

Trong thiết lập hệ đo này, tín hiệu cấp cho điện cực kích thích của hệ thống cảm

biến là một xung sin tần số 130 kHz và điện áp là 10 V. Tín hiệu từ hai cực nhận

của cảm biến được đưa vào hai bộ khuếch đại. Hai tín hiệu chuyển đổi sau đó

truyền đến các bộ lọc thông thấp để loại bỏ các tần số sóng mang 130 kHz. Tín hiệu

của hai bộ cảm biến sau khi đi qua các bộ lọc thông thấp sẽ được so sánh bởi một

bộ khuếch đại vi sai để phát hiện sự khác nhau về tín hiệu ra của hai bộ cảm biến.

Để theo dõi sự thay đổi của tín hiệu khác nhau của hai bộ cảm biến, một bộ thu thập

dữ liệu NI được sử dụng để nhận tín hiệu từ đầu ra của bộ cảm biến và đưa các tín

hiệu đầu ra này vào một máy tính. Tại đây, tín hiệu được xử lý bằng phần mềm

LabView.

Hệ thống này sử dụng các ống truyền dịch được đặt vào khe của các điện cực

cảm biến. Một xi lanh được sử dụng để đẩy dung dịch di chuyển trong ống kênh

dẫn. Để tạo ra bọt khí và dòng chảy của dung dịch vào đường ống, hệ thống sử dụng

một xi lanh bơm dung dịch và một xi lanh có gắn bước điều chỉnh vi khoảng cách

trên thước đo panme để tạo ra bọt khí vào dòng dung dịch thông qua đầu nối hình

chữ T.

94

Xi lanh

Cảm biến

Card NI

Hình 3.9. Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh

song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến.

3.3.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Hình 3.10 thể hiện thiết lập đo lường của hệ thống cảm biến kênh chất lỏng sử

dụng cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến. Để khảo sát được với tụ điện có giá trị điện dung nhỏ và đo được

với chất lỏng dẫn điện, tần số cấp cho cực kích thích thường sử dụng trong khoảng

từ 500kHz đến 2 MHz. Tuy nhiên do giới hạn của IC TL084 dùng trong mạch điện

nên trong nghiên cứu này, một tín hiệu hình sin với biên độ 3 V và tần số 580 kHz

được đưa vào điện cực kích thích. Vả lại, tần số hoạt động của hệ thống không cao

95

ở mức 580 kHz nên độ suy hao tín hiệu trong mạch cũng khá thấp, có thể bỏ qua

được. Điện áp ra từ hai điện cực cảm biến là tín hiệu đầu vào của một bộ khuếch

đại, giải điều chế, và mạch lọc thông thấp. Tiếp theo, điện áp đầu ra được đưa đến

bộ thu thập dữ liệu NI và vào máy tính qua cổng USB. Dữ liệu đưa vào máy tính

được xử lý và lưu lại bằng phần mềm LabView.

Các hạt nhựa và hạt thiếc có kích thước khác nhau được đưa vào kênh dẫn lỏng

và đi qua cảm biến. Đầu nối chữ T và một xi lanh panme được sử dụng để tạo ra bọt

khí và đưa vào kênh dẫn lỏng. Thể tích của các bọt khí được giám sát bằng sự dịch

chuyển của piston có gắn thước đo panme.

Cảm biến

Card NI

Xi lanh

Hình 3.10. Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến ba cực hình chữ U.

96

3.4. Kết luận

Chương này trình bày chế tạo ba cảm biến chất lỏng với các kích thước cụ thể.

Các mạch thu thập tín hiệu, khuếch đại và ghép nối máy tính được thiết kế, chế tạo

và khảo sát hoạt động. Các hệ đo là sự kết hợp của các chức năng bơm dòng chất

lỏng, bơm hạt tác nhân, máy phát, mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại và các

thiết bị điện tử khác được kết nối và tối ưu cho các nhiệm vụ đo sự thay đổi điện

dung rất nhỏ, cỡ vài fF. Thực nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm tại

Học viện Bưu chính Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, và Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các hệ đo và phép đo đều có tính lặp lại cao cho

kết quả đo tin cậy và khớp với các số liệu mô phỏng và tính toán lý thuyết. Các tính

hiệu được thu thập vào máy tính sử dụng một bộ thu thập dữ liệu của NI và phần

mềm Labview.

97

Chƣơng 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

4.1.1. Một bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn

Bọt khí dịch chuyển trong kênh dẫn chất lỏng đi qua cảm biến tụ điện làm thay

đổi điện áp đầu ra của hệ thống cảm biến. Hình 4.1 thể hiện điện áp đầu ra của hệ

thống cảm biến kênh dẫn chất lỏng theo thời gian, khi có một bọt khí đi qua cảm

biến tụ điện. Biên độ của điện áp đầu ra tối đa là 30 mV khi một bọt khí có thể tích

1,45 mm3 đi qua các kênh cảm biến. Biên độ điện áp đầu ra này phụ thuộc vào thể

tích của bọt khí do sự thay đổi điện môi. Độ rộng của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào

vận tốc của dòng chảy kênh chất lỏng.

0 1 2 3 4 5245

250

255

260

265

270

275

280

285

Điện áp ra

- m

V

Thời gian - s

Hình 4.1. Tín hiệu đầu ra của hệ thống cảm biến khi bọt khí di chuyển qua cảm

biến điện dung.

98

Cho 6 bọt khí có thể tích khác nhau dịch chuyển trong kênh dẫn lỏng đi qua cảm

biến tụ điện. Hình 4.2 thể hiện sáu điện áp đầu ra tương ứng với sáu bọt khí với thể

tích khác nhau từ 0,1-2,28 mm3. Bọt khí lớn nhất với thể tích 2,28 mm

3 cho điện áp

đầu ra lớn nhất lên đến 53 mV, trong khi điện áp đầu ra là khoảng 4 mV cho bọt khí

có thể tích nhỏ nhất 0,1 mm3. Bảng 4.1 thể hiện mối quan hệ giữa thể tích và điện

áp đầu ra tối đa của cảm biến. Điện áp đầu ra tối đa so với thể tích bọt khí cũng

được thể hiện trong hình 4.3.

0 0.5 1 1.5 2 2.5

230

240

250

260

270

280

0.1 mm3

0.27 mm3

0.78 mm3

1.45 mm3

1.83 mm3

2.28 mm3

Thời gian - s

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.2. Sáu bọt khí với thể tích khác nhau được phát hiện và thể hiện giá trị điện

áp đầu ra của cảm biến tỷ lệ tương ứng với thể tích của bọt khí.

Bảng 4.1. Thể tích của bọt khí tương ứng với biên độ và điện dung của cảm biến.

Thể tích ( ) Biên độ (mV) Điện dung (fF)

0.1

0.27

0.78

1.45

1.83

2.28

4

8

18

31

40

53

0.51

1.01

2.28

3.92

5.06

6.70

99

0 0.5 1 1.5 20

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích bọt khí

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.3. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi tương ứng với thể tích

của bọt khí.

Hình 4.4 thể hiện sự thay đổi điện dung của tụ cảm biến tương ứng với thể tích

của bọt khí đi qua cảm biến.

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

6

7

C

- fF

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích bọt khí

Hình 4.4. Thay đổi điện dung tương ứng với thể tích của bọt khí.

100

Khi bọt khí dịch chuyển trong kênh dẫn chất lỏng, vận tốc của một bọt khí có

thể được ước tính bằng cách phân tích biên độ và độ rộng của điện áp đầu ra. Hình

4.5 thể hiện vị trí chỉ định của bọt khí khi nó đi qua các tụ điện cảm ứng. Điểm 1

nơi bọt khí bắt đầu đi vào cảm biến, điểm 2 là vị trí của bọt khí nằm ở trung tâm của

cảm biến, điểm 3 là vị trí bọt khí bắt đầu di chuyển ra khỏi cảm biến. Điểm A và

điểm B là thời điểm bọt khí có 50% ở trong tụ điện và 50% ở bên ngoài cảm biến.

Khi bỏ qua hiệu ứng cạnh, tín hiệu đầu ra có thể được coi tương ứng với 50% giá trị

tối đa của tín hiệu (điểm A và B). Vận tốc bọt khí có thể được ước tính bằng cách

định vị các điểm A và B (hình 4.5)

0 0.5 1 1.5 2

230

240

250

260

270

280

Die

n a

p r

a -

mV

Thoi gian - s

A B

BA

1

2

3

Thời gian - s

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.5. Tín hiệu thu được từ cảm biến khi có một bọt khí xuất hiện

trong kênh lỏng đi qua cảm biến.

101

Trong trường hợp kích thước bọt khí nhỏ hơn so với chiều dài của cảm biến điện

dung, vận tốc của bọt khí có thể được tính như sau:

A B

hVelocity

T T

(23)

Trong đó h là chiều dài của tụ điện, TA và TB là thời điểm mà bọt khí ở điểm A

và B. Vận tốc của bọt khí trong hình 4.5 là xấp xỉ bằng 1,84 (mm/s).

Bên cạnh phương pháp tính vận tốc của bọt khí di chuyển trong kênh dẫn chất

lỏng như trên, một phương pháp khác cũng được áp dụng bằng cách sử dụng hai hệ

thống cảm biến đặt cách nhau một khoảng cách cố định. Vận tốc bọt khí bằng

thương của độ dài ống dẫn giữa hai hệ thống cảm biến và thời gian bọt khí di

chuyển từ hệ thống này đến hệ thống kia.

Phần này trình bày một cấu trúc cảm biến điện dung có thể áp dụng cho nhiều

lĩnh vực phát hiện bọt khí trong kênh chất lỏng. Cảm biến điện dung này cho phép

phát hiện sự thay đổi trong các kênh chất lỏng do thay đổi điện môi theo thời gian

thực. Cấu trúc này có thể phát hiện một bọt khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm3 với

điện dung thay đổi tương ứng từ 0,51 đến 6,7 fF và thay đổi điện áp đầu ra từ 4 đến

53 mV. Vận tốc bọt khí cũng được tính toán bằng cách phân tích các tín hiệu đầu ra.

Cảm biến điện dung này được chế tạo tích hợp trên một bảng mạch in phù hợp với

yêu cầu chi phí thấp. Cảm biến kênh thể lỏng này có thể được sử dụng trong việc

phát hiện bọt khí trong y tế, trong công nghệ dầu khí. Cấu trúc này cũng có thể áp

dụng đối với các vi kích thước để giám sát và kiểm soát những thay đổi trong các

kênh vi lỏng.

4.1.2. Nhiều bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu

Khi có ba bọt khí dịch chuyển trong kênh dẫn dầu và đi qua cảm biến sẽ cho tín

hiệu ở lối ra như hình 4.6 và hình 4.7.

102

a) b)

c)

0 1 2 3 4 5273

274

275

276

277

278

279

280

281

Thời gian - s

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.6. Phát hiện các bọt khí có thể tích không bằng nhau trong dầu; (a) Hình ảnh

chụp 3 bọt khí có thể tích không bằng nhau trong ống dẫn dầu, (b) Sơ đồ 3 bọt khí,

(c) Đo phát hiện 3 bọt khí có thể tích không bằng nhau.

Ở Hình 4.6, trong ống dẫn dầu có ba bọt khí có thể tích không bằng nhau khi

qua cảm biến cho tín hiệu đầu ra của cảm biến giảm khác nhau. Bọt khí thứ 3 có thể

tích lớn nhất cho tín hiệu đầu ra khi qua cảm biến giảm nhiều nhất. Bọt khí thứ 1 có

thể tích nhỏ hơn nên tín hiệu giảm ít hơn, còn bọt khí thứ 2 có thể tích nhỏ nhất nên

tín hiệu đầu ra giảm ít nhất.

103

.

a) b)

c)

0 1 2 3 4 5

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

Thời gian - s

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.7. Phát hiện ba bọt khí có thể tích gần bằng nhau trong dầu; (a) Hình ảnh

chụp 3 bọt khí có thể tích gần bằng nhau trong ống dẫn dầu, (b) Sơ đồ 3 bọt khí, (c)

Đo phát hiện 3 bọt khí có thể tích gần bằng nhau.

Ở Hình 4.7, ba bọt khí có thể tích gần bằng nhau. Khi qua cảm biến, tín hiệu đầu

ra tương ứng với ba bọt khí này giảm gần như nhau.

Hình 4.8 thể hiện kết quả đo thực nghiệm và mô phỏng khi cho 6 bọt khí có thể

tích khác nhau di chuyển trong kênh dẫn dầu và đi qua cảm biến. Kết quả cho thấy

sự thay đổi của điện dung theo thể tích bọt khí xuất hiện trong cảm biến kênh dẫn

dầu. Hình 4.8 cho thấy sự khác nhau (sai số) giữa kết quả mô phỏng và kết quả đo

thực nghiệm. Sai số này phát sinh từ một số lý do cơ bản như: Mô hình mô phỏng là

một mô hình lý tưởng, trong đó có lý tưởng hoá nhiều thông số cũng như ảnh hưởng

của các nguồn nhiễu; Một số các hệ số sử dụng trong mô phỏng được tham khảo từ

104

các thông số vật liệu trong các tài liệu kỹ thuật của vật liệu. Các giá trị này có thể

đâu đó chưa thật khớp với các giá trị của hệ thống thực nghiệm.

Tuy nhiên, dạng tín hiệu kết quả do mô phỏng và thực nghiệm giống nhau, điều

này chứng tỏ mô hình mô phỏng phù hợp với thực tế. Các khác biệt giữa thực

nghiệm và mô phỏng không lớn và có thể chấp nhận được. Các mô hình mô phỏng

được nghiên cứu sinh sử dụng để tối ưu hoạt động của hệ thống.

Với kết quả trong nghiên cứu này có thể ước lượng được mật độ cũng như thể

tích của các bọt khí trong dầu, từ đó đưa ra các cảnh báo để loại trừ bọt khí trong

dầu đảm bảo chất lượng dầu.

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

C

- fF

- mm3

Thuc nghiem

Xap xi tuyen tinh

Mo phong

Thể tích

Hình 4.8. Điện dung thay đổi theo thể tích bọt khí.

105

4.1.3. Giọt chất lỏng qua cảm biến kênh không khí

Thực nghiệm này sử dụng xi lanh để đẩy giọt chất lỏng trong ống dẫn truyền

dịch (kênh không khí). Ống dẫn truyền dịch có chứa giọt chất lỏng được đưa qua

hai cảm biến tụ Cx và Cr (hình 4.9).

Thay đổi điện dung của tụ điện Cx và Cr khi giọt chất lỏng đi qua dẫn tới sự

thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến chính là thông số cần quan tâm khảo sát.

Giọt chất lỏng khi đi qua cảm biến sẽ làm thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm

biến như hình 4.10.

Trong nghiên cứu này, với độ dài đoạn ống truyền dịch từ tụ Cx đến tụ Cr là 35

mm và thời gian giọt chất lỏng chuyển động từ tụ Cx đến Cr đo được từ phần mềm

Labview là 4 giây. Vận tốc của giọt chất lỏng là:

vgiọt = 35 mm/4s = 8.75 (mm/s)

Hình 4.9. Ống truyền dịch được luồn qua hai tụ điện Cx và Cr.

106

Cảm biến dòng chảy kiểu tụ được thiết kế và chế tạo thành công có thể phát

hiện được tình trạng ống dẫn có giọt chất lỏng hay không. Nghiên cứu này giới

thiệu thiết kế, chế tạo và khảo sát hoạt động của một cảm biến điện dung dùng để

phát hiện sự xuất hiện của giọt chất lỏng trong kênh dẫn không khí. Vận tốc của

giọt chất lỏng được tính thông qua theo dõi sự thay đổi điện dung lối ra của cảm

biến điện dung này. Khi giọt chất lỏng xuất hiện trong ống sẽ làm thay đổi điện

dung của cảm biến. Các giá trị nhận được từ sự thay đổi điện dung của cảm biến tụ

điện được sử dụng để đánh giá sự xuất hiện của giọt chất lỏng và tính toán được vận

tốc của giọt. Các kết quả đo cho thấy tín hiệu đầu ra đủ lớn, thể hiện được sự tồn tại

của giọt chất lỏng, tốc độ đi vào và đi ra khỏi ống dẫn.

0 1 2 3 4 5

125

130

135

140

145

150

155

160

165

170

175 Giọt chất lỏng

qua tụ Cx

Giọt chất lỏng

qua tụ Cr

Thời gian - s

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.10. Tín hiệu giọt chất lỏng qua tụ Cx rồi tới tụ Cr.

107

4.1.4. Thảo luận

Điện dung của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,51 fF tới 6,70 fF tương ứng

với thể tích bọt khí trong khoảng từ 0,1 đến 2,28 mm3. Thay đổi điện dung này đủ

lớn để các mạch điện tử có thể phát hiện và thu thập xử lý thông tin. Các kết quả

phân tích lý thuyết trùng với các kết quả thực nghiệm đo đạc được. Điều đó cho

thấy các mô hình phân tích lý thuyết là phù hợp. Các mô hình này có thể dùng để

phân tích và thiết kế các hệ thống cảm biến tương đương.

Bên cạnh các chức năng phát hiện vật thể trong kênh dẫn lỏng, cảm biến này

còn cho phép đo được vận tốc của các dòng chất lỏng thông qua xác định vị trí và

thời gian tương ứng của các hạt.

Bảng 4.2. Các thông số của cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh

vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Thông số Đơn vị Giá trị

Độ rộng của điện cực mm 1,4

Chiều cao của điện cực mm 1,4

Đường kính thành ống ngoài mm 1,6

Tần số xung sin cho đầu vào cảm biến kHz 100

Biên độ xung sin cho đầu vào cảm biến V 13,0

Bọt khí trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ (nhỏ nhất) mm3

0,1 ± 0,001

Bọt khí trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ (lớn nhất) mm3

2,28 ± 0,001

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin mV 4,00

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax mV 53,0

Giá trị điện dung thay đổi nhỏ nhất - ∆Cmin fF 0,51

Giá trị điện dung thay đổi lớn nhất - ∆Cmax fF 6,70

4.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng

hệ thống cảm biến

4.2.1. Bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn máu

Thực nghiệm này sử dụng ống truyền dịch đặt giữa khe của các cực của cảm

biến và dùng xi lanh đẩy máu dịch chuyển trong ống (hình 4.11).

108

Cảm

biến

Bọt khí

Xi lanh

bơm máu

Card NI

Hình 4.11. Hệ thống cảm biến.

Tín hiệu đầu ra của mạch cảm biến được đưa vào bộ thu thập dữ liệu NI sau đó

được xử lý trên máy tính bằng phần mềm LabView. Phần mềm LabView có thể ghi

lại được tín hiệu từ bộ thu thập dữ liệu NI dưới dạng file dữ liệu.

Hình 4.12 thể hiện dạng tín hiệu điện áp đầu ra của mạch cảm biến. Khi có bọt

khí có thể tích 27.75 mm3 dịch chuyển trong ống dẫn máu và đi qua cảm biến, biên

độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi nhiều nhất là 64.7 mV.

Bơm 4 bọt khí có thể tích khác nhau dịch chuyển trong kênh dẫn máu và đi qua

cảm biến. Hình 4.13 thể hiện tín hiệu xung điện áp đầu ra của cảm biến khi xuất

hiện 4 bọt khí có thể tích khác nhau. Thể tích nhỏ nhất là 17,66 mm3 và lớn nhất là

39,79 mm3 dịch chuyển qua cảm biến. Xung tín hiệu đầu ra của cảm biến tương ứng

với từng bọt khí có độ rộng khác nhau là do vận tốc bọt khí dịch chuyển trong máu

là khác nhau. Độ rộng xung lớn tương ứng với bọt khí dịch chuyển chậm.

109

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3.5

3.55

3.6

3.65

3.7

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - sThời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.12. Tín hiệu đầu ra của mạch cảm biến khi có bọt khí thể tích 27.75 mm3

dịch chuyển qua cảm biến.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3.58

3.6

3.62

3.64

3.66

3.68

3.7

17.66 mm3

27.75 mm3

35.33 mm3

39.79 mm3

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.13. Bọt có thể tích khác nhau qua cảm biến.

110

Khi cho các bọt khí có thể tích khác nhau dịch chuyển trong kênh dẫn đi qua

cảm biến, ta có kết quả bảng 4.3 thể hiện số liệu biên độ điện áp đầu ra của mạch

cảm biến tương ứng với thể tích của các bọt khí đi qua cảm biến. Biên độ của điện

áp đầu ra của mạch cảm biến có mối quan hệ tuyến tính với thể tích bọt khí đi qua

cảm biến (hình 4.14).

Hình 4.14 thể hiện biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến với thể tích bọt

khí đi qua cảm biến là tuyến tính. Căn cứ vào biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm

biến, ta có thể ước lượng thể tích của các bọt khí di chuyển qua cảm biến.

Bảng 4.3. Biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến tương ứng với thể tích của

các bọt khí

Thể tích ( ) Biên độ điện áp (V)

17.66 0.03

27.75 0.06

35.33 0.09

39.79 0.12

20 25 30 35 400.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Điện áp ra

- V

Hình 4.14. Sự phụ thuộc của biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến đối với

thể tích bọt khí.

111

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3.5

3.55

3.6

3.65

3.7

A B C

A

B

C

1 2

1 2

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.15. Tín hiệu đầu ra mạch cảm biến thay đổi khi bọt khí di chuyển qua

cảm biến trong kênh dẫn.

Tín hiệu đầu ra mạch cảm biến thay đổi khi bọt khí di chuyển qua cảm biến

trong kênh dẫn. Vị trí A là lúc bọt khí bắt đầu đi vào cảm biến, vị trí C là lúc bọt khí

đi ra khỏi cảm biến và vị trí B là lúc bọt khí ở giữa cảm biến. Vị trí 1 và 2 là tương

ứng với lúc 50% bọt khí đi vào và đi ra cảm biến.

Khi bỏ qua hiệu ứng cạnh, tín hiệu đầu ra đạt 50% giá trị tối đa của tín hiệu

tương ứng với điểm 1 và điểm 2 trên hình 4.15. Vận tốc của bọt khí có thể được ước

tính bằng cách định vị các điểm 1 và 2. Trong trường hợp đường kính bọt khí nhỏ

hơn độ dài của cảm biến điện dung, vận tốc của các bọt khí có thể được tính bằng:

Vbọt khí

Trong đó h là chiều dài của tụ điện, T1 và T2 là thời gian khi bọt khí tại điểm 1

và 2. Vận tốc của các bọt khí trong hình 4.15 là xấp xỉ 11,8 (mm/s).

112

Phần nghiên cứu này, các thiết kế và chế tạo các cảm biến điện dung được sử

dụng để phát hiện sự xuất hiện của các bọt khí trong ống dẫn máu. Vận tốc và thể

tích của các bọt khí được tính toán bằng cách quan sát sự thay đổi của điện áp đầu

ra của cảm biến điện dung. Cảm biến tụ điển hình được thiết kế và chế tạo có thể

phát hiện tình trạng đường ống dẫn máu có bọt khí ở thời gian thực. Khi bọt khí

xuất hiện trong ống dẫn máu, cảm biến điện dung sẽ thay đổi điện dung. Giá trị thu

được từ sự thay đổi điện dung được sử dụng để đánh giá sự xuất hiện của các bọt

khí và tính toán vận tốc và thể tích của các bọt khí đó. Cấu trúc cảm biến này sẽ có

độ nhạy tốt cho các bọt khí có thể tích 17-40 mm3 tương ứng với sự thay đổi điện áp

đầu ra 0,03-0,12 V.

4.2.2. Giọt nƣớc đi qua cảm biến kênh dầu biến thế

Cho giọt nước qua cảm biến kênh dầu nó sẽ làm thay đổi điện dung của cảm

biến và làm thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến. Hình 4.16 thể hiện giọt

nước có thể tích 26,05 mm3 di chuyển qua cảm biến, khi đó biên độ điện áp đầu ra

thay đổi là 3.95 V.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.16. Một giọt nước trong kênh dẫn dầu biến thế.

113

Bảng 4.4 là các độ lệch của biên độ tín hiệu đầu ra của mạch cảm biến tương ứng

với các giọt nước đi qua cảm biến. Giọt nước thể tích nhỏ nhất 14.99 mm3 có độ

lệch biên độ là 1.1 V. Giọt nước thể tích lớn nhất 33.25 mm3 có độ lệch biên độ là

6.17 V.

Đồ thị trên hình 4.17 thể hiện điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi tuyến

tính với thể tích giọt nước qua cảm biến.

Bảng 4.4. Thể tích của giọt nước tương ứng với các thông số biên độ

Thể tích ( ) Điện áp ra (V)

33.25 6.17

27.20 4.47

26.05 3.95

18.72 2.77

14.99 1.10

16 18 20 22 24 26 28 30 32 341

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Điện áp ra

- V

Hình 4.17. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể

tích của giọt nước.

114

4.2.3. Hạt kim loại đi qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ

Cho hạt thiếc dịch chuyển qua cảm biến trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ,

điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi như hình 4.18. Hạt thiếc có thể tích là

2,14 mm3 tương ứng với độ lớn của biên độ điện áp ra là 0.73 V.

Điện dung của cảm biến được suy ra từ các điện áp đo được ở đầu ra của hệ

thống cảm biến theo công thức (2.30). Điện dung thay đổi khi hạt thiếc đi qua điện

cực của tụ cảm biến được thể hiện trong hình 4.19. Sự thay đổi điện dung tối đa là

6,14 fF ứng với hạt thiếc có thể tích 2,14 mm3 đi qua cảm biến.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.18. Hạt thiếc trong kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ.

115

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

0

1

2

3

4

5

6

C

- fF

Thời gian - s

Hình 4.19. Điện dung thay đổi khi hạt thiếc có thể tích 2,14 mm3 di chuyển qua

cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ.

Cho 5 hạt thiếc có có thể tích khác nhau dịch chuyển trong kênh dẫn dầu bôi

trơn động cơ và đi qua cảm biến. Các hạt thiếc đi qua cảm biến tụ điện sẽ làm thay

đổi điện môi giữa các bản cực tụ cảm biến, từ đó làm thay đổi điện dung của tụ điện

cảm biến và làm thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến.

Bảng 4.5. Thể tích của hạt thiếc tương ứng với điện áp đầu ra và thay đổi điện

dung của cảm biến

Thể tích (mm3) Điện áp ra (V) Điện dung thay đổi (fF)

0.14 0.08 0.69

1.44 0.39 3.25

2.14 0.73 6.14

2.86 0.90 7.60

3.36 1.01 8.53

116

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Điện áp ra

- V

Hình 4.20. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể

tích của hạt thiếc.

Đồ thị trên hình 4.20 thể hiện thay đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay

đổi tuyến tính với thể tích hạt thiếc qua cảm biến.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

1

2

3

4

5

6

7

8

C

- fF

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Hình 4.21. Điện dung đầu ra của cảm biến thay đổi theo thể tích hạt thiếc đi qua

cảm biến.

117

4.2.4. Hạt hữu cơ đi qua cảm biến kênh dẫn dầu biến thế

Cho mẩu rau xanh qua cảm biến kênh dẫn dầu biến thế, điện áp đầu ra của mạch

cảm biến sẽ thay đổi như hình 4.22. Mẩu rau có thể tích là 23.35 mm3 và điện áp

đầu ra của mạch cảm biến là 4.98 V.

Cho 5 mẩu rau xanh có kích thước khác nhau di chuyển trong kênh dẫn dầu

biến thế và đi qua cảm biến tụ điện. Điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi

tuyến tính với thể tích mẩu rau (bảng 4.6 và hình 4.23).

Hình 4.23 thể hiện biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến với thể tích mẩu

rau là tuyến tính. Từ đó, căn cứ vào biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến ta có

thể ước lượng thể tích của các mẩu rau di chuyển qua cảm biến.

0 0.5 1 1.5 2

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.22. Mẩu rau trong kênh dẫn dầu biến thế.

118

15 16 17 18 19 20 21 22 23

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Điện áp ra

- V

Hình 4.23. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể

tích của mẩu rau.

Bảng 4.6. Thể tích của mẩu rau tương ứng với điện áp đầu ra của mạch cảm

biến

Thể tích (mm3) Điện áp ra (V)

15.39 1.83

17.26 2.35

19.04 3.61

21.21 4.22

23.35 4.98

119

4.2.5. Bọt khí đi qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ

Cho bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ, điện áp đầu ra của

mạch cảm biến sẽ thay đổi như hình 4.24. Bọt khí có thể tích là 5.57 mm3 và điện áp

đầu ra của mạch cảm biến là 0.44 V.

Sự thay đổi điện dung của cảm biến được suy ra từ các điện áp đo được ở đầu ra

của hệ thống cảm biến theo công thức (2.30). Điện dung thay đổi khi bọt khí đi qua

điện cực được thể hiện trong hình 4.25. Sự thay đổi điện dung tối đa là 3,66 fF, ứng

với bọt khí có thể tích 5.57 mm3 đi qua cảm biến.

Thực nghiệm này cho 5 bọt khí có thể tích khác nhau dịch chuyển trong kênh

dẫn dầu bôi trơn động cơ và đi qua cảm biến tụ điện. Các bọt khí đi qua cảm biến tụ

điện làm thay đổi điện dung của cảm biến và điện áp đầu ra của mạch cảm biến

(bảng 4.7, hình 4.26 và 4.27).

Hình 4.26 thể hiện biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến với thể tích bọt

khí là tuyến tính, từ đó căn cứ vào biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến ta có

thể ước lượng thể tích của bọt khí di chuyển qua cảm biến.

Bảng 4.7. Thể tích của bọt khí tương ứng với điện áp đầu ra và điện dung thay

đổi

Thể tích (mm3) Điện áp ra (V) Điện dung thay đổi (fF)

5.57 0.44 3.66

20.37 2.00 16.86

41.83 3.11 26.19

43.38 3.50 32.01

68.48 5.65 47.60

120

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

3.55

3.6

3.65

3.7

3.75

3.8

3.85

3.9

3.95

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.24. Điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi khi có bọt khí di chuyển qua

cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ.

0 0.5 1 1.5 2-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

C

- fF

Thời gian - s

Hình 4.25. Điện dung thay đổi khi bọt khí có thể tích là 5.57 mm3 di chuyển qua

cảm biến kênh dầu bôi trơn động cơ.

121

10 20 30 40 50 60 70

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

Điện áp ra

- V

Hình 4.26. Thay đổi điện áp đầu ra mạch cảm biến tương ứng với thể

tích của bọt khí.

0 10 20 30 40 50 60 700

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

C

- fF

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

122

Hình 4.27. Điện dung đầu ra của cảm biến thay đổi theo thể tích bọt khí.

4.2.6. Thảo luận

Điện dung của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,69 fF đến 8,53 fF tương

ứng với thể tích hạt thiếc trong khoảng từ 0,14 đến 3,66 mm3. Thay đổi điện dung

này đủ lớn để các mạch điện tử có thể phát hiện và thu thập xử lý thông tin.

Cảm biến phát hiện được giọt nước trong dầu biến thế. Điện áp thay đổi đầu ra

từ 3,95 đến 6,17 V tương ứng với thể tích giọt nước từ 26,05 đến 33,25 mm3.

Bảng 4.8. Các thông số của cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song

song với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Thông số Đơn vị Giá trị

Chiều dài điện cực đất mm 16,0

Chiều dài điện cực 1 mm 6,0

Chiều dài điện cực 2 mm 6,0

Chiều cao điện cực mm 5,0

Khoảng cách đỉnh hai điện cực ngắn với điện cực dài mm 3,0

Khoảng cách giữa hai điện cực ngắn mm 4,0

Tần số xung sin cho đầu vào cảm biến kHz 130

Biên độ xung sin cho đầu vào cảm biến V 10,0

Trong kênh dẫn máu

Bọt khí (nhỏ nhất) mm3 17,66 ± 0,001

Bọt khí (lớn nhất) mm3 39,79 ± 0,001

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin V 0,03

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax V 0,12

Trong kênh dẫn dầu biến thế

Giọt nước (nhỏ nhất) mm3 26,05 ± 0,001

Giọt nước (lớn nhất) mm3 33,25 ± 0,001

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin V 3,95

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax V 6,17

Trong kênh dầu bôi trơn động cơ

Hạt thiếc (nhỏ nhất) mm3 0,14 ± 0,001

Hạt thiếc (lớn nhất) mm3 3,36 ± 0,001

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin V 0,08

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax V 1,01

Giá trị điện dung thay đổi nhỏ nhất - ∆Cmin fF 0,69

Giá trị điện dung thay đổi lớn nhất - ∆Cmax fF 8,53

123

Bên cạnh đó cảm biến còn phát hiện được hạt hữu cơ (như mẩu rau xanh) trong

kênh dẫn. Thể tích mẩu rau từ 15,39 đến 23,35 mm3 cho thay đổi điện áp đầu ra của

hệ thống cảm biến từ 1,83 đến 4,98 V.

Cảm biến còn phát hiện được sự xuất hiện của các bọt khí trong ống dẫn máu.

Vận tốc và thể tích của các bọt khí được tính toán bằng cách quan sát sự thay đổi

của điện áp đầu ra của cảm biến điện dung. Cảm biến tụ điện được thiết kế và chế

tạo có thể phát hiện tình trạng đường ống dẫn máu có bọt khí ở thời gian thực. Khi

bọt khí xuất hiện trong các ống dẫn máu, cảm biến sẽ thay đổi điện dung, giá trị thu

được từ sự thay đổi điện dung được sử dụng để đánh giá sự xuất hiện của các bọt

khí và tính toán vận tốc và thể tích của các bọt khí đó. Cấu trúc cảm biến này có độ

nhạy tốt cho các bọt khí từ 17,66 đến 40 mm3, tương ứng với sự thay đổi điện áp

đầu ra từ 0,03 đến 0,12 V. Đồng thời, cảm biến này còn cho phép phát hiện bọt khí

trong dầu biến thế.

4.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

4.3.1. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn lỏng không

dẫn điện

Hình 4.28 thể hiện điện áp ra của cảm biến khi một hạt đi qua các điện cực của

cảm biến. Trong nghiên cứu này, dầu biến thế là một chất lỏng không dẫn điện được

sử dụng để khảo sát hoạt động của cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh

song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến. Đây chính là bộ cảm biến vi sai phát

hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc (DC4D). Điện áp đầu ra của hệ thống

cảm biến là tín hiệu vi sai từ hai tín hiệu đầu ra của hai cảm biến đơn phát hiện độ

dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp xúc (C4D đơn). Một C

4D đơn đóng vai trò là tụ cảm

biến và một C4D kia đóng vai trò là tụ tham chiếu.

124

0 0.5 1 1.5 21.475

1.48

1.485

1.49

1.495

1.5

1.505

1.51

1.515

1.52

1.525

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

(a)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.51.4

1.45

1.5

1.55

1.6

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

(b)

Hình 4.28. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D khi một hạt đi qua các điện cực

trong kênh dầu biến thế: (a) 4,17 mm3 bọt khí; và (b) 3,83 mm

3 hạt thiếc.

125

0 0.5 1 1.5

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

C

- fF

Thời gian - s

(a)

0 0.5 1 1.5 2-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

C

- fF

Thời gian - s

(b)

Hình 4.29. Sự thay đổi điện dung của hệ thống cảm biến DC4D khi một hạt đi

qua các điện cực trong kênh dầu biến thế: (a) 4,17 mm3 bọt khí; và (b) 3,83 mm

3 hạt

thiếc.

126

Hình 4.28 (a) cho thấy điện áp đầu ra của hệ thống cảm biến thay đổi lên đến 25

mV khi một bọt khí có thể tích 4.17mm3 qua cảm biến. Hình 4.28 (b) cho thấy điện

áp đầu ra của hệ thống cảm biến thay đổi lên đến 106 mV khi một hạt thiếc có thể

tích 3.83mm3 qua cảm biến.

Bên cạnh phát hiện một hạt bên trong kênh chất lỏng, cảm biến DC4D này có

thể được sử dụng để đo vận tốc dòng chảy bằng cách chia khoảng cách giữa tâm của

hai C4D đơn (L1 + L3) cho thời gian giữa hai đỉnh điện áp (hình 4.28 và 4.36).

Sự thay đổi điện dung của bộ cảm biến DC4D có thể được suy ra từ các điện áp

(∆V) đo được ở đầu ra của hệ thống cảm biến và theo công thức 2.37, với: R0 = 10

kΩ; Vin = 3 V; f = 580 kHz.

Điện dung thay đổi khi một hạt đi qua điện cực được thể hiện trong hình 4.29.

Các giá trị đo được gần bằng các giá trị mô phỏng được nêu tại chương 2. Sự thay

đổi điện dung tối đa là 1,5 fF và 6,3 fF, tương ứng với 4.17 mm3 bọt khí và 3,83

mm3 hạt thiếc khi đi qua cảm biến.

Biên độ của điện áp đầu ra và sự thay đổi điện dung phụ thuộc vào thể tích của

hạt tác nhân. Hình 4.30 cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa biên độ điện áp đầu ra

và thay đổi điện dung so với thể tích hạt thiếc. Vì vậy, cảm biến DC4D này cho

phép ước lượng thể tích của hạt khi biết chất liệu hạt.

Bảng 4.9. Điện áp và điện dung đầu ra thay đổi tương ứng với thể tích hạt thiếc

trong kênh dầu biến thế.

Thể tích (mm3) Điện áp ra (mV) Điện dung thay đổi (fF)

1.05 69.12 2.26

1.96 96.59 3.16

2.96 151.67 4.96

3.83 214.39 6.35

6.62 328.83 10.75

127

0 1 2 3 4 5 60

50

100

150

200

250

300

- mm3

Measured data

Linear fitted

Điện áp ra

- m

V

Thể tích

(a)

0 1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

10

C

- fF

- mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

Thể tích

(b)

Hình 4.30. Đầu ra của cảm biến DC4D thay đổi tương ứng với thể tích hạt thiếc

trong kênh dầu biến thế: (a) thay đổi điện áp đầu ra so với thể tích; và (b) thay đổi

điện dung so với thể tích.

128

4.3.2. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn chất lỏng dẫn

điện

Hình 4.31 thể hiện điện áp ra của cảm biến DC4D khi một hạt nhựa đi qua điện

cực trong kênh dẫn chất lỏng dẫn điện là dung dịch muối và nước. Độ lớn điện áp

đầu ra thay đổi lên đến 300 mV và 50 mV khi một hạt nhựa có thể tích 4,88 mm3 di

chuyển qua cảm biến trong kênh nước và trong kênh dung dịch muối tương ứng.

Sự thay đổi điện trở của dung dịch cảm biến DC4D có thể được suy ra từ các

điện áp (∆V) đo được ở đầu ra của hệ thống cảm biến và theo công thức 2.38, với:

R0 = 10 kΩ; Vin = 3 V. Hình 4.32 thể hiện sự thay đổi điện dẫn (1/Rs) khi một hạt

nhựa đi qua các điện cực của cảm biến DC4D.

0 1 2 3 4 5

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Hat nhua trong nuoc

Hat nhua trong nuoc muoi

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.31. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D khi một hạt nhựa đi qua các điện

cực: (a) kênh nước; và (b) kênh dung dịch muối.

129

0 1 2 3 4 5-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8x 10

-8

Hat nhua trong nuoc

Hat nhua trong nuoc muoi

Thời gian - s

Điện dẫn

thay

đổi

- S

Hình 4.32. Sự thay đổi điện dẫn khi một hạt nhựa đi qua các điện cực của cảm

biến DC4D: (a) kênh nước; (b) kênh dung dịch muối.

Bảng 4.10 và Hình 4.33 thể hiện mối quan hệ giữa biên độ điện áp đầu ra so với

thể tích của hạt nhựa trong dung dịch muối 0,9% và nước. Ta thấy rằng quan hệ là

tuyến tính và điện áp đầu ra trong kênh nước là lớn hơn so với trường hợp dung

dịch muối 0,9% khoảng 5 lần.

Bảng 4.10. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt trong

dung dịch muối và nước

Thể tích hạt nhựa

(mm3)

Điện áp đầu ra (mV)

Dung dịch muối 0.9% Nƣớc

1.5 25 142

4.63 115 650

4.88 140 700

5.87 155 800

6.25 180 897

9.37 220 1200

130

0 2 4 6 8 100

500

1000

1500

- mm3

Nuoc muoi

Linear fitted

Nuoc

Thể tích

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.33. Biên độ điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt trong

dung dịch muối và nước.

Bảng 4.11. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D so với thể tích hạt trong các

nồng độ khác nhau của dung dịch muối

Thể tích hạt nhựa

(mm3)

Điện áp đầu ra (mV)

0.75% 0.9% 1.5% 3%

1.5 35 25 16 10

4.25 130 110 68 36

4.63 150 115 75 37

4.88 165 140 76 45

5.87 180 155 95 47

6.25 186 180 117 60

9.37 288 220 152 78

131

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

V

- m

V

- mm3

Nuoc muoi 0.75%

Nuoc muoi 0.9%

Nuoc muoi 1.5%

Nuoc muoi 3%

Linear fitted

Thể tích

Hình 4.34. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D tương ứng với các thể tích hạt

trong các nồng độ khác nhau của dung dịch muối.

Sử dụng cảm biến DC4D khảo sát được đặc trưng nồng độ khác nhau của dung

dịch muối. Bảng 4.11 và Hình 4.34 thể hiện mối quan hệ giữa biên độ điện áp đầu

ra và thể tích hạt nhựa trong dung dịch muối. Ta thấy độ nhạy của cảm biến giảm

khi nồng độ muối trong dung dịch tăng lên. Tính dẫn điện của chất lỏng có thể được

ước tính bằng cách sử dụng đặc trưng này, khi biết thể tích của các hạt.

Hình 4.35 thể hiện điện áp đầu ra thay đổi tương ứng với điện trở suất của kênh

lỏng dẫn điện khi một hạt nhựa có thể tích là 9.37 mm3 di chuyển qua cảm biến.

Các mối quan hệ là tuyến tính với độ nhạy khoảng 400 mV / .m. Vì vậy, cảm biến

DC4D này có thể được sử dụng để đo độ nhạy chất lỏng khi biết được thể tích của

hạt.

132

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

50

100

150

200

250

- .m

Thuc nghiem

Linear fitted

Điện trở suất

Điện áp ra

- m

V

Hình 4.35. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D tương ứng với điện trở suất của

kênh lỏng dẫn điện.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

A

B

A B

14 mm

1.45 (s) 2.02 (s)

Thời gian - s

Điện áp ra

- V

Hình 4.36. Tính toán vận tốc của hạt bên trong kênh chất lỏng.

133

Hình 4.36 thể hiện tín hiệu điện áp đầu ra và cách bố trí các điện cực trong cấu

trúc cảm biến DC4D để phát hiện vận tốc hạt. Hai đỉnh điện áp tương ứng với điểm

A và điểm B. Đó là các điểm giữa của mỗi tụ cảm biến của cảm biến C4D đơn

tương ứng. Vì vậy, vận tốc hạt có thể được ước tính bằng cách chia khoảng cách

AB cho thời gian giữa hai đỉnh điện áp.

4.3.3. Thảo luận

Cảm biến DC4D có thể được sử dụng cho cả hai kênh chất lỏng dẫn điện và chất

lỏng không dẫn điện.

Bọt khí và hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh lỏng không dẫn điện.

Cảm biến cảm nhận hạt thiếc trong kênh dầu có thể tích từ 1,05 mm3 đến 6,62 mm

3

tương ứng với độ lệch biên độ đầu ra từ 69,12 mV đến 328,83 mV và điện dung

thay đổi từ 2,26 fF đến 10,75 fF.

Cảm biến cảm nhận biết hạt nhựa trong kênh dẫn dung dịch muối (có độ dẫn

điện là 6 S/m) với thể tích khác nhau từ 1,5 mm3 đến 9,37 mm

3, tương ứng có độ

lệch biên độ đầu ra từ 10 mV đến 78 mV. Các kết quả đo cho thấy mối quan hệ

tuyến tính giữa điện áp đầu ra và thể tích của hạt. Bên cạnh phát hiện hạt, bộ cảm

biến này cho phép đo vận tốc của các hạt bên trong kênh dẫn lỏng dựa vào khoảng

cách và thời gian di chuyển giữa hai cấu trúc C4D đơn.

4.4. Kết luận

Chương này đã trình bày kết quả tính điện dung thay đổi của cảm biến và kết

quả mô phỏng sự phân bố điện trường cũng như điện dung đầu ra của cảm biến.

Đồng thời, chương này đã trình bày kết quả thực nghiệm tín hiệu đầu ra của ba hệ

thống cảm biến khi có tác nhân di chuyển trong kênh dẫn đi qua cảm biến.

134

Bảng 4.12. Các thông số của cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh

dẫn lỏng không dẫn điện

Thông số Đơn vị Giá trị

Chiều rộng của điện cực mm 12,0

Khoảng cách giữa hai điện cực mm 2,0

Chiều cao của điện cực mm 5,0

Đường kính bên ngoài thành ống mm 4,0

Tần số xung sin cho đầu vào cảm biến kHz 580,0

Biên độ xung sin cho đầu vào cảm biến V 3,0

Trong kênh dẫn dầu biến thế

Hạt thiếc (nhỏ nhất) mm3 1,05 ± 0,001

Hạt thiếc (lớn nhất) mm3 6,62 ± 0,001

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin mV 69,12

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax mV 328,83

Giá trị điện dung thay đổi nhỏ nhất - ∆Cmin fF 2,26

Giá trị điện dung thay đổi lớn nhất - ∆Cmax fF 10,75

Trong kênh nƣớc muối

Hạt nhựa (nhỏ nhất) mm3 1,5 ± 0,001

Hạt nhựa (lớn nhất) mm3 9,37 ± 0,001

Nồng độ muối trong nước 0,75% 0,9% 1,5% 3%

Điện áp ra nhỏ nhất - ∆Vmin mV 35 25 16 10

Điện áp ra lớn nhất - ∆Vmax mV 288 220 152 78

Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng

hệ thống cảm biến có thể cảm nhận các tác nhân là bọt khí trong kênh dầu bôi trơn

động cơ và giọt nước trong kênh không khí. Cấu trúc này có thể phát hiện một bọt

khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi tương ứng từ 0,51 đến

6,7 fF và thay đổi điện áp đầu ra từ 4 đến 53 mV. Đồng thời, cảm biến này có thể

phát hiện được nhiều bọt khí. Từ đó, ta có thể ước lượng được thể tích của bọt khí,

giọt nước và ước lượng được vận tốc của bọt khí, giọt nước.

Cấu trúc cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng

hệ thống cảm biến có thể phát hiện được các thay đổi trong kênh dẫn. Cảm biến có

thể cảm nhận được tác nhân là bọt khí trong kênh dẫn máu với thể tích bọt khí từ

17,66 đến 40 mm3, giọt nước trong dầu biến thế với thể tích từ 26,05 đến 33,25

mm3 và mẩu rau xanh trong dầu biến thế với kích thước 15,39 đến 23,35 mm

3, và

135

hạt thiếc trong dầu bôi trơn động cơ với thể tích từ 0,14 đến 3,66 mm3. Bên cạnh

việc phát hiện ra tác nhân trong kênh dẫn, hệ thống cảm biến còn cho phép tính

được vận tốc dịch chuyển của tác nhân trong kênh dẫn.

Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ

thống cảm biến (cảm biến kênh chất lỏng DC4D). Cảm biến DC

4D có thể được sử

dụng cho cả hai kênh chất lỏng dẫn điện và chất lỏng không dẫn điện. Bọt khí và hạt

thiếc được bơm qua các điện cực với kênh lỏng không dẫn điện. Cảm biến cảm

nhận hạt thiếc trong kênh dầu có thể tích từ 1,05 mm3 đến 6,62 mm

3, tương ứng với

độ lệch biên độ đầu ra từ 69,12 mV đến 328,83 mV và điện dung thay đổi từ 2,26 fF

đến 10,75 fF. Cảm biến cảm nhận hạt nhựa trong kênh dẫn dung dịch muối (có độ

dẫn điện là 6 S/m) với thể tích khác nhau từ 1,5 mm3 đến 9,37 mm

3, tương ứng có

độ lệch biên độ đầu ra từ 10 mV đến 78 mV. Các kết quả đo cho thấy có mối quan

hệ tuyến tính giữa điện áp đầu ra và thể tích của hạt. Bên cạnh phát hiện hạt, bộ cảm

biến này cho phép đo vận tốc của các hạt bên trong kênh dẫn lỏng dựa vào khoảng

cách và thời gian di chuyển giữa hai cấu trúc C4D đơn.

Giới hạn đo tốc độ của các hạt tác nhân trong kênh dẫn của cảm biến phụ thuộc

vào tần số cấp cho cực kích thích và đáp ứng của bộ lọc thông thấp. Tần số càng lớn

thì bộ lọc có thời gian đáp ứng càng nhỏ. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của bộ lọc

có giới hạn nhất định. Trong nghiên cứu này, tần số cấp cho cực kích thích là từ 100

kHz đến 580 kHz. Các tần số trong khoảng này đều có thể đáp ứng cho việc đo các

bọt khí, hạt kim loại,… trong ống truyền máu, mạch máu và kênh dẫn dầu trong

khai thác dầu cũng như là trong các động cơ.

136

KẾT LUẬN

Cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường

trong kênh dẫn ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và

công nghệ khác nhau như công nghiệp chế tạo động cơ, công nghiệp thuỷ khí, công

nghiệp khai thác và chế biến dầu mỏ, kỹ thuật y sinh học và nhiều lĩnh vực khoa

học công nghệ phục vụ đời sống khác nhau. Nhiều phương pháp sử dụng cảm biến

chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng này. Tuy nhiên, các phương pháp đó đều gặp

phải các khó khăn về thiết kế cấu trúc, chế tạo cảm biến, về loại bỏ nhiễu dây dẫn,

nhiễu kênh dẫn, nhiễu nguồn và đặc biệt là cảm biến đo được cho kênh dẫn chất

lỏng có độ dẫn điện cao, đo được cho cả kênh dẫn không dẫn điện và dẫn điện.

Luận án này trình bày các tính toán, mô phỏng, thiết kế, chế tạo và khảo sát

đánh giá hoạt động của cảm biến chất lỏng dựa trên ba cấu trúc nhằm giải quyết các

khó khăn này.

Các kết quả quan trọng của luận án đạt được là:

1. Cảm biến kiểu tụ điện có cấu trúc dạng cung tròn gồm một kênh cảm biến và

một kênh tham chiếu (cho cấu trúc vi sai) nhằm giảm ảnh hưởng nhiễu nguồn

và nhiễu dây dẫn.

2. Cảm biến kiểu tụ điện dạng thẳng sử dụng cấu trúc vi sai đã làm giảm ảnh

hưởng được nhiễu kênh dẫn.

3. Cảm biến dạng chữ U (cấu trúc DC4D) đồng thời đo được cho cả kênh chất

lỏng dẫn điện và không dẫn điện. Cảm biến DC4D đo được cho kênh chất

lỏng có độ dẫn điện cao đến 6 S/m. Các cảm biến đề xuất đều được chế tạo

trên bảng mạch PCB. Điều này giúp thu gọn kích thước.

Các đề xuất mới trong luận án, về cơ bản được sử dụng để nâng cao chất lượng

trong các ứng dụng cảm nhận sự thay đổi môi trường trong kênh dẫn chất lỏng, đáp

137

ứng được các yêu cầu ứng dụng tích hợp vào hệ thống chất lỏng có độ dẫn điện cao

và chất lỏng không dẫn điện. Luận án này đã nghiên cứu kích thước các điện cực

của cảm biến cỡ milimét và đo được sự thay đổi của điện dung của cảm biến cỡ fF.

Như vậy, các cảm biến kênh dẫn chất lỏng này có thể được sử dụng để phát hiện

dòng chảy hai pha trong ngành công nghiệp dầu khí, phát hiện hạt trong kênh dẫn

lỏng và phát hiện, đếm tế bào cho các ứng dụng y sinh học.

Trong thời gian tới, Nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển

các cấu trúc cảm biến này và định hướng cho một số ứng dụng cụ thể trong y sinh

học. Một số định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án là:

- Thiết kế các hệ thống cảm biến phát hiện các vi đối tượng trong kênh vi lỏng.

Các đối tượng định hướng là các tế bào sống và cụ thể tập trung vào đối

tượng là các tế bào máu. Các tế bào sống thường có kích thước cỡ vài

micromet cho đến vài chục micromet. Do đó, các kênh lỏng sẽ có kích cỡ

khoảng từ 10 µm cho đến 100 µm.

- Hệ thống cảm biến kênh vi lỏng sau đó được định hướng ứng dụng phát hiện

các tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs – Circulating Tumor Cells) trong phát

hiện ung thư sớm. Hệ thống cảm biến cần đáp ứng được yêu cầu tương thích

với y sinh học và cho phép gắn được các chỉ thị sinh học lên cấu trúc cảm

biến.

- Như trình bày trong luận án, các cấu trúc này có tiềm năng ứng dụng cho

các hệ thống kênh dẫn kích thước lớn như ống dẫn dầu, ống dẫn nước.

Nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế và tối ưu cấu trúc cho các

bài toán này khi có yêu cầu từ thực tế.

138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. T. Vu Quoc, H. Nguyen Dac, T. Pham Quoc, D. Nguyen Dinh, T. Chu Duc,

“A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside fluidic flow

detection,” Microsystem Technologies Journal, Volume 21, April 2015, pp.

911-918. (SCI)

2. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Do Quang Loc, Nguyen Hoang Hai, Chu

Duc Trinh, “Differential C4D Sensor for Conductive and Non-conductive

Fluidic Channel”, Microsystem Technologies Journal, ISSN: 0946-

7076 (printed version), ISSN: 1432-1858 (electronic version) 2015. (SCI)

3. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha, Nguyen Ngoc Minh,

Chu Duc Trinh, “Fluidic Capacitive Sensor for Detection of Air Bubble

Inside Engine Lubricating Oil”, VNU Journal of Science: Natural Sciences

and Technology, Vol. 31, No. 1 (2015) 8-16

4. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Chu Duc Trinh,

“Detection of air bubbles in the microfluidic channel,” Hội nghị toàn quốc

lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013, pp. 582- 587.

5. Nguyễn Đắc Hải, Vũ Quốc Tuấn, Phạm Quốc Thịnh, Chử Đức Trình, “Hệ

thống cảm biến giọt chất lỏng trong kênh dẫn,” Hội nghị quốc gia về Điện tử

- Truyền thông (REV2013-KC01), pp. 56-60.

6. Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy Ha, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh and

Chu Duc Trinh, Three-electrode capacitive sensor for air-bubble inside

fluidic flow detection, The Fifth International Conference on

Communications and Electronics - ICCE 2014.

7. Nguyen Dac Hai, Pham Hoai Nam, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha,

Nguyen Ngoc Minh, Chu Duc Trinh, “Air bubbles detection and alarm in the

blood stream of dialysis using capacitive sensors,” International Conference

on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3), 2014.

139

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Ho AM. (Jul 1999), “Is emergency thoracotomy always the most appropriate

immediate intervention for systemic air embolism after lung trauma”. Chest.,

116(1) :234-7.

2. Muth CM, Shank ES (2000), “Gas Embolism”, N Engl J Med, vol 342, pp 476–

482.

3. Michal Barak and Yeshayahu Katz (2005), “Micro bubbles: Pathophysiology

and Clinical Implications”, Chest, vol 128, pp 2918-2932.

4. Dan M. Arnold, Harold E. Peelman, Obie M. Langford, Hans J. Paap, Irwin R.

Supernaw (24 Jun 1980), “Detection of impurities in fluid flowing in refinery

pipeline or oil production operations using nuclear techniques”, U.S. patent.

5. Kuo-Ting Wu (2011), “ Engine Oil Condition Monitoring Using High

Temperature Integrated Ultrasonic Transducers”, International Journal of

Prognostics and Health Management, ISSN 2153-2648.

6. Ayeisha Correa, Beatriz Rutzen, and Arlene Santiago (2004), “Biofluid

Dynamics of the Human Kidney System and Artificial Kidney”, Mayagüez.

7. Mirski MA, Lele AV, Fitzsimmons L, Toung TJ (Jan 2007), “Diagnosis and

treatment of vascular air embolism”, Anesthesiology,106(1):164-77.

8. Kentaro NISHIKAWA , Tomomi ISHIKAWA (2008), “Development of a

Method for Monitoring Lubricant Deterioration”, NTN Technical Review

No.76.

9. Richard E. Cantley (May 10-13, 1976), “The Effect of Water in Lubricating Oil

on Bearing Fatigue Life”, presented at the 31st Annual Meeting in

Philadelphia, Pennsylvania.

10. Y.Du, A.V. Mamishev, B.C. Lesieutre, M. Zahn and S. H. Kang (October

2001), “Moisture solubility for differently conditioned transformer oils”, IEEE

Transactions on Dielectrics and Electrical Inslation, Vol. 8 No. 5.

11. Allen Filters, Inc (2009), Transformer Oil, Part 2: Deterioration of Mineral

Transformer Oil, United States.

140

12. Lê Đình Sáng (2010), Huyết học – Truyền máu, Bách khoa y học.

13. I.M. Felsen, R. W. McQuaid and J. A. Marzani (October 5-7, 1971),“Effect of

Seawater on the Fatigue Life and Failure Distribution of Flood-Lubricated

Angular Contact Ball Bearings”, The ASME/ASLE Lubrication Conference

held in Pittsburgh, Pennsylvania.

14. J. Wei, P.M. Sarro, T. Chu Duc (2010), “A piezoresistive sensor for pressure

monitoring at inkjet nozzle”, Proceeding of IEEE Sensors, pp. 2093-2096.

15. W. A. Vivian, K.P. Malloy, J.E. Hackett, D.K. Clark, and C.C. Reed (1980),

“Clinical evaluation of an air embolism detection device,” Cardiovasc Dis,

Vol. 7, No. 4, pp. 425–428.

16. H. Markus (1993), “Transcranial Doppler detection of circulating cerebral

emboli,” Stroke, Vol. 24, No. 8, pp. 1246–1250.

17. Meng Sun, Shi Liu, Jing Lei, and Zhihong Li (2008), “Mass flow measurement

of pneumatically conveyed solids using electrical capacitance tomography,”

Meas. Sci. Technol. 19, 045503 (6pp).

18. H. Caniere, C.T. Joen, A. Willockx, M. De Paepe, M. Christians, E. van

Rooyen, L. Liebenberg, and J.P. Meyer (2007), “Horizontal two-phase flow

characterization for small diameter tubes with a capacitance sensor,” Meas. Sci.

Technol. 18, 2898-2906.

19. A. Ernst,W. Streule, N. Schmitt, R. Zengerle, P. Koltay (2009), “A capacitive

sensor for non-contact nanoliter droplet detection,” Sensors and Actuators A:

Physical, pp 57-63.

20. C. Elbuken, T. Glawdel, D. Chan, and C.L. Ren (2011), “Detection of micro

droplet size and speed using capacitive sensors,” Sensors and Actuators A:

Physical, Vol. 171, pp. 55-62.

21. M.S. Ko, B.J. Yun, K.Y. Kim, and S. Kim (2012), “Design of a capacitance

sensor for void fraction measurement in annular flows through a vertical pipe,”

Meas. Sci. Technol. Vol. 23, pp. 105301(9 pp).

141

22. M.D. Vahey, and J. Voldman (2008), “An Equilibrium Method for Continuous-

Flow Cell Sorting Using Dielectrophoresis,” Anal. Chem., 80 (9), pp 3135–

3143.

23. R. Thorn, G.A. Johansen, and B.T. Hjertaker (2013), “Three-phase flow

measurement in the petroleum industry,” Meas. Sci. Technol. 24.

24. J. Wei (2010), “Silicon MEMS for detection of liquid and solid fronts,” PhD

Thesis, Delft University of Technology.

25. Susan L. Schiefelbein, Naomi A. Fried, Kevin G. Rhoads, and Donald R.

Sadoway (1998),“A high-accuracy, calibration-free technique for measuring the

electrical conductivity of liquids”, American Institute of Physics.

26. Emerson dos Reis, Leonardo Goldstein Jr. (2005), “A non-intrusive probe for

bubble profile and velocity measurement in horizontal slug flows”, Flow

Measurement and Instrumentation.

27. Jaworek, A., A. Krupa, and M. Trela (2004), “Capacitance sensor for void

fraction measurement in water/steam flows”, Flow Measurement and

Instrumentation. 15(5-6): p. 317-324.

28. Andreas J. Zemann, E.S., Dietmar Volgger, and Gu1nther K. Bonn (1998),

“Contactless Conductivity Detection for Capillary Electrophoresis”, Anal.

Chem.

29. J. A. F da Silva, d.L. (1998), “An Oscillometric Detector for Capillary

Electrophoresis”, Anal. Chem. 70(20): p. 4339–4343.

30. Baoliang Wang, Majing Chai, Haifeng Ji, Zhiyao Huang, Haiqing Li (2013),

“Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection Based on Phase-

sensitive Demodulation Principle*”, 10th IEEE International Conference on

Control and Automation (ICCA), Hangzhou, China.

31. Sanfu Fu, Baoliang Wang*, Haifeng Ji, Zhiyao Huang, Haiqing Li. (2011), “A

contactless conductivity sensor based on capacitively coupled principlel”,

Electrical and Control Engineering (ICECE), International Conference.

142

32. Honghua Liao, Jianjun Chen and Jun Yu (2009), “Micro-conductivity rapid

detection research of electrophoresis chip based on orthogonal vector lock-in

amplifier on FPGA”, Computational Intelligence and Software Engineering,

(CiSE) International Conference.

33. Hai-feng Zhang1, Xiao-wei Liui1,2,*, Zhi-cheng Peng!, Xi-Lian Wang, Wei

Wang, Yu-feng Chen (2009), “Design of Movable Contactless Conductivity

Detection for Microchip Capillary Electrophoresis”, Nano/Micro Engineered

and Molecular Systems, NEMS 2009. 4th IEEE International Conference.

34. Huang, Z., et al. (2012), “Design of capacitively coupled contactless

conductivity detection sensor”, Flow Measurement and Instrumentation. 27: p.

67-70.

35. Wang, B., et al. (2013), “Measurement of bubble velocity using Capacitively

Coupled Contactless Conductivity Detection (C4D) technique”, Particuology.

11(2): p. 198-203.

36. Zhang, Z., et al. (2012), “Determination of anions using monolithic capillary

column ion chromatography with end-to-end differential contactless

conductometric detectors under resonance approach”, Analyst. 137(12): p.

2876-83.

37. Zhenli Zhang, Y.L., Zhongshi Xu, Xilei Zhu, Qi Kang, Dazhong Shen (2013),

“Determination of Equivalent Circuit paramerters of a Contactless Conductive

Detector in Capillary Electrophoresis by an Imperdance Analysis Method”,

Electrochemical Science.

38. Kuban, P. and P.C. Hauser (2008), “A review of the recent achievements in

capacitively coupled contactless conductivity detection”, Anal Chim Acta.

607(1): p. 15-29.

39. Kuban, P.H., P.C (2011), “Capacitively coupled contactless conductivity

detection for microseparation techniques - Recent development”,

Electrophoresis, p. 30-42.

143

40. Liu, J., et al. (2013), “Modeling of capacitively coupled contactless

conductivity detection on microfluidic chips”, Microsystem Technologies,

19(12): p. 1991-1996.

41. Petr Kuban, Bo Karlberg , Pavel Kuban, Vlastimil Kuban (2002), “Application

of a contactless conductometric detector for the simultaneous determination of

small anions and cations by capillary electrophoresis with dual-opposite end

injection”, Journal of Chromatography A.

42. Demori, M., et al. (2010), “A capacitive sensor system for the analysis of two-

phase flows of oil and conductive water”, Sensors and Actuators A: Physical.

163(1): p. 172-179.

43. Solinova, V.K. (2006), “Recent applications of conductivity detection in

capillary and chip electrophoresis”, J. Sep. Sci, p. 1743-1762.

44. Kuban, P.H., P.C. (2004), “Fundamental aspects of contactless conductivity

detection for capillary electrophoresis, part I: frequency behavior and cell

geometry”, Electrophoresis, p. 3387-97.

45. Kuban, P.H., P.C. (2004), “Fundamental aspects of contactless conductivity

detection for capillary electrophoresis, part II: signal-to-noise ratio and stray

capacitance”, Electrophoresis, p. 3398-3405.

46. Gas B, Z.J., Coufal P, van de Goor T (2002), “Optimization of the high-

frequency contactless conductivity detector for capillary electrophoresis”,

Electrophoresis, p. 3520-7.

47. Shih C-Y, L.W., Zheng SY, Tai YC (2006), “A Resonance-Induced Sensitivity

Enhancement Method for Conductivity Sensors”, IEEE sensors, EXCO, p. 271-

4.

48. Lei Wang, Z.H., Baoliang Wang, Haifeng Ji, and Haiqing Li (2012), “Flow

Pattern Identification of Gas–Liquid Two-Phase Flow Based on Capacitively

Coupled Contactless Conductivity Detection”, IEEE Transactions on

Instrumentation and Measurement, p. 1466-1474.

144

49. J. C. Maxwell (1873), “A treaties on electricity and Magnetism”, Oxford:

Clarendon.

50. Ali Heidary (2010), A Low-Cost Universal Integrated Interface for Capacitive

Sensors, Master of Science Electrical Engineering, Electronic Tehran

University, Tehran, Iran.

51. Larry K. Baxter (1997), “Capacitive Sensors Design and Applications”, IEEE

Press Series on Electronics Technology.

52. Heerens,W.Chr. (1986), “Application of capacitance techniques in sensor

design”, Journal of Physics E: Scientific Instruments 19: 897-906. Bristol,

England: Institute of Physics Publishing, p. 898.

53. Stephen D. Senturia (2002), Microsystem design, Kluwer academic publishers.

54. F.N. Toth (1997), A design methodology for low-cost, high-performance

capacitive sensor, PhD Thesis, Delft University of Technology.

55. D. Watzenig, and C. Fox (2009), “A review of statistical modelling and

inference for electrical capacitance tomography,” Meas. Sci. Technol. 20,

052002 (22pp).

56. IBM (1996), Model 7220 DSP Lock-in Amplifier Instruction Manual, EG&G

Instrument Corporation.

57. W.Chr. Heerens, F.C. Vermeulen (1975), “Capacitance of Kelvin guard-ring

capacitors with modified edge geometry,” J. Appl. Phys. Vol. 46, no. 6, pp.

2486-2490.

58. D. Marioli, E. Sardini, and A. Taroni (1990), “Measurement of small

capacitance variations,” IEEE Trans. Instrum. Meas. Vol. 40, No. 2, pp. 426-

428.

59. A. Heidary, and G.C.M. Meijer (2009), “An integrated interface circuit with a

capacitance-to-voltage converter as front-end for grounded capacitive sensors,”

Meas. Sci. Technol. 20, pp. 015202 (7 pp.).

60. Opekar, F., P. Tuma, and K. Stulik (2013), “Contactless impedance sensors and

their application to flow measurements”, Sensors (Basel), 13(3): p. 2786-801.

145

61. Brito-Neto, J.G.A.d.S., J.A.F.; Blanes, L; do Lago, C.L. (2005), "Understanding

capacitively coupled contactless conductivity detection in capillary and

microchip electrophotrsis. Part 2. Peak shape, stray capacitance, noise, and

actual electronics”, Electroanalysis, p. 1207-1214.

62. COMSOL Multiphysics (2011), User’s Guide, Version 4.2a.

63. COMSOL Multiphysics (2011), Inkjet Nozzle—Level Set, Version 4.2a.

64. William S. Rone and Pinhas Ben-Tzvi (2011), “MEMS-Based Microdroplet

Generation with Integrated Sensing”, COMSOL conference.

65. T Dyakowski, F C Jeanmeure and A J jaworski (2000), “Application of

electrical tomography for gas-solids and liquid-solids flows – a review”,

Powder technology, 112, pp. 174 – 192.

66. Kjell Joar Alme, Saba Mylvaganam (2006), “Analyzing 3D and Conductivity

Effects in Electrical Tomography Systems Using COMSOL Multiphysics EM

Module”, conference of the 2006 Nordic COMSOL.

67. Vu Quoc Tuan (2014), Design and fabrication of a capacitive sensor based on

printed circuit board for air bubble inside fluidic flow detection, Master thesis,

University of Engineering and Technology, Vietnam National University,

Hanoi.

68. T.T. Bui 2, T.T.H. Tran 3, K. Kikuchi 2, M. Aoyagi 2, T. Chu Duc 1, (2015),

“Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection (DC4D) Sensor for

Detection of Object in Microfluidic Channel”, IEEE sensor.