Luận văn Nghiên cứu chế tạo thiết bn đo thủy phần

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo thiết bn đo thủy phần

1. ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠ I H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --------------------- Bùi Th ị Dung NGHIÊN C ỨU CH Ế T ẠO THI ẾT B N ĐO TH ỦY PH ẦN LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC Hà N ội – N ăm 2013
2. ĐẠI H ỌC QU ỐC GIA HÀ N ỘI TR ƯỜNG ĐẠ I H ỌC KHOA H ỌC T Ự NHIÊN --------------------- Bùi Th ị Dung NGHIÊN C ỨU CH Ế T ẠO THI ẾT B N ĐO TH ỦY PH ẦN Chuyên ngành: V ật lý Vô tuy ến và Điện t ử Mã s ố: 60440105 LU ẬN V ĂN TH ẠC S Ĩ KHOA H ỌC NG ƯỜI H ƯỚNG D ẪN KHOA H ỌC: PGS.TS Ph ạm Qu ốc Tri ệu Hà N ội – N ăm 2013
3. LỜI C ẢM ƠN Trong quá trình làm lu ận v ăn th ạc s ĩ, tôi kính xin chân thành c ảm ơn th ầy giáo PGS.TS. Ph ạm Qu ốc Tri ệu đã t ận tình h ướng d ẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành lu ận văn này. Tôi c ũng xin chân thành c ảm ơn th ầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên cùng các th ầy, cô giáo trong b ộ môn V ật lý vô tuy ến và điện t ử đã giúp đỡ nhi ệt tình trong quá trình h ọc t ập và làm lu ận v ăn c ủa tôi. Tôi c ũng xin chân thành c ảm ơn toàn b ộ các th ầy cô trong khoa V ật lý, tr ường Đạ i h ọc Khoa h ọc T ự nhiên đã cho tôi nh ững ki ến th ức quý báu trong th ời gian h ọc t ập t ại tr ường. Tôi xin kính c ảm ơn gia đình, b ố m ẹ, anh em và b ạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm lu ận v ăn. Hà N ội, tháng 12 n ăm 2013 Học viên cao h ọc BÙI TH N DUNG
4. MỤC L ỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Ch ươ ng 1- CHUY ỂN ĐỔI TÍN HI ỆU TH ỦY PH ẦN ........................................... 2 1.1. Cảm bi ến độ m không khí ............................................................................... 2 1.1.1. Nh ững định ngh ĩa c ơ b ản v ề không khí m.................................................. 2 1.1.2. Phân lo ại m k ế ............................................................................................... 5 1.1.3. Ẩm k ế ng ưng t ụ ............................................................................................... 6 1.1.4. Ẩm k ế h ấp th ụ ................................................................................................. 8 1.1.5. Ẩm k ế bi ến thiên tr ở kháng ......................................................................... 12 1.1.6. Ẩm k ế điện ly ................................................................................................. 17 1.2. Th ủy ph ần trong nguyên li ệu, s ản ph m ....................................................... 19 1.2.1. Vai trò c ủa th ủy ph ần trong nguyên li ệu, s ản ph m ................................. 19 1.2.2. Chuy ển đổi đo l ường..................................................................................... 20 Ch ươ ng 2- M ỘT S Ố M ẠCH ĐIỆN TH ƯỜNG DÙNG V ỚI C ẢM BI ẾN......... 25 2.1. M ạch khu ếch đại vi sai .................................................................................... 25 2.1.1. Ch ế độ m ột chi ều........................................................................................... 26 2.1.2. Ch ế độ xoay chi ều.......................................................................................... 27 2.2. M ạch khu ếch đại .............................................................................................. 29 2.3. M ạch c ầu kh ử điện áp l ệch.............................................................................. 30 2.4. C ầu đo điện dung và góc t ổn hao.................................................................... 31 2.5. M ạch l ặp l ại điện áp......................................................................................... 33 2.6. M ạch c ầu điện tr ở ............................................................................................ 34 Ch ươ ng 3 - NGHIÊN C ỨU THI ẾT K Ế CH Ế T ẠO MÁY ĐO........................... 35 3.1. Nghiên c ứu ch ế t ạo máy đo th ủy ph ần c ủa g ạo theo nguyên lý điện d ẫn ... 35 3.1.1 Nghiên c ứu s ố li ệu th ực nghi ệm.................................................................... 35 3.1.2. C ơ s ở thi ết k ế máy đo độ m c ủa thóc, g ạo (thang đo tuy ến tính) ........... 40 3.2. Nghiên c ứu ch ế t ạo máy đo th ủy ph ần theo nguyên lý điện dung............... 43 3.2.1. T ụ điện............................................................................................................ 43 3.2.2. Cầu điện dung Booton 72B........................................................................... 47
5. 3.3. K ết qu ả th ực nghi ệm........................................................................................ 48 3.3.1. Kh ảo sát s ự thay đổi điện dung C theo l ượng v ật ch ất: ............................ 48 3.3.2. Kh ảo sát s ự ph ụ thu ộc điện dung C theo th ủy ph ần g ạo .......................... 54 3.3.3. Đề xu ất m ạch ch ức n ăng cho thi ết b ị đo th ủy ph ần................................... 55 KẾT LU ẬN .............................................................................................................. 63 TÀI LI ỆU THAM KH ẢO .......................................................................................... PH Ụ L ỤC................................................................................................................. 65
6. DANH MỤC HÌNH V Ẽ Hình 1.1. S ơ đồ nguyên lý Nm k ế ng ưng t ụ.................................................................7 Hình 1.2. Đường cong áp su ất h ơi ph ụ thu ộc vào nhi ệt độ c ủa m ột s ố dung d ịch bão hòa ...............................................................................................................................9 Hình 1.3. S ơ đồ nguyên lý đầu đo dùng clorua liti ...................................................11 Hình 1.4. Hàm l ượng n ước trong ch ất h ấp th ụ là hàm c ủa độ Nm và nhi ệt độ .........13 Hình 1.5.a. S ự ph ụ thu ộc c ủa điện tr ở vào độ Nm t ươ ng đối ....................................14 Hình 1.5.b. M ạch đo có Nm k ế điện tr ở.....................................................................14 Hình 1.6. S ơ đồ c ấu t ạo và m ạch t ươ ng đươ ng c ủa Nm k ế t ụ điện Al2 O 3 .................16 Hình 1.7. S ơ đồ nguyên lý c ấu t ạo c ủa Nm k ế điện ly...............................................18 Hình 1.8. Thi ết b ị đo H theo nguyên lý cân s ấy MB45 ............................................22 Hình 1.9. Thi ết b ị KETT F512 ..23 Hình 1.10. Thi ết b ị GMK 303RS..............................................................................23 Hình 1.11. Thi ết b ị KETT PM 600 ...........................................................................24 Hình 2.1. M ạch khu ếch đạ i vi sai..............................................................................25 Hình 2.2. Phân c ực cho m ạch vi sai..........................................................................26 Hình 2.3 M ạch K ĐVS ở ch ế độ đơn.........................................................................27 Hình 2.4. M ạch K ĐVS ho ạt độ ng ở ch ế độ đồ ng pha ..............................................29 Hình 2.5. S ơ đồ b ộ khu ếch đạ i đo l ường g ồm ba K ĐTT ghép n ối điện tr ở .............30 Hình 2.6. S ơ đồ kh ử điện áp l ệch..............................................................................31 Hình 2.7. C ầu đo t ụ điện t ổn hao ít ...........................................................................31 Hình 2.8 C ầu đo t ụ điện t ổn hao l ớn .........................................................................32 Hình 2.9. S ơ đồ m ạch l ặp điện áp .............................................................................33 Hình 2.10. S ơ đồ m ạch c ầu điện tr ở..........................................................................34 Hình 3.1. Đồ th ị ph ụ thu ộc c ủa H % theo ρ ..............................................................37 Hình 3.2. S ự ph ụ thu ộc c ủa điện tr ở su ất c ủa g ạo theo nhi ệt độ ...............................38 Hình 3.3. M ạch nguyên lý c ủa máy đo .....................................................................41
7. Hình 3.4. S ơ đồ máy đo độ Nm c ủa thóc g ạo ............................................................42 Hình 3.5. K ết qu ả so sánh gi ữa hai máy đo ..............................................................42 Hình 3.6. T ụ điện ph ẳng............................................................................................44 Hình 3.7 T ụ tr ụ..........................................................................................................45 Hình 3.8. Hai t ụ tr ụ được ch ế t ạo..............................................................................46 Hình 3.9 M ạch c ầu đo trong thi ết b ị Booton 72B.....................................................47 Hình 3.10. Thi ết b ị đo điện dung DL8000................................................................48 Hình 3.11 Đồ th ị th ực nghi ệm bi ểu di ễn quan h ệ CMN ph ụ thu ộc l ượng m ẫu..........51 Hình 3.12 Đồ th ị th ực nghi ệm bi ểu di ễn quan h ệ CMN ph ụ thu ộc l ượng m ẫu..........53 Hình 3.13. Đồ th ị t ổng h ợp các quan h ệ CMN (t ụ nh ỏ) theo các l ượng m ẫu khác nhau...53 Hình 3.14. Đồ th ị t ổng h ợp các quan h ệ CMN (t ụ l ớn) theo các l ượng m ẫu khác nhau.....54 Hình 3.15. T ươ ng quan độ Nm và điện dung c ủa m ẫu g ạo Si...................................55 Hình 3.16. T ươ ng quan độ Nm và điện dung c ủa m ẫu g ạo Tám Điện Biên..............55 Hình 3.17 Kh ối t ạo tín hi ệu sine ...............................................................................56 Hình 3.18 S ơ đồ m ạch phát xung.............................................................................56 Hình 3.19 S ơ đồ m ạch chia t ần ................................................................................57 Hình 3.20 S ơ đồ m ạch t ạo sóng sine và khu ếch đại công su ất ................................58 Hình 3.21. M ạch c ầu Sauty.......................................................................................59 Hình 3.22. M ạch khu ếch đạ i vi sai............................................................................59 Hình 3.23. Đồ th ị bi ểu di ễn t ươ ng quan gi ữa Vout và l ượng m ẫu L........................61 Hình 3.24. Đồ th ị bi ểu di ễn t ươ ng quan gi ữa Vout và H..........................................62
8. DANH M ỤC BẢNG Bảng 1. Giá tr ị áp su ất h ơi bão hòa trên m ặt n ước và trên dung d ịch mu ối clorua liti ..........................................................................................................10 Bảng 3.1. T ươ ng quan gi ữa điện tr ở su ất và độ Nm c ủa g ạo....................................35 Bảng 3.2. Giá tr ị c ủa điện tr ở su ất ρ ( Ω.cm).............................................................37 Bảng 3.3. S ố li ệu c ủa hàm đa th ức và l ũy th ừa.........................................................38 Bảng 3.5. So sánh thông s ố nhi ệt c ủa g ạo và c ủa nhi ệt tr ở Ge pha t ạp Cu...............39 Bảng 3.7. So sánh s ố ch ỉ c ủa máy Kett và máy l ắp ráp ............................................43
9. MỞ ĐẦ U Là m ột đấ t n ước nông nghi ệp, Vi ệt Nam có l ượng s ản ph Nm nông nghi ệp h ết s ức phong phú. Có hàng tr ăm các ch ủng lo ại s ản ph Nm đầ u ra th ường xuyên c ần được bảo qu ản, thu mua ho ặc giao d ịch buôn bán nh ư thóc g ạo, ngô, đỗ , l ạc, v ừng, cà phê, thu ốc lá v.v T ất c ả các ho ạt độ ng đó đề u yêu c ầu m ột ch ỉ tiêu riêng v ề độ Nm (l ượng n ước trong s ản ph Nm hay th ủy ph ần). Nhi ều công trình khoa h ọc, nhi ều hãng sản xu ất trên th ế gi ới đã quan tâm nghiên c ứu ch ế t ạo các thi ết b ị đo th ủy ph ần ph ục vụ đố i t ượng trên. T ại Vi ệt Nam, c ũng đã có đề tài c ấp nhà n ước nghiên c ứu và ch ế tạo thành công máy đo th ủy ph ần thóc g ạo dùng nguyên lý điện d ẫn. Trong lu ận v ăn này, chúng tôi nghiên c ứu thi ết k ế, ch ế t ạo m ột lo ại thi ết b ị đo th ủy ph ần s ử d ụng nguyên lý c ảm bi ến điện dung. Ưu điểm c ủa c ảm bi ến này là có kh ả n ăng đánh giá th ủy ph ần trong các s ản ph Nm nông nghi ệp đa d ạng h ơn v ề ch ủng lo ại, đồ ng th ời kết c ấu c ũng nh ỏ g ọn, b ền v ề ph ươ ng di ện c ơ h ọc, d ễ mang xách, v ận hành t ại hi ện tr ường. Nội dung nghiên c ứu t ập trung vào vi ệc ch ế t ạo c ảm bi ến th ủy ph ần dùng t ụ tr ụ, kh ảo sát s ự ph ụ thu ộc c ủa điện dung t ụ theo hàm l ượng n ước (thông s ố điện môi trong điện tr ường c ủa t ụ), đề xu ất m ạch điện t ử x ử lý tín hi ệu đo và đối chi ếu v ới thi ết b ị Riceter c ủa hãng Kett (Nh ật B ản). K ết c ấu c ủa lu ận v ăn g ồm ba Ch ươ ng nh ư sau: Ch ươ ng 1. Chuy ển đổ i tín hi ệu th ủy ph ần Ch ươ ng 2. M ột s ố m ạch điện th ường dùng v ới c ảm bi ến Ch ươ ng 3. Nghiên c ứu thi ết k ế ch ế t ạo máy đo Các k ết qu ả thu được cho th ấy thi ết b ị dùng c ảm bi ến điện dung có kh ả n ăng đo th ủy ph ần các s ản ph Nm nông nghi ệp. Tuy nhiên, để tr ở thành th ươ ng ph Nm áp d ụng trên th ị tr ường, c ần có thêm th ời gian nghiên c ứu, hi ệu ch ỉnh, chu Nn hóa s ố li ệu trên từng đố i t ượng c ụ th ể.
10. Ch ươ ng 1- CHUY ỂN ĐỔI TÍN HI ỆU TH ỦY PH ẦN 1.1. Cảm bi ến độ m không khí [5] Độ Nm cao c ủa không khí và c ủa ch ất khí nói chung có th ể có h ậu qu ả nghiêm tr ọng đối v ới các quá trình lý hóa và sinh lý. B ởi v ậy đo độ Nm là điều b ắt bu ộc trong nhi ều thi ết b ị và môi tr ường làm vi ệc vì nh ững lý do có th ể li ệt kê d ưới đây. Trong đời s ống, độ Nm t ươ ng đối c ần ph ải duy trì để đả m b ảo c ảm giác d ễ ch ịu cho con ng ười thay đổ i trong m ột kho ảng t ươ ng đối r ộng: t ừ 35% đế n 70%. N ếu độ Nm t ươ ng đối th ấp h ơn 70%, b ộ máy tiêu hóa b ị kích thích, còn n ếu l ớn h ơn 70% thì sự ra m ồ hôi b ị gi ảm nghiêm tr ọng. Nói chung độ Nm ảnh h ưởng đế n tiêu th ụ n ăng lượng; độ Nm càng cao thì càng t ốn phí n ăng l ượng để có điều ki ện môi tr ường. Trong công nghi ệp, các điều ki ện v ề độ Nm r ất khác nhau ph ụ thu ộc vào s ản ph Nm c ụ th ể. Trong m ột s ố tr ường h ợp, ph ải duy trì độ Nm không đổ i trong môi tr ường làm vi ệc, thí d ụ, trong công nghi ệp d ệt, b ởi vì s ự thay đổ i độ Nm làm thay đổi các đặ c tính c ủa s ợi (nh ư s ức c ăng c ơ h ọc). Trong công nghi ệp th ực ph Nm, điều ki ện b ảo qu ản th ực ph Nm t ối ưu ph ụ thu ộc vào lo ại s ản ph Nm, th ường là nhi ệt độ T= 00 C và độ Nm trong kho ảng 85% - 90%. Độ Nm cao quá làm cho th ực ph Nm b ị hỏng, và th ấp quá làm gi ảm tr ọng l ượng do bay h ơi n ước. Vấn đề phát hi ện v ết h ơi n ước: trong nhi ều quá trình công nghi ệp, vi ệc tránh v ết hơi n ước trong không khí ho ặc trong các ch ất khí (cacbon, etylen, khí t ự nhiên ) là rất quan tr ọng, b ởi vì s ự có m ặt c ủa h ơi n ước ở m ột l ượng đáng k ể có th ể gây nên nh ững ph ản ứng ph ụ ho ặc gây nên quá trình ng ưng t ụ. Nhu c ầu phát hi ện độ Nm r ất nh ỏ c ỡ ph ần tri ệu th ể tích (ppm) đặ c bi ệt quan tr ọng đố i v ới m ột s ố ứng d ụng công nghi ệp nh ư n ăng l ượng h ạt nhân, vi điện t ử, luy ện kim, gia công nhi ệt, điện áp cao. 1.1.1. Nh ững đị nh ngh ĩa c ơ b ản v ề không khí m Xét không khí Nm có th ể tích V ở nhi ệt độ T. Kh ối l ượng M không khí Nm ch ứa trong th ể tích V là t ổng c ủa kh ối l ượng không khí khô ma và kh ối l ượng c ủa hơi n ước là mV . G ọi áp su ất t ổng c ủa áp su ất riêng ph ần c ủa không khí khô pa và