1. Trang Chủ
  2. Điện - Điện tử
  3. Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba

Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba

Bài viết bàn về một phương pháp linh hoạt và chi phí thấp cho phép đo đạc hằng số điện môi của các chất lỏng tổn hao cao dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật đã được trình bày. Phương pháp đề nghị được thử nghiệm trên các phép đo đạc của chế độ truyền sóng TE101 với chất lỏng tiêu chuẩn và so sánh với các dữ liệu chuẩn được đề cập trong các công trình liên quan. Mời các bạn cùng tham khảo! HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông vàCông Thông v

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện - Điện tử

Số trang 6

Ngày tạo 4/8/2023 4:02:10 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.91 M

Tên tệp

Tải Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất... (.pdf)

Xem mẫu

  1. HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông vàCông Thông và CôngNghệ Nghệ Thông Thông TinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba Nguyễn Đạt Sơn, Lâm Tấn Phát và Lê Nguyên Ngân Phòng thí nghiệm công nghệ Nano, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email: ndson@vnuhcm.edu.vn, ltphat@vnuhcm.edu.vn, lnngan@vnuhcm.edu.vn Abstract — Trong bài báo này, một phương pháp linh hoạt và chi đạc tính chất điện môi của vật liệu, đặc biệt là chất lỏng có tổn phí thấp cho phép đo đạc hằng số điện môi của các chất lỏng tổn hao lớn hoặc các loại thực phẩm theo thời gian nhằm tích hợp hao cao dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật đã được vào các ứng dụng như mạng cảm biến không dây hoặc hệ trình bày. Phương pháp đề nghị được thử nghiệm trên các phép thống RFID nhằm quản lý chất lượng theo thời gian thực là rất đo đạc của chế độ truyền sóng TE101 với chất lỏng tiêu chuẩn và cần thiết [11-12]. Tuy nhiên, việc sử dụng hốc cộng hưởng để so sánh với các dữ liệu chuẩn được đề cập trong các công trình liên quan. Các kết quả thu được cho thấy sai số phép đo của đo đạc hằng số điện môi tương đối của chất lỏng vẫn còn gặp phương pháp đề nghị có thể được giảm với thể tích chất lỏng tối rất nhiều khó khăn do cần phải sử dụng các vật liệu hỗ trợ để ưu trong các phép đo. Ngoài ra, những hạn chế và thảo luận về cố định chất lỏng khi đặt vào bên trong hốc. Vật liệu hỗ trợ này hướng phát triển tiếp theo của phương pháp đề nghị cho các ứng có thể làm thay đổi độ chính xác của các thông số đo được dụng thực tế cũng được trình bày trong báo cáo này. cũng như làm thay đổi kết quả tính toán sau cùng. Do đó, chúng tôi đề nghị một kỹ thuật mới nhằm đo đạc hằng số điện Keywords- Hốc cộng hưởng chữ nhật; chế độ truyền sóng môi phức của các chất lòng ở tần số vi ba dựa trên phương TE101; tần số vi ba; hằng số điện môi phức; chất lỏng tổn hao cao pháp hốc cộng hưởng truyền thống như một giải pháp linh động và tiết kiệm chi phí trong các ứng dụng thực tế. I. GIỚI THIỆU Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau: trong phần Những năm gần đây, các kỹ thuật đo đạc tính chất điện môi II, chúng tôi miêu tả các lý thuyết cũng như khái niệm cơ bản của vật liệu ngày càng thu được mối quan tâm lớn từ các nhà cho hướng tiếp cận của phương pháp đề nghị trong báo cáo. khoa học và được ứng dụng nhiều hơn do độ chính xác cao Trong phần III, chúng tôi trình bày các kết quả thực nghiệm cũng như tính đơn giản cho cấu hình đo đạc các đặc tính vật cũng như thảo luận phân tích. Cuối cùng, chúng tôi kết luận về liệu như các phương pháp sử dụng ống dẫn sóng (waveguide các kết quả thu được cũng như hướng phát triển tiếp theo trong cavity) và bộ cộng hưởng dựa trên mạch in (printed-line phần IV. resonator). Một số kỹ thuật đo đạc hằng số điện môi tương đối II. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN hiện nay có thể được phân loại chủ yếu: phương pháp truyền- phản xạ (transmission-reflection), phương pháp không gian tự Hằng số điện môi tương đối hay còn gọi là hằng số điện do (free space) và phương pháp cộng hưởng (resonance môi phức là tiêu chuẩn để đánh giá mức độ phản ứng của một techniques) [1-10]. vật liệu khi được đặt trong một điện trường E. Thông thường, Các hốc cộng hưởng hình chữ nhật và hình trụ đã được sử hằng số điện môi phức thường được biểu diễn dưới dạng: dụng rộng rãi trong một thời gian dài trong việc đo đạc hằng số   r'  j r" (1) r điện môi của các vật liệu tổn hao thấp ở dạng rắn [2-5] do hệ số Trong đó:  r và  r lần lượt là hằng số điện môi và hệ số ' " phẩm chất cao của các phương pháp này. Kỹ thuật hốc cộng hưởng (resonant cavity techniques) thường được sử dụng để đo tổn hao của vật liệu điện môi. lường hằng số điện môi phức của các loại vật liệu điện môi khác nhau ở tần số vi sóng (microwave). Rất nhiều bài báo và những công trình nghiên cứu tập trung vào các vấn đề đánh giá hằng số điện môi tương đối của chất lỏng cũng như các khía cạnh khác nhau của phương pháp đo đạc [2-5]. Ưu điểm của hốc cộng hưởng là cấu hình đơn giản và dễ chế tạo hơn so với các phương pháp khác, điều này làm cho chi phí của phương pháp này là tôi ưu hơn so với các phương pháp khác như không gian tự do hay đầu dò đồng trục. Trong thực tế, các đặc tính của các loại vật chất lỏng, đặc biệt là các chất lỏng có tổn hao cao, luôn luôn có rất nhiều triển vọng và ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp sinh học và thực phẩm. Việc nghiên cứu các phương pháp đo Hình 1. Các kích thước của hốc cộng hưởng hình chữ nhật [2] ISBN: 978-604-67-0635-9 363 363
  2. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) phẩm chất Q. Trong trường hợp này, một số công trình nghiên cứu đề nghị sử dụng phương pháp con trỏ [6], một phương pháp để xác định hằng số điện môi phức dựa trên phương pháp thử tiêu chuẩn. Theo đó, công thức để tính toán hệ số phẩm chất Q được đưa ra như sau: f o  BW ( ) Q (5) f 2 ( )  f1 ( ) BW  ( ) 10 /10  1 (6) Trong đó, BW(α) là băng thông của S21 tại giá trị α dB và f0 là tần số trung tâm của băng thông. Từ các công thức trên, Hình 2. Nguyên lý của phương pháp đo đạc dùng hốc cộng hưởng chúng ta có thể xác định được hằng số điện môi tương đối của Trước tiên, chúng ta hãy cùng xem xét trường điện từ bên chất lỏng hay các vật liệu cần đo đạc. trong một hốc cộng hưởng hình chữ nhật (Hình 1). Các chế độ Từ những thông số và các công thức sẵn có ở trên, chúng của sóng điện từ có thể truyền bên trong hốc cộng hưởng là ta có thể tính được các tần số cộng hưởng cho các mode TE TE hoặc TM. Tần số cộng hưởng của các chế độ truyền sóng đầu tiên. Khi chúng ta đặt mẫu điện môi bên trong hốc cộng TEmnp (được đánh thứ tự theo các chỉ số m, n, p) được tính hưởng, sự suy hao điện trường của các mode không chiếm ưu theo các kích thước a, b và d như phương trình sau [2]: thế (các mode có tần số cộng hưởng cao hơn mode chiếm ưu 2 2 2 thế TE101) sẽ lớn hơn và các mode cao hơn cũng có tần số c m n  p cộng hưởng gần nhau hơn dẫn đến việc xác định hằng số điện ( f r )mnp        (2) 2 r  r  a  b d  môi thông qua hệ số S21 sẽ trở nên phức tạp hơn. Do đó, đa số Trong đó: a, b, d lần lượt là chiều rộng, chiều cao và chiều các phương pháp hốc cộng hưởng đều tập trung vào mode ưu dài của hốc cộng hưởng. m, n, p là các chỉ số gắn với các thế TE101 để xác định hằng số điện môi tương đối của mẫu mode dọc theo các phương x, y, z điện môi. Từ độ dịch chuyển tần số cộng hưởng và hệ số phẩm Một thông số khác cũng khá quan trọng với phương pháp chất (Q-factors) trong 2 trường hợp có và không có mẫu điện hốc cộng hưởng là hệ số phẩm chất Q cho phép chúng ta xác môi bên trong hốc cộng hưởng, hằng số điện môi tương đối định các tổn hao điện từ bên trong hốc cộng hưởng. Như đã của vật liệu cần đo có thể được xác định thông qua các công nói ở trên, năng lượng tích trữ bên trong hốc cộng hưởng sẽ thức sau [13]: được hấp thụ một phần bởi vật liệu điện môi. Sự thay đổi này  f o  f s  2Vo  biểu hiện ở độ dời tần số cộng hưởng và cả sự suy giảm hệ số  r'  1    (7) phẩm chất (Hình 2). Các giá trị phần thực và phần ảo của  f s  Vs  hằng số điện môi phức của vật liệu đo đạc có thể được rút ra  1 1  V  từ sự dịch chuyển tần số cộng hưởng và sự thay đổi của hệ số  r"    o   (8) phẩm chất (hệ số Q) của hốc cộng hưởng khi các mẫu vật liệu đo đạc được đặt vào bên trong.  Qs Qo  Vs  Theo Pozar [2], chúng ta có thể biểu diễn hệ số phẩm chất Trong đó: f0 và fs lần lượt là tần số cộng hưởng của thông của chế độ truyền sóng chiếm ưu thế (TE101) bên trong hốc số S21 (insertion loss) trong trường hợp không có và có mẫu cộng hưởng theo các kích thước của nó: vật liệu đo đạc bên trong hốc cộng hưởng. Q0 và Qs lần lượt là hệ số phẩm chất trong trường hợp không có và có mẫu vật liệu TE   b(a 2  d 2 )3/2  đo đạc bên trong hốc cộng hưởng. Vo và Vs lần lượt là thể tích Q101   2 2 3 3  (3) của hốc cộng hưởng và thể tích của mẫu vật liệu cần đo. Rs  ad (a  d )  2b(a  d )  Như đã trình bày ở trên, các phương pháp nhanh gọn, cấu Trong đó:  là trở kháng trong không gian tự do và bằng hình đơn giản và chi phí thấp để xác định và đánh giá chất 120π. Rs là điện trở bề mặt của hốc cộng hưởng. lượng thực phẩm nhằm cung cấp một hệ thống hoặc cơ chế Với 2 phép đo khác nhau trong trường hợp có và không kiểm soát chất lượng hiệu quả trong quá trình phân phối thực có mẫu bên trong hốc cộng hưởng hình chữ nhật, sự thay đổi phẩm thu được sự quan tâm rất nhiều trong công nghiệp. Tuy tần số gây ra bởi sự xuất hiện của mẫu vật liệu được thể hiện nhiên, các phương pháp phổ biến dùng để đo đạc hằng số điện như sau [4] : môi tương đối như hốc cộng hưởng thường khó áp dụng cho các mẫu dạng lỏng như thực phẩm trong khi các phương pháp đo đạc bằng đầu dò đồng trục hay không gian tự do vẫn còn khá đắt tiền. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là xây dựng một phương pháp đơn giản, giá thành thấp để đo đạc tính chất điện môi của các loại vật liệu lỏng dựa trên phương pháp hốc cộng Tuy nhiên, khi mẫu đo đưa vào hốc cộng hưởng là vật liệu hưởng truyền thống. tổn hao cao, việc quan sát băng thông nửa công suất (-3dB) từ Kỹ thuật đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng các dữ liệu đo S21 là rất khó khăn và rất khó để có được hệ số thường yêu cầu mẫu vật liệu phải đủ nhỏ vì khi đó trường điện 364 364
  3. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hình 3. Cấu hình đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng phương pháp hốc cộng hưởng từ bên trong hốc cộng hưởng mới có thể được xem như là không đổi trong thể tích bên ngoài mẫu vật liệu. Theo đó, thông thường mẫu đo cần có chiều dài tương đương chiều dài của hốc cộng hưởng do chiều dài của hốc cộng hưởng thường tỷ lệ thuận với chiều dài bước sóng ở tần số tương ứng [14]. Yêu cầu này khiến cho việc đo đạc các mẫu vật liệu lỏng hoặc dạng keo ở các tần số thấp trở nên khó khăn. Bên cạnh đó, mẫu vật liệu cũng cần phải có bề dày không quá lớn để các Hình 4. Đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng phương pháp mode trường điện từ có thể tương tác hiệu quả với mẫu đo và hốc cộng hưởng không ảnh hưởng quá nhiều lên kết quả sau cùng. Do vậy, việc ứng dụng phương pháp hốc cộng hưởng này cho các mẫu vật trong lần lượt là 74mm, 150mm và 26 mm như Hình 3. Hốc liệu như chất lỏng là rất khó khăn. Để giải quyết các vấn đề cộng hưởng sẽ được kết nối với thiết bị Vector Network này, một số phương pháp cải thiện đã được đề xuất và thảo Analyzer HP 8720D có tầm đo từ 50MHz tới 20GHz để đo luận trong các công trình liên quan [15]. đạc như Hình 5. Tất cả các kết quả đo đều được thực hiện ở Từ tài liệu tham khảo [16-17], mẫu đo cần được đặt ở nhiệt độ phòng là 25oC. trung tâm của hốc cộng hưởng để tối đa tương tác với trường Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng trên phần mềm điện từ bên trong (Hình 3). Khi đó, hằng số điện môi của mẫu CST Microwave Studio® và kết quả đo đạc thực tế với hốc vật liệu cần đo sẽ được tính theo công thức: cộng hưởng được trình bày như trong Hình 6. Khi chúng ta đặt chén đựng chất lỏng (PTFE) vào bên trong khoang cộng  f o  f s  2Vo  hưởng, các tính chất điện từ và hình dạng của chén (độ dày  r'  1 k '    (9) của chén PTFE là 2 mm) làm dịch chuyển tần số cộng hưởng  f s  Vs  của chế độ truyền TE101 từ 2.26GHz về 2.23GHz. Trong thực  1 1  V  tế, tần số cộng hưởng đã chuyển từ trạng thái của hốc cộng  r" k "    o  (10) hưởng trống sang trạng thái chén PTFE trống bên trong hốc  Qs Qo  Vs  cộng hưởng. Vì vậy, sự cân chỉnh cho việc tính toán hằng số Phương pháp đo đạc đề nghị trong báo cáo này được mô điện môi chất lỏng bằng cách thêm vào các hệ số hiệu chỉnh k' tả trong Hình 4. Đầu tiên, chúng ta đo độ suy hao về mặt và k" là cần thiết cho kỹ thuật được đề xuất trong báo cáo này, truyền công suất (S21) với chén đựng chất lỏng (chén PTFE) nếu chúng ta muốn sử dụng các hệ số fo, fs, Qo và Qs trong bên trong hốc cộng hưởng. Tiếp theo, chúng ta cho dung dịch trạng thái chén PTFE trong hốc cộng hưởng. chất lỏng chuẩn (nước cất) vào bên trong chén PTFE và đặt Từ mỗi phép đo ở trên, chúng ta có thể trích xuất các tần vào bên trong hốc cộng hưởng để đo S21 trong trường hợp này. số cộng hưởng f0 và fs, các hệ số phẩm chất Qo và Qs từ các Từ kết quả đo S21 với chất lỏng chuẩn (Standard Liquid) bên trong hốc cộng hưởng, chúng ta có thể tính toán 2 hệ số hiệu chỉnh k 'và k" trong các công thức (9) và (10) từ hằng số điện môi của dung dịch chuẩn (nước cất). Sau đó, chúng ta lặp lại phép đo S21 với chất lỏng cần đo (Liquid Under Test) đặt bên trong chén PTFE và cho vào trong hốc cộng hưởng. Với 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" tính toán trong bước trước đó (với dung dịch chuẩn), chúng ta có thể tính toán hằng số điện môi tương đối của chất lỏng cần đo bởi các công thức (9) và (10). III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Như đã đề cập ở trên, việc đo đạc hằng số điện môi tương đối bằng phương pháp hốc cộng hưởng cần phải sử dụng một hốc cộng hưởng. Ở đây, chúng ta sử dụng hốc cộng hưởng hình chữ nhật chế tạo bằng đồng thau và có các kích thước bên Hình 5. Cấu hình đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng 365 365
  4. HộiHội ThảoThảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) đã được thực hiện với cùng thể tích chất lỏng chứa bên trong chén PTFE và đặt tại cùng vị trí trung tâm của hốc cộng hưởng. Việc tính toán hằng số điện môi của chất lỏng cần đo từ 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" đều dựa trên cùng tham chiếu từ trạng thái chén PFTE trống đặt bên trong hốc cộng hưởng. Dung dịch chất lỏng cần đo được sử dụng trong nghiên cứu này là một hỗn hợp pha loãng của Acetone và nước với độ tinh khiết 70% về thể tích của Acetone. Trong tài liệu tham khảo [18], hằng số điện môi của hỗn hợp này được xác định là 40. Trong các phép đo đạc thí nghiệm của đề tài này, hai chén đựng chất lỏng PTFE (cùng hình dạng, kích thước và vật liệu) sẽ được sử dụng để đo thông số S21 của các trạng thái tương ứng (với dung dịch chuẩn và chất lỏng cần đo) để đảm bảo độ lặp lại giữa các lần đo. Mục đích của việc này là để khảo sát độ chính xác cũng như hạn chế của phương pháp đề xuất với Hình 6. Tần số cộng hưởng khi không có và có chén đựng chất các thể tích chất lỏng khác nhau. lỏng (chén PTFE) bên trong hốc cộng hưởng Trong đề tài này, chúng ta sẽ chuẩn bị một số mẫu dung đường S21 đo được bằng các phương trình (5) và (6). Để tính dịch chuẩn (nước cất) và dung dịch cần đo (acetone) với thể toán các hệ số hiệu chỉnh k' và k", các hệ số fo và Qo được tính tích khác nhau từ 2ml tới 5ml để khảo sát những ảnh hưởng từ kết quả S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống của thể tích chất lỏng lên độ chính xác của giá trị hằng số điện (không có chất lỏng bên trong chén) đặt bên trong hốc cộng môi của chất lỏng đo được bằng phương pháp được đề xuất ở hưởng, trong khi fs và Qs được tính toán từ kết quả S21 đo trên. Với mục đích này, thể tích của các chất lỏng (dung dịch được trong trường hợp cốc PTFE có chứa dung dịch chuẩn và chuẩn và dung dịch cần đo) được điều chỉnh bởi các ống tiêm đặt bên trong hốc cộng hưởng. Theo đó, chúng ta có thể tính với sai số 0.1ml và thể tích được thay đổi từ 2ml tới 5ml với toán 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" trong các công thức (9) và bước 1ml (Hình 7 và Hình 8) để xác định ảnh hưởng của thể (10) từ hằng số điện môi của chất lỏng chuẩn (nước cất). Đây tích chất lỏng lên độ chính xác của các kết quả thu được. cũng là 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" sẽ được sử dụng để tính Với phương pháp mô tả trong Hình 4, chúng ta sẽ tính toán hằng số điện môi của chất lỏng cần đo trong trường hợp toán 2 hệ số hiệu chỉnh trong công thức (9) và (10) từ hằng số chén PTFE chứa dung dịch chất lỏng cần đo (với cùng chất điện môi của dung dịch chuẩn (nước cất). Từ tài liệu tham liệu, hình dáng và kích thước như trường hợp chất lòng tiêu khảo [19], chúng ta thu được giá trị hằng số điện môi của nước chuẩn) và đặt bên trong hốc cộng hưởng. cất là 80+8j (ở 2GHz và 25oC). Với kết quả đo S21 trong Việc tính toán hằng số điện môi của dung dịch cần đo trường hợp của dung dịch chuẩn, chúng ta có được các hệ số được thông qua các hệ số hiệu chỉnh (k' và k" đã tính toán với hiệu chỉnh k' và k" như trong Bảng 1, sau đó sử dụng 2 hệ số dung dịch chuẩn) ở bước tiếp theo. Chúng ta sẽ áp dụng các này để việc tính toán hằng số điện môi của dung dịch cần đo công thức (9) và (10) bằng cách sử dụng các hệ số f0 và Q0 từ (hỗn hợp của Acetone và nước) cũng theo các công thức (9) và S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống đặt bên trong (10). Đối với mỗi thí nghiệm đo S21 của các trạng thái ứng với hốc cộng hưởng. Các hệ số fs và Qs vẫn được trích ra từ S21 đo các chất lỏng khác nhau, chúng ta sẽ giữ thể tích của các chất được chén PFTE có chứa dung dịch chất lỏng cần đo đặt bên lỏng bên trong chén PTFE giữa 2 tình huống (ứng với nước trong hốc. Các phép đo S21 tương ứng trong các trường hợp cất và dung dịch Acetone) là như nhau. Giá trị của các hệ số của dung dịch chuẩn (nước cất) và chất lỏng cần đo (acetone) hiệu chỉnh k', k" và hằng số điện môi tính toán cho dung dịch Hình 7. Kết quả đo S21 của dung dịch chuẩn (nước cất) tại các Hình 8. Kết quả đo S21 của dung dịch cần đo (Acetone) tại các thể thể tích khác nhau tích khác nhau 366 366
  5. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thể tích chất r' tính toán cho r" tính toán cho Ʌ%r so với giá trị k' k" chuẩn từ tài liệu [18] lỏng (ml) dung dịch Acetone dung dịch Acetone 2 ± 0.1 7.60 ± 0.38 41.27 ± 2.06 35.19 ± 0.01 6.31 ± 0.01 19.84% 3 ± 0.1 6.36 ± 0.22 15.74 ± 0.53 39.26 ± 0.01 0.78 ± 0.01 2.69% 4 ± 0.1 6.26 ± 0.16 18.29 ± 0.46 46.74 ± 0.01 4.01 ± 0.01 19.61% 5 ± 0.1 5.90 ± 0.12 15.55 ± 0.31 44.95 ± 0.01 1.94 ± 0.01 13.29% Bảng 1. Các giá trị tính toán cho các hệ số hiệu chỉnh và hằng số điện môi của chất lỏng cần đo theo phương pháp đề xuất cần đo theo phương pháp đề xuất được trình bày như trong tăng tương ứng và làm giảm sự ổn định của kỹ thuật được đề Bảng 1. Trong đó, sai số tương đối giữa các giá trị hằng số xuất. Thêm nữa, thể tích nhỏ hơn của chất lỏng có thể dẫn đến điện môi ɛ' và ɛ" tính toán được so với giá trị chuẩn (40 theo ít tương tác hơn giữa chất lỏng và trường điện từ phân bố bên tài liệu tham khảo [18]) được tính toán theo công thức sau: trong hốc cộng hưởng. Ngược lại, với các thể tích chất lỏng lớn hơn (giữa 4ml và 5ml), hằng số điện môi thu được tiếp tục dao động và sai lệch xa giá trị tham khảo của hỗn hợp acetone ( r' ( Acetone )   r' [18] ) 2  ( r"( Acetone )   r"[18] ) 2 % r  100% (11) hơn nữa (cả trong hằng số điện môi và hệ số tổn hao). ( r' [18] ) 2  ( r"[18] ) 2 Các giá trị tính toán cho hằng số điện môi của dung dịch chất lỏng cần đo tại thể tích 3ml (39.26+j0.78) rất gần so với giá trị tham khảo cho thấy tính khả thi của kỹ thuật được đề Trong đó: Ʌ%ɛr' là sai số tương đối của hằng số điện môi xuất trong đề tài này. Từ các kết quả thử nghiệm, thể tích tối phức tính toán được so với giá trị chuẩn từ tài liệu tham khảo ưu cho các dung dịch chất lỏng cần đo với kỹ thuật được đề [18]. ɛr'(Acetone) và ɛr"(Acetone) lần lượt là hằng số điện môi và hệ xuất sẽ nằm giữa các giá trị 3ml và 4ml. Tuy nhiên, kỹ thuật số tổn hao tính toán được cho dung dịch Acetone theo phương được đề xuất trong nghiên cứu này vẫn còn một số hạn chế và pháp đề xuất. ɛr'[18] và ɛr"[18] lần lượt là hằng số điện môi và có thể được cải thiện trong tương lai. hệ số tổn hao của dung dịch Acetone (70% về thể tích) theo tài Nhận xét đầu tiên là giá trị hằng số điện môi của chén liệu tham khảo [18]. đựng chất lỏng (PTFE) dao động từ 2.1 tới 2.3 [20]) và rất Từ Bảng 1, chúng ra rút ra được một lưu ý rằng tần số khác biệt so với hằng số điện môi của 2 dung dịch chuẩn và cộng hưởng sẽ được dời tới các tần số thấp hơn khi thể tích dung dịch cần đo. Điều đó có nghĩa rằng các kết quả thực của các chất lỏng tăng, điều này là hoàn toàn hợp lý đúng như nghiệm có thể được cải thiện nếu chúng ta sử dụng một chén dự đoán từ lý thuyết trường điện từ. Thể tích chất lỏng tăng đựng chất lỏng làm bằng vật liệu có giá trị hằng số điện môi lên sẽ dẫn đến một hiện tượng: sai số trong kết quả tính toán càng gần với giá trị hằng số điện môi của không khí càng tốt của 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" giảm dần và giá trị này dần hội để làm giảm sự gián đoạn tương tác trường điện từ trường bên tụ khi thể tích chất lỏng tăng. Các kết quả thu được cho thấy trong hốc cộng hưởng và chất lỏng. Trong thực tế, nếu chén rằng kỹ thuật này là ổn định hơn nhưng đồng thời cũng dẫn đựng chất lỏng có hằng số điện môi gần với giá trị của không đến sai số lớn hơn trong hằng số điện môi thu được khi thể khí sẽ có thể cải thiện tính đồng nhất của hỗn hợp trong các tích chất lỏng tăng lên. thí nghiệm (các chất lỏng và chén đựng chất lỏng). Để giải Trong Bảng 1, sai số trong tính toán cho 2 hệ số hiệu thích hiện tượng này, Schroeder và các cộng sự [21] đã cung chỉnh k' và k" do sai lệch về thể tích chất lỏng giảm một cách cấp các công thức phân tích cần thiết cho việc tính toán của liên tục khi thể tích của chất lỏng tăng. Điều này có thể được giá trị hằng số điện môi tương đương trong một hỗn hợp 2 pha giải thích rằng tỷ lệ giữa sai số về thể tích của ống tiêm (0.1ml vật chất khác nhau: như mô tả ở trên) và thể tích thực sự của các chất lỏng (dung dịch chuẩn và dung dịch cần đo) giảm tương ứng khi thể tích  inc   w  eff  w  3.v f . w (12) chất lỏng tăng lên. Điều này chứng tỏ sự ổn định của kỹ thuật  inc  2 w  v f ( inc   w ) này khi thể tích của các mẫu chất lỏng tăng. Ngược lại, các giá trị hằng số điện môi tính toán của dung dịch chất lỏng cần đo Trong đó: ɛeff là hằng số điện môi hiệu dụng của hỗn hợp, tăng liên tục giữa 2ml và 4ml rồi sau đó giảm khi thể tích của ɛw là hằng số điện môi của nước (hoặc một dung môi khác chất lỏng lớn hơn 4ml. Từ các kết quả này, chúng ta có thể rút chiếm ưu thế trong hỗn hợp gồm 2 pha khác nhau), ɛinc là ra được rằng phải có một giá trị thể tích tối ưu nào đó cho các hằng số điện môi của vật chất hòa tan trong hỗn hợp và vf là tỷ chất lỏng đo đạc bằng phương pháp này. số giữa thể tích của vật chất hòa tan và thể tích của dung môi Ngoài ra, các giá trị hằng số điện môi theo tính toán của chiếm ưu thế. Từ công thức này, chúng ta có thể tạo ra một dung dịch cần đo (39.26+j0.78 tương ứng với thể tích 3ml) là hỗn hợp đồng nhất của chất lỏng cần đo bên trong hốc cộng giá trị gần nhất so với giá trị hằng số điện môi của hỗn hợp hưởng nếu sử dụng một chén đựng chất lỏng với hằng số điện Acetone (40 với dung dịch 70% về thể tích của Acetone ở môi càng gần với hằng số điện môi của không khí (hoặc của 250C) theo tài liệu tham khảo [18]. Với các thể tích chất lỏng chất lỏng cần đo) càng tốt. Nhưng thể tích hiệu dụng của hỗn nhỏ (giữa 2ml và 3ml), sai số trong giá trị tính toán cho các hệ hợp trong 2 trường hợp này sẽ khác nhau và cần được khảo sát số hiệu chỉnh k' và k" trở nên lớn hơn vì tỷ lệ giữa sai số về lại kỹ càng để tìm ra thể tích tối ưu mới cho phương pháp thể tích ống tiêm (0.1ml) và thể tích thực của chất lỏng cũng được đề xuất. 367 367
  6. HộiHội Thảo Quốc Thảo Gia Quốc 2015 Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông và Công Thông và CôngNghệ NghệThông ThôngTinTin (ECIT (ECIT 2015) 2015) Hằng số điện môi tham chiếu của nước cất (80+j8 tại 25oC [4] Robinson G. H.: “Resonant frequency calculations for microstrip cavities (correspondence)", IEEE Transactions on Microwave Theory như trình bày trong tài liệu tham khảo [19]) có thể thay đổi khi Tech. , Vol. 19, No. 7, pp. 244-246, 2003 đo đạc thực tế do sự khác biệt về nhiệt độ, độ ẩm, và độ chính [5] A. Baysar, and J. L. Kuester: “Dielectric property measurements of xác của thiết bị đo. Nhiệt độ trong phòng được giữ ở 250C materials using the cavity technique", IEEE Transactions on Microwave nhưng có thể dao động do ảnh hưởng của môi trường xung Theory Tech. , Vol. 40, No. 11, pp. 2108-2110, 1992 quanh. Như đã nói, chúng ta sử dụng dung môi của Acetone [6] Howell J. Q.: “A quick accurate method to measure the dielectric với độ tinh khiết 70% về thể tích nhưng giá trị này có thể sai constant of microwave integrated circuit substrates", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech. , Vol. 51, No. 4, pp. 142-143, 1973 khác khoảng ±5% do thông số cung cấp từ nhà sản xuất (theo [7] Ivanov, S. A. and V. N. Peshlov: “Ring-resonator method - Effective đó, hằng số điện môi của hỗn hợp Acetone có thể dao động procedure for investigation of microstrip line", IEEE Microwave and giữa 40 và 44.5 như đề cập trong tài liệu tham khảo [18]). Hơn Wireless Components Letters , Vol. 13, No. 6, pp. 665-666, 1971 nữa, hình dạng của chén đựng chất lỏng nên có dạng đối xứng [8] Bernard, P. A. and J. M. Gautray: “Measurement of dielectric constant và tương tự với hình dạng của hốc cộng hưởng (trong đề tài using a microstrip ring resonator", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech. , Vol. 39, No. 3, pp. 592-595, 1991 này là hình chữ nhật) để có được một sự tương tác trường điện từ tốt hơn với các chất lỏng đặt bên trong hốc. Do khó khăn [9] Napoli, L. S. and J. J. Hughes: “A simple technique for the accurate determination of the microwave dielectric constant for microwave trong việc kiểm soát độ chính xác về thể tích của chất lỏng, integrated circuit substrates (correspondence)", IEEE Transactions on nhóm nghiên cứu không thể thay đổi thể tích của các chất lỏng Microwave Theory Tech. , Vol. 19, No. 7, pp. 664-665, 1971 với bước đo 0.1ml. Theo đó, một nghiên cứu sâu hơn với độ [10] R. F. Harrington: “Time harmonic electromagnetic fields”, Mc Graw- phân giải 0.1ml trong thể tích thực nghiệm của các chất lỏng Hill, New York, 1961 nên được thực hiện để xác định khoảng giá trị tối ưu về thể [11] Ning Wang, Naiqian Zhang, Maohua Wang: “Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future tích chất lỏng cho kỹ thuật đề nghị trong báo cáo này. perspective”, Journal of Computers and Electronics in Agriculture, Vol. 50, Issue 1, January 2006, pp. 1-14. [12] N. Dat Son, et al., "Development of novel wireless sensor for food IV. KẾT LUẬN quality detection," Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương Nanotechnology, vol. 6, p. 045004, 2015 pháp mới linh hoạt và chi phí thấp cho việc đo đạc hằng số [13] Andrew A.P. Gibson, Sing K. Ng, Badaruzzaman B.M. Noh, Hong S. Chua, Arthur D. Haigh, Graham Parkinson, Paul Ainsworth and Andrew điện môi phức của chất lỏng ở tần số vi sóng dựa trên phương Plunkett: “An overview of microwave techniques for the efficient pháp hốc cộng hưởng cổ điển. Thể tích tối ưu của chất lỏng measurement of food materials “, Journal of Food Manufacturing thử nghiệm trong bài viết này đã chứng minh tính khả thi của Efficiency, IFIS Publishing 2008, Vol. 2, Issue 1, pp. 1-8, ISSN: 17502683 phương pháp đo đạc được đề xuất. Một số hạn chế của kỹ [14] R.Seaman, E. Burdete and R. Dehaan, “Open-ended Coaxial Exposure thuật này cũng được thảo luận và cần được cải thiện trong Device for Applying RF/Microwave Fields to very small Biological tương lai. Hằng số điện môi của chén đựng chất lỏng nên càng Preparation”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 37, pp. 102- gần với hằng số điện môi của không khí hoặc chất lỏng cần đo 111, January 1989 càng tốt để tăng độ chính xác của phương pháp. Hơn nữa, hình [15] K.Staebel and D. Misra, “An Experimental Technique for in vivo dạng của chén đựng chất lỏng và độ phân giải của thể tích chất Permittivity Measurement of Materials at Microwave Frequencies”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-38, pp. 337-339, lỏng cần được khảo sát kỹ lưỡng hơn. March 1990 [16] M. Lin, Y. Wang, and M.N. Afsar: “Precision measurement of complex permittivity and permeability by microwave cavity perturbation LỜI CẢM ƠN technique”, The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th International Conference on Terahertz Công trình này được hỗ trợ bởi kinh phí của Phòng thí Electronics, September 2005, pp. 62– 63 nghiệm Công nghệ Nano (Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí [17] Z. Wang, et al., "Permittivity measurement of biological materials with Minh) và một khoản trợ cấp từ vùng Rhône-Alpes (cộng hòa improved microwave cavity perturbation technique," Microwave and Pháp). Các tác giả xin chân thành cảm ơn phòng thí nghiệm Optical Technology Letters, vol. 50, pp. 1800-1804, 2008 LCIS (Grenoble-INP/ESISAR tại Valence, cộng hòa Pháp) đã [18] A. C. Kumbharkhane, S. N. Helambe, M. P. Lokhande, S. Doraiswamy cung cấp hốc cộng hưởng và các thiết bị đo lường trong khuôn and S. C. Mehrotra: “Structural study of aqueous solutions of tetrahydrofuran and acetone mixtures using dielectric relaxation khổ dự án hợp tác giữa các bên. technique”, Pramana – Journal of physics, Vol 46, No.2, February 1996, pp. 91-98 [19] Http://www.intechopen.com/articles/show/title/broadband-complex- TÀI LIỆU THAM KHẢO permittivity-determination-for-biomedical-applications [1] Chen, L. F., C. K. Ong, C. P. Neo, V. V. Varadan, and V. K. Varadan: [20] V. Svorcik, O. Ekrt, V. Rybka, J. Liptak and V. Hnatowicz, “Microwave Electronics: Measurement and Material Characterization”, “Permittivity of polyethylene and polyethyleneterephtalate”, Journal of John Wiley & Sons Inc., 2004. Materials Science Letters, Vol 19, Number 20, pp. 1843-1845, DOI: [2] Pozar D. M., “Microwave Engineering”, John Wiley & Sons Inc., 2005 10.1023/A:1006715028026 [3] Baker-Jarvis, J. R. G. Geyer, J. H. Grosvenor, Jr., M. D. Janezic, C. A. [21] Mark J. Schroeder, Anupama Sadaasiva, Robert M. Nelson, “An Jones, B. Riddle, C. M. Weil, and J. Krupa: “Dielectric characterization Analysis on the Role of Water Content and State on Effective of low-loss materials: A comparison of techniques", IEEE Transactions Permittivity Using Mixing Formulas”, Journal of Biomechanics, on Dielectrics and Electrical Insulation , Vol. 5, No. 4, pp. 244-246, Biomedical and Biophysical engineering, Vol. 2, Issue 1, 2008 1998. 368 368
nguon tai.lieu . vn
Kiến trúc - Xây dựng Tự động hoá Điện - Điện tử Kĩ thuật Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Năng lượng Hoá dầu Hoá học Sinh học