Luận văn Thạc sĩ: ảnh hưởng của hơi nước và bụi trong phép đo siêu âm

Tài liệu nghiên cứu Luận văn thạc sĩ ảnh hưởng của hơi nước và bụi trong phép đo siêu âm mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn

• Tác giả: Âu Dương Kim Sơn
• Người hướng dẫn: PGS. TS Hoàng Sĩ Hồng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển
• Đề tài: Ảnh hưởng của hơi nước và bụi trong phép đo siêu âm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nguyên lý cơ bản của phép đo siêu âm và các yếu tố ảnh hưởng

Phép đo siêu âm là một công nghệ quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đo lường và kiểm soát. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc phát và nhận sóng siêu âm thông qua các cảm biến áp điện. Tuy nhiên, môi trường xung quanh như hơi nước và bụi trong không khí có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phép đo. Những yếu tố này làm thay đổi vận tốc âm thanh, tính hấp thụ âm và cường độ tín hiệu nhận được từ cảm biến. Để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu của hệ thống đo siêu âm, cần phải hiểu rõ cơ chế tác động và phạm vi ảnh hưởng của các yếu tố môi trường này.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, chuyển đổi năng lượng điện thành sóng âm và ngược lại. Sóng siêu âm truyền qua môi trường với vận tốc âm thanh phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường. Khi gặp vật cản, sóng phản xạ về và được cảm biến ghi nhận, từ đó xác định khoảng cách. Độ chính xác phép đo phụ thuộc vào độ ổn định của vận tốc âm trong không khí.

1.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến phép đo

Môi trường đo lường chứa nhiều yếu tố biến động như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nồng độ CO2 và hạt bụi. Những yếu tố này tác động trực tiếp đến tính chất truyền sóng của không khí, gây ra sai số trong phép đo. Độ ẩm cao làm thay đổi vận tốc âm thanh và tăng sự hấp thụ âm. Bụi trong không khí gây phân tán sóng và suy giảm tín hiệu.

II. Ảnh hưởng của hơi nước đến hiệu suất phép đo siêu âm

Hơi nước trong không khí là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống đo siêu âm. Khi độ ẩm tương đối thay đổi, vận tốc âm thanh trong không khí cũng biến động theo. Nghiên cứu cho thấy rằng ở nhiệt độ 20°C, sự thay đổi độ ẩm từ 50% đến 99% có thể gây ra sự biến thiên đáng kể trong vận tốc âm. Ngoài ra, hơi nước còn ảnh hưởng đến hệ số hấp thụ âm thanh, làm giảm cường độ tín hiệu nhận được. Mức suy hao tín hiệu có thể tăng từ 10% đến 40% tùy theo mức độ độ ẩm tương đối. Điều này đòi hỏi phải có biện pháp hiệu chỉnh và bù đắp để duy trì độ chính xác của phép đo.

2.1. Tác động của độ ẩm đến vận tốc âm thanh

Độ ẩm tương đối ảnh hưởng phức tạp đến vận tốc âm thanh trong không khí. Ở độ ẩm 50%, vận tốc âm thanh có giá trị cơ sở. Khi tăng độ ẩm đến 70%, vận tốc âm thanh tăng tối đa khoảng 0,2%. Tiếp tục tăng độ ẩm lên 99%, vận tốc âm thanh lại giảm nhẹ. Sự biến thiên này gây sai số trong tính toán khoảng cách nếu không được hiệu chỉnh.

2.2. Hấp thụ âm thanh do hơi nước

Hơi nước có tác dụng làm tăng hệ số hấp thụ âm thanh trong không khí, đặc biệt ở các tần số cao. Mức hấp thụ âm thanh dB/km thay đổi theo độ ẩm tương đối và tần số sóng. Ở tần số 40 kHz và độ ẩm 70%, sự hấp thụ đạt mức cao nhất. Sự gia tăng hấp thụ âm làm suy giảm cường độ tín hiệu phản xạ, ảnh hưởng đến phạm vi đo và độ nhạy của cảm biến.

III. Ảnh hưởng của bụi đến cảm biến siêu âm và hệ thống đo

Bụi trong không khí là yếu tố khác gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống đo siêu âm. Các hạt bụi hoạt động như các tâm tán xạ, làm phân tán sóng siêu âm theo nhiều hướng khác nhau. Khi nồng độ bụi tăng cao, lượng tín hiệu phản xạ nhận được tại cảm biến giảm đáng kể, dẫn đến suy hao biên độ tín hiệu từ 20% đến 60% tùy theo mức độ ô nhiễm bụi. Bên cạnh đó, bụi còn có thể tích tụ trên bề mặt của cảm biến siêu âm, làm cản trở việc phát và nhận sóng. Hiện tượng này đặc biệt nghiêm trọng trong các môi trường công nghiệp có mức độ ô nhiễm bụi cao, yêu cầu phải có các biện pháp bảo vệ và làm sạch định kỳ.

3.1. Cơ chế tán xạ sóng do bụi

Khi sóng siêu âm gặp các hạt bụi, chúng bị tán xạ theo nhiều hướng, gây mất năng lượng sóng truyền thẳng. Hiện tượng tán xạ bụi phụ thuộc vào kích thước hạt và nồng độ bụi. Ở nồng độ bụi cao (>10 mg/m³), mức suy hao tín hiệu trở nên rõ rệt, giảm biên độ tín hiệu nhận được. Việc kiểm soát ô nhiễm bụi là yếu tố quan trọng để duy trì hiệu suất phép đo.

3.2. Tác động đến độ nhạy và phạm vi đo

Bụi trong không khí làm giảm độ nhạy của cảm biến siêu âm và phạm vi đo hiệu dụng. Tích tụ bụi trên bề mặt cảm biến tạo lớp cách điện, làm giảm khả năng phát và nhận sóng. Mức suy giảm phạm vi đo có thể lên đến 30-40% trong điều kiện ô nhiễm bụi cao. Cần thực hiện bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất tối ưu.

IV. Giải pháp khắc phục và phương hướng phát triển

Để nâng cao độ tin cậy của phép đo siêu âm trong điều kiện môi trường khó khăn, cần áp dụng nhiều giải pháp toàn diện. Thứ nhất, phải thực hiện hiệu chỉnh tự động dựa trên các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm tương đối, giúp bù đắp sự thay đổi vận tốc âm thanh. Thứ hai, sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến để lọc bỏ tín hiệu tán xạ do bụi gây ra. Thứ ba, thiết kế các bộ lọc cơ học hoặc hộp bảo vệ cho cảm biến siêu âm nhằm giảm tác động của hơi nước và bụi. Trong tương lai, việc kết hợp công nghệ AI và máy học sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất phép đo trong các môi trường phức tạp, đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Phương pháp hiệu chỉnh tự động

Xây dựng hệ thống hiệu chỉnh tự động sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để điều chỉnh vận tốc âm thanh tham chiếu. Khi độ ẩm tương đối hoặc nhiệt độ thay đổi, hệ thống tự động cập nhật các thông số hiệu chỉnh. Phương pháp này có thể giảm sai số đo lường từ 15-25%, nâng cao độ chính xác của phép đo siêu âm.

4.2. Xử lý tín hiệu và bảo vệ cảm biến

Ứng dụng các thuật toán lọc tín hiệu như bộ lọc Kalman hoặc mạng nơ-ron để phân biệt tín hiệu thực từ tín hiệu tán xạ do bụi. Đồng thời, thiết kế hộp bảo vệ chuyên dụng với lớp lọc không khí giúp giảm ô nhiễm bụi tác động trực tiếp đến cảm biến. Các biện pháp này kết hợp nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống đo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tìm hiểu chung các phương pháp do sử dụng cám biến siêu âm Chương 2: Tìm hiểu và khảo sát một số ngluên cửu liên quan dến ảnh hướng, trong phép đo siêu âm. Chương 3: Nghiên cửu ảnh hưởng của hơi nước và bụi trong phép đo siêu âm. Dé hoan thành luận văn nay, em xin gửi lời cảm em tới thay — Hoàng Sĩ Ilồng và trường Đại học Bách khoa Hà Nộ đã truyền đạt kiên thức, nhắc nhở, chỉ bão và tạo điều về trang thiết bị, phòng thí nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Cuối củng, con xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể gia đỉnh đã luôn tạo điều kiện sinh.

Thoạt lỗi nhật cho con. DANIIMUC NII VE Hình1. 1 Dâi tấn số của sóng âm. 2 Hiệu ứng áp điện.seecoee ell Hinh 1.

3 Nguyễn lý do khoảng cách sử dụng phương pháp siêu âm. 4 Hệ đo khoảng cách sử dụng modul siêu âm SRF04 đơn giản. 5 Cấu trúc ống đo lưu lượng bằng siêu âi 14 Tình 1. 6 Cách xác định AL.

7 Cách xác định Ato - - 17 Hình l. 8 Các ứng dụng cần thiết bị đo vận tốc và lưu lượng khí siêu âm. 9 Thiết bị đo vận tốc gió và đo lưu lượng khí trong đường ông sử dụng phương pháp siêu im - - 19 Hình 2. 1 Nguyên tắc hoạt động của một cảm biến siêu âm.

3 Sai số tương đối vẻ vận tốc âm thanh do nông độ CƠ2. 3 Phụ thuộc vận tốc âm thanh (mé$) theo nhiệt độ (Oelsius) 32 Hình 2. 4 Phụ thuộc vận tốc âm thanh (fU/s) theo nhiệt độ (Celsius) 33 Tlinh 2. 5 Thay đổi phan trăm vận tốc âm thanh theo nhiệt độ trong không khi kha -.

6 Tỹ lệ phân trăm thay đổi vận tốc âm thanh theo độ ẩm tương đối như là xnột hảm số cứa nhiệt độ. 7 Hệ số suy giảm tông thể theo độ 4m tương đổi đối với không khí ở 20°C (68°F) như là một hàm sẻ của tân số (trích tử [7], trang 148) 40 2.4 Ảnh hướng của độ am liên quan tới sự hấp thụ âm thanh trong khéng khi.5 Để xuất phương áu nghiên cứu - 43 3.6 Kết luận chương 2. 46 CHUNG 3: Nghiên cứu ảnh hướng của hơi nước và bụi trong.va phep do siêu am.1 Cải đặt hệ thí nghiệm.1 Thiết bị đo vận tốc, lưu lượng 4T 3.2 Tỉnh toàn mức hấp thụ âm thanh trong không khi đối với thiết bị do độ âm tương đối gây ra - - - - - 52 3.2 Ảnh hướng của độ âm tương đối đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu am.1 Xác định mức suy hao tín hiệu đa độ âm tương đối từ 509% đến 859.2 Xác định mức suy bao tin hiệu do độ âm tương đối từ B59% đến 99%.3 Tổng hợp ảnh hưởng do độ ẩm tương ddi tir 50% đến 99% đến toàn bộ hệ do siêu âm.3 Ảnh hướng của bụi đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu âm .4 Kết luận chuương 3 KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN WAL LIGU THAM KHẢO.4 Ảnh hướng của độ am liên quan tới sự hấp thụ âm thanh trong khéng khi.5 Để xuất phương áu nghiên cứu - 43 3.6 Kết luận chương 2. 46 CHUNG 3: Nghiên cứu ảnh hướng của hơi nước và bụi trong.va phep do siêu am.1 Cải đặt hệ thí nghiệm.1 Thiết bị đo vận tốc, lưu lượng 4T 3.2 Tỉnh toàn mức hấp thụ âm thanh trong không khi đối với thiết bị do độ âm tương đối gây ra - - - - - 52 3.2 Ảnh hướng của độ âm tương đối đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu am.1 Xác định mức suy hao tín hiệu đa độ âm tương đối từ 509% đến 859.2 Xác định mức suy bao tin hiệu do độ âm tương đối từ B59% đến 99%.3 Tổng hợp ảnh hưởng do độ ẩm tương ddi tir 50% đến 99% đến toàn bộ hệ do siêu âm.3 Ảnh hướng của bụi đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu âm .4 Kết luận chuương 3 KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN WAL LIGU THAM KHẢO.4 Ảnh hướng của độ am liên quan tới sự hấp thụ âm thanh trong khéng khi.5 Để xuất phương áu nghiên cứu - 43 3.6 Kết luận chương 2.

46 CHUNG 3: Nghiên cứu ảnh hướng của hơi nước và bụi trong.va phep do siêu am.1 Cải đặt hệ thí nghiệm.1 Thiết bị đo vận tốc, lưu lượng 4T 3.2 Tỉnh toàn mức hấp thụ âm thanh trong không khi đối với thiết bị do độ âm tương đối gây ra - - - - - 52 3.2 Ảnh hướng của độ âm tương đối đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu am.1 Xác định mức suy hao tín hiệu đa độ âm tương đối từ 509% đến 859.2 Xác định mức suy bao tin hiệu do độ âm tương đối từ B59% đến 99%.3 Tổng hợp ảnh hưởng do độ ẩm tương ddi tir 50% đến 99% đến toàn bộ hệ do siêu âm.3 Ảnh hướng của bụi đến cảm biến siêu âm vả toàn bộ hệ đo siêu âm .4 Kết luận chuương 3 KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN WAL LIGU THAM KHẢO. PHỤ LỤC - - - 8] Hinh 2. 8 Mite hap thu 4m thanh dB/1000 ft (300m) theo độ âm tương dối như là amt ham sẻ của tân số ở 205C (68°l). ào 2201212212152ee "¬ Llinh 2.

9 Mire hấp thụ âm thanh dl3/km theo độ ẩm tương đổi như là một hàm số của tấn số ở 20°C (68 °F). 1 Hinh ảnh tổng thể thiết bị đo lưu lượng khí siêu âm. 2 Vị trị cảm biến siêu âm và câm biển nhiệt độ được lắp đặt phía trong. 3 Thông tín trên man hinh LCD.

4 Bản vẽ tay thiết kế cơ khí - 48 Tlinh 3. 5 Dâu cảm biên TCT40. 6 Xac dinh vig dién ap cho V2 50 Tlinh 3. 7 Lum dé thuật toán.

8 Giao điện công cụ tính toán trên senepielandia com. 9 Mức độ suy hao âm thanh trong không khi (Lm) theo độ ẩm tương đổi ở 30°C - 34 Hình 3. 10 Mức độ suy hao âm thanh trong không khi (30m) theo độ ấm trương đôi ở 20°C ỡ các tản số khác nhau. ào se hhnthnnenrerieraeieoouO9 Tình 3.

11 Múc độ suy hao âm thanh trong không khí theo độ âm lương đổi ở 20°C tính cho thiết bị. sọ nh tong g2 Hung rưới —. I2 8ø đỗ các thiết bị thí nghiệm 3. 13 May tao swong va toan bộ hệ thứ nghiệm sau khi lắp đặt.

14 Thiết bị đo độ ẩm HEC 1. 15 Hinh anh sau khi kh6i dong thiét Bi. ló Phái thực hiện tháo pin máy đo LUC 1 để xóa bộ nhớ Min Max. 8 Mite hap thu 4m thanh dB/1000 ft (300m) theo độ âm tương dối như là amt ham sẻ của tân số ở 205C (68°l).

ào 2201212212152ee "¬ Llinh 2. 9 Mire hấp thụ âm thanh dl3/km theo độ ẩm tương đổi như là một hàm số của tấn số ở 20°C (68 °F). 1 Hinh ảnh tổng thể thiết bị đo lưu lượng khí siêu âm. 2 Vị trị cảm biến siêu âm và câm biển nhiệt độ được lắp đặt phía trong.

3 Thông tín trên man hinh LCD. 4 Bản vẽ tay thiết kế cơ khí - 48 Tlinh 3. 5 Dâu cảm biên TCT40. 6 Xac dinh vig dién ap cho V2 50 Tlinh 3.

7 Lum dé thuật toán. 8 Giao điện công cụ tính toán trên senepielandia com. 9 Mức độ suy hao âm thanh trong không khi (Lm) theo độ ẩm tương đổi ở 30°C - 34 Hình 3. 10 Mức độ suy hao âm thanh trong không khi (30m) theo độ ấm trương đôi ở 20°C ỡ các tản số khác nhau.

ào se hhnthnnenrerieraeieoouO9 Tình 3. 11 Múc độ suy hao âm thanh trong không khí theo độ âm lương đổi ở 20°C tính cho thiết bị. sọ nh tong g2 Hung rưới —. I2 8ø đỗ các thiết bị thí nghiệm 3.

13 May tao swong va toan bộ hệ thứ nghiệm sau khi lắp đặt. 14 Thiết bị đo độ ẩm HEC 1. 15 Hinh anh sau khi kh6i dong thiét Bi. ló Phái thực hiện tháo pin máy đo LUC 1 để xóa bộ nhớ Min Max.60 Hình 3 17 Hơi nước dược đẫn vào dường óng thí nghiệm.ốT Hình 3 18 Các gid tri độ âm do dược rong thí nghiệm 3.

Hình3 19 Dạng tín hiệu thu dược tại dầu thu cảm biển siêu âm. cesses] Hình 3 20 Một đầu ống được tụt kín và chỉ để lại một khe hổ nhỏ để thoái hơi nước 16 THỉnh 3 21 Dé 4m trong thi nghiém đạt được đến 99%. cette enssteeserane Hình 3 22 Biểu dẻ liên hệ biên độ tia hiệu và độ âm tương di từ 85% đến 99% .65 Hinh 3 23 Sai lệch mức không nhỏ ở độ ẩm gân 92%.,ỔỔ, Hình 3 24 Sai lệch mức không rất lớn ở độ âm trên 92% wT Hình 3 25 Biéu dé lién hé bién 46 tin higu va d6 ẩm tương dói từ 80% đến 99% .68 Hình 3 26 Biểu dỏ liên hệ biên dộ tín hiệu và dộ ẩm tương dối từ 50% đến 99% .69 Hình 3 27 Lắp đặt dầu phát và đầu thu. Hình 3 28 Cân tiểu ly có đỏ chia nhỏ nhất 0,01g.

ED Hình 3 29 Hệ thống càn dịnh lượng bui. TỔ, Hình 3 30 Câm biến TCT 40 bị rắc bụi vào trong,. 31 Bién dé tin hiệu thụ được sau khí đần đân cho thêm bụi vào cm biến TCT40, biên độ giảm dẫn từ (a)(b)(e)(đ). 32 Biển dộ tín hiệu phụ thuộc vào khối lượng bụi rắc vào cảm biên TCT40 75 MO DAU Phương pháp do lưu lượng khí siêu âmu phụ thuộc mật thiết vào sự lan truyền sóng âm trong môi trường.

Hơi mước và bụi trong khí là những yêu tố cần khảo sat, chúng ảnh hưởng không chỉ đến vận tóc truyền âm trong không khí mà còn là yếu. tổ gây nên sự hap thụ sóng siêu âm. Ngoài ra, bơi nước ngưng tụ và bụi có thể khiến. căm biển siêu âm hoạt động sai hoặc không thé hoạt động được.

lắt cả những thay đổi và ảnh hướng của chúng gây sai số cho phép đo, hoặc khiến phép đo không thế thực hiện dược. Qua khảo sát và tìm hiểu các nghiên cửu đã được công bổ, đã cỏ nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của độ âm tương đối đến vận tắc âm thanh và sự hấp thụ âm. thanh trưng môi trường truyền, em nhận thay su can thiếL của việc nghiên cứu về ảnh hưởng đổi với cảm biến siêu âm nói riêng và toàn bộ hệ đo siêu âm nói chung, trong khi các nghiên cứu về chủ đề nảy hiện nay chưa được quan tâm và thực hiện. Vị vậy em quyết định thực hiện luận văn “Ảnh hướng của hơi nước vả bụi trung phép đứ siêu âm” để thực hiện các khão sát về ảnh hưởng gủa các nhân lỔ này đến cảm biển siều âm và toàn bộ hệ do siêu âm.