مقاله درمورد دانلود بهبود عملکرد، کنترل حرکت

دانلود پایان نامه ارشد

الکترود موّثر است.هنگامي که قطره بسمت الکترود تحريک شده نزديک ميشود،بار همان الکترود را ميگيرد.در اين هنگام نيروي الکتروفورتيک قطره را به سمت الکترود با بار مخالف ميراند. بنابراين اين نيرو باعث ايجاد حرکت و تغيير مکان قطرات بين دو الکترود ميشود.در نتيجه اين حرکت انعقاد موثر،توليد قطره با سايز بزرگ و جداسازي سريع را ميتوان انتظار داشت.

شکل1-2: نيروهاي وارد بر يک قطره درميدان -DC [1]
در ديسالترها خواص فيزيکي نظير،ويسکوزيته و دانسيته روغن و آب نيز موثرند.با استفاده از اين مقادير ميتوان قطر شناوري را مشخص نمود.تمامي قطرات بزرگتر داراي وزن کافي جهت غلبه بر نيروي ويسکوز خواهند بود و روي سطح مشترک جمع مي شوند. ويسکوزيته روغن با دما نسبت معکوس دارد.افزايش دما باعث کاهش ويسکوزيته و در نتيجه نشست قطرات ميشود ولي افزايش دما بر روي اختلاف دانسيته نيز تاثير گذاشته و نرخ جدايش را تحت تاثير قرار ميدهد.بنابر اين بالانس بين نرخ روغن،اختلاف دانسيته و ويسکوزيته روغن جهت بهبود عملکرد ضروري به نظر ميرسد.اين پارامترهاي طراحي،متغيرهاي اوليه در بررسي عملکرد ميباشند.دو پارامتر کليدي ديگر که بر روي فرايند الکترواستاتيک و کارامدي آن تاثير ميگذارند،کشش سطحي7 و هدايت الکتريکي روغن
ميباشند.
کشش سطحي بالا انعقاد قطره را مشکل ميکند در حالي که کشش سطحي پايين ،فرآيند انعقاد را آسانتر ميکند ولي باعث مي شود قطره منعقد شده راحت تر گسسته گردد و باعث ناپايداري آن ميشود.بار قطره بالا و يا افزودنيهاي شيميايي8،باعث کاهش
کشش سطحي و افزايش نرخ گسستگي9 ميشوند.هدايت الکتريکي قطره نتيجه وجود مواد آلي و غير آلي داراي قطب مغناطيسي و يا الکتريکي،ذرّات آب،ذرّات جامد هادي ميباشد.هر چه هدايت الکتريکي روغن بالا باشد،تاثير معکوس بر روند نيروي الکترواستاتيک خواهد داشت.همانطور که نشان داده شده قطرات کوچکتر احتياج به ولتاژ بالا جهت غلبه بر کشش سطحي دارند.اما اگر ولتاژ خيلي بالا باشد گسيختگي قطره را بدنبال دارد. دو ولتاژ جهت انجام کامل فرايند آب زدايي در نظر گرفته ميشود.اولين ولتاژ،ولتاژ آستانهاي است.ميداني را در نظر بگيريد که در آن ولتاژ به آرامي افزايش مييابد.در يک ولتاژ خاص جريان به شدّت افزايش مييابد و اين نشان دهنده شارژشدن الکتريکي آب است. به محض شارژ شدن نمودار نزول مييابد که نشان از انعقاد قطره آب دارد.براي روغن خالص،چنين افزايش جرياني وجود ندارد و در واقع شيب جريان نسبت به ولتاژ ثابت و برابر هدايت الکتريکي روغن است. هنگامي که محدوده کاربرد ولتاژ زير محدوده آستانهاي است انرژي الکترواستاتيک کافي جهت انعقاد اوليه وجود ندارد.در ولتاژهاي نزديک به ولتاژ آستانهاي قطر قطرات ماکزيمم ميشوند.در ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانهاي ،قطرات با قطر کمتر داراي انرژي لازم نيستند و پديده جدايش آب و نمک به خوبي صورت نمي گيرد.براي آب زدايي کامل ،تمامي آب موجود بايد به قطرات با قطر بزرگتر از استوکس منعقد شوند تا از روغني که به سمت بالا حرکت ميکند جدا شوند.انعقاد قطرات کوچکتر احتياج به ميدان قوي تر جهت ايجاد نيروي الکترواستاتيک لازم دارد.اما افزايش ولتاژ باعث افزايش نيروي الکترواستاتيک در قطرات بزرگتر هم ميشودکه گسيختگي را به همراه دارد. بنابراين ولتاژ به کار گرفته شده نبايد از ولتاژ شکست بيشتر شود.به اين ولتاژ،ولتاژ بحراني گويند. افزايش ولتاژ بعد از اين مرحله، باعث تشکيل قطرات کوچکتر و در نتيجه کاهش عملکرد آب زدايي خواهد گرديد.
توانايي و قابليت الکتريسيته در کنترل شکل و موقعيت قطرات بر روي سطوح جامد منجر به کاربرد اين روش در زمينههاي بيوالکترومکانيک10 شدهاست.يک قطره باردار ميتواند به عنوان يک ميکروراکتور استفاده شود.در حال حاضر کاربرد اصلي قطرات در ميکروسيالها،قابليت کنترل و انتقال آنها در اين نوع وسايل ميباشد.در واقع اين سيستمها از پديدههاي ناشي از باردار شدن قطره بر روي الکترود (و روغن به عنوان سيال پيرامون) استفاده مينمايند.هنگامي که قطره نزديک الکترود ميشود،دچار تغيير شکل شده و به حالت کشيده در ميآيد.به دليل اين که قطره مورد نظر نسبت به محيط دي الکتريک اطراف هادي تر است ، لذا نسبت به روغن راحت تر پلاريزه ميشود11 .بنابر اين بارهاي مخالف الکترود بر روي سطح مشترک روغن و آب وکنار الکترود جمع ميشوند.چون الکترود صفحهاي است بارهاي بيشتري در سطح مشترک روغن و آب کنار قطب قطره (که با الکترود تماس دارند جمع ميشوند).نيروي الکتريکي در اثر بارهاي تجمع يافته افزايش مييابد و اين امر باعث کاهش فاصله الکترود و قطره مي شود.بنابراين قطره در هنگام تماس با الکترود نوک تيز ميشود.اين نوک تيز،سرانجام باعث تماس کامل قطره و الکترود شده و در تماس با الکترود بار الکترود را ميگيرد.به اين پديده باردار شدن قطره12 (ECOD)گويند. سوالي که در اين جا مطرح است اين است که قطره چه ميزان از بار الکترود را در يافت ميکند.پژوهشهاي اخير تا حدودي توانستهاند پاسخ اين سوال را بدهند[2].ديجيتال ميکرو فلويديکها 13 روشهايي هستند که بر اساس (ECOD) کار ميکنند.مزيت (DMF) در اين است که انتقال قطره سريع بوده و اثرات سطح ناچيز ميباشد.
جهت بررسي (DMF) تراشهاي مطابق (شکل1-3) در نظر بگيريد.الکترودها بصورت آرايهاي بر روي سطح آب گريز14 قرار گرفتهاند.بطوريکه توسط يک سوييچ الکتريکي به منبع تغذيه ولتاژ بالا وصل هستند.با توجه به اين که روغن اطراف سيليکون است ،آب بصورت قطرات کروي بر روي سطوح آب گريز قرار ميگيرد که براي پروسه (ECOD) بسيار مناسب ميباشد.

شکل1-3: شماتيک (ECOD)- [2]
تحريک قطره با دادن ولتاژ متوالي (a-b) به الکترودها انجام ميپذيرد.ترتيب ولتاژ بصورت [+:-:0] و سپس [0:+:-] است که ميتواند معياري براي زمان انتقال قطره باشد.هنگامي که يک ولتاژ به کار گرفته ميشود قطره به الکترود نزديک ميشود و بار الکترود را
ميگيرد و سپس به سمت الکترود مخالف حرکت ميکند.در زماني که قطره به الکترود کناري ميرسد،ولتاژ جفت الکترود قبلي قطع شده و به جفت الکترود بعدي داده ميشود.لذا قطره شارژ شده مطابق ميدان الکتريکي منتقل ميگردد. ميکرو کنترلر ولتاژ پي در پي را جهت کنترل حرکت قطره ميفرستد.يک منبع تغذيه چند کاناله قابل برنامه ريزي توسط رلهها به اجزاء خود متصل ميگردد.در بعضي از وسايل از الکترودهاي نقطهاي استفاده ميشود.
تفلون به عنوان سطح آبگريز و الکترود مسي با مقطع دايروي استفاده ميشود.اين الکترودها به سيستم ميکروکنترلر متصل
ميشوند.همانطور که در بحث حرکت تک قطره مطرح شد،ميتوان انعقاد دو قطره را نيز به همين طريق کنترل کرد.در ابتدا دو قطره بطور مجزا توسط نازل15 بر روي سطح قرار ميگيرند و سپس يک جريانDC به الکترودها تزريق ميشود.در حرکت مستقيم يک ميدان الکتريکي بين سومين و ششمين الکترود ايجاد ميشود و به محض قطع ولتاژ بين سومين و ششمين الکترود،يک ميدان بين ششمين و نهمين الکترود ايجاد ميگردد که باعث رانش قطره به سمت الکترود نهم ميگردد.( شکل1-4).بطور مشابه ميتوان توسط نيروي کلمب يک حرکت دوراني نيز ايجاد نمود.بطوريکه ابتدا ميدان الکتريکي بين الکترودهاي ششم ونهم ايجاد ميشود و سپس هشتم ونهم(زماني که قطره به الکترود نهم رسيده و ولتاژ بين الکترود ششم ونهم قطع شدهاست).قطرهاي که توسط الکترود ششم شارژ شده بود،از الکترود نه به سمت الکترود هشت حرکت ميکند.در طول انتقال قطره از الکترودي به الکترود ديگر،تماسي با سطح صورت نميگيرد و اين امر از نماي جانبي مشخص است(شکل1-5).به دليل اختلاف دانسيته کم ،قطره سعي دارد در مسير کمان شکل که در اثر ميدان ايجاد شده حرکت کند.بنابر اين قطره در حين حرکت به سختي به الکترود ميچسبد و يا با آن تماس دارد.عدد باند16 معرف ميزان اثر کشش سطحي است().اگر اين عدد بي بعد کوچک باشد،آنگاه کشش سطحي غالب بوده و ميتوان يک قطره ساکن را کروي در نظر گرفت.(: اختلاف دانسيته دو فاز و : طول مشخصه ميباشد).

شکل1-4: شماتيک حرکت قطره در چيدمان الکترود نقطهاي بر روي تفلون- [2]

شکل1-5: نماي جانبي حرکت قطره در چيدمان الکترود نقطهاي- [2]
هنگامي که دو قطره با بار مخالف به يکديگر نزديک ميشوند به دليل نيروي کلمب يک پل بين آنها تشکيل ميشود(شکل1-6).اين پل نقش يک هادي را جهت انتقال بارها از يک قطره به قطره ديگر دارد.بعداز انتقال بار قطره خنثي ميشود(اگر دو قطره داراي يک ميزان بار اما با علامت مخالف باشند).اما بايد متذکر شد که اين قطره در معرض پلاريزاسيون الکتريکي است لذا نيروي الکتريکي در صدد است تا اين قطره را به دو قطره ديگرمجدّداً تجزيه نمايد.از سوي ديگر،نيروي کشش سطحي تمايل دارد تا قطره کروي (ناشي از برخورد دو قطره)حفظ شود.بنابراين اگر نيروي الکتريکي ضعيف تر از نيروي کشش سطحي باشد ، قطره شکل کروي خود را حفظ ميکند اما اگر نيروي الکتريکي بيشتر باشد قطره دوباره تجزيه شده و دو قطره در جهت مخالف حرکت ميکنند. اهميت نسبي تغيير شکل در اثر نيروي الکتريکي به بقاء شکل در اثر کشش سطحي توسط عدد بي بعد وبر17 الکتريکي سنجيده ميشود.در اين جاقطر انعقاد ناشي از برخورد دوقطره(بدون تغيير شکل) ميباشد.هميشه يک مقدار مرزي مشخص براي وبر الکتريکي وجود دارد که بين فرآيند يکپارچه شدن و جداشدن قطرات تمايز قائل ميشود.هنگامي که قطره انعقاد شده بار خالص صفر داشته باشد حرکت اين قطره در ميدان بسيار مشکل ميباشد. ميزان بار جمع شده از طريق قطره از الکترود متناسب توان 1.59 از شعاع آن است.اگر قطره کاملا هادي باشد(شکل کروي) توان 2 در نظر گرفته ميشود.دانسيته بار سطحي 18 متناسب با ميزان ميدان الکتريکي است.در نتيجه ميتوان از (ECOD) در انتقال مولکولهاي DNA از طريق قطرات بهره جست.
1-2

شکل1-6: شماتيک برخورد دو قطره – [2]
يکي ديگر از کاربردهاي EHD در مخلوط کننده ها 19 ميباشد.فرض کنيد دو سيال کاملا دي الکتريک داريم.بنابر اين هيچ گونه بار آزاد در سطح مشترک و درون سيال وجود ندارد.اما هنگامي که دو سيال کاملا دي الکتريک نباشند،احتمال حضور بارهاي آزاد در سطح مشترک دو سيال وجود دارد.وجود اين بارهاي آزاد در سطح باعث ناپايداري سطح مشترک خواهد شد.دو روغن ترانزفورمر و سيليکون را در نظر بگيريد.در غياب ميدان الکتريکي سطح مشترک دو سيال توسط فشار،کشش سطحي،نيروي وزن بالانس مي شود. (شکل1-7) نشان ميدهد هنگامي که EEcr باشد سطح دچار ناپايداري شده و اين امر منجر به نفوذ سيليکون بصورت رشته20 ميشود.علت حرکت اين رشتهها را ميتوان،حرکت يونهاي جمع شده بر روي سطح مشترک به سمت الکترود مخالف دانست.با افزايش بيشتر ولتاژ به تعداد اين رشتهها افزوده شده و دو گردابه چرخان ايجاد ميشود (شکل1-8).در نهايت با زياد نمودن مقدار ميدان الکتريکي سطح مشترک بسيار ناپايدار ميشود و اين امرباعث مخلوط شدن دو سيال ميگردد[3].

شکل1-7 :ايجاد رشته و شروع ناپايداري در سطح مشترک- [3]

شکل1-8 :فرايند مخلوط شدن دو سيال دي الکتريک- [3]

يکي ديگر از موارد پرکاربرد،) پمپ (EHDميباشد.
دو راه جهت توليد بار در سيال وجود دارد.اولين راه تزريق يون در فصل مشترک فلز-مايع ميباشد و اين نوع پمپاژ به درگ يوني معروف است.اما اين نوع پمپاژ به علت از بين رفتن خواص الکتريکي سيال و نحوه اجراي آن مطلوب نيست.دومين راه،فرايند تجزيه و ترکيب خواص الکتروليتي خالص و يونها است[4] . اگر ABمعرف مولکولي باشد که به يونهاي خود قابل تجزيه باشد:
1-3

kd و krبه ترتيب نرخ ثابت تجزيه و ترکيب ميباشند.در حالت کلي نرخ تجزيه متناسب با ميدان الکتريکي است ولي نرخ ترکيب وابسته به ميدان نميباشد.هنگامي که ولتاژ از 1(KV/cm) بيشتر شود نرخ تجزيه نسبت به ترکيب افزايش مييابد.بارهاي ناشي از تجزيه دوباره توسط ميدان الکتريکي پخش شده و لايههاي بار نامشابه21 (بار با قطبيت مخالف با الکترود مجاور) را توليد مينمايند.جاذبه بين الکترود و بارهاي موجود در اين لايه،باعث حرکت سيال به طرف الکترود ميشود.اين نوع پمپ به پمپ هدايتي معروف است.اين نوع پمپ نه بواسطه تزريق يون از جانب الکترود،بلکه از طريق تجزيه سيال

پایان نامه
Previous Entries مقاله درمورد دانلود الکتريکي، ميدان، نيروي Next Entries مقاله درمورد دانلود عدم تقارن