Chế tạo cảm biến giám sát lưu biến học trong quá trình sản xuất chất lỏng

Tại Đại học Sheffield, Vương quốc Anh, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống cảm biến mới, giúp kỹ sư theo dõi theo thời gian thực sự thay đổi của dòng chất lỏng trong quá trình sản xuất. Công trình được đăng trên tạp chí The journal Measurement Science and Technology, mở ra hướng tiếp cận trực tiếp hơn đối với việc kiểm soát những sản phẩm được tạo ra dưới dạng lỏng. Thay vì chờ lấy mẫu tại nhà máy rồi chuyển đến phòng thí nghiệm, doanh nghiệp có thể quan sát đặc tính dòng chảy ngay trong lúc sản phẩm đang được chế biến. Theo Tiến sĩ Julia Rees thuộc Khoa Toán học Ứng dụng, Đại học Sheffield, các nhà sản xuất cần hiểu dòng chất lỏng biến đổi ra sao trong nhiều điều kiện khác nhau. Những thay đổi tưởng nhỏ trong dòng chảy vẫn có thể ảnh hưởng rõ rệt đến kết cấu, hương vị, thậm chí cả mùi của sản phẩm cuối cùng. Vì vậy, kiểm soát lưu biến không chỉ là bài toán kỹ thuật, mà còn liên quan trực tiếp đến chất lượng và sự ổn định của hàng hóa. Độ nhớt của chất lỏng có thể thay đổi khi điều kiện môi trường thay đổi, khiến nhà sản xuất phải dựa vào các phương trình toán học để mô tả và dự đoán trạng thái của dòng chảy. Tuy nhiên, lưu biến của phần lớn chất lỏng rất phức tạp, bởi nhiều thành phần trong chúng phản ứng khác nhau trước nhiệt độ, áp suất hoặc tốc độ chuyển động. Việc xác định riêng từng thành phần tạo nên độ nhớt được gọi là rheometry, một kỹ thuật thử nghiệm dùng để nhận diện các tính chất lưu biến của vật liệu. Nhóm nghiên cứu Sheffield lựa chọn cách tiếp cận khác, đó là quan sát các đặc tính biểu hiện bên ngoài của chất lỏng, thực hiện phép đo, sau đó dùng phương trình toán học để tính độ nhớt. Chất lỏng được đưa qua một hệ thống cảm biến không xâm lấn, trong đó thiết bị ghi nhận thông tin về dòng chảy mà không cần can thiệp trực tiếp vào mẫu. Dữ liệu này được truyền tới thiết bị điện tử, nơi hệ thống tính toán một loạt trạng thái có thể xảy ra trong dòng chất lỏng. Theo Tiến sĩ Rees, thiết bị có thể thực hiện những phép tính phức tạp nói trên cho doanh nghiệp thông qua một quy trình kiểm tra tương đối đơn giản. Cách vận hành này giúp biến việc đánh giá lưu biến từ một công đoạn phòng thí nghiệm riêng biệt thành hoạt động có thể diễn ra ngay trong dây chuyền sản xuất. Khi thông tin được cập nhật liên tục, kỹ sư có thêm cơ sở để nhận biết sớm những biến đổi bất thường và điều chỉnh quy trình phù hợp. Các nhà khoa học cho rằng doanh nghiệp có thể tích hợp hệ thống cảm biến vào giai đoạn phát triển sản phẩm mới, thay vì liên tục lấy mẫu chất lỏng tại nhà máy để gửi đi phân tích. Thiết bị hoạt động được ở nhiều quy mô khác nhau, đáp ứng cả những dây chuyền lớn lẫn các phép thử cần lượng mẫu rất nhỏ. Khả năng này đặc biệt hữu ích với các mẫu chất lỏng có nguồn gốc sinh học, vốn thường khó thu thập và không nên sử dụng lãng phí. Một điểm đáng chú ý khác nằm ở khả năng khắc hệ thống cảm biến trên một vi mạch, với nhiều kênh có bề rộng tương đương một sợi tóc con người. Cấu trúc vi mô như vậy cho phép thiết bị xử lý những dòng chất lỏng nhỏ, đồng thời mở rộng khả năng thử nghiệm trong các ứng dụng cần độ chính xác cao. Công nghệ hiện vẫn được tinh chỉnh, sau khi nhóm nghiên cứu hoàn thiện hệ thống cảm biến không xâm lấn trong phòng thí nghiệm và chuyển sang phát triển thiết kế nguyên mẫu. Giáo sư Will Zimmerman, chuyên ngành hệ thống động lực hóa sinh thuộc Khoa Hóa học và Công nghệ Sinh học, Đại học Sheffield, nhấn mạnh lợi ích của việc đo dòng chảy theo thời gian thực. Khi khiếm khuyết được phát hiện và xử lý kịp thời, nhà máy có thể tránh lãng phí vật liệu, thời gian và năng lượng trong quá trình sản xuất. Nếu được hoàn thiện và triển khai rộng rãi, cảm biến này có thể giúp các công ty kiểm soát sản phẩm lỏng hiệu quả hơn, đồng thời rút ngắn khoảng cách giữa phép đo khoa học và hoạt động công nghiệp.