chapter 3

Chương III: ĐO ÁP SUẤT 3.1 Một số khái niệm 3.1.1 Định nghĩa đơn vị đo Áp suất lực tác dụng đồng đơn vị diện tích hay áp suất lực tác dụng thẳng góc đơn vị diện tích từ định nghĩa ta suy đơn vị đo áp suất [P]= [P]= gọi pascal ký hiệu Pa Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) • Trong thực tế nhỏ nên dùng đơn vị Kg/ Cm2, MPa, KPa, mmHg, mmH2O, atmốtpe kỹ thuật; bar; torr • Kg/Cm2 =1 at = 10 mH2O ~ 736 mmHg~0,98bar • 1MPa = 106 Pa = 9,87at; torr = 1mmHg • Ngồi người ta dùng số đơn vị khác chẳng hạn đơn vị Psi Anh at = 15 Psi Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) • Khi đo áp suất ta cần phân biệt: áp suất tĩnh áp suất động • Áp suất tĩnh áp suất mà môi chất đứng yên, áp suất động áp suất ta cần truyền cho mơi chất • Khi đo áp suất tĩnh ta có khái niệm - áp suất khí áp suất khơng khí bao quanh trái đất viết tắt Pkq - áp suất tuyệt đối (Ptđ) áp suất toàn phần mà vật phải chịu - áp suất tương đối ( Ptgđ ) hiệu áp suất tuyệt đối Pkq Ptgđ = Ptđ - Pkq Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) • • • Nếu Ptgđ > Ptgđ áp suất dư hay áp suất biểu kiến dương Nếu Ptgđ < thi Ptgđ gọi độ chân không Nhưng Ptgđ có trị số tuyệt đối cỡ vài chục mmH2O gọi sức hút • Nói chung đồng hồ đo áp suất gọi áp kế • Nếu đồng hồ đo áp suất âm gọi chân khơng kế • Nếu đồng hồ đo áp suất khí gọi khí áp kế • Nếu đồng hồ đo áp suất nhỏ gọi vi áp kế Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) Theo nguyên lý làm việc ta chia áp kế thành loại sau a) Áp kế chất lỏng: Đo áp suất dựa áp suất tạo cột chất lỏng có chiều cao tương ứng, bao gồm: *) Áp kế cột chất lỏng ống thuỷ tinh: áp kế chữ u; áp kế ống thẳng (áp kế hình chén); vi áp kế ống nghiêng; áp kế chất lỏng (ít dùng) *) Áp kế hình khun *) Áp kế phao *) Áp kế chuông (1 chuông, chuông), vị trí chng thể áp suất • Ngun lý: dùng cột chất lỏng để cân bằng, dùng chuông để thị Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) b) Áp kế đàn hồi • Đo áp suất dựa biến động chi tiết đàn hồi tác dụng áp suất Loại có: • *) Áp kế màng + áp kế màng phẳng + áp kế màng nếp sóng + áp kế màng vùng + áp kế hộp màng • *) Áp kế ống puốc đơng (áp kế ống lị xo) • *) Áp kế hộp đèn xếp Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) c) Áp kế kiểu điện Loại đo áp suất dựa việc đo tính chất điện vật liệu tác dụng áp suất VD : hiệu ứng áp điện, tenzô, v.v d) Áp kế pittông Áp suất cần đo hay áp suất tạo cân với áp suất tạo trọng lượng pittông cân nằm Loại không dùng để đo, để tạo áp suất với mục đích kiểm định áp kế, ví dụ áp kế puốc đông Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) P2 h h1 Đường kính bên ống thuỷ tinh không nhỏ -10 mm đồng theo chiều dài cùa ống Khi sử dụng áp kế chữ U phải lắp đặt theo phương thẳng đứng Đo áp suất dư áp suất chân khơng đầu chữ U nối với mơi trường đo, đầu cịn lại thơng với khí P1 h2 3.2 Áp kế cột chất lỏng a, Áp kế chữ U Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo áp kế chữ U Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) • Nếu đo hiệu áp suất hai đầu nối thông với hai môi trường đo Đơn vị đo áp suất thường sử dụng mm cột nước chất lỏng nước mm thuỷ ngân Nếu chất lỏng ống thuỷ ngân, chuyển đổi đơn vị đo sang Pascal công thức: P = P1 + P2 = h.g. ( Pa ) Nếu môi trường phía hai bề mặt dịch thể có khối lượng riêng nhỏ đó: h – cột dịch thể chênh lệch hai mức g – gia tốc trọng trường (m/s2);  – khối lượng riêng chất lỏng ống ( kg/m3) Chương III: ĐO ÁP SUẤT (tiếp) • Nếu mơi trường phía hai bề mặt chất lỏng có khối lượng riêng lớn cơng thức chuyển đổi có dạng: P = hg ( – m ) ( Pa ) đó: m – khối lượng riêng mơi trường bề mặt dịch thể (kg/m3) • Dải đo: at • Sai số áp kế chữ U kết tính đọc áp suất đo Khi độ chia thang 1mm sai số tổng cộng đọc mm 3.4 Áp kế pittông Nguyên lý: Cân áp suất gây pittông cân nằm đĩa Từ ta hiệu chỉnh lại áp kế Độ xác phụ thuộc vào độ xác cân 3.4 Áp kế pittông • Gọi áp suất bên xilanh p, trọng lượng pittông giá đỡ cân G0, trọng lượng cân G, diện tích hữu hiệu pittơng F0 được: • Hiện khơng dùng để đo ma dùng để kiểm định áp kế 3.5 Cảm biến kiểu điện 3.5.1 Cảm biến kiểu áp điện - Một số tinh thể như: thạch anh, turmalin, titan, muối xécnhét, Bari v.v… có số tính chất khác tùy hướng - Tính chất áp điện tinh thể ứng dụng vào việc chế tạo cảm biến dùng đo áp suất, thạch anh thường dùng nhiều có hệ số áp điện khoảng 0500oC số Cảm biến kiểu áp điện dùng cho tần số tới 30KHz 3.5 Cảm biến kiểu điện • Từ tinh thể thạch anh cắt lấy thạch anh hình hộp mặt theo hướng trục điện, trục quang trục • Lực F tác dụng song song với trục điện mặt đối có điện tích trái dấu +q -q; hiệu ứng áp điện theo hướng trục tung : q = KF • Nếu lực F song song với trục quang khơng mặt có điện tích xuất • Nếu lực F song song với trục mặt trực giao với trục điện xuất điện tích, hiệu ứng áp điện theo trục hồnh , đổi chiều tác dụng F dấu q thay đổi K hệ số áp điện, tính q theo Culơng, F theo KG thạch anh có K = 2,2 x 10-11 • Điện tích sinh mặt S tinh thể thạch anh chịu áp suất P (KG/cm2) theo hiệu ứng áp điện q = 2,22 x 10-11 PS 3.5 Cảm biến kiểu điện Hình 3.20 : a) Tấm thạch anh b) Tinh thể thạch anh Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý biến đổi áp suất tinh thể áp điện 3.5 Cảm biến kiểu điện • Hình 3.21 sơ đồ biến đổi áp suất tinh thể áp điện • Áp suất đo biến đổi nhờ màng (4) thành ứng suất, tạo nên lực nén lên phiến thạch anh (2), đường kính 5mm, có bề dày 1mm Điện tích q xuất cửa (1) đưa tới khuếch đại điện tử (5) có tổng trở vào lớn cỡ 1013 Quan hệ điện tích q áp suất P là: q = k.F.P F- diện tích hữu ích màng Giới hạn biến đổi áp suất kiểu áp điện với tinh thể thạch anh từ 2,5 – 100 MPa Cấp xác 1,5; Bộ biến đổi không dùng để đo áp suất tĩnh 3.5 Cảm biến kiểu điện 3.5.2 Cảm biến kiểu áp từ (cảm biển kiểu cảm ứng) • Áp suất tạo ứng lực học vật liệu sắt từ biến đổi làm biến đổi hệ số dẫn từ vật liệu • Hình 3.22 cảm biến áp – từ có mặt đáy làm màng đàn hồi, bị áp suất tác dụng màng nén lõi sắt tâm làm thay đổi hệ số dẫn từ (lõi sắt tâm làm hợp kim pecmaloi có hệ số dẫn từ lớn) trở kháng cuộn dây biến đổi, dùng cầu không cân máy sóng xác định trở kháng cuộn dây biết áp suất tác động màng Cuộn dây đặt vỏ bọc 1, dịng điện qua lấy từ nguồn điện cao tần 5-7KHz 3.5 Cảm biến kiểu điện Hình 3.22: Cấu tạo cảm biến Áp -Từ 3.5 Cảm biến kiểu điện Hình 3.25: cảm biến kiểu cảm ứng 3.5 Cảm biến kiểu điện • W- Số vịng cuộn dây; • ltb; Stb - chiều dài diện tích trung bình lõi thép •  - chiều dài khe hở khơng khí • tb; 0 - độ từ thẩm lõi thép khơng khí • S - Tiết diện ngang khe hở khơng khí mạch từ • Trong trình đo, giá trị Ltb/ (tb.Stb) < < / (0 S) ta tính giá trị L cách gần đúng: L = W2 0 S/ 3.5 Cảm biến kiểu điện 3.5.3 Cảm biến điện trở Đặc tính: tuyến tính Dải đo: 10000 – 13000 KG/cm2 3.5 Cảm biến kiểu điện • Cảm biến dùng điện trở Manganin cấu tạo hình 3.23, • đầu nối để nối tới nơi cần đo áp suất, đầu nối ống giữ dây dẫn, cuộn dây điện trở, dây dẫn, nắp giữ đệm cách điện 3.5 Cảm biến kiểu điện 3.5.4 Cảm biến áp suất silic kiểu điện dung • Nguyên lý: Điện dung tụ điện thay đổi cách tác động lên thông số làm thay đổi điện trường hai vật dẫn tạo nên hai cực tụ điện Một hai cực nối học với vật trung gian chịu tác động áp suất cần đo Hình 3.24: Cảm biến điện dung 3.5 Cảm biến kiểu điện • 1-màng kim loại, cực động • 2- cực tĩnh cách điện với vỏ thạch anh Sự phụ thuộc điện dung C vào độ dịch chuyển  màng (1) có dạng: C =  S/ ( + 0) Trong  số điện mơi chất điền đầy khe hở hai cực, S- diện tích cực, 0: khoảng cách cực áp suất tác động • Để biến đổi điện dung C thành tín hiệu đo lường, người ta thường dùng cầu xoay chiều hay mạch vòng cộng hưởng L – C Bộ cảm biến áp suất kiểu điện dung để đo áp suất đến 120 MPa bề dày màng từ 0,005 – 1mm Nó dùng trường hợp áp suất thay đổi nhanh Hằng số thời gian biến đổi 10-4s Sai số (0,2 – 5)% • Ưu điểm: cảm biến điện dung cho tín hiệu đo lớn từ 20 đến 200 mV, khối lượng nhỏ nhạy cảm với gia tốc So với cảm biến áp trở, cảm biến điện dung nhạy với nhiệt độ ổn định cao • Nhược điểm: cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm độ ẩm ảnh hưởng đáng kể đến số điện môi tụ điện ... – 1)kg/cm2 3. 3 Áp kế đàn hồi d) Màng hộp: -Tăng độ nhạy a b Hình 3. 11: Màng hộp đàn hồi (a); khối màng hộp (b) 3. 3 Áp kế đàn hồi Hình 3. 12 : Sơ đồ hiệu áp kế kiểu màng hộp đàn hồi 3. 3 Áp kế đàn... W2 0 S/ 3. 5 Cảm biến kiểu điện 3. 5 .3 Cảm biến điện trở Đặc tính: tuyến tính Dải đo: 10000 – 130 00 KG/cm2 3. 5 Cảm biến kiểu điện • Cảm biến dùng điện trở Manganin cấu tạo hình 3. 23, • đầu nối... tín hiệu phức tạp 3. 3 Áp kế đàn hồi x (đ ộ dị ch ) F( x lực ) • Các loại áp kế đàn hồi a) Áp kế màng phẳng Px Hình 3. 6: Áp kế màng phẳng Hình 3. 7 : Đặc tính đầu màng phẳng 3. 3 Áp kế đàn hồi •