Thông tin tài liệu
ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ KHÁC Chương IX 9.1 - Đo nhiệt độ: 9.1.1 - Khái niệm chung - Trong tất đại lượng vật lý, nhiệt độ quan tâm nhiều nhiệt độ đóng vai trị định đến nhiều tính chất vật chất Đo nhiệt độ nhiệm vụ thường gặp ngành nhiệt, hóa ngành luyện kim - Đa số đại lượng vật lý xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lượng có chất Đo xác trí số nhiệt độ tương đối khó khăn nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật phụ thuộc vào nhiệt độ - Tùy theo nhiệt độ đo mà dùng phương pháp khác Thông thường nhiệt độ đo chia thành dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình nhiệt độ cao - Ở mức nhiệt độ trung bình thấp thường phương pháp đo đo tiếp xúc nghĩa chuuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo Còn ứng với nhiệt độ cao đo phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo - Với bảng cho ta biết dụng cụ đo phương pháp đo nhiệt độ ứng với dải khác - Để xác định nhiệt độ cần chế tạo cảm biến dựa nhiều nguyên lý cảm biến khác như: nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt dao động nhiệt, phương pháp dựa giãn nở vật rắn, chất lỏng, khí dựa tốc độ âm 9.1.2 - Đo nhiệt độ dựa giãn nở - Nguyên lý hoạt động loại nhiệt kế dựa dãn nở đơn vị dài l/l vật liệu có thay đổi nhiệt độ T: - hệ số nở dài phụ thuộc vào vật liệu - Do thường có giá trị nhỏ nên đo trực tiếp l để suy T khó khăn Do thực tế người ta thường sử dụng giãn nở vật liệu riêng biệt khác để xác định T a/ Nhiệt kế chất lỏng: - Đây loại dụng cụ đo xuất với nguyên lý làm việc dựa vào hiệu ứng giãn nở nhiệt thủy tinh chất lỏng chứa - Sự giãn nở nhiệt chất lỏng đặc trưng hệ số giãn nở thể tích Trị số xác định theo cơng thức: đó: V1, V2 - thể tích chất lỏng tương ứng với nhiệt độ t1, t2 V0 - thể tích chất lỏng 00C - Nhận thấy lớn biến thiên thể tích tương ứng với thay đổi nhiệt độ 10C lớn Vì loại nhiệt kế chất lỏng ta sử dụng chất lỏng có hệ số giãn nở thể tích nhiệt lớn tốt - Nhiệt kế chất lỏng phổ biến hay gặp nhiệt kế thủy ngân, có cấu tạo gồm bình đựng chất lỏng (Hg) nối với ống mao dẫn bình dự phịng Các bình làm băng thủy tinh chịu nhiệt thạch anh tất gắn với cột khắc vạch Chất lỏng đổ đầy bình phần ống mao dẫn, khơng gian cịn lại chứa khí trơ chân khơng để đề phòng nhiệt kế bị phá hủy làm việc nhiệt độ cao Nhiệt độ xác định theo chiều cao cột chất lỏng chứa ống mao dẫn - Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng, độ xác cao - Nhược điểm: giá trị phụ thuộc vào việc đọc giá trị, khơng có khả tự ghi truyền tín hiệu xa, dụng cụ dễ vỡ b/ Nhiệt kế giãn nở chất rắn: - Nguyên lý làm việc dụng cụ việc xác định nhiệt độ dựa thay đổi nhiệt chất rắn, đặc trưng hệ số nở dài - Dạng nhiệt kế sử dụng thực tế, thường dùng để đóng mở rơ le c/ Nhiệt áp kế: - Là dụng cụ đo nhiệt dựa mối quan hệ nhiệt độ áp suất bình kín tích khơng đổi - Cấu tạo: áp kế gồm có bầu A, ống dẫn B phận đo áp suất C Chất làm việc dạng khí, lỏng qua có tên gọi nhiệt áp kế khí, lỏng, Dụng cụ dạng thị dạng tự ghi - Nguyên tắc làm việc dựa thay đổi áp suất chất công tác bình kín tích khơng đổi thay đổi nhiệt độ Vì thể tích chất cơng tác không đổi ta thay đổi nhiệt độ dẫn tới chất chịu nhiệt tăng áp suất bị nén Khi thơng qua áp suất mà xác định nhiệt độ cần đo - Ưu điểm nhiệt áp kế: đo khoảng cách xa tự động ghi giá trị cần đo, dụng cụ có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng - Nhược điểm: thang đo chia khơng tuyến tính dẫn tới độ xác khơng cao, bị ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường xung quanh khó sửa chữa bị rò rỉ 9.1.3 - Đo nhiệt độ dựa chuyển đổi điện - Từ năm 1821, Humphy Davy phát điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ Năm 1871, William Siemens lần sử dụng nhiệt kế điện trở Platin - Nguyên lý làm việc nhiệt kế điện trở dựa thay đổi điện trở dây dẫn kim loại chất bán dẫn nhiệt độ thay đổi (hiệu ứng nhiệt điện) - Nhiệt kế điện trở thường gặp thực tế có loại: nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn - Nhiệt điện trở dùng dụng cụ đo nhiệt độ cần phải làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt sinh dòng nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt nhận từ mơi trường đo Khi u cầu vật liệu chuyển đổi phải có hệ số nhiệt lớn ổn định, điện trở suất lớn - Phạm vi đo nhiệt điện trở từ (-200 7000)C - Ưu điểm nhiệt điện trở là: Cho phép đo có độ xác cao Có thể đặt dụng cụ thứ cấp xa so với vị trí đo nhiệt Có khả ghi tự động kết tự động điều chỉnh trình đo Có khả làm trung tâm kiểm tra nhiệt độ cách nối vài nhiệt kế với dụng cụ đo - Nhược điểm: Cần nguồn cung cấp ổn định, hạn chế dùng môi trường dễ gây nổ, gây cháy Kích thước cảm biến lớn, không cho phép đo nhiệt độ điểm Khơng đo mơi trường có rung động Có sai số khắc độ nhiệt điện trở Đặc tính nhiệt điện trở khơng ổn định Sự tỏa nhiệt nhiệt điện trở mơi trường xung quanh lớn - Có sai số dụng cụ thứ cấp Để phép đo xác, u cầu dụng cụ đo cấu tạo cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo Cụ thể: o Khi đo mơi trường khơng khí nước, chuyển đổi phải đặt vào mơi trường, vng góc ngược hướng với dòng chảy o Với vật rắn, đặt nhiệt kế vào sát vật nhiệt lượng từ vật rắn truyền sang nhiệt kế (hay ngược lại) dễ gây tổn hao nhiệt vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xác vật đo nhiệt kế lớn tốt o Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất ) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế điện trở để kín vỏ có cáp nối 1/ Nhiệt kế nhiệt điện trở: - Nhiệt kế nhiệt điện trở chế tạo dây Platin, Cu, Ni, bán dẫn quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu nối ngồi Nhiệt kế điện trở dùng mạch đo để đo điện trở thông thường dùng mạch cầu không cân bằng, thị lôgômét từ điện cầu tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở Nếu nhiệt điện trở mắc vào mạch cầu hai dây dẫn Rđ1 Rđ2 (cầu hai dây), dụng cụ có thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi Với: đó: Rđ - thay đổi điện trở dây nối Rđ = Rđ1 + Rđ2 RT T - điện trở ban đầu nhiệt điện trở hệ số nhiệt (ứng với t = 00C) - Để giảm sai số nhiệt độ môi trường gây ta sử dụng sơ đồ cầu dây hình vẽ - Trong sơ đồ này, hai dây mắc vào nhánh kề mạch cầu, dây thứ măc vào nguồn cung cấp Khi cầu làm việc chế độ cân R = R2; Rd1 = Rd2 sai số thay đổi điện trở đường dây loại trừ Khi cầu làm việc chế độ không cân sai số giảm đáng kể so với cầu dây - Thực chất sai số cầu làm việc chế độ không cân sai số chủ yếu thay đổi điện áp nguồn cung cấp gây nên - Với mạch cầu khơng cân có thị lơgơmét điện từ có sơ đồ ngun lý hình vẽ Với sơ đồ ta loại trừ sai số điện áp nguồn cung cấp thay đổi - Ba nhánh mạch cầu R1, R2, R3 điện trở làm Mangani Nhánh thứ tư điện trở Rt , bốn nhánh mắc theo sơ đồ mạch cầu dây Trong sơ đồ điện trở R4 dùng để chỉnh thang đo (cầu cân trước đo) - Điện trở RP dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5 15), rt điện trở bù nhiệt độ cho cấu Lôgômét - Khi hiệu chỉnh RP người ta sử dụng RK (có giá trị điện trở nhiệt điện trở) R K mắc vào nhánh cầu sau điều chỉnh điện trở R P kim Lơgơmét dừng vị trí xác định thang dừng lại, RK ngắn mạch đo - Khi chọn R1 = R3; R0 = R0' = R (điện trở khung Lơgơmét) tỷ số dịng điện chạy cuộn dây xác định theo cơng thức: đó: RT - thay đổi điện trở nhiệt điện trở nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung bình RT/ = R0 + RP + RTtb (RTtb - điện trở nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo dụng cụ) - Từ phương trình nhận thấy tỉ số dịng điện phụ thuộc vào RT lôgômét thị giá trị cần đo - Trong kỹ thuật đo nay, để đo nhiệt độ nhiệt điện trở ta thực mạch cầu tự động tự ghi Phương pháp đo nhiệt độ điểm số điểm nhờ cấu chuyển mạch 2/ Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: - Đây phương pháp đo nhiệt độ phổ biến thuận lợi Cấu tạo gồm dây hàn với điểm luồn vào ống để đo nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế làm thép không gỉ Để cách điện hai dây, dây luồn vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm kim loại hai dây luồn vào ống sứ - Đầu cặp nhiệt ngẫu nối vào hộp đầu nối Mạch đo nhiệt kế nhiệt ngẫu miliVônmét (mV) điện kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 100V - Nếu đo sức điện động nhiệt điện mV gây sai số nhiệt độ mạch đo thay đổi Dịng điện chạy qua thị lúc là: I đó: E - sức điện động Rd - điện trở dây RT - điện trở cặp nhiệt ngẫu Rđ/c - điện trở mV - Khi điện áp rơi mV là: - Thơng thường Rd + RT hiệu chỉnh 5, điện trở mV lớn nhiều lần (40 50) lần Vì sai số chủ yếu điện trở mV Rd/c thay đổi - Đo sức điện động điện kế loại trừ sai số dòng tiêu thụ tiến hành phép đo - Để khắc phục sai số nhiệt độ đầu đo tự thay đổi, ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ hình vẽ - Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu chiều tạu điểm A -B, R t - nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu Điện trở Rt mắc vị trí với đầu tự cặp nhiệt ngẫu có nhiệt độ t0 - Cầu tính tốn nhiệt độ t0 = 00C điện áp tạo đường chéo cầu U = - Khi nhiệt độ đầu tự thay đổi t0' t0, điện áp cầu U bù vào sức điện động nhiệt độ thay đổi - Phương pháp bù giảm sai số xuống đến 0,04% 100 C - Tuy nhiên nhược điểm phương pháp phải dùng nguồn phụ có sai số nguồn phụ gây - Các cặp nhiệt ngẫu thông dụng: o Nhiệt ngẫu TRP (Platin - PlatinRodi) (10%Rh + 90%Pt) điện cực thứ hai làm bạch kim nguyên chất Loại có khả chịu nhiệt độ cao (-2000C 13000C) có đặc tính ổn định o Nhiệt ngẫu TCA (Crome - Alumen): điện cực làm Cr(89%Ni; 9,8%Cr; 1%Fe; 0,2%Mn) cực thứ hai Alumen(94%Ni; 2%Al; 2,5%Mn; 1%Si; 0,5%Fe) đo nhiệt độ (-50600)0C o Nhiệt ngẫu TCN: có điện cực nhiệt làm hợp kim Ni - Co điện cực thứ hai làm từ biến thể khác hợp kim Al đo nhiệt độ (-50 1000)0C o Nhiệt ngẫu TFN: điện cực làm hợp kim Fe - Ni, điện cực thứ hai hợp kim Copen có phạm vi đo từ (-50 1000)0C o Nhiệt ngẫu TPP (PlatinRohdi - PlatinRohdi) có điện cực làm hợp kim PlatinRohdi với 70%Pt 30%Rh Điện cực thứ hai làm kợp kim với 94%Pt 6%Rh, đo nhiệt độ (300 1600)0C o Để đo nhiệt độ lớn 20000C mơi trường trung tính mơi trường hồn ngun, ta dùng nhiệt ngẫu từ Vơnfram Mơlipđen Để đo nhiệt độ từ 2500 30000C dùng nhiệt ngẫu làm Vônfram Iridi Vônfram Rêni 9.1.4 - Đo nhiệt độ dựa chuyển đổi xạ - Để đo nhiệt độ lớn 4000C ta sử dụng nhiệt kế dựa nguyên tắc đo lượng xạ vật bị đốt nóng - Đặc điểm dụng cụ trình đo dụng cụ không tiếp xúc với môi trường đo 1/ Hỏa quang kế phát xạ - Cấu tạo gồm thấu kính để thu nhận tia phát xạ từ vật cần đo nhiệt độ, qua khe sáng sau tập trung nhiệt điện Thường dùng cặp nhiệt điện mắc nối tiếp với dây dẫn có đường kính 0,07m Để tránh tổn hao nhiệt hỏng cặp nhiệt điện, ta đặt cặp nhiệt điện vào bình thủy tinh có chứa khơng khí Đầu nóng cặp nhiệt điện kẹp vào hình chữ nhật Pt mỏng phủ lớp màu đen để hấp thụ nhiệt Trước thị kính người ta lắp kính lọc để bảo vệ mắt - Đặc điểm nhiệt kế khơng đo nhiệt độ thấp tia hồng ngoại khơng xun qua thấu kính (kể thạch anh) - Khoảng cách dụng cụ đo vật đo xác định kích thước vật đốt nóng Khoảng cách không lớn để chùm sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn ống ngắm nhiệt kế 2/ Hỏa quang kế cường độ sáng: - Nguyên lý làm việc hỏa quang kế cường độ sáng so sánh cường độ sáng đối tượng đo với cường độ sáng dây tóc bóng đèn sợi đốt Vơnfram sau hóa già khoảng 100 với nhiệt độ 20000C Sự phát sáng đèn ổn định sử dụng nhiệt độ từ 14000C 15000C Cường độ sáng điều chỉnh cách thay đổi dịng đốt dùng lọc ánh sáng - Cấu tạo gồm có chắn sáng quang học so sánh mắt gồm: ống ngắm có vật kính 1, thị kính quan sát đối tượng đo 11 Trước thị kính có lọc ánh sáng đỏ 4, sợi đốt bóng đèn chuẩn ngắm trực tiếp Cường độ sáng nguồn nhiệt 11 chắn làm yếu qua lọc quang học Cường độ sáng nguồn nhiệt sợi tóc bóng đèn so sánh mắt - Nếu cường độ ánh sáng đối tượng đo lớn độ sáng dây đốt ta nhận dây thẫm nên sáng (h.a/) Nếu độ sáng đối tượng đo yếu độ sáng dây đốt cho ta dây sáng thẫm (h.b/) Còn độ sáng dây biến (h.c/) đọc vị trí chắn sáng phận thị để xác định nhiệt độ cần đo - Sự so sánh mắt thô đảm bảo độ xác định cường độ ánh sáng thay đổi nhiều gấp 10 lần thay đổi nhiệt độ 3/ Hỏa kế màu sắc: - Hỏa kế màu sắc dụng cụ đo nhiệt độ dựa phương pháp đo tỷ số cường độ xạ hai ánh sáng có bước sóng khác 1 2 c2 1T - Ứng với bước sóng 1 ta có lượng E1 tương ứng là: E C e 1 1 - Ứng với bước sóng 2 ta có lượng E1 tương ứng là: E C e 2 - Lập tỉ số: - Khi giá trị nhiệt độ T tìm là: - Với dụng cụ hỏa quang kế màu sắc có thiết bị tự tính, tự động giải phương trình - Cường độ xạ ánh sáng từ đối tượng đo A qua hệ thống thấu kính tập trung ánh c2 2T sáng đĩa Đĩa quay quanh trục nhờ động Sau ánh sáng qua đĩa vào tế bào quang điện 4, đĩa khoan số lỗ nửa đặt lọc ánh sáng đỏ, nửa lọc ánh sáng xanh Khi đĩa quay, tế bào quang điện nhận ánh sáng đỏ xanh với tần số định tùy theo tốc độ quay động Dòng quang điện khuyếch đại nhờ khuyếch đại sau đưa vào chỉnh lưu Nhờ chuyển mạch 8, tín hiệu chia thành thành phần tùy theo ánh sáng vào tế bào quang điện xanh hay đỏ Hai tín hiệu đo chia Tùy theo cường độ xạ đối tượng đo, độ nhạy khuyếch đại điều chỉnh tự động nhờ thiết bị - Ưu điểm: q trình đo khơng phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo không phụ thuộc vào hấp thụ xạ môi trường - Nhược điểm: phương trình tính T có số đua vào gây sai số cho kết đo Kết cấu hệ thống tương đối phức tạp 9.2 - Đo lực, đo biến dạng: 9.2.1 - Khái niệm chung - Trong trình nghiên cứu lý tính vật chịu lực, kết cấu học trình đo lực, ứng suất, biến dạng toán quan trọng - Đo lực có đặc điểm phạm vi đo rộng, từ giá trị nhỏ đến giá trị lớn, từ phép đo tĩnh mà lực tác động đại lượng không đổi đến xung lực tác động với tốc độ cao va chạm, sóng xung kích Như vậy, phải đo lực có trị số từ 106 108 N có có lực có trị số nhỏ từ 10 -5 10-12 N khoảng đo dao động từ 10-5 108 N (D = 1020) Thực tế khơng có thiết bị đo có phạm vi đo rộng đo thường chia lực thành dải đo khác nhau, dải đo sử dụng phương pháp thiết bị khác Đặc biệt với dải đo thấp cần sử dụng phương pháp đo đặc biệt để đảm bảo độ xác yêu cầu - Các cảm biến lực phân thành lớp: cảm biến định lượng định tính +) Bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có gí trị thể tín hiệu điện +) Bộ cảm biến định tính thiết bị có ngưỡng, tín hiệu chir độ lớn lực vượt ngưỡng định - Phương pháp đo lực thực bằng: +) Cân lực chưa biết với lực trực đối nghĩa thành phần lực tổng cộng mômen tổng cộng +) Đo gia tốc vật có khối lượng biết để xác định lực theo quan hệ: +) Cân lực chưa biết với lực điện từ +) Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng đo áp suất +) Đo ứng suất tạo nên vật bị biến dạng đàn hồi suy lực tác dụng - Thơng thường có phương pháp đo: +) Đo trực tiếp: phương pháp sử dụng chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với lực, ứng suất, biến dạng cần đo Đại lượng biến thành tín hiệu điện, thơng số điện Mạch đo thị cho kết không thông qua hệ dẫn truyền trung gian +) Đo gián tiếp: phương pháp sử dụng phần tử đàn hồi, hệ dẫn truyền, biến lực đo thành độ di chuyển Các cảm biến đo độ dịch chuyển suy lực tác động Tùy thuộc vào dải đo tần số biến thiên lực tác động mà chọn loại cảm biến đo phù hợp gây sai số Đo biến dạng thực chất thông qua đo lực, ứng suất đưa phép đo l l / l với: - Mạch đo thường mạch cầu, kết hợp với tầng khuếch đại chỉnh lưu Chỉ thị dụng cụ thị điện, tự ghi, điện tử dụng cụ số 9.2.2 - Các phương pháp đo lực - Trong phương pháp đo trực tiếp thường sử dụng phần tử áp điện áp từ - Giới hạn đo dụng cụ phụ thuộc vào diện tích tác dụng chuyển đổi Ví dụ: ứng suất pháp cho phép vật liệu áp từ < gh = 40 N/mm2, thạch anh gh = 70 100N/mm2 - Ưu điểm loại chuyển đổi áp từ làm việc có độ chắn cao dải tần từ 20 50 KHz Phần tử áp điện đo với lực biến thiên tần số 10Hz trở lên, không khắc độ với lực tĩnh 1/ Đo lực lực kế: - Để đo lực lực kế sử dụng chuyển đổi biến trở Sơ đồ hình vẽ - Lực cần đo F tác động lên thép gắn liền với khối Dưới tác dụng lực đo, mỏng bị biến dạng làm cho khối di chuyển tương đối so với Trong trình di chuyển, khối gắn cần đẩy tay gạt làm trượt di chuyển biến trở dây Con trượt chế tạo từ hợp kim Platin - Iridi, dây biến trở làm Constantan mạ vàng Áp lực trượt tác dụng lên vòng dây 0,02N Lò xo gắn tay gạt có tác dụng để tay gạt trở lại vị trí ban đầu khơng có lực tác dụng - Biến trở có 170 vòng, điện trở 500, giới hạn đo khoảng 3KN Sai số dụng cụ 3% - Ưu điểm lực kế đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao, không cần khuyếch đại tín hiệu - Nhược điểm khơng đo lực biến thiên nhanh tay gạt tác dụng lò xo thực với tần số khong vượt 10 20Hz - Để đo lực tác động nhanh dùng lực kế với chuyển đổi điện trở tenzo, điện cảm, điện dung, áp điện áp từ 2/ Đo lực phương pháp bù: - Để nâng cao độ xác phép đo người ta sử dụng phương pháp bù để đo lực - Sơ đồ đo lực hình vẽ Lực cần đo P tác động lên dẫn động đến cánh tay đòn Đầu cánh tay đòn bên phải mang phần ứng chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu biến áp vi sai Khi phần ứng di chuyển tạo điện áp đầu biến áp Điện áp khuyếch tăng tín hiệu sau đưa đến chỉnh lưu pha Dòng điện sau chỉnh lưu (Ira) đưa đến cuộn dây chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng đầu cánh tay đòn bên trái Dòng điện cuộn dây tạo lực đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực P F = kP.Ir = k.P đó: kP, k, K hệ số - Khi xác định dòng điện Ir ta lực cần đo P - Độ xác phương pháp đạt cao ( = 0,05 0,02%) - Chỉ thị cho phép đọc trực tiếp giá trị đo - Nhược điểm thiết bị khơng đo lực lớn chuyển đổi điện từ có trọng lượng 0,5kg đo lực tác điộng cỡ 2N Khi cần đo lực tác động có giá trị từ 7N trọng lượng tăng lên 10kg - Sai số chủ yếu ma sát trục quay cánh tay đòn gay tượng từ trễ chuyển đổi hỗ cảm - Để kết đo đạt giá trị xác cao sử dụng phương pháp biến lực thành tần số qua việc đo tần số ta xác định giá trị lực cần đo (lực kế thị số) 3/ Đo lực dựa đo di chuyển: - Với phương pháp đo lực đặt lên vật trung gian gây nên thay đổi kích thước l Sự thay đổi kích thước đo cảm biến di chuyển Tỉ số tín hiệu Vm lực tác dụng F xác định bằng: với hệ số truyền đạt cảm biến đo Còn độ mềm vật trung gian - Vật trung gian thường làm lò xo, dùng để đo lực tương đối nhỏ Tùy theo chức làm việc sử dụng loại cảm biến di chuyển khác để đo lực như: điện kế điện trở, cảm biến từ trở biến thiên, cảm biến tụ điện 9.2.3 - Các phương pháp đo biến dạng - Đo biến dạng dùng nhiều loại chuyển đổi khác nhau, thực tế thường dùng chuyển đổi điện trở lực căng - Phạm vi đo biến dạng tương đối (l/l) điện trở lực căng từ 0,005 0,02% từ 10% - Ưu điểm chuyển đổi điện trở lực căng qn tính nhỏ, sử dụng dải tần rộng từ 100kHz - Trong trình đo cần phải thực cơng việc sau: chọn vị trí đo, chuẩn bị bề mặt dán dán chuyển đổi - Điện trở lực căng điện trở phía tẩm lớp cách điện mỏng dán dọc theo chiều biến dạng mà tùy theo yêu cầu phép đo mà chọn vị trí, chiều đặt điện trở đối tượng đo để phản ánh biến dạng cần đo - Khi nghiên cứu trạng thái biến dạng theo hướng đó, chuyển đổi dán theo hướng tác dụng biến dạng, biến dạng cần đo xác định theo công thức: với k: hệ số độ nhạy tương đối R độ biến thiên tương đối điện trở chuyển đổi - Trong trình đo, để loại trừ sai số nhiệt độ môi trường thay đổi, mạch đo sử dụng hai chuyển đổi loại mắc hai nhánh cầu dán lên chi tiết đo, đặt điều kiện nhiệt độ * Xét dầm chịu kéo (hoặc nén) hình vẽ Để xác định biến dạng ta sử dụng điện kế điện trở có điện trở dán phần tử đàn hồi (2 dán theo hướng trục dán theo hướng vng góc với trục) nối với theo mạch cầu Winston - Khi lực P tác dụng lên dầm, biến dạng chiều trục a biến dạng vng góc với trục t tăng xác định bởi: A - diện tích mặt cắt ngang E - mơđun đàn hồi - hệ số Poisson - Khi cầu cân ta có: ; k - hệ số nhạy tương đối cảm biến - Điện E0 mạch cầu liên quan tới Theo công thức mạch cầu ta có: - Với giả thiết chuyển đổi R = R2 ta có: - Phương trình thể biến dạng tuyến tính với điện E C số tỷ lệ - Trong trường hợp đo biến dạng dầm cách dán cảm biến loại trừ sai số nhiệt độ môi trường gây - Các trường hợp đối tượng đo khơng có biến dạng ngược dấu, để hiệu chỉnh sai số nhiệt độ dán chuyển đổi lên đối tượng cần đo, chuyển đổi khác dán lên mẫu chế tạo loại vật liệu với đối tượng đo Mẫu đặt điều kiện nhiệt độ Ví dụ đo biến dạng dầm chịu lực hình vẽ - Các chuyển đổi cần phải gắn chặt với đối tượng đo, chọn vị trí khơng dán chuyển đổi không phương pháp gây sai số lớn gọi sai số phương pháp - Trong phép đo biến dạng, để phương pháp đạt độ xác cao cần dùng cầu tự động cân Thực tế có thiết bị dùng để tự động cân cầu - Ưu điểm phương pháp chuyển đổi điện trở lực căng đo biến dạng tĩnh biến dạng động, chế tạo đơn giản, dễ hiệu chỉnh, bị nhiễu điện từ trường bên tác động 9.3 - Đo dao động: 9.3.1 - Khái niệm chung - Dao động tượng phổ biến tự nhiên kỹ thuật, công tác kỹ thuật phải trực tiếp gián tiếp liên quan đến tượng - Một vật luôn tồn hai loại dao động: dao động môi trường bên truyền tới dao động nội thân vật chất - Việc áp dụng xử dụng hợp lý tượng dao động đem lại lợi ích cho ngành kỹ thuật cho người Dao động điện tử sở ngành vơ tuyến điện ngành truyền tín hiệu, đặc biệt ngành kỹ thuật vũ trụ Trong xây dựng sử dụng dao động để đóng cọc móng, dầm đất Trong ngành khai thác mỏ, dùng dao động để sàng lọc quặng Trong ngành khí dao động sử dụng hiệu như: q trình gia cơng cơ, để giải toán nâng cao suất chất lượng, ta đưa dao động để nghiền lỗ côn đôi bơm cao áp, để nâng cao suất nguyên công tiện khoan, đưa dao động vào lăn ép để tạo rãnh chứa dầu bề mặt có chuyển động tương - Tuy nhiên, dao động đem lại nhiều tác hại cho ngành kỹ thuật người: làm giảm chất lượng sản phẩm, gây rung động làm ảnh hưởng tới làm việc máy, gây hại cho cơng trình xây dựng, ảnh hưởng tới sức khỏe tinh thần người lao động Đặc biệt xảy tưởng cộng hưởng gây hậu tai hại - Do việc xác định xử lý thông số dao động việc làm cần thiết 9.3.2 - Phương pháp đo dụng cụ đo - - Dao động thường mơ tả phương trình vi phân: Các đặc trưng hệ dao động gồm có: li độ x, vận tốc x , gia tốc x , biên độ, tần số, chu kì pha dao động Việc khảo sát hệ dao động ta phải xác định thông số 1/ Đo dao động dụng cụ học: - Khi tần số dao động tần số riêng hệ sinh tượng cộng hưởng, biên độ dao động trở nên lớn Khi đó, lợi dụng trạng thái cộng hưởng ta chế tạo thiết bị xác định tần số dao động * Tốc kế Frame: - Đây loại dụng cụ sử dụng rộng rãi để đo tần số dao động Dụng cụ gồm dãy thép mỏng kẹp chặt đầu A Đầu tự B có gắn khối lượng m nhỏ, khối lượng m tính cho hợp thành dãy hệ có tần số riêng xác định khác nhau, tần số kề vào khoảng 0,5 Hz (tần số rung giây) Tần số riêng là: đó: c - độ cứng m - khối lượng tập trung m' - khối lượng dầm - Khi đo, ta gắn tốc kế vào phận máy có tần số dao động cần đo Thanh có tần số riêng gần với tần số dao động cần đo gần điều kiện cộng hưởng rung mạnh nhất, cịn khác khơng rung Theo tần số dao động riêng biết (ghi dụng cụ) đo xác định tần số dao động cần đo * Chấn kế cộng hưởng Kalesnic: - Muốn đo tần số khoảng liên tục ta dùng có chiều dài tự thay đổi - Chấn kế cộng hưởng Kalesnic gồm có thép lị xo mỏng 1, đầu A mang khối nặng nhỏ sơn trắng chuyển động trước bảng chia độ Đầu B lò xo gắn chặt vào vỏ hộp Đai ốc có xẻ rãnh dùng để giữ điều chỉnh chiều dài tự lị xo Vít có núm xoay N dùng để di chuyển đai ốc trước thước khắc độ Khi vặn núm N ta thay đổi tần số riêng lị xo làm cho chấn kế cộng hưởng với phạm vi tần số rộng - Khi sử dụng gắn chặt vỏ chấn kế vào vật rung cho lị xo nằm vng góc với phương dao động cần đo Vặn núm N để điều chỉnh cho cộng hưởng tức cho đầu A lò xo dao động mạnh Khi vị trí đai ốc trước thước cho biết trị số tần số dao động cần đo Ngoài vị trí biên độ đầu A trước bảng cịn cho biết biên độ dao động 2/ Thiết bị ghi đo dao động cầm tay: * Đồng hồ số: loại dùng làm chấn kế đơn giản để đo biên độ dao động vật rung Lắp đồng hồ so lên khối sắt có khối lượng từ 1,5 kg tay cầm Khi đo dao động cần nắm lấy tay cầm cho đầu đồng hồ xo tiếp xúc lên bề mặt vật rung Kim đồng hồ lắc thành hình dải quạt biểu thị trình biến thiên dao động - Thiết bị dùng để đo dao động có tần số khoảng 15 30Hz gia tốc lớn không m/s2 Tuy nhiên đồng hồ so cho ta biết biên độ tổng hợp không cho biết biên độ dao động thành phần việc quan sát số đo mặt đồng hồ bị trở ngại nên thiết bị sử dụng thực tế * Chấn kế cầm tay PBI: - Đầu đo A lị xo ln ép vào bề mặt vật rung Đầu đo dao động tịnh tiến theo vật rung truyền dao động cho đầu ngắn kim làm cho kim dao động lắc quanh trục cố định Trong hộp 4, kim đồng thời đòn bẩy khuyếch đại dao động Đầu dài ngịi bút vẽ hình dao động cần đo băng giấy Một phận dây cót kéo băng giấy chạy với tốc độ định Đồng thời giây cót làm quay cấu cam, giây đồng hồ đẩy kim lần làm cho kim vạch băng giấy đường thẳng có khấc cách biểu thị thời gian Khoảng cách khấc biểu thị thời gian giây Trong trình đo có dao động tay đo nên vỏ hộp dao động với biên độ lớn s tần số thấp Dao động phản ánh lên hình dao động kim vẽ băng giấy dễ phân biệt với dao động cần đo có biên độ Sn nhỏ tần số lớn Có thể dùng thước để đo biên độ S n đem số lần dao động hai khấc kề đường thời gian để biết tần số 3/ Chuyển đổi điện kỹ thuật đo dao động * Nguyên tắc cảm ứng: - Nhờ quan hệ vi tích phân thơng số chuyển động rung, ta chế tạo thiết bị phối hợp chuyển đổi với mạch vi tích phân thị để đo độ rung gia tốc - Dụng cụ đo dựa nguyên tắc cảm ứng, gồm giá đỡ kim loại không dẫn từ để đặt lên đối tượng đo giá đỡ có dao động nam châm Thanh dao động 2, nam châm lò xo tạo thành khối qn tính Bình thường tác dụng trọng lượng, khối qn tính lực đẩy lị xo trạng thái cân , cuộn dây cảm ứng đặt khe hở khơng khí nam châm đứng yên Khi có rung động, nam châm cuộn dây cảm ứng di chuyển tương làm cho từ thơng móc vịng qua cuộn dây thay đổi, tạo sức điện động cảm ứng Sức điện động sinh tỉ lệ với biên độ dao động đưa vào khuyếch đại sau đưa thị - Trong trình đo, sức điện động cảm ứng bị nhiễu từ trường bên ngồi Để khử nhiễu, ta quấn thêm vòng dây bù có số vịng cuộn dây có chiều ngược lại, lúc sức điện động nhiễu sinh bị khử - Nhờ vi phân tích phân thiết bị đo dao động với biên độ x, tốc độ rung x gia tốc x Loại làm việc với tần số từ 20 50 Hz * Chuyển đổi áp điện: để đo dải tần số cao từ 10 200Hz Vỏ chuyển đổi lắp chặt với đối tượng đo Dưới đáy vỏ phần tử áp điện dán chặt vào dụng cụ nhờ nhựa dán Mặt phần tử áp điện khối quán tính Phần tử áp điện thường tinh thể thạch anh, titanat bari (BaTiO 3), cịn khối qn tính làm hợp kim Vonfram Tần số riêng chuyển đổi phụ thuộc vào khối lượng khối qn tính đạt tới 50 100 kHz làm việc dải tần số (0,5 20)kHz - Khi làm việc phần tử áp điện chịu tác dụng lực tỷ lệ với gia tốc sinh điện tích, điện tích dẫn cáp bọc kim 6, lõi dây cáp nối với khối quán tính 4, cách điện với vỏ vỏ dây cáp nối với vỏ ngồi Dụng cụ có sơ đồ khối hình vẽ - Để nhận điện áp xoay chiều tỷ lệ với gia tốc không phụ thuộc vào tần số rung, chuyển đổi điện áp lắp song song với tụ điện C Trở kháng xC đối C với dải làm việc cần phải giữ điện trở thực nhỏ đầu vào khuyếch đại sơ để hạn chế giới hạn dải tần làm việc Điện áp sau qua khuyếch đại sơ đưa vào kênh song song Một kênh vào khuyếch đại, chỉnh lưu thị gia tốc, cịn kênh vào tích phân T 1, T2 qua chỉnh lưu thị biên độ rung x Thiết bị làm việc với tần số từ 0,2 10kHz với sai số 5% Thường thiết bị đo có giới hạn gia tốc (20,100, 400, 2000 m/s2) 4giới hạn biên độ (0,05; 0,25; 1; mm) * Cảm biến điện động: - Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện động dùng để ghi dao động học Khối quán tính M mang cuộn dây dẫn điện hai đầu Mỗi cuộn dây nằm từ trường mạnh nam châm vĩnh cửu A A2 hai đầu vỏ V hình trụ trịn Hai mỏng đàn hồi C D đỡ khối M hai cuộn dây đồng thời giữ vai trò lò xo Cách đỡ cho phép khối M dao động phương dọc trục mà thơi Cuộn dây cảm ứng gồm nhiều vòng dây nhỏ, đầu nối đất, đầu nối với nguồn cung cấp Cuộn dây B, dây to nối ngắn mạch dùng làm giảm chấn điện từ Khi dao động phải gắn chặt vỏ V với vật rung Nếu tần số dao động vật rung lớn tần số riêng khối quán tính đứng yên Dao động tương đối nam châm cuộn dây gây dao động điện cảm ứng tỉ lệ với vận tốc dao động Muốn đo chuyển vị (biên độ) phải đưa tín hiệu điện từ cuộn dây qua mạch tích phân (sơ đồ mạch) gồm điện trở R mắc nối tiếp tụ điện C mắc song song Nếu sức điện động e cuộn dây tỉ lệ với vận tốc dao động qua mạch tích phân ta tín hiệu e tỉ lệ với chuyển vị dao động Sau lọc khuyếch đại tín hiệu điện, ta đưa vào dao động ký tia âm cực dao động ký gương hình dao động cần tìm - Ưu điểm thiết bị làm việc khơng có qn tính nên quan sát chuyển động xảy khỏang thời gian 10 -1 (s) chụp ảnh vật rung có vận tốc tới 100km/s Có thể điều khiển từ xa, có độ nhạy lớn, gọn nhẹ Tuy nhiên thiết bị điện tử có nhược điểm dẽ bị nhiễm điện, từ nên độ tin cậy không cao thiết bị khí 4/ Cảm biến điện trở: - Sơ đồ nguyên tắc chuyển đổi hình vẽ Khối quán tính m gắn vào lị xo đàm hồi C Khi có gia tốc theo hướng thẳng đứng, tác dụng lực quán tính F m x , trượt D gắn với khối quán tính di chuyển biến trở R Khi điện áp tỉ lệ với gia tốc cần đo Giới hạn đo thiết bị phụ thuộc vào khối qn tính, lị xo, đo gia tốc cabin máy bay với chế độ khác Sai số từ (1 5)% - Trong kỹ thuật đo rung động, nhược điểm lớn hệ thống máy đo rung điện giới hạn tải, tần số khả đáp ứng Để giải vấn đề người ta sử dụng máy đo dao động dựa nguyên tắc thủy lực khí nén 9.4 - Đo áp suất: 9.4.1 - Khái niệm chung - Áp suất tỷ số lực tác dụng vng góc lên mặt với diện tích Áp suất đại lượng để xác định trạng thái nhiệt động học chất Sự vận hành q trình cơng nghệ, tình trạng thiết bị công nghệ chế độ vận hành chúng xác định áp suất theo nhiều cách khác nhau.Đo áp suất thực xác định vài tham số công nghệ - Dựa theo loại áp suất cần đo nguyên lý tác dụng ta có dụng cụ đo áp suất khác Theo hình thức đo áp suất chia thành: Áp kế đo áp suất Áp kế tuyệt đối đo áp suất tính từ độ tuyệt đối Khí áp kế để đo áp suất khí Chân không kế để đo độ chân không - Theo nguyên lý làm việc, dụng cụ đo áp suất chia thành dụng cụ đo áp suất chất lỏng, chất khí dựa ngun lý biến dạng, ion hóa, nhiệt điện - Có phương pháp chung áp dụng để đo áp suất: * Đo áp suất chuyển đổi phản ánh trực tiếp đại lượng đo như: chuyển đổi điện áp áp từ điện trở lực căng Trong phần tử điện áp làm thạch anh đo áp suất tới 100 MN/m2, chuyển đổi áp từ đo tới 10 NM/m Với áp suất lớn hơn, đặc tính trở nên phi tuyến khơng đơn trị để đo (áp suất từ 100 400MN/m2) ta dùng chuyển đổi điện trở dây Mn với dải áp suất độ nhạy thay đổi điện trở dây áp suất biến thiên ổn định 2,5% 1MN/m2 * Phương pháp đo gián tiếp, sử dụng phần tử đàn hồi, hệ dẫn truyền để biến áp suất thành di chuyển qua việc đo di chuyển xác định áp suất cần đo Phương pháp thường dùng chuyển đổi điện dung, điện trở, điện cảm điện trở lực căng - Các dụng cụ đo áp suất đo áp suất từ 10-12 1011 Pa - Bảng sau trình bày quan hệ đơn vị áp suất thường dùng 9.4.2 - Các phương pháp đo áp suất 1/ Đo áp suất phương pháp trực tiếp: - Là phương pháp đo mà áp suất tác động trực tiếp lên cảm biến Tín hiệu cảm biến phản ánh áp suất cần đo Những cảm biến áp dụng theo phương pháp bao gồm: cảm biến áp điện, cảm biến áp từ, áp trở a/ Đo áp suất cảm biến thủy ngân: - Cảm biến đo áp suất thủy ngân chất khí gồm ống thủy tinh ống cách điện hình chữ U bên đặt sợi dây điện trở thủy ngân Chiều cao cột thủy ngân làm ngắn mạch dây điện trở Với cách mắc sơ đồ, sợi dây tạo thành điện trở , mắc với điện trở R khác để tạo thành mạch cầu nhánh với nguồn cung cấp V Bình thường chưa có áp suất, chiều cao cột Hg nên điện trở đặt ống chữ U có trị số mạch cầu cân - Khi có áp suất, khí nén đưa vào hai ống dẫn, chúng ép Hg làm cho chiều cao cột Hg khác tạo độ chênh áp dẫn tới độ chênh lệch điện trở R cột, làm cầu cân Điện áp tỉ lệ với R tỷ lệ với độ chênh áp ống chữ U - hệ số - Cảm biến khắc độ trực tiếp, chế tạo đơn giản có nhược điểm khơng làm việc điều kiện rung, lắc, làm bẩn khí đo Hg bốc dải đo bị hạn chế phụ thuộc vào chiều cao ống dẫn chữ U b/ Áp kế điện trở lực căng - Sơ đồ thiết bị đo áp suất hình vẽ Trong gồm ống tròn rỗng làm thép, bề mặt ống dán hai điện trở lực căng RT RK mắc với điện trở R tạo thành mạch cầu Khi có áp suất PX cần đo, bề mặt ống bị biến dạng Độ biến dạng xác định: đó: - PX: áp suất đo - r, h: đường kính chiều dày ống - E: mơ đun đàn hồi thép - Độ biến dạng 1 phản ánh nhờ điện trở lực căng R T, điện trở RK dán dọc ống dùng để bù nhiệt độ - Khi điện áp cung cấp cho mạch cầu không đổi, điện áp đầu mạch cầu U tỉ lệ với áp suất đo Để tăng tín hiệu người ta mắc thêm khuyếch đại, mA khắc độ giá trị áp suất cần đo Dải đo áp suất từ 5.104 107 bar - Do quán tính nhỏ nên thiết bị dùng đo áp suất biến thiên nhanh tín hiệu ghi dao động kí khí quan sát dao động kí điện tử - Trong phương pháp đo trực tiếp ta thường dùng phương pháp đo trực tiếp khác như: sử dụng chuyển đổi áp điện, đo áp kế màng, chuyển đổi điện dung 2/ Đo áp suất phương pháp gián tiếp: - Là phương pháp biến áp suất đo thành độ dịch chuyển nhờ khâu dẫ động lò xo ống, dẫn, ống xi phơng, màng đàn hồi sau đo độ dịch chuyển để xác định áp suất Một số thiết bị thường dùng như: a/ Lò xo ống: cấu tạo ống kim loại uốn cong, đầu giữ cố định, đầu tự Tiết diện ống hình oval Khi chịu áp suất, lị xo ống bị giãn làm cho góc tâm lò xo bị thay đổi Độ dịch chuyển đầu tự tỷ lệ với áp suất cần đo Dải đo thiết bị từ 1000MPa tùy theo vật liệu sử dụng Dụng cụ đo ổn định nhiệt độ đo từ (-30 50)0C Độ xác thiết bị từ 2,5 b/ Xiphơng - Xiphơng có cấu tạo vỏ hình trụ xếp nếp đặt theo chều ngang có khả thay đổi đáng kể tác dụng áp suất hay lực Trong giới hạn tuyến tính đặc tính tĩnh, tỷ số tác dụng lực đặt lên với biến dạng khơng đổi, gọi độ cứng xiphông Để tăng độ cứng thường đặt thêm lị xo ống Xiphơng thường chế tạo đồng với mác khác nhau, thép cácbon thép không gỉ, hợp kim nhôm với đường kính từ - 10 đến 80 - 100 mm có bề dày 0,1 - 0,3 mm - Sự dịch chuyển đáy, tác dụng lực chiều trục N xác định theo công thức: đó: h0 - chiều dàu thành ống xiphơng n - số nếp xếp làm việc - góc bịt kín A0, A1, A2, B0 - hệ số phụ thuộc vào tỷ số Rng, Rtr - bán kính ngồi xiphơng r - bán kính cong nếp uốn theo đường - Khi lực chiều trục N hiệu số áp suất P tác dụng lên xiphông, N = P.Fe với Fe = (Rng + Rtr)2/5 - Các phương pháp đo áp suất khác kể là: đo áp suất chuyển đổi áp điện, dùng áp kế màng(dựa việc đo di chuyển), dùng chuyển đổi điện dung, sử dụng áp kế vi sai sử dụng thiết bị số c/ Màng đàn hồi: - Màng đàn hồi có nhiều loại: dạng phẳng, trịn hay uốn nếp có khả chịu uốn tác dụng áp suất Sự biến dạng màng tỉ lệ với áp suất cần đo Màng chế tạo từ loại thép khác Y10,Y10A Màng đàn hồi để đo áp suất lớn Ngồi ta cịn sử dụng màng dẻo để đo áp suất nhỏ hiệu suất Màng dẻo chế tạo tư vải cao su teflon giống màng đàn hồi, màng dẻo phẳng uốn nếp
Ngày đăng: 11/12/2022, 16:39
Xem thêm:
