KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN
Khái niệm cảm biến
Cảm biến, hay còn gọi là Sensor trong tiếng Anh, là thiết bị dùng để phát hiện và cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý cũng như các đại lượng không mang tính chất điện Chúng chuyển đổi những đại lượng này thành các tín hiệu điện có thể đo lường và xử lý được.
Cảm biến chuyển đổi các đại lượng không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất, và vận tốc thành các đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện và trở kháng, ký hiệu là s Đặc trưng điện s phụ thuộc vào đại lượng cần đo m, được biểu diễn qua công thức s = F(m) Thông qua việc đo đạc giá trị s, chúng ta có thể xác định giá trị của đại lượng đầu vào m.
Hình 1.1 : Sự biến đổi đại lương cần đo m và phản ứng s theo thời gian
Biểu thức (1.1) thể hiện lý thuyết về hoạt động của cảm biến, trong khi sơ đồ minh họa sự biến đổi của đại lượng phản ứng s khi đại lượng m thay đổi theo thời gian.
Cảm biến tích cực hoạt động như một máy phát, trong đó các thành phần bao gồm điện tích, điện áp hoặc dòng điện Nguyên lý hoạt động của cảm biến tích cực là chuyển đổi các dạng năng lượng khác nhau như nhiệt, cơ hoặc bức xạ thành năng lượng điện.
* Cảm biến thụ động: hoạt động nhƣ trở kháng trong đó thành phần
Điện trở, độ tự cảm và điện dung là các thông số quan trọng trong việc chế tạo trở kháng, với một trong các thông số này nhạy cảm với đại lượng cần đo.
Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động
Vì cảm biến là 1 thành phần trong hệ thông điều khiển tự động nên ta tìm hiểu tổng quan về sơ đồ điều khiển tự động
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
Nhiệm vụ của cảm biến:
+ Tiếp nhận các tín hiệu vào(trong ngành cơ khí thường là tín hiệu cơ, nhiệt…)
+ Chuyển đổi các tín hiệu đó thành các đại lượng vật lý khác (thường là tín hiệu điện)
+ Truyền cho mạch điều khiển (bộ phận xử lí tín hiệu)
Nhiệm vụ của bộ phận xử lý thông tin (bộ phận điều khiển):
+ Thu nhận thông tin từ cảm biến
+ Xử lý thông tin: tổ hợp, phân tích, so sánh, phân phối…do chương trình điều khiển quy định
+ Xuất lệnh điều khiển đến cơ cấu chấp hành
Nhiệm vụ của cơ cấu chấp hành
Phần tử chấp hành thực hiện các hoạt động như đóng, mở, đẩy và ngắt, điều khiển chuyển động của các bộ phận máy, van và thiết bị để hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Đường cong chuẩn cảm biến
Đường cong chuẩn cảm biến thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng điện ở đầu ra của cảm biến và giá trị đại lượng đo ở đầu vào Đường cong này được biểu diễn dưới dạng đồ thị, như minh họa trong hình 1.3a.
Đường cong chuẩn của cảm biến, như thể hiện trong Hình 1.3, cho phép xác định giá trị m i dựa trên giá trị đo được si Để tối ưu hóa tính sử dụng, cảm biến thường được thiết kế với mối quan hệ tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào Phương trình tuyến tính s = F(m) có dạng s = am + b (1.2), trong đó a và b là các hằng số, dẫn đến việc đường cong chuẩn trở thành đường thẳng như trong Hình 1.3b.
BIẾN NHIỆT ĐỘ
Khái niệm cơ bản
Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý quan trọng nhất, ảnh hưởng đến nhiều tính chất của vật chất, do đó việc đo và xác định nhiệt độ là rất cần thiết Cảm biến nhiệt độ (temperature sensor) được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, việc đo chính xác giá trị nhiệt độ không phải là điều đơn giản, vì hầu hết các đại lượng vật lý đều được xác định thông qua so sánh với đại lượng cùng bản chất Để đo nhiệt độ, người ta thường dựa vào tính chất của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ, như độ dẫn điện hoặc điện trở.
- Phương pháp cơ dựa trên cơ sở sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí
- Phương pháp điện dựa trên sự phù thuộc của điện trở vào nhiệt độ , hiệu ứng seebeck, Thomson, Peltier
- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt.
Thang nhiệt độ
- Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:
Thang Kelvin, ký hiệu là K, được sử dụng để đo nhiệt độ Trong thang đo này, nhiệt độ điểm cân bằng của ba trạng thái nước - nước đá và hơi nước - được gán giá trị 273,15 K.
Từ thang Kelvin người ta xác định các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ
Trong thang đo này đơn vị nhiệt độ là ( o C), một độ Celsius bằng một độ
Kelvin Quan hệ giữa độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đƣợc xác định theo công thức:
- Thang Fahrenheit: Đơn vị đo nhiệt độ là o F, công thức liên hệ giữa độ Celsius và độ
Các hiệu ứng nhiệt điện
Hình 2.1 Các hiệu ứng nhiệt điện a) Hiệu ứng Peltier b) Định luật Volta c) Hiệu ứng thomson d) Hiệu ứng Seebeck
Tại điểm tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B, mặc dù chúng khác nhau về bản chất nhưng có cùng nhiệt độ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện thế này phụ thuộc vào tính chất của vật dẫn và nhiệt độ.
Theo định luật Volta, trong một chuỗi cách nhiệt gồm các vật dẫn khác nhau, tổng suất điện động Peltier bằng 0 Ví dụ, trong một chuỗi gồm bốn vật dẫn A, B, C và D mắc nối tiếp, tổng suất điện động cũng sẽ bằng 0 như minh họa trong hình 2.1b.
Khi hai vật dẫn A và C được phân cách bởi các vật dẫn trung gian trong một hệ đẳng nhiệt, hiệu điện thế giữa A và C ở đầu mút sẽ bằng hiệu điện thế nếu chúng tiếp xúc trực tiếp.
Hiệu ứng Thomson xảy ra trong một vật dẫn đồng nhất A khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm M và N, dẫn đến việc phát sinh suất điện động Suất điện động này chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn cũng như nhiệt độ tại hai điểm M và N, T M và T N.
Suất điện động Thomson, được xác định bởi hệ số Thomson (h), là hàm của nhiệt độ Theo định luật Magnus, nếu hai đầu ngoài của một mạch chỉ gồm một vật dẫn đồng nhất và được duy trì ở cùng một nhiệt độ, thì suất điện động Thomson sẽ bằng 0.
Hiệu ứng Seebeck xảy ra khi một mạch kín được tạo thành từ hai vật dẫn A và B, với hai điểm chuyển tiếp của chúng được duy trì ở hai nhiệt độ khác nhau, T1 và T2 Khi đó, mạch sẽ tạo thành một cặp nhiệt điện, tạo ra điện năng từ sự chênh lệch nhiệt độ.
Cặp nhiệt điện tạo ra suất điện động nhờ sự kết hợp của hai hiệu ứng Peltier và Thomson, và suất điện động này được gọi là suất điện động Seebeck.
Trên hình 2.1d ta có các suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và a lần lƣợt bằng: eab = h dT
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động thành phần Peltier và Thomson ở trên:
Nếu chọn T1 là nhiệt độ so sánh và lấy T1 = 0 °C, khi đó đối với một cặp vật dẫn A B cho trước, suất điện động chỉ phụ thuộc vào T 2
Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ trong thực tế
Các loại cảm biến nhiệt độ
- Nhiệt điện trở kim loại ( RTD-resitance temperature detector )
- Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor )
- Cảm biến bán dẫn ( Diode, Tranzito, IC )
2.4.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cặp nhiệt điện, hay còn gọi là Thermocouples, hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck Nó bao gồm hai dây dẫn A và B được làm từ các vật liệu khác nhau, với một điểm nối chung tại nhiệt độ T1 và hai đầu tự do có nhiệt độ T2 Sức điện động nhiệt điện E của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào loại vật liệu của A và B, cũng như sự chênh lệch nhiệt độ giữa T2 và T1.
Hình 2.2 Cấu tạo cơ bản của cặp nhiệt điện
T1, hay còn gọi là nhiệt độ mối nối chung, là nhiệt độ Tc đạt được khi mối nối này được đặt trong môi trường có nhiệt độ không xác định Tx Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào Tx, trong khi hai đầu còn lại của cặp nhiệt điện được giữ ở nhiệt độ T2=Tref cố định và nối với mạch đo áp Cặp nhiệt điện tạo ra tín hiệu điện áp thấp ở mức milivon, và tín hiệu này sẽ gia tăng khi nhiệt độ đo tăng lên, đồng thời còn phụ thuộc vào chất liệu của hai dây trong cặp nhiệt điện.
Trong thực tế khi chế tạo cặp nhiệt người ta sẽ lắp thêm vào các bộ phận để bảo vệ và tăng tính ổn định, giảm sai số
Sơ đồ cặp nhiệt điện trong thực tế có dạng nhƣ sau:
Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện trong công nghiệp
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện
5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Hộp nối dây Đầu làm việc của các điện cực (3) đƣợc hàn nối với nhau tạo thành mối hàn (2) bằng hàn xì bằng đền axetilen hoặc hàn bằng tia lửa điên, nếu nhiệt độ sử dụng không quá cao thì hàn thiếc, mối hàn phải nhỏ tới mức tối đa để tránh trường hợp tạo ra suất điện động ký sinh Đầu tự do được nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) đặt trong đầu nối dây (8), phần dây có thêm sứ cách điện (4) để tránh mọi tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn, sứ cách điện phải trơ về hóa học và có điện trở lớn Vỏ bảo vệ (1) đƣợc chế tạo bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt để bảo vệ phần đầu mối hàn, dây kim loại, sứ bên trong và đảm bảo kín khí không lọt qua, chống đƣợc sự gia tăng nhiệt độ đột ngột
Suất điện động Seebeck giữa hai đầu cặp nhiệt cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ cần đo Để đảm bảo độ chính xác, cần giảm thiểu sụt áp do dòng điện trong các phần tử của cặp nhiệt điện và dây dẫn Do đó, hai phương pháp đo thường được áp dụng.
Sử dụng milivon kế có điện trở trong rất lớn:
Hình 2.4 Đo suất điện động của cặp nhiệt điện bằng milivon kế
Gọi: R t là điện trở cặp nhiệt
Rd là điện trở dây nối
Rv là điện trở trong của milivon kế
Khi đo điện áp giữa hai đầu milivon kế biểu diễn bởi công thức:
Rt + Rd + Rv (2.8) Rút E ra:
Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chƣa biết nên để giảm sai số người ta chọn R v sao cho:
Rv >> Rt + Rd (2.10) Khi đó E AB (t,t 0 ) V m vì vậy sẽ giảm đƣợc sai số
- Sử dụng phương pháp xung đối:
Mục đích của phương pháp này là hiệu chỉnh dòng cặp nhiệt điện bằng không, với nguyên tắc đấu nối suất điện động cần đo với một điện áp đối V Điện áp này phải bằng giá trị của suất điện động cần xác định Giá trị của điện áp V được đo chính xác, thường là điện áp rơi trên một điện trở có dòng điện chạy qua.
Hình 2.5 Sơ đo suất điện động dùng phương pháp xung đối
Trong hình 2.5a, cặp điên được kết nối nối tiếp với một điện kế G, đồng thời được đấu song song với một điện trở chuẩn R e có thể điều chỉnh Mục tiêu là điều chỉnh điện trở sao cho kim điện kế chỉ số 0, tức là dòng điện chạy qua điện kế bằng 0.
Dòng điện I có thể được điều chỉnh bằng biến trở con chạy Rh mắc nối tiếp với nguồn điện và được đo bằng miliampe kế Ngoài ra, I cũng có thể điều chỉnh và đo bằng pin mẫu theo sơ đồ hình 2.5b.
2.4.1.3 Các loại cặp nhiệt điện trong thực tế và đặc điểm của cặp nhiệt điên
Cặp nhiệt điện được phân loại dựa vào loại dây kim loại sử dụng, mỗi loại có dải làm việc, sai số và điện áp ra khác nhau Điều này giúp người dùng lựa chọn cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu sử dụng cụ thể.
Dưới đây là các loại cặp nhiệt điện thường được sử dụng
Bảng 2.1 Thông số các loại cặp nhiệt điên
Chất liệu sử dụng Nhiệt độ sử dụng E(mV) Độ chính xác
- Thường dùng: lò nhiệt, luyện kim, lò nung và các môi trường khắt nghiệt
Cảm biến nhiệt độ nhỏ gọn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng đáp ứng nhanh chóng và độ bền cao, vượt trội hơn so với nhiệt điện trở RTD Ngoài ra, chúng còn có khả năng đo nhiệt độ ở mức cao và dải nhiệt độ làm việc rộng, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Khuyết điểm của cảm biến nhiệt độ là nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến sai số, bao gồm sự thay đổi nhiệt độ môi trường, nhiệt độ đầu tự do, vị trí đặt đầu làm việc của cặp nhiệt không hợp lý và sự biến đổi điện trở của dây nối Ngoài ra, cảm biến này có độ nhạy thấp hơn và kém ổn định hơn so với nhiệt điện trở RTD ở nhiệt độ cao.
2.4.2 Nhiệt điện trở kim loại
2.4.2.1 Khái quát và nguyên lý hoạt động
Nhiệt điện trở kim loại (RTD) là một loại cảm biến nhiệt độ phổ biến, tương tự như cặp nhiệt điện RTD được cấu tạo từ kim loại quấn theo hình dáng của đầu đo, và khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa hai đầu dây kim loại cũng sẽ thay đổi; cụ thể, khi nhiệt độ tăng, điện trở sẽ tăng theo.
Dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở, người ta đã chứng minh rằng điện trở RTD thay đổi theo nhiệt độ theo một phương trình cụ thể.
R T = R 0 ( 1+ αT + βT 2 ) (2.14) Trong đó: + RT: điện trở tại nhiệt độ T ( o C)
+ R0 :điện trở tại nhiệt độ 0 ( o C)
+ α và β là hằng số xác định theo thực nghiệm
Nếu nhiệt độ trong khoảng ngắn nhất định thì công thức trên có thể đơn giản thành:
Đối với công thức RT = R0(1 + αT), độ tuyến tính của kim loại sẽ thay đổi trong một khoảng nhiệt độ nhất định Việc chọn vật liệu phù hợp để đo nhiệt độ phụ thuộc vào phạm vi đo Thông thường, người ta sử dụng điện trở bằng platin, nickel, và đôi khi là đồng hoặc tungsten.
Bạch kim (platinum) có thể được chế tạo với độ tinh khiết lên tới 99,99%, giúp nâng cao độ chính xác và tính chất điện của vật liệu Với tính chất trơ hóa học và cấu trúc tinh thể ổn định, bạch kim đảm bảo sự ổn định cho các đặc tính dẫn điện Các điện trở làm từ bạch kim hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ rộng từ -200 °C đến 1000 °C, vì vậy điện trở kim loại bạch kim được đánh giá cao và sử dụng phổ biến.
2.4.2.2 Cấu tạo và đặc điểm của nhiệt điện trở kim loại Để sử dụng trong công nghiệp thì nó phải có vỏ bọc chống đƣợc va đập mạnh và rung động, điện trở kim loại đƣợc cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc gốm và đƣợc đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép nhƣ hình 2.6
Hình 2.6 Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Platin
BIẾN ÁP SUẤT
Tổng quan về cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất, hay còn gọi là pressure sensor, là thiết bị chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Thiết bị này rất quan trọng trong các hệ thống thủy lực, nhiệt và hạt nhân, nơi cần theo dõi áp suất liên tục để tránh các sự cố nghiêm trọng như hỏng hóc bình chứa, đường ống dẫn hoặc thậm chí là nổ, gây thiệt hại cho cơ sở vật chất và tính mạng con người Ngoài ra, cảm biến áp suất còn được ứng dụng trong ô tô (cảm biến lốp), tàu thủy và máy móc trong ngành xây dựng.
Cảm biến áp suất trong nhà máy đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và xác định áp suất của khí nén, hơi nước, dầu nhờn và các chất lỏng khác Thông tin từ các cảm biến này được truyền đến hệ thống điều khiển tự động và giám sát, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Nhu cầu đo áp suất rất đa dạng, yêu cầu các cảm biến áp suất phải phù hợp với từng trường hợp cụ thể Do đó, các loại cảm biến áp suất cũng phong phú và đa dạng Thêm vào đó, độ lớn của áp suất cần đo nằm trong một dải giá trị rộng, góp phần vào sự đa dạng này.
Khái niệm áp suất và đơn vị đo
3.2.1 Khái niệm về áp suất
Khi chất lỏng hoặc khí được đưa vào bình chứa, chúng tạo ra lực tác dụng lên thành bình, được gọi là áp suất Áp suất này phụ thuộc vào bản chất của chất lưu, thể tích chất lưu trong bình và nhiệt độ Công thức tính áp suất (p) được xác định bằng lực (dF) tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích (ds) của bề mặt chứa, cụ thể là p = dF/ds.
Trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tại điểm M, cách bề mặt tự do một khoảng h, được xác định bởi công thức p = po + ρgh, trong đó po là áp suất khí quyển, ρ là khối lượng riêng của chất lưu, và g là trọng lực Điều này cho thấy rằng các chất lưu luôn chịu tác động của trọng lực, ảnh hưởng đến áp suất trong hệ thống.
- g là gia tốc trọng trường tại điểm đo áp suất
- Giá trị của áp suất đƣợc chia làm ba loại nhƣ sau:
Trong hệ thống SI, đơn vị áp suất được định nghĩa là Pascal (Pa), tương đương với một Newton trên mỗi mét vuông Đơn vị này được đặt theo tên của Blaise Pascal, một nhà toán lý học và triết học nổi tiếng người Pháp.
Các đơn vị đo áp suất khác thường sử dụng trong bảng Bảng 3.1
Bảng 3.1 Bảng chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất Đơn vị đo áp suất pascal
(Pa) bar (bar) atmosphe kỹ thuật (at) atmosphe (atm) torr (Torr) cm cột nước (gam/cm 2 )
Pound trên một inch vuông (psi)
Đơn vị , đặc biệt là đối với xe ôtô Đ
Áp suất khí quyển được đo bằng các đơn vị như kilopascal (kPa) và atmosphe (atm), tuy nhiên, ở Mỹ, hectopascal (hPa) và millibar (mbar) là những đơn vị phổ biến hơn để đo áp suất khí quyển.
Đo áp suất tĩnh và áp suất động
3.3.1 Đo áp suất tĩnh Áp suất tĩnh là áp suất trong chất lưu không chuyển động, vì vậy đo áp suất tĩnh là đo lực F tác dụng lên diện tích s tại vị trí cần đo Có ba phương pháp đo nhƣ sau:
- Đo áp suất lấy qua một lỗ tròn nhỏ đƣợc khoan trên thành bình
, cảm biến đo F từ đó suy ra p
Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất là một phương pháp hiệu quả, trong đó cảm biến đo ứng suất được gắn vào thành bình Biến dạng này phụ thuộc vào áp suất, cho phép theo dõi và đánh giá chính xác tình trạng của bình chứa.
Cảm biến áp suất sử dụng các phần tử biến dạng như màng, ống trụ và capsule để đo áp suất Khi lực F tác động, các phần tử này sẽ biến dạng, và cơ cấu chuyển đổi sẽ biến đổi sự biến dạng đó thành tín hiệu điện, cung cấp thông tin chính xác về áp suất.
3.3.2 Đo áp suất động Áp suất động là lực tác động lên mặt phẳng vuông góc với dòng chảy, có chiều trùng với chiều dòng chảy Khi đo chất lưu chuyển động thì ta phải tính đến ba dạng áp suất cùng tồn tại là:
+ Áp suất động pđ do chuyển động với vận tốc v của chất lưu + Áp suất tĩnh pt
+ Áp suất tổng p là tổng hai áp suất trên Khi đó: p = pđ + pt (3.3) pđ = ρv 2
2 (3.4) Việc đo áp suất động người ta sử dụng chủ yếu ống Pitot, để đo áp suất dòng chảy hay áp suất không khí của máy bay nhƣ hình 3.2
Hình 3.2 Đo áp suất động bằng ống Pitot
Hình 3.1a ở ống pitot loại này hai áp suất là p áp suất tổng
Áp suất tĩnh và áp suất động tương tác với nhau, dẫn đến sự chênh lệch chiều cao của cột nước trong ống, tạo ra khoảng cách h giữa hai bên Từ sự chênh lệch này, chúng ta có thể xác định áp suất động một cách chính xác.
Ống pitot, như hình 3.1b, được sử dụng trong máy bay với số lượng ống khác nhau: máy bay chở khách thường có 4 ống, trong khi máy bay chiến đấu sử dụng 2 ống Nguyên lý đo áp suất vẫn giống như hình 3.2a, nhưng trong trường hợp này, cảm biến được sử dụng để đo áp suất P1 và P2.
Cảm biến 1 đo áp suất tổng và cung cấp tín hiệu V1, trong khi cảm biến 2 đo áp suất tĩnh với tín hiệu V2 Sự chênh lệch giữa hai tín hiệu này, V1 – V2, cho phép xác định áp suất tổng pđ.
Một số dụng cụ đo áp suất cơ bản
3.4.1 Đồng hồ đo áp suất
Cấu tạo của đồng hồ đo áp suất bao gồm ống Bourdon làm từ đồng hoặc kim loại nhẹ, hệ thống truyền động và kim chỉ thị Khi áp suất tác động vào ống Bourdon, ống sẽ biến dạng và kích hoạt cơ cấu truyền động, từ đó đẩy kim chỉ thị để hiển thị giá trị áp suất Đồng hồ này thường được lắp đặt ở các bồn chứa hoặc bình chứa, kết nối trực tiếp qua một lỗ nhỏ trên bình để đo áp suất, giúp người dùng dễ dàng theo dõi giá trị áp suất.
Hình 3.2 Đồng hồ đo áp suất
Hình 3.2a là loại đồng hồ đo áp suất trên thị trường, để đạt độ chính xác cao hơn người ta nắp thêm bộ chống rung và chống sốc
3.4.2 Áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f, hệ thống van và phao, cơ cấu chỉ thị nhƣ hình 3.3
Hình 3.3 Áp kế vi sai kiểu phao
1) Bình lớn 2) Bình nhỏ 3) Phao 4) Kim chỉ thị 5, 6, 7) Van
Chất lỏng trong bình là thủy ngân hoặc dầu biến áp Đƣa áp suất lớn
Khi chất lỏng được đưa vào bình lớn với áp suất thấp, và sau đó chuyển sang bình nhỏ với áp suất cao, áp suất lớn sẽ đẩy chất lỏng từ bình lớn sang bình nhỏ Điều này khiến phao dịch chuyển xuống một đoạn h1, trong khi chất lỏng trong bình nhỏ dâng lên đoạn h2 Sự dịch chuyển của phao sẽ làm kim dịch chuyển, hiển thị số chỉ tương ứng với áp suất vi sai cần đo.
Phương trình cân bằng áp suất: p1 – p2 = g(ρm – ρ)(h1 + h2) (3.5) Trong đó – g là gia tốc trọng trường
– ρ m trọng lƣợng riêng của chất lỏng làm việc
– ρ trọng lƣợng riêng của chất khí cần đo
Phương trình cân bằng thể tích :
( p1 – p2 ) (3.7) Áp kế vi sai dùng để đo áp suất dưới 25MPa Khi ta hay đổi tỉ số F f (thay đổi bình nhỏ) ta có thể thay đổi phạm vi đo
3.4.3 Áp kế vi sai kiểu chuông
Cấu tạo gồm một chuông có gắn kim chỉ thị nhúng trong bình nhƣ hình 3.4
Hình 3.4 Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông
1 ) Chuông 2) Bình chứa 3) Cơ cấu chỉ thị
Hình 3.5a khi p1 =p2 thì chuông ở vị trí đứng yên
Khi áp suất p1 lớn hơn p2, áp suất p1 sẽ đẩy chuông lên một đoạn dH, làm cho kim chỉ thị cũng dịch chuyển lên và hiển thị giá trị áp suất vi sai Độ dịch chuyển của chuông là yếu tố quan trọng trong việc đo lường áp suất.
∆f.g(ρ m – ρ) (p1 – p2) (3.8) Trong đó: + f là tiết diện trong của chuông
+ ∆f là diện tích tiết diện thành chuông Áp kế vi sai có độ chính xác cao, có thể đo đƣợc áp suất thấp và áp suất chân không.
Phân loại, cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phạm vi ứng dụng các loại cảm biến áp suất trong thực tế
3.5.1 Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất trên thị trường rất đa dạng về chủng loại và tên gọi, nhưng nhìn chung, chúng được cấu tạo từ hai phần chính.
+ Phần tử biến dạng (Elements) là thành phần nhận trực tiếp tác động của áp suất
+ Bộ phận biến đổi (Transducers) sẽ biến đổi tác động từ phần tử biến dạng thành tín hiệu điện
Tùy vào phương pháp biến đổi tín hiệu điện của bộ phận biến đổi mà ta chia cảm biến áp suất thành các loại nhƣ là:
- Chuyển đổi bằng biến thiên trở kháng
- Chuyển đổi kiểu điện dung
- Chuyển đổi kiểu điện cảm
- Chuyển đổi kiểu áp điện
3.5.2 Các phần tử biến dạng
Phần tử biến dạng được làm từ các vật liệu nhạy cảm với áp suất như đồng, thép hoặc hợp kim nhẹ Khi áp suất tác động, nó sẽ biến dạng và ảnh hưởng đến các thành phần của cảm biến Các dạng của phần tử này rất đa dạng, bao gồm màng, ống và capsule.
Hình 3.5 Các phần tử biến dạng
Có hình dạng nhƣ hình 3.6a màng phẳng và 3.6b màng uốn nếp, màng đƣợc chia làm hai loại tùy theo vật liệu cấu tạo là:
+ Màng dẻo đƣợc chế tạo từ vải tẩm cao su
+ Màng đàn hồi đƣợc chế tạo từ thép tròn phẳng hoặc uốn nếp
=f( tăng hình dạng (màng uốn nếp có dải đo rộng hơn màng phẳng) và loại màng
Trên hình 3.6c Capsule cấu tạo dạng màng nhăn ở hai phía giúp tăng độ tuyến tính hơn hẳn so với dạng màng (diaphragm)
Ống Bourdon có nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm ống chữ C, ống xoắn, ống xoắn ốc và ống xoắn nhiều vòng Chúng thường được chế tạo từ đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon hoặc thép gió Ống có một đầu cố định để đưa áp suất vào và một đầu tự do bị bịt kín, với áp suất chất lỏng tác động lên thành ống, gây ra biến dạng và làm cho đầu tự do dịch chuyển.
+ Hợp kim nhẹ hoặc thép 50mm
Sơ đồ nối dây, để sử dụng nhƣ hình sau:
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối(connect diagram)
+ mains là lối vào để cấp nguồn
Jumper là thiết bị kết nối dùng để điều chỉnh tín hiệu dòng điện đầu ra Khi jumper được kết nối giữa chân 1 và chân 2, tín hiệu dòng điện đầu ra sẽ là 0 – 20mA Nếu không sử dụng jumper, tín hiệu dòng ra sẽ là 4 – 20mA.
+ các đầu vào 3, 4, 5 nếu sử dụng đầu vào 3 với 5 cho tín hiệu diện áp 0 – 5v, còn sử dụng đầu vào 4 với 5 cho tín hiệu điện áp 0 – 10v
+ các đầu 6, 7 để đƣa ra tín hiệu dòng điện chuẩn.