Giáo trình đo lường nhiệt - Chương 3 đo áp suất vμ chân không pps

- 68 - Đo lờng nhiệt chơng CHƯƠNG : ĐO áP SUấT Và CHÂN KHÔNG Tình trạng làm việc thiết bị nhiệt thờng có quan hệ mật thiết với áp suất làm việc thiết bị Thiết bị nhiệt ngày đợc dùng với nhiệt độ áp suất cao nên dễ gây cố nổ vỡ, số trờng hợp áp suất (hoặc chân không) trực tiếp định tính kinh tế thiết bị, lẽ mà nh nhiệt độ việc đo áp suất quan trọng 3.1 ĐịNH NGHĩA Và THANG ĐO áP SUấT 3.1.1 Định nghĩa áp suất lực tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích, ký hiệu p p = F [ kG/cm2] S Các đơn vị ¸p suÊt : (3.1) N/m2 1Pa = mm Hg = 133,322 N/m² mm H2O = 9,8 N/m² bar = 10 N/m at = 9,8 10 N/m² = kG/ cm² = 10 m H 2O Ngời ta đa số khái niệm nh sau : - Khi nói đến áp suất ngời ta nói đến áp suất d phần lớn áp suất khí p áp suất d p Pd áp suất khí Pck -1 kG/cm2 Chân không tuyệt đối Hình 3.1 Thang đo áp suất - 69 - Đo lờng nhiệt chơng - áp suất chân không : áp suất nhỏ áp st khÝ qun - ¸p st khÝ qun ( khÝ ¸p ) : lµ ¸p st khÝ qun t¸c dơng lên vật pb (at) - áp suất d hiệu áp suất tuyệt đối cần đo khí áp Pd = Ptd - Pb (3.2) - áp suất chân không hiệu số khí áp áp suất tuyệt đối Pck = Pb - Ptd (3.3) - Chân không tuyệt đối tạo đợc 3.1.2 Thang đo áp suất Tùy theo đơn vị mà ta có thang đo khác nh : kG/ cm ; mmH2O - NÕu chóng ta sư dơng c¸c dụng cụ đơn vị : mmH2O, mmHg H2O Hg phải điều kiện định 3.2 áP KÕ CHÊT LáNG Ta cã thĨ chia c¸c ¸p kÕ thành loại sau : 3.2.1 Loại dùng phòng thí nghiệm 1- áp kế loại chữ U: Nguyên lý làm việc dựa vào độ chênh áp suất cột chất lỏng : áp suất cần đo cân độ chênh áp cột chất lỏng p1 P1 - P2 = γ.h = γ (h1 +h2) p2 Khi đo đầu nối áp suất khí h1 h h2 đầu nối áp suất cần đo, ta đo đợc áp suất d Trờng hợp dùng công thức môi chất cần đo nhỏ môi chất lỏng nhiều (chất lỏng Hình 3.2 áp kế chữ U ống chữ U) Nhợc điểm: - Các áp kế loại kiểu có sai số phụ thuộc nhiệt độ (do phụ thuộc nhiệt độ) việc đọc lần giá trị h nên khó xác - Môi trờng có áp suất cần đo số mà dao động theo thời gian mà ta lại đọc giá trị h1, h2 vào hai điểm khác không đồng thời đợc - 70 - §o l−êng nhiƯt – ch−¬ng ∆P = γ( h1 + h2) 2- áp kế ống thẳng : mà h1 F1 = h2 F2 p1 p2 h1 ⇒ h1 = h2 F2 F1 h2 γ F2 F1 ⇒ ∆P = γ h2 ( + F2 ) F1 Ta thÊy nÕu biÕt : F1 , F2 th× đo ta cần đọc nhánh tức h2 Hình 3.3 áp kế ống thẳng loại bỏ đợc sai số đọc hai giá trị Nếu F1 >> F2 ta viết đợc ∆P = γ h2 Sai sè cđa nã th−êng lµ 1% Với môi chất làm nớc đo 160 mm H2O ữ 1000 mmH2O 3- Vi áp kế : loại dùng để đo áp suất rÊt nhá p1 p2 F2 h1 h2 F1 h’2 Hình 3.4 Vi áp kế Góc thay đổi đợc 60o, 30, 45 Khi c©n b»ng : ∆P = ( h1 + h2 ) γ => h1 F1 = h′2 F ⇒ h1 = h′2 Mµ h2 = h′2 Sinα => ∆P = γ h′2 ( F2 F1 F2 +Sinα ) F1 Thay ®ỉi (cã thĨ thay ®ỉi thang ®o cã thĨ ®Õn 30mmH2O h′2 > h2 nên dễ đọc sai số giảm - 71 - Đo lờng nhiệt chơng 4- Khí áp kế thủy ngân: Là dụng cụ dùng đo áp suất khí quyển, dụng cụ khí áp xác Chân không tuyệt đối Lớp nuớc hay màng đàn Pb = h Hg hồi để Hg không bay Sai số đọc 0,1mm pb Nếu sử dụng loại làm áp kế chuẩn h phải xét đến môi trờng xung quanh 1m thờng cã kÌm theo nhiƯt kÕ ®Ĩ ®o nhiƯt ®é môi trờng xung quanh để Hg hiệu chỉnh Hình 3.5 Khí áp kế thuỷ ngân 5- Chân không kế Mc leod: Đối với môi trờng có độ chân không cao, ¸p st tut ®èi nhá ng−êi ta cã thĨ chÕ tạo dụng cụ đo áp suất tuyệt đối dựa định luật nén ép đoạn nhiệt khí lý tởng pb pb p1 v1 p2 v2 h Hg Hg H×nh 3.6 Chân không kế Mc leod Nguyên lý : Khi nhiệt độ không đổi áp suất thể tích tû lƯ nghÞch víi P1 V1 = P2 V2 Loại dùng ta để đo chân không Đầu tiên giữ bình Hg cho mức Hg nhánh ngà Nối P1 (áp suất cần đo) vào nâng bình lên đến đợc độ lệch áp h => nhánh kín có áp suất P2 thể tích V2 - 72 - Đo lờng nhiệt – ch−¬ng ⇒ P2 = P1 + γ h ⇒ V2 ( P1 + γ h) = P1 P1 = ã Nếu V2 độ nhạy Nếu S lớn => dầu lọt nhiều => không xác Spt = 0,5 cm2 môi chất dùng dầu biến áp hay dầu hỏa dầu tua bin dầu khoáng Tùy thuộc vào khoảng áp suất cần đo mà chọn độ nhớt dầu thích hợp Khi nạp dầu thờng nạp vào khoảng 2/3 xi lanh Thờng dùng loại làm áp kế chuẩn để kiểm tra loại khác Hạn đo trªn th−êng : 2,5 ; 6,0 ; 250 ; 600 ; 500 ; 10 000 ; 25 000 kG/cm2 - 73 - Đo lờng nhiệt chơng CCX = 0,2 ữ 0,02 Đặc điểm loại áp kế pít-tông trớc sử dụng phải kiểm tra lại cân 3.2.2 Loại dùng công nghiệp Trong công nghiệp ngời ta thờng dùng để đo hiệu áp suất gọi hiệu áp kế áp kế hiệu áp kế đàn hồi Hình 3.8 áp kế hiệu áp kế đàn hồi Bộ phận nhạy cảm loại áp kế thờng ống đàn hồi hay hộp có màng đàn hồi, khoảng đo từ ữ 10 000 kG/ cm2 đo chân không từ 0,01 ữ 760 mm Hg Đặc điểm loại kết cấu đơn giản, chuyển tín hiệu khÝ, cã thĨ sư dơng phßng thÝ nghiƯm hay công nghiệp, sử dụng thuận tiện rẻ tiền + Nguyên lý làm việc: Dựa phụ thuộc độ biến dạng phận nhạy cảm lực sinh áp suất cần đo, từ độ biến dạng qua cấu khuếch đại làm chuyển dịch kim (kiểu khí) + Các loại phận nhạy cảm: - 74 - Đo lờng nhiệt chơng p màng phẳng ống buốc đông hộp đèn xếp p màng luợn sóng p hộp màng Hình 3.9 Các loại phận nhạy cảm + Cấu tạo phạm vi ứng dụng: * Màng phẳng : - Nếu làm kim loại dùng để đo áp suất cao - Nếu làm cao su vải tổng hợp, nhựa đo áp suất nhỏ (loại thờng có hai miếng kim loại ép giữa) - Còn loại có nếp nhăn nhằm tăng độ chuyển dịch nên phạm vi đo tăng - Có thể có lò xo đàn hồi phía sau màng * Hộp đèn xếp : có loại - Loại có lò xo phản tác dụng, loại màng đóng vai trò cách ly với môi trờng Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp thờng dùng đo áp suất nhỏ đo chân không - Loại lò xo phản tác dụng * ống buốc đông: Là loại ống có tiết diện elíp hay ô van uốn thành cung tròn ống thờng làm đồng thép, đồng chịu áp lực < 100 kG/cm2 làm thép (2000 ữ 5000 kG/cm2) Và loại đo chân không đến 760 mm Hg Khi chän ta th−êng chän ®ång hå cho áp suất làm việc nằm khoảng 2/3 số đo đồng hồ Nếu áp lực thay đổi có chọn 3/4 thang đo Đo lờng nhiệt chơng - 75 - Chú ý: - Khi lắp đồng hồ cần có ống xi phông để cản lực tác dụng lên đồng hồ phải có van ba ngả để kiểm tra đồng hồ Van ba ngà Hình 3.10 Cách lắp áp kế - Khi đo áp suất bình chất lỏng cần ý đến áp suất thủy tĩnh - Khi đo áp suất môi trờng có tác dụng hóa học cần phải có hộp màng ngăn - Khi đo áp suất môi trờng có nhiệt độ cao ống phải dài 30 ữ 50 mm không bọc cách nhiệt - Các đồng hồ dùng chuyên dụng để đo chất có tác dụng ăn mòn hóa học mặt ngời ta ghi chất - Thờng có lò xo để giữ cho kim vị trí không đo 3.3 số loại áp kế đặc biệt Trong phạm vi chân không cao áp suất siêu cao ngời ta dùng phơng pháp điện để tiến hành đo lờng, dụng cụ đo kiểu điện cho phép đạt tới hạn đo cao đo đợc áp suất biến đổi nhanh Chân không kế kiĨu dÉn nhiƯt : HƯ sè dÉn nhiƯt cđa chÊt khí áp suất bình thờng quan hệ với áp suất nhng điều kiện áp suất tơng đối nhỏ ngời ta thấy tồn quan hệ Nhiệt độ dây dẫn đà cân nhiƯt sÏ thay ®ỉi tïy theo hƯ sè dÉn nhiƯt khí dùng cầu điện không cân để xác định điện trở dây dẫn ta biết đợc độ chân không tơng ứng Chân không kế Ion : Nhờ tợng ion hóa tạo nên dòng ion khí loÃng có quan hệ với áp suất nên từ trị số dòng ion ngời ta xác định đợc độ chân không môi trờng Có nhiều cách thực hiƯn viƯc ion hãa nh− : dïng t¸c dơng - 76 - Đo lờng nhiệt chơng từ trờng điện trờng, dự phát xạ catốt đợc đốt nóng có điện áp anôt, dùng phóng xạ tùy theo cách mà ta có chân không kế khác áp kế kiểu áp từ : áp suất tạo ứng lực học vật liệu sắt từ biến đổi làm biến đổi hệ số dẫn từ vật liệu Lợi dụng hiệu ứng áp từ ta chế tạo đợc nhạy cảm kiểu áp từ áp kế áp suất điện trở : Muốn đo áp suất lớn 10.000 kG/cm2 hầu nh có cách dùng phận nhạy cảm áp suất điện trở làm áp kế 3.4 CáC CáCH TRUYềN TíN HIệU ĐI XA Trong đo lờng thờng sử dụng thiết bị để truyền tín hiệu xa, tín hiệu : - Góc quay ống buốc đông P => - Sự chuyển dịch thẳng (màng) P => h , x - Góc quay kết hợp với đo tổng giá trị góc vận tốc quay tức thời - Độ nén, ép mômen quay sơ đồ bù Để truyền tín hiệu xa ngời ta thờng dùng hệ thống điện khí nén 3.4.1 Hệ thống dùng biến trở Trong hệ thống truyền tín hiệu dùng máy tạo nên độ chuyển dịch tiếp điểm trợt với B K Đ Pg biến trở nhờ dựa vào biến đổi điện trở để tìm X giá trị lợng cần đo Và nhờ cầu điện để xác định độ biến đổi điện trở Ngoài ta Hình 3.11 Hệ thống dïng biÕn trë cã thĨ dïng ®iƯn thÕ kÕ ®Ĩ xác định độ biến đổi điện trở - 77 - Đo lờng nhiệt chơng 3.4.2 Hệ thống truyền xa kiểu cảm ứng Nguyên lý làm việc: Y Nếu đa vào cuộn dây có dòng điện qua lõi sắt điện cảm Z1 Z3 Z2 Z4 dây tăng lên phụ thuộc vào vị trí lõi sắt, biến đổi độ xê dịch lõi sắt làm thay đổi điện cảm qua cuộn Mà thay đổi điện cảm dẫn đến làm thay đổi vị trí X lõi sắt Khi X = lõi sắt Hình 3.12 Hệ thống truyền xa kiểu cảm ứng nằm cuộn dây Khi X có dòng I 0, dòng điện cuộn thứ cấp thay đổi tơng ứng với dòng sơ cấp Thờng dùng cuộn dây có 3100 vòng làm Cu = 0,64 mmn => Z= 20,8 ữ 21,8 3.4.3 Máy biến ¸p sai ®éng S1 S1 T1 T1 T2 S2 T1 e1 S1 S2 S2 T2 T2 e X X Zft eT eT = e1 - e2 = f(x) H×nh 3.13 Máy biến áp sai động Khi có điện áp U xoay chiỊu th× cn thø cÊp xt hiƯn sđđ cảm ứng e1 e2 Trị số lệch pha sđđ phụ thuộc vào vị trí chiều chuyển động lõi sắt Cấu tạo : thờng cuộn sơ cấp 2700 vòng, cuộn thứ cấp 4000 vòng Dây đồng 0,27 mm U = 2,5 ữ 6,3 v Đầu tiên chỉnh cho : X = eT = 5mv - 78 - §o l−êng nhiệt chơng Dòng eT sinh I= M 1U − M 2U víi M1 vµ M2 lµ hệ số hổ cảm + ft dây s1 s2 , Z - trở kháng cuộn thứ cấp, Zft - trở kháng phụ tải Trong số trờng hợp để thuận tiện cho việc chỉnh định lõi sắt đợc gắn dễ dàng xê dịch đợc Hệ thống truyền xa dùng máy biến áp sai động Sơ cấp eT e'T Thứ cấp e X BKĐĐT Pg Động TN Cam Hình 3.14 Hệ thống truyền xa dùng máy biến áp sai động Các cuộn sơ cấp đợc mắc nối tiếp để tránh độ lệch pha dòng điện thứ cấp Nguyên lý hoạt động : vị trí lõi sắt MBA phía sơ cấp phía thứ cấp không nh eT eT => xt hiƯn ∆e ≠ vµ tÝn hiƯu nµy đợc đa vào BKĐĐT góc pha e định chiều quay ĐCTN (Pg) => cam quay, đa lõi sắt phía thứ cấp vị trí tơng ứng với lõi sắt phía sơ cấp e = động dừng lại Thực tế góc lệch pha cuộn sơ thứ cấp (do nhiệt độ khác nhau) => mạch thứ cấp sinh điện áp cân đợc Nếu độ chênh nhiệt độ phía sơ cấp phía thứ cấp 10oC sai số dùng MBA 0,1 ữ 0,15% Ngời ta sử dụng hệ thống để truyền xa cho áp kế, dùng màng đàn hồi - 79 - Đo lờng nhiệt chơng 3.4.4 Bộ chuyển đổi sắt động α N N Wk R l W Uk Ep Hình 3.15 Bộ chuyển đổi sắt động 1- Chốt cố định 4- Lõi sắt 2-Chốt di động 5- Khung dây 3-Gông đỡ 6- ống dây nối chốt Nguyên lý : Cuộn dây kích thích Wk quấn quanh chốt nuôi dòng xoay chiều UK 50Hz 12 60V Giả sử khung dây lƯnh h−íng N - N mét gãc α th× khung xt hiƯn s®® Ep = ω φ => l - chiỊu dµi khung Ep = ω Bc l Rcα Rc - b¸n kÝnh khung φ - số từ thông mắc vòng khung dây BC - trị số biên độ cảm ứng khung dây Trờng hợp BC có quan hệ tuyến tính : Suy Ep = C α Ep Th−êng α = ( -20o ÷ + 20o ), Ep = -1v ữ 1v b Khi điều chỉnh cuộn chuyển dịch Wc Ep a thay đổi đến = - 20 lúc Ep = ta có o khoảng chia ữ 40o - a đờng cuộn dây chuyển dịch - b đờng có cuộn dây chuyển dịch c -20 -10 10 20 -1 Hình 3.16 Đồ thị Ep- - 80 - Đo lờng nhiệt chơng - c đờng có cuộn dây chuyển dịch gấp lần Để thay đổi độ dốc đờng đặc tính ta thay đổi chốt di động Sơ đồ nguyên lý: eP1 eP2 eP BKĐĐT Pg Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý Bộ chuyển đổi phía sơ cấp phía thứ cấp hoàn toàn nh Hai cuộn dây kích thích chúng mắc nối tiếp dùng chung nguồn điện với khuếch đại điện từ, khung dây mắc nối tiếp ngợc để so sánh suất điện động cảm ứng chuyển đổi với nhau, độ chênh lệch e suất điện động cảm ứng đợc đặt BKĐĐT => chuyển động động thuận nghịch (Pg) Động đa khung dây chuyển đổi phía đồng hồ thứ cấp vị trí tơng ứng để e = lúc động dừng lại kết đo đợc thể đồng hồ thứ cấp Hệ thống truyền xa sắt động thờng hay dùng công nghiệp luyện kim, đợc dùng nhiều đo áp suất đo lu lợng đo mức cao chất nớc 3.4.5 Bộ chuyển đổi dùng cho cặp nhiệt Sơ đồ nguyên lý: - 81 - Đo lờng nhiệt chơng Rpt Rph U2 U1 Bộ điều chế U BĐC nghịch BKĐ Ex Hình 3.18 Bộ chuyển đổi dùng cho cặp nhiệt Nguyên lý : Khi lợng cần đo (nhiệt độ) biến đổi dẫn đến xuất hiệu điện sđđ Ex cặp nhiệt điện áp không cân cầu điện Với điện áp phản hồi U1 điện trở Rph đa vào điều chế qua BKĐ điều chế nghịch Dòng điện từ BĐCN qua đồng hồ đo qua Rpt qua Rph đồng hồ cho biết trị số lực cần đo U1 có trị số đủ bù Ex (U = 0) 3.4.6 Bé chun ®ỉi dïng khÝ nÐn Tïy theo èng phun đặt hay đặt buồng trung gian mà ta gọi BCĐ ống phun X X 4 h P1 P1 h P2 P2 (a) (b) H×nh 3.19 Bé chun ®ỉi dïng khÝ nÐn a- Bé chun ®ỉi dùng ống phun b - Bộ chuyển đổi dùng èng phun a- KhÝ nÐn dïng cho bé chuyÓn đổi không khí có áp suất P1 = const (P1 = 0,4 ÷ kG/ cm2 ) lÊy tõ nguồn cấp khí nén đà làm bụi bẩn, không khÝ nÐn ®i qua cưa tiÕt l−u cã trë lực không đổi vào buồng trung gian 2, qua cửa tiết lu trở lực biến đổi thoát Khi lợng cần đo (X) biến đổi tín hiệu - 82 - Đo lờng nhiệt chơng tác động lên chắn biến ®ỉi => h biÕn ®ỉi => P2 sÏ ®Ỉc tr−ng cho lợng cần đo Nhờ đờng dẫn từ buồng tới buồng đo đồng hồ thứ cấp tạo nên số , chuyển đổi có tín hiệu vào X mà X thờng nhỏ (0,02 ữ0,05mm) => khó xác b- sơ đồ b (bộ chuyển đổi trong) tín hiệu vào X thay đổi ¸p st (chØ huy) P2 sÏ biÕn ®ỉi cho tíi lực P2 tác dụng lên màng cân với lực tác dụng tín hiệu vào, nhờ phơng pháp bù lực nên áp suất không khí P1 biến đổi phạm vi 10% mà không ảnh hởng tới độ xác tín hiệu P2 Hầu nh tất dụng cụ khí nén kiểu đại dùng P2 0,8 chuyển đổi kiểu ống phun chắn Trong thiết bị h < 0,1mm ta xây dựng đợc quan hệ P2 = f(h) (khi P1 = 1) h 0,04 0,08 Hình 3.20 Đồ thị P-h 3.4.7 Bộ chuyển đổi kiểu Điện - Khí nén Nguyên lý : Tạo nên lực tỷ lệ với dòng ®iƯn chiỊu råi ®o lùc ®ã b»ng c¸ch bï lực tạo hệ thống khí nén (đà biến tín hiệu chiều thành tín hiệu khí nén có áp suất tỷ lệ dòng chiều) Tín hiệu vào dòng chiều Iv tùy theo chiều dòng điện mà nam châm hút hay đẩy => bị tác động làm bi xê dịch so với ống phun => áp suất nhánh phần tử "ống phun - bi" thay đổi đồng thời áp suất đầu Pra BKĐKN thay đổi lực phản hồi khí nén tác dụng lên bi đặt vào đòn bẩy biến đổi tới cân lực cuộn gây nên Lò xo dùng xác định trị số ban đầu tín hiệu vào Iv = P2 = 0,2 kG/cm2 P nguồn không khí có áp suất 0,4 kG/cm2 dòng điện chiỊu Iv = ÷ mA ⇒ P2 = 0,2 ữ kG/cm - 83 - Đo lờng nhiệt chơng I vào Pra BK§ KN P Hình 3.21 Bộ chuyển đổi kiểu Điện - Khí nén 1- Nam ch©m 5- 6- èng phun 2- Cuén d©y 7- 8- Bi 3- Cánh tay đòn 9- Bộ khuếch đại khí nén 4- Lò xo .. .- 69 - Đo lờng nhiệt chơng - áp suất chân không : áp suất nhỏ ¸p suÊt khÝ quyÓn - ¸p suÊt khÝ quyÓn ( khí áp ) : áp suất khí tác dụng lên vật pb (at) - áp suất d hiệu áp suất tuyệt đối cần đo. .. ¸p Pd = Ptd - Pb (3. 2) - ¸p suÊt chân không hiệu số khí áp áp st tut ®èi Pck = Pb - Ptd (3. 3) - Chân không tuyệt đối tạo đợc 3. 1.2 Thang đo áp suất Tùy theo đơn vị mà ta có thang đo khác nh :... độ chênh áp suất cột chất lỏng : áp suất cần đo cân độ chênh áp cột chất lỏng p1 P1 - P2 = γ.h = γ (h1 +h2) p2 Khi đo đầu nối áp suất khí h1 h h2 đầu nối áp suất cần đo, ta đo đợc áp suất d