Cảm biến áp suất và ứng dụng

A.Lịch sử đo áp suất *Năm 1648, nhà toán học kiêm nhà vật lý Blaise Pascal nghe thí nghiệm Torricelli Ông tin lực giữ cột thuỷ ngân 760 mm trọng lượng không khí bên Vì thế, núi, lực bịgiảm trọng lượng không khí thung lũng núi Ông tiên đoán chiều cao cột thuỷ ngân tăng ông chứng minh với thí nghiệm núi Puy de Dome trung tâm Pháp Pascal phát biểu lực này, ông gọi “áp suất”, tác dụng theo hướng Blaise Pascal *Năm 1843, nhà khoa học Pháp Lucien Vidie phát minh phong vũ biểu dùng cân lò xo thay chất lỏng để đo áp suất khí Sự co giãn lò xo đưới tác dụng áp suất khuyếch đại cách học hệ thống thị *Năm 1930, chuyển đổi chuyển đổi khí chuyển động màng, lò xo ống Bourdon vai trò lượngđiện Màn áp suất đóng vai trò điện dung *Năm 1955, strain gauge tích hợp cầu điện trở xuất *Năm 2000, công nghệ piezoresistive công nghệ phổ biến Nó áp dụng cho cảm biến áp suất dãy từ 100mbar đến 1500 bar giá trị tuyệt đối B.Khái niệm ,đơn vị phương pháp đo áp suất 1.Khái niệm: Trong vật lý học,áp suất (thường viết tắt p) đại lượng vật lý thể cường độ thành phần lực tác động vuông góc đơn vị đo diện tích vi thành phần bề mặt vật chất : p = F/A 2.Đơn vị đo áp suất Trong hệ SI: N/m2 hay gọi Pa: 1Pa=1N/m2 Đơn vị hệ SI bar, atmotphe, milimét thuỷ ngân (mmHg), kgl/cm2; bar = 105 Pa; atm = 101,325 Pa; mmHg = 133,322 Pa; mm H2O = 9,80665 Pa; 1psi=6,89kpa; 3.Phương pháp đo áp suất * p suất tuyệt đối: đo so với chân không tuyệt đối, hoàn toàn bỏ qua ảnh hưởng áp suất khí Phương pháp đo sử dụng chủ yếu để nghiên cứu thiết kế, có số ứng dụng mà giá trị đọc tuyệt đối lại có ích đặt điều kiện cụ thể trình Bởi thực tế khó hút chân không tuyệt đối bên vỏ cảm biến, cảm biến thường điều chỉnh giá trị đọc thiết bị đo cách sử dụng hệ số sửa cố định đơn vị phức tạp sử dụng áp suất khí áp đo * p suất vi sai: áp suất khu vực đường ống so với áp suất khác Giá trị đọc chênh lệch hai áp suất không tính đến áp suất hai bên so với áp suất khí chân không * p suất calip: dạng áp suất vi sai, áp suất khu vực đường ống so với áp suất khí Loại áp dụng phổ biến 3.1.Áp kế chất lỏng 3.1.1.Áp kế chữ U a)Cấu tạo :gồm ống thủy tinh hình chữ u Bên chứa chất lỏng ( thường thủy ngân ) b)Nguyên lý hoạt động: Do khác biệt áp suất áp suất áp dụng P atham khảo áp suất P b ống áp kế U Làm chênh lệch mực chât lỏng giũa hai ống từ tính đươc áp suất cần đo dựa vào công thức ố ượ ê ủ ấ ỏ g gia tốc j trường h độ chênh mực chât lỏng c)Dải làm việc từ:100pa đến 1000000pa 3.1.2.Áp kế bình a) Cấu taọ: gồm bình thủy tinh hình vẽ chứa chất lỏng p suất bình thường bar b)Nguyên lý hoạt động: dựa vào chênh lệch áp suất bình bình làm cho mực chất lỏng thay đổi từ tính đươc áp suât dựa vào công thức: ố ượ ê ủ ấ ỏ g gia tốc j trường h độ chênh mực chât lỏng C.Cảm biến áp suất dựa phần tử biến dạng 1.Các phần tử biến dạng 1.1.Lò xo ống *)cấu tạo: Lò xo ông ống kim loại uốn cong ,giữ đàu cố định đầu để tự *)Công thức tính biến thiên góc tâm × R: bán kính cong h: bề dày thành ống v : hệ số poission Y: mô đun Young a,b: bán trục chia tiết ôvan : hệ số phụ thuôc vào hình dáng tiết diện ngang ống x=Rh/ :tham số ống .Lò xo ống vòng có góc quay nhỏ , để tăng góc quay người ta thường dùng lò xo có nhiều ống.Đối với lò xo kiểu thường phải có cấu khí để tăng góc quay 1.2Xi phông ống xi phông ống trụ xếp nếp có khả biến dang tác dụng cua áp suất Độ dịch chuyển đáy biểu diện theo công thức sau : =N ho :chiêù dày thành ống n: số nếp nhăn làm việc góc bịt kín A,B :các hệ số phụ thuộc R Rn Rt bán kính xi phông r: bán kính cong nếp uốn Lưc tác dụng lên đáy tính theo công thức N= 1.3.Màng Màng dùng để đo áp suất chia màng đan hồi màng dẻo *)Màng dàn hồi : Cấu tạo: Dạng tròn phẳng chế tạo thép +)Nguyên lý hoạt động: áp suất tác dụng lên hai mạt màng gây biến dạng biến dạng màng hàm phia tuyến áp suất +)Độ võng tính theo công thức sau: p *)Màng nếp uốn đặc tuyến phi tuyến nhỏ màng phẳng nên sử dụng với độ võng lớn +)Công thức xác định a= a,b hệ số phụ thuộc vào hình dạng màng +)Lực tác dụng N= p D: đường kính ổ đỡ màng +)Độ xác 1% c)ống trụ +)Cấu tạo: Ống có dạng hình trụ , thành mỏng , đầu bịt kín làm băng kim loại +) Biến dạng ngang a1 a2 biến dạng dọc tác dụng lên thành ống xác định công thức : a1=( =k1p a2=( =k2p P: áp suất Y :mô đun Young v :hệ số poission r :bán kính ống 2.Cảm biến áp suất dựa phép đo biến dạng 2.1.Đặc điểm + Có tính đáp ứng tốt +Có thể bị nhiễu từ trường +Thường chia làm hai nhóm: -Biến đổi sử dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu điện -Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo 2.2.Bộ chuyển đổi kiểu áp điện Nguyên lý hoạt động: Khi có áp suất tác dụng vào khối vật liệu áp điện sinh điện tích tỷ lệ với áp suất cần đo qx=ko.Px= qy=-ko.py k số áp điện Một số đặc điểm: +Tần số cao(400kHz) +Độ nhạy cao +Không thích hợp với đo áp suất tĩnh +Phạm vi đo lớn(2 đến 20000psi) +Nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ 2.3Bộ chuyển đổi kiểu điện cảm a)Cấu tạo Tấm sắt từ động gắn màng nam châm điên b)Nguyên lý Dưới tác dụng áp suất đo làm dịch chuyển màng làm thay đổi khe hở từ dẫn đến thay đổi độ tự cảm cuộn dây +Làm việc theo nguyên tắc cảm ứng +Việc nối nam châm phụ tuộc vào vị trí lõi +Khi lõi sắt thay đổi vị trí điện thay đổi +Độ xác 0.5%FS +Phạm vi làm việc từ tới 10,000psi 2.4.Bộ chuyển đổi kiểu điện dung a)Cấu tạo Gồm màng kim loại đặt hai cực tụ điện b)Nguyên lý: Dịch chuyển hai tụ điện phẳng làm thay đổi điện dung Sự phụ thuộc điện dung C vào độ dịch chuyển màng l C= Là số điện môi cách điện hai cực Diện tích cực Khoảng cách cực áp suất : Độ dịch chuyển màng c)Phạm vi làm viêc Phạm vi làm việc rộng (áp suất chân không tới 10,000psi) Đo áp suất sai thấp(0.25mm H2O) Thời gian đáp ứng nhanh Độ xác 0.01%FSvà hiệu ứng nhiệt độ 0.25% D.Ứng dụng: 1.kiểm tra hút: +Giám sát áp suất cho trình gắp thả phôi +Kiểm tra hút chai trình đóng gói +Kiểm tra trình hút phôi vào vòng hình O +Kiểm tra hút trình đặt chip +Kiểm tra hút trình dán nhãn 2.Điều khiển áp suất nguồn: Điều khiển áp suất máy hàn vết Giám sát áp suất khí máy nén 3.Kiểm tra định vị: Sử dụng để kiểm tra xem đối tượng phôi có bàn máy hay không Ưu điểm không sợ ảnh hưởng bụi,hơi nước hay va chạm trình gia công Xác nhận chi tiết có nằm máy hàn vết hay không Nhận biết diện/thiếu thành phần động 4.Kiểm tra rò rỉ: Trong kiểm tra rò rỉ,một bình chứa làm đầy với không khí đến giá trị áp suất cài đặt Sau lượng khí rò rỉ xác định cách nhận biết thay đổi áp suất 5.Dụng cụ đo độ cao Môt số loại cảm biến thường gặp Có loại cảm biến áp suất sử dụng rộng rãi công nghiệp Pressure transmitter: dùng nhiều hệ thống có điều khiển PLC Input: Pressure Output: current - 20 mA Có loại: Loại thường: Range P vào cố định chỉnh tay giá trị thay đổi Loại Smart: dùng HART thay đổi range P vào Các hãng sản xuất tiếng là: Rosemount, ABB, Siemens, Endress & Haus, Honey Well, Yokogawa, Giá loại smart 500 USD tùy loại hãng SX nào, nơi SX (nếu USA, EU, G7 đắt có đặc tính kĩ thuật cao nơi khác), môi trường sử dụng, Pressure transducer: dùng nhiều hệ thống rời máy nén khí, máy phát điện, Input: Pressure Output: voltage 0-5 V 1-5V, 3.presssure switch :được dùng hệ thống điều khiển công nghiệp Pressure transmitter Pressure transducer presssure switch Mục Lục A.Lịch sử đo áp suất B.Khái niệm phương pháp đo áp suất 1.Khái niệm 2.Đơn vị đo 3.Phương pháp đo 3.1 p kế chất lỏng 3.1.1 p kế chữ U 3.1.2 p kế bình C.Cảm biến áp suất dựa phần tử biến dạng 1.Các phần tử biến dạng 1.1.Lò xo ống 1.2.Ống xiphong 1.3.Màng 2.Cảm biến áp suất dựa phép đo biến dạng 2.1.Đặc điểm 2.2.Bộ chuyển đổi kiểu áp điện 2.3.Bô chuyển đổi kiêu điện cảm 2.4.Bộ chuyển đổi kiểu điện dung D Ứng dụng 1.kiểm tra hút 2.Điều khiển áp suất nguồn 3.Kiểm tra định vị 4.Kiểm tra rò rỉ 5.Dụng cụ đo độ cao E Môt số cảm biến thường gặp F.Tài liệu tham khảo F.Tài liệu tham khảo 1.Internet Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển (Lê Văn Doanh) Handbook of modern sensor 4.Giáo trình đo lường cảm biến đo lường [...]...F.Tài liệu tham khảo 1.Internet 2 Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển (Lê Văn Doanh) 3 Handbook of modern sensor 4.Giáo trình đo lường và cảm biến đo lường ... lệch hai áp suất không tính đến áp suất hai bên so với áp suất khí chân không * p suất calip: dạng áp suất vi sai, áp suất khu vực đường ống so với áp suất khí Loại áp dụng phổ biến 3.1 .Áp kế chất... vỏ cảm biến, cảm biến thường điều chỉnh giá trị đọc thiết bị đo cách sử dụng hệ số sửa cố định đơn vị phức tạp sử dụng áp suất khí áp đo * p suất vi sai: áp suất khu vực đường ống so với áp suất. .. piezoresistive công nghệ phổ biến Nó áp dụng cho cảm biến áp suất dãy từ 100mbar đến 1500 bar giá trị tuyệt đối B.Khái niệm ,đơn vị phương pháp đo áp suất 1.Khái niệm: Trong vật lý học ,áp suất (thường viết