Dụng cụ đo lường đặc biệt là dụng cụ đo lường điện ngày nay rất đa dạng tùy theo mục đích, phạm vi sử dụng và yêu cầu cụ thể của các ứng dụng khác nhau. Có nhiều loại dụng cụ đo được phân loại theo nhiều cách khác nhau: dụng cụ đo kiểu biến đổi thẳng, kiểu biến đổi bù; dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp, kiểu so sánh; dụng cụ đo tương tự, chỉ thị số...Các loại dụng cụ này mặc dù đa dạng nhưng có những đặc tính cơ bản và cấu trúc chung thống nhất. Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các quá trình công nghệ... đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng để có các quyết định phù hợp. Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho các thông số đó. Dụng cụ đo có vai trò quan trọng trong quá trình đổi mới công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay. Dưới đây là bài tiểu luận với nội dung “ dụng cụ đo áp suất chất khí”
Trang 1Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu,thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, cácquá trình công nghệ đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng để cócác quyết định phù hợp Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượngnghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho cácthông số đó.
Dụng cụ đo có vai trò quan trọng trong quá trình đổi mới công nghiệp hóa hiệnđại hóa hiện nay Dưới đây là bài tiểu luận với nội dung “ dụng cụ đo áp suấtchất khí”
Sinh viên thực hiệnHoàng thu Hương
Trang 2I Giới thiệu chung
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đị lượng cần đo để có kếtquả bằng số so với đơn vị đo
Kết quả đo lường của đại lượng cần đo Ax là giá trị bằng hằng số, dược địnhnghĩa bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo ( X) và đơn vị đo (X0)
Qúa trình đo: là quá trình xác định tỉ số:
Ax =
Từ đó, phương trình cơ bản của phép đo : X = AX X0 , nó chỉ rõ sự so sánhgiữa đại lượng cần đo và đơn vị đo, hây mẫu, và cho ra kết quả đo bằng số Nhưvậy, muốn đo được thì các giá trị giữa đại lượng cần phải có tính chất so sánhđược Với các đại lượng không có tính chất đó, chúng cần được chuyển thànhđại lượng có thể so sánh được trước khi đo
Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để
đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo
Kĩ thuật đo lường: ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thànhquả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống
Như vậy trong quá trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X(các tính chất của nó), đơn vị đo X 0 , độ chính xác yêu cầu của phép đo vàphép tính toán để xác định tỉ số (1.1) để có các phương pháp xác định kết quả
đo lường A X thỏa mãn yêu cầu lượng có thể so sánh được trước khi đo
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Mục đích của quá trình đo lường là xác định giá trị A X của đại lượngcần đo X Để thực hiện quá trình đo lường cần nắm xững các đặc trưngcủa kĩ thuật đo lường:
- Đại lượng cần đo
- Điều kiện đo
Trang 3Dụng cụ đo lường điện ngày nay rất đa dạng tùy mục đích, phạmvi sử dụng
và những yêu cầu cụ thể, nhưng chúng có những đặc tính cơ bản và cấu trúcchung thống nhất
Định nghĩa: Đại lượng đo là thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo
Một đại lượng vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp
cụ thể chỉ quan tâm đến một thông số nhất định
Phân loại đại lượng đo: có thể phân loại theo bản chất của đại lượng đo,theo tính chất thay đổi của đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo
a) Phân loại theo bản chất của đại lượng đo
- Đại lượng đo điện: là các đại lượng đo có những đặc trưng điện như: điện tích,điện áp, dòng điện…
- Đại lượng đo không điện: đại lượng đo không có tính chất điện, ví dụ: nhiệt
độ, độ dài, khối lượng
- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mang năng lượng, ví dụ: sức điệnđộng, điện áp, dòng điện, từ thông, cường độ từ trường …
- Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm,điện dung …
- Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số …
Trang 4b) Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo
- Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo đã biết trước qui luật thay đổi theo thờigian
Ví dụ: Cần đo tần số và trị hiệu dụng của một tín hiệu hình sin
- Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có sự thay đổi theo thời gian khôngtheo qui luật
Trong thực tế đa số các đại lượng đo là đại lượng ngẫu nhiên, tuy nhiên tùyyêu cầu về kết quả đo và tùy tần số thay đổi của đại lượng đo có thể xem gầnđúng đại lượng đo ngẫu nhiên là tiền định trong suốt thời gian đo hoặc phải sửdụng phương pháp đo lường thống kê
c) Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo
- Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) : đại lượng đo đượcbiến đổi thành một đại lượng đo khác tương tự nó Tương ứng sẽ có dụng cụ đotương tự, ví dụ: ampe mét có kim chỉ thị, vônmét có kim chỉ thị …
- Đại lượng đo số (digital) : đại lượng đo được biến đổi từ đại lượng đo tương tựthành đại lượng đo số Tương ứng sẽ có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét chỉ thị
số, vônmét chỉ thị số…
Tín hiệu đo: Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng
đo, tức mang thông tin về các giá trị của đại lượng đo Trong nhiều trường hợp
có thể xem tín hiệu đo là đại lượng đo
2 Điều kiện đo
Các thông tin đo lường chịu ảnh hưởng quyết định của môi trường sinh ra
nó Do vậy, khi tiến hành phép đo, phải tính đến ảnh hưởng của môi trường lênkết quả đo, và cả ảnh hưởng của thiết bị đo lên kết quả đo
Ngoài ra, những yếu tô môi trường bên ngoài như: nhiệt độ, độ ẩm khôngkhí, từ trường bên ngoài, độ rung,… cũng ảnh hưởng đến kết quả đo
Để kết quả đo đạt yêu cầu, phép đo phải được thực hiện trong điều kiệnchuẩn, là điều kiện đo được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia, hoặc theo nhà
Trang 5sản xuất thiết bị đo Khi thực hiện phép đo luôn cần phải xác định điều kiện đo
Phương pháp đo:
- Định nghĩa : phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quátrình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biếnđổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị
- Phân loại : trong thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo:
Phương pháp đo biến đổi thẳng
Tự nhiên đã ban cho loài người chúng ta một giác quan đó là khứu giác để cóthể nhận biết được khoảng hơn 10.000 mùi khác nhau Trong một căn phòngkhoảng 10m2 bạn cầm bình nước hoa và bắt đầu xịt Bạn nhận thấy rằng gần
Trang 6như cả căn phòng thơm mùi nước hoa Điều này chứng tỏ hương thơm đó đã lanrộng trong phòng theo mọi hướng khác nhau Bằng mắt thường bạn không thểnhìn thấy “mùi thơm” nhưng bạn biết nó tồn tại nhờ khứu giác Vì “mùi thơm”không thể nhìn thấy nên ta có thể dự đoán được nó có kích thước rất rất nhỏ tatạm gọi là các hạt khíĐiều này chỉ có thể giải thích rằng các hạt khí đó chuyểnđộng với tốc độ rất lớn và trong quá trình va chạm với vật cản nó gây ra sức ép(áp suất lên vật cản đó)
Để giải thích chung cho các hiện tượng liên quan đến chất khí, vật lý học đưa rathuyết động học phân tử chất khí
Nội dung của thuyết động học phân tử chất khí
Chất khí bao gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ
Các phân tử chất khí chuyển động hỗn loạn không ngừng Nhiệt độ càngcao thì các phân tử chất khi chuyển động càng nhanh, các chuyển động hỗnloạn của phân tử chất khí được gọi là chuyển động nhiệt
Khi chuyển động nhiệt các phân tử chất khí va chạm với nhau và va chạmvới bình chứa gây nên áp suất cho thành bình
Chất khí được cấu tạo từ các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừngchúng va chạm với nhau và va chạm với thành bình gây nên áp suất cho thànhbình
Lưu ý các thuyết vật lý thường không cần chứng minh, nó được coi như mộttiên đề để vận dụng giải thích các hiện tượng vật lý trong tự nhiên Nếu giảithích đó hợp lý và phù hợp với các kết quả thực nghiệm thu được thì ta mặcnhiên là nó đúng Nếu bạn chỉ cần chỉ ra được một hiện tượng vật lý khiếnthuyết vật lý sai (trong một phạm vi nào đó) bạn có thể xây dựng một thuyết vật
c) Thông số trạng thái của chất khí:
Do các phân tử chất khí rất nhiều, lại chuyển động hỗn loạn, nên để nghiên cứuvận dụng các định luật vật lý cho chất khí vào tự nhiên, trong chương trình vật
lý phổ thông người ta đưa vào các thông số áp suất (p), thể tích (V), và nhiệt độ
tuyệt đối (T) gọi là các thông số trạng thái để xác định trạng thái của một khối
khí xác định
Trang 7Khi một trong ba thông số thể tích, áp suất, nhiệt độ thay đổi ta gọi đó là quátrình biến đổi trạng thái của chất khí.
Khi một thông số trạng thái không đổi ta gọi đó là các đẳng quá trình
áp suất (p) không đổi => quá trình đẳng áp ( p = hằng số)
thể tích (V) không đổi => quá trình đẳng tích (V = hằng số)
nhiệt độ tuyệt đối (T) không đổi => quá trình đẳng nhiệt (T = hằng số)
Công thức xác định mol, thể tích, khối lượng của một chất khí bất kỳ
- Số A-vô-ga-đro (NA): Được đặt theo tên nhà vật lý học người Ý,
Amedeo Avogadro (1776-1856) Được định nghĩa là số nguyên tử cótrong 1 mol lượng chất bất kỳ
NA = 6,022.1023 (mol-1)
- Cách xác định số mol của chất khí bất kỳ:
n=mMn=mM
Trong đó:
Nếu xét ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất là 1atm, nhiệt độ là O K, thể tích là22,4lít)
II Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo
Dụng cụ đo lường có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau:
Theo cách biến đổi ta có thể chia dụng cụ đo thành 2 loại: dụng cụ đo biếnđổi thẳng và dụng cụ đo kiểu biến đổi bù Dụng cụ đo biến đổi thẳng là dụng cụ
mà đại lượng cần đo X được biến đổi thành đại lượng ra Y theo một đườngthẳng không có khâu phản hồi Dụng cụ đo kiểu biến đổi bù là loại dụng cụ đo
sử dụng khâu phản hồi với các chuyển đổi ngược đại lượng ra Y thành đạilượng bù X k bù với tín hiệu cầnđo X Mạch đo tạo thành vòng khép kín
Trang 8Theo phương pháp so sánh đại lượng đo: dụng cụ đo đánh giá trực tiếp vàdụng cụ đo kiểu so sánh.
Dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp là loại dụng cụ đã được khắc độ theo đơn
vị của đại lượng đo từ trước, khi đo đại lượng đo được so sánh với nó để cho rakết quả Nó được thực hiện theo sơ đồ biến đổi thẳng
Dụng cụ đo kiểu so sánh là loại dụng cụ đo mà việc so sánh được thực hiệnqua mỗi lần đo Nó được thực hiện theo sơ đồ biến đổi bù
Theo phương pháp cho ra thông tin đo: dụng cụ đo tương tự và dụng cụ đo số Dụng cụ đo tương tự có số chỉ là hàm liên tục của đại lượng đo Loại nàybao gồm: dụng cụ đo kim có kết quả đo được đọc ở số chỉ của kim lên mặt đãkhắc độ sẵn; dụng cụ đo tự ghi có kết quả đo được ghi lại dưới dạng đườngcong phụ thuộc thời gian
Dụng cụ đo chỉ thị số là dụng cụ mà trong đó đại lượng liên tục được biếnđổi thành rời rạc và kết quả đo cho ra dưới dạng số (thập phân hay nhị phân) Theo loại đại lượng đo: dụng cụ mang tên đại lượng đo, như: vôn mét, ampemét, ôm mét
Theo mục đích sử dụng: dụng cụ đo để bàn, dụng cụ đo xách tay
Theo mức bảo vệ: dụng cụ đo kín nước, dụng cụ kín bụi, dụng cụ chống va đập
1 Đặc tính cơ bản của dụng cụ đo
a) Độ chính xác và sai số của dụng cụ đo
Có nhiều nguyên nhân gây sai số, có thể là do các yếu tố biến động ngẫunhiên, hoặc có thể là nguyên nhân do chính phương pháp đo không phù hợp,hoặc một nguyên nhân nào đấy có tính quy luật Trên cơ sở đó, ta phân biệt 2loại sai số
a Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luônkhông đổi hoặc thay đổi có tính quy luật Sai số này về nguyên tắc có thể loạitrừ được
b Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên docác biến động của môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm v.v.) Sai
số này còn gọi là sai số phụ, và không thể loại trừ
Trang 9Ngoài các sai số của dụng cụ đo cần quan tâm, còn có một tiêu chuẩn đểđánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác.
Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo Bất kỳ một phép
đo nào đều có sai lệch so với đại lượng đúng
δ i=x i−x d
trong đó xi là kết quả của lần đo thứ
xd là giá trị đúng của đại lượng đo
Sai số tuyệt đối của một thiết bị đo được định nghĩa là giá trị lớn nhất củacác sai lệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo:
Δxx=max[δ i]
Sai số tuyệt đối chùn đánh giá được tính chính xác và yêu cầu công nghệ củathiết bị đo Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đođược đánh giá bằng sai số tương đối:
+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính
β= Δxx
x , với x là giá trị đại lượng đo
+ Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính
γ= Δxx D
Trong đó D = Xmax – Xmin : thang đo của dụng cụ đo
Giá trị, γ % gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị đothành các cấp chính xác
Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ điện có cấpchính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1
Trang 10Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai sốtương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụthể
Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắcphải Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tươngđối quy đổi của dụng cụ đo dó
b) Độ nhạy
Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x) Để có một sự đánh giá
về quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độnhạy của thiết bị:
Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng:
S= Δxz Δxx=F ( x)
Trong đó: ∆z: biến thiên lượng ra và ∆x: biến thiên lượng vào
Nếu F(x)=const, thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính Lúc đothang đo được khắc độ đều
C=1/S gọi là hằng số dụng cụ đo
Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi ∆x đủ nhỏ thì S làmột hằng số Với thiết bị có quan hệ giữa lượng vào và lượng ra là tuyến tính, ta
có thể viết: z = S.x, lúc đó S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị
Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp, mỗi khâu có
độ nhạy riêng, thì độ nhạy của dụng cụ đó là tích các độ nhạy thành phần
Trang 11Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao nhiêucũng được, song trên thực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z không thể thấy được
Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10A nhỏ hơn 10W(chẳng hạn) thì công tơ không quay nữa
Nguyên nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hiệntượng trễ ε được gọi là ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo
Có thể quan niệm ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất mà thiết
bị đo có thể phân biệt được
Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác nhau nóchưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị Vì vậy để so sánh chúng với nhaungười ta phải xét tới quan hệ giữa ngưỡng độ nhạy và thang đo của thiết bị.Thang đo (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân theophương pháp đo lường của thiết bị
Và so sánh các R với nhau
c) Điện trở của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ
- Điện trở vào: mỗi dụng cụ đo đều có điện trở vào, có thể nhỏ hay lớn tùy
thuộc tính chất đối tượng đo Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu khâutrước đó dưới dạng áp, tức là yêu cầu dòng phải nhỏ và công suất tiêu thụphải nhỏ, ví dụ vonmet có điện trở vào càng lớn càng tốt
- Điện trở ra: điện trở ra của dụng cụ đo xác định công suất có thể truyền tải
cho chuyển đổi tiếp theo Điện trở ra càng nhỏ thì công suất đó càng lớn.Thường để mạch đo có hiệu quả người ta cố gắng làm phù hợp trở kháng racủa chuyển đổi trước với trở kháng vào của chuyển đổi tiếp sau đó
Trang 12CĐSC (Primary Sensing Element)
MĐ (Manipulate Circuit)
CCCT (Indicator & Recoder)
Đại lượng đo
Measurement
e) Độ tin cậy
Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố
- Độ tin cậy của các linh kiện của dụng cụ đo
- Kết cấu của dụng cụ đo không quá phức tạp
- Điều kiện làm việc của dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay không
Độ tin cậy của dụng cụ đo được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy củadụng cụ đo trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định haykhông
2 Cấu trúc chung
a) Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo
Mỗi dụng cụ đo cơ bản có 3 bộ phận chính:
Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC)
Mạch đo (MĐ)
Cơ cấu chỉ thị (CCCT)
Hình 3-1 : Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo
Sơ đồ cấu trúc chung của cảm biến thông minh (Smart Sensor) :
Hình 3-2 : Cấu trúc của cảm biến thông minh
b Các khâu chức năng của thiết bị đo :
Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC): thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng đo
thành tín hiệu điện Là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo, quyết định
Trang 13độ chính xác cũng như độ nhạy của dụng cụ đo Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấpkhác nhau tùy thuộc đại lượng đo và đại lượng đầu ra của chuyển đổi.
Mạch đo (MĐ): thực hiện chức năng thu thập, gia công thông tin đo sau các
chuyển đổi sơ cấp; thực hiện các thao tác tính toán trên sơ đồ mạch Tùy thuộcdụng cụ đo là kiểu biến đổi thẳng hay kiểu so sánh mà mạch đo có cấu trúc khácnhau
Các đặc tính cơ bản của mạch đo gồm: độ nhạy, độ chính xác, đặc tính động,công suất tiêu thụ, phạm vi làm việc… được xét cụ thể cho mỗi loại mạch đo để
có thiết kế phù hợp cũng như sử dụng có hiệu quả Mạch đo thường sử dụng kĩthuật vi điện tử và vi xử lý để nâng cao các đặc tính kỹ thuật của dụng cụ đo
Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thực hiện chức
năng thể hiện kết quả đo lường dưới dạng con số so với đơn vị sau khi quamạch đo
Các kiểu chỉ thị thường gặp gồm: chỉ thị bằng kim chỉ, chỉ thị bằng thiết bị tựghi (ghi lại các tín hiệu thay đổi theo thời gian), chỉ thị dưới dạng con số (đọctrực tiếp hoặc tự động ghi lại)… Việc phân chia các bộ phận như trên là theochức năng, không nhất thiết phải theo cấu trúc vật lý, trong thực tế các khâu cóthể gắn với nhau (một phần tử vật lý thực hiện nhiều chức năng), có sự liên hệchặt chẽ với nhau bằng các mạch phản hồi…
II. Dụng cụ đo áp suất
Trong công nghiệp luyện kim sử dụng nhiều các thiết bị thủy lực và khí nén,
để hệ thống làm việc bình thường phải đo và kiểm tra áp suất một cách tục,nếu áp suất chất lỏng, khí hoặc hơi vượt quá một giới hạn nhất định có thểảnh hưởng xấu đến hoạt động của của thiết bị, thậm chí có thể làm hỏnghoặc nổ bình chứa, đường ống dẫn gây thiệt hại nghiêm trọng Bởi vậy, việc
đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bịcũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết
P = (3.1)
Pkt