TỔNG QUAN VỀ DỤNG CỤ ĐO. 1.1.Lịch sử phát triển: Nhiều nhà phát minh đã ghi công vào việc sáng tạo ra nhiệt kế như Avicenna, Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei hay Santorio Santorio. Nhiệt kế không phải là kết quả của một phát minh duy nhất, mà nó phải trải qua quá trình phát triển. Vào thế kỉ 11, Philo và Hero of Alexandria biết một nguyên tắc là đối với một số chất, đặc biệt là không khí, sẽ co và dãn khi thay đổi nhiệt độ. Nguyên lý này được dùng để chỉ thị nhiệt độ không khí với một ống và mực nước bên trong được điều khiển bởi sự co và dãn của không khí. Một bản vẽ rõ ràng đầu tiên của nhiệt kế được xuất bản vào năm 1617 là của Giuseppe Biancani. Trong bản vẽ này có thang đo và sau đó cấu tạo thành nhiệt kế bởi Robert Fludd vào năm 1638. Đây là một ống thẳng đứng với một bầu đặt ở phía trên và phía dưới nhúng vào nước. Mực nước bên trong ống được điều khiển bởi sự co giãn không khí, vì vậy chúng ta còn gọi nó là nhiệt kế không khí. Các dụng cụ trên mắc phải một nhược điểm là nó đồng thời cũng là một áp kế, nghĩa là nó nhạy cảm với sự thay đổi áp suất không khí. Vào khoảng năm 1654, Ferdinando II de Medici, đại công tước của Tuscany đã chế tạo nhiệt kế theo kiểu hiện đại bằng cách hàn kín phần ống với bầu chứa chất lỏng, do đó không bị ảnh hưởng bởi áp suất không khí và chỉ phụ thuộc vào sự giãn nở của chất lỏng. Vào năm 1665, Christiaan Huygens đề nghị dùng điểm nóng chảy và điểm sôi của nước làm chuẩn, và vào năm 1694 Carlo Renaldini đưa ra đề nghị dùng nó như các điểm cố định trên tất cả các thang đo. Vào năm 1701, Isaac Newton đưa ra một thang đo có 12 độ giữa điểm nóng chảy của nước và nhiệt độ cơ thể. Cuối cùng vào năm 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit tạo ra một thang nhiệt độ mà hiện nay (với một số thay đổi nhỏ) là thang Fahrenheit.
GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - - BÀI TIỂU LUẬN Đề tài: “DỤNG CỤ ĐO ÁP SUẤT CHẤT LỎNG” SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN THỊ THẢO TRANG MÃ SINH VIÊN: 107414 LỚP : ĐH HÓA K GÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN MINH VIỆT Hà nội,2016 GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI LỜI NÓI ĐẦU Trong trình nghiên cứu khoa học nói chung cụ thể từ việc nghiên cứu, thiết kế ,chế tạo, thử nghiệm vận hành, sữa chữa thiết bị , trình công nghệ …đến yêu cầu phải biết rõ thông số đối tượng để có định phù hợp Sự đánh giá thông số quan tâm đối tượng nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lý đặc trưng cho thông số Dụng cụ đo môn học nghiên cứu phương pháp đo đại lượng vật lý.Cung cấp cho sinh viên kiến thức chuyên sâu kĩ thuật đo lường Trình bày thiết bị đo,nguyênlý đo phương pháp đo thông số Trên sở người người học biết cách sử dụng dụng cụ đo xử lý kết Cụ thể sau em xin trình bày đánh giá phân tích dụng cụ đo Áp suất chất lỏng ứng dụng dụng cụ đo Áp suất chất lỏng công nghệ hóa học… GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Chương I: TỔNG QUAN VỀ DỤNG CỤ ĐO 1.1.Lịch sử phát triển: Nhiều nhà phát minh ghi công vào việc sáng tạo nhiệt kế nh Avicenna, Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei hay Santorio Santorio Nhiệt kế kết phát minh nh ất, mà phải trải qua trình phát triển - Vào kỉ 11, Philo Hero of Alexandria biết nguyên tắc đ ối v ới số chất, đặc biệt không khí, co dãn thay đổi nhiệt đ ộ Nguyên lý dùng để thị nhiệt độ không khí v ới m ột ống m ực nước bên điều khiển co dãn không khí - Một vẽ rõ ràng nhiệt kế xuất vào năm 1617 Giuseppe Biancani Trong vẽ có thang đo sau cấu t ạo thành nhiệt kế Robert Fludd vào năm 1638 Đây ống thẳng đứng với bầu đặt phía phía nhúng vào nước M ực nước bên ống điều khiển co giãn không khí, v ậy gọi nhiệt kế không khí - Các dụng cụ mắc phải nhược điểm đồng th ời m ột áp kế, nghĩa nhạy cảm với thay đổi áp suất không khí Vào kho ảng năm 1654, Ferdinando II de' Medici, đại công tước Tuscany ch ế t ạo nhiệt kế theo kiểu đại cách hàn kín phần ống với bầu ch ứa chất lỏng, không bị ảnh hưởng áp suất không khí ph ụ thuộc vào giãn nở chất lỏng - Vào năm 1665, Christiaan Huygens đề nghị dùng điểm nóng chảy ểm sôi nước làm chuẩn, vào năm 1694 Carlo Renaldini đưa đ ề ngh ị dùng điểm cố định tất thang đo - Vào năm 1701, Isaac Newton đưa thang đo có 12 độ gi ữa ểm nóng chảy nước nhiệt độ thể Cuối vào năm 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit tạo thang nhiệt độ mà (với số thay đổi nhỏ) thang Fahrenheit - 1742, Anders Celsius đề nghị thang đo với điểm nóng chảy n ước đá, 100 điểm sôi nước gọi thang Celsius v ới thang đo đặt ngược lại Vào năm 1866, Thomas Clifford Allbutt phát minh nhi ệt GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI kế y tế đưa nhiệt độ thể sau phút thay 20 phút nh trước Chương II: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ DỤNG CỤ ĐO QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1.2 Nhiệt kế áp suất chất lỏng: Trong công nghiệp luyện kim sử dụng nhiều thiết bị thủy lực khí nén, để hệ thống làm việc bình thường phải đo kiểm tra áp suất cách liên tục, áp suất chất lỏng, khí vượt gi ới h ạn nh ất định ảnh hưởng xấu đến hoạt động thiết bị, chí có th ể làm hỏng nổ bình chứa, đường ống dẫn gây thiệt hại nghiêm tr ọng Bởi vậy, việc đo áp suất chất lưu quan trọng việc đảm bảo an toàn cho thiết bị giúp cho việc kiểm tra điều khiển hoạt đ ộng máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu 1.2.1 khái niệm đơn vị đo p =FS[ kG/cm2] Các đơn vị áp suất : 1Pa = N/m2 mm Hg = 133,322 N/m² mm H2O = 9,8 N/m² bar = 10 5N/m at = 9,8 10 4N/m² = kG/ cm² = 10 m H2O Người ta đưa số khái niệm sau : - Khi nói đến áp suất người ta nói đến áp suất d ph ần l ớn h ơn áp suất khí 76/96 - Áp suất chân không : áp suất nhỏ áp suất khí quy ển - Áp suất khí ( khí áp ) : áp suất khí quy ển tác dụng lên v ật pb (at) - Áp suất dư hiệu áp suất tuyệt đối cần đo khí áp Pd = Ptd - Pb - Áp suất chân không hiệu số khí áp áp suất tuyệt đối Pck = Pb - Ptd GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - Chân không tuyệt đối tạo Thang đo áp suất Tùy theo đơn vị mà ta có thang đo khác nh : kG/ cm² ; mmH2O - Nếu sử dụng dụng cụ đơn vị : mmH2O, mmHg H2O Hg phải điều kiện định 1.2.2 phương pháp đo áp suất: Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất Đối với đo áp suất tĩnh tiến hành đo ph ương pháp sau: + Đo trực tiếp áp suất chất lưu thông qua lỗ khoan thành bình + Đo gián tiếp thông qua đo biến dạng thành bình tác động c áp suất Trong cách thứ nhất, phải sử dụng đầu đo đặt sát bình Trong tr ường hợp này, áp suất cần đo cân với áp suất thủy tĩnh c ột ch ất lỏng làm việc tạo nên tác động lên vật trung gian có ph ần t nhạy cảm với lực áp suất gây Khi sử dụng vật trung gian đ ể đo áp suất, thiết bị đo thường bổ sung thêm phận chuyển đổi điện Để sai số đo nhỏ, thể tích chết kênh dẫn đầu đo phải không đáng k ể so với thể tích tổng cộng chất lưu cần đo áp suất Trong cách thứ hai, người ta gắn lên thành bình cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng thành bình Biến dạng gọi hàm áp su ất Phương pháp đo áp suất động dựa nguyên tắc chung đo hi ệu áp suất tổng áp suất tĩnh, dòng chảy va đập vuông góc v ới m ột m ặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác đ ộng lên m ặt phẳng gọi áp suất tổng thông thường việc đo hiệu( p – p t) thực nhờ hai đầu đo nối với hai đầu ống pitot, m ột đầu đo áp suất tổng đầu thứ đo áp suất tĩnh 1.2.3 Áp kế dùng dịch thể: Nguyên lý chung phương pháp dựa nguyên tắc cân áp suất chất lưu với áp suất thủy tĩnh chất lỏng làm việc áp kế GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 1.2.3.1 vi áp kế kiểu phao: Vi áp kế kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình có tiết di ện l ớn F bình nhỏ có tiết diện f Chất lỏng làm việc thủy ngân hay dầu bi ến áp Khi đó, áp suất lớn (p1) đưa vào bình lớn áp suất nhỏ (p 2) đưa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc trào cho áp su ất tác động phía người ta mở van khóa (4) áp su ất hai bên người ta khóa van (4) lại Khi đạt cân áp suất, ta được: Р1 – P2 = g(ρm – ρ)( h1 + h2 ) Trong : G: gia tốc trọng trường ρm : trọng lượng riêng chất lỏng làm việc ρ : trọng lượng riêng chất lỏng cần đo mặt khác từ cân thể tích ta có: F h1 = f h2 Suy h1 = (1) Khi chất lỏng bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao áp kế dịch chuyển qua cấu truyền động làm quay kim thị đồng hồ đo Biểu thức (1) phương trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai ki ểu phao GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không l ớn h ơn 25 Mpa.Khi thay đổi tỉ số F/f ( cách thay ống nhỏ) ta có th ể thay đổi phạm vi đo Cấp xác áp kế kiểu cao (1; 1,5 ) nh ưng ch ứa chất l ỏng độc hại mà áp suất thay đổi đột ngột tràn ảnh hưởng tới đối tượng đo môi trường 1.2.3.2 Vi áp kế kiểu chuông: Cấu tạo vi áp kế kiểu chuông (hình vẽ ) gồm chuông (1) nhúng chất lỏng làm việc chứa hình (2) Khi áp suất buồng A B chuông v ị trí cân ( hình vẽ a ), có biến thiên độ chênh áp d(p – p2) > chuông nâng lên ( hình vẽ b ) Khi đạt cân ta có: d(p1- p2) F = (dH + dy)Δf.g(ρm – ρ) Với: dh = dx + dy d(p1 – p2) = dhg(ρm – ρ) fdy = Δf.dH + (θ – F)dx Trong : F – tiết diện chuông GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI dH – độ di chuyển chuông Dy – độ di chuyển chất lỏng chuông Dx – độ di chuyển chất lỏng chuông Δf – diện tích tiết diện chuông Θ – diện tích tiết diện bình lớn Dh – chênh lệch mức chất lòng chuông F – diện tích tiết diện chuông Giải phương trình ta có: dH Lấy tích phân giới hạn từ tới (p1 – p2) nhận phương trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu chuông: H= Áp kế vi sai có độ xác cao đo áp suất thấp áp su ất chân không 1.3 ÁP KẾ CHẤT LỎNG Ta chia áp kế thành loại sau : Loại dùng phòng thí nghiệm 1.3.1 Áp kế loại chữ U: Nguyên lý làm việc dựa vào độ chênh áp suất cột chất lỏng : áp su ất cần đo cân bằngđộ chênh áp cột chất lỏng GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI P1 - P2 = γ.h = γ (h1 +h2) Khi đo đầu nối áp suất khí quy ển đầu nối áp su ất cần đo, ta đo áp suất dư Trường hợp dùng công th ức γ môi ch ất c ần đo nhỏ γ môi chất lỏng nhiều (chất lỏng ống chữ U) Nhược điểm: - Các áp kế loại kiểu có sai số phụ thuộc nhiệt độ (do γ phụ thu ộc nhiệt độ) việc đọc lần giá trị h nên khó xác - Môi trường có áp suất cần đo h ằng số mà dao động theo thời gian mà ta lại đọc giá trị h1, h2 vào hai điểm khác không đ ồng th ời 1.3.2 Áp kế ống thẳng : Ta thấy biết : F1 , F2 đo ta cần đọc nhánh tức h2 => loại bỏ GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI sai số đọc hai giá trị Nếu F1 >> F2 ta có th ể vi ết đ ược ΔP = γ h2 Sai số thường 1% Với môi chất làm nước đo 160 mm H2O ÷ 1000 mmH2O 1.3.3 Vi áp kế : Loại dùng để đo áp suất nhỏ Góc α thay đổi 60o, 30°, 45° Khi cân : ΔP = ( h1 + h2 ) γ => h1 F1 = h'2 F2 ⇒ h1 = h'2 F F2 Mà h2 = h'2 Sinα => ΔP = γh'2 ( F2F1 +Sinα ) Thay đổi (có thể thay đổi thang đo đến 30mmH2O h'2 > h2 nên dễ đọc sai số giảm 1.3.4 Khí áp kế thủy ngân: Là dụng cụ dùng đo áp suất khí quyển, dụng cụ khí áp xác Pb = h γHg Sai số đọc 0,1mm Nếu sử dụng loại làm áp kế chuẩn phải xét đến môi tr ường xung 10 GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI quanh, thường có kèm theo nhiệt kế để đo nhiệt độ môi trường xung quanh để hiệu chỉnh 1.3.5Chân không kế Mcleod: Đối với môi trường có độ chân không cao, áp suất tuyệt đối nhỏ người ta chế tạodụng cụ đo áp suất tuyệt đối dựa định luật nén ép đoạn nhiệt khí lý tưởng Nguyên lý : Khi nhiệt độ không đổi áp suất thể tích tỷ lệ nghịch v ới P1 V1 = P2 V2Loại dùng ta để đo chân không Đầu tiên giữ bình Hg cho mức Hg nhánh ngã Nối P1 (áp suất cần đo) vào nâng bình lên đến độ lệch áp h => nhánh kín có áp suất P2 thể tích V2 ⇒ P2 = P1 + γ h ⇒ V2 ( P1 + γ h) = P1 ⇒ P1= h.g.V2 V1 −V • Nếu V2 độ nhạy Nếu S lớn => dầu lọt nhiều => không xác 81/96 S pt = 0,5 cm2 môi chất dùng dầu biến áp hay dầu hỏa ho ặc d ầu tua bin dầu khoáng Tùy thuộc vào khoảng áp suất cần đo mà chọn độ nh ớt dầu thích h ợp Khi nạp dầu thường nạp vào khoảng 2/3 xi lanh Thường dùng loại làm áp k ế chuẩn để kiểm tra loại khác Hạn đo thường : 2,5 ; 6,0 ; 250 ; 600 ; 500 ; 10 000 ; 25 000 kG/cm2 CCX = 0,2 ÷ 0,02 Đặc điểm loại áp kế pít-tông trước sử dụng phải kiểm tra lại cân Loại dùng công nghiệp Trong công nghiệp người ta thường dùng để đo hiệu áp suất gọi hiệu áp kế Áp kế hiệu áp kế đàn hồi Bộ phận nhạy cảm loại áp kế thường ống đàn hồi hay h ộp có màng đàn hồi, khoảng đo từ ÷ 10 000 kG/ cm2 đo chân không t 0,01 ÷ 760 mm Hg Đặc điểm loại kết cấu đơn giản, chuy ển tín hiệu c 12 GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI khí, sử dụng phòng thí nghiệm hay công nghiệp, sử dụng thu ận 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 c c ấu khuếch đại làm chuyển dịch kim (kiểu khí) + 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 h ơn (lo ại thường có hai miếng kim loại ép giữa) - Còn loại có nếp nhăn nhằm tăng độ chuyển dịch nên ph ạm 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 v ới môi trường Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp thường dùng đo áp suất nh ỏ 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 thường làm đồng thép, đồng chịu áp lực < 100 kG/cm2 làm thép (2000 ÷ 5000 kG/cm2) Và loại có th ể đo chân không đến 760 mm Hg Khi chọn ta thường chọn đồng hồ cho áp suất làm việc n ằm kho ảng 2/3 số đo đồng hồ Nếu áp lực thay đổi có chọn 3/4 thang đo Chú ý: - Khi lắp đồng hồ cần có ống xi phông để cản lực tác dụng lên đ ồng hồ phải 13 GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI có van ba ngả để kiểm tra đồng hồ - Khi đo áp suất bình chất lỏng cần ý đến áp suất th ủy tĩnh - Khi đo áp suất môi trường có tác dụng hóa h ọc cần phải có h ộp màng ngăn - Khi đo áp suất môi trường có nhiệt độ cao ống phải dài 30 ÷ 50 mm không bọc cách nhiệt - Các đồng hồ dùng chuyên dụng để đo chất có tác dụng ăn mòn hóa học mặt người ta ghi chất - Thường có lò xo để giữ cho kim vị trí không đo 1.4MỘT SỐ LOẠI ÁP KẾ ĐẶC BIỆT Trong phạm vi chân không cao áp suất siêu cao người ta dùng phương pháp điện để tiến hành đo lường, dụng cụ đo kiểu điện cho phép đ ạt tới hạn đo cao đo áp suất biến đổi nhanh Chân không kế kiểu dẫn nhiệt : Hệ số dẫn nhiệt chất khí áp suất bình thường quan hệ với áp suất điều kiện áp suất tương đối nh ỏ người ta thấy tồn quan hệ Nhiệt độ dây dẫn cân nhiệt thay đ ổi tùy theo hệ số 84/96 dẫn nhiệt khí dùng cầu điện không cân để xác đ ịnh ện tr dây dẫn ta biết độ chân không tương ứng Chân không kế Ion : Nhờ tượng ion hóa tạo nên dòng ion khí loãng có quan hệ với áp suất nên từ trị số dòng ion người ta xác đ ịnh đ ược đ ộ chân không môi trường Có nhiều cách thực việc ion hóa : dùng tác dụng từ trường điện trường, dự phát xạ catốt đốt nóng có điện áp anôt, dùng phóng xạ tùy theo cách mà ta có chân không kế khác 14 GV: NGUYỄN MINH VIỆT ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Áp kế kiểu áp từ : Áp suất tạo ứng lực học v ật liệu s t bi ến đổi làm 15 ... đo, nguyênlý đo phương pháp đo thông số Trên sở người người học biết cách sử dụng dụng cụ đo xử lý kết Cụ thể sau em xin trình bày đánh giá phân tích dụng cụ đo Áp suất chất lỏng ứng dụng dụng cụ đo Áp... cách đo đại lượng vật lý đặc trưng cho thông số Dụng cụ đo môn học nghiên cứu phương pháp đo đại lượng vật lý.Cung cấp cho sinh viên kiến thức chuyên sâu kĩ thuật đo lường Trình bày thiết bị đo, nguyênlý... Thang đo áp suất Tùy theo đơn vị mà ta có thang đo khác nh : kG/ cm² ; mmH2O - Nếu sử dụng dụng cụ đơn vị : mmH2O, mmHg H2O Hg phải điều kiện định 1.2.2 phương pháp đo áp suất: Phương pháp đo