GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN

KHOA ĐIỆN TỰ ĐỘNG HĨA Trường cao đẳng Cơng nghiệp Phúc Yên  GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN (Lưu hành nội bộ) LỜI NÓI ĐẦU “Cảm biến” tiếng Anh gọi sensor, xuất phát từ chữ sense theo nghĩa Latinh nhận, từ người tiền sử nhờ vào giác quan, xúc giác để cảm nhận tìm hiểu đặc điểm giới tự nhiên học cách sử dụng hiểu biết nhằm phục vụ đời sống họ Trong thời đại phát trỉn khoa học kỹ thuật ngày người không dựa vào quan xúc giác thể Các chức xúc giác để nhận biết vật thể, tượng giới bao quanh tăng cường nhờ phát triển dụng cụ dùng để đo lường phân tích mà ta gọi cảm biến Cảm biến định nghĩa thiết bị dùng để biến đổi đại lượng vật lý đại lượng không điện cần đo thành đại lượng điện đo (như: dịng điện, điện thế, điện dung, trở kháng…) Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ điều khiển tự động, nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Đã từ lâu cảm biến sử dụng phận để cảm nhận phát hiện, vài chục năm trở lại chúng thể rõ vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệpđặc biệt lĩnh vực đo lường, kiểm tra điều khiển tự động Nhờ tiến khoa học kỹ thuật công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tủ tin học, cảm biến giảm thiểu kích thước cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến, chúng có mặt hệ thống tự động phúc tạp như: Người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, chúng tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất, tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô, công nghệ nhiệt, hệ thống cung cấp truyền tải điện bảo vệ hệ thống điện…… Nhằm phục vụ nhu cầu giảng dạy học tập môn kỹ thuật cảm biến khoa Điện tự động hóa chúng tơi xây dựng giảng kỹ thuật cảm biến bao gồm chương theo đề cương chi tiết ban hành Mặc dù cố gắng trình biên soạn chắn khơng tránh thiếu xót mong nhận ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc để giáo trình ngày hồn thiện hơn.Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Ths Đặng Thị Quỳnh Trang-bộ môn Tự động hóa-Khoa Điện-tự động hóa.Tác giả xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………….2 Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢMBIẾN 1.1 Kh¸i niệm chung………………………………………………………………….5 1.1.1Vai trị cảm biến đo lường điều khiển…………………………………… 1.1.2 Các c trng c bn 1.2 Phân loại cảm biến .9 1.2.1 phân loại theo nguyên lý chuyển đổi 1.2.2 Phân loại theo tính chất nguồn 1.2.3 Phân loại theo phơng pháp đo10 1.3 Các hiƯu øng thưêng dïng c¶m biÕn…………………………………… 10 1.4 Chuẩn cảm biến……………………………………………………………… 12 1.4.1 Khái niệm…………………………………………………………………….12 1.4.2 Phương pháp chuẩn cảm biến……………………………………………….12 Chương 2:c¶m biÕn quang……………………………………………………14 2.1.Nguồn phát quang sợi đốt bán dẫn 14 2.1.1 Khái niệm ánh sáng14 2.1.2 Nguån s¸ng…………………………………………………………………….14 2.2.Quang trở, tế bào quang điện .15 2.2.1 TÕ bµo quang dÉn…………………………………………………………… 15 2.2.2 Photodiot……………………………………………………………………… 16 2.2.3 Phototranzitor ………………………………………………………………….19 2.3 Sợi quang 20 2.4 Sơ lược áp dụng cảm biến quang 22 Chương cảm biến đo nhiệt độ 23 3.1 Thang nhit , điểm chuẩn nhiệt độ 23 3.2 Cảm biến nhiệt điện trở 23 3.2.1 Nguyên lý…………………………………………………………………….23 3.2.2 Nhiệt kế điện trở kim loại ……………………………………………………24 3.3 Cảm biến cặp nhiệt 27 3.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện………………………………………………………….27 3.3.2 Cấu tạo cặp nhiệt …………………………………………………………… 28 3.4 Hoả kế, nhiệt kế xa .30 3.4.1.Hoả kế xạ toàn phần…………………………………………………….30 3.4.2 Hoả kế quang điện ………………………………………………………… 32 3.5 Nhiệt kế áp suất lỏng khí 33 3.5.1Nhiệt kế áp suất chất khí……………………………………………………….33 3.5.2 Nhiệt kế ỏp sut cht lng 34 Chng cảm biến vị trÝ…………………………………………………….35 4.1Cảm biến điện cảm ………………………………………………………………35 4.2 Cảm biến hỗ cảm ……………………………………………………………… 37 4.3Cảm biến điện dung…………………………………………………………… 38 4.4 Cảm biến Hall ………………………………………………………………… 39 4.5 Cảm biến tiếp cận ……………………………………………………………….39 Chng cảm biến đo l-u l-ợng mức chÊt l-u…………… 43 5.1 Đo lưu lượng chênh lệch áp suất………………………………………… 43 5.2 Lưu lượng kế từ điện………………………………………………………… 44 5.3 Lưu lượng kế khối lượng nhiệt…………………………………………… 46 5.4 Đo mức phương pháp chênh áp………………………………………… 46 5.5 Đo mức sử dụng áp suất thủy tĩnh …………………………………………… 46 5.6 Cảm biến đo mức kiểu điện dung …………………………………………… 48 Chương cảm biến đo áp suT 6.1 Khỏi nim chung áp suất…………………………………………………… 50 6.2 Đo áp suất chất lỏng cân thủy tĩnh ……………………………… 50 6.3 Đo áp suất phần tử nhạy cảm với biến dạng…………………………… 51 Chng cảm biến đo vận tốc cảm biÕn kh¸c 7.1 Đo tốc độ quay động …………………………………………………………54 7.2 Tốc độ kế điện từ ……………………………………………………………… 57 7.3 Tốc độ kế xung ………………………………………………………… 58 7.4 Các loại cảm biến khác …………………………………………………………59 Chương KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên khái niệm cảm biến, thông số sử dụng cảm biến phương pháp chuẩn cảm biến 1.1 Kh¸i niệm chung 1.1.1Vai trị cảm biến đo lường điều khiển Các cảm biến đóng vai trị quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển Chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích thường đại lượng không điện, chuyển đổi đại lượng thành đại lượng điện truyền thông tin hệ thống đo lường điều khiển, giúp nhận dạng đánh giá điều khiển biến trạng thái đối tượng 1.1.2 Các đặc trưng 1.1.2.1 Độ nhạy cảm biến  Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu Δs biến thiên đầu vào Δm có liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm Δs Đại lượng S xác định biểu thức S = Δm (1.1) gọi độ nhạy cảm biến Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị mi đại lượng đo xác định tỷ số biến thiên Δs đại lượng đầu biến thiên Δm tương ứng đại lượng đo đầu vào quanh giá trị đó: S= Δs Δm (1.2) m=mi Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lượng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến * Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng sở đo giá trị si đầu tương ứng với giá trị không đổi mi đại lượng đo đại lượng đạt đến chế độ làm việc danh định gọi đặc trưng tĩnh cảm biến Một điểm Qi(mi,si) đặc trưng tĩnh xác định điểm làm việc cảm biến chế độ tĩnh Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) độ đốc đặc trưng tĩnh điểm làm việc xét Như vậy, đặc trưng tĩnh khơng phải tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc Đại lượng ri xác định tỷ số giá trị si đầu giá trị mi đầu vào gọi tỷ số chuyển đổi tĩnh: S ri     m  Qi (1.4) Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi S đặc trưng tĩnh đường thẳng qua gốc toạ độ * Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động xác định đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Giả sử biến thiên đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m(t) = m + m cos ωt (1.5) Trong m0 giá trị không đổi, m1 biên độ ω tần số góc biến thiên đạị lượng đo đầu cảm biến, hồi đáp s có dạng (1.5) s(t) = s o + s1 cos(ωt + ϕ) - so giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Qo đường cong chuẩn chế độ tĩnh - s1 biên độ biến thiên đầu thành phần biến thiên đại lượng đo gây nên - ϕ độ lệch pha đại lượng đầu vào đại lượng đầu Trong chế độ động, độ nhạy S cảm biến xác định tỉ số với điểm việc xét Q0 theo công thức: S  S     m1  Q0 Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f ) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc quán tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng khơng thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lượng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 1.1.2.2 Độ tuyến tính  Khái niệm Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính không phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lượng đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lượng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm khơng phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (như tần số riêng f0 dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố  Đường thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận loạt điểm tương ứng (si,mi) đại lượng đầu đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn đường thẳng Tuy nhiên, sai số đo, điểm chuẩn (mi, si) nhận thực nghiệm thường không nằm đường thẳng Đường thẳng xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai số bé nhất, biểu diễn tuyến tính cảm biến gọi đường thẳng tốt Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt lập phương pháp bình phương bé Giả sử chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng: s = am + b Trong a N  S i mi   S i  mi N  mi2  ( mi )  S  m   m S  m b N  m  ( m ) i i i i i i i  Độ lệch tuyến tính Đối với cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, người ta đưa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.1.2.3 Sai số độ xác Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, đại lượng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi Δx độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính bằng:  x 100 x % Sai số cảm biến mang tính chất ước tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo Sai số hệ thống thường thiếu hiểu biết hệ đo, điều kiện sử dụng không tốt gây Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lượng chuẩn khơng + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng +Do xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ta dự đốn số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên khơng thể dự đốn độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lượng ảnh hưởng không tính đến chuẩn cảm biến Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp bảo vệ mạch đo tránh ảnh hưởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lường thống kê 1.1.2.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh tr khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn ε tính % Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trước Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ độ cảm biến hàm thông số thời gian xác định chế độ Trong trường hợp thay đổi đại lượng đo có dạng bậc thang, thơng số thời gian gồm thời gian trễ tăng (tdm) thời gian tăng (tm) ứng với tăng đột ngột đại lượng đo thời gian trễ giảm (tdc) thời gian giảm (tc) ứng với giảm đột ngột đại lượng đo Khoảng thời gian trễ tăng tdm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng m m0 t s/s0 Hình 1.1 Tương tự, đại lượng đo giảm, thời gian trể giảm tdc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng Các thơng số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp Tương tự, đại lượng đo giảm, thời gian trể giảm tdc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng Các thơng số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp 1.1.2.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến ln chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn  Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà đại lượng đo, đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trưng làm việc danh định cảm biến  Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc danh định cịn nằm phạm vi khơng gây nên hư hỏng, đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng 1.2 Ph©n loại cảm biến 1.2.1 phân loại theo nguyên lý chuyển đổi Cảm biến đợc gọi tên theo nguyên lý chuyển ®ỉi sư dơng c¶m biÕn Những c¶m biÕn ®iƯn trở-cảm biến có chuyển đổi điện trở, cảm biến điện từ-cảm biến có chuyển đổi làm việc theo nguyên lý lực điện từ đại lợng không điện cần đo đợc biến đổi thành thay đổi thông số nh điện cảm hỗ cảm từ thông, cảm biến hóa điện- chuyển đổi làm việc dựa tợng hóa điện 1.2.2 Phân loại theo tính chất nguồn - Cảm Phát điện: cảm biến có đại lợng điện áp U, sức điện động E, dòng điện I đầu vào đại lợng không điện cần đo - Cảm biến thông số: cảm biến có đại lợng thông số nh: điện trở R, điện cảm L, hỗ cảm M đầu vào đại lng không điện cần đo 1.2.3 Phân loại theo phơng pháp đo - Cảm Biến có chuyển đổi biến đổi trực tiếp - Cảm biến có chuyển đổi bù 1.3 Các hiệu ứng thờng dùng c¶m biÕn  Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) (M2) có chất hố học khác hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 khác nhau, mạch xuất suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ T1 T2 (M2) T1 (M1) e  T1 T2 (M2) Hình 1.2 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện ứng dụng để đo nhiệt độ T1 biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC  Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất mặt đối diện chúng điện tích trái dấu Độ lớn điện áp hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực tinh thể hoả điện Φ v Φ Hình 1.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện Hiệu ứng hoả điện ứng dụng để đo thông lượng xạ ánh sáng Khi ta chiếu chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng nhiệt độ tăng lên, làm thay đổi phân cực điện tinh thể Đo điện áp V ta xác định thông lượng ánh sáng Φ  Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng dước tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất lượng điện tích trái dấu, gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định cường độ lực tác dụng F F V F Hình 1.4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện  Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi dây dẫn chuyển động từ trường không đổi, dây dẫn xuất suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây đơn vị thời 10 - Hình 5.7 Cảm biến đo mc cht lng cỏch in Hình a: phần tử thụ cảm gồm điện cực đồng trục có phần nhúng chìm vào chất lỏng Các điện cực tạo thành tụ điện hình tròn, hai điện cực điền đầy chất lỏng có chiều cao h, H-h không gian chứa hỗn hợp khí điện dung tụ điện hình trụ đ-ợc xác định ph-ơng tr×nh:   c  H (5.9) ln ( D / d ) Trong ®ã: + : h»ng số điện môi điền đầy điện cực + 0: số điện môi chân không H: chiều cao điện cực + D, d: đ-ờng kính điện cực - Với tụ hình trụ tròn hình a có số điện môi khác nhau, điện dung tụ là: c=c0+ c1+c2 c0: điện dung cách điện xuyên qua nắp c1: điện dung hai ®iƯn cùc cã chøa chÊt láng c2: điện dung không gian chứa khí Vậy 2 L h 2 r  ( H  h) (5.10) c  c0   ln( D / d ) - ln( D / d ) ®èi với khí r=1 c0= số nên 2 H h c  c0  [1  ( L  1) ] ln( D / d ) H (5.11) Ph-ơng trình đặc tính tĩnh phần tử nhạy điện dung môi tr-ờng cách điện - - để đo mức chất lỏng dẫn điện (có ®iƯn dÉn st >10-4 simen/m) ngêi ta sư dơng phÇn tử thụ cảm có cách điện ngoài(hình b), phần tử thụ cảm điện cực kim loại có phủ lớp cách điện nhúng chìm vào chất lỏng điện cực thứ thành bể chứa (nếu kim loại) điện cực riêng điện dung toàn phần phần tử nhạy cảm đợc tính c  c0  c1c2 c1  c2 ®ã c0: điện dung cách điện xuyên qua nắp c1: điện dung điện cực bề mặt chất lỏng giới hạn có cách điện c2: điện dung tụ điện tạo mặt chất lỏng mặt giới hạn cách điện thành bể Chng cảm biến đo áp suT Mc tiờu : Trang b cho sinh viên kiến phương pháp đoáp suất, làm quen với số thiết bị đo áp suất có thị trường 6.1 Khái niệm chung áp suất - Khi chøa chÊt láng hay chÊt khÝ(gäi chung lµ chÊt lu) vµo mét bình nã sÏ gây nên lực lên thành bỡnh gọi áp suất áp suất phụ thuộc chất chất lu thể tích mà chiếm trc sau đa vào bỡnh nhiệt độ - Khái niệm áp suất: áp suất tỷ số gia lực tác dụng vuông góc lên mặt với diện tích áp suất đại lng để xác định trạng thái nhiệt động học chất - đơn vị đo áp suất: hệ đơn vị quốc tế SI pascal(Pa) áp suất tạo lực 1N phân bố đồng diện tích m2 vuông góc với pháp tuyến - Phân loại: theo loại áp suất cần đo nguyên lý tác dụng - Theo loại áp suất cần đo: - áp kế đo áp suất d - áp kế tuyệt đối để đo áp suất tính từ độ tuyệt đối - Khí áp kế đo áp suất khí - Chân không kế đo độ chân không - Theo nguyên lý làm việc, dụng cụ đo áp suất chia thành: đo áp suất chất lỏng, chất khí dựa nguyên lý biến dạng, ion hóa nhiệt điện - Hiện dụng cụ đo ¸p st cã thĨ ®o ¸p st tõ 10-12 ®Õn 1011 Pa 6.2 Đo áp suất chất lỏng cân bng thy tnh loại dụng cụ đo áp suất đo chiều cao chất lỏng làm việc, chất lỏng mẫu nớc cất, thủy ngân hay etyl hay dầu biến áp - áp kế vi sai kiểu phao - - Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý áp kế vi sai k kiu phao Cấu tạo: áp kế vi sai gåm bình th«ng nhau.TiÕt diƯn bình lín lµ F > tiÕt diƯn èng f Trong khoang trống bỡnh ngời ta điền đầy chất lỏng làm việc (thủy ngân hay dầu biến áp) vạch số Sự chênh lệch áp suất đợc cấu gắn phao Nguyên lý làm việc: dựa sở cân áp suất chất láng so víi ¸p st thđy tÜnh cđa chÊt láng làm việc chứa áp kế Khi đo áp suất lớn đợc đa vào bỡnh áp suất nhỏ đợc đa vào bỡnh áp suất đợc truyền qua van van Van ngăn không cho chất lỏng mẫu phun truyền áp suất vào phía Với mục đích trớc mắc dụng cụ đo với đối tợng đo, van mở ra, sau áp suất đà ổn định bình khãa van 4, sau ®ã ®ãng van Trong trỡnh đo chất lỏng bỡnh nén phao làm cho kim thị lệch ®i cho ®Õn cã c©n b»ng víi cét thđy tĩnh Khi có cân áp suất ta có p1  p2  g (  m   )(h1  h2 ) Trong ®ã: g - gia tèc rơi tự h1, h2: chiều cao mức dịch chuyển cña chÊt láng mÉu m : tû träng chÊt láng mẫu : tỷ trọng chất lỏng cần đo mà F1h1=F2h2 nªn ta cã h1  ( p1  p ) F (1  )(  m  ) g f ph-ơng trình đợc gọi phơng trỡnh đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu phao Nhận xét: để nhận đợc dịch chun nh h1 cđa phao ®o hiƯu sè áp suất phạm vi khác nhau, cần thay ®ỉi tû sè F/f nghÜa lµ chØ thay ®ỉi èng có tiết diện f ống có đờng kính khác Cơ cấu truyền áp suất vi sai kiểu phao đợc ứng dụng để đo lu lợng chất áp kế có độ xác cao, có khả nng ghi lại kết đo mà không cần nguồn nng lợng Nhợc điểm chứa chất lỏng mẫu độc hại(thủy ngân) áp suất thay đổi đột ngột ảnh hởng đến đối tợng đo môi trờng 6.3 Đo áp suất phần tử nhạy cảm với biến dng - Nguyên lý dụng cụ đo áp suất biến dạng dựa sở biến dạng đàn hồi phần tử cảm biến hay tạo ứng lực chúng 6.3.1 o áp suất dựa biến dạng kiểu cảm ứng - Sơ đồ cảm biến đo kiểu cảm ứng Hỡnh 6.2 S đồ nguyên lý đo áp suất dựa biến dạng - Màng mỏ thép động nam châm điện có quấn cuộn dây Dới tác dụng áp suất đo, màng đợc dịch chuyển làm thay đổi điện cảm phần tử biến đổi cảm ứng Nếu bỏ qua điện trở tác dụng cuộn dây, từ thông tản tổn hao lõi thép thỡ độ tự cảm phần tử biến đổi đợc xác định L w2 ltb /( tb Stb )   /( 0 S ) Trong ®ã: w- số vòng dây cuộn dây ltb, stb: chiều dài vµ diƯn tÝch trung bình cđa lâi thÐp : chiỊu dài khe hở không khí tb, : độ từ thẩm lõi thép không khí S: tiết diện ngang khe hở không khí Trong trỡnh đo giá trị Ltb/(tb.stb) 360 Hợp kim thường dùng làm điện trở Ni – Cr, Ni – Cu, Ni – G – Fe, Ag – Pd Dây điện trở lõi cách điện dây cách điện emay R nằm khoảng từ 1K – 100KΩ, đạt đến vài MΩ Con chạy phải tiếp xúc tốt, không tạo suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếp xúc nhỏ ổn định Các tiêu chuẩn phải đảm bảo điều kiện dao 13 động tốc độ dịch chuyển lớn 7.4.3.2 Đặc điểm - Khoảng cách có ích chạy Giá trị R(x)/R thường không ổn định cuối đường chạy trỏ chỗ nối mạch điện Khoảng cách có ích khoảng mà R(x) hàm tuyến tính dịch chuyển - Độ phân giải Điện trở n vịng dây, phân biệt thành 2n – vị trí chạy: n vị trí chạy tiếp xúc vịng dây n – vị trí chạy tiếp xúc đồng thời vòng dây Điện trở thay đổi di chuyển từ vị trí sang vị trí khác 7.4.3.3 Tuổi thọ Thời gian sử dụng điện trở bị hạn chế cọ sát chạy dây dẫn làm mài mòn chạy điện trở Số lần sử dụng điện trở khoảng 106 lần 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh - Phạm Thượng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tân,(2002), Các Bộ cảm biến kỹ thuật Đo lường điều khiển; NXB Khoa học kỹ thuật; Th.s Hồng Minh Thơng, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật; Phạm Công Hoà, Kỹ thuật cảm biến , NXB Khoa học kỹ thuật