BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề tài Các phương pháp đo áp suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề tài: Các phương pháp đo áp suất NGÀNH : Điều khiển & tự động hóa CHUYÊN NGÀNH : Tự động hóa & điều khiển thiết bị công nghiệp HỌC PHẦN : Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Giảng viên hướng dẫn : T.S.Đoàn Diễm Vương Sinh viên thực : Trần Quang Huy - 19810430018 : Nguyễn Đăng Khoa - 19810430338 : Nguyễn Đức Khánh - 19810430185 : Đặng Vũ Minh Khoa -19810000261 Lớp : D14TDH&ĐKTBCN2 HÀ NỘI, 11/2021 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ CẢM Các khái niệm chung đo lường 1.1 Đo lường 1.2 Tín hiệu đo 1.3 Đại lượng đo 1.4 Thiết bị đo 1.5 Đơn vị đo Khái niệm cảm biến 2.1 Cảm biến đo 2.2 Các đặc trưng cảm biến 2.2.1 Hàm truyền 2.2.2 Độ nhạy 2.2.3 Giới hạn đo 2.2.4 Sai số độ xác 2.2.5 Độ tuyến tính đường đặc trưng 2.2.6 Độ trễ 2.2.7 Nhiễu 2.2.8 Đặc tính động CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ÁP 11 Khái niệm áp suất 11 Nguyên lí đo áp suất 12 Một số loại cảm biến đoáp suất 13 3.1 Cảm biến áp suất dịch thể 13 3.2 Cảm biến áp suất đàn hồi phần tử 14 3.3 Cảm biến điện dung 16 3.4 Cảm biến áp điện đo áp suất 16 3.5 Cảm biến áp trở đo áp suất 18 3.6 Cảm biến dịch chuyển 19 Các phương pháp đo áp suất 21 4.1 Các chuyển đổi đo áp suất 21 4.1.1 Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm 21 4.1.2 Bộ biến đổi đo áp suất kiểu biến áp visai 23 4.2 Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất 25 KẾT LUẬN 30 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ HÌNH 1.1: Mơ hình cảm biến đo HÌNH 1.2: Các loại sai số HÌNH 1.3: Đặc tính động cảm biến HÌNH 2.1: Cảm biến đo áp suất tuyệt đối HÌNH 2.2: Cảm biến đo áp suất tuơng đối HÌNH 2.3: Cảm biến đo đóng kín áp suất tuơng đối HÌNH 2.4: Cảm biến đo hiệu áp suất HÌNH 2.5: Cảm biến áp suất dịch thể HÌNH 2.6: Các phần tử cảm biến áp suất đàn hồi HÌNH 2.7: Cảm biến điện dung đo áp suất KAVLICO HÌNH 2.8: Nguyên lý cảm biến áp điện HÌNH 2.9: Cảm biến áp trở loại khuếch tán HÌNH 2.10: Vị trí áp trở đặt màng silicon HÌNH 2.11: Cảm biến chng HÌNH 2.12: Chuyển đơỉ điện cảm HÌNH 2.13: Biến áp vi sai LVDT HÌNH 2.14: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu điện áp xoay chiều HÌNH 2.15: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu dịng chiều HÌNH 2.16: Thiết bị cân lực đo áp suất HÌNH 2.17: Nguyên lý manometer HÌNH 2.18: Định chuẩn đo áp suất lớn LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm báo cáo chuyên đề, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Đồn Diễm Vương, giảng vên người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm chuyên đề Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Điện Lực nói chung, thầy mơn khoa điều khiển tự động hóa nói riêng hướng dẫn cho em kiến thức cách trình bày nội dung báo cáo, giúp em có sở lý thuyết tạo điều kiện gúp đỡ em trình làm báo cáo chuyên đề Tuy vậy, với kinh nghiệm kiến thức cịn thiếu sót nên báo cáo chuyên đề em chưa hoàn thiện lắm, em mong sử dẫn chân thành thầy cô Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn bè tạo kiện, quan tâm, giúp đỡ em suốt q trình học tập hồn thành báo cáo Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Khái niệm chung đo lường 1.1 Đo lường: đại lượng đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số đo với đơn vị 1.2 Tín hiệu đo: tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo 1.3 Đại lượng đo: thông số xác định q trình vật lí tín hiệu đo Do q trình vật lí có nhiều thông số trường hợp cụ thể ta quan tâm đến thơng số định, địa lượng vật lí Thơng thường đại lượng đo chia thành: + Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo biết trước quy luật thay đổi theo thời gian + Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo thay đổi theo thời gian không theo quy luật định + Theo cách biến đổi, đại lượng đo chia thành đại lượng đo liên tục (Analog) đại lượng đo rời rạc (Digital),… 1.4 Thiết bị đo: thiết bị kĩ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Thiết bị đo thể phương pháp đo khâu chức cụ thể Thiết bị đo chia thành nhiều loại tùy theo chức nó, thơng thường gồm có: mẫu, dụng cụ đo, cảm biến đo lường hệ thống thông tin đo lường 1.5 Đơn vị đo: giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế quy định mà quốc gia phải tuân thủ Hệ thống đơn vị đo bao gồm hai nhóm: + Đơn vị bản: thể đơn vị chuẩn với độ xác cao mà khoa học kĩ thuật đại thực + Đơn vị kéo theo: đơn vị có liên quan đến đơn vị thể qua biểu thức Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Khái niệm cảm biến 2.1 Cảm biến đo: thiết bị thu nhận giá trị đại lượng cần đo chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác dựa tượng xảy lịng Cảm biến thiết bị thiếu hệ thống thu thập liệu Hệ thống hệ thống hệ thống đo điều khiển Tuy nhiên nhiều trường hợp tín hiệu cảm biến đo chưa thể sử dụng để so sánh với tín hiệu đơn vị để xác định số đo mà phải chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác thuận tiện cho việc truyền tín hiệu xử lí tín hiệu Phần tử thực chức gọi chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) Một chuyển đổi đo chuẩn nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến cho đầu tín hiệu chuẩn để truyền xa thích hợp với đầu vào điều khiển Trong nhiều hệ thống đo đo áp suất, đo lưu lượng v.v cảm biến đo thường gắn liền với chuyển đổi đo tạo thành thiết bị hoàn chỉnh gọi chuyển đổi đo lường sơ cấp (transducer) Các chuyển đổi đo lường sơ cấp gắn với đối tượng đo có đầu dạng tín hiệu điện tín hiệu khí nén Phân loại cảm biến từ đơn giản đến phức tạp tùy vào mục đích, tiêu chí khác mà lựa chọn Ta phân loại cảm biến theo tính năng, theo vật liệu, theo nguyên lí chuyển đổi, theo phạm vi ứng dụng, theo tín hiệu khích thích Riêng phân loại theo tính chất nguồn điện phân thành hai loại: - Cảm biến thụ động (passive): khơng cần thêm nguồn lượng bên ngồi có đầu tín hiệu điện Ví dụ cặp nhiệt điện, điốt quang, cảm biến áp điện - Cảm biến tích cực (active): cần có nguồn bên ngồi (tín hiệu kích thích) Ví dụ cảm biến tích cực nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor), điện trở lực căng 2.2 Các đặc trưng cảm biến 2.2.1 Hàm truyền Đặc điểm cảm biến đo mối liên hệ tín hiệu y với giá trị đại lượng cần đo x Mối liên hệ biểu diễn bảng số dạng công thức: y=f (x) (1.1) Dựa vào mối liên hệ y x mà cảm biến đo phân thành hai loại: cảm biến đo tuyến tính cảm biến đo phi tuyến tính Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Các cảm biến đo tuyến tính có mối liện hệ y x mơ tả dạng hàm tuyến tính: y = ax + b (1.2) Trong a, b số Các cảm biến đo mà mối liên hệ y x không mô tả hàm tuyến tính liệt vào loại phi tuyến tính Trong thực tế, số nhỏ cảm biến tuyến tính Một số cảm biến phi tuyến đặc trưng hàm truyền sau: Hàm lơgarit hàm ngược : y = a In x +b (1.3) y−b a (1.4) y = aekx (1.5) x=e Hàm mũ hàm ngược nó: y k a x = In (1.6) Hàm lũy thừa hàm ngược nó: y = axk + b 𝑘 x= √ 𝑦−𝑏 𝑎 (1.7) (1.8) Với k số Cảm biến đo tuyến tính ưu việt cảm biến đo phi tuyến tính sử dụng cảm biến đo tuyến tính việc gia công số liệu đơn giản sử dụng cảm biến đo phi tuyến tính Vì thực tế có cảm biến đo tuyến tính phi tuyến tính sử dụng nên chọn cảm biến tuyến tính Hình 1.1: Mơ hình cảm biến đo 2.2.2 Độ nhạy Một đặc điểm thứ hai cảm biến đo mà cần quan tâm độ nhạy cảm biến đo Độ nhạy cảm biến đo thay đổi giá trị tín hiệu cảm biến đo đại lượng cần đo thay đổi đơn vị Độ nhạy cảm biến đo thường kí hiệu ε Như cảm biến đo tuyến tính độ nhạy giá trị khơng đổi ε = a cịn đối Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 với cảm biến đo phi tuyến tính độ nhạy thay đổi Như cảm biến đo phi tuyến tính đặc tuyến cảm biến đo biểu diễn dạng hàm số liên tục y = f(x) độ nhạy đạo hàm hàm số ε = f(x) Trong trường hợp đặc tuyến cảm biến đo biểu diễn dạng bảng số độ nhạy xác định tỉ số biến thiên tín hiệu Δy so với biến thiên đại lượng cần đo Δx, nghĩa ε = Ay/Ax Trong thực tế sử dụng cảm biến đo có độ nhạy lớn ưu việt cảm biến đo có độ nhạy nhỏ Độ nhạy cảm biến đo lớn việc gia công số liệu đơn giản Yêu cầu độ nhạy cảm biến đại lượng đo lớn tốt, nhiên bên cạnh yêu cầu độ nhạy chuyển đổi với nhiễu phải thấp để hạn chế thấp ảnh hưởng nhiễu lên kết đo 2.2.3 Giới hạn đo Giới hạn đo thông số quan trọng cảm biến đo mà người sử dụng cần phải quan tâm Giới hạn đo giá trị giới hạn đại lượng cần đo mà cảm biến đo thu nhận chuyển đổi bảo đảm độ xác cần thiết không làm hư hỏng cảm biến đo Như chọn cảm biến đo cần bảo đảm giới hạn đo phải nhỏ giới hạn cảm biến đo Khi giá trị đại lượng cần đo vượt ngồi giới hạn cảm biến đo khơng bảo đảm độ xác phép đo xấu làm hỏng cảm biến đo 2.2.4 Sai số độ xác Cũng thiết bị đo khác, sai số đặc trưng quan trọng cảm biến đo Sai số cảm biến đo thường biểu diễn dạng hàm số mối liên hệ sai số tín hiệu với giá trị đại lượng cần đo Δyc = f(x) Sai số phụ cảm biến đo thường biểu biễn dạng Δxp = f(ΔK), ΔK sai khác điều kiện làm việc cảm biến đo điều kiện theo yêu cầu nhà chế tạo Ngồi thơng số trên, sử dụng cảm biến đo cần phải biết thời gian độ cảm biến đo Đây khoảng thời gian cần thiết để tiến hành lần đo riêng lẻ, nghĩa thời gian từ thời điểm cảm biến đo nhúng vào môi trường đo thời điểm tín hiệu đạt trang thái cân (không thay đổi theo thời gian giá trị đại lượng cần đo không thay đổi) Cảm biến đo có thời gian độ ngắn ưu việt Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Hình 1.2 Các loại sai số a) sai số độ nhạy b) sai số tuyến tính hóa c) sai số độ phân giải d) sai số trễ 2.2.5 Độ tuyến tính đường đặc trưng Yêu cầu đường đặc tính quan hệ đại lượng đo tín hiệu tuyến tính tốt Trong trường hợp hàm truyền phi tuyến, người ta thường sử dụng xấp xỉ tuyến tính hóa đoạn hệ thu thập số liệu 2.2.6 Độ trễ Là khác đáp ứng với thay đổi đầu vào theo hai chiều khác Nguyên nhân gây trễ thiết kế, ma sát thay đổi cấu vật liệu 2.2.7 Nhiễu Nhiễu cảm biến nguồn gốc sai số mà ta phải tìm biện pháp khắc phục Nhiễu phát sinh trình thiết kế, chế tạo, tính chất vật liệu cảm biến nhiễu tác động mạch truyền dẫn tín hiệu 2.2.8 Đặc tính động Khi tín hiệu đo X tác động vào cảm biến thường phải có q trình q độ (tương ứng với khoảng thời gian Tqđ) có tín hiệu Y tương ứng đầu Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 - Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu chịu tác động lực học biến thiên bề mặt xuất điện tích, lực ngừng tác dụng điện tích biến Vật liệu dùng chế tạo chuyển đổi áp điện tinh thể thạch anh (SiO2), muối BariTitanat (BaTiO3), muối xênhét, tuamalin Hình 2.8: Nguyên lý cảm biến áp điện Cảm biến áp điện biến đổi trực tiếp ứng lực tác động lực F áp suất gây nên thành tín hiệu điện Áp suất P gây lên lực F tác động nên áp điện làm xuất hai mặt áp điện điện tích Q tỷ lệ với lực tác dụng: Q=k.F (3.7) Thay F=P.S vào phương trình (2.3) ta được: Q=k.P.S (3.8) Trong đó: K: số áp điện S: diện tích hữu ích màng Để tăng điện tích Q, người ta ghép song song số cực với Do có tượng trễ nên đặc tính cảm biến Q = f(F) khơng tuyến tính Ưu điểm cảm biến cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, có khả đo đại lượng biến thiên nhanh, đo áp suất lớn Tuy nhiên cảm biến đo nhạy với thay đổi nhiệt độ không đo áp suất tĩnh b, Các đặc tính Các đặc tính số loại vật liệu áp điện thông dụng sau: - Thạch anh: vật liệu tự nhiên tổng hợp với đặc tính: Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 17 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 • Hằng số áp điện: d1= 2,1.10-12 C/N • Hằng số điện mơi: ε= 39,8.10-12 F/m • Ứng suất cho phép: σ = 70 ÷ 100 N/mm2 • Điện trở suất: p= 10 16 Ω/m, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ trục Ở nhiệt độ 2000C d1 khơng phụ thuộc nhiệt độ, từ 2000C ÷ 500 0C d1thay đổi đáng kể, từ nhiệt độ 5370C tính chất áp điện bị phá hủy - Muối BariTitanat (BaTiO3): loại vật liệu tổng hợp với đặc tính: • Hằng số áp điện: d1 = 107.10 -12 C/N, nhiên số áp điện số mà nhiều trường hợp bị giảm tới 20% năm • Hằng số điện mơi: ε= 1240.10-11 F/m • Mơđun đàn hồi: E = 115.103 N/mm2 • Các tính chất BariTitanat phụ thuộc nhiều vào lượng tạp chất, cơng nghệ chế tạo điện áp phân cực • Do có tượng trễ nên đặc tính q = f(F) khơng tuyến tính Tuy nhiên có độ bền học cao, giá thành thấp chế tạo hình dạng nên loại vật liệu sử dụng rộng rãi 3.5 Cảm biến áp trở đo áp suất Cảm biến áp trở gồm đế silic loại N, có khuếch tán tạp chất tạo thành lớp bán dẫn loại P, mặt bọc cách điện có tiếp xúc kim loại để nối dây dẫn Hình 2.9: Cảm biến áp trở loại khuếch tán Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 18 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Hình 2.10: Vị trí áp trở đặt màng silicon Khi có lực tác động lên điện trở cảm biến biến thiên ΔR Sự thay đổi tương đối điện trở xác định: ΔR 𝑅 = π1σ1 + πt σt (3.9) Trong π1 πt hệ số áp trở theo chiều dọc chiều ngang σ1 σt ứng lực theo chiều dọc chiều ngang π1 = - πt = π (3.10) Khi thay đổi tương đối trở kháng xác định : ΔR1 𝑅1 ΔR2 =- 𝑅2 = π (σ1y - σ1x) (3.11) Để đo biến thiên điện trở người ta dùng mạch cầu, cầu nuôi nguồn điện áp chiều E điện áp cầu Ura xác định: Ura = Eπ (σ1y - σ1x) (3.12) Bộ chuyển đổi áp trở làm việc khoảng nhiệt độ từ -400C -1250C tùy thuộc vào độ pha tạp Người ta cần phải bù ảnh hưởng nhiệt độ 3.6 Cảm biến dịch chuyển Để đo áp suất thấp (giới hạn cực đại không vượt 100mm cột nước) cảm biến dịch chuyển dựa nguyên lý cảm biến dịch thể chế tạo Đặc Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 19 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 trưng cho cảm biến cảm biến chuông cảm biến phao Hình 2.11 mơ tả sơ đồ nguyên lý cấu tạo cảm biến chuông Cấu tạo gồm bình kín đựng dầu biến Chuông thành mỏng úp vào dịch thể treo lò xo Hệ thống dịch thể 4, chng thành mỏng bình kín tạo thành hai khoảng khơng gian chng ngồi chng ngăn cách Khơng gian lịng chuông nối thông với đường dẫn áp suất cao (+) cịn khơng gian ngồi chng thơng với đường dẫn áp suất thấp (-) Hình 2.11: Cảm biến chng Khi áp suất chng ngồi chng hệ thống trạng thái cân bằng, mức dịch thể chng ngồi chng Trong lượng chng treo hồn tồn lên lị xo (lực đẩy thủy tĩnh bỏ qua thành chng mỏng, thể tích phần chng ngập dịch thể khơng đáng kể) Ta có: C1L0 = GC (3.14) Trong đó: C1 - hệ số đàn hồi lò xo, Kg/m GC - trọng lượng chuông, Kg Lo - chiều dài biến dạng ban đầu lò xo, m Khi xuất hiệu áp suất ngồi chơng ΔP = P1 - P2 trạng thái cân hệ thống bị phá vỡ chuông bị đẩy lên, mức dịch thể chng giảm xuống ngồi chng tăng lên Dịch thể đạt trạng thái cân chiều cao cột dịch thể chênh lệch mức ngồi chng chng cân với hiệu áp suất, cịn chng đạt trạng thái cân tổng hợp lực tác động lên chng khơng Phương trình cân dịch thể P1- P2 = ρh Trong đó: (3.15) ρ - tỷ trọng dịch thể; h - hiệu mức dịch thể chng ngồi chng; Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 20 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Phương trình cân chuông: GC = S (P1- P2) + C1 L Trong đó: (3.16) S - diện tích đáy chng L - độ biến dạng lị xo Như độ dịch chuyển chuông λ = S C1 (p1 – p2) = K (P1 – P2) tỷ lệ với hiệu áp suất chng ngồi chng Các phương pháp đo áp suất 4.1 Các chuyển đổi đo áp suất Khi sử dụng cảm biến đo áp suất phần tử biến dạng ống Buordon, màng rung, màng chắn capsule áp suất cần đo biến đổi thành dịch chuyển Để chuyển đổi tín hiệu trung gian thành tín hiệu điện, người ta sử dụng chuyển đổi Theo cách chuyển đổi tín hiệu người ta chia chuyển đổi hai loại: - Bộ chuyển đổi chiếp áp điện kế chuyển đổi dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu điện - Bộ biến đổi dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu đo Các chuyển đổi thường dùng chuyển đổi cuộn cảm, biến áp visai, điện dung điện trở - Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo 4.1.1 Bộ biến đồi đo áp suất kiểu điện cảm Cấu tạo nguyên lý hoạt động: chuyển đổi điện cảm cuộn dây quấn lõi thép có khe hở khơng khí: Dưới tác động đại lượng đo Xv tác động lên chuyển đổi theo cách sau: - Làm cho phần ứng di chuyển, khe hở khơng khí δ thay đổi làm thay đổi từ trở lõi thép điện cảm tổng trở chuyển đổi thay đổi - Làm cho tiết diện khe hở khơng khí thay đổi dẫn đến thay đổi điện cảm chuyển đổi - Làm cho phần ứng di chuyển dẫn đến thay đổi tổn hao dịng điện xốy làm cho điện cảm chuyển đổi thay đổi Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 21 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Hình 2.12: Chuyển đổi điện cảm Điện cảm chuyển đổi: L = W2 S =W R  (3.17) (bỏ qua điện trở cuộn dây từ trở lõi thép) Trong đó: W số vịng cuộn dây R = S từ trở khe hở khơng khí; δ: chiều dài khe hở khơng khí  μ : độ từ thẩm khơng khí; s: tiết diện thực khe hở khơng khí Lượng thay đổi điện cảm có Xv tác động (với W = const ): dL = L L ds + d s   L = W (3.18) 0  s0 s + W  0 ( +  ) với: S0 ,δ0 : tiết diện khe hở ban đầu (khi chưa có đại lượng đo Xv tác động) Tổng trở chuyển đổi: Z = L =  W 0 S  (3.19) Z = L W0 : hàm tuyến tính với tiết diện khe hở khơng khí s hàm phi tuyến (hypebol) với chiều dài khe hở khơng khí δ Lượng thay đổi tổng trở Z có Xv tác động là: Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 22 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2    0 S Z = L = .W S − W   0 ( +  )   (3.20) Các đặc tính bản: - Độ nhạy chuyển đổi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (độ dài khe hở khơng khí δ = const): Ss = L Lo = s s (3.21) L =W μ s giá trị điện cảm ban đầu chuyển đổi (khi Xv chưa tác động) - Độ nhạy chuyển đổi khe hở khơng khí δ thay đổi (tiết diện khe hở khơng khí s = const): S  = L =  L0   (1 + ) = f ( ) (3.22) 0 Như độ nhạy phụ thuộc vào tỉ số Δδ /δ tức phụ thuộc thay đổi tiết diện khe hở khơng khí Δδ mà khơng phụ thuộc vào diện tích khe hở khơng khí Với chuyển đổi điện cảm dạng đơn Δδ/ δ ≤ 0,2; với chuyển đổi điện cảm mắc kiểu vi sai Δδ /δ ≤0,4 đảm bảo độ phi tuyến chuyển đổi 1% 4.1.2 Bộ biến đồi đo áp suất kiểu biến áp visai Trong thực tế biến áp vi sai LVDT chuyển đổi sang tín hiệu điện chuyển đổi khí nén sử dụng nhiều Biến áp vi sai chuyển đổi tín hiệu dịch chuyển sang điện áp xoay chiều Hình 2.13 mơ tả sơ đồ cấu tạo hai loại biến áp vi sai đặc tính vào chúng có độ dịch chuyển lớn Trên ống cách điện có cuộn sơ cấp phân bố theo chiều dài ống Hai cuộn thứ cấp có cấu tạo hồn toàn giống phân bố hai nửa ống Các cuộn thứ cấp mắc xung đối Lõi phe rit di động gắn liên kết với cảm biến đo Vị trí lõi phe rit tín hiệu vào chuyển đổi Cuộn sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều tạo nên từ trường xoay chiều ống Trong hai cuộn thứ cấp sinh điện áp cảm ứng U1 U2 Giá trị điện áp phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy cuộn sơ cấp (cường độ từ trường), tần số dòng điện điện cảm tương hỗ M1 M2 hai cuộn thứ cấp 3,4 cuộn sơ cấp Các điện cảm tương hỗ M1 M2 lõi Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 23 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 phe rit nằm vị trí trung gian hai cuộn Nếu lõi phe rit dịch lên phía M1 tăng lên cịn M2 giảm xuống (U1 tăng lên, U2 giảm xuống) Ngược lại lõi phe rit dịch chuyển xuống phía M1 giảm M2 tăng (U1 giảm, U2 tăng) Hình 2.13:Biến áp vi sai LVDT Do hai cuộn mắc xung đối nên điện điện áp xác định theo công thức: UR = U – U2 (3.23) Giá trị pha điện áp UR phụ thuộc vào vị trí lõi phe rit so với vị trí trung gian Trong giới hạn làm việc liên hệ UR vào  mô tả hình 2.13c Ở lõi phe rit dịch chuyển lên phía biểu thị dịch chuyển dương, cịn dịch chuyển xuống phía dịch chuyển âm Dấu (-) biểu thị điện áp dịch chuyển âm ngược pha so với điện áp dịch chuyển dương Cấu tạo biến áp vi sai có độ dịch chuyển nhỏ mơ tả hình 2.13b Trên khung từ hai cửa sổ có quấn cuộn sơ cấp hai cuộn thứ cấp Hai cuộn thứ cấp có cấu tạo hồn tồn giống mắc xung đối Lõi sắt từ nối liên động với cảm biến đo Độ dịch chuyển lõi sắt từ tín hiệu vào chuyển đổi Khi cuộn sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều tạo hai mạch từ rẽ nhanh sang hai bên khung từ mà giá trị chúng phụ thuộc vào vị trí lõi sắt từ Hai từ trường rẽ nhanh sinh hai điện áp cảm ứng U1 U2 hai cuộn thứ cấp Giá trị điện áp tính theo cơng thức: UR = U – U2 (3.24) Khi lõi sắt từ nằm vị trí trung gian thi cường độ từ trường hai mạch từ rẽ nhánh vây hai điện áp cảm ứng U1 = U2 điện áp không UR= Khi lõi sắt từ dịch chuyển sang bên phải sang bên trái so với vị trí trung gian Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 24 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 cường độ từ trường hai mạch từ rẽ nhánh khác U1  U2 Trong trường hợp điện áp khác khơng UR  Đặc tính chuyển đổi hồn tồn tương đương đặc tính hình 2.13c 4.2 Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất thiết bị tạo ghép nối cảm biến đo chuyển đổi đo Trong thực tế có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp Trong phần xin giới thiếu nguyên lý ba loại chuyển đổi sơ cấp có tín hiệu điện áp xoay chiều, dịng điện chiều tín hiệu áp suất khí nén a) Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất có tín hiệu điện áp xoay chiều Cảm biến đo hai màng hộp đàn hồi đặt hai buồng kín A B cách ly Không gian hai màng hộp thông với điền đầy nước nguyên chất Buồng B nối thơng với mơi trường có áp suất cao, cịn buồng A thơng với mơ trường có áp suất thấp, Khi đo áp suất dư đầu (+) nối thơng với mơi trường đo cịn đầu (-) nối thơng với khí Để đo chân khơng mơi trường đo nối thơng với đầu (-) cịn đầu (+) thơng với khí Giá trị hiệu áp suất xác định đầu (+) nối với môi trường có áp suất cao, cịn đầu (-) nối với mơi trường có áp suất thấp Chuyển đổi đo biến áp vi sai có lõi phe rit nối liên động với màng hộp Hình 2.14: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu điện áp xoay chiều Nguyên lý hoạt động cảm biến sau: Do áp suất P1 > P2 nên áp lực tác động lên màng hộp lớn lực tác động lên màng hộp nước tràn từ màng hộp sang màng hộp làm cho hai màng hộp đồng thời biến dạng sinh lực đàn hồi chống lại tác động lực áp suất Khi lực đàn hồi cân với lực áp suất trình dịch chuyển nước dừng lại Độ biến dạng  màng hộp tỷ lệ với áp suất đo Lõi Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 25 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 phe rít có vị trí xác định biên áp vi sai Như tín hiệu biến áp vi sai hàm phụ thuộc vào hiệu áp suất P1 – P2 Trong giới hạn làm việc đặc tính chuyển đổi đo hồn tồn tuyến tính Điều kiện chuẩn làm việc chuyển đổi đo 200C Khi nhiệt mơi trường thay đổi thể tích nước thay đổi làm cho màng hộp đàn hồi đồng thời biến dạng gây sai số đo Để giảm ảnh hưởng nhiệt độ lên chuyển đổi, chế tạo màng hộp mỏng màng hộp Vì thể tích nước thay đổi làm cho màng hộp biến dạng mà không làm cho màng hộp biến dạng, nghĩa độ biến dạng  không bị ảnh hưởng nhiệt độ khí b) Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất có tín hiệu dịng điện chiều Hình 2.15: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu dòng chiều Nguyên lý cấu tạo chuyển đổi đo sơ cấp đo áp suất với tín hiệu dịng điện chiều Cảm biến đo màng đàn hồi 1, chuyển đổi đo hệ thống cân lực học lực điện từ Thanh đòn cân chịu tác động lực học truyền từ màng đàn hồi thơng qua địn thép đồng thời chịu tác động phản hồi lực điện từ thiết bị điện từ sinh Cấu tạo thiết bị điện từ gồm cuộn dây nam châm vĩnh cửu Khi có dịng điện chạy cuộn dây từ trường nam châm vĩnh cửu tác động lực hút lên cuộn dây Lực hút tỷ lệ với cường độ dòng điện chạy cuộn dây biến áp vi sai có độ chuyển dịch nhỏ (xem mục chuyển đổi đo) Lõi sắt từ biến áp vi sai gắn liên động với đòn cân Chức biến áp vi sai để phát cân lực học lực điện từ Khối (dao động khuếch đại) DĐKĐ khối tạo dao động để sinh điện áp xoay chiều cấp cho cuộn sơ cấp biến áp vi sai khuếch đại chuyển đổi tín hiệu biến áp vi sai thành dịng điện chiều Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 26 Kỹ thuật đo lường đại lượng không điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Nguyên lý hoạt động hệ thống sau: Khi có hiệu áp suất P1 – P2 tác động lên màng đàn hồi làm cho màng đàn hồi biến dạng sinh lực đàn hội chống lại tác động lực áp suất Khi lực đàn hồi cân với lực áp suất trình biến dạng kết thúc Sự biến dạng màng đàn hồi qua đòn thép tác động lên đòn cân băng làm cho lệch khỏi vị trí cân Lõi sắt từ biến áp vi sai lệch khỏi vị trí cân làm xuất điện áp đầu Điện áp mạch khuếch đại khuếch đại lên làm thay đổi dòng điện chạy cuộn dây thiết bị điện từ dẫn đến lực điện từ thay đổi tác động ngược trở lại địn cân nhằm mục đích đưa địn trở vị trí cân Khi địn cân trở vị trí cân lõi sắt từ biến áp vi sai trở vị trí cân Điện áp biến áp vi sai khơng Tồn hệ thống đạt trạng thái cân Ta có phương trình cân lực: K1. = K2.I (3.25) Trong K1 K2 hệ số tỷ lệ,  độ biến dạng màng đàn hồi, I cường đọ dịng điện chạy cn dây thiết bị điện từ dòng điện đầu chuyển đổi Như dòng điện đầu chuyên đổi sơ cấp đo áp suất tỷ lệ với hiệu áp suất đầu vào c, Thiết bị cân áp suất Nguyên lý: tín hiệu đo khuếch đại sau sử dụng để tạo lực F' cân lực lượng đo F tác động đến phần tử đàn hồi, khuếch đại qua khuếch đại thuật toán (KĐTT), giải điều chế cung cấp cho cấu truyền động Dòng điện qua dây cấu tín hiệu thiết bị đo Lực F' xác định bởi: F’ = B.I.l (3.26) B: độ lớn cảm ứng từ l: chiều dài I: dòng điện qua cuộn dây cấu chấp hành Khi cân bằng, F = F' Ps=a I a hệ số Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 27 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Hình 2.16: Thiết bị cân lực đo áp suất Đặc điểm cảm biến đo áp suất dựa cân lực là: Ưu điểm Hạn chế Sai số nhỏ (5.10-6 đến 2.10-4 FS) Khó chế tạo Sai số tuyến tính nhỏ (0.01% FS) Giá thành cao Độ xác cao (10-4FS) Nhạy với rung động Ổn định Bộ định chuẩn áp suất (manometer) gồm hai bình cố định di động nối với thông qua ống Bình di động nâng lên khí xác tới độ cao mà khối lượng cột thủy ngân cân với áp suất sai lềch bình Độ phân giải đạt 10-2Pa, độ xác ± 10-2Pa Hình 2.17: Nguyên lý manometer Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 28 Kỹ thuật đo lường đại lượng khơng điện Lớp: D14TDH&DKTBCN2 Hình 2.18: Định chuẩn đo áp suất lớn Thiết bị bao gồm piston thẳng đứng xi lanh Vật có khối lượng m tác động lên piston Nếu phía chân khơng, giá trị áp suất p trì piston cân cho cơng thức sau: P= 𝑚𝑔 𝐴𝑒 (3.27) Trong đó: g: trọng lực m: tổng khối lượng phần di động (piston vật) Ae: vùng tác động Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 29 KẾT LUẬN Qua tìm hiểu,học hỏi giúp em hiểu thêm tầm quan trọng thiết bị đo đời sống sản xuất.Thiết bị đo dụng cụ vô quan trọng để giúp đánh giá đo đạt đại lượng cách xác Thơng qua việc làm chuyên đề báo cáo này,giúp em học hỏi nhiều điều.Giúp em biết thêm phân loại thiết bị đo mà sử dụng nhiều lĩnh vực công nghệ theo nguyên lý hoạt động khác nhau,tùy thuộc vào nhiều yếu tố :nhiệt độ ,áp suất đặc tính vật liệu Từ báo cáo chuyên đề giúp em hiểu rõ đo áp suất: nguyên lý hoạt động, cấu tạo bên ,cũng vai trị mà mang lại sống hàng ngày Sau thời gian tìm hiểu,tham khảo tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau,cũng giúp đỡ giảng viên hướng dẫn,em hoàn thành báo cáo chuyên đề em xin chân thành cảm ơn nhiệt tình giúp đỡ em hồn thành báo cáo 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình cảm biến Phạm Quốc Phơ, Nguyễn Đức Chiến, NXB Khoa học kĩ thuật, 2000 Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa, Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, NXB Giáo dục, 2003 Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân, Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển; NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2001 Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Lê Văn Danh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 Đo lường điều khiển máy tính Ngơ Diên Tập, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999