Semina cam bien ap suat

1 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ths Nguyễn Đoàn Thanh Vinh tận tình hướng dẫn bảo giúp em hồn thành tốt seminar tốt nghiệp đại học Em xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên- ĐH Quốc Gia Hồ Chí Minh dạy dỗ truyền đạt cho em kiến thức quý báu mà em áp dụng vào làm đề tài kiến thức hành trang cho em học tập làm việc sau Cuối em xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè chia sẻ khó khăn thời gian vừa qua Phạm Hoàng Hải MỤC LỤC 22 Danh sách hình vẽ, bảng biểu Bảng 1: trình bày đơn vị đo áp suất hệ số chuyển đổi chúng Hình 1: Đo áp suất động ống pitot Hình 2: Cấu tạo áp kế vi sai kiểu phao Hình 3: Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông 10 Hình 4: Lị xo ống .12 Hình 5: Sơ đồ màng đo áp suất 14 Hình 6: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng 15 Hình 7: Cấu tạo hình dạng cảm biến áp suất kiểu áp điện .17 Hình 8: Các dạng cấu tạo kiểu áp điện .18 LỜI MỞ ĐẦU Đo áp suất chức đo ngành công nghiệp nào.Từ nhà máy lọc dầu đến xe ủi đất, việc đo áp suất khí nén, lưu chất thủy lực, nước môi trường trung gian khác chuyện xảy ngày đóng vai trò then chốt tất cách thức điều khiển ÁP SUẤT VÀ NGUYÊN LÝ ĐO 1.1 Áp Suất Và Đơn Vị Đo Áp suất đại lượng có giá trị tỉ số lực tác dụng vng góc lên mặt với diện tích nó: P = dF dS 101\* MERGEFORMAT (.) Đối với chất lỏng, khí (gọi chung chất lưu), áp suất thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học chúng Trong cơng nghiệp việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa lớn việc đảm bảo an toàn cho thiết bị giúp cho việc kiểm tra điều khiển hoạt động máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất pascal (Pa), Pa áp suất tạo lực có độ lớn 1N phân bố đồng diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến Đơn vị Pa tương đối nhỏ nên công nghiệp người ta thường dùng đơn vị bar (1bar =105 Pa) số đơn vị khác 5 Bảng 1: trình bày đơn vị đo áp suất hệ số chuyển đổi chúng Đơn vị áp suất Pascal (Pa) Bar (b) Kg/cm2 Atmotsphe (atm) mmH2O mmHg mbar Pascal 10-5 1.02 10-5 0.987 10-5 1.02 10-1 0.75 10-2 10-2 bar 105 1.02 0.987 1.02 104 750 103 Kg/cm2 9.8 104 0.980 0.986 104 735 9.80 102 atm 1.013 105 1.013 1.033 1.033 104 760 1.013 103 mmH2O 9.8 9.8 10-5 10-3 0.968 10-4 0.0735 0.098 mmHg 133.3 1.36 10-3 1.315 10-3 136 1.33 mbar 100 10-3 1.02 10-3 0.987 10-3 1.02 0.750 1.2 13.33 10- Nguyên Lý Đo Áp Suất Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu áp suất tĩnh (pt ): p = pt Do đo áp suất chất lưu thực chất xác định lực tác dụng lên diện tích thành bình Đối với chất lưu khơng chuyển động chứa ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh điểm M cách bề mặt tự khoảng (h) xác định theo công thức p = p0 + ρ gh 202\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: p0– áp suất khí ρ – khối lượng riêng chất lưu g – gia tốc trọng trường  Để đo áp suất tĩnh tiến hành phương pháp sau:  Đo áp suất chất lưu lấy qua lỗ khoan thành bình nhờ cảm biến thích hợp  Đo trực tiếp biến dạng thành bình áp suất gây nên Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) tổng áp suất tĩnh (pt) áp suất động (pđ): p = ptđ+ p 303\* MERGEFORMAT (.) Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên chất lỏng không chuyển động, đo phương pháp trình bày Áp suất động chất lưu chuyển động gây nên có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu: ρv2 pđ = 404\* MERGEFORMAT (.) Trong ρ khối lượng riêng chất lưu Việc đo áp suất động dùng ống pitot có đầu nối với cảm biến áp suất nhỏ 7 Hình 1: Đo áp suất động ống pitot Cảm biến đo áp suất tổng, cảm biến đo áp suất tĩnh Khi dịng chảy va đập vng góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng áp suất tổng Do vậy, áp suất động đo thông qua đo chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Các chuyển đổi cho điện áp đầu U1, U2: U − U1 ≈ pđ DỤNG CỤ ĐO ÁP SUẤT THỦY TĨNH Nguyên lý chung phương pháp dựa nguyên tắc cân áp suất chất lưu với áp suất thủy tĩnh chất lỏng làm việc áp kế 2.1 Áp Kế Vi Sai Kiểu Phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thơng nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f (hình 2) Chất lỏng làm việc thủy ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đưa vào bình lớn qua van 5, áp suất bé (p2) đưa vào bình nhỏ qua van Để tránh chất lỏng làm việc phun ngồi có áp suất tác động phía người ta mở van hai bên cân van khóa lại 8 Áp suất p1 lớn áp suất p2 nên chất lỏng làm việc bình thơng dâng lên phía ống nhỏ cân Phao (2) tụt xuống kim thị (3) liên kết với quay độ chênh lệch áp suất Hình 2: Cấu tạo áp kế vi sai kiểu phao Khi đạt cân áp suất, ta có: p1 − p2 = g ( ρ m − ρ )(h1 + h2 ) Trong : g – gia tốc trọng trường ρm– trọng lượng riêng chất lỏng làm việc 505\* MERGEFORMAT (.) ρ – trọng lượng riêng chất lỏng hay khí cần đo Mặt khác F tiết diện ống to, f tiết diện ống nhỏ thể tích dồn từ ống to sang ống nhỏ, nên cân thể tích ta có : Fh2 = fh1 Do ta có phương trình đặc tuyến tĩnh áp kế vi sai kiểu phao h2 = p1 − p2 ( ρ m − ρ ) g (1 + F ) f 606\* MERGEFORMAT (.) Công thức (0.6) cho thấy: đo chênh lệch áp suất ∆p = p1 − p2 khác mà F f muốn có dịch chuyển h2 cần thay đổi tỉ số thích hợp, nghĩa thay ống f ống có tiết diện khác Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn 25MPa Cấp độ xác áp kế cao, có chứa chất lỏng độc hại mà áp suất thay đổi đột ngột ảnh hưởng tới đối tượng đo mơi trường nên sử dụng 2.2 Áp Kế Vi Sai Kiểu Chuông Cấu tạo áp kế vi kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng chất lỏng làm việc chứa bình (2) có kim thị (3) 10 Hình 3: Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông Nắp chuông úp chìm vào chất lỏng làm việc dịch chuyển tự do chênh lệch áp suất Nếu áp suất ngồi chng (hình 3a) mực chất lỏng ngồi chng (mức 0) Nếu có chênh lệch áp p1> p2 chng nâng lên ( hình 3b) Ở trạng thái cân bằng, ta có: Chênh lệch mức ngồi chng (theo hình 3): h = d1 + d 707\* MERGEFORMAT (.) Cân thể tích: fd1 = (Φ − F ) d + ( F − f ) H 808\* MERGEFORMAT (.) Cân áp suất tĩnh: ( p1 − p2 ) = h( ρ m − ρ ) g 909\* MERGEFORMAT (.) 11 Cân lực: ( p1 − p2 ).F = ( H + d1 )( F − f ) g ( ρ m − ρ ) 10010\* MERGEFORMAT (.) Giải phương trình ta phương trình đặc tuyến tĩnh áp kế vi sai kiểu chuông: H= f ( p1 − p2 ) ( F − f ).g ( ρ m − ρ ) 11011\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: F – tiết diện ngồi chng H – độ di chuyển chng d1 – độ dịch chuyển mức chất lỏng chng d2– độ dịch chuyển mức chất lỏng ngồi chng (F-f) – diện tích tiết diện thành chng Φ – diện tích tiết diện bình lớn h – chênh lệch mức chất lỏng chuông f – tiết diện chuông để đảm bảo cho độ giảm áp phạm vi rộng cần giảm tỉ số: f = (F − f ) F −1 f Áp kế đo áp suất thấp áp suất chân không với độ nhạy cao 12 DỤNG CỤ ĐO ÁP SUẤT BẰNG BIẾN DẠNG Nguyên lý chung cảm biến áp suất loại dựa co sở biến dạng đàn hồi phần tử nhạy cảm với tác dụng cảu áp suất Các phần tử biến dạng thường dùng ống trụ, lị xo, xi phơng màng mỏng 3.1 Lò Xo Ống Cấu tạo lò xo ống dùng cảm biến áp suất trình bày hình Lò xo ống kim loại uốn cong, đầu giữ cố định đầu để tự do, tiết diện ống hình trái xoan Lị xo ống chủ yếu dùng để biến đổi áp suất đối tượng đo đưa vào ống thành dịch chuyển đầu đo Phổ biến lò xo ống có vịng, cung trịn Khi đưa chất lưu vào ống đầu cố định, đầu tự bịt kín thường gắn với phận thị, áp suất ống tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng đầu tự dịch chuyển Dưới tác dụng áp suất dư ống, lò xo giãn ra, tác dụng áp suất thấp co lại a) Lò xo ống vòng b)nhiều vòng c) lị xo xoắn 13 Hình 4: Lị xo ống Đối với lị xo ống thành mỏng biến thiên góc tâm (γ) tác dụng áp suất (p) xác định công thức: ∆γ = pγ − v2 R2 b2 α (1 − ) E bh a β + x2 12012\* MERGEFORMAT (.) Trong : v – hệ số poisson E – mô đun đàn hồi vật liệu làm ống R – bán kính cong h – bề dày thành ống, a b, bán kính truc lớn nhỏ tiết diện ovaΔγn, α, β – hệ số thực nghiệm tùy thuộc vào hình dáng tiết diện ngang ống x – RH/a2 tham số ống lực hướng kính: N r = P.a.b(1 − b 48s − cos γ ) 2 a ε + x γ − sin γ cos γ 13013\* MERGEFORMAT (.) Ở s ε cá hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a Trong phương trình (0.13) tất giá trị số trừ P Cho nên lị xo ống ta ln có đẳng thức N = k P, với k hệ số phụ thuộc vào hình dáng, kích thước, vật liệu làm ống góc tâm ống γ, (k = f(a, b, h, R, γ) Bằng cách thay đổi a/b R, h γ, ta thay đổi giá trị Δγ, N độ nhạy phép đo Tăng giá trị Δγ cách tăng số vòng lò xo 14 Lị xo ống vịng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay người ta dùng lị xo ống nhiều vịng có cấu tạo hình (4b) Đối với lò xo ống dạng vòng thường phải sử dụng thêm cấu truyền động để tăng góc quay Để tạo góc quay lớn người ta dùng lị xo xoắn có tiết diện ovan hình khía hình (4c), góc quay thường từ 40 – 600 , kim thị gắn trực tiếp đầu tự lò xo Tùy thuộc vào áp suất đo mà lò xo chế tạo từ vật liệu khác nhau: • • • Bằng đồng thau, đồng đỏ với áp suất đo tới 5MPa Bằng hợp kim, thép với áp suất đo 5MPa Bằng thép gió với áp suất đo 1000Pa Nhược điểm lị xo ống góc quay nhỏ nên cần có cấu khuếch đại Để tăng độ nhạy, tăng số vịng Để tăng góc quay, thay đổi hình dạng tiết diện ống 3.2 Màng Người ta chia thành màng đàn hồi vầ màng dẻo Màng đàn hồi có dạng phẳng trịn hay uốn nếp, có khả chịu uốn tác dụng áp suất, chúng chế tạo thép 15 Hình 5: Sơ đồ màng đo áp suất Khi áp suất tác dụng lên hai mặt màng khác gây lực tác động lên màng làm cho biến dạng Biến dạng màng hàm phi tuyến áp suất khác tùy thuộc điểm khảo sát Với màng phẳng, độ phi tuyến lớn độ võng lớn, thường sử dụng phạm vi hẹp độ dịch chuyển màng Độ võng tâm màng phẳng tác dụng áp suất tác dụng lên màng xác định theo công thức sau: pR δ = (1 − v ) 16 Eh 14014\* MERGEFORMAT (.) R bán kính làm việc màng Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ màng phẳng nên sử dụng với độ võng lớn màng phẳng, ta có cơng thức: a= pR Eh 15015\* MERGEFORMAT (.) Khi đo áp suất nhỏ người ta thường dùng màng dẻo hình trịn phẳng hay uốn nếp, chế tạo từ vải cao su Trong số trường hợp người ta dùng màng dẻo có tâm cứng, tâm màng kẹp cứng hai kim loại 16 Hình 6: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng Đối với màng dẻo thường, lực di chuyển tạo nên tâm màng xác định biểu thức: N= π D2 p 12 16016\* MERGEFORMAT (.) Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên tâm màng có biểu thức: N= π ( D + Dd + d ) p 12 17017\* MERGEFORMAT (.) Với D đường kính màng, d đường kính đĩa cứng CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP ĐIỆN Sử dụng hiệu ứng áp điện vật trung gian, ta chuyển đổi trực tiếp ứng lực tạo áp suất cần đo thành tín hiệu điện dạng điện tích tượng phân cực điện Điện tích tỷ lệ với lực tác dụng: Q = kN 18018\* MERGEFORMAT (.) 17 Trong k số áp điện (hệ số phụ thuộc vào kích thước lát cắt chất tinh thể), ví dụ với thạch anh k = 2,1.10-12 C/N Áp suất đo biến đổi nhờ màng thành ứng suất, tạo nên lực nén lên miếng thạch anh, (đường kính mm, có bề dày mm) Điện tích Q xuất đưa khuếch đại điện tử có tổng trở vào lớn cỡ 1013 Ω Quan hệ điện tích Q áp suất P : Q = k F P 19019\* MERGEFORMAT (.) Trong F diện tích hữu ích màng Hình 7: Cấu tạo hình dạng cảm biến áp suất kiểu áp điện Hình 8b) phần tử áp điện dạng ống Điện tích cực: 18 Q = kN 4dh D2 − d 20020\* MERGEFORMAT (.) Trong đó: D, d – đường kính ngồi ống h – chiều cao phần phủ kim loại( cực) Giới hạn biến đổi với tinh thể thạch anh từ 2,5 – 100 MPa Bộ biến đổi có tần số hồi đáp cao nên thường để đo áp suất thay đổi nhanh, kích thước nhỏ, đo nhanh, nhiên nhạy cảm với nhiệt độ, cần sử dụng cáp nối riêng a) Bộ a) Biến đổi dạng b) Bộ biến đổi dạng ống Hình 8: Các dạng cấu tạo kiểu áp điện 19 ỨNG DỤNG 5.1 Kiểm Tra Sự Hút • Giám sát áp suất cho q trình gắp thả phơi • Kiểm tra hút loại chai, lọ trình đóng gói • Kiểm tra hút q trình đặt chip • Kiểm tra hút q trình dán nhãn • Cảm biến áp suất đặt đáy bể chứa để giám sát áp suất cột chất lỏng bể • Cảm biến gửi tín hiệu hệ thống xử lý trung tâm để hệ thống biết mức chất lỏng bể, qua điều khiển hệ thống bơm để bơm chất lỏng vào bể 20 • Trong sinh hoạt ngày, nhờ có cảm biến áp suất mà hệ thống bơm nước lên tầng cao ngơi nhà tự động chạy ngừng bơm 5.2 Điều Khiển Áp Suất Nguồn • • Điều khiển áp suất máy hàn vết Giám sát áp suất khí máy nén Cảm biến áp suất sử dụng hệ thống nén khí: Khí sau qua máy nén nóng lên, sau đưa tới hệ thống làm mát qua • cảm biến áp suất để kiểm tra áp suất khí nén Tiếp theo khí nén đưa tới hệ thống sấy khô để loại bỏ nước nạp vào bình chứa ( hệ thống dùng để nạp gas vào bình) 21 • Cảm biến áp suất dùng hệ thống thủy lực để giám sát áp lực dầu thủy lực đường ống bơm xilanh Việc giám sát giúp bảo vệ đường ống xi lanh áp lực vượt giới hạn • Cảm biến gửi tín hiệu hệ thống điều khiển trung tâm để điều khiển bơm 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân, Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ Thuật Đo Lường Và Điều Khiển, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2001, tr 296 – 316 [2] Vũ Quang Hồi, Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam, 2009, tr 135 – 152 [3] Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên, KỸ THUẬT CẢM BIẾN, tr 152 – 182