Chương 8 CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT
1. Áp suất và nguyên lý đo áp suất 2. Áp kế dùng dịch thể 3. Áp kế đàn hồi 4. Áp kế điện
1. Áp suất và nguyên lý đo
1.1. Áp suất: đại lượng có giá trị bằng lực tác
dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt bình chứa:
p =
(N/m2)
dF dS
=
=
r+
p
p
0
gh =
+
p
p
p
t
đ
=
p
gh
p
Áp suất tĩnh
t
r+ 2
fi
r
=
Áp suất động
p
đ
• Chất lưu không chuyển động: p t • Chất lưu chuyển động: 0 v 2
fi
1.1. Áp suất và nguyên lý đo
atmotsphe kg/cm2 pascal bar mmHg mbar
1.2. Đơn vị đo áp suất: 1Pa = 1N/m2. Đơn vị
mmH2O
áp suất (Pa) (b) (atm)
1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2
1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 103 750
1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 9,80.102 735
1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 1,013.103 760
9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098 1mmH2O
1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33
1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1
1. Áp suất và nguyên lý đo
1.3. Nguyên lý đo áp suất Đo áp suất tĩnh:
v Đo trực tiếp: thông qua một lỗ được khoan
F tác động lên cảm
trên thành bình: pfi Đo F (cid:222) biến fi p.
v Đo gián tiếp: đo biến dạng của thành bình
chứa (cảm biến đo biến dạng).
1. Áp suất và nguyên lý đo
Đo á
=
p
p
p
đ
t
• Ví dụ: đo hiệu áp suất bằng ống pi-tô (hình bên). Áp suất lên mặt phẳng tác dụng vuông góc với dòng chảy là áp suất tổng (p).
-
2. Áp kế dùng dịch thể
2.1. Vi áp kế kiểu phao 2.2. Vi áp kế kiểu chuông 2.3. Vi áp kế bù 2.4. Áp kế vành khuyên
2.1. Vi áp kế kiểu phao
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
1.
2.
3.
4.
2.1. Vi áp kế kiểu phao
)
=
h
( p.
p
2
1
1
-
1 (
+
) g
1
m
(cid:246) (cid:230) r - r (cid:247) (cid:231)
F f
kim chỉ hoặc đo bằng cảm
• Giả sử p1>p2, chất lỏng làm việc trong bình (1) hạ xuống, trong bình (2) dâng lên. Độ dịch chuyển của phao: • Độ dịch chuyển fi biến đo dịch chuyển.
ł Ł
2.1. Vi áp kế kiểu phao
b) Đặc điểm: • Kết cấu cồng kềng, • Cấp chính xác cao (1; 1,5), • Chứa chất lỏng độc hại. (cid:222)
Đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa.
2.2. Vi áp kế kiểu chuông
a) Cấu tạo và nguyên lú làm việc:
1.
2.
3.
Khi p1 > p2
2.2. Vi áp kế kiểu chuông
)
=
H
p
2
( p. ) 1
f (
-
g.f
m
• Khi p1 = p2, chuông ở vị trí cân bằng. • Khi p1 > p2, chuông dịch chuyển lên trên. Độ dịch chuyển của chuông: • Độ dịch chuyển H fi
kim chỉ hoặc đo bằng
cảm biến đo dịch chuyển.
r - r D
2.2. Vi áp kế kiểu chuông
b) Đặc điểm: • Độ chính xác cao; • Đo được áp suất thấp và áp suất chân
không.
2.3. Vi áp kế bù
a) Cấu tạo và nguyên lý làn việc:
1. 2. 3. 4.
2.3. Vi áp kế bù
b) Đặc điểm: • Giới hạn đo 125 - 150 mmH2O, sai số: –
0,05 mmH2O.
• Khó khăn khi hiệu chỉnh.
2.4. Áp kế vành khuyên
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
1.
2.
3.
4.
2.4. Áp kế vành khuyên
b) Đặc điểm: • Giới hạn đo khi dịch thể là nước: 25 - 160 mmH2O, thủy ngân: 400 – 2.500mmH2O,
• Cấp chính xác 1; 1,5.
3. Áp kế đàn hồi
3.1. Áp kế lò xo 3.2. Áp kế màng 3.3. Áp kế ống trụ 3.4. Áp kế kiểu đèn xếp
3.1. Áp kế lò xo
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
Vật liệu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió.
Lò xo xoắn
3.1. Áp kế lò xo
• Khi p = p0, lò xo ở trạng thái cân bằng. • Khi (p > p0), lò xo giản , ngược lại (p < p0) lò xo
co lạifi
2
2
2
đầu tự do dịch chuyển. 1
g=g p
.
1
2
2
+b
R bh
Y
b a
x
• Biến thiên góc ở tâm (g ): • Lực cân bằng ở đầu tự do:
2
(cid:246) (cid:230) a n - (cid:247) (cid:231) - D (cid:247) (cid:231) ł Ł
sin
=
=
N
pab
1
.
t
pk 1
2
2
+g
3
sin4
sin
.
cos
2
(cid:246) (cid:230) g - g (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) g g - g ł Ł
=
=
N
pab
1
.
r
pk 2
2
2
b a b a
s48 +e x s48 +e x
cos .
sin
cos
=
+
=
N
k
kp
2 1
2 p.k 2
(cid:246) (cid:230) g - g (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) g g - g ł Ł
3.1. Áp kế lò xo
b) Đặc điểm: • Cấu tạo đơn giản, • Góc quay phụ thuộc hình dạng: loại một vòng góc quay nhỏ, loại nhiều vòng hoặc lò xo xoắn góc quay lớn.
• Phạm vi đo phụ thuộc vật liệu:
+Đồng thau: < 5 MPa, + Hợp kim nhẹ hoặc thép <1.000 Mpa + Thép gió >1.000 Mpa.
3.2. Áp kế màng
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: • Màng đàn hồi: chế tạo bằng thép (tròn phẳng
hoặc uốn nếp)
1.3. Áp kế đàn hồi
3.2. Áp kế màng
• Màng dẻo: chế tạo bằng vải tẩm cao su (thường
hoặc tâm cứng).
Màng Màng Tấm kim loại Màng
3.2. Áp kế màng
• Dưới tác dụng của áp suất trên hai mặt màng màng biến dạng, tâm
chênh lệch D p = p1-p0 fi màng dịch chuyển.
4
2
D
)
+ Loại phẳng:
=d
• Độ võng của tâm màng đàn hồi: ( 1
3 16
4
3
n -
=
+
=
+ Loại uốn nếp:
a
3
R.p 3 Yh R.p 4 Yh
h
b h
(a, b: các hệ số)
D d d
3.2. Áp kế màng
• Lực di chuyển ở tâm màng dẻo:
2
=
N
.
p
+ Loại thường:
2
2
)
+
+
p D
D 12 ( D
d
=
+ Loại tâm cứng:
N
p.
Dd 12
p D
3.2. Áp kế màng
• •
•
3.3. Áp kế ống trụ
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
• Vật liệu: thép, đồng …
3.3. Áp kế ống trụ
=
1
.
- Biến dạng ngang:
=e 1
pk 1
n (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231)
r e
2
ł Ł
=
.
- Biến dạng dọc:
=e 2
pk 2
(cid:246) (cid:230) n - (cid:247) (cid:231)
p Y p Y
1 2
r e
• Quan hệ giữ áp suất và biến dạng: • Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện sử dụng CB đo biến dạng.
ł Ł
3.4. Áp kế kiểu đèn xếp
• Đường kính ống từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 ‚ 0,3 mm. • Vật liệu: là đồng, thép cacbon hoặc thép hợp kim....
3.4. Áp kế kiểu đèn xếp
• Độ dịch chuyển (d ) của đáy dưới tác dụng
của lực chiều trục (N): 2
=d
n -
.N
n 2
a+
-
1 Yh
A
A
0
2
2 b
0
0
1
a -
2
+ R/hB )
+
=
p
Với
R
p
N
A ( R
tr
ng
5
- góc bịt kín; A0, A1, B0 -
(n - số nếp làm việc; a các hệ số phụ thuộc kết cấu)
D
3.4. Áp kế kiểu đèn xếp
Đặc điểm:
v Kích thước lớn; v Khó chế tạo; v Độ dịch chuyển (d ) trong phạm vi tuyến
tính lớn;
4. Áp kế điện
4.1. Áp kế áp trở 4.2. Áp kế áp điện 4.3. Áp kế điện dung 4.4. Áp kế điện cảm
4.1. Áp kế áp trở
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
Dây dẫn (3)
Đế silic – N (1) Bán dẫn P (2)
Vị trí gắn
4.1. Áp kế áp trở
• Dưới tác dụng của lực do áp suất sinh ra, điện
trở của áp trở biến thiên:
s=
D
(p - hệ số áp trở; s
- nội ứng suất)
R 0R
• Với 4 áp trở R1, R2, R3, R4 mắc theo mạch cầu,
(
)
D+
=
D=
p=
p
R
R
R
R
RI
V m
1
2
3
4
.R.I. 0
điện áp ra: I 4
• JT - đầu đo nhiệt độ.
s D - D - D
4.1. Áp kế áp trở
Đặ điểm:
v Kích thước nhỏ; v Dễ lắp đặt; v Khoảng nhiệt độ làm việc - 40oC đến 125oC ;
4.2. Áp kế áp điện
a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
Bộ chuyển đổi dạng ống
4.2. Áp kế áp điện
• Áp suất (p) fi
lực F tác động lên bản áp điện fi
=
Q
kF
kpS
xuất hiện điện tích Q: = - Loại tấm:
- Loại ống:
= kFQ
2
dh4 2 dD
(k - hằng số áp điện; S - diện tích hữu ích của màng) (D, d - đường kính ngoài và đường kính trong của phần tử áp
điện; h - chiều cao phần phủ kim loại)
-
4.2. Áp kế áp điện
b) Đặc điểm: • Hồi đáp tần số tốt (đo được áp suất thay
đổi nhanh)
• Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ • Giới hạn trên của áp suất đo 2,5 ‚ 100
Mpa
• Cấp chính xác đạt được 1,5; 2
4.3. Áp kế điện dung
a) Cấu tạo và nguyến lý làm việc
1.
4. 5.
4.3. Áp kế điện dung
e=
- Tụ đơn:
C
e=
e=
- Tụ kép:
;
C 13
C 12
13
s d+d 0 Khi p tăng: d giảm fi C tăng: C=f(d ). s s d+d d+d 0 0
12
12 tăng fi C12 giảm, d
13 giảm
• Khi p1 >p2: d fi C13 tăng. • Biên thiên dòng điện trong mạch (nguồn nuôi cung cấp):
13
12
=
=
-
i
K
p(K
m
1
1
)p 2
+
C C
C C
12
13
-
4.3. Áp kế điện dung
b) Đặc điểm: • Phạm vi đo: < 120 MPa, • Sai số – (0,2 - 5)%.
4.4. Áp kế điện cảm
a) Áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên:
Cấu tạo & nguyên lý làm việc:
1. 2. 3. 4. 5.
4.4. Áp kế điện cảm
• Khi p thay đổi fi
màng đàn hồi biến dạng fi
Độ tự cảm L thay
từ trở thay đổifi
thay đổifi đổi.
2
=
L
)
(
W ) d+
d
l
/
( S/
tb
tb
S 00
S 0
=
m m
2 .WL
0
m
d
=
2 m .WL
0
Bỏ qua từ trở gông từ: S 0 kp
• Đo biến thiên (L) bằng mạch cầu hoặc mạch
cộng hưởng LC.
(cid:222)
4.4.Áp kế điện cảm
1.
2.
3.
4.
b) Áp kế điện cảm kiểu biến áp vi sai: • Hai cuộn dây (5) & (6) giống nhau, đấu ngược
pha..
4.4. Áp kế điện cảm
• Sức điện động trong cuộn thứ cấp:
(
)
=
p=
p=
E
e
M
MfI2
e 1
2
MfI2 1
1
2
1
- -
MfI2 1
max
=
p
• Điện áp cửa ra:
V
ra
d
max
(Mmax – hệ số hỗ cảm ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép d max)
d
