Chương 3 - Đo áp suất

Chia sẻ: Nguyen Thang | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

803
lượt xem 272
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Áp suất và phương pháp đo áp suất Trong công nghiệp luyện kim sử dụng nhiều các thiết bị thủy lực và khí nén, để hệ thống làm việc bình th-ờng phải đo và kiểm tra áp suất một cách liên tục, nếu áp suất chất lỏng, khí hoặc hơi v-ợt quá một giới hạn nhất định có thể ảnh h-ởng xấu đến hoạt động của thiết bị, thậm chí có thể làm hỏng hoặc nổ bình chứa, đ-ờng ống dẫn gây thiệt hại nghiêm trọng. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 3 - Đo áp suất

Ch−¬ng 3 §o ¸p suÊt 3.1. ¸p suÊt vµ ph−¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt Trong c«ng nghiÖp luyÖn kim sö dông nhiÒu c¸c thiÕt bÞ thñy lùc vµ khÝ nÐn, ®Ó hÖ thèng lµm viÖc b×nh th−êng ph¶i ®o vµ kiÓm tra ¸p suÊt mét c¸ch liªn tôc, nÕu ¸p suÊt chÊt láng, khÝ hoÆc h¬i v−ît qu¸ mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh cã thÓ ¶nh h−ëng xÊu ®Õn ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ, thËm chÝ cã thÓ lµm háng hoÆc næ b×nh chøa, ®−êng èng dÉn g©y thiÖt h¹i nghiªm träng. Bëi vËy, viÖc ®o ¸p suÊt chÊt l−u cã ý nghÜa rÊt lín trong viÖc ®¶m b¶o an toµn cho thiÕt bÞ còng nh− gióp cho viÖc kiÓm tra vµ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña m¸y mãc thiÕt bÞ cã sö dông chÊt l−u. 3.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o a) Kh¸i niÖm Khi chøa mét chÊt láng, chÊt khÝ hoÆc h¬i (gäi chung lµ chÊt l−u) vµo trong mét b×nh chøa nã sÏ g©y nªn mét ¸p lùc t¸c dông lªn thµnh b×nh. ¸p suÊt lµ ®¹i l−îng cã gi¸ trÞ b»ng lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch thµnh b×nh: dF p= (3.1) dS Trong ®ã: dF: lùc t¸c dông [N] . dS: diÖn tÝch thµnh b×nh chÞu lùc t¸c dông [m2]. Trong tr−êng hîp chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u lµ ¸p suÊt tÜnh (pt) do träng l−îng cña cét chÊt l−u g©y nªn céng víi t¸c dông cña ¸p suÊt khÝ quyÓn t¸c dông lªn mÆt tho¸ng cña chÊt l−u. p t = p 0 + ρgh (3.2) Trong ®ã: po: ¸p suÊt khÝ quyÓn. ρ: khèi l−îng riªng cña chÊt l−u. g: gia tèc träng tr−êng. h: kho¶ng c¸ch tõ ®iÓm kh¶o s¸t ®Õn mÆt tho¸ng tiÕp xóc víi khÝ quyÓn. - 45 -
Trong tr−êng hîp chÊt l−u chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u gåm hai thµnh phÇn, gåm suÊt tÜnh (pt) vµ ¸p suÊt ®éng (p®): p = p t + p® (3.3) ¸p suÊt tÜnh phô thuéc vµo vÞ trÝ cña ®iÓm kh¶o s¸t, trÞ sè x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (3.2). ¸p suÊt ®éng (pt) lµ thµnh phÇn do chuyÓn ®éng cña chÊt l−u g©y nªn, trÞ sè phô thuéc vµo tèc ®é chuyÓn ®éng cña chÊt l−u, ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ρv 2 p® = (3.4) 2 Trong ®ã v lµ tèc ®é chuyÓn ®éng cña chÊt l−u. b) §¬n vÞ ®o ¸p suÊt Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (SI) ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ pascal (Pa): 1 Pa lµ ¸p suÊt t¹o bëi mét lùc cã ®é lín b»ng 1N ph©n bè ®ång ®Òu trªn mét diÖn tÝch 1m2 theo h−íng ph¸p tuyÕn. §¬n vÞ Pa t−¬ng ®èi nhá nªn trong c«ng nghiÖp ng−êi ta cßn dïng ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ bar (1 bar = 105 Pa) vµ mét sè ®¬n vÞ kh¸c. B¶ng 3.1 tr×nh bµy c¸c ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a chóng. B¶ng 3.1 §¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a c¸c ®¬n vÞ §¬n vÞ pascal bar atmotsphe kg/cm2 mmH2O mmHg mbar ¸p suÊt (Pa) (b) (atm) 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2 1 1Pascal 105 1,02.104 103 1 1,02 0,987 750 1 bar 1 kg/cm2 9,8.104 104 9,80.102 0,980 1 0,986 735 1,013.105 1,033.104 1,013.103 1,013 1,033 1 760 1 atm 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 9,8 1 0,0735 0,098 1mmH2O 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 133,3 136 1 1,33 1mmHg 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 100 1,02 0,750 1 1mbar 3.1.2. Ph−¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt Ph−¬ng ph¸p ®o ¸p suÊp phô thuéc vµo d¹ng ¸p suÊt. §èi víi ¸p suÊt tÜnh cã thÓ tiÕn hµnh ®o b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau: - 46 -
+ §o trùc tiÕp ¸p suÊt chÊt l−u th«ng qua mét lç ®−îc khoan trªn thµnh b×nh. + §o gi¸n tiÕp th«ng qua ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh d−íi t¸c ®éng cña ¸p suÊt . Trong c¸ch ®o thø nhÊt, ph¶i sö dông mét ®Çu ®o ®Æt s¸t thµnh b×nh. Trong tr−êng hîp nµy, ¸p suÊt cÇn ®o ®−îc c©n b»ng víi ¸p suÊt thuû tØnh do cét chÊt láng lµm viÖc t¹o nªn hoÆc t¸c ®éng lªn mét vËt trung gian cã phÇn tö nh¹y c¶m víi lùc do ¸p suÊt g©y ra. Khi sö dông vËt trung gian ®Ó ®o ¸p suÊt, thiÕt bÞ ®o th−êng trang bÞ thªm bé phËn chuyÓn ®æi ®iÖn. §Ó sai sè ®o nhá, thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ ®Çu ®o ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ so víi thÓ tÝch tæng céng cña chÊt l−u cÇn ®o ¸p suÊt. Trong c¸ch ®o thø hai, ng−êi ta g¾n lªn thµnh b×nh c¸c c¶m biÕn ®o øng suÊt ®Ó ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh. BiÕn d¹ng nµy lµ hµm cña ¸p suÊt. Ph−¬ng ph¸p ®o ¸p suÊt ®éng dùa nguyªn t¾c chung lµ ®o hiÖu ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. Khi dßng ch¶y va ®Ëp vu«ng gãc víi mét mÆt ph¼ng, ¸p suÊt ®éng chuyÓn thµnh ¸p suÊt tÜnh, ¸p suÊt t¸c dông lªn mÆt ph¼ng lµ ¸p suÊt tæng. Th«ng th−êng viÖc ®o hiÖu (p - pt) thùc hiÖn nhê hai ®Çu ®o nèi víi hai ®Çu ra cña mét èng Pitot, trong ®ã ®Çu ®o thø nhÊt ®o ¸p suÊt tæng cßn ®Çu ®o thø hai ®o ¸p suÊt tÜnh. P®=p-pt H×nh 3.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot Cã thÓ ®o ¸p suÊt ®éng b»ng c¸ch ®Æt ¸p suÊt tæng lªn mÆt tr−íc vµ ¸p suÊt tÜnh lªn mÆt sau cña mét mµng ®o (h×nh 3.2), nh− vËy tÝn hiÖu do ®Çu ®o cung cÊp chÝnh lµ chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. 2 1 p pt H×nh 3.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng 1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn - 47 -
3.2. ¸p kÕ dïng dÞch thÓ Nguyªn lý chung cña ph−¬ng ph¸p dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng ¸p suÊt chÊt l−u víi ¸p suÊt thuû tÜnh cña chÊt láng lµm viÖc trong ¸p kÕ. 3.2.1. Vi ¸p kÕ kiÓu phao Vi ¸p kÕ kiÓu phao gåm hai b×nh th«ng nhau, b×nh (1) cã tiÕt diÖn lín F vµ b×nh nhá cã tiÕt diÖn f (h×nh 3.3). ChÊt láng lµm viÖc lµ thuû ng©n hay dÇu biÕn ¸p. Khi ®o, ¸p suÊt lín (p1) ®−îc ®−a vµo b×nh lín, ¸p suÊt bÐ (p2) ®−îc ®−a vµo b×nh nhá. §Ó tr¸nh chÊt láng lµm viÖc phun ra ngoµi khi cho ¸p suÊt t¸c ®éng vÒ mét phÝa, ng−êi ta më van (4) vµ khi ¸p suÊt hai bªn c©n b»ng, van (4) ®−îc kho¸ l¹i. p2 p1 6 5 4 7 h2 2 3 h1 1 H×nh 3.3. Vi ¸p kÕ kiÓu phao 1) B×nh lín 2) Phao 3) Kim chØ thÞ 4, 5, 6) Van 7) B×nh nhá Khi ®¹t sù c©n b»ng ¸p suÊt, ta cã: p 1 − p 2 = g(ρ m − ρ )(h1 + h 2 ) Trong ®ã: g - gia tèc träng tr−êng. ρm - träng l−îng riªng cña chÊt láng lµm viÖc. ρ - träng l−îng riªng cña chÊt láng hoÆc khÝ cÇn ®o. MÆt kh¸c tõ c©n b»ng thÓ tÝch ta cã: F.h1 = f .h 2 Suy ra: .(p − p ) 1 h1 = (3.5) (1 + F / f )(ρ m − ρ)g 1 2 - 48 -
Khi møc chÊt láng trong b×nh lín thay ®æi (h1 thay ®æi), phao cña ¸p kÕ dÞch chuyÓn vµ qua c¬ cÊu truyÒn ®éng lµm quay kim chØ thÞ trªn ®ång hå ®o. BiÓu thøc (3.5) lµ ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai kiÓu phao. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao dïng ®Ó ®o ¸p suÊt tÜnh kh«ng lín h¬n 25MPa. Khi thay ®æi tØ sè F/f (b»ng c¸ch thay èng nhá) ta cã thÓ thay ®æi ®−îc ph¹m vi ®o. CÊp chÝnh x¸c cña ¸p suÊt kÕ lo¹i nµy cao (1; 1,5) nh−ng chøa chÊt láng ®éc h¹i mµ khi ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét cã thÓ trµn ra ngoµi ¶nh h−ëng ®Õn ®èi t−îng ®o vµ m«i tr−êng. 3.2.2. Vi ¸p kÕ kiÓu chu«ng CÊu t¹o cña vi ¸p kÕ kiÓu chu«ng (h×nh 3.4), gåm chu«ng (1) nhóng trong chÊt láng lµm viÖc chøa trong b×nh (2). 3 3 p2 p2 1 A 2 dx B dy dH p1 p1 a b) H×nh 3.4 Vi ¸p kÕ kiÓu chu«ng 1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ Khi ¸p suÊt trong buång (A) vµ (B) b»ng nhau th× n¾p chu«ng (1) ë vÞ trÝ c©n b»ng (h×nh 3.4a), khi cã biÕn thiªn ®é chªnh ¸p d(p1-p2) >0 th× chu«ng ®−îc n©ng lªn (h×nh 3.4b). Khi ®¹t c©n b»ng ta cã: d (p 1 − p 2 ).F = (dH + dy )∆f .g(ρ m − ρ ) (3.6) Víi: dh = dx + dy d (p 1 − p 2 ) = dh (ρ m − ρ )g fdy = ∆f .dH + (Φ − F )dx Trong ®ã: F - tiÕt diÖn ngoµi cña chu«ng. dH - ®é di chuyÓn cña chu«ng. - 49 -
dy - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng trong chu«ng. dx - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng ngoµi chu«ng. ∆f - diÖn tÝch tiÕt diÖn thµnh chu«ng. Φ - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña b×nh lín. dh - chªnh lÖch møc chÊt láng ë ngoµi vµ trong chu«ng. f - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña chu«ng. Gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh trªn ta cã: d (p1 − p 2 ) f dH = ∆f .g(ρ m − ρ ) LÊy tÝch ph©n giíi h¹n tõ 0 ®Õn (p1 - p2) nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng: (p1 − p 2 ) f H= (3.7) ∆f .g(ρ m − ρ ) ¸p kÕ vi sai cã ®é chÝnh x¸c cao cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt thÊp vµ ¸p suÊt ch©n kh«ng. 3.2.3. Vi ¸p kÕ bï Vi ¸p kÕ bï (h×nh 3.5a) gåm hai b×nh th«ng nhau (1) vµ (2), trong b×nh (2) cã kim (3). B×nh (1) cã thÓ di ®éng lªn xuèng nhê vÝt (4). 4 b) 2 1 c) 3 d) a) H×nh 3.5 Vi ¸p kÕ bï 1) B×nh lín 2) B×nh bÐ 3) Kim 4) VÝt Khi ¸p suÊt p1 trong b×nh (1) vµ p2 trong b×nh (2) b»ng nhau, kim cã ¶nh nh− h×nh 3.5b. Gi¶ sö p1 t¨ng lªn, n−íc trong b×nh (1) h¹ xuèng, n−íc trong b×nh (2) d©ng lªn, khi ®ã ¶nh cña kim cã d¹ng h×nh (3.5c). §iÒu chØnh vÝt (4) ®Ó h¹ b×nh (1) xuèng, khi ®ã mùc n−íc trong b×nh (1) d©ng lªn, b×nh (2) h¹ xuèng cho ®Õn khi ¶nh cña kim cã d¹ng h×nh 3.5b th× ®äc kÕt qu¶ ®o ¸p suÊt trªn b¶ng chia ®é cña vÝt (4). - 50 -
Tr−êng hîp p1 gi¶m, n−íc trong b×nh (1) d©ng lªn, n−íc trong b×nh (2) h¹ xuèng, khi ®ã ¶nh cña kim cã d¹ng h×nh (3.3d), ®iÒu chØnh vÝt (4) ®Ó n©ng b×nh (1) lªn, mùc n−íc trong b×nh (1) h¹ xuèng, n−íc trong b×nh (2) d©ng lªn cho ®Õn khi ¶nh cña kim cã ¶nh nh− h×nh 3.5b vµ ®äc kÕt qu¶. Giíi h¹n ®o cña vi ¸p kÕ bï tõ 125 - 150 mmH2O, sai sè: ± 0,05 mmH2O. 3.2.4. ¸p kÕ vµnh khuyªn ¸p kÕ vµnh khuyªn (h×nh 3.6a) gåm vµnh khuyªn (1) cã tiÕt diÖn h×nh ch÷ S, trong ®ã chøa chÊt láng (3), trªn vµnh khuyªn cã treo ®èi träng (4). Vµnh khuyªn cã thÓ quay quanh t©m O. A 2 p2 A p1 p2 1 p1 O A-A ρgh α 3 b) 4 G a) G c) H×nh 3.6 ¸p kÕ vµnh khuyªn 1) Vµnh khuyªn 2) V¸ch ng¨n 2) DÞch thÓ 3) §èi träng Ban ®Çu, ¸p suÊt p 1 = p 2 , mùc dÞch thÓ bªn tr¸i vµ bªn ph¶i b»ng nhau, ®èi träng n»m chÝnh gi÷a. Gi¶ sö p1 t¨ng lªn, p 1 − p 2 = ∆p > 0 , mùc n−íc bªn tr¸i h¹ xuèng, bªn ph¶i d©ng lªn. Bªn tr¸i mµng ng¨n chÞu t¸c dông cña lùc do ∆p g©y ra, sinh ra m« men quay: M q = R.S.∆p Trong ®ã: R: kho¶ng c¸ch tõ t©m v¸ch ng¨n ®Õn t©m quay. S: diÖn tÝch v¸ch ng¨n. M« men quay Mq lµm quay vµnh khuyªn theo chiÒu kim ®ång hå, ®ång thêi ®èi träng G ®−îc n©ng lªn sinh ra m« men c¶n M c = G. sin α , khi M q = M c th× vµnh khuyªn ®øng yªn (h×nh 3.6c). Tõ h×nh vÏ ta cã: - 51 -
RS sin α = . ∆p (3.8) G Víi R, S vµ G kh«ng ®æi ta cã sù phô thuéc gi÷a hiÖu ¸p suÊt vµ gãc quay theo hµm sin, th«ng qua c¬ cÊu chuyÓn ®æi ta cã thÓ biÓu diÔn (3.8) d−íi d¹ng: α = C . ∆p (3.9) Tõ biÓu thøc (3.9) ta nhËn thÊy ®é nh¹y cña ¸p kÕ kh«ng phô thuéc tØ träng cña dÞch thÓ, muèn t¨ng ®é nh¹y t¨ng R, gi¶m G. Giíi h¹n ®o cña ¸p kÕ khi dÞch thÓ lµ n−íc tõ 25 - 160 mmH2O, thñy ng©n lµ 400 - 2500mmH2O, cÊp chÝnh x¸c 1; 1,5. 3.3. ¸p kÕ ®µn håi Nguyªn lý chung cña ¸p kÕ lo¹i nµy dùa trªn c¬ së ®o sù biÕn d¹ng ®µn håi cña mét phÇn tö biÕn d¹ng nh¹y c¶m víi t¸c dông cña ¸p suÊt. C¸c phÇn tö biÕn d¹ng th−êng dïng lµ lß xo, mµng máng, èng trô vµ kiÓu ®Ìn xÕp. 3.3.1. ¸p kÕ lß xo PhÇn tö biÕn d¹ng cña ¸p kÕ cã cÊu t¹o d¹ng lß xo (h×nh 3.7), lµ mét èng kim lo¹i uèn cong, mét ®Çu gi÷ cè ®Þnh cßn mét ®Çu ®Ó tù do. Khi ®−a chÊt l−u vµo trong èng, ¸p suÊt t¸c dông lªn thµnh èng lµm cho èng bÞ biÕn d¹ng vµ ®Çu tù do dÞch chuyÓn. N1 N A γ 2b Nr A R 2a p p b) a) c) H×nh 3.7 Lß xo èng a) Lß xo mét vßng b) Lß xo nhiÒu vßng c) Lß xo xo¾n Trªn h×nh (3.7a) lµ s¬ ®å lß xo èng mét vßng, tiÕt diÖn ngang cña èng h×nh tr¸i xoan. Khi ¸p suÊt trong èng vµ ngoµi èng cã chªnh lÖch lß xo sÏ biÕn d¹ng, nÕu ¸p suÊt trong èng lín h¬n lß xo sÏ gi·n ra, ng−îc l¹i nã sÏ co l¹i. §èi víi c¸c lß xo èng thµnh máng biÕn thiªn gãc ë t©m (γ) d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt (p) x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: - 52 -
⎛ ⎞α 1 − ν2 R2 2 ⎜1 − b ⎟ ∆γ = p γ (3.10) . ⎜ ⎟ β + x2 a2 Y bh ⎝ ⎠ Trong ®ã: ν - hÖ sè poisson. Y - m« ®un Young. R - b¸n kÝnh cong. h - bÒ dµy thµnh èng. a, b - c¸c b¸n trôc cña tiÕt diÖn «van. α, β - c¸c hÖ sè phô thuéc vµo h×nh d¸ng, tiÕt diÖn ngang cña èng. x = Rh/a2 - tham sè chÝnh cña èng. Lùc thµnh phÇn theo h−íng tiÕp tuyÕn víi trôc èng (èng thµnh máng h/b = 0,6 - 0,7) ë ®Çu tù do x¸c ®Þnh theo theo biÓu thøc: ⎛ b 2 ⎞ 48s γ − sin γ N t = pab⎜1 − 2 ⎟ ⎜ a ⎟ ε + x 2 3γ − 4 sin γ + sin γ. cos γ = k 1 p . (3.11) ⎝ ⎠ Lùc h−íng kÝnh: ⎛ b 2 ⎞ 48s γ − cos γ N r = pab⎜1 − 2 ⎟ ⎜ a ⎟ ε + x 2 . γ − sin γ. cos γ = k 2 p (3.10) ⎝ ⎠ Trong ®ã s vµ ε c¸c hÖ sè phô thuéc vµo tØ sè b/a. Gi¸ trÞ cña k1, k2 lµ h»ng sè ®èi víi mçi lß xo èng nªn ta cã thÓ viÕt ®−îc biÓu thøc x¸c ®Þnh lùc tæng hîp: N = k 1 + k 2 .p = kp 2 (3.12) 2 k = k 1 + k 2 = f(a, b, h, R, γ ) . 2 Víi 2 B»ng c¸ch thay ®æi tØ sè a/b vµ gi¸ trÞ cña R, h, γ ta cã thÓ thay ®æi ®−îc gi¸ trÞ cña ∆γ, N vµ ®é nh¹y cña phÐp ®o. Lß xo èng mét vßng cã gãc quay nhá, ®Ó t¨ng gãc quay ng−êi ta dïng lß xo èng nhiÒu vßng cã cÊu t¹o nh− h×nh (3.7b). §èi víi lß xo èng d¹ng vßng th−êng ph¶i sö dông thªm c¸c c¬ cÊu truyÒn ®éng ®Ó t¨ng gãc quay. §Ó t¹o ra gãc quay lín ng−êi ta dïng lß xo xo¾n cã tiÕt diÖn « van hoÆc h×nh r¨ng khÝa nh− h×nh 3.7c, gãc quay th−êng tõ 40 - 60o, do ®ã kim chØ thÞ cã thÓ g¾n trùc tiÕp trªn ®Çu tù do cña lß xo. - 53 -
Lß xo èng chÕ t¹o b»ng ®ång thau cã thÓ ®o ¸p suÊt d−íi 5 MPa, hîp kim nhÑ hoÆc thÐp d−íi 1.000 MPa, cßn trªn 1.000 MPa ph¶i dïng thÐp giã. 3.3.2. ¸p kÕ mµng PhÇn tö biÕn d¹ng cã cÊu t¹o d¹ng mµng máng, ®−îc chia ra hai lo¹i: mµng ®µn håi vµ mµng dÎo. Mµng ®µn håi cã d¹ng trßn ph¼ng hoÆc cã uèn nÕp ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp. Khi ¸p suÊt t¸c dông lªn hai mÆt cña mµng kh¸c nhau g©y ra lùc t¸c ®éng lªn mµng lµm cho nã biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng lµ hµm phi tuyÕn cña ¸p suÊt vµ kh¸c nhau tuú thuéc ®iÓm kh¶o s¸t. Víi mµng ph¼ng, ®é phi tuyÕn kh¸ lín khi ®é vâng lín, do ®ã th−êng chØ sö dông trong mét ph¹m vi hÑp cña ®é dÞch chuyÓn cña mµng. D D h h p p a) b) H×nh 3.8 S¬ ®å mµng ®o ¸p suÊt a) Mµng ph¼ng b) Mµng uèn nÕp §é vâng cña t©m mµng ph¼ng d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt t¸c dông lªn mµng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: ( ) pR 4 3 δ= 1 − ν2 (3.13) Yh 3 16 Mµng uèn nÕp cã ®Æc tÝnh phi tuyÕn nhá h¬n mµng ph¼ng nªn cã thÓ sö dông víi ®é vâng lín h¬n mµng ph¼ng. §é vâng cña t©m mµng uèn nÕp x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: δ bδ 3 pR 4 a= + = (3.14) h h3 Yh 4 Víi a, b lµ c¸c hÖ sè phô thuéc h×nh d¹ng vµ bÒ dµy cña mµng. Khi ®o ¸p suÊt nhá ng−êi ta dïng mµng dÎo h×nh trßn ph¼ng hoÆc uèn nÕp, chÕ t¹o tõ v¶i tÈm cao su. Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi ta dïng mµng dÎo t©m cøng, khi ®ã ë t©m mµng ®−îc kÑp cøng gi÷a hai tÊm kim lo¹i. - 54 -
D D h h p p a) b) H×nh 3.9 S¬ ®å cÊu t¹o mµng dÎo cã t©m cøng a) Mµng ph¼ng b) Mµng uèn nÕp §èi víi mµng dÎo th−êng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: πD 2 N= (3.14) .p 12 Víi D lµ ®−êng kÝnh æ ®ì mµng. §èi víi mµng dÎo t©m cøng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: ( ) π D 2 + Dd + d 2 N= (3.15) .p 12 Trong ®ã D, d - ®−êng kÝnh mµng vµ ®−êng kÝnh ®Üa cøng. 3.3.3. ¸p kÕ èng trô PhÇn tö biÕn d¹ng cña ¸p kÕ cã cÊu t¹o d¹ng èng h×nh trô, thµnh máng, mét ®Çu bÞt kÝn, mét ®Çu hë, ®−îc chÕ t¹o b»ng kim lo¹i (h×nh 3.10). L e ε1 J2 J3 J4 J1 r ε2 a) b) H×nh 3.10 PhÇn tö biÕn d¹ng kiÓu èng h×nh trô a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ g¾n c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng §èi víi èng dµi (L>>r), khi ¸p suÊt chÊt l−u t¸c ®éng lªn thµnh èng lµm cho èng biÕn d¹ng, biÕn d¹ng ngang (ε1) vµ biÕn d¹ng däc (ε2) cña èng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: - 55 -
⎛ ν⎞ p r ε1 = ⎜1 − ⎟ . = k 1 p (3.16) ⎝ 2⎠Y e ⎛1 ⎞p r ε2 = ⎜ − ν ⎟ . = k 2 p (3.17) ⎝2 ⎠Y e Trong ®ã: p - ¸p suÊt. Y - m« ®un Young. ν - hÖ sè poisson. r, e - b¸n kÝnh trong vµ chiÒu dµy thµnh èng. §Ó chuyÓn tÝn hiÖu c¬ (biÕn d¹ng) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng c¸c c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng. 3.3.4. ¸p kÕ kiÓu ®Ìn xÕp PhÇn tö biÕn d¹ng cã cÊu t¹o kiÓu ®Ìn xÕp (h×nh 3.11), lµ mét èng h×nh trô xÕp nÕp cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng ®¸ng kÓ d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt. p α r 2Rb 2Rng H×nh 3.11 S¬ ®å cÊu t¹o èng kiÓu ®Ìn xÕp Trong giíi h¹n tuyÕn tÝnh, tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vµ biÕn d¹ng cña èng lµ kh«ng ®æi vµ ®−îc gäi lµ ®é cøng cña èng. §Ó t¨ng ®é cøng th−êng ng−êi ta ®Æt thªm vµo trong èng mét lß xo. VËt liÖu chÕ t¹o lµ ®ång, thÐp cacbon hoÆc thÐp hîp kim ... èng ®−îc chÕ t¹o víi ®−êng kÝnh tõ 8 - 100mm, chiÒu dµy thµnh 0,1 - 0,3 mm. §é dÞch chuyÓn (δ) cña ®¸y d−íi t¸c dông cña lùc chiÒu trôc (N) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 1 − ν2 n δ = N. − (3.18) A 0 − αA 1 + α A 2 + B 0 h / R 2 2 Yh 0 b - 56 -
Trong ®ã: h0 - chiÒu dµy thµnh èng xiph«ng. n - sè nÕp lµm viÖc. α - gãc bÞt kÝn. ν - hÖ sè poisson. A0, A1, B0 - c¸c hÖ sè phô thuéc Rng/Rtr, r/(R+r). Rng, Rtr - b¸n kÝnh ngoµi vµ b¸n kÝnh trong cña xi ph«ng. r - b¸n kÝnh cong cña nÕp uèn. Lùc chiÒu trôc t¸c dông lªn ®¸y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: π (R ng + R tr )2 ∆p N= (3.19) 5 3.4. ¸p kÕ ®iÖn ¸p kÕ ®iÖn lµm viÖc theo nguyªn t¾c biÕn ®æi t¸c ®éng cña ¸p suÊt (th−êng lµ tÝn hiÖu c¬) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn dùa trªn hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ hoÆc biÕn thiªn ®iÖn trë, ®iÖn c¶m, ®iÖn dung cña mét phÇn tö chuyÓn ®æi. 3.4.1. ¸p kÕ ¸p trë ¸p kÕ ¸p trë sö dông bé chuyÓn ®æi ®iÖn kiÓu ¸p trë, phÇn tö nh¹y c¶m ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã ®iÖn trë nh¹y c¶m víi t¸c dông cña lùc do ¸p suÊt g©y nªn. 3 R4 60o R1 R3 R2 JT 1 2 a) b) H×nh 3.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ¸p trë a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ ®Æt trªn mµng 1) §Õ silic - N 2) B¸n dÉn P 3) D©y dÉn Trªn h×nh 3.12 tr×nh bµy cÊu t¹o cña phÇn tö ¸p trë silic (h×nh 3.12a) vµ vÞ trÝ g¾n chóng trªn bé chuyÓn ®æi (h×nh 3.12b). PhÇn tö ¸p trë gåm ®Õ silic (1) lo¹i N trªn ®ã cã khuÕch t¸n t¹p chÊt t¹o thµnh líp b¸n dÉn lo¹i P (2), mÆt trªn ®−îc bäc c¸ch ®iÖn vµ cã hai tiÕp xóc kim lo¹i ®Ó nèi d©y dÉn (3). - 57 -
Trªn h×nh 3.12b lµ tr−êng hîp mµng ®Þnh h−íng (100) cã g¾n 4 c¶m biÕn ¸p trë, trong ®ã cã hai c¶m biÕn ®Æt ë t©m theo h−íng (110) vµ hai c¶m biÕn ®Æt ë biªn t¹o thµnh víi h−íng (100) mét gãc 60o. Víi c¸ch ®Æt nh− vËy, biÕn thiªn ®iÖn trë cña hai cÆp c¶m biÕn khi cã øng suÊt néi sÏ b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu: ∆ R 1 = ∆R 3 = − ∆R 2 = − ∆ R 4 = ∆ R §Ó ®o biÕn thiªn ®iÖn trë ng−êi ta dïng m¹ch cÇu, khi ®ã ë hai ®Çu ®−êng chÐo cÇu ®−îc nu«i b»ng dßng mét chiÒu sÏ lµ: (∆R1 − ∆R 2 + ∆R 3 − ∆R 4 ) = I∆R I Vm = 4 Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña trë kh¸ng theo øng lùc σ tÝnh x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ∆R = πσ R0 Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p trë cña tinh thÓ (~ 4.10-10 m2/N), khi ®ã biÓu thøc ®iÖn ¸p cã d¹ng: Vm = πIR 0 σ (3.20) Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p trë lµm viÖc trong d¶i nhiÖt ®é tõ - 40oC ®Õn 125oC phô thuéc vµo ®é pha t¹p. Ng−êi ta còng cã thÓ bï trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é b»ng c¸ch ®−a thªm vµo bé chuyÓn ®æi mét bé phËn hiÖu chØnh ®−îc ®iÒu khiÓn qua ®Çu ®o nhiÖt ®é JT. 3.4.2. ¸p kÕ ¸p ®iÖn ¸p kÕ ¸p ®iÖn sö dông bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn lµm viÖc theo nguyªn t¾c hiÖu øng ¸p ®iÖn. D d F Trôc ®iÖn -Q +Q Trôc quang F p a) b) c) H×nh 3.13 ¸p kÕ ¸p ®iÖn a) PhÇn tö ¸p ®iÖn b) Bé chuyÓn ®æi d¹ng tÊm b) Bé chuyÓn ®æi d¹ng èng - 58 -
Khi t¸c dông lùc c¬ häc lªn mét tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn (th¹ch anh, gèm PTZ, …) th× trªn hai mÆt cña tÊm xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu, hiÖu ®iÖn thÕ xuÊt hiÖn gi÷a hai mÆt (b¶n cùc) tØ lÖ víi lùc t¸c dông (h×nh 3.13a). ¸p suÊt (p) g©y nªn lùc F t¸c ®éng lªn c¸c b¶n ¸p ®iÖn, lµm xuÊt hiÖn trªn hai mÆt cña b¶n ¸p ®iÖn mét ®iÖn tÝch Q tØ lÖ víi lùc t¸c dông: Q = kF Víi F = p.S, do ®ã: Q = kpS Trong ®ã: k - h»ng sè ¸p ®iÖn, trong tr−êng hîp th¹ch anh k = 2,22.10-12 C/N. S - diÖn tÝch h÷u Ých cña mµng. §èi víi bé chuyÓn ®æi sö dông phÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng (h×nh 3.13c), ®iÖn tÝch trªn c¸c b¶n cùc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 4dh Q = kF (3.21) D − d2 2 Trong ®ã: D, d - ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña phÇn tö ¸p ®iÖn. h - chiÒu cao phÇn phñ kim lo¹i. Trªn h×nh 3.13b tr×nh bµy ¸p kÕ dïng bé chuyÓn ®æi ¸p ®iÖn d¹ng tÊm m¾c song song. Giíi h¹n trªn cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn tõ 2,5 - 100 MPa, cÊp chÝnh x¸c 1,5; 2. Bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn cã håi ®¸p tÇn sè rÊt tèt nªn th−êng dïng ®Ó ®o ¸p suÊt thay ®æi nhanh, tuy nhiªn chóng cã nh−îc ®iÓm lµ nh¹y c¶m víi sù thay ®æi nhiÖt ®é. 3.4.3. ¸p kÕ ®iÖn dung ¸p kÕ ®iÖn dung sö dông bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn dung (h×nh 3.14). H×nh 3.14a tr×nh bµy cÊu t¹o mét ¸p kÕ ®iÖn dung, bé chuyÓn ®æi gåm b¶n cùc ®éng lµ mµng kim lo¹i (1), vµ b¶n cùc tÜnh (2) g¾n víi ®Õ b»ng c¸ch ®iÖn th¹ch anh (4). D−íi t¸c ®éng cña ¸p suÊt cÇn ®o, b¶n cùc ®éng biÕn d¹ng lµm cho kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi vµ ®iÖn dung cña tô ®iÖn thay ®æi theo. - 59 -
2 4 2 1 p1 p2 3 4 1 5 p b) a) H×nh 3.14 Bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn dung 1) B¶n cùc ®éng 2&3) B¶n cùc tÜnh 4) C¸ch ®iÖn 5) DÇu silicon Sù phô thuéc cña ®iÖn dung C vµo ®é dÞch chuyÓn cña mµng cã d¹ng: s C=ε (3.22) δ + δ0 Trong ®ã: ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña c¸ch ®iÖn gi÷a hai b¶n cùc. δ0 - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÖn cùc khi ¸p suÊt b»ng 0. δ - ®é dÞch chuyÓn cña mµng. H×nh 3.14b tr×nh bµy cÊu t¹o mét ¸p kÕ ®iÖn dung kiÓu vi sai gåm hai b¶n cùc tÜnh (2) vµ (3) g¾n víi chÊt ®iÖn m«i cøng (4), kÕt hîp víi mµng (1) n»m gi÷a hai b¶n cùc ®Ó t¹o thµnh hai tô ®iÖn C12 vµ C13. Kho¶ng trèng gi÷a c¸c b¶n cùc vµ mµng ®iÒn ®Çy bëi dÇu silicon (5). C¸c ¸p suÊt p1 vµ p2 cña hai m«i tr−êng ®o t¸c ®éng lªn mµng, lµm mµng dÞch chuyÓn gi÷a hai b¶n cùc tÜnh vµ t¹o ra biÕn thiªn cña dßng tÝn hiÖu im (cung cÊp bëi nguån nu«i) tØ lÖ víi ¸p suÊt gi÷a hai m«i tr−êng: C1 − C 2 i m = K1 = K( p1 − p 2 ) (3.23) C1 + C 2 §Ó biÕn ®æi biÕn thiªn ®iÖn dung C thµnh tÝn hiÖu ®o l−êng, th−êng dïng m¹ch cÇu xoay chiÒu hoÆc m¹ch vßng céng h−ëng LC. Bé c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung ®o ®−îc ¸p suÊt ®Õn 120 MPa, sai sè ± (0,2 - 5)%. 3.4.4. ¸p kÕ ®iÖn c¶m ¸p kÕ ®iÖn c¶m sö dông bé chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m lµm viÖc theo nguyªn t¾c hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ kiÓu khe tõ biÕn thiªn hoÆc kiÓu biÕn ¸p vi sai. - 60 -
a) ¸p kÕ ®iÖn c¶m kiÓu khe tõ biÕn thiªn ¸p kÕ ®iÖn c¶m kiÓu khe tõ biÕn thiªn sö dông bé chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m kiÓu khe tõ biÕn thiªn (h×nh 3.15), gåm tÊm s¾t tõ ®éng g¾n trªn mµng (1) vµ nam ch©m ®iÖn cã lâi s¾t (2) vµ cuén d©y (3). D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt ®o, mµng (1) dÞch chuyÓn lµm thay ®æi khe hë tõ (δ) gi÷a tÊm s¾t tõ vµ lâi tõ cña nam ch©m ®iÖn, do ®ã thay ®æi ®é tù c¶m cña cuén d©y. p 1 δ 2 3 H×nh 3.15 ¸p kÕ ®iÖn c¶m kiÓu khe tõ biÕn thiªn 1) TÊm s¾t tõ 2) Lâi s¾t tõ 3) Cuén d©y NÕu bá qua ®iÖn trë cuén d©y, tõ th«ng t¶n vµ tæn hao trong lâi tõ th× ®é tù c¶m cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau: W2 L= (3.24) l tb / (µS tb ) + δ / (µ 0 S 0 ) Trong ®ã: W - sè vßng d©y cña cuén d©y. ltb, Stb: chiÒu dµi vµ diÖn tÝch trung b×nh cña lâi tõ. δ, S0 - chiÒu dµi vµ tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ. µ, µ0 - ®é tõ thÈm cña lâi tõ vµ kh«ng khÝ. Th«ng th−êng ltb/(µStb)
§Ó ®o ®é tù c¶m L ng−êi ta dïng cÇu ®o xoay chiÒu hoÆc m¹ch céng h−ëng LC. b) ¸p kÕ ®iÖn c¶m kiÓu biÕn ¸p vi sai ¸p kÕ ®iÖn c¶m lo¹i nµy sö dông bé chuyÓn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai (h×nh 3.16). 1 2 5 R1 I1 E Ur R2 p 6 3 4 H×nh 3.16 S¬ ®å cÊu t¹o nguyªn lý cña bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai 1) Lß xo vßng 2) Bé biÕn ®æi 3) Lâi thÐp 4) Cuén s¬ cÊp 5&6) Cuén thø cÊp Bé biÕn ®æi gåm mét khung c¸ch ®iÖn trªn ®ã quÊn cuén s¬ cÊp (4). Cuén thø cÊp gåm hai cuén d©y (5) vµ (6) quÊn ng−îc chiÒu nhau. Lâi thÐp di ®éng (3) nèi víi lß xo (1). §Çu ra cña cuén thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1, cho phÐp ®iÒu chØnh giíi h¹n ®o trong ph¹m vi ±25%. Nguyªn lý lµm viÖc: dßng ®iÖn I1 ch¹y trong cuén s¬ cÊp sinh ra tõ th«ng biÕn thiªn trong hai nöa cuén thø cÊp, lµm xuÊt hiÖn trong hai nöa cuén d©y nµy c¸c suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng e1 vµ e2: e1 = 2 πf .I1M 1 e 2 = 2 πf .I1M 2 Trong ®ã M1 vµ M2 lµ hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ c¸c nöa cuén thø cÊp. Hai nöa cuén d©y ®Êu ng−îc chiÒu nhau, do ®ã suÊt ®iÖn ®éng trong cuén thø cÊp: E = e1 − e 2 = 2πfI1 (M1 − M 2 ) = 2πfI1M §èi víi phÇn tö biÕn ®æi chuÈn cã ®iÖn trë cöa ra R1 vµ R2 th× ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: Vra = 2 πfI1M ra (3.26) Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc ®é dÞch chuyÓn cña lâi thÐp: - 62 -
δ M ra = M max (3.27) δ max Trong ®ã Mmax lµ hç c¶m lín nhÊt cña cuén s¬ cÊp vµ cuén thø cÊp øng víi ®é dÞch chuyÓn lín nhÊt cña lâi thÐp. Tõ ph−¬ng tr×nh (3.26) vµ (3.27), t×m ®−îc ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi: 2 πfI1M max Vra = δ (3.28) δ max - 63 -