- 126 -
Ch−¬ng VIII
C¶m biÕn ®o ¸p suÊt CHÊT l−u
8.1. ¸p suÊt vµ nguyªn lý ®o ¸p suÊt
8.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o
¸p suÊt lµ ®¹i l−îng cã gi¸ trÞ b»ng tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét
mÆt víi diÖn tÝch cña nã:
ds
dF
p= (8.1)
§èi víi c¸c chÊt láng, khÝ hoÆc h¬i (gäi chung lµ chÊt l−u), ¸p suÊt lµ mét th«ng
sè quan träng x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng häc cña chóng. Trong c«ng nghiÖp,
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.
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 8.1 tr×nh bµy c¸c ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a chóng.
B¶ng 8.1
§¬n vÞ
¸p suÊt
pascal
(Pa)
bar
(b) kg/cm2 atmotsphe
(atm) mmH2O mmHg mbar
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 1,02.104 750 103
1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102
1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104760 1,013.103
1mmH2O 9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098
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
Edited by Foxit Reader
Copyright(C) by Foxit Corporation,2005-2010
For Evaluation Only.
- 127 -
8.1.2. Nguyªn lý ®o ¸p suÊt
§èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u lµ ¸p suÊt tÜnh (pt):
t
pp = (8.2)
Do vËy ®o ¸p suÊt chÊt l−u thùc chÊt lµ x¸c ®Þnh lùc t¸c dông lªn mét diÖn tÝch thµnh
b×nh. §èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng chøa trong mét èng hë ®Æt th¼ng ®øng, ¸p
suÊt tÜnh t¹i mét ®iÓm M c¸ch bÒ mÆt tù do mét kho¶ng (h) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc
sau:
ghpp 0
ρ
+= (8.3)
Trong ®ã:
p
0 - ¸p suÊt khÝ quyÓn.
ρ - khèi l−îng riªng chÊt l−u.
g- gia tèc träng tr−êng.
§Ó ®o ¸p suÊt tÜnh cã thÓ tiÕn hµnh b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau:
- §o ¸p suÊt chÊt l−u lÊy qua mét lç ®−îc khoan trªn thµnh b×nh nhê c¶m biÕn
thÝch hîp.
- §o trùc tiÕp biÕn d¹ng cña thµnh b×nh do ¸p suÊt g©y nªn.
Trong c¸ch ®o thø nhÊt, ph¶i sö dông mét c¶m biÕn ®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
mÉu 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, c¶m biÕn th−êng trang bÞ thªm
bé phËn chuyÓn ®æi ®iÖn. §Ó sai sè ®o nhá, thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ c¶m biÕn
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.
§èi víi chÊt l−u chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u (p) lµ tæng ¸p suÊt tÜnh (pt) vµ
¸p suÊt ®éng (p®) :
dt ppp
+
= (8.4)
¸p suÊt tÜnh t−¬ng øng víi ¸p suÊt g©y nªn khi chÊt láng kh«ng chuyÓn ®éng, ®−îc
®o b»ng mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p tr×nh bµy ë trªn. ¸p suÊt ®éng do chÊt l−u
chuyÓn ®éng g©y nªn vµ cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi b×nh ph−¬ng vËn tèc chÊt l−u:
2
v
p
2
d
ρ
= (8.5)
- 128 -
Trong ®ã ρ lµ khèi l−îng riªng chÊt l−u.
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. Do vËy, ¸p suÊt
®éng ®−îc ®o th«ng qua ®o chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. Th«ng
th−êng viÖc ®o hiÖu (p - pt) thùc hiÖn nhê hai c¶m biÕn nèi víi hai ®Çu ra cña mét
èng Pitot, trong ®ã c¶m biÕn (1) ®o ¸p suÊt tæng cßn c¶m biÕn (2) ®o ¸p suÊt tÜnh.
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 8.2), nh− vËy tÝn hiÖu do c¶m biÕn cung cÊp chÝnh lµ
chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh.
8.2. ¸p kÕ vi sai dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng thuû tÜnh
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.
8.2.1. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao
¸p kÕ vi sai kiÓu phao gåm hai b×nh th«ng nhau, b×nh lín cã tiÕt diÖn F vµ
b×nh nhá cã tiÕt diÖn f (h×nh 8.3). 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.
Khi ®¹t sù c©n b»ng ¸p suÊt, ta cã:
()
(
)
21m21 hhgpp
+
ρ
−
ρ
=−
c¶m biÕn
2
c¶m biÕn
1
H×nh 8.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot
p pt
H×nh 8.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng
1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn
1 2
- 129 -
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.
¸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 ¶nh h−ëng ®Õn ®èi t−îng ®o vµ m«i
tr−êng.
8.2.2. ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng
CÊu t¹o cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng gåm chu«ng (1) nhóng trong chÊt láng
lµm viÖc chøa trong b×nh (2).
MÆt kh¸c tõ c©n b»n
g
thÓ tÝch ta cã:
21 h.fh.F =
Suy ra:
()()
()
21
m
1pp.
gf/F1
1
h−
ρ−ρ+
= (8.6)
Khi møc chÊt lán
g
tron
g
b×nh lín tha
y
®æi (h1 tha
y
®æi),
p
hao cña ¸
p
kÕ dÞch
chu
y
Ón vµ
q
ua c¬ cÊu liªn kÕt lµm
q
ua
y
kim
chØ thÞ trªn ®ång hå ®o. BiÓu thøc (8.6) lµ
p
h−¬n
g
tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸
p
kÕ vi sai
kiÓu phao.
H×nh 8.3. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao
1
2
h2
h1
1
2
3
4
56
7
H×nh 8.4 ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng
1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ
dx
p
1
p
2
d
y
3
p
1
p
2
A
B
3
dH
a) b)
1
2
- 130 -
Khi ¸p suÊt trong buång (A) vµ (B) b»ng nhau th× n¾p chu«ng (1) ë vÞ trÝ c©n
b»ng (h×nh8.4a), khi cã biÕn thiªn ®é chªnh ¸p d(p1-p2) >0 th× chu«ng ®−îc n©ng lªn
(h×nh 8.4b). Khi ®¹t c©n b»ng ta cã:
()
(
)
(
)
ρ
−
ρ
∆
+
=
−m21 g.fdydHF.ppd (8.8)
Víi:
d
y
dxdh
+
=
()
(
)
gdhppd m21
ρ
−
ρ
=
−
(
)
dxFdH.ffdy
−
Φ
+
∆=
Trong ®ã:
F - tiÕt diÖn ngoµi cña chu«ng.
dH - ®é di chuyÓn cña chu«ng.
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:
()
()
21
m
ppd
g.f
f
dH −
ρ−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:
()
()
21
m
pp
g.f
f
H−
ρ−ρ∆
= (8.9)
¸p kÕ vi sai cã ®é chÝnh x¸c cao cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt thÊp vµ ¸p suÊt ch©n
kh«ng.
8.3. C¶m biÕn ¸p suÊt dùa trªn phÐp ®o biÕn d¹ng
Nguyªn lý chung cña c¶m biÕn ¸p suÊt lo¹i nµy dùa trªn c¬ së sù biÕn d¹ng
®µn håi cña phÇn tö nh¹y c¶m víi t¸c dông cña ¸p suÊt. C¸c phÇn tö biÕn d¹ng
th−êng dïng lµ èng trô, lß xo èng, xi ph«ng vµ mµng máng.