Giáo trình kiểm nhiệt tự động hóa ( Hoàng Minh Công ) - Chương 3

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

Thêm vào BST

Báo xấu

112
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đo áp suất 3.1. áp suất và ph-ơng 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. Bởi vậy, việc đo áp suất chất l-u có ý...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình kiểm nhiệt tự động hóa ( Hoàng Minh Công ) - Chương 3

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 -