Đo tự động hiệu áp suất khí

n phải đo khi không thể bỏ qua ảnh hưởng của áp suất khí quyển, lấy ví dụ như: khi nghiên cứu trạng thái của vật thể công tác, khi xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng vv. Trong công nghiệp hoặc trong nghiên cứu khoa học, giá trị áp suất được qua tâm nhiều nhất là áp suất dư và áp suất chân không, đồng thời giá trị hiệu áp suất cũng được chú ý đến rất nhiều đặc biệt trong các dây truyền công nghệ máy hoá chất, trong đo lường cũng như điều khiển bằng khí nén. áp suất toàn phần là giá trị áp suất tuyệt đối của môi trường. Nó có giá trị bằng tổng áp suất dư Pd và áp suất khí quyển Pk . Hay P = Pd + Pk Pd = P - Pk Nghĩa là áp suất dư là giá trị áp suất môi trường lớn hơn áp suất khí quyển. áp suất chân không được xác định bằng áp suất khí quyển trừ đi áp suất toàn phần và thấp hơn áp suất khí quyển. P = Pk - P . Thiết bị đo áp suất cũng được chia thành: Đo áp suất khí quyển, đo áp suất toàn phần, đo áp suất dư và đo áp suất chân không (áp suất âm ) Đơn vị đo áp suất theo hệ SI được gọi là PASCAL ( Pa ) là lực tácc dụng lên một m2 diện tích bằng 1 Niutơn (N/ m2). Giá trị áp suất lớn được biểu diễn dưới dạng megapascal (MPa). 1MPa = 106 Pa. Trong thực tế, đơn vị đo áp suất thường dùng là KG/cm2 hay gọi là atmotphe kỹ thuật (at) là lực tác dụng lên 1 cm2 bằng 1 KG và mm cột nước hoặc mm cột thuỷ ngân khi đo áp suất chất lỏng bằng chiều cao cột dịch thể. Đơn vị mm cột nước được tính điều kiện chuẩn ở 40 C còn mm cột thuỷ ngân (hay torr) ở 00 C. Mối liên hệ giữa các đơn vị đo áp suất: 1 KG/cm2 = 0,1 MPa = 10000 H20 = 735,56 mmHg. Ngoài ra các tài liệu vật lý và kỹ thuật còn gặp đơn vị đo áp suất là bar. 1 bar = 1,02 KG/cm2. Thiết bị đo áp suất bao gồm hai loại: áp kế dịch thể mức nhìn và hệ thống tự động đo áp suất. 1.1 áp kế dịch thể mức nhìn. áp kế dịch thể mức nhìn là những thiết bị đầu tiên được sử dụng để đo áp suất. Chúng bao gồm: áp kế chữ U, áp kế chén, các vi áp kế, áp kế chuông và áp kế phao. Nguyên lý làm việc của áp kế dịch thể mức nhìn là sự hình thành cột dịch thể chênh lệch giữa hai mức dịch thể thông nhau dưới tác động của hai áp suất khác nhau. Hiệu số của hai áp suất này được xác định thông qua dọc cột dịch thể giữa hai mức. 1.1.1 áp kế chữ U. áp kế chữ U là thiết bị đo áp suất tại chỗ. Nó có thể để đo áp suất dư, áp suất chân không và hiệu áp suất giữa hai môi trường. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của áp kế chữ U được mô tả trên (hình 1-1). Cấu tạo cơ bản của nó là một ống thuỷ tinh được uốn cong hình chữ U thường chứa dịch thể đầy nửa chiều cao của ống và một thang chia độ bảo đảm đọc được cả hai mức dịch thể ở hai bên. Dịch thường được sử dụng là nước hoặc thuỷ ngân và thỉnh thoảng cả các dịch thể khác. Đường kính bên trong không được nhỏ hơn 8 á 10 mm và tốt nhất là đồng đều theo chiều dài của ống. Khi sử dụng áp kế chữ U phải được lắp đặt theo phương thẳng đứng. Để đo áp suất dư hoặc áp suất chân không thì một đầu ống chữ U được nối thông với môi trường đo, còn đầu còn lại thông với khí quyển. Nếu đo hiệu áp suất thì hai đầu ống được nối với hai môi trường đo. Đơn vị đo áp suất thường được sử dụng là mm cột nước nếu dịch thể sử dụng là nước và mm cột thuỷ ngân nếu dịch thể trong ống là thuỷ ngân. Có thể chuyển đổi đơn vị đo sang Pascal theo công thức: P = P1- P2 = h.g.r (Pa). Nếu môi trường phía trên hai bề mặt dịch thể có khối lượng riêng nhỏ. Trong đó: h - cột dịch thể chênh lệch giữa hai mức (h = h1 + h2), (m); g - gia tốc trọng trường địa phương, (m/s2); r - khối lượng riêng của dịch thể trong ống, (kg/m3); Nếu môi trường phía trên hai bề mặt dịch thể có khối lượng riêng lớn thì công thức chuyển đổi có dạng: P = hg(r - rm), (Pa). Trong đó: r khối lượng riêng môi trường trên bề mặt dịch thể (kg/m3). Sai số cơ bản của áp kế chữ U là do kết quả tính đọc áp suất đo được. Khi độ chia của thang là 1 mm thì sai số tổng cộng đọc cả hai mức sẽ là 2 mm. Giá trị tỷ trọng của dịch thể lấy trong các bảng chuẩn với sai số không quá 0,005%, nghĩa là có thể bỏ qua. 1.1.2 áp kế chén. áp kế chén hay còn gọi là áp kế một ống. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mô tả trong (hình 1-2). Bao gồm một bình hình trụ nối thông với một ống thuỷ tinh và một thang chia độ. Diện tích bề mặt của bình lớn hơn rất nhiều tiết diện của đường ống. Dịch thể được chứa trong bình sao cho mức của nó trong ống nằm ngang chỉ số 0 trên thang chia độ. áp kế chén có thể dùng để đo áp suất dư nếu miệng bình được nối thông với môi trường đo còn miệng ống thuỷ tinh thông với khí quyển. Khi đo hiệu suất của hai môi trường thì áp suất lớn hơn được nối thông với miệng bình, còn áp suất bé hơn được nối thông với miệng ống. Khi đo thì mức dịch thể trong ống tăng lên, còn trong bình giảm xuống. Giả sử dưới tác động của áp suất dịch thể trong ống tăng lên h1 so với mức 0 và trong bình giảm xuống h2 thì chiều cao cột dịch thể tương ứng với áp suất đo được sẽ là: h = h1 + h2 Nếu diện tích bề mặt là F2 và tiết diện ống là F1 thì ta có: F2.h2 = F1.h1 Hay: Trong đó: d- đường kính trong của ống (m); D- đường kính trong của bình : Như vậy: Chiều cao thực tế h tương ứng với giá trị đo được lớn hơn chiều cao đọc được h1 giá trị bằng h1.d2/D2. Giá trị náy được tính toán để hiệu chỉnh kết quả đo hoặc có thể sử dụng để hiệu chỉnh khi tiến hành chia độ cho áp kế. Ưu điểm cơ bản của áp kế chén là chỉ đọc một giá trị mức. Như vậy nếu độ chia của thang là 1 mm thì sai số đo là ± 1mm. Trong trường hợp không tiến hành hiệu chỉnh chỉ số đo do mức dịch thể trong bình giảm xuống thì sai số của phép đo là ± (1+h1.d2/D2) (mm). 1.1.3 Vi áp kế nghiêng. Vi áp kế nghiêng được sử dụng để đo các giá trị áp suất với độ chính xác cao. Nó có thể sử dụng để đo áp suất dư, chân không hoặc hiệu áp suất. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của vi áp kế nghiêng được mô tả trên (hình 1. 3). Về cơ bản vi áp kế nghiêng có cấu tạo tương đương như áp kế chén. Sự khác nhau cơ bản ở đây là ống thuỷ tinh có khắc độ mm có thể quay quanh trục 0 để tạo nên những độ nghiêng cần thiết nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của phép đo khi đo những áp suất nhỏ. Dịch thể được sử dụng trong vi áp kế nghiêng thường là cồn chứa đầy trong bình lớn đến ngang mức 0 trong ống thuỷ tinh. Dưới tác động của áp suất đo P mức dịch thể trong ống thuỷ tinh tăng lên còn trong bình lớn giảm xuống. Chiều cao cột dịch thể tương ứng với áp suất đo được áp dụng theo công thức: h = h1 + h2 = nsina + h2 Trong đó : n- độ dài cột dịch thể trong ống nghiêng. a- góc nghiêng của ống thuỷ tinh. Nếu F1 và F2 là diện tích của thiết diện của ống và bình thì ta có: n.F1 = h2.F2 Như vậy: Đơn vị đo của h là mm cột dịch thể trong bình, n là độ chia milimet, sai số đọc của n là ± 1 mm thì sai số của phép đo của h sẽ là: Dh = ±(sina + ) (mm cột dịch trong thể tích) Kết quả đo có thể biểu diễn dưới dạng đơn vị áp suất Pa theo công thức: ( Pa ). Trong đó: n- là độ dài cột dịch thể trong ống nghiêng (m). r- tỷ trọng của dịch thể áp kế, (KG/m3) là hệ số áp kế Nếu tỷ số > 1/400 thì trong công thức xác định áp suất có thể bỏ qua tỷ số này và ta có: P= nrsina=nk1 Với k1 = rsina. 1.1.4 Vi áp kế bù. Vi áp kế bù là thiết bị được sử dụng để đo các áp suất nhỏ với độ chính xác cao (0.06 mm cột nước). Vi áp kế bù có thể sử dụng để đo áp suất dư, áp suất chân không hoặc hiệu áp suất giữa hai môi trường. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của vi áp kế bù được mô tả trên (hình 1. 4). Cấu tạo của nó gồm hai bình 1 và 2 được nối thông với nhau bằng ống cao su 3. Giữa tâm của bình 2 có ê-cu liên kết ren với vít 4 bảo đảm khi vít 4 quay thì bình 2 sẽ được nâng hạ theo chiều quay của vít. Đầu dưới của vít 4 liên kết khớp với thân thiết bị, còn đầu trên của vít được gắn cố định với đầu quay có thang chia độ 5. Đầu nối 7 thông với phía trên của bình 2. Để đo áp suất dư, đầu nối 6 được nối thông với môi trường đo còn đầu 7 thông với khí quyển. áp suất chân không đo được khi đầu nối 7 thông với môi trường đo còn đầu nối 6 thông với khí quyển. Khi đo áp suất dư thì đầu 6 được nối thông với môi trường có áp suất lớn hơn, còn đầu 7 với môi trường có áp suất bé hơn. Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo của vi áp kế bù. Khi tiến hành đo áp suất thì phải xoay đầu quay 5 để nâng hoặc hạ bình 2 sao cho mức nước trong bình 1 vừa chạm đầu mũi nhọn của chốt mốc 11. Trạng thái này được xác định nhờ hệ thống quang học gồm thấu kính 9 và gương phản xạ 10. ánh sáng xuyên qua tấm kính mặt bên 8 cho phép quan sát được sự tiếp xúccủa đầu mũi nhọnchốt mốc 11 với ánh xạ của nó từ bề mặt của nước thông qua hệ thống quang học. Khi mức nước trong bình 1 tiếp xúc với đầu mũi nhọn của chốt mốc 11 thì trong gương11 sẽ quan sát được hình ảnh như hình A. Kết quả áp suất đo được biểu diễn dưới dạng milimet cột nước h và được xác định trực tiếp thông qua hai thang đo: thô 12 và tinh 5. Thang thô có độ chia 2 mm H2O còn thang tinh có độ chia 0.01 mm H2O. Trước khi đưa thiết bị vào sử dụng phải hiệu chỉnh thiết bị. Kim chỉ 13 và đầu vặn 5 phải đặt ở vị trí không của thang chia độ. Nếu trong thiết bị chưa có dịch thể thì phải đổ nước cất vào trong bình 1 và 2 sao cho mức nước trong bình 1 đạt đến giá trị cần thiết, nghĩa là vừa tiếp xúc với mũi nhọn của chốt mốc 11. Nếu trường hợp mức dịch thể trong bình 1 không đạt giá trị cần thiết thì phải vặn vít 14 để hiệu chỉnh vị trí của bình 1 bảo đảm trạng thái mong muốn của hệ thống. Các áp kế dịch thể đều chịu chung một sai số phụ do sự thay đổi nhiệt độ và gia tốc trọng trường. Theo điều kiện chuẩn nước được lấy ở điều kiện nhiệt độ 40C còn thuỷ ngân 00C với gia tốc trọng trường 9.80665 m/s2. Đồng thời chiều dài thang chia độ được xác định ở 200C. Nếu chiều cao cột dịch thể là h1 tương ứng với nhiệt độ t thì chiều cao này chuyển đổi sang nhiệt độ chuẩn được xác định theo công thức: h0 = ht[ 1 - b(t - t0) + a(t - 20) ] Giá trị hiệu chỉnh theo nhiệt độ dược xác định theo công thức: Δht = ho- ht = ht[ a( t - 20) - b( t - t0)] Trong đó: b- là hệ số dãn nở trung bình của dịch thể ở vùng nhiệt độ đo; a- là hệ số dãn nở trung bình của vật liêu làm thang chia độ; Trường hợp chiều cao cột dịch thể ở điều kiện gia tốc trọng trường g là hg thì sẽ được chuyển đổi sang điều kiện chuẩn sẽ có chiều cao là: Và giá trị hiệu chỉnh theo gia tốc trọng trường sẽ là: Như vậy giá trị thực chiều cao cột dịch ở điều kiện tiêu chuẩn được xác định theo công thức: h0n = htg + Dht + Dhn Để đo những áp suất thấp các cảm biến dịch thể đã được chế tạo. Đặc trưng nhất cho các cảm biến này là áp kế chuông và áp kế phao. 1.1.5 áp kế chuông. (Hình1.5) mô tả sơ đồ nguyên lý cấu tạo của áp kế chuông. Bình kín 3 trong đựng dầu biến thế cùng chuông 1 treo trên lò xo 2. Hệ thống dịch thể, chuông 2 và bình kín 3 tạo thành hai khoảng không ngăn cách nhau, không gian trong lòng chuông được nối thông với đường dẫn áp (+) cò không gian ngoài chuông thông với đường dẫn áp (-). Khi áp suất trong chuông và ngoài chuông bằng nhau thì hệ thống ở trạng thái cân bằng, mức dịch thể trong chuông và ngoài chuông bằng nhau. Trọnglượng của chuông treo hoàn toàn trên lò xo 2 (lực đẩy thuỷ tĩnh có thể bỏ qua vì thành chuông mỏng, thể tích phần ngập trong dịch thể không đáng kể). Ta có: C1.L = Gc Trong đó: C1 - hệ số đàn hồi của lò xo; KG/m; Gc - trọng lượng của chuông; KG; L - chiều dài biến dạng ban đầu lò xo, m; Khi xuất hiện hiệu áp suất ở trong và ngoài chuông DP = P1 - P2 thì trạng thái cân bằng của hệ thống bị phá vỡ chuông bị đẩy lên, mức dịch thể trong chuông giảm xuống ngoài chuông tăng lên. Dịch thể đạt trạng thái cân bằng khi chiều cao cột dịch thể chênh lệch mức giữa ngoài chuông và trong chuông cân bằng với hiệu áp suất, còn chuông đạt trạng thái cân bằng khi tổng hợp lực tác động lên chuông bằng không. Giả sử chuông dịch chuyển một khoảng bằng H so với vị trí ban đầu thì: Gc - DP.F = C1.(L - H) trong đó: F - diện tích đáy chuông (m2) DP - hiệu áp suất tính bằng KG Như vậy: H = . P Hệ số nhạy cảm của biến Như vậy hệ số nhạy cảm của áp kế chuông có thể thay đổi bằng cách thay đổi diện tích đáy của chuông hoặc hệ số đàn hồi của lò xo. 1.1.6 áp kế phao. Nguyên lý hoạt động của áp kế phao hoàn toàn tương đương như áp kế chén. Tuy nhiên ở đây cấu tạo là hai bình một bình lớn và một bình nhỏ có tỷ lệ đường kính mong muốn. Nguyên lý cấu tạo của áp kế phao được mô tả trong (hình 1.6) bình lớn có đương kính D trên bề mặt dịch thể có phao 1, bình bé có đường kính d. áp kế phao có thể sử dụng đo áp suất dư, áp suất chân không hoặc hiệu áp suất. Khi áp suất trong hai bình bằng nhau thì mức dịch thể trong hai bình ngang nhau. Đây là mức không của áp kế. Khi đo hiệu áp suất thì bình lớn được thông với môi trường có áp suất cao, còn bình bé thông với môi trường có áp suất thấp. Dưới tác động của áp suất mức dịch thể trong bình lớn giảm xuống một khoảng h2 còn bình bé tăng lên một khoảng h1 và tạo nên cột dịch thể h = h1 + h2 cân bằng với hiệu áp suất ở hai bình. Ta có: h1.d2 = h2.D2 h.d2 - h2.d2 = h2.D2 h2 = . h Nếu mật độ của môi trường trên bề mặt chất lỏng rất bé so với mật độ của chất lỏng thì ta có: Trong đó: r - mật độ dịch thể, kg/m3; g - gia tốc trọng trường, m/s2; DP - hiệu áp suất, N/m2; h2 - sự thay đổi mức dịch thể, m; Nếu bỏ qua những tác động khác lên phao thì độ dịch chuyển của phao so với vị trí ban đầu cũng chính là h2. Như vậy độ chuyển dịch của phao là đại lượng xác định hiệu áp suất DP gữa bình lớn và bình bé. 1.2 Hệ thống tự động đo áp suất. Tất cả các áp kế dịch thể giới thiệu trên đây đều là những thiết bị đặt tai chỗ. Kết quả đo không thể chuyển đi xa. Trong công nghiệp đòi hỏi phải chuyển dần tín hiệu đo được đến những nơi cần thiết. Các hệ thống đo áp suất tự động đáp ứng được các yêu cầu này. Cấu trúc của một hệ thống đo áp suất tự động được mô tả trong (hình 1.7) n Chỉ thị đo Chuyển đổi đo Cảm biến do p u Hình 1.7. Cấu trúc của hệ thống đo áp suất tự động . Hệ thống gồm ba thành phần: cảm biến đo, chuyển đổi đo và chỉ thị đo. Vai trò cảm biến đo là nhận tín hiệu áp suất P và chuyển đổi sang tín hiệu khác. Phần lớn các cảm biến đo áp suất đều có tín hiệu dưới dạng dịch chuyển cơ học l. Chuyển đổi đo làm nhiệm vụ chuyển độ dịch chuyển cơ học sang tín hiệu điện hay tín hiệu áp suất khí nén để truyền về cho thiết bị vhỉ thị đo thường được đặt ở điều khiển trung tâm. 1.2.1 Các cảm biến đo. Cảm biến đo áp suất thường được sử dụng nhất hiện nay là các cảm biến đàn hồi. Cảm biến áp suất silic kiểu điện dung. Cảm biến đo áp suất đàn hồi. Nguyên lý làm việc của cảm biến đàn hồi là dựa vào tính chất của các vật thể đàn hồi. Dưới tác động của áp suất các vật thể đàn hồi biến dạng sinh ra lực đàn hồi chống lại sự tác động của lực áp suất. Khi hai lực cân bằng thì quá trình biến dạng kết thúc hình thành mối liên hệ giữa độ biến dạng l của vật thể đàn hồi và áp suất tác động lên nó. Đây là một trong những đặc trưng cơ bản của cảm biến đàn hồi. Đặc tính tĩnh của cảm biến đàn hồi l = f(p) có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính phụ thuộc vào cấu trúc và hình thức tác động lên nó. Thông thường khi thiết kế các cảm biến đàn hồi cố gắng nhận được đặc tính của nó hoặc tìm các biện pháp để tuyến tính hoá nếu gặp phải đặc tính phi tuyến tính. Thông số quan trọng nhất xác định chất lượng làm việc của cảm biến đàn hồi là độ cứng của nó hay giá trị nghịch đảo của độ cứng là độ nhạy. Nếu đặc tính của cảm biến đàn hồi là tuyến tính thì độ cứng của nó xác định theo công thức: k = (Pa / m hay KG / cm2 mm) và độ nhạy của cảm biến đàn hồi : S = (m/Pa hay mm / KG / cm2). Trong trường hợp đặc tính của cảm biến đàn hồi là phi tuyến tính thì độ cứng và độ nhạy của nó được xác định theo các công thức: và Các cảm biến đàn hồi thường được sử dụng là: lò xo ống một vòng, lò xo ống nhiều vòng, màng đàn hồi, màng hộp đàn hồi, màng hộp nhiều tầng, xinphôn. Lò xo ống một vòng có sơ đồ cấu trúc được mô tả trong (hình 1.8). Cấu tạo cơ bản của nó là ống lò xo có tiết diện hình elíp hoặc hình ôvan được uốn tròn với góc ở tâm g = 200 + 2700. Trục lớn của elíp (hoặc ôvan) vuông góc với bán kính cong của ống lò xo. Một đầu của ống lò xo được gắn cố định thông với đường dẫn áp suất, đầu còn lại được bịt kín và nối liên kết với thiết bị chuyển đổi hay thiết bị khác. Dưới tác động của áp suất được dẫn vào trong ống tiết diện của ống sẽ biến dạng từ hình elíp (hoặc ôvan) chuyển về hướng hình tròn. Do sự biến dạng của tiết diện, để bảo vệ độ dài vốn có, độ cong của ống giảm, bán kính ống lò xo tăng lên nếu bán kính cong của ống tăng và độ dày thành ống giảm. Đặc tính tĩnh của lò xo ống l = f(p) có thể xem là tuyến tính. Lò xo ống nhiều vòng có nguyên lý làm việc tương đương như lò xo ống một vòng, nhưng cấu tạo của nó gồm nhiều vòng. Mục đích của là xo nhiều vòng là tăng độ nhạy của cảm biến khi không thể tăng bán kíng của ống. Trong thực tế lò xo nhiều vòng ít được sử dụng hơn lò xo ống một vòng. Màng đàn hồi có nhiều loại: màng đàn hồi phẳng, màng đàn hồi lượn sóng, màng đàn hồi phi kim loại, màng dẻo và màng hộp. Màng đàn hồi phẳng được chế tạo bằng thép và đồng thau là những tấm mỏng hình tròn có độ nhạy cố định. Dưới tác động của áp suất phân bố đều, màng đàn hồi được kẹp chặt theo viền sẽ bị uốn cong. Nhưng ở đây không chỉ tồn tại quá trình biến dạng kéo mà cả biến dạng kéo. Do vậy đặc tính tĩnh của màng phẳng có dạng l = f(P) mang tính phi tuyến. Khi sử dụng màng phẳng chỉ sử dụng một khoảng hẹp đặc tính của nó. Màng đàn hồi phẳng được sử dụng trong các thiết bị đo áp suất có cấu trúc đặc biệt. Lấy ví dụ như thiết bị với các bộ chuyển đổi áp điện, chuyển đổi điện dung, chuyển đổi tenzo,vv… đây là những thiết bị có quán tính nhỏ, cho phép đo áp suất có tần số thay đổi lớn. Màng đàn hồi lượn sóng được sử dụng nhiều trong công nghiệp để làm cảm biến đo áp suất. Song bề mặt của màng có dạng sóng tròn làm tăng độ tin cậy làm việc của nó và tuyến tính hoá đặc tính của màng.(Hình 1.10).mô tả các dạng sóng của màng. Các dạng sóng này có thể là hình sin (1.10a) hình thang(1.10b) và hình răng cưa(1.10c). Tuy nhiên hình dáng của sóng ảnh hưởng rất ít đến đến chất của màng. Tính chất của màng phụ thuộc rất nhiều vào độ cao H của sóng và độ nhạy của màng. Hình 1.11 Đặc tính của màng phụ thuộc chiều cao của sóng. (Hình1.11) mô tả ảnh hưởng độ cao H của sóng lên đặc tính tĩnh của màng. Thí nghiệm được thực hiện cho màng có răng cưa, độ dày 0,32mm, đường kính màng 108 mm và đường kính vùng tâm 25mm, bước sóng 8mm. Màng phẳng (H = 0) có đặc tính phi tuyến tính. Khi độ cao của sóng là 0,6mm thì đặc tính tĩnh của màng đã được tuyến tính khá lớn. Tiếp tục tăng độ cao của sóng thì sẽ nhận được màng có đặc tính tuyến tính. Chiều cao của sóng càng tăng thì độ cứng của màng càng lớn và độ nhạy của nó càng giảm. Màng dẻo được mô tả trên (hình 1.12), dùng để đo áp suất nhỏ và hiệu số áp suất. Chúng là các mặt bích phẳng hay đĩa uốn nếp, có dạng chế tạo từ vải cao su, hay têflon. Màng dẻo phẳng hay uốn nếp dùng để tạo ra ứng suất đủ lớn khi có sự dịch chuyển không lớn. ứng suất di chuyển của màng dẻo phụ thuộc vào diện tích hiệu dụng và khi nhân với ứng suất tạo ra ứng suất đặt vào tâm hình học của màng. Diện tích hiệu dụng của màng dẻo phẳng, có mặt bích chịu nén trung gian. Khi độ võng của màng nhỏ gần bằng 1/3 diện tích hình học toàn phần (còn lại 2/3 diện tích truyền ứng suất cho gối đỡ) nghĩa là: Fhd = D2/ 12 D đường kính ổ đỡ màng. ứng suất di chuyển tạo nên trong màng: N = P. Fhd = P . D2 / 12. Trong nhiều trường hợp người ta chỉ sử dụng một phần di chuyển khả dĩ của màng (đến 100 %). Việc di chuyển lớn của màng có liên quan giữa lực N và dịch chuyển tâm của màng một cách phi tuyến. Để giảm độ phi tuyến và tăng ứng suất, người ta dùng màng dẻo có tâm cứng, nghĩa là màng được gắn cứng giữa hai đĩa kim loại. ứng suất tạo ra ở màng có tâm cứng dưới tác dụng của lực P là: N = (P) D : Đường kính của màng; d : Đường kính tâm đĩa cứng. Trong thực tế màng sóng đơn ít được sử dụng hơn là màng hộp. Cấu tạo của màng hộp được mô tả trên (hình1.13). Hình 1.13 Màng hộp đàn hồi. Màng hộp đàn hồi gồm hai màng sống hàn ghép lại với nhau tạo thành hộp kín. áp suất đo được dẫn vào trong lòng hộp và tác động lên cả hai màng sóng làm cho cả hai màng cùng biến dạng. Như vậy độ nhạy của cảm biến đo sẽ tăng lên. Độ nhạy của cảm biến đo càng tăng lên nếu ghép liên tiếp hai hoặc nhiều màng hộp lại với nhau. Các màng hộp chỉ sử dụng để đo áp suất dư hoặc áp suất chân không mà không thể sử dụng để đo hiệu áp suất giữa hai môi trường. (Hình 1.14) mô tả cấu trúc của cảm biến đo được sử dụng để đo áp suất dư, áp suất chân không hoặc hiệu áp suất của hai môi trường. Cấu tạo của nó gồm hai màng hộp đàn hồi nằm trong hai buồng kín A và B cách ly nhau. Không gian trong hai màng hộp thông với nhau và điền đầy nước nguyên chất. Khi đo áp suất dư thì đầu (+) được nối thông với môi trường đo còn đầu (-) nối thông với khí quyển. Để đo chân không thì môi trường đo được nối thông với đầu (-) còn đầu (+) thông với khi quyển. Giá trị hiệu áp suất được xác định khi đầu (+) được với môi trường đo áp suất cao, còn đầu (-) nối với môi trường có áp suất thấp Hình 1.14 Sơ đồ áp kế kiểu màng hộp đàn hồi. Nguyên lý hoạt động của cảm biến như sau: Dưới tác động của áp suất đo nước sẽ tràn từ hộp màng 2 sang hộp màng 1 làm cho cả hai màng đồng thời biến dạng sinh ra lực đàn hồi chống lại sự tác động của lực áp suất. Khi hai lực này cân bằng nhau thì quá trình dịch chuyển của nước dừng lại. Độ biến dạng l của màng hộp tỷ lệ với áp suất đo. Đặc tính tĩnh l = f(P) của cảm biến là hàm tuyến tính. Điều kiện chuẩn làm việc làm việc của cảm biến đo là 200C. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ làm cho thể tích của nước thay đổi làm các màng đàn hồi cùng thay đổi và gây ra sai số đo. Để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ lên cảm biến, khi chế tạo màng hộp 2 mỏng hơn màng hộp 1. Vì vậy khi thể tích nước thay đổi chỉ làm cho màng hộp 1 biến dạng, nghĩa là độ biến dạng l không bị ảnh hưởng của nhiệt độ khí quyển. Màng hộp phi kim loại được sử dụng để đo các áp suất nhỏ. Những màng này được chế tạo bằng vải lưới đặc biệt có phủ cao su chống được sự tác động của xăng dầu. Các màng phi kim loại thường có phần tâm cứng chiếm 0,8 đường kính làm việc của màng. Để đảm bảo giá trị diện tích hiệu dụng không thay đổi, phần vòng xuyến của màng thường có cấu trúc hình sóng. Màng có phần vòng xuyết phẳng ít được sử dụng, bởi vì diện tích hiệu dụng của loại màng này thay đổi rất lớn. Đặc tính tĩnh của màng phi kim loại thường được xác định bằng thực nghiệm mà không thể tính toán bằng giải tích. Độ cứng của màng phi kim loại thường rất nhỏ vì vậy trong cấu trúc của nó thường trang bị thêm lò xo. Trong trường hợp này cảm biến đàn hồi là sự kết hợp của lò xo và màng phi kim loại. Xinphôn là ống mỏng có sóng ngang dùng làm cảm biến đo áp suất không cao. Nó có thể sử dụng để đo áp suất dư, chân không hoặc hiệu áp suất. Khả năng chịu nén của xinphôn gấp 1,5 đến 2 lần áp suất tác động từ phía trong. Độ cứng của xinphôn phụ thuộc vào kích thước hình học, độ dày thành ống và tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo. Đặc tính của xinphôn l = f(p) tuyến tính trong một khoảng biến dạng không lớn, xinphôn có thể chế tạo bằng phương pháp ép nén thuỷ lực hoặc cơ thuỷ lực từ các ống có thành mỏng. Đồng thời xinphôn cũng có thể chế tạo bằng phương pháp hàn. trước hết tiến hành dập các màng sau đây để tiến hành hàn viền trong và viền ngoài. Trong một số trường hợp để tăng cứng có thể trang bị thêm lò xo trong lòng xinphôn và hình thành nên cảm biến đo đàn hồi xinphôn lò xo. Cảm biến áp suất silic kiểu điện dung . Nguyên lý làm động của cảm biến điện dung rất đơn giản. Điện dung của tụ điện được thay đổi bằng cách tác động lên nó một trong các thông số làm thay đổi điện trường giữa hai vật dẫn tạo nên hai bản cực của tụ điện. Một trong hai bản cực được nối cơ học với vật trung gian chịu tác động của áp suất cần đo. . (hình 1.15) trình bày cấu tạo của cảm biến áp suất điện dung silic. Đế của cảm biến làm thuỷ tinh hoặc silic khoảng cách d giữa hai bản cực có thể thay đổi khi có áp suất tác động lên cảm biến. Do tác động của áp suất điện dung của cảm biến thay đổi theo quy luật = - Trong đó : D0 là khoảng cách giưa hai bản cực D là biến thiên khoảng cách . Hình 1.15 Cảm biến áp suất điện dung silic. Trong thực tế biến thiên điện dung sẽ phức tạp hơn nhiều nếu một bản cực của tụ điện là điện cực đồng và có thể bị biến dạng dưới tác động cửa áp suất. . Trong trường hợp này để hạn chế sai số tuyến tính dưới n% cần đảm bảo độ di chuyển của màng theo điều kiện : D < D0 Có thể sử dụng nguyên lý biến thiên điện dung vi sai của chuyển đổi điện dung theo sơ đồ (hình 1.15). Các bản cực A1 và A2 được gắn với chất điện môi cứng, chúng kết hợp với màng nằm giưa hai bản cực để tạo nên tụ điện C1 (ở phía áp suất cao) và C2 (ở phía áp suất thấp). Độ di chuyển cực đại của tâm màng có thể đạt tới 50 m. Các áp suất p1 và p2 của hai môi trường đo sẽ tác động lên màng đo thông qua vai trò các màng điện môi và dầu silicon. Khi bị biến dạng màng sẽ dịch chuyển giữa hai bản cực cố định của tụ điện và tạo nên tín hiệu im tỷ lệ với chênh lệch áp suất giữa hai môi trường: im = K = K’ ( p1 - p2 ) Các cảm biến áp suất điện dung có độ tuyến tính từ 0,5 đến 2% dải đo, độ trễ nhỏ hơn 0,02%, độ phân giải tốt hơn 0,1%, độ chích xác từ 50 - 200Hz tuỳ theo đường kính màng đo . Ưu điểm của cảm biến điện dung là cho tín hiệu đo lớn từ 20 đến 200mV , khối lượng nhỏ và ít nhạy cảm với gia tốc. So với cảm biến áp trở cảm biến điện dung ít nhạy với nhiệt độ và ổn định cao hơn. Tuy nhiên cảm biến này phụ thuộc vào độ ẩm vì độ ẩm ảnh hưởng đáng kể đến hằng số điện môi của tụ điện. 1.2.2 Các bộ chuyển đổi. Có rất nhiều loại chuyển đổi đo khác nhau: Cuộn cảm, biến áp vi sai, chuyển đổi tự động, điện dung, điện trở tenxơ và các phân tử biến đổi khác. Đây là các bộ chuyển đổi tín hiệu xê dịch sang điện áp xoay chiều. bộ biến đổi đo áp suất kiểu cảm ứng. (Hình 1.16) sơ đồ của bộ cảm biến đo kiểu cảm ứng. Màng 1 là mỏ thép động của một nam châm điện 2 có cuốn cuộn dây 3 . Dưới tác dụng của áp suất đo, màng 1 được dịch chuyển làm thay đổi điện cảm của phần tử biến đổi cảm ứng. Nếu bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi thép thì độ tự cảm L của phần tử biến đổi được xác định bằng công thức: L = Trong đó : W_ Số vòng dây của cuộn dây. Ltb , Stb _ Chiều dài và diện tích trung bình của lõi thép. _ Độ từ thẩm của lõi thép và không khí S _ Tiết diện ngang khe hở không khí của mạch từ trong quá trình đo, giá trị. Ltb/ (<< . Cho nên ta có thể tính giá trị L một cách gần đúng: L = W2 . Với giá trị của màng tỷ lệ với áp suất đo: = k1 .P Thì: L = W2. (k1.P1). Phương trình này là đặc tính tĩnh của thiết bị biến đổi đo áp suất kiểu cảm ứng. Độ tự cảm L thường được thực hiện bằng cầu đo xoay chiều hay mạch cộng hưởng L-C. Khi áp suất từ 0,5-1 MPa, bề dày của màng bằng 0,1- 0,3 mm. Còn khi áp suất là 20-30 MPa, bề dày màng bằng 1,3 mm. Sự dịch chuyển của màng khoảng phần trăm mm. Sai số chủ yếu của bộ biến đổi đo áp suất kiểu cảm ứng vào khoảng (0,2 - 5) %. bộ biến đổi áp suất thành tín hiệu điện bằng biến áp vi sai. ( Hình1.17) mô tả sơ đồ cấu tạo và đặc tính của biến áp vi sai. Trên ống cách điện 1 có hai phần của cuộn sơ cấp 2 và hai cuộn thứ cấp tương ứng là 3 và 4. Các cuộn thứ cấp mắc đối nhau. Lõi ferit 5 di động và được gắn liên kết với cảm biến đàn hồi. Cuộn sơ cấp được nối với nguồn xoay chiều tạo nên từ trường xoay chiều sinh ra các điện áp cảm ứng e1 và e2 trong hai cuộn thứ cấp 3 và 4. Giá trị của các điện áp này phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp, tần số của dòng điện và các điện cảm tương hỗ M1 và M2 giữa hai cuộn thứ cấp 3, 4 và cuộn sơ cấp 2. Các điện cảm tương hỗ M1 và M2 bằng nhau khi lõi ferit nằm ở vị trí trung gian giữa hai cuộn 3 và 4. Nếu lõi ferit dịch lên phía trên thì M1 tăng lên còn M2 giảm xuống. Ngược lại khi lõi ferit dịch xuống phía dưới thì M1 giảm M2 tăng lên. Do hai cuộn 3 và 4 mắc xung đôi nên điện cảm tương hỗ M = M1 - M2 giữa các cuộn thứ cấp và sơ cấp phụ thuộc vào vị trí của lõi thép ferit và được xác định theo công thức: M = MN . . ej Trong đó: MN- mođun điện cảm tương hỗ định mức tương ứng với độ xê dịch tối tối đa XN của lõi ferit so với vị trí trung gian: X - độ xê dịch của lõi ferit so với vị trí trung gian; - argument của véc tơ điện cảm tương hỗ; Giá trị điện áp ra: E = e1 + e2 của biến áp vi sai được xác định theo công thức: E = - j I . MN . . e- j (V) ` Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp; = 2f với f là tần số nguồn cung cấp ( Hz ). Giá trị và pha của điện áp ra E phụ thuộc vào vị trí của lõi ferit so với vị trí trung gian. Mối liên hệ của E vào tỷ số được mô tả trên (hình 1.17b).ở đây khi lõi ferit dịch chuyển lên phía trên được biểu thị là dịch chuyển dương, còn dịch chuyển xuống phía dưới là dịch chuyển âm. Dấu ( - ) biểu thị điện áp khi dịch chuyển âm ngược pha so với điện áp khi dịch chuyển dương. Độ dịch chuyển XN của lõi ferit so với vị trí trung gian được chế tạo nhiều khoảng khác nhau phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng (ví dụ có loại 1,6 mm, có loại 2,5 mm, và có loại 4 mm). Chuyển đổi tự động là bộ chuyển đổi góc quay sang điện áp xoay chiều có giá trị định mức. Chuyến đổi tự động. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và đặc tính của chuyể đổi từ động được mô tả Trên (Hình 1.18). Hình 1.18 Chuyển đổi từ động (a), Và đặc tuyến của nó (b). Cấu tạo của nó gồm khung dẫn từ 1 có vít 2 để hiệu chỉnh từ trở của khung dẫn từ. cuộn kích từ 3 được nối với nguồn xoay chiều tạo nên từ trường xoay chiều tần số 50HZ trong khung dẫn từ. Khung dây 4 nằm trong từ trường xoay chiều có thể quay quanh trục và có thể nối liên động với cảm biến đàn hồi. Hai lò xo 5 để nối điện với khung dây. Từ trường xoay chiều sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng trong khung dây. Sức điện động này phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy trong cuộn kích từ (cường độ từ trường) từ trở của khung từ, cấu trúc của khung dây và góc quay của khung so với phương nằm ngang. K._.