Chương 8 Cảm biến đo áp suất

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: • Chất lưu không chuyển động: • Chất lưu chuyển động: dS dFp = (N/m2) ghppp 0t ρ+== đt ppp += ghpp 0t ρ+= 2 vp 2 đ ρ = → Áp suất tĩnh → Áp suất động 1.1. Áp suất và nguyên lý đo 1.2. Đơn vị đo áp suất: 1Pa = 1N/m2. Đơn vị áp suất 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 1,033.104 760 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 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 trên thành bình: p→ F tác động lên cảm biến → Đo F ⇒ 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 tđ ppp −= • Ví dụ: đo hiệu áp suất bằng ống pi-tô (hình bên). Áp suất tác dụng lên mặt phẳng 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 • 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 → kim chỉ hoặc đo bằng cảm biến đo dịch chuyển. ( ) ( )21 m 1 pp. g f F1 1h − ρ−ρ   + = 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. ⇒ Đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. 2.2. Vi áp kế kiểu chuông a) Cấu tạo và nguyên lú làm việc: Khi p1 > p2 1. 2. 3. 2.2. Vi áp kế kiểu chuông • 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 → kim chỉ hoặc đo bằng cảm biến đo dịch chuyển. ( ) ( )21m pp.g.f fH − ρ−ρ∆ = 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: Lò xo xoắn Vật liệu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió. 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 lại→ đầu tự do dịch chuyển. • Biến thiên góc ở tâm (γ): • Lực cân bằng ở đầu tự do: 22 222 xa b1 bh R. Y 1p +β α     − ν−γ=γ∆ pk cos.sinsin43 sin. x s48 a b1pabN 122 2 t =γγ+γ−γ γ−γ +ε    −= pk cos.sin cos. x s48 a b1pabN 222 2 r =γγ−γ γ−γ +ε    −= kpp.kkN 22 2 1 =+= 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 Màng Tấm kim loại 3.2. Áp kế màng • Dưới tác dụng của áp suất trên hai mặt màng chênh lệch ∆p = p1-p0 → màng biến dạng, tâm màng dịch chuyển. • Độ võng của tâm màng đàn hồi: ( ) 3 4 2 Yh R.p1 16 3 ∆ ν−=δ+ Loại phẳng: 4 4 3 3 Yh R.p h b h a ∆=δ+δ=+ Loại uốn nếp: (a, b: các hệ số) 3.2. Áp kế màng • Lực di chuyển ở tâm màng dẻo: p. 12 DN 2 ∆pi=+ Loại thường: ( ) p. 12 dDdDN 22 ∆++pi=+ Loại tâm cứng: 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 • 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. pk e r. Y p 2 1 11 =   ν −=ε- Biến dạng ngang: - Biến dạng dọc: pk e r. Y p 2 1 22 =   ν−=ε 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 (δ) của đáy dưới tác dụng của lực chiều trục (N): 2 b02 2 100 2 R/hBAAA n Yh 1.N +α+α− − ν− =δ ( ) pRR 5 N 2trng ∆+ pi =Với (n - số nếp làm việc; α - góc bịt kín; A0, A1, B0 - các hệ số phụ thuộc kết cấu) 3.4. Áp kế kiểu đèn xếp Đặc điểm: v Kích thước lớn; v Khó chế tạo; v Độ dịch chuyển (δ) 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: Đế silic – N (1) Bán dẫn P (2) Dây dẫn (3) 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: • Với 4 áp trở R1, R2, R3, R4 mắc theo mạch cầu, điện áp ra: • JT - đầu đo nhiệt độ. piσ= ∆ 0R R (pi - hệ số áp trở; σ - nội ứng suất) ( ) σpi=∆=∆−∆+∆−∆= .R.I.RIRRRR 4 IV 04321m 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) → lực F tác động lên bản áp điện → xuất hiện điện tích Q: (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) kpSkFQ ==- Loại tấm: - Loại ống: 22 dD dh4kFQ − = 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 δ+δ ε= 0 sC- Tụ đơn: - Tụ kép: ;sC 120 12 δ+δ ε= 130 13 sC δ+δ ε= • Khi p1 >p2: δ12 tăng →C12 giảm, δ13 giảm →C13 tăng. • Biên thiên dòng điện trong mạch (nguồn nuôi cung cấp): Khi p tăng: δ giảm →C tăng: C=f(δ). )pp(K CC CCKi 21 1312 1213 1m −=+ − = 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 → màng đàn hồi biến dạng →δ thay đổi→ từ trở thay đổi→ Độ tự cảm L thay đổi. • Đo biến thiên (L) bằng mạch cầu hoặc mạch cộng hưởng LC. ( ) ( )00tbtb 2 S/S/l WL µδ+µ = kp S.WL 00 2 µ=⇒ δ µ= 002 S.WLBỏ qua từ trở gông từ: 4.4.Áp kế điện cảm b) Áp kế điện cảm kiểu biến áp vi sai: • Hai cuộn dây (5) & (6) giống nhau, đấu ngược pha.. 1. 2. 3. 4. 4.4. Áp kế điện cảm • Sức điện động trong cuộn thứ cấp: ( ) MfI2MMfI2eeE 121121 pi=−pi=−= (Mmax – hệ số hỗ cảm ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép δmax) • Điện áp cửa ra: δ δ pi = max max1 ra MfI2V