Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT CHẤT LƯU

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT CHẤT LƯU

Tải bản đầy đủ - 0trang

Mối quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất thường dùng được thể hiện

trong bảng dưới đây:

Đơn vị đo Pascal



Bar



áp suất



(b)



(Pa)



1 pascal



1

5



1 bar



10



1 kg/cm



2



98.10



3



1 atmosphe 101325

1 g/cm



2



Kg/cm



2



atmosphe



cm cột mmHg



mbar



nước



10-5



1,02.10



1



1,02



0,98

1,013

-5



98



98.10



1 mmHg



133,3



13,33.10



1 mbar



100



10-3



-5



-5



1,02.10



-



0,75.10



-



10-2



2



2



0,9869



1020



750



1000



1



0,986



1000



735



980



1,033



1



1033



760



1013



-3



-4



0,9868.10



10

-3

1,36.10

1.02.10



-3



0,968.10



-3



1



0,735



0,98



1,315.10



-3



36



1



1,333



1,02



0,75



1



0,9869.10



-3



2.2. Nguyên tắc đo

2.2.1. hất lưu không chuyển động

Khi chất lưu không chuyển động, lực F tác dụng lên diện tích s của

thành bình phân chia hai mơi trường, trong đó một mơi trường chứa chất

lưu.

Có 3 cách để đo áp suất chất lưu:

- Đo áp suất lấy qua một lỗ có tiết diện hình tròn được khoan trên

thành bình: trong cách này phải sử dụng một cảm biến đặt gần sát thành

bình. Sai số của phép đo sẽ nhỏ nếu thể tích chết của kênh dẫn và của cảm

biến khơng đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.



- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên: gắn lên

thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình. Biến

dạng này là hàm của áp suất.

Ngồi ra, có thể dùng vật trung gian là một ống đặc biệt có khả năng

biến dạng dưới tác dụng của áp suất. Khi đo áp suất trong một đường ống

dẫn chất lưu, người ta đặt một áp kế dạng ống nối tiếp với đường dẫn khảo

sát. Bằng cách chọn vật liệu thích hợp, có thể sử dụng ống trong trường hợp

có biến dạng lớn và tăng độ nhạy của áp kế.

- Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào (là áp

suất) thành tín hiệu điện đầu ra chứa thơng tin liên quan đến giá trị của áp

suất cần đo và sự thay đổi của nó theo thời gian. Trong trường hợp này, vật

trung gian thường là các phần tử đo lực có một thơng số (ví dụ như thơng số

hình học), có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F  p.s .

Xét một ống dạng hình trụ bịt kín một đầu dùng để đo áp suất:



Trường hợp ống dài: L>>r



Trường hợp ống ngắn: L>r



Hình 2.1: Cảm biến đo áp suất dùng ống bịt kín một đầu:

a) Hình dáng cấu tạo; b) mặt cắt của vật trung gian và vị trí đặt cảm biến.

Khi áp suất tác dụng lên thành ống, nó sẽ làm thay đổi kích thước của

ống theo hướng của trục và đường kính ống. Cảm biến áp suất có cấu tạo



bao gồm một ống như vậy và có trang bị thêm bộ chuyển đổi điện để chuyển

những thay đổi kích thước của ống dưới tác dụng của áp suất cần đo thành

tín hiệu điện. Kích thước của ống được xác định theo ứng lực lớn nhất có thể

chấp nhận được.

Khi đó, các biến dạng được xác định theo công thức sau:

- Với trường hợp ống dài L>>r:





 p r



p r



1   1  . .  0,85 .

p Yr e

 1 2 pY r e

   . .  0, 2 .

2



Y e

Y e

 2





Trong đó Y là module Young và  là hệ số Poisson.

- Với trường hợp ống ngắn L>r:

  p.r .

 L

 1   L  2r 2  Y e





1

   .

 p r

. .

L



2



L  2r Y e

 2





Ngồi ra, cũng có thể sử dụng vật trung gian là màng mỏng để đo áp

suất. Khi đó, sự khác nhau về áp suất giữa hai mặt của màng sẽ tương ứng

với lực tổng cộng F tác động lên màng và với biến dạng của nó (xác định ở

mọi điểm theo đường kính, theo tiếp tuyến hoặc ở điểm giữa của màng).

Biểu diễn trên hình vẽ như sau:



Hình 2.2: Biến dạng của màng hình tròn được đóng khung theo chu vi.

Trong trường hợp này ta có:

3



- phương trình biến dạng: z 



1  .

2



p



.



R



16



2



Y



- biến dạng của tâm màng (r=0):



f



3



1  .

2



8



- biến dạng theo đường kính: 

1



- biến dạng theo tiếp tuyến: 





2



- tần số riêng: f0  0, 47



e

R



2



3







1  .

2



8

3



1  .



8

Y



 1 2 



2



 r 2

3

e



p R 4

.

3

Y 2e



p R

.

Y



p R

.

Y



2



2



2



 3r

2

e



2



 r2

2

e



với  là khối lượng riêng.



Đối với cùng một áp suất p, bán kính r càng lớn và bề dày càng nhỏ

thì biến dạng của màng càng lớn. Biến dạng của màng tăng làm cho độ nhạy

của màng cũng tăng. Hiện tượng trễ do biến dạng không phải là đàn hồi

tuyệt đối sẽ ảnh hưởng đến độ tuyến tính của màng. Mặt khác, khi tỷ số R/e

tăng sẽ làm cho tần số riêng của màng giảm đi. Do đó, tỷ số e/R thường

được chọn để dung hòa ứng lực mà màng có thể chịu đựng được và tần số



riêng lớn. Trên thực tế, sụ lựa chọn này phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu

chế tạo màng và công nghệ xử lý nhiệt đã áp dụng cho nó.

Ngồi dạng ống hình trụ và màng phẳng, vật trung gian để đo áp suất

chất lưu có thể là màng dạng sóng, piston kết hợp với lò so, áp kế giãn nở,

ống xiphơng (dạng xếp thành nếp), ống hình cong bịt một đầu… Tuỳ trương

hợp cụ thể, người ta chọn vật trung gian cho thích hợp với áp suất cần đo.

2.2.2. hất lưu chuyển động

Khi chất lưu chuyển động thì tồn tại ba dạng áp suất:

Pt  ps  pd



trong đó: ps là áp suất tĩnh của chất lưu không chuyển động

ps là áp suất động của chất lưu do chuyển động với vận tốc



v.

Áp suất tĩnh ps được đo bằng phương pháp như đã trình bày ở mục

2.2.1. Áp suất động ps tác dụng lên mặt phẳng đặt vng góc với dòng chảy,

làm tăng áp suất tĩnh và có độ lớn tỷ lệ với bình phương vận tốc:

pd 



 v2

2



trong đó  là khối lượng riêng của chất lưu.



Áp suất động được đo bằng cách nối hai cảm biến với hai đầu ra của

ống Pilot, một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất

tĩnh. Khi đó áp suất động sẽ là hiệu của áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh.

Mơ tả trên hình vẽ như sau:



Hình 2.3: Đo áp suất động bằng ống Pilot.

Có thể trang bị trực tiếp một ăngten là ống Pilot với hai cảm biến áp

suất kích thước nhỏ để đo áp suất động. Các màng của hai cảm biến này

được đặt sao cho màng thứ nhất vng góc với dòng chảy và màng thứ hai

song song với trục của ống.

Có thể dùng một loại ống đơn giản hơn được bố trí như sau:



Hình 2.4: Cảm biến đo áp suất động  Pt  ps  kết hợp với bộ chuyển đổi

áp điện

Trong trường hợp này, áp suất tĩnh được đo bằng cách khác: người ta

đặt áp suất tổng cộng lên mặt trước của màng còn áp suất tĩnh thì đặt lên mặt

sau của màng. Như vậy, tín hiệu do cảm biến cung cấp sẽ là sự khác nhau

giữa áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh. Từ đó, người ta đo được áp suất động

của chất lưu.

2.3. Vật trung gian.



Vật trung gian được chọn để đo áp suất chất lưu phụ thuộc vào bản

chất của áp suất cần đo, độ lớn của nó và phương pháp chuyển đổi tín hiệu.

Vật trung gian được đặc trưng bởi độ cứng (là tỷ số giữa lực tác dụng và độ

dịch chuyển) và tần số riêng của nó. Độ nhạy tỷ lệ nghịch với độ cứng r còn

tần số riêng f0 tỷ lệ thuận với độ cứng:

f0 



1

2



r

M



với M là khối lượng của vật trung gian và các phần tử khác (như

màng, thanh đỡ…) liên kết cứng với nó.

Người ta tăng khả năng chịu rung động và gia tốc của vật trung gian

bằng cách tăng tỷ số



r / M . Đồng thời nâng tần số riêng của vật trung gian để



tăng độ nhanh của đáp ứng. Ngược lại, độ nhạy giảm đi khi độ cứng tăng

làm cho vật biến dạng kém. Sự giảm độ nhạy này đến một mức độ nào đó sẽ

làm cho tín hiệu yếu đi và làm sai lệch kết quả đo.

Khối lượng M , độ nhạy S và tần số riêng f0 có mối quan hệ bất biến

tuỳ thuộc vào mỗi loại vật trung gian: M .S. f0  const

Ví dụ: Đối với màng tròn thì M .S. f0  0, 043

Đối với màng dạng thanh dài cố định ở hai đầu thì M .S. f0  0, 25

Trong mọi trường hợp, độ nhạy, độ cứng, dịch chuyển và ứng lực cực

đại mà vật trung gian có thể chịu đựng được có mối quan hệ với nhau.Ứng

lực này phụ thuộc vào vật liệu chế tạo vật trung gian. Do đó, lựa chọn vật

liệu phải tuân thủ các đặc trưng đo lường của cảm biến.



2.4. Phương pháp chuyển đổi tín hiệu

2.4.1. huyển đổi bằng biến thiên trở kháng

2.4.1.1. Điện thế kế

Cảm biến áp suất vi sai dùng điện thế kế để chuyển đổi tín hiệu có cấu

tạo như hình vẽ:



Hình 2.5: Cảm biế áp suất vi sai chuyển đổi tín hiệu bằng điện thế kế.

Nguyên tác hoạt động: Con chạy của điện thế kế được nối với buồng

giãn nở sao cho biến dạng của vật trung gian kéo theo dịch chuyển x của con

chạy.

Đối với điện thế kế có điện trở tổng

Rn



được ni bằng suất điện động



es . Khi đó, điện thế giữa con chạy và một đầu của điện trở là:

vm  es .



R  x

Rn



trong đó R  x là điện trở giữa con chạy và một đầu của điện trở tổng.

Do áp suất p cần đo tỷ lệ thuận với biến dạng của vật trung gian, biến

dạng trung gian tỷ lệ thuận với dịch chuyển x của con chạy vả dịnh chuyển

của con chạy tỷ lệ thuận với điện trở R  x thì:

vm  k.es . p



trong đó, k là hằng số đặc trưng cho cảm biến.



Cảm biến dùng điện thế kế để chuyển đổi tín hiêu có những đặc trưng

đo lường sau:

- Độ tuyến tính:  0,5 đến 1% của dải đo

- Độ trễ:  0,1 đến  1% của dải đo.

- Độ phân giải: tốt hơn 0,03% dải đo.

- Độ nhanh: tốc độ đáp ứng từ 15 đên 100ms.

- Tín hiệu đầu ra: cỡ một vài vơn.

Ưu điểm của loại cảm biến này là tín hiệu ra lớn có thể sử dụng kết

hợp với bộ khuyếch đại và có khả năng thích ứng với sự thay đổi khơng

tuyến tính.

Nhược điểm của cảm biến này là thời gian sử dụng bị hạn chế và nhạy

với rung động.

2.4.1.2.Cảm biến dùng màng dạng lưới.

Cảm biến dùng màng dạng lưới dán lên vật trung gian thường được sử

dụng để biến đổi trực tiếp biến dạng  do áp suất gây nên thành biến thiên

điện trở R / R . Biến thiên điện trở này được đo bằng phương pháp cầu

Wheatstone.

Đơn giản là thiết bị đo áp suất sử dụng thanh xà được mơ tả như sau:



Hình 2.6: Thiết bị đo áp suất có phần tử đo lực trang bị dùng màng dạng

lưới



Trong hình vẽ trên, vật trung gian là ống Bourdon chịu tác động của

áp suất cần đo. Thiết bị có thể được sủ dụng để đo áp suất từ một vài bar đến

hàng ngàn bar.

Đối với dải áp suất thấp hơn 1 bar, có thể sử dụng cảm biến màng

mỏng hoặc kết hợp màng mỏng với một phần tử đo lực. Biến dạng của màng

được chuyển đổi trực tiếp thành biến thiên trở kháng bằng cách đặt hai cảm

biến theo đường kính và hai cảm biến theo tuyến tính tạo thành một cầu đo.

Trong một số trường hợp, người ta chỉ dùng hai cảm biến màng mỏng đặt

theo đường kính, cảm biến thứ nhất đặt ở tâm vật trung gian (dạng màng

hình tròn) và cảm biến thứ hai (dùng để bù trừ nhiệt) đặt tại gần mép của vật

này tại điểm có ứng lực theo chiều ngược lại, do vậy độ giãn nở trung bình

sẽ bằng khơng.

Cảm biến áp suất dùng màng dán trên phần tử đo lực có độ tuyến tính

và độ trễ nằm trong khoảng  0,2 đến  1% dải đo, độ phân giải tốt hơn

0,02% và độ chính xác đạt từ 0,5 đến 2%.

Nhược điểm của loại cảm biến này là tín hiệu đầu ra nhỏ (cỡ mV) và

thời gian sống ngắn.

Cảm biến dùng màng dạng lưới dán trên phần tử đo lực có khả năng

bị già hoá do lớp keo dán biến chất. Để khắc phục nhược điểm này, người ta

thường sử dụng các dạng lưới chế tạo trực tiếp trên phần tử đo lực.

2.4.1.3. Cảm biến áp trở.

Loại cảm biến này được chế tạo trực tiếp trên đế silic loại N.

Ưu điểm của cảm biến này là khi ở dạng đơn tinh thể, nó có tính đàn

hồi tốt nên hiệu ứng trễ cơ học rất nhỏ và có thể bỏ qua. Đồng thời, đây là

vật liệu bán dẫn nên có thể dùng làm đế để chế tạo cảm biến bằng kĩ thuật

khuyếch tán planar.



Sơ đồ nguyên lý của cảm biến áp trở:



Hình 2.7a: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của cảm biến áp điện

Trong cảm biến này, đế silic loại N đảm bảo chuyển đổi áp suất tác

dụng lên nó thành ứng suất nội. Các tạp chất loại P được khuyếch tán vào

những vùng có định hướng so với trục tinh thể sao cho đảm bảo độ nhạy tốt

nhất bằng cách kết hợp các ứng lực sinh ra do biến dạng đế silic.

Hình vẽ dưới đây mơ tả trường hợp màng định hướng (100) có gắn

bốn cảm biến, trong đó hai cảm biến đặt ở tâm theo hướng (110) và hai cảm

o



biến khác đặt ở gần biên tạo thành với hướng (100) một góc bằng 60 :



Hình 2.7b: Vị trí đặt cảm biến trên màng của cảm biến áp điện.

Với cách đặt cảm biến như vậy, sự thay đổi của điện trở theo ứng suất

nội đối với hai cặp cảm biến sẽ bằng nhau nhưng có dấu ngược lại:



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT CHẤT LƯU

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×