Giáo trình môn Đo lường nhiệt

u một cột áp khí quyển nên áp suất tuyệt đối của hệ thống thường không đo được trực tiếp, mà đo chênh lệch áp suất của hệ thống với áp suất khí quyển. Hay nói cách khác , đo áp suất được hiểu là đo áp suất chênh lệch so với một áp suất định chuẩn nào đó. áp suất định chuẩn có thể là: (hl.5.2.1) - áp suất khí quyển : áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất trên hay dưới áp khí quyển. - áp suất chân không : áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất tuyệt đối. - Một áp suất khác : áp suất được ghi nhận cho biết do việc đo hiệu số áp suất giữa hai áp suất ta gọi tắt là hiệu áp. 2. Đơn vị đo áp suất. Uỷ ban quốc tế cho việc đo đạc với luật định đã quyết định chọn Pascal (Pa) = Newton/m2 là đơn vị áp suất (ISO 1000; DIN 13011). Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội số của đơn vị Pascal: 1 mbar = 102 N/m2 = 102 pa 1 bar = 105 N/m2 = 105 pa Những đơn vị cũ của áp suất được dùng phổ biến trước đây, nay không được phép dùng một cách chính thức trong các tư liệu, văn bản của các nước trên thế giới, đó là: 1kg/cm2 = 0,980665 bar 1 mm Hg = 1,0000 Torr 1 at = 0,980665 bar = 1 kg/cm2 1 atm = 760 Torr 1 mm nước = 9,80665 N/m2. atm là đơn vị áp suất khí quyển vật lý. at là đơn vị áp suất khí quyển kỹ thuật. Ngoài ra ở các nước Anh - Mỹ người ta còn dùng các đơn vị áp suất sau: 1 pound - force/square yard (Lb/yd2) = 5,425.10-5 at 60 1 pound - force/square foot (Lb/ff2) = 4,883.10-4 at 1 pound - fọrce/square inch (Lb/ In2 = psi) = 7,031. 10-2 at 1 ounce/square foot (oz/ft2) = 3,052.1 0-5 at 1 ounce/square inch (Oz/rn2) = 4.394.10-3 at 1 Ton/square foot (Ton/ft2) = 1,094 at 1 inch of water (in water) = 2,540.10-3 at 1 inch mercuri (in Hg) = 3,455. 10-2 at Trong T.5.2 2 cho ta sự liên hệ giữa các đơn vị áp suất. 3.1.2. Phân loại dụng cụ đo Tuỳ theo yêu cầu đo trị số áp suất mà có thể có cánh phân loại khác nhau . 1. Phân loại theo áp suất tĩnh của chất khí : - Phong vũ biểu để đo áp suất tuyệt đối của khí quyển - Dư áp kế dùng để đo áp suất dư của đối tượng khi có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển - Chân không kế dùng để đo độ chân không của đối tượng khi áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển 2. Phân loại theo nguyên tắc tác dụng : - áp kế chất lỏng , là loại dùng mức cao chất lỏng trong ống để chỉ thị áp suất của đối tượng - áp kế điểm kiểu cơ, là loại hoạt động dựa trên nguyên tắc biến dạng của các phần tử đàn hồi khi chịu tác dụng của áp suất ở điểm đo. Loại này gồm áp kế kim loại kiểu lò xo, kiểu màng, kiểu pít tông . - áp kế điện, là loại hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi các đặc trưng về tính chất điện của một số vật liệu dưới tác dụng của thay đổi áp suất điểm đo. áp kế điện bao gồm : áp kế kiểu điện trở, áp kế có độ từ thẩm biến đổi, áp kế cảm biến hay gọi là cảm biến áp điện. - áp kế bù. Nguyên tắc là chỉ thị áp suất bằng độ lệch của một thông số được bù lại bởi tác dụng của áp suất. Thí dụ áp kế bù điển hình là kiểu pít tông ( áp kế cân) 3. Sai số : Các trị số áp suất của các đối tượng có giá trị rất khác nhau trong phạm vi rất lớn, nên không có loại áp kế nào có thể đo được hết khoảng các trị số đó. Mỗi loại áp kế chỉ đo được áp suất trong những khoảng nhất định , và luôn có sai số. Sai số được đánh giá bằng cấp chính xác cuả dụng cụ đo. Cấp chính xác của dụng cụ đo áp suất biểu thị sai số cơ bản tương đối tương đối lớn nhất trong giới hạn đo của dụng cụ tính theo phần trăm. Đó là các sai số xuất hiện khi đo tiến hành đo trong điều kiện tiêu chuẩn. Cấp chính xác thường được phân theo các giá trị sau : 0,005 ; 0,02 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,35 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,5 ; 4,0 ; 6,0 . 3.2. ÁP KẾ KIỂU CHẤT LỎNG Áp kế kiểu chất lỏng là dụng cụ đo áp suất đơn giản, rẽ tiền lại có độ tin cậy và chính xác cao. Nhưng chúng có nhược điểm là cồng kềnh dễ vỡ, không đo được áp suất quá cao, nên chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm và một số dụng cụ công nghiệp có áp suất tương ứng. 61 Sơ đồ cấu tạo :  p h p h Hình 3.1a Hình 3.1b Cấu trúc cơ bản của áp kế gồm một ống đo nối thông với hộp đựng chất lỏng công tác. ống đo thường bằng thuỷ tinh , có đường kính d nhỏ nhất mà có thể tránh ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài của chất lỏng công tác gây mao dẫn trong ống đo, thường lấy d = 2  12 mm. Chất lỏng công tác có thể là thuỷ ngân, nước hoặc cồn. Trên hình a, áp kế có cột chất lỏng thẳng đứng. Áp suất cần đo bằng áp suất môi trường ở mặt thoáng f cộng với cột áp của chiều cao h của chất lỏng trong ống đo. Trên hình b, ống đo được đặt nghiêng một góc  có thể thay đổi để tăng mức chính xác, giảm sai số khi đọc . 3.3. ÁP KẾ KIỂU CƠ 3.3.1. Áp kế kiểu chỉ thị trực tiếp Nhờ sự tác động của lực áp suất trên cơ cấu là màng đàn hồi hoặc lò xo ống đàn hồi bằng kim loại. Mức độ biến dạng, giãn nở của cơ cấu đàn hồi là thước đo áp suất. Trong hình 3.2 cho cấu trúc nguyên tắc các đầu đo áp suất loại cơ học. - Pít tông - Lò xo ống - Lò xo màng - Lò xo bình giãn nở - Bình xếp - Cân thăng bằng hình vành khăn - Ống thông nhau. Hình 3.2 Một số cơ cấu màng đàn hồi Trong hình 3.3 là cấu trúc chi tiết hơn của 3 loại đồng hồ áp suất chỉ thị trực tiếp quan trọng nhất: lò xo ống và bình giãn nở. Những loại sensor áp suất này hiện nay vẫn được dùng rộng rãi trong việc đo đạc và tự động hóa nhờ sự bền bỉ, độ tin cậy cao. Phạm vi hoạt động của loại lò xo ống từ 1,6 đến 1600 bar ; loại lò xo màng từ 0,25 đến 25 bar và loại lò xo bình giãn nở từ 16 mbar đến 600 mbar 62 Hình 3.3 . Cảm biến áp suất loại cơ học 3.3.2. Áp kế kiểu đo lực Phương pháp đo áp suất kiểu đo lực có thể theo hai hướng. + Hướng thứ nhất là đo áp suất bằng chuyển đổi phản ánh trực tiếp đại lượng đo như chuyển đổi áp điện, áp từ và điện trở lực căng. - Phần tử áp điện làm bằng thạch anh có thể đo được áp suất tới 10 N/m2 vì với áp suất lớn hơn, đặc tính của nó trở nên phi tuyến và không đơn trị. - Để đo áp suất lớn hơn từ 100 đến 400 MN/m2 cần sử dụng chuyển đổi điện trở dây maganin khi đó độ nhạy về sự thay đổi điện trở của dây với biến thiên áp suất mới ổn định và bằng 2,5 % trên 1 MN/m2. + Hướng thứ 2 là biến áp suất thành di chuyển, đo độ dịch chuyển để suy ra áp suất. Phương pháp này thường dùng các chuyển đổi điện dung, điện cảm và điện trở lực căng. 3.4. LỰC KẾ ÁP ĐIỆN Một số vật liệu như thạch anh, titanat Bari (BaTiO3), muối Seignette v.v . khi bị lực tác động biến thiên, trên bề mặt của chúng xuất hiện các điện tích. Khi lực ngừng tác động, các điện tích biến mất. Hiện tượng trên được gọi là hiệu ứng áp điện. Vật liệu chuyển đổi áp điện được dùng rộng rãi là thạch anh: Tinh thể thạch anh được cắt thành từng phiến có độ rộng Y và chiều dài X (hình 3.3) Hình 3.3 a)Sơ đồ cấu tạo tinh thể thạch anh b) Chuyển đổi áp điện Khi tác động 1 lực vào trục X; điện tích xuất hiện được tính theo biểu thức : q = diFx di - hệ số áp điện. (3.1) 63 Nếu tác động lực theo trục Y ta có q = di (Y/X).FY (3.2) Y X - kích thước của chuyển đổi. Thạch anh có: - Hằng số điện môi  = 39,8.10-12 F/m. - Hệ số áp điện di = 2,1. 10 -12 C/N - ứng suất cho phép  = 70  10 N/mm2 - Điện trở suất  = 1012 m - Môđun đàn hồi E = 80.l09 N/m2 a b Hình 3.4. Áp điện thạch anh Hình 3.4 trình bày cấu tạo lực kế áp điện thạch anh. Trong đó phiến thạch anh hình chữ nhật có một cạnh được cắt song song với trục X, bề mặt được cắt với góc   350 so với trục Z (hình 3.4a) . Sơ đồ khối của chuyển đổi trên hình 3.4b , trong đó khuếch đại có phản hồi dương. Tinh thể thạch anh dao động với tần số cơ bản f0 và độ lệch tần số f khi chịu lực F tác dụng : f = F D nfk .. 20 (3.3) F - lực tác động; k - hằng số; D - kích thước chuyển đổi; n - hệ số Để tăng độ nhạy, chuyển đổi có thể được ghép bằng nhiều phiến song song với nhau. Hình 3.5. Lực kế áp diện Hình 3.5 là sơ đồ cấu tạo của lực kế áp điện (PVDF). Chuyển đổi gồm 3 lớp màng Polyvinylideneflourid (PVDF) được dát mỏng giữa là cao su silicon và lớp ép. Lớp ép là 64 màng chất dẻo. Khi chịu lực tác dụng màng PVDF hình thành các điện tích trên bề mặt, điện tích thay đổi làm biên độ của điện áp ra thay đổi tỉ lệ với lực tác động. 3.5. ÁP KẾ ÁP ĐIỆN Hình 3.6. Áp kế áp điện Hình 3.6 là sơ đồ nguyên lí của áp kế áp điện. Dưới tác dụng của áp suất p màng đàn hồi 4 tạo nên một lực nén lên áp điện thạch anh 2 có đường kính 5mm, bề dày lmm. Điện tích q xuất hiện ở điện cực 1 được đưa vào bộ khuếch đại điện tử 5 có tổng trở vào cỡ 1013 . Quan hệ giữa điện tích q và áp suất p là : q = k.S.p (3.4 ) với S - diện tích hữu ích của màng; k- hệ số Để giảm quán tính của thiết bị người ta giảm thể tích của buồng 3. Vì tần số dao dộng riêng của hệ thống màng chuyển đổi khoảng hàng chục kHz nên có đặc tính động học cao và đư- ợc sử dụng rộng rãi để đo và kiểm tra áp suất trong hệ thống có dòng chảy nhanh. Giới hạn đo của thiết bị trong khoảng 2,5  100MPa. Cấp chính xác : 1,5  2. 3.6. HIỆU ỨNG ĐIỆN TRỞ ÁP ĐIỆN TRONG BÁN DẪN Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên tử bị đẩy lệch đi đối với nhau. Điều này làm thay đổi các hằng số mạng và cả cấu trúc các vùng năng lượng: vùng dẫn và vùng hóa trị. Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p như sau: a/ ứng suất nén sẽ hạ thấp các điểm cực đại của năng lượng vùng hóa trị và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo hướng nén trong tinh thể. b/ Và ngược lại, ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của năng lượng theo hướng của nó, do đó làm giảm đi các điện tích, điện trở gia tăng. Trong một sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện, sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chiếm 2% sự thay đổi điện trở). Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học (mechanical streess) trong tinh thể. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết với phương trình như sau: 65    .  (3. 5) : Hệ số điện trở áp điện. : Điện trở suất : ứng suất cơ học. Hình 3.7 Hệ số điện trở áp điện tùy thuộc vào hướng tinh thể và điều kiện đo đạc. Các điện trở được đặt tại các điểm cực đại của các thành phần của ứng suất cơ học..., điện trường E và mật độ dòng điện j người ta phân biệt - Hiệu ứng dọc: E // j //  - Hiệu ứng ngang: E // J   - Hiệu ứng trượt: E  j //  Chỉ số cho cường độ của hiệu ứng áp điện là hệ số K tùy thuộc vào vật liệu . Đó là hệ sổ tỉ lệ của sự thay đổi điện trở và độ dài một cách tương đối. L L K R R . . .   (3.6) Với Phương trình (5.6.2). (5.6.1). (5.1.1) và   ..  R R L L.   66 Hệ số K được viết với phương trình K = . (3.7) K là hệ số điện trở áp điện E là mô đun đàn hồi của vật liệu. K có trị so bằng 2, cho kim loại và lớn gấp 50 đến 100 lần cho bán dẫn tùy độ pha tạp. Các sensor áp suất với kỹ thuật bán dẫn có những lợi điểm với loại màng sọc co giãn như sau: - Độ nhạy cao hơn. - Sự tuyến tính tốt. - Sự trễ (hysteresis) của áp suất và nhiệt độ đều bé. - Độ tin cậy cao sau khi được làm trơ (passivation). - Thời gian hồi đáp ngắn. - Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi (fatigue - free) của màng silic đơn tinh thể. - Cấu trúc nhỏ gọn. - Rẻ tiền đo sự sản xuất rất kinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán dẫn. 3.7. CẦU ĐIỆN TRỞ ĐO ÁP SUẤT Tế bào đo áp suất cửa một cảm biến áp suất loại điện trở điện là một chíp silic vuông vức khoảng 6 mm2 và có bề dày sau được ăn mòn khoảng vài m. Hình 3.8. Cảm biến điện trở áp điện a. Chíp silic với điện trở R1...R4 67 b. Mặt cất ngang chip không tải c. Mặt cắt ngang chíp có tải với vùng giãn (+) và vùng co (-) d. Mạch điện trở e. Mặt cắt cảm biến: 1 màng thép, 2 đầu, 3 chip silic , 4 nối dây điện Màng silic tác dụng như một mặt phẳng được căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào. ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấy ion (ionimplantation) các điện trở được cấy vào. Các điện trở này cũng bị căng ra hay co vào một cách tương ứng. (H.5.6.1). Ngoài ra các điện trở để bù trừ nhiệt độ cũng được hình thành trên cùng 1 chip. Các điện trở này được nối với nhau thành một cầu điện trở. Có một số cảm biến. Mạch khuếch đại được tổ hợp trên cùng một chip hay trên một mạch hỗn hợp với cầu điện trở. Nhờ đó điện thế của cầu điện trờ được khuếch đại ngay trên cảm biến. Hình 3.9. Cầu điện trở Trong H.5.6.2 ta có cầu điện trở của cảm biến với các điện trở giống nhau khi màng silic bị uốn cong Rl và R3 gia tăng trị số, trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi. Do đó độ nhạy của cầu được gia tăng. Điện áp ra Ua của cầu được tính như sau: Ua = UCC )()( .. 3421 4231 RRRR RRRR   (3.8) Với: Ri(p) = Ri + Ri.(p) Với một kỹ thuật thích ứng người ta có thể chế tạo sao cho các điện trở Ri có trị số giống nhau và sự thay đổi Ri cũng bằng nhau. Phương trình cho Ua có thể được rút gọn như sau: Ua = UCC. R R (3.9) R R = K.(p) (3.10)  là độ uốn cơ học , K là hệ số tỉ lệ. Hàm số (p) cho độ uốn cơ học của màng silic theo phép tính gần đúng bậc một có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính: Ua = UCC. K.(p) Khi độ uốn gia tăng khá cao, không còn sự tuyến tính nữa . Với hai điện trở do sự gia tăng của độ uốn , một có trị số gia tăngvà một có trị số giảm đi ( hiệu ứng qủa bóng - Balloon 68 Effect ). Với sự chọn lựa trị số Ri hơi khác một tí, hiệu ứng này có thể được triệt tiêu một phần nào 3.8. ĐO ÁP SUẤT BẰNG ÁP ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP Phần tử áp điện có ưu điểm là đo được áp suất biến thiên nhanh , dùng đo áp suất trong xi lanh động cơ đốt trong về hình thức nó hơi giống pugi của động cơ đốt trong. Đầu chuyển đổi có màng mỏng 1 (hình 3.10) để nhận trực tiếp áp suất của xi lanh. Tần số riêng của màng này được chọn thích hợp với tốc độ biến thiên của áp suất . Hình 3.10. Sơ đồ chuyển đổi áp điện đo áp suất . áp suất được truyền qua đệm kim loại 2 đến phần tử áp điện 3 . Phía trên phần tử áp điện, các điện tích được lấy ra từ cực 4 và vỏ của chuyển đổi. Độ nhạy của thạch anh chỉ không thay đổi ở nhiệt độ dới 2000C nhưng nhiệt độ trong xi lanh lớn hơn nhiều, vì vậy người ta phải chế tạo một sơmi toả nhiệt trong có các lỗ 5, 6, 7 để dẫn nước chảy quạ. Điện trở ra của chuyển đổi rất lớn 1013 , nên đòi hỏi điện trở cách điện của dây dẫn và điện trở đầu vào của bộ khuếch đại cũng phải lớn. Với một dải tần tư- ơng đối rộng, tốc độ biến thiên áp suất trong xi lanh rất lớn, do đó phải dùng các đầu rung của dao động kí có tần số riêng cao nhưng độ nhạy thường lại thấp, vì vậy yêu cầu hệ số khuếch đại phải lớn để có thể đo áp suất từ 0  15 MN/m2. 3.9. ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG Hình 3.11 là sơ đồ thiết bị đo áp suất, trong đó gồm có ống rỗng tròn làm bằng thép, trên bề mặt ống được dán hai điện trở lực căng RT và RK mắc cùng với hai điện trở R tạo thành mạch cầu. Khi có áp suất Px cần đo tác dụng, bề mặt của ống bị biến dạng. Độ biến dạng đ- ược tính bằng biểu thức : 1 = hE rpx . . (3.11) Px - áp suất đo; r và h - đường kính và chiều dày thành ống; E - môđun đàn hồi của thép. 69 Hình 3.11. Sơ đồ thiết bị đo áp suất điện trở lực căng Độ biến dạng 1 được phản ánh nhờ điện trở lực căng RT , còn điện trở RK dán dọc ống dùng để bù nhiệt độ. Khi điện áp cung cấp cho mạch cầu không đổi, điện áp ở đầu ra của mạch cầu U tỉ lệ với áp suất đo. Để tăng tín hiệu ra người ta mắc thêm bộ khuếch đại (KĐ) , miliampemét được khắc độ giá trị áp suất cần đo. Dải đo áp suất 5.104  107 bar, sai số quy đổi  1,5 %. Do quán tính nhỏ nên thiết bị trên có thể dùng đo áp suất biến thiên nhanh và tín hiệu ra được ghi trên dao động ký cơ khí hoặc quan sát trên dao động ký điện tử . 3.10. ÁP KẾ MÀNG VỚI ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG TRONG CÔNG NGHIỆP Trong thiết bị này áp suất được biến đổi thành di chuyển, đo di chuyển để suy ra áp suất. Hình 3.12. Sơ đồ áp kế màng. Hình 3.12 là sơ đồ áp kế màng 3дд-22. Trong đó áp suất cần đo P tác động lên màng 1 qua bộ phận dẫn truyền đẩy lò xo phẳng 2 làm lò xo di chuyển. Độ uốn của lò xo 2 tỉ lệ với áp suất p. ở hai phía của lò xo phẳng 2 người ta dán hai điện trở lực căng 3. Khi lò xo bị uốn một chuyển đổi chịu lực kéo còn một chịu lực nén. Thiết bị trên có thể đo được áp suất trong khoảng từ 0,1 - 0,6MN/m2. Sai số tương đối quy đổi  1,5% và có thể làm việc với bất kì loại điện trở lực căng nào. 3.11. ĐO ÁP SUẤT BẰNG CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN DUNG 70 Hình 3.13 là sơ đồ thiết bị đo áp suất bằng phương pháp cân bằng, trong đó điện dung Cl , C2 là hai nhánh cầu với hai điện trở R1 và R2 tạo thành mạch cầu. Trên phần động 1 của chuyển đổi điện dung đặt điện áp một chiều U0 . Khi phần động 1 ở vị trí giữa lực Fl và F2 tác dụng lên nó có trị số như nhau. Mạch cầu ở trạng thái cân bằng. Khi có áp suất cần đo p tác dụng lên phần động làm nó di chuyển, cầu mất cân bằng điện áp ra lấy từ đường chéo cầu được đưa vào khuếch đại (KĐ) và hai bộ chỉnh lưu (CL1) và (CL2) và bộ lọc (L). Điện áp một chiều tổng U0 + U1 và hiệu U0 - U2 đặt lên phần động 1, lúc này phần động chịu một lực tác dụng : F = F1 – F2 =                         2 0 20 2 0 10 2 . x UU x UUs   (3.12) Trong đó  - hằng số điện môi; s - tiết diện bản cực ; 0 - khe hở giữa các bản cực; x lượng di chuyển của bản cực động. Do hệ số khuếch đại lớn có thể bỏ qua trị số x so với 0 Hình 3.13. Sơ đồ thiết bị đo áp suất bằng phương pháp cân bằng Nếu chỉnh lưu (CL1 ) và (CL2) đối xứng nhau và U1 = U2 thì áp suất đo sẽ tỉ lệ với điện áp. p =  2 0 210 )(  UUU  (3.13) Vôn mét V chỉ cho ta biết áp suất cần đo. Trong hình 3.14 mô tả cấu trúc khác của cơ cấu đo áp suất bằng điện dung. Cơ cấu gồm một ống đo, bên trong có gắn các bản cực của tụ điện. Các lá tĩnh của tụ được gắn trên tấm chắn bên phải, các lá động nằm trên tấm chắn bên trái chịu tác động của lực áp suất. Do lực áp suất tác động , các tấm động di chuyển làm điện dung của tụ thay đổi. Hai bản cực được nối với dây dẫn tới mạch dao động , làm tần số thay đổi , từ đó mà suy ra áp suất . 71 Hình. 3.14. Một cơ cấu chuyển đổi áp suất thành biến đổi điện dung 3.12. ĐO ÁP SUẤT BẰNG THIẾT BỊ SỐ Phương pháp số đo lực được thực hiện theo hai cách : - Biến lực áp suất thành điện áp sau đó đo điện áp bằng các dụng cụ số. - Biến lực áp suất thành tần số, đo tần số suy ra lực . Thực hiện phương pháp nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu của phép đo. Hình 3.15 là sơ đồ của thiết bị đo áp suất theo nguyên lí biến áp suất thành tần số. Hình 3.15. Sơ đồ nguyên tắc chuyển đổi áp suất thành tần số. áp suất đo p tác động lên màng 1, qua giá đỡ 2 kéo căng màng rung 3 đó là một màng mỏng phẳng. Các chi tiết 1, 2, 3 được chế tạo thành một khối và cùng loại vật liệu. Tần số dao động của màng rung khi chưa có áp suất là 3kHz, khi có áp suất tần số tăng lên tới 4kHz. Dao động của màng rung được duy trì nhờ bộ biến đổi điện từ phân cực 4 , cung cấp từ đầu ra của khuếch đại (KĐ). Điện áp đưa vào khuếch đại cũng lấy từ bộ biến đổi điện từ phân cực 5 và 4 do dao động của màng rung. Với hệ thống kín có phản hồi dương, dao động của màng rung được duy trì, trong đó có tần số cộng hưởng riêng. Điện áp ra xoay chiều Ur đồng bộ với tần số của màng. Sơ đồ khối của áp kế trên được vẽ trên hì nh 3.16. Trong đó bộ biến đổi áp suất - tần số (U/f) đưa ra tần số 3kHz, khi chưa có áp suất và tăng lên 4kHz khi tăng áp suất đến định mức. Nhờ bộ điều chế (ĐC) điện áp này được trộn với điện áp cửa máy phát có tần số cố định 3kHz. Đầu ra của bộ điều chế bao gồm tổng của hai tần số thay đổi từ 6  7kHz và hiệu tần số : 1 kHz. Bộ lọc tần số thấp (L) chỉ cho tần số 1 kHz đi qua và sự thay đổi áp suất đo là hàm của tần số biến thiên từ 0  1 kHz . Tần số được đo bằng tần số kế chỉ thị số hoặc đưa vào máy tính. 72 Hình 3.16. Sơ đồ khối của áp kế chỉ thị số Theo nguyên lý làm việc có thể chia thành đo trực tiếp và đo gián tiếp . Một số dụng cụ đo áp suất được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghệ: 3.13. ĐO ÁP SUẤT DÙNG BIẾN ÁP VI SAI Trong kỹ thuật công nghiệp trị số áp suất đo được cần biến thành tín hiệu điện để dễ dàng xử lý truyền đạt... Máy đo áp suất loại lò xo chỉ thị trực tiếp chỉ cho ta kết quả đọc trực tiếp tại chỗ. Người ta thực hiện thực hiện điều này khi sự biến dạng của lò xo do áp suất theo chiều dài hay góc độ được biến đổi thành tín hiệu điện theo các khả năng như sau : Biến thế vi sai Biến trở . Màng sọc co giãn (strain gauge) Điện trở từ trường Tự cảm Điện dung Đo chiều dài bằng phương pháp quang học Đo chiều dài bằng dây đàn. Thiết bị đo áp suất dùng biến áp vi sai là thiết bị dưới tác dụng của áp suất như các khâu dẫn động áp suất biến thành di chuyển, các chuyển đổi đo di chuyển sẽ xác định được áp suất cần đo: Các phần tử dần động có thể là lò xo ống, ống xi phông và màng đàn hồi hoặc màng dẻo. Hình 3.17 là sơ đồ nguyên lí của áp kế hỗ cảm vi sai hay còn gọi là áp kế biến áp vi sai. Hình 3.17. Sơ đồ mạch hỗ cảm vi sai Thiết bị gồm có khâu dần động 1 là một lò xo ống kim loại đợc uốn cong. một đầu giữ cố định còn đầu kia để tự do. Chuyển đổi 2 là một biến áp vi sai với cuộn dãy sơ cấp 7 và hai 73 cuộn thứ cấp 4 và 5. Giữa các cuộn dây đặt lõi thép 6 gắn với đầu tự do của lo xo ống. Cuộn dây 4 và 5 đấu ngược chiều nhau. Đầu ra của cuộn thứ cấp được nối với điện trở Ri và R2 để thay đổi giới hạn đo trong khoảng +25%. Khi có dòng điện 11 chạy qua cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một tử thông móc vòng qua 2 cuộn dây thứ cắp 4 và 5 làm suất hiện các sức điện động cảm ứng e1 e2 . Độ lớn của chúng phụ thuộc vào hỗ cảm M1 và M2 giữa cuộn sơ cấp và các cuộn thứ cấp và có: el = 2fl1M1 ; e2 = 2fl1M2 Do hai cuộn thứ cấp đấu ngược chiều nhau nên : E = el - e2 = 2fl1 (M1 - M2) = 2fMI1 (3.14) Với R1 và R2 là các điện trở cố định, điện áp ra được tính : Ura = 2fI1Mra Mra là giá trị hỗ cảm phụ thuộc vào độ di chuyển X của lõi thép 6 : Mra = Mmax maxX X (3.15) Mmax là giá trị hỗ cảm lớn nhất của chuyển đổi khi lõi thép di chuyển lớn nhất Xmax. Thay (7 - 28) vào (7 - 27) ta được : Ura = max max12 X MpfI X (3.16) Chiều dài toàn phần của lõi từ 1,6 : 4mm . Điện áp ra của thiết bị thay đổi từ -1V đến +1V tuỳ theo sự thay đổi của pha tín hiệu , tương ứng với sự thay đổi hỗ cảm M của chuyển đổi từ -10mH đến + 10 mH. 3.14. ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG KIỂU MÔĐUN Để đo áp suất ta có thể sử dụng áp kế kiểu điện trở lực căng (còn gọi là điện trở tenxơ). Hình 3.18 là sơ đồ thiết bị đo áp suất kiểu điện trở lực căng. Hình 3.18. Nguyên tắc áp kế dùng chuyển đổi tenxơ 74 Các môđun tenxơ là một màng mỏng kim loại 4 trên đó có gắn bốn điện trở tenxơ silic, tạo thành mạch cầu không cân bằng. Môđun tenxơ gắn trên đế 2 chia môi trường đo thành hai phần nhờ hai màng kim loại 1 và 3 . Hiệu số áp suất đo p = p1 - p2 tác dụng lên các tenxơ qua màng đàn hồi và chất lỏng giữa hai phần môi trường làm cho tenxơ biến dạng. Tín hiệu lấy ra từ điện cực 5 và nối với khuếch đại 6. Cung cấp cho mạch cầu là bộ nguồn 7. Tín hiệu ra được chuẩn hoá với dòng điện từ 4 đến 20mA. Thiết bị trên có thể đo được áp suất dư từ 0 103 kPa đến 0 60 Mpa, áp suất chân không 10  0 kPa, áp suất tuyệt đối từ 0 2,5 kPa hoặc 0 2,5 Mpa. Cấp chính xác đạt 0,6 ; 2,0 ; 1,5 . Thời gian tín hiệu xác lập khi có sự thay đổi áp suất từ 0,5  2,5 giây. 3.15. ĐO ÁP SUẤT BẰNG MÀNG KIM LOẠI CO GIÃN Màng kim loại co giãn là loại cảm biến rất quan trọng dùng để đo áp suất lực đã được phát triển đầu tiên ở Mỹ trong những năm cuối thập niên 40. Lợi điểm của màng sọc co giãn là có trị số đo chính xác, kích thước bé. Mạch đo hầu như được dùng với cầu Wheatstone. Để có độ chính xác cao mạch điện cần nhiều điện trở bù trừ và sửa sai. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến rất đơn giản: khi 1 sợi dây dẫn điện bị kéo căng , chiều dài của nó tăng lên, nhưng đường kính của nó giảm đi, hình 3.19. Từ đó dẫn tới điện trở của nó giảm đi. Nếu biến dạng của dây dẫn trong giới hạn đàn hồi, thì sau khi co giãn nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở như trước. Hình 3.19 Nếu ta gắn chặt dây điện này trên một phần tử cần đo đạc (ví dụ dán dính...) chiều dài của dây điện thay đổi theo chiều dài tức theo sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi điện trở của dây điện tương ứng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta cần khảo sát . Hình 3.20. Mạch cầu đo biến dạng do áp suất 75 Mạch cầu điển hình dùng để xác định thay đổi điện trở của màng sọc co giãn thể hiện trên hình 3.20. Điện trở của một dây dẫn tuỳ thuộc vào chiều dài l, diện tích mặt cắt ngang q và điện trở suất  :