06_chuong 5_cam Bien Luc Va AP Suat.

Chương 5: Cảm Biến Lực Và Áp Suất

Chương 5

CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT (Sensors for force and pressure) 5.1 Khái niệm Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó cũng thay đổi. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng tenzo. tenzo. Chuyển đổi điện trở làm việc dựa trên hiệu ứng này được gọi là chuyển đổi điện trở tenzo hay chuyển đổi điện trở lực căng . Chuyển đổi điện trở kiểu lực căng này được chia làm 3 loại: o

Chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh

o

Chuyển đổi điện trở lực căng lá mỏng

o

Chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏng

Loại cảm biến này có 3 thông số chính: o

Kích thước của đế

o

Giá trị điện trở của cảm biến

o

Dòng điện tối đa cho phép

Phổ biến nhất là loại chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh: Trên một tấm giấy mỏng bền, người ta dán 1 dây điện trở theo kiểu hình răng lược có đường kính khoảng 0,02 ÷ 0,03mm. Dây được chế tạo từ vật liệu constantan, nicrom, hoặc hợp kim platin-iridi. Hai đầu dây được hàn với lá đồng dùng để nối với mạch đo. Phía trên được dán một lớp giấy mỏng để cố định dây. Chiều dài l 0 của “răng lược” là chiều dài tác dụng của chuyển đổi. Để các chuyển đổi điện trở lực căng làm việc tốt trong thực tế, yêu cầu vật liệu chế tạo chuyển đổi có độ nhạy lớn để độ nhạy đạt được cao. Mặt khác, hệ số nhiệt độ của chuyển đổi điện trở lực căng ( α) cần bé vì trong kim loại độ biến dạng tương đối

ε1 trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10 -3, do đó εR vào khoảng (1,25 ÷ 10) Trang 148


tức là sự thay đổi điện trở tương đối không vượt quá 1% khi đối tượng đo chịu áp suất lớn nhất.

5.2 Cảm biến lực (Force Sensor) 5.2.1 Cảm biến lực căng (Strain Gauges sensor) a. Khái niệm Cảm biến lực căng dựa trên sự thay đổi điện trở của dây dẫn hoặc chất bán dẫn khi nó bị biến dạng và được sử dụng để đo sự co - giãn khi vật thể bị nén lại hoặc kéo căng ra. Có nhiều ứng dụng như là đo lực, áp suất, gia tốc…

Hình 5.1 Khi Strain Gauges chưa có lực tác động

Hình 5.2 Khi Strain Gauges có lực tác động. b. Điện trở của dây dẫn o

“Strain gauge” đơn giản là một dây dẫn như hình sau:

Hình 5.3 Điện trở dây dẫn. Trang 149

Chương 5: Cảm Biến Lực Và Áp Suất o

Điện trở của dây dẫn : l R = ρ (Ω ) A

(5.1)

ρ : Điện trở suất Khi có lực tác động vào thì strain gauge sẽ bị thay đổi về hình dạng, dẫn tới điện trở thay đổi. c. Độ giản nở Độ giản nở hay còn gọi là độ nở dài được định nghĩa bằng độ biến dạng chiều dài trên tổng chiều dài ban đầu  �

∆

(5.2)



Hình 5.4 Các dạng cảm biến lực căng d. Hoạt động của cảm biến lực Điện trở thay đổi của strain gauge là rất nhỏ, cỡ vài phần trăm, nhỏ hơn một Ohm. Để phát hiện ra sự thay đổi nhỏ như thế, ta phải áp dụng các mạch cầu

Hình 5.5 Hai điện trở chính và phụ. e. Phương pháp đo bằng mạch cầu

Trang 150


Hình 5.6 Phương pháp đo bằng mạch cầu. o

o

Đầu tiên ta sẽ chỉnh các giá trị điện trở sao cho V1=V2 V 1 =

V S RG R1 + RG

(5.3)

V 2 =

V S R D R2 + R D

(5.4)

Sai lệch điện áp trên mạch cầu (V1 – V2)  RG R D   − V 1 − V 2 = ∆V = V S  + + R R R R  1 G 2 D  ∆V = V S

o

( RG R2 − R D R1 ) ( R1 + RG )( R2 + R D )

(5.5) (5.6)

Để đơn giản ta cho các giá trị điện trở là bằng nhau = R. Khi có sự thay đổi điện trở ở strain gauge ∆R thì: ∆V = V S

∆ R 4 R + 2∆ R

(5.7)

4R sẽ lớn hơn rất nhiều so với 2�R vì thế: 4 R + 2∆ R ≈ 4 R

(5.8)

�R = sự thay đổi điện trở của strain-gauge R = giá trị điện trở của các điện trở trong mạch cầu �V = sai lệch điện áp Trang 151


Vs= nguồn điện áp cấp trong mạch cầu nên ta suy ra được ∆ R ≈

4 R∆V V S

(5.9)

f. Mối liên hệ giửa độ nở dài và điện trở Khi strain gauge bị tác động, điện trở nó tăng lên. Mối quan hệ giữa độ nở dài và điện trở được biểu diễn như sau: ∆ R / R GF

ε =

(5.10)

Với: ε = độ nở dài(∆L/L) R = điện trở strain-gauge GF =Hệ số gauge, hệ số này được cung cấp bởi nhà sản xuất với ∆ R / R ∆ R L . = ∆ L / L ∆ L. R

GF =

(5.11)

Young’s modulus (E): là hằng số mô tả mối quan hệ giữa lực tác động và độ nở dài của vật: E =

ρ ε

(5.12)

Với: E = Hằng số (hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu) ρ = Lực tác động trên một vùng ε = Độ nở dài Young’s modulus (E) Chất liệu

lb/in

N/cm2

Sắt Sắt

30.1 30.100

2,07 2,07.1 .100

Đồng Đồng

15.1 15.100

1,07 1,07.1 .100

Nhôm

10.10

6,9.10

Đá

7,3. 7,3.10 10

5,0. 5,0.10 10

Trang 152

Chương 5: Cảm Biến Lực Và Áp Suất Gỗ cứng 

1,5 . 106

1,0.106

Ví dụ: Cho dụ: Cho mạch đo strain gauge như hình. Bề mặt trụ (cấu tạo bằng thép) là 2 in2, R= 120 Ω và GF bằng 2. Nguồn cung cấp 10 V. Khi thanh chưa bị tác động ngõ ra cầu là 0V. Khi thanh chịu tác động, and ngõ ra cầu là 0.0005 V. Tìm lực tác động lên thanh.

Giải o

Độ thay đổi điện trở khi thanh chịu tác động ∆ R ≈

o

Độ nở dài : ε =

o

∆ R / R 0.024 / 120 = = 0.0001in. / in. GF 2

Áp dụng công thức: E =

o

4 R∆V 4 *120Ω * 0.0005V = = 0.024Ω V S 10V

ρ ε

Để tính toán lực tác động lên thanh. Tra bảng Young’s modulus. Từ bảng, ta tìm được 30,000,000 lb/in2 cho bởi: ρ = E .ε = 30,000,000lb / in 2 * 0.0001in. / in = 3000lb / in 2

o

Đó là lực tác động lên một in2 mặt cắt, theo đề là 2.in 2 nên lực tác động phải là 6000 lb/in2 Trang 153


5.2.2 Load cell a. Cấu tạo và phân loại Load cell là thiết bị dùng để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện. Loadcell có rất nhiều loại khác nhau như: o

Loại theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), chịu uốn (bending), chịu xoắn (tension loadcell) … Hình 5.7

Hình 5.7 Loại Loadcell theo lực tác động. o

Loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S…Hình 5.8 là loadcell dạng trụ

Hình 5.8 Loại Loadcell hình trụ. (a) Gauge chính và gauge phụ được lập lại đến khi nào chúng có cùng nhiệt độ. (b) Loadcell dạng cầu strain gauge Phần điện trở bù được đặt gần strain gauge chịu tác động, để đảm bảo cùng nhiệt độ. Nó không bị thay đổi dưới tác động của lực. b. Nguyên lý hoạt động Tùy theo loại loadcell mà mỗi loại có nguyên tắc hoạt động khác nhau như:

Trang 154


Hydraulic load cells: cells: là loại loadcell thủy lực, nó đo trọng lượng nhờ vào sự thay đổi áp suất chất lỏng. Khi nó chịu tải lực tác động sẽ chuyển tới một pittông nén một lượng chất lỏng trong buồng chứa. Khi lực tác động tăng lên, áp lực các chất lỏng thủy lực cũng tăng theo. Áp lực này có thể được xác định cho chỉ định cục bộ hoặc điều khiển từ xa. Đầu ra là tuyến tính và tương đối không bị ảnh hưởng bởi hàm lượng của chất lỏng hoặc nhiệt độ của nó. Nếu các loadcell đã được cài đặt đúng và hiệu chuẩn, độ chính xác có thể là 0,25% trong toàn thang đo hoặc tốt hơn trong hầu hết các ứng dụng đo trọng lượng. Bởi vì cảm biến này không có thành phần điện, nên nó rất thích hợp để sử dụng trong các khu vực nguy hiểm. Các ứng dụng điển hình của loadcell thủy lực bao gồm cân các bồn chứa, gầu và phễu. Để đạt được độ chính xác tối đa nên dùng nhiều loadcell kết nối với nhau rồi tổng hợp kết quả đầu ra.

o

Pneumatic load cells: cells : Loadcell khí nén hoạt động trên nguyên tắc cân bằng lực. Các thiết bị này sử dụng nhiều buồng giảm chấn nên có có độ chính xác cao hơn loadcell loại thủy lực. Trong một số thiết kế, buồng giảm chấn đầu tiên được sử dụng như một buồng trọng lượng bì. Loadcell khí nén thường được sử dụng để đo trọng lượng tương đối nhỏ trong các ngành công nghiệp mà vấn đề sạch sẽ và an toàn là mối quan tâm chính. Những ưu điểm của loại loadcell này là không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Ngoài ra, chúng không chứa các chất lỏng có thể gây ô nhiễm quá trình nếu vỡ kết cấu. Nhược điểm của loại loadcell này là tốc độ đáp ứng tương đối chậm và khí cần thiết phải sạch sẽ, không khí khô quy định, hoặc nitơ.

o

Strain-gauge load cells: Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

c. Mạch đo cảm biến lực o

Dùng bán cầu:

Trang 155


Hình 5.9 Loadcell dùng cầu đối xứng. 

Ở đây có hai strain gauge chính, 2 strain gauge phụ

Hình 5.10 Hai điện trở chính và phụ. 

Ngõ ra bán cầu:  R + ∆ R  R  vo = v S  − R ( R R ) R ( R R ) + + ∆ + + ∆  

( R + ∆ R ) − ( R )  vo = v S     2 R + ∆ R 

(5.13)

Nếu ∆ R << R ∆ R  vo = v S     2 R  o

(5.14)

Dùng mạch cầu đầy đủ:

Trang 156


Hình 5.11 Loadcell dùng cầu toàn phần.

Hình 5.12 Hai điện trở chính và phụ. 



Ngõ ra mạch cầu đầy đủ:  R + ∆ R R − ∆ R   vo = v S  − R R R R R R + + ∆ + − ∆ ( ) ( )  

(5.15)

 ( R + ∆ R )( R + ( R − ∆ R )) − ( R − ∆ R )( R + ( R + ∆ R ))  vo = v S   ( R ( R R ) ) ( R ( R R ) ) + + ∆ + − ∆  

(5.16)

Nếu ∆ R << R ∆ R  vo = v S     R 

(6.17)

d. So sánh các loại loadcell Trang 157


Bảng so sánh các loại Loadcell Loại Tầm đo Độ Ứng dụng Ưu điểm Nhược điểm chính xác Mechanical Load Cells Load Lên đến 0.25% Bồn chứa , xà lan không bị ảnh Chi phí cao; phức Cell 10,000,000 chở bùn ;khu vực hưởng bởi nhiệt tạp thủy lực lb nguy hiểm. độ . Load Tương đối Cao Công nghiệp thực An toàn: thành Đáp ứng chậm: đòi Cell khí rộng phẩm: khu vực phần không hỏi khí phải sạch và nén nguy hiểm. chứa các chất khô. nguy hại Strain Gauge Load Cells Load 10-5k lbs. 0.03% Bồn chứa, bàn Chi phí thấp, cấu Strain gauge lộ ra Cell chịu cân. tạo đơn giản. bên ngoài nên cần uốn có biện pháp bảo vệ. Load 10-5k lbs. 0.03% Bồn chứa, bàn Dễ dàng lắp ráp Cell chịu cân, tải trọng lệch kéo tâm. Load Lên đến 0.05% Cân xe tải, bồn Tải có thể Không có bảo vệ Cell 500k lbs. chứa, cân hình chuyển động. theo phương ngang. dạng phểu hộp Load 5- 500k Bồn chứa, cân. Các bộ phận làm Tải không được Cell lbs. bằng thép không chuyển động trong dạng gỉ . khi cân. vòng và dạng đĩa Load 0-50k lbs 1% Các loại cân Nhỏ gọn, chi phí Tải phải đặt ngay vị Cell nhỏ… thấp. trí trung tâm và dạng nút không được chuyển động.

5.3 Cảm biến lưu lượng và áp suất (Pressure and Flowmeters sensor) Các cảm biến đo lưu lượng được sử dụng để đo cả chất lỏng và chất khí trong nhiều ứng dụng giám sát và điều khiển. Với chất lỏng, khối lượng riêng có thể coi là hằng số nên việc đo lưu lượng nhìn chung dễ thực hiện hơn. Một số kỹ thuật hoạt động với cả chất lỏng và chất khí, một số chỉ hoạt động với dạng lưu chất xác định. Việc đo lưu lượng thường bắt đầu bằng việc đo tốc độ dòng chảy. Trang 158


5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng: (Flowmeters Sensor) Một trong số các tham số quan trọng của quá trình công nghệ là lưu lượng các chất chảy qua ống dẫn. Muốn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả của hệ thống điều khiển tự động các quá trình công nghệ cần phải đo chính xác thể tích và lưu lượng các chất. Môi trường đo khác nhau được đặc trưng bằng tính chất lý hóa và các yêu cầu công nghệ, do đó ta có nhiều phương pháp đo dựa trên những nguyên lý khác nhau. Số lượng vật chất được xác định bằng khối lượng và thể tích của nó tương ứng với các đơn vị đo (kg, tấn) hay đơn vị thể tích (m 3, lít). Lưu lượng vật chất là số lượng chất ấy chảy qua tiết diện ngang của ống dẫn trong một đơn vị thời gian. o

Lưu lượng thể tích: QV =

V t

(5.18)

Đơn vị đo m3/s; m3/giờ… o

Lưu lượng khối: Q m =

m t

(5.19)

Đơn vị đo kg/s; kg/giờ; tấn/giờ… Cần phân biệt sự khác nhau giữ lưu lượng tức thời và lưu lượng trung bình. Chẳng hạn lưu lượng thể tích: Lưu lượng trung bình Qtb=V( τ 1 − τ 2 ), lưu lượng tức thời: QV = dV/d τ (V là thể tích vật chất đo được trong thời gian ( τ 1 − τ 2 )) Đối với chất khí, để kết quả đo không phụ thuộc vào điều kiện áp suất và nhiệt độ, ta qui đổi về điều kiện chuẩn (nhiệt độ 20 0C, áp suất 760 mm thủy ngân). Để thích ứng với các nhu cầu khác nhau trong công nghiệp, người ta đã phát triển rất nhiều phương pháp khác nhau để đo lưu lượng chất lỏng, hơi nước, khí... 

Đặc trưng của lưu chất: Mỗi lưu chất được đặc trưng bởi những yếu tố sau: Trang 159




o

Khối lượng riêng

o

Hệ số nhớt động lực

o

Hệ số nhớt động học

Khối lượng riêng: Khối lượng riêng là khối lượng của 1 đơn vị thể tích lưu chất ρ =

m (kg / m 3 ) V

(5.20)

m: khối lượng của khối lưu chất V: thể tích của khối lưu chất

Hình 5.13 Khối lượng riêng của nước và hơi nước ở trạng thái bảo hòa với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 

Tính nhớt: Tính nhớt là tính chất chống lại sự dịch chuyển, nó biểu hiện sức dính phân tử hay khả năng lưu động của lưu chất. Đây là 1 tính chất quan trọng của lưu chất vì nó là nguyên nhân cơ bản gây ra sự tổn thất năng lượng khi lưu chất chuyển động. Khi lưu chất chuyển động, giữa chúng có sự chuyển động tương đối, nảy sinh ma sát tạo nên sự biến đổi 1 phần cơ năng thành nhiệt năng và mất đi. Tính nhớt được đặc trưng bởi hệ số nhớt động lực, hệ số này phụ thuộc vào loại lưu chất. Có nhiều cách để đo độ nhớt, cách thức đơn giản thường được các phòng thí nghiệm ở các trường đại học sử dụng để chứng minh sự tồn tại độ nhớt và xác định giá trị là: Cho 1 quả cầu rơi trong chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực. Đo khoảng cách (d) và thời gian (t) quả cầu rơi, tính vận tốc u. Trang 160


Hệ số nhớt động lực sẽ được tính theo phương trình sau: 2.∆ ρ . g .r 2 µ = 9.u

(5.21)

: Hệ số nhớt động lực (Pa s) ∆ ρ : Sự khác nhau giữa khối lượng riêng quả cầu và chất lỏng (kg/m 3).

g: Gia tốc trọng trường 9,81 m/s2. r: Bán kính quả cầu (m). u: Vận tốc rơi của quả cầu u= d/t (m/s) Đơn vị của hệ số nhớt động lực: Pa s= Ns/m2= 103 cP (centiPoise) = 10 P (Poise)

Hình 5.14 Hệ số nhớt động lực của nước và hơi nước ở trạng thái bảo hòa với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Để nhấn mạnh mối quan hệ giữa tính nhớt và khối lượng riêng của lưu chất người ta đưa ra hệ số nhớt động học. v=

µ .10 ρ

3

(5.22)

v: hệ số nhớt động học, đơn vị centistokes (cSt) : Hệ số nhớt động lực. ρ :

Khối lượng riêng của lưu chất (kg/m 3).

Đơn vị hệ số nhớt động học là cSt (centistokes), St (stokes), m 2/s 1St = 100 cSt = 1 cm2/s = 10-4 m2/s

Trang 161


Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Độ nhớt của chất lỏng tăng khi nhiệt giảm và khi áp suất tăng, đối với chất khí thì ngược lại. 

Trị số Reynold: (Re) Tất cả các yếu tố đã kể trên đều có ảnh hưởng tới dòng chảy của lưu chất trong ống dẫn, người ta kết hợp chúng với nhau tạo ra 1 đại lượng duy nhất thể hiện đặc trưng của lưu chất Trị số Reynold: Re = ρ :

ρ .u D . µ

(5.23)

Khối lượng riêng của lưu chất (kg/m 3)

D: Đường kính trong của ống dẫn lưu chất (m) u: Vận tốc của lưu chất (m/s) : Hệ số nhớt động lực (Pa s) 

Hiệu chuẩn khối lượng riêng: Khối lượng riêng của chất lỏng, chất khí trong môi trường đo ảnh hưởng đến phép đo lưu lượng. Thực chất khối lượng riêng thường không là một hằng số. Khối lượng riêng của chất lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ. Trường hợp này để hiệu chuẩn khối lượng riêng ta chỉ cần đo nhiệt độ. Khí thường là một hỗn hợp gồm nhiều thành phần. Khối lượng riêng của nó lệ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Để hiệu chỉnh sai số cần đo cả hai đại lượng này (lấy chuẩn là khối lượng riêng ở điều kiện 0 0C, áp suất khí quyển).



Trạng thái dòng chảy: Nếu bỏ đi ảnh hưởng của độ nhớt và sự ma sát với thành ống dẫn thì vận tốc dòng chảy sẽ như nhau ở mọi vị trí trên mặt cắt ngang của ống dẫn (hình 5.15).

Trang 162


Hình 5.15 Vận tốc dòng chảy. (trường hợp lý tưởng) Tuy nhiên đó chỉ là trường hợp lý tưởng, trong thực tế độ nhớt ảnh hưởng đến tốc độ của dòng chảy, cùng với sự ma sát của ống dẫn làm giảm vận tốc của lưu chất ở vị trí gần thành ống (hình 5.16).

Hình 5.16 Vận tốc dòng chảy với ảnh hưởng của tính nhớt và lực ma sát. Các khí (ở trạng thái bão hòa) và hầu hết các chất lỏng thường được vận chuyển bằng ống dẫn ở trạng thái dòng chảy rối. Hình 5.17

Hình 5.17 Trị số Reynold. 5.3.2 Cảm biến đo áp suất: (Pressure sensor) a. Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất

Trang 163


Để dùng cảm biến áp suất đo lưu lượng, người ta đo sự chênh lệch áp suất (hiệu áp) giữa 2 vị trí ống có tiết diện dòng chảy khác nhau. Các lưu lượng kế đo dựa trên hiệu áp (differential pressure flowmeter) được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là dùng với các chất lỏng. Các thiết bị này cũng như hầu hết các lưu lượng kế khác gồm hai thành phần cơ bản. Thành phần 1: là nguyên nhân gây nên sự thay đổi trong năng lượng động học, tạo nên sự thay đổi áp suất trong ống. Thành phần này phải phù hợp với kích thước của đường ống, điều kiện dòng chảy, tính chất của lưu chất. Thành phần thứ 2: đo sự chênh lệch áp và tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành giá trị lưu lượng. b. Định nghĩa áp suất Áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích dF dS

p =

(5.24)

p: áp suất A: diện tích F: lực Để đo áp suất người ta sử dụng một nguyên tắc giống nhau, áp suất được cho tác dụng lên một bề mặt xác định, như thế áp suất được biến thành lực. Việc đo áp suất được đưa về đo lực. Tất cả các lực tác dụng lên một mặt phẳng xác định là thước đo áp xuất. p =

F S

(5.25)

c. Đơn vị áp suất Ủy ban quốc tế cho việc đo đạc với luật định đã chọn Pascal (Pa) = N/m 2 là đơn vị áp suất (ISO 1000, DIN 1301). o

Việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội số của đơn vị Pa. Trang 164


1 mbar = 10 2 Pa 1 bar = 10 5 Pa Những đơn vị cũ dùng phổ biến trước đây: 1 mmHg = 1,0000 Torr 1 atm = 760 Torr (atm đơn vị áp suất khí quyển vật lý) 1Torr =1,333224 102 Pa 1kp/cm2 = 0,980665. 105 Pa 1at =1kp/cm2 = 0,980665. 105 Pa (at đơn vị áp suất khí quyển kỹ thuật) 1mm nước =9,80665 Pa o

Ngoài ra ở các nước Anh, Mỹ người ta còn dùng các đơn vị áp suất sau: 1 pound-force/ square yard (Lb/yd 2)

= 5,425. 10-5 at

1 pound-force/ square foot (Lb/ft 2)

= 4,883. 10-4 at

1 pound-force/ square inch (Lb/in2 = psi)

= 7,031. 10-2 at

1 ounce/ square foot (oz/ft 2)

= 3,052. 10-5 at

1 ounce/ square inch (oz/in 2)

= 4,394. 10-3 at

1 Ton/ square foot (Ton/ft 2)

= 2,540. 10-3 at

1 inch of water (trong nước)

= 2,40. 10-3 at

1 inch of mecuri (trong thủy ngân)

= 3,455. 10-2 at

d. Bộ phận tạo nên sự chênh lệch áp suất Dù hiện nay đã có nhiều phương pháp đo lưu lượng được phát triển, phương pháp đo lưu lượng bằng ống co vẫn được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và các lãnh vực khác. Ống co dùng để tạo sự chênh lệch áp suất (giữa vị trí ống chưa co và ống co) nên ống co phải là những linh kiện cơ học rất bền bỉ, cấu trúc đơn giản và không có các phần tử di động để chịu được những điều kiện vô cùng khắc nghiệt trong công nghiệp. Phương pháp đo sử dụng Pitot tube cũng dựa trên sự chênh lệch áp suất nhưng không tạo sự “co” trực tiếp trên dỏng chảy. e. Bộ biến đổi áp suất Trang 165


Hình 5.18 Bộ biến đổi áp suất. Lợi dụng cấu tạo của cảm biến lực ta có thể sử dụng để đo áp suất. Áp suất chính là lực tác động trên một đơn vị diện tích. Cảm biến áp suất thường dùng là loại cảm biến áp suất chất lưu, nguyên lý hoạt động thường là bằng chất lỏng cân bằng thủy tĩnh hay đo bằng phần tử nhạy cảm biến dạng (cơ sở biến dạng đàn hồi của các phần tử cảm biến). Cảm biến áp suất thì có nhiều loại : loại áp trở, lọai điện dung ... f. Ống co Venturi Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co dựa trên định luật liên tục và phương trình năng lượng của Bernoulli. o

Phương trình liên tục: A1u1 ρ =A2u2 ρ

o

Phương trình Bernoulli: p1 + ρ . g .h1 +

o

(5.26)

ρ

2

u12 = p2 + ρ . g .h2 +

ρ

2

u 22

(5.27)

Áp dụng cho trường ống co venturi: p1 +

ρ

2

u12 = p2 +

ρ

2

u 22

Trang 166

(2.28)


Hình 2.19 Phương pháp đo lưu lượng ống co venturi. o

Trong đó: A1: Diện tích trước co. A2: Diện tích ở vị trí co. u1: Vận tốc trước vị trí co u2: Vận tốc ở vị trí co p1: Áp suất tĩnh trước vị trí co p2: Áp suất tĩnh ở vị trí co ρ : Khối lượng riêng.

h 1: Độ cao vị trí ở vị trí trước co h2: Độ cao vị trí ở vị trí sau co Ở nơi diện tích ống bị thu nhỏ, vận tốc dòng chảy gia tăng. Với phương trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng của dòng chảy là tổng năng lượng áp suất tĩnh và động năng (vận tốc) là một hằng số. ∆ p = p1 − p 2 = o

ρ

2

(u 22 − u12 )

(5.29)

Giải phương trình trên theo v 2: 2

 A  u 22 = ( p1 − p 2 ) + u12 = ( p1 − p 2 ) +  2  .u 22 ρ ρ  A1  2

2

Trang 167

(5.30)


Đặt α =

1

 A  1 −  2   A1 

2

là hằng số dòng chảy

Ta có: u 2 = α o

2 ρ

. p1 − p 2

(5.31)

Từ đó ta có lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng như sau: QV = A2 .u 2 = α . A2 .

2 ρ

. p1 − p 2 = α .k . ∆ p

Qm = A2 .u 2 . ρ = α . A2 . 2 ρ . p1 − p2 = α .k ' . ∆ p

(5.32) (5.33)

Như thế lưu lượng tỉ lệ với căn số bậc hai của hiệu áp khi khối khố i lượng lượn g riêng là hằng số. Hình ảnh thực tế loại ống co Venturi H800 do hãng Tetratec Instruments sản xuất.

Hình 5.20 Hình ảnh thực tế loại ống co Venturi H800. g. Orifice plate Orifice plate là một trong những cách thức đơn giản nhất (và cũng kinh tế nhất) để tác động đến dòng chảy, để từ đó có thể tính được lưu lượng.

Hình 5.21 Các dạng ống co Orifice plate. Trang 168


Orifice plate dày khoảng 1/16 đến đến ¼ inch. Có 3 loại Orifice plate: concentric (đồng tâm), eccentric (lệch tâm), segmental (hình cung) như hình 5.21. Trong 3 loại, loại concentric được sử dụng nhiều nhất. Khi lưu chất đi qua Orifice plate, dòng chảy “hội tụ”, tốc độ lưu chất tăng lên mức tối đa. Tại điểm này, áp suất là nhỏ nhất. Khi dòng chảy phân kì, tốc độ lưu chất giảm trở lại mức ban đầu. Hai loại Eccentric và Segmental cũng có chức năng hoàn toàn toàn giống như Consentric. Thiết bị được lắp đặt đồng tâm với ống dẫn lưu chất (ống dẫn đặt nằm ngang), với loại Segmental, vị trí phần cung tròn (phần đã được cắt) phụ thuộc vào dạng chất lỏng có thể ở trên hoặc ở dưới nhằm mục đích ngăn chặn các vật lạ từ trong dòng chảy. Kết quả đạt được là phép đo tăng mức độ chính xác. Loại eccentric cũng được thiết kế với cùng mục đích trên. 

Nguyên tắc hoạt động:

Hình 5.22 Phương pháp đo lưu lượng dùng ống Orifice Orifi ce plate. Nguyên tắc đo lưu lượng khi sử dụng Orifice plate cũng dựa trên phương trình Bernoulli. v = 2 gh

(5.34)

QV = A.v = A. 2 gh

(5.35) Trang 169


Trong thực tế giá trị vận tốc thực sự sẽ nhỏ hơn giá trị vận tốc trên lý thuyết (do ma sát). Sự khác biệt này được điều chỉnh với hệ số C V . C V =vận tốc thực tế/ vận tốc lý thuyết.

Bên cạnh đó diện tích dòng chảy hội tụ sẽ nhỏ hơn diện tích của Orifice plate, điều này tiếp tục được điều chỉnh với hệ số C C. CC = diện tích vùng hội tụ / diện tích Orifice plate Hai hệ số C V , CC kết hợp với nhau có được hệ số điều chỉnh C. Q v = C. A. 2 gh

(5.36)

Qv: Lưu lượng m3/s A: Hệ số điều chỉnh. A: Diện tích Orifice plate. h: Sự chênh lệch về áp suất (m) g: Gia tốc trong trường (9,8 m2/s) Hệ số C (được định nghĩa theo tiêu chuẩn ISO 5167 – 2003) có thể tra các giá trị dựa vào dựa vào tiêu chuẩn ISO 5167.

Hình 5.23 Yêu cầu lắp đặt (theo tiêu chuẩn ISO 5167)

Trang 170


Cần có các đoạn ống dẫn lưu chất không cong, thẳng ở vị trí trước và sau vị trí lắp đặt Orifice Plate. Độ dài tối tối thiểu của các đoạn ống này phải đạt mức: o

Ở vị trí sau Orifice Plate (cuối nguồn): 5 lần đường kính ống dẫn lưu chất.

o

Ở vị trí trước Orifice Plate (đầu nguồn): Phụ thuộc vào tỉ số

β và

cách lắp

đặt. β =

d D

(5.37)

d: đường kính của Orifice Plate (đường kính miệng của vòi). D: đường kính ống dẫn lưu chất. Căn cứ vào giá trị

β và

cách lắp đặt (xem hình 5.24) mà sử dụng 1 trong

các hệ số A, B, C. Tính được độ dài tối thiểu cần thiết = hệ số * D. Hệ số

β

<0,32

0,45

0,55

0,63

0,70 0,77

0,84

A

18

20

23

27

32

40

49

B

15

18

22

28

36

46

57

C

10

13

16

22

29

44

56

h. Pitot tube

Hình 5.24 Lược đồ Pitot tube. 

Nguyên tắc hoạt động Trang 171


p1 +

ρ

2

v12 = p2 +

ρ

2

v 22

(5.38)

p1: Áp suất tĩnh trong dòng chảy của lưu chất ống dẫn. p2: Áp suất tĩnh trong Pitot tube. v1: Vận tốc dòng chảy. v2: Vận tốc dòng chảy ở vị trí ứ đọng (bằng 0). ρ : o

Khối lượng riêng của lưu chất.

Do v2=0 p1 +

ρ

2

v12 = p2

∆ p = p 2 − p1 = o

2

v12

(5.40)

Giải phương trình trên theo v 1 v12 =

o

ρ

(5.39)

2.∆ p ρ

⇒ v1 =

2.∆ p ρ

(5.41)

Từ đó ta có lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng như sau: Qv = A .v1 = A.

2.∆ p ρ

(5.42)

Trong thực tế, Pitot tube có thể được tích hợp trong cùng 1 khối, bộ phận đo tổng áp suất tĩnh và động năng với bộ bộ phận đo áp suất tĩnh được đặt trong cùng một thiết bị. Do dạng đơn giản của pitot tube chỉ đo tại 1 điểm, mà giá trị của vận tốc dòng chảy tại những vị trí khác nhau là không giống nhau (trên mặt cắt ngang của dòng chảy). Do đó vị trí đo mang tính chất quyết định.

Trang 172


Hình 5.25 Dạng đơn giản của Pitot tube. Để khắc phục đặc điểm vận tốc dòng chảy khác nhau, dạng pitot tube trung bình được sử dụng. Động năng của dòng chảy được đo ở các vị trí khác nhau, kết quả lấy giá trị trung bình.

Hình 5.26 Pitot tube trung bình. 

Sự chính xác của phép đo o

Khi diện tích cắt ngang của dòng chảy và khối lượng riêng của lưu chất coi như cố định, trong phương trình Qv = hệ số.

o

(5.43)

∆ p

Hiệu áp ∆ p tỉ lệ với bình phương với lưu lượng QV, do đó khi Q V = 30% than hang đo thì ∆ p = 9% thang đo.

o

Hiệu áp càng thấp, sai số tương đối càng lớn. Khi ∆ p = 9% thang đo, sai số tương đối lúc này lớn gấp 11 lần sai số ở cuối thang đo.

o

Do đó chỉ nên thực hiện việc đo lưu lượng bằng ống co từ 30% đến 100% thang đo.



Bộ phận đo sự chênh lệch áp suất Trang 173


Bộ phận đo sự chênh lệch áp suất này được thiết kế đo áp suất dựa trên các nguyên tắc:



o

Chuyển đổi áp suất kiểu điện dung

o

Chuyển đổi áp suất kiểu biến áp vi sai

o

Chuyển đổi áp suất kiểu điện trở áp điện

o

Chuyển đổi áp suất kiểu áp điện

o

Chuyển đổi áp suất kiểu màng sọc co giãn...

Cảm biến áp suất loại điện trở áp điện Cảm biến áp suất loại điện trở áp điện thay đổi điện trở tương ứng với biến dạng trên bản thân nó.



o

Cảm biến biến dạng áp điện trở kim loại

o

Cảm biến biến dạng áp điện trở bán dẫn

Các thông số cơ bản: o

Độ dài biến dạng: Tỉ số của sự thay đổi kích thước với chiều dài ban đầu ε =

∆l l

(5.44)

Đơn vị là Strain và thường sử dụng microstrain o

Hệ số biến dạng: tỉ số thay đổi điện trở với thay đổi chiều dài. ∆ R ∆ R R GF = = R ∆l ε l

(5.45)

Hệ số GF của kim loại: 2, bán dẫn: 80 – 120 

Nguyên lý đo sử dụng cảm biến dạng áp điện trở: Các phép đo biến dạng ít khi có giá trị lớn hơn vài millistrain (ε. 10 -3) o

Ví dụ: Cơ cấu chịu lực biến dạng 500µε. Hệ số biến dạng GF = 2. Giá trị thay đổi điện trở: ∆R/R = GF. 500. 10 -3 = 0. 001 Trang 174


Để đo sự thay đổi nhỏ giá trị điện trở, các cảm biến biến dạng áp điện trở sử dụng mạch cầu.  R3 R1  .V S − V o =   R3 + R4 R1 + R2 

(5.46)

Khi R1/R2 = R3/R4 thì điện áp ra bằng 0. Nếu thay thế R4 bằng cảm biến thì khi có lực tác dụng lên, điện áp ra sẽ thay đổi

Hình 5.27 Dạng mạch cầu ¼. o

Độ thay đổi điện trở: ∆R = R G. GF. ε

o

Chọn R1 = R2 và R3 = R G ta có:     GF .ε  1  V O = V S . 4  1 + GF . ε     2 

o

(5.47)

Tuy nhiên GF*ε/2 << 1 nên ta có thể lấy V O = V S .

GF .ε 4

(5.48)

Hình 5.28 Dạng mạch cầu ½. V O = V S . o

GF .ε 2

(5.49)

Mạch cầu 4 nhánh như hình 2.28. Điện áp ra có thể xác định: Trang 175


V0 = Vs. GF. Ε

(5.50)

5.3.3 Cảm biến áp suất loại điện áp Cảm bến áp s ất điện áp có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi hay xuất hiện p ân cực điện điện khi một một số chất chất điện môi môi bị biến dạng dưới tác dụng của lực. Bộ cảm biến gồm ba lớp lớp màng màng polyvi polyvinyl nyliden idenee flouri flourid (PVDF) được dát mỏng giữa là chất ền (cao su silicon) và lớp ép Khi tác ụng lực lên bộ cảm biến màng PVDF c ịu ứng ứng suất suất và hìn hìnhh thàn thànhh các các điệ điệnn tích tích tr trên bề mặt.

Hình 5.29 Cảm bến áp suất điện áp. Điện tích thay đổi tạo nên biến thiên điện áp ra. Biên đ ộ điện áp ra tỉ lệ với lực tác động vào bộ cảm biến. Cảm biến áp iện được được dùng dùng để để đo lực lực biến biến thiên thiên (đế (đế 10 kN), đo áp suất 1000 ms-1(100N/m

2

) và gia gia tốc (tới (tới 1kg) 1kg) trong trong dải dải tần từ từ 0, –100kHz.

Ưu điểm của ảm biến biến loạ loạii này này là là cấu cấu trú trúcc đơn đơn giả giản, n, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, cao, có khả năn năn đo các đại lượng biến thiên nhanh. 5.3.4 Cảm biến áp suất loại màng sọc co giãn kim loại Màng sọc co iãn là loại cảm biến rất quan trọng dùng để đo áp suất, lực... đã được phát triển ầu tiê tiênn ở Mỹ trong trong nh những ững năm năm cuối cuối th p niên 40. Ưu điểm của loạ loại cảm biến iến n y là trị số đo chính xác, kích thước bé.

ạch đo thường dùng

với cầu cầu Wheatsto Wheatstone ne. Để Để có có độ độ chí chính nh xác, xác, mạch mạch điệ điệnn cần cần nh nhii u điện trở bù trừ và sửa sai. a. Nguyên tắc hoạt đ ng Trang 176


Khi 1 sợi dây dẫn điện bị kéo căng ra, nó trở nên dài và ốm hơn nên điện trở của dây tăng lên. Khi sợi dây bị nén, co lại, nó trở nên ngắn hơn và mập hơn nên điện trở giảm đi. Nếu giữ việc nén và kéo dãn này trong giới hạn đàn hồi thì sau khi bị biến dạng nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số như ban đầu. Nếu gắn chặt dây dẫn này vào phần tử cần đo đạc, chiều dài dây dẫn thay đổi theo sự biến dạng của phần tử này. Sao cho sự thay đổi điện trở của dây dâ y dẫn tương ứng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử cần khảo sát. l R = ρ S

(5.51)

R: Điện trở dây dẫn. L: Chiều dài. ρ : Điện trở suất

S; Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn b. Ứng dụng đo lưu lượng bằng ống co với cảm biến áp suất loại điện trở áp điện Để đo sự chênh lệch của áp suất ở 2 vị trí có thể sử dụng cảm biến áp suất loại điện trở áp điện. Loại cảm biến này có 2 mặt: o

Mặt trước còn gọi là mặt tích cực (mặt công tắc), vì lí do cách điện nên chỉ chịu đựng được các khí sạch như không khí và khí Freon.

o

Mặt sau còn gọi là mặt thụ động chỉ gồm các mặt silic chịu đựng được nhiều môi trường khác nhau. Cho nên để đo hiệu số áp suất của một dòng chảy ta dùng 2 cảm biến và

cho môi trường tác dụng ở mặt sau cảm biến. o

Có thể dùng loại cảm biến 240PC Series của Honeywell.

o

Các loại cảm biến này có các khoảng đo: 0..0,345 bar, 0…1 bar, 0… 2 bar, 0…4 bar, 0…7 bar, 0…10 bar.

o

Hoạt động với điện áp 8 V. Trang 177


Điều kiện nhiệt độ môi trường: -400C…+850C.

Hình 5.30 Cảm biến 240 PC Series. o

Vật liệu ống dẫn là cao su buna - N nên có thể chịu đựng được dầu lửa, dầu nhớt, dầu thủy lực, cồn, khí Freon… Đại lượng ngõ ra của cảm biến là giá trị điện áp. Tín hiệu ra của 2 cảm biến

được đưa đến mạch xử lý để cuối cùng có được kết quả chỉ thị.

Trang 178

06_chuong 5_cam Bien Luc Va AP Suat.

Recommend Documents