-
Thông tin
-
Hỏi đáp
Lý thuyết bài giảng môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường nội dung chương 11: Đo áp suất
Lý thuyết bài giảng môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường nội dung chương 11: Đo áp suất của Đại học Xây dựng Hà Nội với những kiến thức và thông tin bổ ích giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Kỹ thuật cảm biến và đo lường
Trường: Đại học Xây Dựng Hà Nội
Thông tin:
Tác giả:
Preview text:
lOMoARcPSD| 38777299
CHƯƠNG 11.- ĐO ÁP SUẤT
11.1.- Khái niệm chung.
Tình trạng làm việc của các thiết bị nhiệt thường có quan hệ mật thiết với áp
suất làm việc của các thiết bị ó. Thiết bị nhiệt ngày càng ược dùng với nhiệt ộ và áp
suất cao nên rất dễ gây sự cố nổ vỡ, trong một số trường hợp áp suất (hoặc chân
không) trực tiếp quyết ịnh ến tính kinh tế của thiết bị, vì những lẽ ó mà cũng như
nhiệt ộ việc o áp suất cũng rất quan trọng.
+ Định nghĩa : Áp suất là lực tác dụng vuông góc lên một ơn vị diện tích, ký hiệu p.
Người ta ưa ra một số khái niệm như sau :
- Khi nói ến áp suất là người ta nói ến áp suất dư là phần lớn hơn áp suất khí quyển.
Biểu diễn áp suất dư Biểu diễn áp suất chân không
Hình 11.1.- Định nghĩa áp suất.
- Áp suất chân không : là áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển.
- Áp suất khí quyển (khí áp) : là áp suất khí quyển tác dụng lên các vật pkq (at).
- Áp suất dư là hiệu áp suất tuyệt ối cần o và áp suất khí quyển (khí áp). Pdư = Pt - Pkq
- Áp suất chân không là hiệu số giữa áp suất khí quyển (khí áp) và áp suất tuyệt ối. Pck = Pkq - Pt
- Chân không tuyệt ối không thể nào tạo ra ược.
+ Đơn vị o áp suất :
Trong hệ ơn vị SI, ơn vị áp suất : Pa (1Pa = 1N/m2).. Tuy nhiên, ngày nay
chúng ta vẫn thường hay sử dụng 2 ơn vị cơ bản khác là : bar và psi.
Trước hệ SI ta có các thang o khác như : kG/cm²; mmH O... Nếu sử dụng các 2 dụng cụ ơn vị : mmH
O và Hg phải ở iều kiện nhất ịnh . 2O, mmHg thì H2 lOMoAR cPSD| 38777299
Có thể tham khảo bảng chuyển ổi ơn vị o áp suất theo hệ SI. Átmốtphe kỹ Pound lực Pascal Bar Átmốtphe Torr thuật trên inch (Pa) (bar) (at) (atm) (Torr) vuông (psi) 1 Pa 1 N/m2 10-5
1,0197*10-5 9,8692*10-6 7,5006*10-3 145,04*10-6 1 106 100000 1,0197 0,98692 750,06 14,504 bar dyne/cm2 1 at 98.066,5 0,980665 1 kgf/cm2 0,96784 735,56 14,223 1 101.325 1,01325 1,0332 1 atm 760 14,696 atm 1 1 Torr ;
133,322 1,3332*10-3 1,3595*10-3 1,3158*10-3 19,337*10-3 torr ≈ 1 mmHq 1
6.894,76 68,948*10-3 70,307*10-3 68,046*10-3 51,715 1 lbf/in2 psi
Ví dụ : 1 Pa = 1 N/m2 = 10-5 bar = 10,197*10-6 at = 9,8692*10-6 atm.
+ Nguyên lý o áp suất.
Phương pháp o áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất.
Đối với chất lưu không chuyển ộng, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh. Do vậy,
o áp suất chất lưu thực chất là xác ịnh lực tác dụng lên một diện tích thành bình.
Đối với chất lưu không chuyển ộng chứa trong một ống hở ặt thẳng ứng (hình
11.1), áp suất tĩnh tại một iểm M cách bề mặt tự do một khoảng h ược xác ịnh theo công thức : p = po + ρgh
Trong ó: po : áp suất khí quyển,
ρ : khối lượng riêng của chất lưu, g : gia tốc trọng trường.
Hình 11.1.- Đo áp suất tĩnh trong ống chứa chất lưu ể hở. lOMoARcPSD| 38777299
Đối với áp suất tĩnh có thể tiến hành o bằng các phương pháp sau :
. Đo trực tiếp áp suất chất lưu thông qua một lỗ ược khoan trên thành bình.
. Đo gián tiếp nhờ o biến dạng của thành bình dưới tác ộng của áp suất.
Trong cách o thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến ặt sát thành bình. Trong
trường hợp này, áp suất cần o ược cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng
mẫu tạo nên hoặc tác ộng lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp
suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian ể o áp suất, cảm biến thường trang bị thêm
bộ phận chuyển ổi iện.
Trong cách o thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến o ứng suất ể
o biến dạng của thành bình.
Đối với chất lưu chuyển ộng, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và
áp suất ộng (p ) : p = pt + p .
Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển ộng.
Áp suất ộng do chất lưu chuyển ộng gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu : . 2 v P = 2
Khi dòng chảy va ập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất ộng chuyển thành
áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Do vậy áp suất ộng ược
o thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Thông thường việc o hiệu
áp suất (p – p ) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai ầu ra của một ống Pitot, trong t
ó cảm biến (1) o áp suất tổng, cảm biến (2) o áp suất tĩnh.
Hình 11.2.- Cấu tạo và hình dáng ống Pito.
11.2.- Các loại áp kế dịch thể. lOMoARcPSD| 38777299
Đây là loại dụng cụ o áp suất ơn giản nhất, ở thời iểm o ạt ược ộ chính xác
cao, nhưng giới hạn o bị hạn chế ( ến 2 kG/cm2).
Ta có thể chia các áp kế này thành các loại sau : A.-
Loại dùng trong phòng thí nghiệm :
1.- Áp kế loại chữ U:
Cấu tạo : là một ống thủy tinh ược uốn cong hình chữ U, bên trong có ựng
dịch thể (nước, rượu, Hg, dầu biến áp …), xem hình 11.3.
Dụng cụ o ược : Áp suất dư, áp suất âm.
Nguyên lý làm việc dựa vào ộ chênh áp suất của cột chất lỏng : áp suất cần o
cân bằng ộ chênh áp của cột chất lỏng.
Hình 11.3.- Áp kế chữ U.
Khi P2 < P1 thì P1 = P2 + γ.h
Khi o một ầu nối áp suất khí quyển một ầu nối áp suất cần o, ta o ược áp suất dư. Nhược iểm :
- Các áp kế loại kiểu này có sai số phụ thuộc nhiệt ộ (do γ phụ thuộc nhiệt
ộ) và việc ọc 2 lần các giá trị h nên khó chính xác.
- Môi trường có áp suất cần o không phải là hằng số mà dao ộng theo
thời gian mà ta lại ọc 2 giá trị h1, h2 ở vào hai iểm khác nhau chứ không ồng thời ược.
2.- Áp kế một ống thẳng :
Cấu tạo : là một bình to ược nối với một ống nhỏ. Khi o, áp suất cần o
ược ưa vào bình, còn ở ống nhỏ liên hệ với khí quyển (hình 11.4). lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.4.- Áp kế một ống thẳng.
Khi P1 = P2 thì mức dịch thể trong bình và trong ống là bằng nhau.
Khi P1 > P2 thì mức dịch thể trong ống tăng lên, còn mức dịch thể trong
bình giảm i. Lúc này ta tính ược :
ΔP = γ . ( h1 + h2 )
Khi tính toán ta nhận thấy : F F F 2 2 1 . h1 = F2 . h2 h1 = h2 . ΔP = γ . h2 ( 1 + ) F1 F1
nhưng do h1 << h2 và F1 >> F2 và nếu biết F1 , F2 thì khi o ta chỉ cần ọc trên
ống nhỏ tức là h2 => loại bỏ ược sai số do ọc hai giá trị, lúc này ta có thể viết ược
ΔP = γ . h . Sai số của nó thường là 1%. Với môi chất làm bằng nước thì có thể o 2
từ 160 mm H2O ÷ 1000 mmH2O. 3.- Vi áp kế :
Giống như áp kế một ống thẳng, nhưng khác là ống nhỏ ược ặt nghiêng một
góc α tùy ý (hình 11.5). Việc ặt nằm nghiêng ống nhỏ nhằm nâng cao ộ chính xác của phép o. Hình 11.5.- Vi áp kế. lOMoARcPSD| 38777299 Ta biết : h ’ ’ 2 = h2 . 1 h2 = h2 .sinα
Nên khi góc α càng nhỏ thì phép o càng chính xác hơn, nhưng giới hạn o lại bé.
Loại này dùng ể o các áp suất rất nhỏ ( ến 100 mmH2O).
Góc α có thể thay ổi ược và bằng 60o, 45°, 30°...
Dụng cụ này coi như áp kế chuẩn, dùng ể so sánh với các loại áp kế khác.
Vậy, tại sao khi ặt nằm nghiêng ống nhỏ ộ chính xác của phép o lại ược nâng cao.
Hãy xem trên hình 11.6 mô tả hai ống thủy tinh o, một ống dựng thẳng, một ống ặt nằm nghiêng.
Hình 11.6.- Đặt ống thủy tinh làm thước o.
Như chúng ta ã biết áp suất chất lỏng lên 1 iểm trong lòng chất lỏng không
phụ thuộc vào diện tích bồn chứa mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng riêng chất lỏng
và ộ cao của mực chất lỏng.
Từ hình 11.6 ta thấy 2 mực chất lỏng có cùng ộ cao nhưng phía bên ống
nghiêng sẽ dài hơn, áp suất tại iểm A và iểm B bằng nhau, nên ộ phân giải thước o
tại iểm A sẽ lớn hơn.
4.- Vi áp kế kiểu bù : hình 11.7.
Cấu tạo : 1, 2 là hai bình ược nối thông với nhau. Bình 1 có cấu tạo hình trụ
nằm ngang, hai ầu chắn bằng hai tấm kính. Trong bình 2 có kim 3. Bình 1 có thể di
dộng lên xuống nhờ vít iều khiển 4. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.7.- Cấu tạo vi áp kế kiều bù.
1.- Bình lớn ; 2.- Bình bé ; 3.- Kim ; 4.- Vít iều chỉnh.
Khi áp suất P1 trong bình 1 và P2 trong bình hai bằng nhau, kim có ảnh như
hình 11.7.b. Giả sử P1 tăng lên, mức nước trong bình 1 hạ xuống, nước trong bình 2
dâng lên, khi ó kim có ảnh như hình 11.7.c. Tiến hành iều chỉnh vít 4 ể hạ bình 1
xuống, khi ó mức nước trong bình 1 tăng, còn mức nước trong bình 2 hạ cho ến khi
ảnh của kim như hình 11.7.b thì ọc kết quả o áp suất trên bảng chia ộ của vít 4.
Trường hợp P1 giảm xuống thì mức nước trong bình 1 tăng, mức nước trong
bình 2 hạ xuống, khi ó ảnh của kim có dạng hình 11.7.d, iều chỉnh vít 4 ể nâng
bình 1 lên, mức nước trong bình 1 hạ xuống, mức nước trong bình 2 dâng lên cho
ến khi ảnh của kim có ảnh như hình 11.7.b thì ọc kết quả. 5.- Vi áp kế kiểu phao : hình 11.8.
Hình 11.8.- Vi áp kế kiểu phao.
1.- Bình lớn ; 2.- Phao ; 3.- Kim chỉ thị ; 4, 5, 6.- Van ; 7.- Bình nhỏ. lOMoARcPSD| 38777299
Vi áp kế kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn (1) có tiết diện F lớn,
bình nhỏ (7) có tiết diện f nhỏ. Chất lỏng làm việc là thủy ngân hay dầu biến áp. Khi
o, áp suất lớn P1 ược cho vào bình lớn (1), áp suất nhỏ P2 cho vào bình nhỏ (7). Để
tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác ộng về một phía, tiến hành
mở van (4), khi áp suất hai bên cân bằng, óng van (4) lại.
Khi ạt sự cân bằng áp suất ta có :
P1 - P2 = g . ( ρm - ρ ) . ( h1 + h2 ) trong ó :
g - gia tốc trọng trường, ρm - trọng lượng riêng của
chất lỏng làm việc, ρ - trọng lượng riêng của chất
lỏng hoặc khí cần o. Mặt khác, từ cân bằng thể tích ta có : F . h1 = f . h2 Suy ra : h1 = 1 Ff . 1 m .g P P1 2
6.- Vi áp kế kiểu chuông : hình 11.9. a) b)
Hình 11.9.- Vi Áp kế kiểu chuông.
1.- Chuông ; 2.- Bình chứa ; 3.- Chỉ thị ;
Vi áp kế kiểu chuông gồm : chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc ược chứa trong bình (2). lOMoARcPSD| 38777299
Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân
bằng (hình 11.7.a). Khi có biến thiên ộ chênh áp d (P
) ˃ 0 thì chuông ược nâng 1 - P2
lên (hình 11.7.b). Khi ạt cân bằng ta có : d(P ).F = (dH + dy).∆f.g.(ρ 1 - P2 m - ρ) Với : dH = dx + dy d(P ) = dH.(ρ 1 - P2 m - ρ).g fdy = ∆f.dH + (Ф - F).dx
trong ó : F - tiết diện ngoài của chuông,
dH - ộ di chuyển của chuông.
dy - ộ di chuyển của mức chất lỏng trong chuông.
dx - ộ di chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông.
∆f - diện tích tiết diện thành chuông.
Ф - diện tích tiết diện trong của bình lớn.
dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông.
f - diện tích tiết diện trong của chuông.
Giải các phương trình trên ta có : dH = f . (d P P 1 2) f g. .( m )
Lấy tích phân giới hạn từ 0 ến (P1 - P2) nhận ược phương trình ặc tính tĩnh của áp kế vi sai chuông : H = f .(P P 1 2) f g. .( m )
Áp kế vi sai có ộ chính xác cao, có thể o ược áp suất thấp và áp suất chân không.
7.- Chân không kế Mcleod :
Loại này dùng ta ể o chân không.
Đối với môi trường có ộ chân không cao, áp suất tuyệt ối nhỏ người ta có thể
chế tạo dụng cụ o áp suất tuyệt ối dựa trên ịnh luật nén ép oạn nhiệt của khí lý tưởng.
Nguyên lý : Khi nhiệt ộ không ổi thì áp suất và thể tích tỷ lệ nghịch với nhau, tức là : P1 .V1 = P2 .V2
Đầu tiên giữ bình Hg sao cho mức Hg ở ngay nhánh ngã 3. Nối P (áp suất 1
cần o) vào rồi nâng bình lên ến khi ược ộ lệch áp là h => trong nhánh kín có áp suất P2 và thể tích V2. Khoảng o ến 10-5 mm Hg.
Người ta thường dùng với V1max = 500 cm3, ường kính ống d = 1 ÷ 2,5 mm. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.10.- Chân không kế.
B.- Loại dùng trong công nghiệp :
Trong công nghiệp người ta thường dùng ể o hiệu áp suất gọi là hiệu áp kế.
1.-Áp kế và hiệu áp kế àn hồi.
Dựa vào tính chất àn hồi của vật khi bị tác dụng của áp suất tức là dựa trên cơ
sở o sự biến dạng àn hồi của một phần tử biến dạng nhạy cảm dưới tác dụng của áp suất.
Khi sự àn hồi của vật cân bằng với áp suất thì hệ thống trở về trạng thái cân
bằng. Chỉ cần xác ịnh ộ àn hồi là xác ịnh ược áp suất.
Hình 11.11.- Áp kế àn hồi.
Đặc iểm của loại này là kết cấu ơn giản, có thể chuyển tín hiệu bằng cơ khí,
có thể sử dụng trong phòng thí nghiệm hay trong công nghiệp, sử dụng thuận tiện và rẻ tiền.
Nguyên lý làm việc : Dựa trên sự phụ thuộc ộ biến dạng của bộ phận nhạy
cảm hoặc lực do nó sinh ra và áp suất cần o, từ ộ biến dạng này qua cơ cấu khuếch
ại và làm chuyển dịch kim chỉ (kiểu cơ khí).
Bộ phận nhạy cảm các loại áp kế này thường là ống àn hồi hay hộp có màng
àn hồi, khoảng o từ 0 ÷ 10 000 kG/ cm2 và o chân không từ 0,01 ÷ 760 mm Hg.
2.- Các loại bộ phận biến dạng (vật thể àn hồi) : lOMoARcPSD| 38777299 a) b) c) d) ) e) f) g)
Hình 11.12.- Các vật thể àn hồi.
a) Lò xo hình ống 1 vòng ; b) Lò xo nhiều vòng ; c) Lò xo xoắn ; d) Màng àn hồi phẳng ; ) Màng àn hồi uốn
nếp ; e) Màng phẳng có tâm cứng ; f) Màng uốn nếp có tâm cứng ; g) Hộp àn hổi nhiều tầng (hộp èn xếp) ;
3.- Cấu tạo và phạm vi ứng dụng : a.- Áp kế Lò so :
Phần tử biến dạng của áp kế có cấu tạo dạng lò xo, là loại ống kim loại ( ồng
hoặc thép) ược uốn cong, một ầu giữ cố ịnh, một ầu ể tự do. Khi ưa lưu chất vào
trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng (có tiết diện là
elíp hay ô van). Ống bằng ồng chịu áp lực P < 100 kG/cm2, khi làm bằng thép P =
(2000 ÷ 5000 kG/cm2), và loại này có thể o chân không ến 760 mm Hg. Góc quay φ = f ( P ).
Trên hình 11.12.a là lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình elíp
hoặc ôvan. Khi áp suất trong ống và ngoài ống có sự chênh lệch, lò xo sẽ biến dạng.
Nếu áp suất trong ống lớn hơn lò xo sẽ giãn ra, ngược lại nó sẽ co lại.
Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ. Để tăng góc quay, người ta dùng lò xo
ống nhiều vòng, có cấu tạo như hình 11.12.b.
Đối với lò xo ống dạng vòng thường phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền ộng ể tăng góc quay. b.- Áp kế màng :
Phần tử biến dạng có cấu tạo dạng màng mỏng, ược chia thành hai loại : màng àn hồi và màng dẻo.
Màng àn hồi có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp, ược chế tạo bằng thép (hình 11.12.d và 11.12. ).
Khi áp suất tác dụng lên hai mặt của màng khác nhau gây ra lực tác dụng lên
màng làm cho nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và lOMoAR cPSD| 38777299
khác nhau tùy thuộc vào iểm khảo sát. Đối với màng phẳng, ộ phi tuyến khá lớn khi
ộ võng lớn, do ó thường chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của ộ dịch chuyển của màng.
Màng uốn nếp có ặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng
với ộ võng lớn hơn màng phẳng.
Khi o áp suất nhỏ thường dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, chế
tạo từ vải tẩm cao xu. Trong một số trường hợp dung màng dẻo tâm cứng. Khi ó ở
tâm màng ược kẹp cứng giữa hai tấm kim loại (hình 11.12.e và 11.12.f).
Độ chuyển dịch dài X = f(P).
c.- Áp kế kiểu hộp àn hồi nhiều tầng (hộp èn xếp) : hình 11.12.g.
Phần tử biến dạng có cấu tạo kiểu hộp xếp, ó là một ống hình trụ xếp nếp có
khả năng biến dạng áng kể dưới tác dụng của áp suất.
Trong giới hạn tuyến tính, tỷ số giữa lực tác dụng và biến dạng của ống là
không ổi và ược gọi là ộ cứng của ống. Để tăng ộ cứng thường ặt thêm vào trong
ống một lò xo. Vật liệu chế tạo là ồng, thép cácbon hoặc thép hợp kim … Ống ược
chế tạo với ường kính từ 8 ÷ 100 mm, chiều dày thành từ 0,1 ÷ 0,3 mm.
Muốn tăng ộ xê dịch ta tăng số nếp gấp.
Thường dùng o áp suất nhỏ và o chân không.
- Loại không có lò xo phản tác dụng.
Độ chuyển dịch dài X = f(P).
Trong thực tế các loại vật thể àn hồi trên không dùng o trực tiếp ược P là do
góc quay φ hay ộ chuyển dịch dài X rất nhỏ nên phải sử dụng bộ biến ổi ể biến φ
hay X sang iện áp, sau xác ịnh tỷ lệ thay ổi iện áp với φ hay X ể tìm ra P.
4.- Lựa chọn thiết bị o áp :
Khi chọn thiết bị o áp cần phải biết :
- Giới hạn của áp suất cần o.
- Tính chất của môi trường o.
- Độ dao ộng của áp suất o.
- Độ chính xác của phép o.
Khi chọn phải chọn sao cho giới hạn o của thiết bị chỉ lớn hơn giới hạn cần o một ít.
Thiết bị o phải có ộ chính xác lớn hơn ộ chính xác òi hỏi.
Khi chọn ta thường chọn ồng hồ sao cho áp suất làm việc nằm khoảng 2/3 số
o của ồng hồ. Nếu áp lực ít thay ổi thì có khi chọn 3/4 thang o.
Khi chọn áp kế màng àn hồi thì giới hạn o phải theo úng các iều kiện sau :
. Khi áp suất P ít thay ổi thì giới hạn cần o nằm trong khoảng 1/3 ÷ 2/3 thang o. lOMoARcPSD| 38777299
. Khi áp suất P thay ổi nhiều thì giới hạn cần o nằm trong khoảng 1/2 ÷ 1/3 thang o.
Việc quy ịnh như vậy là ể cho thời gian sử dụng của thiết bị ược lâu dài.
5.- Lắp ặt ống dẫn áp – áp kế :
Khi cần o áp suất tại một iểm, có thể nối trực tiếp áp kế vào o ối tượng cần o áp.
Cách nối này áp dụng khi o áp suất bình chất lỏng (chú ý ến áp suất thủy tĩnh)
hoặc trường hợp chất lỏng có cường ộ rối nhỏ (mức ộ mạch ộng nhỏ).
Trường hợp chất lỏng hoặc khí chuyển ộng rối cao (mạch ộng lớn) ể cho áp
kế làm việc ổn ịnh, tránh dao ộng quá lớn của kim áp kế , khi lắp ồng hồ áp kế cần
có ống xi phông ể cản lực tác dụng lên ồng hồ và phải có van ba ngả ể kiểm tra ồng hồ.
Mặt khác, ể giảm nhiệt cho các thiết bị o lường, phương phát tốt nhất và sử
dụng rộng rãi nhất trong việc tản nhiệt làm mát các thiết bị o lường là khi lắp ồng
hồ áp kế cũng cần có ống xi phông.
Ống si phon hoạt ộng theo nguyên lý ơn giản : như một ống dẫn khí, dẫn
nước bình thường. Có cấu tạo rất ơn giản, ược làm từ một ống inox 316 hay một ống
thép không rỉ; có loại thiết kế thẳng, có loại cong hình chữ U hay tạo vòng ở giữa (hình 11.13.a).
Nhà sản xuất ưa ra các thiết kế khác nhau nhằm mục ích tạo cho người dùng
cách kết nối sản phẩm một cách dễ dàng nhất trong mọi ịa hình khác nhau ở nhà máy.
Về ren : thì ống xi phôn có 2 ầu ren kết nối với ường kính như nhau. Một ầu
kết nối với cảm biến áp suất và một ầu nối với ống dẫn khí lỏng. Có nhiều loại ống
xi phon có các chuẩn ren khác nhau ể a dạng hóa ren cho thiết bị. a) lOMoARcPSD| 38777299 b)
Hình 11.13.- Hình dáng và lắp ặt ống dẫn áp (ống xi phôn).
Khi o áp suất các môi trường có tác dụng hóa học cần phải có hộp màng ngăn.
Khi o áp suất môi trường có nhiệt ộ cao thì ống phải dài 30 ÷ 50 mm và không bọc cách nhiệt.
Các ồng hồ dùng chuyên dụng ể o một chất nào có tác dụng ăn mòn hóa học
thì trên mặt người ta ghi chất ó.
Thường có các lò xo ể giữ cho kim ở vị trí 0 khi không o.
11.3.- Các loại áp kế iện.
Trong phạm vi chân không cao và áp suất siêu cao hiện nay người ta ều dùng
phương pháp iện ể tiến hành o lường, các dụng cụ o kiểu iện cho phép ạt tới những
hạn o cao hơn và có thể o ược áp suất biến ổi rất nhanh.
Áp kế iện làm việc theo nguyên tắc biến ổi tác ộng của áp suất (thường là tín
hiệu cơ) thành tín hiệu iện dựa trên hiện tượng cảm ứng iện từ hoặc biến thiên iện
trở, iện cảm, iện dung của một phần tử chuyển ổi.
1.- Áp kế iện trở (áp trở) :
Trong vật lý, người ta ã chứng minh ược rằng : dưới tác dụng của áp suất P,
có một vài vật thể thay ổi iện trở của nó theo sự thay ổi của P.
Nguyên lý o : iện trở của vật liệu dẫn iện thay ổi phụ thuộc vào áp suất. Vật liệu
thường dùng là kim loại, khi chịu sự kéo hoặc nén sẽ làm thay ổi giá trị của iện trở (hình 11.14). lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.14.- Nguyên lý o áp kế iện trở.
Như vậy, theo nguyên lý o của cảm biến áp suất này là các phần tử áp iện trở
(cảm biến o sự kéo - nén) sẽ ược cấy trên cấu trúc màng, khi có áp suất tác ộng ến
thì ược chuyển thành tín hiệu iện nhờ cấy trên ó các phần tử áp iện trở.
Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với tác ộng của áp suất.
Bộ phận chính của cảm biến : các áp iện trở (hình 11.15.a), sẽ có giá trị iện
trở sẽ thay ổi khi bị biến dạng (hình 11.15.b).
Cấu tạo của áp iện trở là một sợi dây kim loại mảnh ặt trên một tấm cách iện àn hồi (hình 11.16). a) b)
Hình 11.15.- Áp iện trở. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.16.- Cấu tạo áp iện trở.
Áp iện trở kiểu màng co giãn lá kim loại : là những ường dây iện bằng kim
loại rất mịn nằm trên một bề mặt bằng chất dẻo. Người ta thực hiện bằng phương
pháp in lụa hoặc khắc quang. Vì sự thay ổi chiều dài thực tế rất bé, cho nên ường
dẫn iện này ược chế tạo thành hình uốn khúc ể có chiều dài khá lớn trên một diện
tích bé, mục ích là ể tăng ộ biến dạng khi bị lực tác dụng qua ó, từ ó mà có sự thay
ổi iện trở áng kể, tăng ộ chính xác của thiết bị cảm biến.
Cấu tạo cảm biến (hình 11.17) gồm : Bốn iện trở ược ặt tại 4 trung iểm của
các cạnh màng, 2 cặp iện trở song song với màng và 2 cặp iện trở vuông góc với màng.
Hình 11.17.- Cấu tạo cảm biến áp iện trở.
Khi có áp suất tác ộng lên màng áp, sự biến dạng của màng áp làm thay ổi
chiều dài của iện trở, 2 cặp iện trở này có chiều biến dạng trái ngược nhau, tức là
iện trở thay ổi ồng thời với áp : iện trở song song ( iện trở bị nén) giảm, iện trở vuông
góc ( iện trở bị kéo dãn) tăng. Nguyên lý này ược dựa trên công thức : R = ρ* l s
trong ó : ρ - là hằng số biến trở tùy thuộc vật liệu, lOMoARcPSD| 38777299 s - là tiết diện, l - là chiều dài.
Hình 11.18.- Sự biến dạng của màng áp. lOMoARcPSD| 38777299 Hình 11.19.- Cầu Wheatsone.
Bốn iện trở trên ược ghép lại tạo thành cầu Wheatsone (hình 11.19). Một iện
áp kích thích - thường là 10 V ược cấp vào mạch cầu ở 2 iểm A, C và chúng ta sẽ o
ược 1 iện áp ầu ra ở 2 iểm B, D. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), iện
áp tín hiệu ra là số 0 hoặc gần bằng 0, khi bốn iện trở ược gắn phù hợp về giá trị.
Khi có lực tác ộng lên màng àn hồi (màng áp) làm cho màng áp bị biến dạng (giãn
và nén), iều ó dẫn tới sự thay ổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của iện
trở gắn trên màng áp dẫn ến một sự thay ổi giá trị của các iện trở. Độ nhạy và tầm o
của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc, vị trí các áp iện
trở trên màng. Sự thay ổi này dẫn tới sự thay ổi trong iện áp ầu ra khác 0. Sự thay
ổi iện áp ầu ra này thường rất bé (thường khoảng 20 mV khi ầy tải), ể có thể o ược
và số hóa ể tính toán thì cần phải khuếch ại tín hiện mV rồi ưa về bộ chuyển ổi 4 ÷
20 mA. Chính vì vậy, chỉ cần kiểm tra iện áp ngõ ra có thể tính toán ược chính xác áp suất cần o.
Hình 11.20.- Áp kế iện trở (áp trở).
Ưu iểm của loại cảm biến này là trị số o chính xác, ộ nhạy cao, o ược áp suất
thấp. Nhược iểm là chịu ảnh hưởng của nhiệt ộ. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.21.- Kết nối áp kế iện trở với bộ iều khiển PLC.
Thông thường cảm biến áp suất có ngõ ra là 4 ÷ 20 mA thì có hai dây ra, phải
mắc nối tiếp với bộ nguồn qua thiết bị o mới sử dụng ược (hình 11.21).
2.- Áp kế iện dung :
Nguyên lý : o áp suất dựa vào o giá trị iện dung của tụ iện. Áp suất tác ộng
lên bản cực của tụ iện làm cho khoảng cách giữa hai bản cực thay ổi.
Hình 11.22.- Nguyên lý áp kế iện dung.
Như vậy, khi có áp suất tác ộng vào bản cực di chuyển làm bản cực bị biến
dạng ẩy bản cực lại gần với bản cực cố ịnh hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của
tụ thay ổi, dựa vào sự thay ổi iện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác
ịnh ược áp suất cần o.
Áp kế iện dung sử dụng bộ chuyển ổi kiểu iện dung (hình 11.23).
Bộ chuyển ổi iện dung (hình 11.23.a) gồm bản cực ộng là màng kim loại (1),
bản cực tĩnh (2) gắn với ế bằng cách iện thạch anh (4). Dưới tác ộng của áp suất cần
o, bản cực ộng biến dạng làm cho khoảng cách giữa hai bản cực thay ổi và iện dung
của tụ iện thay ổi theo. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.23.- Bộ chuyển ổi kiểu iện dung.
a) Bộ chuyển ổi iện dung ; b) Bộ chuyển ổi iện dung kiểu vi sai. 1.-
Bản cực ộng ; 2, 3.- Bản cực tĩnh ; 4.- Cách iện ; 5.- Dầu silicon.
Sự phụ thuộc của iện dung C của tụ iện vào sự dịch chuyển của màng có dạng : C = S . o
trong ó : ε - hệ số iện môi của cách iện giữa hai bản cực,
δo - khoảng cách giữa các iện cực khi áp suất bằng 0,
δ - ộ dịch chuyển của màng, S - diện tích của bản tụ.
Trên hình 11.23.b trình bày cấu tạo một áp kế iện dung kiểu vi sai, gồm hai bản cực
tĩnh (2) và (3) gắn với chất iện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm giữa hai bản
cực ể tạo thành hai tụ iện C
. Khoảng trống giữa các bản cực và màng ược 12 và C13
iền ầy bởi dầu silicon (5).
Các áp suất P1 và P2 của hai môi trường o tác dụng lên màng, làm màng dịch chuyển
giữa hai bản cực tĩnh và tạo ra biến thiên của dòng tín hiệu im (cung cấp bởi nguồn
nuôi) tỷ lệ với áp suất giữa hai môi trường : C C i 1 2 m = K . = K . ( P1 - P2 ) C C 1 2
Để biến ổi biến thiên iện dung C thành tín hiệu o lường, thường dung mạch cầu
xoay chiều hoặc mạch vòng cộng hưởng LC.
Bộ cảm biến kiểu iện dung o ược áp suất ến 120 MPa, sai số ± (0,2 ÷ 5)%.
Để o áp suất bằng áp kế iện dung ta sử dụng sơ ồ phương pháp cầu cân bằng (hình 11.24). lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.24.- Sơ ồ thiết bị o áp bằng áp kế iện dung sử dụng phương pháp cầu cân bằng.
Trong sơ ồ 11.24 , iện dung C1 và C2 là hai nhánh cầu với hai iện trở R1 và R2 tạo thành mạch cầu.
Trên phần ộng 1 của chuyển ổi iện dung ặt iện áp một chiều Uo . Khi phần
ộng 1 nằm ở vị trí giữa lực F1 và F2 tác ộng lên nó có trị số như nhau, cầu ở trạng
thái cân bằng. Khi có áp suất cần o P tác ộng lên phần ộng làm nó di chuyển, cầu
mất cân bằng, iện áp ra lấy từ ường chéo của cầu ược ưa vào khuếch ại (KĐ) và hai bộ chỉnh lưu (CL ) và bộ lọc (L). 1), (CL2
Điện áp một chiều tổng Uo + U1 và hiệu Uo - U1 ặt lên phần ộng 1, lúc này
phần ộng 1 chịu một lực tác dụng : U U U U F = F o 1 o 1 1 - F2 = .S [( )2 - ( )2] 2 o x o x
trong ó : ε - hằng số iện môi,
S - tiết diện bản cực,
δo - khe hở giữa các bản cực,
∆x - lượng di chuyển của bản cực ộng.
Do hệ số khuếch ại lớn có thể bỏ qua trị số ∆x so với δo .
Nếu chỉnh lưu CL1 và CL2 ối xứng nhau và U1 = U2 thì áp suất o sẽ tỷ lệ với iện áp : P = ε . U U U o( 12 2) o
Volt kế chỉ cho ta biết áp suất cần o.
3.- Áp kế áp iện :
Nguyên lý o : dựa vào hiệu ứng áp iện. lOMoARcPSD| 38777299
Phù hợp cho o ối với áp suất ộng.
Áp kế áp iện sử dụng bộ chuyển ổi kiểu áp iện làm việc theo nguyên tắc hiệu ứng áp iện.
Có một vài vật thể (như thạch anh), khi bị lực tác ộng biến thiên (áp suất P)
thì trên bề mặt của chúng xuất hiện các iện tích. Khi lực ngừng tác ộng, các iện
tích biến mất. Hiện tượng trên ược gọi là hiệu ứng áp iện.
Vật liệu dùng chế tạo các chuyển ổi iện áp thường là tinh thể thạch anh (SiO2),
titanatbari (BaTiO ), muối Xenhét, Tuamalin … 3
Vật liệu chuyển ổi áp iện ược dùng rộng rãi là thạch anh : Khi nghiên cứu
tinh thể thạch anh ược cắt thành từng phiến, có ộ rộng y và chiều dài x (hình 11.25).
Hình 11.25.- Áp kế iện áp Thạch anh.
a) Sơ ồ cấu tạo tinh thể thạch anh ; b) Chuyển ổi iện áp.
Khi cắt một miếng tinh thể thạch anh mà có bề mặt song song với trục và : -
Nếu tác dụng 1 lực Fx theo chiều song song với trục iện (trục X) thì ở
hai bên mặt gây ra hiệu ứng áp iện, iện tích xuất hiện và ược tính :
q = di . Fx trong ó : di - hệ số iện áp. -
Nếu tác ộng một lực theo trục Y, sẽ gây ra hiệu ứng áp iện ngang với
iện tích q, phụ thuộc vào kích thước hình học của chuyển ổi : q = di . ( y ) . Fy x
trong ó : d1 - hệ số áp iện (gọi là môdun áp iện). y, x -
kích thước của chuyển ổi theo trục Y và X. Thạch anh có : .
Hằng số iện môi ε = 39,8 * 10-12 F/m
. Hệ số iện áp di = 2,1 * 10-12 C/N
. Ứng suất cho phép σ = 70 ÷ 10 N/mm2
. Điện trở suất ρ = 1012 Ωm
. Mô un àn hồi E = 80 * 109 N/m2 lOMoARcPSD| 38777299
Phương pháp này dùng o áp suất lớn và cực lớn. Chỉ sử dụng o áp suất thay
ổi rất nhanh, vì khi có P tác dụng, trên bề mặt xuất hiện iện tích và iện năng này bị tiêu hao khi o.
Hình 11.26.- Cảm biến lực tinh thể thạch anh.
a) Tấm AT ; b) Cấu trúc của cảm biến áp kế iện áp
Hình 11.26 trình bầy cấu tạo lực kế áp iện thạch anh. Trong ó phiến thạch anh
hình chữ nhật có một cạnh ược cắt song song với trục X, bề mặt ược cắt với góc θ ≈
35o so với trục Z (hình 11.26.a). sơ ồ khối của chuyển ộng trên hình 11.26.b , trong
ó khuếch ại có phản hồi dương. Tinh thể thạch anh dao ộng với tần số cơ bản fo và
ộ lệch tần số ∆f khi chịu lực F tác dụng : 2 k. f o.n ∆f = .F D
trong ó : F - là lực tác ộng ; k - hằng số
D - kích thước chuyển ổi ; n - hệ số.
Để tăng ộ nhạy, chuyển ổi có thể ghép bằng nhiều phiến song song với nhau. a) b) c)
Hình 11.27.- Áp kế áp iện. lOMoARcPSD| 38777299
a) Phần tử áp iện ; b) Bộ chuyển ổi dạng tấm ; c) Sơ ồ nguyên lý của áp kế áp iện.
1.- Các iện cực ; 2.- Áp iện thạch anh ; 3.- Buồng kín ; 4.- Màng àn hồi ; 5.- Bộ khuếch ại.
Trên hình 11.27 khi tác dụng lực cơ học lên một tấm vật liệu áp iện (tấm gốm
PTZ, tấm thạch anh…) thì trên hai mặt của tấm xuất hiện các iện tích trái dấu, hiệu
iện thế xuất hiện giũa hai mặt (bản cực) tỷ lệ với lực tác dụng.
Nguyên lý làm việc của áp kế áp iện : dưới tác dụng của áp suất P, màng àn
hồi 4 sẽ tạo nên một áp lực nén lên iện áp thạch anh 2 (có ường kính 5 mm, bề dày
1 mm). Điện tích q xuất hiện ở iện cực 1, ược ưa vào bộ khuếch ại iện tử 5, có tổng trở vào cỡ 1013 Ω .
Quan hệ giữa iện tích q và áp suất P là :
q = k . S . P trong ó : S - diện tích hữu ích
của màng. k - là hệ số.
Để giảm quán tính của thiết bị thường giảm thể tích buồng kín 3. Vì tần số
dao ộng riêng của hệ thống màng chuyển ổi khoảng hàng chục kHz nên có ặc tính
ộng học cao và ược sử dụng rộng rãi ể o và kiểm tra áp suất trong hệ thống có dòng
chảy nhanh. Giới hạn o của thiết bị trong khoảng 2,5 ÷ 100 MPa.
4.- Áp kế iện cảm.
Áp kế iện cảm sử dụng bộ chuyển ổi iện cảm làm việc theo nguyên tắc hiện
tượng cảm ứng iện từ kiểu khe từ biến thiên hoặc kiểu biến áp vi sai.
a.- Áp kế iện cảm kiểu khe từ biến thiên.
Áp kế iện cảm kiểu khe từ biến thiên sử dụng bộ chuyển ổi iện cảm kiểu khe
từ biến thiên (hình 11.28), gồm tấm sắt từ ộng gắn trên màng (1) và nam châm iện
có lõi sắt (2) và cuộn dây (3).
Hình 11.28.- Áp kế iện cảm kiểu khe từ biến thiên.
1.- Tấm sắt từ ộng gắn trên màng ; 2.- Nam châm iện với lõi sắt từ ; 3.- Cuộn dây.
Dưới tác dụng của áp suất o, màng (1) dịch chuyển làm thay ổi khe hở từ (δ)
giữa tấm sắt từ và lõi từ của nam châm iện, do ó làm thay ổi ộ từ cảm của cuộn dây.
Nếu bỏ qua iện trở cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi từ thì ộ từ cảm
của bộ biến ổi ược xác ịnh : 2 L = w lOMoARcPSD| 38777299 l tb .S . tb S o o
trong ó : w - số vòng dây của cuộn dây,
ltb , Stb - chiều dài và diện tích trung bình của lõi từ,
δ , So - chiều dài và tiết diện khe hở không khí, μ ,
μo - ộ từ thẩm của lõi từ và không khí. l Thường tb
<< , do ó có thể tính L theo công thức gần úng : .S . tb S o o S L = W2 . μ o o .
Đo ộ từ cảm L thường dùng cầu o xoay chiều hoặc mạch cộng hưởng LC.
b.- Áp suất iện cảm kiểu biến áp vi sai.
Trong công nghiệp, trị số áp suất o ược cần biến thành tín hiệu iện ể dễ dàng
xử lý truyền ạt… Thiết bị o áp suất dạng lò xo chỉ thị trực tiếp chỉ cho ọc kết quả
trực tiếp tại chỗ. Do vậy có thể sử dụng sự biến dạng của áp kế lò xo khi có tác ộng
của áp suất (chiều dài, góc lệch …) ược biến ổi thành tín hiệu iện.
Thiết bị o dùng biến áp vi sai là thiết bị dưới tác dụng của áp suất sẽ chuyển
thành ộ dịch chuyển. Chỉ cần xác ịnh ộ dịch chuyển là biết ược áp suất cần o.
Các phần tử nhạy cảm (vật thể àn hồi) như : lò xo ống, ống xiphông, màng àn
hồi hay màng dẻo ược xem là bộ chuyển ổi 1 ể biến sự thay ổi của áp suất thành ộ
dịch chuyển. Bộ chuyển ổi 1 ược nối với bộ chuyển ổi 2 là một biến áp vi sai ể biến
ộ dịch chuyển thành tín hiệu iện. Một thiết bị như vậy gọi là áp kế biến áp vi sai.
Hình 11.29 là sơ ồ mạch hỗ cảm vi sai.
Hệ thống bao gồm : chuyển ổi 1 là lò xo ống kim loại ược uốn cong, một ầu
giữ cố ịnh, ậu còn lại ể tự do. Chuyển ổi thứ 2 là một biến áp vi sai, có cấu tạo với
một cuộn dây sơ cấp 7 và hai cuộn dây thứ cấp 4 , 5 mắc xung ối với nhau. Trong
biến áp vi sai có một lõi ferit 6. Một ầu của lõi 6 gắn với ầu tự do của lò xo ống. Đầu
ra của cuộn thứ cấp ược nối iện trở R
nhằm thay ổi giới hạn o trong khoảng 1 và R2
25%. Khi có dòng iện I1 chạy qua cuộn sơ cấp sẽ tạo ra từ thông móc vòng qua hai
cuộn thứ cấp 4, 5 làm xuất hiện các suất iện ộng cảm ứng e . Độ lớn của chúng 1 và e2
phụ thuộc vào hỗ cảm M1 , M2 giữa cuộn sơ cấp 7 và hai cuộn thứ cấp 4, 5 và ược xác ịnh : e1 = 2 . π . f . I1 . M1 e2 = 2 . π . f . I1 . M2 lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.29.- Sơ ồ mạch hỗ cảm vi sai.
1.- Lò xo ống kim loại ; 2.- Thanh nối ầu tự do của lò xo ống với lõi ferit ; 3.-Mạch hỗ cảm vi sai ;
4 , 5.- Cuộn thứ cấp biến áp vi sai ; 6.- Lõi ferit của biến áp vi sai ; 7.- Cuộn sơ cấp biến áp vi sai.
Do hai cuộn thứ cấp mắc xung ối với nhau, nên : E = e ) = 2 . π . f . I
1 - e2 = 2 . π . f . I1 (M1 - M2 1 . M
Với iện trở R1 , R2 là các iện trở cố ịnh, nên iện áp ra ược xác ịnh :
Ura = 2 . π . f . I1 . Mra ( * )
Mra - là giá trị hỗ cảm, phụ thuộc vào ộ dịch chuyển X của lõi 6 : Mra = Mmax . X ( ** ) X max
Mmax - là giá trị hỗ cảm lớn nhất của chuyển ổi khi lõi 6 di chuyển lớn nhất Xmax .
Thay ( ** ) vào ( * ) ta có : .
2. . . f I M1 max .X Ura = X max
Chú ý : chiều dài toàn phần của lõi 6 là từ 1,6 ÷ 4 mm. Điện áp ra của thiết bị thay
ổi từ - 1 V ÷ + 1 V tùy theo sự thay ổi của pha tín hiệu, tương ứng với sự thay ổi hỗ
cảm M của chuyển ổi từ - 10 mH ÷ + 10 mH.
5.- Cảm biến áp suất (o chênh áp).
Trong các phương pháp o áp suất, ngoài cảm biến áp suất còn có cảm biến o
chênh áp dùng ể o sự chênh lệch áp suất của iểm A và iểm B.
Cảm biến áp suất chênh áp (cảm biến chênh áp) o lường sự khác biệt áp suất
và sử dụng kết quả ể kiểm soát quy trình tự ộng. Nó cho phép các nhà vận hành hệ
thống ể theo dõi và duy trì mức ộ an toàn. Thông thường o khí hoặc chất lỏng, bộ
cảm biến tạo ra một tín hiệu iện tương ứng với lượng áp suất hiện diện. Hai thiết bị lOMoARcPSD| 38777299
riêng biệt o hai nguồn chất lỏng hoặc khí và tạo ra dòng iện ể so sánh. Điều này giúp
kiểm soát quy trình tự ộng một cách hiệu quả.
Người ta dùng cảm biến o chênh áp với nhiều ứng dụng khác nhau như :
o mức trong lò hơi hoặc o sự chênh lệch áp ể biết ược ộ bám bẩn của các tấm lọc
bụi có cần thay hay chưa hay o mực chất lỏng trong bồn kín.
Thiết bị dùng o chênh áp có kiểu như hình 11.30.
Hình 11.30.- Hình dáng cảm biến chênh áp.
Sơ ồ cấu tạo của một cảm biến áp suất (hình 11.31) thường gặp : lOMoARcPSD| 38777299
Hình 11.31.- Cấu tạo cảm biến chênh áp.
Với hình vẽ trên chúng ta thấy ược cảm biến ược cấu tạo với một buồng kín,
bên ngoài thường làm bằng thép không rỉ, bên trong thì quan trọng nhất vẫn là lớp
màng (sensor) sẽ thay ổi khi có áp lực tác ộng vào, sự thay ổi của màng ược một vi
mạch iện tử khuếch ại thành tín hiệu iện.
Hình 11.32.- Màng của cảm biến sẽ thay ổi theo hướng áp suất vào.
Từ hình 11.32 chúng ta có thể tưởng tượng rằng khí áp suất Dương ( + ) ưa
vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải , còn khi ưa vào áp suất âm ( – ) thì
lớp màng sẽ căng lên từ phải sang trái. Chính sự dịch chuyển này sẽ ưa tín hiệu về
mạch sử lý và ưa ra tín hiệu ể biết áp suất ưa vào là bao nhiêu. lOMoARcPSD| 38777299
Cấu trúc của cảm biến áp suất vi cơ iện tử sử dụng trong thiết bị ược chỉ ra trong hình 11.33 :
Hình 11.33.- Sơ ồ cấu tạo của lớp màng nằm bên trong cảm biến áp suất.
Cảm biến ược chế tạo trên một ế Silic loại n có ịnh hướng bề mặt là {100},
bằng phương pháp ăn mòn iện hoá, một màng silicon với kích thước và bề dày thay
ổi ược tạo ra, màng này rất nhạy với các tín hiệu áp suất. Sau ó, bốn iện trở ược ặt
lên màng silicon tại trung iểm của các cạnh của hình vuông bằng phương pháp
khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặc bằng phương pháp cấy ion tạo thành cầu
Wheatstone. Các iện trở ược ặt một cách chính xác cụ thể là hai iện trở ược ặt song
song với cạnh màng, hai iện trở còn lại ược ặt vuông góc với cạnh màng. Các cạnh
của màng có ịnh hướng là {110}.
Khi không có áp suất ặt lên màng, cầu iện trở ở trạng thái cân bằng, iện thế
lối ra lúc này là bằng 0. Khi có áp suất ặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực
phân bố trên màng sẽ bị thay ổi. Do hiệu ứng áp iện trở, các giá trị của các iện trở
trong mạch cầu bị thay ổi, cụ thể nếu các iện trở song song với cạnh màng có giá trị
giảm i thì các iện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược lại. Kết quả
là cầu sẽ bị mất cân bằng và iện áp lối ra là khác 0. Sự thay ổi giá trị iện trở phụ
thuộc vào ộ biến dạng của màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên ộ lớn của tín hiệu
lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất. Bằng cách o iện thế lối ra ta có thể o ược ộ lớn
tương ứng của áp suất tác dụng lên màng. Cảm biến áp suất là một trong những loại
cảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp.
Ưu iểm lớn nhất của nó là ộ nhạy. Cụ thể ối với dải iện áp thấp, ộ nhạy của
cảm biến thay ổi trong khoảng từ 0,1 ến 3mV/mbar phụ thuộc dạng hình học của
màng và cường ộ dòng iện, trong dải áp suất từ khoảng vài trăm mbar ến hàng trăm
bar, ộ nhạy thay ổi từ 0,2 ến 12,5mV/bar. Một ưu iểm nữa ó là kích thước của các lOMoARcPSD| 38777299
cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên kích thước rất nhỏ, thuận tiện
sử dụng trong mọi thiết bị.
Bên trong cảm biến áp suất (hình 11.34) bố trí một lớp màng ngăn silicon,
trên lớp màng này có gắn các cảm biến rất nhỏ ể cảm nhận ược lực căng của màng
tương ứng với ứng suất ầu vào. Khi lớp màng này biến dạng sẽ dẩn ến sự thay ổi
của iện áp của các iện cực này.
Hình 11.34.- Nguyên lý hoạt ộng của màng nằm bên trong cảm biến áp suất.
Hình 11.35.- Cách thức hoạt ộng của cảm biến áp suất.
Khi có áp lực ưa vào cảm biến (hình 11.35) thì lớp màng sẽ bị thay ổi theo
tương ứng với lực ầu vào. Các cảm biến trên lớp màng sẽ so sánh sự thay ổi W giữa
lúc ban ầu và lúc có áp lực ể biết ược sự thay ổi này là bao nhiêu phần trăm (%)
tương ứng với dãy o. Các vi xử lý sẽ giải mã các tín hiệu iện và ưa về tín hiệu 4 ÷
20 mA hoặc 0 ÷ 10 V tương ứng với áp suất ầu vào.
Khi chưa o lường thì lớp màng nằm tại vị trí giữa so với hai ngõ vào của cảm
biến. Khi có sự tác ộng thì lớp màng sẽ dịch chuyển qua trái hoặc phải tuỳ theo áp lOMoARcPSD| 38777299
lực ưa vào tương ứng với sự chênh áp Dương hoặc chênh áp Âm. Giá trị chênh áp
Âm hay Dương biểu thị sự chênh lệch áp suất giữa hai ầu vào Áp cao và Áp thấp.
Chế tạo cảm biến áp suất vi cơ iện tử :
Để chế tạo các cảm biến áp suất ta sử dụng một phiến silic loại n, bề dày
380µm, có ịnh hướng bề mặt là {100}, iện trở suất nằm trong khoảng 1-5 Ω.cm.
Trước tiên một mặt nạ ược tạo ra bằng cách oxi hoá miếng silic ở nhiệt ộ cao nhằm
bảo vệ miếng tinh thể trong quá trình ăn mòn bằng dung dịch KOH. Với thời gian
ăn mòn kéo dài khoảng 10 giờ sẽ tạo ra ược lớp SiO2 với bề dày cần thiết cỡ 1,5µm.
Tiếp theo, bằng công nghệ quang khắc người ta tạo ra các cửa sổ trên lớp oxit này
với công nghệ IC, cấu trúc iện tử ược tạo ra. Quá trình chế tạo có thể ược mô tả ngắn
gọn bằng sơ ồ ở hình 11.36. Để sản xuất cảm biến áp suất sử dụng trong hệ o sử
dụng bộ hiệu chỉnh mặt nạ một mặt. Mặt nạ cân chỉnh sử dụng ể ịnh vị chính xác
cấu trúc từ 2 mặt của miếng mỏng ược tạo ra bằng cách khắc thông qua toàn bộ miếng mỏng.
Hình 11.36.- Quy trình chế tạo cảm biến áp suất hiệu ứng áp iện trở.