KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ CẢM
Khái niệm cơ bản về cảm biến
2.1 Cảm biến đo: là thiết bị thu nhận giá trị đại lượng cần đo và chuyển đổi sang dạng tín hiệu khác dựa trên các hiện tượng xảy ra trong lòng nó
Cảm biến là thiết bị thiết yếu trong các hệ thống thu thập dữ liệu, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đo và điều khiển Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra của cảm biến đôi khi cần được chuyển đổi sang dạng khác để thuận tiện cho việc truyền và xử lý Chức năng này được thực hiện bởi bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter), nhận tín hiệu từ cảm biến và cung cấp tín hiệu chuẩn cho bộ điều khiển Trong nhiều hệ thống đo như đo áp suất và lưu lượng, cảm biến thường kết hợp với bộ chuyển đổi để tạo thành thiết bị hoàn chỉnh gọi là chuyển đổi đo lường sơ cấp (transducer), với đầu ra là tín hiệu điện hoặc khí nén.
Cảm biến được phân loại từ đơn giản đến phức tạp dựa trên mục đích và tiêu chí khác nhau Các bộ cảm biến có thể được phân loại theo tính năng, vật liệu, nguyên lý chuyển đổi, phạm vi ứng dụng và tín hiệu kích thích Đặc biệt, phân loại theo tính chất nguồn điện chia thành hai loại.
Cảm biến thụ động là loại cảm biến không cần nguồn năng lượng bên ngoài và có đầu ra dưới dạng tín hiệu điện Ví dụ về các cảm biến thụ động bao gồm cặp nhiệt điện, điốt quang và cảm biến áp điện.
Cảm biến tích cực là loại cảm biến cần nguồn bên ngoài để hoạt động, thường được kích thích bởi tín hiệu từ môi trường Ví dụ điển hình của cảm biến tích cực bao gồm nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor) và điện trở lực căng.
2.2 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến
2.2.1 Hàm truyền Đặc điểm cơ bản của cảm biến đo là mối liên hệ giữa tín hiệu ra y của nó với giá trị đại lượng cần đo x Mối liên hệ này có thể biểu diễn bằng bảng số hoặc dưới dạng công thức: y=f (x) (1.1) Dựa vào mối liên hệ giữa y và x mà các cảm biến đo được phân thành hai loại: cảm biến đo tuyến tính và cảm biến đo phi tuyến tính
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 7
Các cảm biến đo tuyến tính có mối liện hệ y và x được mô tả dưới dạng hàm tuyến tính: y = ax + b (1.2) Trong đó a, b là hằng số
Các cảm biến đo có mối liên hệ giữa y và x không được mô tả bằng hàm tuyến tính được phân loại là phi tuyến tính Trên thực tế, chỉ một số ít cảm biến là tuyến tính Một số cảm biến phi tuyến có thể được đặc trưng bởi các hàm truyền như hàm lôgarit và hàm ngược của nó, với công thức y = a In x + b và x = e^(y−b)/a.
Hàm mũ và hàm ngược của nó: y = ae kx (1.5) x = 1 k In y a (1.6) Hàm lũy thừa và hàm ngược của nó: y = ax k + b (1.7) x = √ 𝑦−𝑏
Cảm biến đo tuyến tính vượt trội hơn so với cảm biến đo phi tuyến tính vì chúng giúp đơn giản hóa quá trình gia công số liệu Do đó, trong thực tế, nếu có sự lựa chọn giữa cảm biến đo tuyến tính và phi tuyến tính, người dùng nên ưu tiên chọn cảm biến tuyến tính để đạt hiệu quả cao hơn.
Hình 1.1: Mô hình cảm biến đo 2.2.2 Độ nhạy
Độ nhạy của cảm biến đo là yếu tố quan trọng cần chú ý, phản ánh sự thay đổi giá trị tín hiệu ra khi đại lượng cần đo thay đổi 1 đơn vị Độ nhạy thường được ký hiệu là ε Đối với cảm biến đo tuyến tính, độ nhạy là giá trị không đổi, với ε = a.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 8 với cảm biến đo phi tuyến tính độ nhạy của nó thay đổi Như vậy đối với cảm biến đo phi tuyến tính nếu đặc tuyến của cảm biến đo được biểu diễn dưới dạng hàm số liên tục y = f(x) thì độ nhạy của nó chính là đạo hàm của hàm số ε = f(x) Trong trường hợp đặc tuyến của cảm biến đo được biểu diễn dưới dạng bảng số thì độ nhạy được xác định bằng tỉ số biến thiên của tín hiệu ra Δy so với biến thiên của đại lượng cần đo Δx, nghĩa là ε = Ay/Ax Trong thực tế sử dụng cảm biến đo có độ nhạy lớn hơn ưu việt hơn cảm biến đo có độ nhạy nhỏ hơn Độ nhạy của cảm biến đo càng lớn thì việc gia công số liệu tiếp theo càng đơn giản Yêu cầu độ nhạy của cảm biến đối với đại lượng đo càng lớn càng tốt, tuy nhiên bên cạnh đó cũng yêu cầu độ nhạy của chuyển đổi với nhiễu phải thấp để hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu lên kết quả đo
Giới hạn đo là thông số quan trọng mà người sử dụng cảm biến cần lưu ý, vì đây là giá trị tối đa mà cảm biến có thể ghi nhận mà vẫn đảm bảo độ chính xác Khi lựa chọn cảm biến, cần đảm bảo giới hạn đo của cảm biến lớn hơn giá trị cần đo Nếu giá trị cần đo vượt quá giới hạn này, sẽ dẫn đến việc không đảm bảo độ chính xác trong phép đo hoặc có thể làm hỏng cảm biến.
2.2.4 Sai số và độ chính xác
Sai số là yếu tố quan trọng trong cảm biến đo, thường được thể hiện qua mối quan hệ giữa sai số tín hiệu ra và giá trị đại lượng cần đo, ký hiệu là Δyc = f(x) Bên cạnh đó, sai số phụ của cảm biến được biểu diễn dưới dạng Δxp = f(ΔK), với ΔK là sự khác biệt giữa điều kiện làm việc thực tế và điều kiện tiêu chuẩn của nhà sản xuất.
Khi sử dụng cảm biến đo, ngoài các thông số cơ bản, cần chú ý đến thời gian quá độ của cảm biến Thời gian quá độ là khoảng thời gian cần thiết để thực hiện một lần đo, từ khi cảm biến được đưa vào môi trường đo đến khi tín hiệu ra đạt trạng thái cân bằng Cảm biến có thời gian quá độ ngắn sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình đo lường.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 9
Hình 1.2 Các loại sai số a) sai số độ nhạy b) sai số do tuyến tính hóa c) sai số độ phân giải d) sai số do trễ
2.2.5 Độ tuyến tính của đường đặc trưng
Yêu cầu về đặc tính quan hệ giữa đại lượng đo và tín hiệu ra nên càng tuyến tính càng tốt Khi hàm truyền không tuyến tính, người ta thường áp dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính cho từng đoạn trong các hệ thống thu thập số liệu.
Sự khác biệt trong phản ứng với cùng một thay đổi đầu vào nhưng theo hai chiều khác nhau được gọi là độ trễ Nguyên nhân chính của hiện tượng này bao gồm thiết kế, ma sát và sự thay đổi cấu trúc trong các vật liệu.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ÁP
Khái niệm về áp suất
Áp suất là đại lượng vật lý biểu thị năng lượng cơ học tích lũy trong môi trường chất khí hoặc chất lỏng
Giá trị áp suất là lực tác động vuông góc lên một đơn vị diện tích, được xác định:
Áp suất được phân thành ba loại chính: áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất chân không Trong ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học, áp suất dư và áp suất âm (độ chân không) là hai giá trị được quan tâm hàng đầu Bên cạnh đó, hiệu áp suất giữa hai môi trường cũng rất quan trọng Áp suất toàn phần Pt được định nghĩa là giá trị áp suất tuyệt đối của môi trường, được tính bằng tổng của áp suất dư Pd và áp suất khí quyển Pk.
Áp suất dư là giá trị áp suất môi trường vượt quá áp suất khí quyển, trong khi áp suất chân không là áp suất môi trường thấp hơn áp suất khí quyển Áp suất chân không được xác định bằng cách lấy áp suất khí quyển trừ đi áp suất toàn phần.
Pa = Pk - Pt (3.4) Áp suất tuyệt đối là áp suất chênh lệch giữa áp suất đo và áp suất chân không
Hình 2.1 Cảm biến đo áp suất tuyệt đối Áp suất tương đối là áp suất chênh lệch giữa áp suất đo và áp suất khí quyển
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 12
Hình 2.2 Cảm biến đo áp suất tuơng đối
Hình 2.3 Cảm biến đo đóng kín áp suất tuơng đối Áp suất visai cho biết chênh lệch (hiệu) áp suất giữa hai môi trường đo
Hình 2.4 Cảm biến đo hiệu áp suất
2 Nguyên lý đo áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị quan trọng trong các hệ thống quản lý chất lỏng và khí, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện.
Các cảm biến đo áp suất công nghiệp có thể được phân loại như sau :
Cảm biến đàn hồi hai phần tử bao gồm hai thành phần chính: phần tử cảm biến sơ cấp, có chức năng biến đổi áp suất thành dịch chuyển dựa trên tính chất đàn hồi, và phần tử thứ cấp, là cảm biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành tín hiệu điện Các loại cảm biến thứ cấp có thể bao gồm chiết áp, cảm biến lực căng (strain gauge), cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện và biếp áp vi sai.
Các cảm biến piezo: Phần tử cảm biến sơ cấp là tinh thể thạch anh có hiệu ứng áp
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 13 trở (piezoresistive) hoặc áp điện (piezoelectric) Khi tác động một lực lên tinh thể thạch anh, hiệu ứng áp trở gây nên sự thay đổi điện trở của tinh thể thạch anh còn hiệu ứng áp điện gây nên tích điện khác dấu trên hai bề mặt tinh thể thạch anh
Phương pháp đo áp suất được phân loại theo dải áp suất cần đo, trong đó áp suất trung bình nằm trong khoảng từ 10^2 Pa đến 10^8 Pa, là dải đo chính trong các ứng dụng công nghiệp Nguyên lý đo áp suất trong dải này là chuyển đổi áp suất thành tín hiệu cơ hoặc lực để thực hiện phép đo Đối với áp suất lớn hơn 10^8 Pa, nguyên lý đo sẽ chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, từ đó cho ra giá trị áp suất trung bình.
3 Một số loại cảm biến đo áp suất
3.1 Cảm biến áp suất dịch thể
Cảm biến áp suất dịch thể sử dụng ống thủy tinh hoặc ống cách điện hình chữ U chứa chất lỏng như thủy ngân để đo áp suất khí Trong hệ thống này, điện trở ngắn mạch tỷ lệ thuận với chiều cao cột dịch thể Khi chưa có áp suất tác động, chiều cao của hai cột thủy ngân bằng nhau, dẫn đến hai điện trở có giá trị tương đương, tạo ra cầu cân bằng.
Khi áp suất tác động, sự chênh lệch giữa hai cột dịch thể dẫn đến độ chênh điện trở ΔR, làm cầu mất cân bằng Điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với ΔR và chênh lệch áp suất giữa hai cột.
Hình 2.5: Cảm biến áp suất dịch thể
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 14
Cảm biến này dễ dàng chế tạo và có khả năng khắc độ trực tiếp, tuy nhiên, nó có nhược điểm là không chịu được rung lắc và có thể gây ô nhiễm khí đo do thủy ngân bốc hơi.
3.2 Cảm biến áp suất đàn hồi hai phần tử
Cảm biến đo áp suất phổ biến nhất hiện nay là cảm biến đàn hồi, hoạt động dựa trên tính chất của vật thể đàn hồi Khi áp suất tác động, vật thể đàn hồi sẽ biến dạng và tạo ra lực đàn hồi phản kháng Quá trình biến dạng kết thúc khi hai lực cân bằng, tạo ra mối liên hệ giữa độ biến dạng λ và áp suất tác động Đặc tính tĩnh của cảm biến đàn hồi, λ = f(p), có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến tính, tùy thuộc vào cấu trúc và cách tác động Trong thiết kế, các nhà sản xuất thường cố gắng đạt được đặc tính tuyến tính hoặc tìm cách tuyến tính hóa đặc tính phi tuyến tính.
Các phần tử cảm biến đàn hồi thường được sử dụng bao gồm lò xo ống một vòng, lò xo ống nhiều vòng, màng đàn hồi, màng hộp đàn hồi, màng hộp nhiều tầng và màng xếp, còn được gọi là hộp xiphôn.
Các phần tử cảm biến áp suất đàn hồi bao gồm nhiều loại hình dạng khác nhau, như màng phẳng, màng lượn sóng, màng hộp, ống xiphon, ống trụ, và các loại ống Bourdon như ống hình chữ C, ống xoắn, và ống xoắn ốc Những thiết kế này giúp đo lường áp suất một cách chính xác và hiệu quả.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 15
Màng đàn hồi là cảm biến áp suất phổ biến nhất trong việc đo áp suất, với nhiều loại khác nhau như màng đàn hồi phẳng, màng đàn hồi lượn sóng, màng đàn hồi phi kim loại và màng hộp.
Màng phẳng có đặc tính phi tuyến λ = f(P), dẫn đến việc màng lượn sóng được ưa chuộng hơn trong ứng dụng Đặc tính của màng phụ thuộc vào độ cao sóng và độ dày của nó; trong vùng làm việc tuyến tính, khi chiều cao sóng tăng, khoảng làm việc tuyến tính cũng mở rộng Màng hộp, được tạo thành từ hai màng lượn sóng hàn ghép, cho phép đo áp suất hiệu quả hơn nhờ vào sự biến dạng đồng thời của cả hai màng Độ nhạy của cảm biến sẽ tăng khi kết hợp nhiều màng hộp thành màng hộp nhiều tầng, nhưng chúng chỉ phù hợp để đo áp suất dư hoặc chân không, không thể đo hiệu áp suất giữa hai môi trường Màng phi kim loại, chế tạo từ vải lưới đặc biệt phủ cao su, thường được dùng để đo áp suất nhỏ và có phần tâm cứng chiếm 0,8 đường kính làm việc Cấu trúc vòng xuyến của màng thường hình sóng nhằm đảm bảo giá trị điện tích hiệu dụng ổn định, trong khi màng vòng phẳng ít được sử dụng do thay đổi lớn về diện tích hiệu dụng Đặc tính của màng phi kim loại thường được xác định qua thực nghiệm và độ cứng thấp của nó thường yêu cầu thêm lò xo trong cấu trúc Cảm biến đàn hồi kết hợp lò xo và màng phi kim loại, mang lại độ nhạy cao trong ứng dụng đo lường.
Màng xếp, hay còn gọi là hộp xiphôn, là ống mỏng có sóng ngang được sử dụng làm cảm biến đo áp suất thấp, có khả năng đo áp suất dư, chân không hoặc hiệu áp suất Khả năng chịu nén của xiphôn gấp 1,5 đến 2 lần so với áp suất tác động từ bên trong Độ cứng của xiphôn phụ thuộc vào kích thước hình học, độ dày thành ống và tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo Đặc tính của xiphôn có thể được mô tả bằng hàm tuyến tính x = f(P) trong khoảng biến dạng nhỏ Xiphôn có thể được chế tạo bằng phương pháp ép nén thủy lực hoặc cơ thủy lực từ các ống có thành mỏng, cũng như thông qua phương pháp hàn.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 16
Một số loại cảm biến đoáp suất
3.1 Cảm biến áp suất dịch thể
Cảm biến áp suất dịch thể sử dụng ống thủy tinh hoặc ống cách điện hình chữ U để đo áp suất chất khí, trong đó chứa dịch thể như thủy ngân Điện trở ngắn mạch trong cảm biến tỷ lệ thuận với chiều cao cột dịch thể Các điện trở được kết nối thành mạch cầu 4 nhánh với nguồn cung cấp Khi không có áp suất tác động, chiều cao của hai cột thủy ngân bằng nhau, dẫn đến điện trở có trị số bằng nhau và cầu ở trạng thái cân bằng.
Khi áp suất tác động, hai cột dịch thể tạo ra độ chênh lệch điện trở ΔR, dẫn đến cầu mất cân bằng Điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với ΔR và độ chênh áp suất giữa hai cột.
Hình 2.5: Cảm biến áp suất dịch thể
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 14
Cảm biến này cho phép khắc độ trực tiếp và có quy trình chế tạo đơn giản Tuy nhiên, nó có nhược điểm là không chịu được rung lắc và dễ bị ô nhiễm khí đo do sự bốc hơi của thủy ngân.
3.2 Cảm biến áp suất đàn hồi hai phần tử
Cảm biến đo áp suất phổ biến hiện nay chủ yếu là cảm biến đàn hồi, hoạt động dựa trên tính chất của vật thể đàn hồi Khi áp suất tác động, vật thể đàn hồi sẽ biến dạng, tạo ra lực đàn hồi chống lại áp lực Quá trình này kết thúc khi hai lực cân bằng, hình thành mối liên hệ giữa độ biến dạng λ và áp suất Đặc tính tĩnh của cảm biến đàn hồi, λ = f(p), có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tùy thuộc vào cấu trúc và hình thức tác động Trong thiết kế cảm biến, mục tiêu thường là đạt được đặc tính tuyến tính hoặc tìm cách tuyến tính hóa nếu gặp phải đặc tính phi tuyến tính.
Các phần tử cảm biến đàn hồi phổ biến bao gồm lò xo ống một vòng, lò xo ống nhiều vòng, màng đàn hồi, màng hộp đàn hồi, màng hộp nhiều tầng và màng xếp, hay còn gọi là hộp xiphôn.
Các phần tử cảm biến áp suất đàn hồi bao gồm nhiều loại hình dạng khác nhau, như màng phẳng, màng lượn sóng, màng hộp, ống xiphon, ống trụ, và các kiểu ống Bourdon như ống hình chữ C, ống xoắn và ống xoắn ốc Những thiết kế này giúp đo lường áp suất một cách chính xác và hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 15
Màng đàn hồi là thiết bị cảm biến áp suất phổ biến nhất, được sử dụng để đo áp suất trong nhiều ứng dụng khác nhau Các loại màng đàn hồi bao gồm màng đàn hồi phẳng, màng đàn hồi lượn sóng, màng đàn hồi phi kim loại và màng hộp, mỗi loại đều có đặc điểm và ứng dụng riêng biệt.
Màng phẳng có đặc tính phi tuyến λ = f(P), dẫn đến việc màng lượn sóng được ưa chuộng hơn trong ứng dụng Tính chất của màng phụ thuộc vào độ cao sóng và độ dày của nó; trong giới hạn làm việc tuyến tính, chiều cao sóng tăng sẽ mở rộng khoảng làm việc tuyến tính Màng hộp, được tạo thành từ hai màng lượn sóng hàn ghép, có khả năng đo áp suất hiệu quả hơn khi cả hai màng biến dạng đồng thời, từ đó tăng độ nhạy của cảm biến Độ nhạy này còn được cải thiện khi ghép nhiều màng hộp lại với nhau Màng hộp chủ yếu dùng để đo áp suất dư hoặc chân không, không thích hợp cho đo hiệu áp suất giữa hai môi trường Ngoài ra, màng phi kim loại được sử dụng cho áp suất nhỏ, được chế tạo từ vải lưới đặc biệt có phủ cao su chống xăng dầu, với phần tâm cứng chiếm 0,8 đường kính làm việc Để duy trì giá trị điện tích hiệu dụng, phần vòng xuyến của màng thường có cấu trúc hình sóng, trong khi màng vòng phẳng ít được sử dụng do sự thay đổi lớn về diện tích hiệu dụng Đặc tính của màng phi kim loại thường được xác định bằng thực nghiệm và có độ cứng thấp, do đó thường được trang bị thêm lò xo, tạo thành cảm biến đàn hồi kết hợp giữa lò xo và màng phi kim loại.
Màng xếp, hay còn gọi là hộp xiphôn, là ống mỏng có sóng ngang được sử dụng làm cảm biến đo áp suất thấp, có khả năng đo áp suất dư, chân không và hiệu áp suất Xiphôn có khả năng chịu nén gấp 1,5 đến 2 lần so với áp suất tác động từ bên trong Độ cứng của xiphôn phụ thuộc vào kích thước hình học, độ dày thành ống và tính chất đàn hồi của vật liệu chế tạo Đặc tính của xiphôn là tuyến tính trong một khoảng biến dạng không lớn, và có thể được chế tạo bằng phương pháp ép nén thủy lực hoặc cơ thủy lực từ các ống có thành mỏng, cũng như bằng phương pháp hàn.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 16
Đầu tiên, tiến hành dập các màng, sau đó hàn các viền trong và viền ngoài Để tăng độ cứng, có thể trang bị thêm lò xo bên trong xiphôn, tạo ra cảm biến đàn hồi xiphôn lò xo.
Ống Bourdon là loại ống đàn hồi được thiết kế với một đầu cố định và một đầu tự do, thường được sử dụng để đo áp suất cao Các loại ống Bourdon có nhiều hình dáng khác nhau, giúp đáp ứng nhu cầu đo lường trong các ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến điện dung là thiết bị đo áp suất, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa hai điện cực tạo thành tụ điện Điện dung giữa hai bản cực thay đổi theo khoảng cách giữa chúng, và do đó, nó cũng phụ thuộc vào áp suất cần đo.
C = ε x S x = k p x (3.6) Trong đó: εx là hằng số điện môi
S: diện tích bề mặt giữa hai bản cực x: khoảng cách giữa hai bản cực
Hình 2.7: Cảm biến điện dung đo áp suất KAVLICO
3.4 Cảm biến áp điện đo áp suất a, Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện, gồm có hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện ngược:
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 17
Hiệu ứng áp điện thuận là hiện tượng khi vật liệu chịu tác động của lực cơ học biến thiên, dẫn đến sự xuất hiện của điện tích trên bề mặt Khi lực ngừng tác dụng, các điện tích này sẽ biến mất Các vật liệu thường được sử dụng để chế tạo các chuyển đổi áp điện bao gồm tinh thể thạch anh (SiO2), muối BariTitanat (BaTiO3), muối xênhét và tuamalin.
Hình 2.8: Nguyên lý của cảm biến áp điện
Cảm biến áp điện chuyển đổi trực tiếp ứng lực do áp suất P gây ra thành tín hiệu điện Khi áp suất tác động lên các bản áp điện, lực F sinh ra sẽ tạo ra một điện tích Q trên bề mặt của bản áp điện, tỷ lệ với lực tác dụng.
Thay F=P.S vào phương trình (2.3) ta được:
S: diện tích hữu ích của màng Để tăng điện tích Q, người ta ghép song song một số bản cực với nhau
Cảm biến có đặc tính không tuyến tính Q = f(F) do hiện tượng trễ Với cấu trúc đơn giản và kích thước nhỏ, cảm biến này nổi bật nhờ độ tin cậy cao và khả năng đo các đại lượng biến thiên nhanh cũng như áp suất lớn Tuy nhiên, nó nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và không thể đo áp suất tĩnh.
Các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu áp điện thông dụng như sau:
- Thạch anh: là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp với các đặc tính:
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 18
• Ứng suất cho phép: σ = 70 ÷ 100 N/mm 2
Các phương pháp đo áp suất
4.1 Các bộ chuyển đổi đo áp suất
Khi sử dụng cảm biến đo áp suất, áp suất cần đo được biến đổi thành dịch chuyển thông qua các phần tử biến dạng như ống Buordon, màng rung, màng chắn và capsule Để chuyển đổi tín hiệu cơ này thành tín hiệu điện, người ta sử dụng các bộ chuyển đổi Các bộ chuyển đổi này được chia thành hai loại dựa trên cách chuyển đổi tín hiệu.
- Bộ chuyển đổi chiếp áp và điện thế kế chuyển đổi sự dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu điện
Bộ biến đổi chuyển đổi sự dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu đo lường, sử dụng các phương pháp chuyển đổi phổ biến như cuộn cảm, biến áp visai, điện dung và điện trở.
- Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo
4.1.1 Bộ biến đồi đo áp suất kiểu điện cảm
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: chuyển đổi điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí:
Dưới tác động của đại lượng đo X v có thể tác động lên chuyển đổi theo các cách sau:
Khi phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí δ sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi từ trở của lõi thép Sự thay đổi này ảnh hưởng đến điện cảm và tổng trở của chuyển đổi, tạo ra các hiệu ứng quan trọng trong quá trình hoạt động.
- Làm cho tiết diện khe hở không khí thay đổi dẫn đến thay đổi điện cảm của chuyển đổi
- Làm cho phần ứng 1 di chuyển dẫn đến thay đổi tổn hao dòng điện xoáy làm cho điện cảm của chuyển đổi thay đổi
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 22
Hình 2.12: Chuyển đổi điện cảm Điện cảm của chuyển đổi:
(bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và từ trở của lõi thép)
Trong đó: W là số vòng của cuộn dây
R = S là từ trở của khe hở không khí; δ: chiều dài khe hở không khí μ : độ từ thẩm của không khí; s: tiết diện thực của khe hở không khí
Lượng thay đổi của điện cảm khi có X v tác động là (với W = const ):
(3.18) với: S0 ,δ0 : tiết diện và khe hở ban đầu (khi chưa có đại lượng đo Xv tác động).
Tổng trở của chuyển đổi:
Z = L W 0 : là một hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và là hàm phi tuyến (hypebol) với chiều dài khe hở không khí δ
Lượng thay đổi của tổng trở Z khi có X v tác động là:
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 23
Các đặc tính cơ bản:
- Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (độ dài của khe hở không khí δ = const): s 0
L =W μ s là giá trị điện cảm ban đầu của chuyển đổi (khi X v chưa tác động)
- Độ nhạy của chuyển đổi khi khe hở không khí δ thay đổi (tiết diện của khe hở không khí s = const): ( )
Độ nhạy của chuyển đổi điện cảm phụ thuộc vào tỉ số Δδ /δ, tức là sự thay đổi của tiết diện khe hở không khí Δδ, mà không liên quan đến diện tích của khe hở này Đối với chuyển đổi điện cảm dạng đơn, tỉ số Δδ/δ phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,2, trong khi với chuyển đổi điện cảm kiểu vi sai, tỉ số này có thể nhỏ hơn hoặc bằng 0,4, đảm bảo độ phi tuyến của chuyển đổi dưới 1%.
4.1.2 Bộ biến đồi đo áp suất kiểu biến áp visai
Biến áp vi sai LVDT là thiết bị chuyển đổi tín hiệu dịch chuyển thành điện áp xoay chiều, thường được sử dụng trong các ứng dụng khí nén Hình 2.13 minh họa cấu tạo của biến áp vi sai và đặc tính vào ra của nó, cho thấy độ dịch chuyển lớn Trong cấu trúc, cuộn sơ cấp được bố trí đều dọc theo ống cách điện, trong khi hai cuộn thứ cấp được phân bố đối xứng và mắc xung nhau Lõi phe rit di động gắn liền với cảm biến đo, xác định vị trí tín hiệu vào của quá trình chuyển đổi Cuộn sơ cấp kết nối với nguồn điện xoay chiều tạo ra từ trường, dẫn đến sự hình thành các điện áp cảm ứng U1 và U2 trong hai cuộn thứ cấp Giá trị của các điện áp này phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong cuộn sơ cấp, tần số dòng điện và các điện cảm tương hỗ M1 và M2 giữa các cuộn.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 24 phe rit nằm ở vị trí trung gian giữa hai cuộn 3 và 4 Nếu lõi phe rit dịch lên phía trên thì
M1 tăng lên còn M2 giảm xuống (U1 tăng lên, U2 giảm xuống) Ngược lại khi lõi phe rit dịch chuyển xuống phía dưới thì M1 giảm M2 tăng (U1 giảm, U2 tăng)
Hình 2.13:Biến áp vi sai LVDT
Do hai cuộn 3 và 4 mắc xung đối nên điện điện áp được xác định theo công thức:
Điện áp ra UR được xác định bởi công thức UR = U1 – U2, trong đó giá trị và pha của UR phụ thuộc vào vị trí của lõi phe rit so với vị trí trung gian Trong giới hạn làm việc, mỗi liên hệ của UR vào được mô tả trong hình 2.13c Khi lõi phe rit dịch chuyển lên trên, được coi là dịch chuyển dương, trong khi dịch chuyển xuống dưới được coi là dịch chuyển âm Dấu (-) thể hiện điện áp khi dịch chuyển âm có pha ngược lại so với điện áp khi dịch chuyển dương.
Biến áp vi sai có độ dịch chuyển nhỏ được cấu tạo với hai cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp mắc xung đối nhau trên khung từ Lõi sắt từ kết nối với cảm biến đo đóng vai trò là tín hiệu vào của chuyển đổi Khi cuộn sơ cấp được cấp nguồn điện xoay chiều, nó tạo ra hai mạch từ rẽ nhanh, giá trị phụ thuộc vào vị trí của lõi sắt từ Hai từ trường này sinh ra điện áp cảm ứng U1 và U2 trong các cuộn thứ cấp, và giá trị điện áp được tính theo một công thức cụ thể.
Khi lõi sắt từ ở vị trí trung gian, cường độ từ trường của hai mạch từ rẽ nhánh bằng nhau, dẫn đến hai điện áp cảm ứng U1 và U2 cũng bằng nhau, tạo ra điện áp ra bằng không (UR = 0) Tuy nhiên, khi lõi sắt từ dịch chuyển sang bên phải hoặc bên trái khỏi vị trí trung gian, sự mất cân bằng sẽ xảy ra.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 25 cường độ từ trường của hai mạch từ rẽ nhánh sẽ khác nhau vì vậy U1 U2 Trong trường hợp này điện áp ra sẽ khác không UR 0 Đặc tính của bộ chuyển đổi hoàn toàn tương đương như đặc tính trong hình 2.13c
4.2 Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất
Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất là thiết bị kết hợp giữa cảm biến đo và bộ chuyển đổi đo, với nhiều loại khác nhau Bài viết này sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động của ba loại chuyển đổi sơ cấp, bao gồm tín hiệu ra là điện áp xoay chiều, dòng điện một chiều và tín hiệu áp suất khí nén Trong đó, chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều là một trong những ứng dụng phổ biến.
Cảm biến đo áp suất sử dụng hai màng hộp đàn hồi 1 và 2 trong hai buồng kín A và B, được cách ly với nhau và có không gian giữa hai màng được điền đầy nước nguyên chất Buồng B kết nối với môi trường áp suất cao, trong khi buồng A kết nối với môi trường áp suất thấp Để đo áp suất dư, đầu (+) được nối với môi trường đo, còn đầu (-) nối với khí quyển Ngược lại, để đo chân không, đầu (-) kết nối với môi trường đo và đầu (+) nối với khí quyển Giá trị hiệu áp suất được xác định khi đầu (+) nối với môi trường áp suất cao và đầu (-) nối với môi trường áp suất thấp Việc chuyển đổi đo được thực hiện thông qua biến áp vi sai 3 có lõi phe rit, kết nối liên động với màng hộp 1.
Hình 2.14: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều
Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất, khi áp suất P1 lớn hơn P2, nước sẽ di chuyển từ màng hộp 2 sang màng hộp 1, khiến cả hai màng hộp biến dạng Sự biến dạng này tạo ra lực đàn hồi, chống lại lực áp suất Khi lực đàn hồi đạt cân bằng với lực áp suất, quá trình dịch chuyển nước sẽ dừng lại Độ biến dạng của màng hộp 1 tỷ lệ thuận với áp suất đo được.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 26 phe rít có một vị trí xác định trong biên áp vi sai Như vậy tín hiệu ra của biến áp vi sai là hàm phụ thuộc vào hiệu áp suất P1 – P2 Trong giới hạn làm việc đặc tính của chuyển đổi đo là hoàn toàn tuyến tính Điều kiện chuẩn làm việc của chuyển đổi đo là 20 0 C Khi nhiệt đô môi trường thay đổi thể tích của nước sẽ thay đổi làm cho các màng hộp đàn hồi cùng đồng thời biến dạng và gây ra sai số đo Để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ lên chuyển đổi, khi chế tạo màng hộp 2 mỏng hơn màng hộp 1 Vì vậy khi thể tích nước thay đổi thì chỉ làm cho màng hộp 2 biến dạng mà không làm cho màng hộp 1 biến dạng, nghĩa là độ biến dạng
không bị ảnh hưởng của nhiệt độ khí quyển b) Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất có tín hiệu ra là dòng điện một chiều
Hình 2.15: Chuyển đổi sơ cấp đo áp suất với tín hiệu ra là dòng một chiều
Nguyên lý cấu tạo của chuyển đổi đo sơ cấp áp suất với tín hiệu ra là dòng điện một chiều dựa trên cảm biến màng đàn hồi Hệ thống cân bằng lực cơ học và lực điện từ được thiết lập thông qua thanh đòn cân bằng, chịu tác động của lực từ màng đàn hồi và lực điện từ từ thiết bị điện từ Thiết bị điện từ bao gồm cuộn dây và nam châm vĩnh cửu, trong đó lực hút tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện trong cuộn dây Biến áp vi sai có độ chuyển dịch nhỏ, liên động với thanh đòn cân bằng, có chức năng phát hiện sự mất cân bằng giữa lực cơ học và lực điện từ Cuối cùng, khối dao động khuếch đại tạo ra điện áp xoay chiều cho cuộn sơ cấp của biến áp vi sai và khuếch đại tín hiệu ra thành dòng điện một chiều.
Nhóm 7: Các phương pháp đo áp suất 27
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý rằng khi hiệu áp suất P1 – P2 tác động lên màng đàn hồi, màng sẽ biến dạng và sinh ra lực đàn hồi đối kháng với áp suất Quá trình biến dạng kết thúc khi lực đàn hồi và lực áp suất cân bằng Sự biến dạng này qua thanh đòn 2 và lá thép 3 tác động lên thanh đòn cân bằng 4, khiến nó lệch khỏi vị trí cân bằng Lõi sắt từ trong biến áp cũng bị lệch, tạo ra điện áp ở đầu ra Điện áp này được khuếch đại, làm thay đổi dòng điện trong cuộn dây, từ đó tạo ra lực điện từ tác động ngược trở lại thanh đòn cân bằng 4, đưa nó về vị trí cân bằng Khi thanh đòn 4 trở về vị trí cân bằng, lõi sắt từ trong biến áp cũng trở lại vị trí ban đầu, và điện áp ra của biến áp bằng không, hệ thống đạt trạng thái cân bằng.
