III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
IX.2 Thiết bị đo áp suất
IX.2.1 Phương pháp đo áp suất
IX.2.2.1. Phong vũ biểu hay baromet
Phong vũ biểu là thiết bị đo áp suất của lớp không khí bao quanh quả đất tác dụng lên mặt đất.
IX.2.2.1.1. Baromet thủy ngân
Phong vũ biểu thủy ngân là loại dụng cụ dùng để đo áp suất khí trời được sử dụng rộng rãi nhất.
Hình 9.6 giới thiệu kết cấu của một baromet thủy ngân. Nó là một ống bằng thủy tinh một đầu được làm rộng ra (có đường kính lớn hơn) và hàn kín lại, đầu kia cũng làm rộng ra và để trống hay nói cách khác là được tiếp xúc với không khí.
Tại đầu bịt kín, mặt thoáng của thủy ngân sẽ chịu tác dụng của hơi thủy ngân vì khi không khí được hút ra bởi bơm chân không thì mặc dầu với nhiệt độ thấp thủy ngân cũng bay hơi. Cho nên nói một cách thật chính xác thì baromet thủy ngân cũng là thiết bị đo sự chênh lệch áp suất giữa một bên là áp suất khí
trời tác dụng lên mặt thóng để trống và một bên là
áp suất hơi thủy ngân. Song trong thực tế áp suất hơi thủy ngân rất nhỏ: nếu nhiệt độ lên đến 400C thì sai số sinh ra chỉ ở giới hạn 0,01 Torr nên thường được bỏ qua.
Để đo chiều cao của cột thủy ngân ta phải dùng thước đo chiều dài.
Hình 9.6a giới thiệu baromet hình chậu và hình 9.6b là baromet thủy ngân theo nguyên lí bình thông nhau. Khi áp suất khí trời thay đổi làm cho chiều cao của hai nhánh cột thủy ngân thay đổi. Để xác định áp suất, tức là khoảng cách giữa hai mặt thủy ngân ta buộc phải điều chỉnh
cho 1 mặt của cột thủy ngân với vạch không (điểm 0) của thước đo (thường chỉnh để mặt tiếp xúc với khí trời ở điểm 0). Ở hình 9.6a người ta điều chỉnh cho mặt thoáng của thủy ngân trong chậu trùng với điểm 0 của thước bằng bulông điều chỉnh ở đáy chậu. Với kết cấu này người ta cố định thước lên baromet. Ở hình 9.6b trong lúc xác định chiều cao ta phải dịch chuyển thước.
Như phần định nghĩa ở mục IX.1.1.2 về đơn vị áp suất đã xác định:
1 Torr = 1 mm Hg ở 00C
nên giá trị được khắc trên thước đo cũng ứng với nhiệt độ của môi trường đo ở 00C. Giá trị đó có thể qui dẫn sang các hệ đơn vị đo áp suất khác ở bảng 9.1.
Chính vì vậy ở các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao người ta buộc phải xem xét đến sự giản nở của thủy ngân cũng như vật liệu làm thước khi nhiệt độ của môi trường đo khác với 00C. Ở đây chúng ta cần tính toán để quy đổi áp suất đo được khi nhiệt độ của môi trường đo khác 00C. Nếu gọi áp suất khí trời là pkk đo được bằng chiều cao của cột thủy ngân ở 00C và h0 và ở nhiệt độ t0C thì chiều cao của cột thủy ngân sẽ là ht. Từ công thức về sự giãn nở của vật liệu ta có thể viết:
ht = h0 + h0γHgt (9.1) ht = h0(1 + γHgt) (9.2) γHg là hệ số dãn nở dài của thủy ngân, γHg = 0,182.10-3/độ
Cũng như vậy thước đo chiều dài ở nhiệt độ t có chiều dài là lt được tính:
lt = l0 (l + γmt) trong đó: l0 – chiều dài của thước ở 00C;
γm – hệ số giãn nở dài của vật liệu làm thước.
Nếu là đồng thau: γm = 0,000019/độ (0,019.10-3/độ) thủy tinh: γm = 0,008.10-3/độ
thép: γm= 0,012.10-3/độ.
Khi nhiệt độ tăng lên diễn biến áp suất đọc dưới ảnh hưởng của sự giãn nở dài của cột thủy ngân và thước kết quả đo sẽ có chiều hướng sau:
- Dưới ảnh hưởng do giãn nở của cột thủy ngân, áp suất đọc được ở t0C sẽ tăng lên một lượng h0γHgt.
- Do giãn nở của thước đo chiều dài nên áp suất đọc được ở t0C lại nhỏ đi một lượng l0γmt vì thước dài ra.
Thực ra lt và l0 chính là ht và h0. Nếu giải phương trình 9.1 và 9.2, theo h0 và bỏ qua đại lượng vô cùng nhỏ của sự khác nhau giữa ht và h0 khi tính độ giãn nở tức là cho:
h0γHgt = htγHgt ta sẽ có
h0 = ht [1-(γHg - γm) t] (9.3)
Hình 9.7: Ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài đến mặt phẳng phân chia của chất lỏng trong ống.
Cần phải lưu ý là phương trình (9.3) chỉ dùng để hiệu chỉnh sai số cho các boramet mà giá trị của nó được hiệu chỉnh ở 00C. Nếu boramet được hiệu chỉnh ở nhiệt độ khác thì phải có quá trình tính sai số về nhiệt độ hiệu chỉnh, sau đó mới đưa giá trị đo từ nhiệt độ hiệu chỉnh về nhiệt độ chuẩn ở 00C, tức là tính đến sự giãn nở của cột thủy ngân giữa nhiệt độ hiệu chỉnh và nhiệt độ chuẩn là 00C.
Baromet thủy ngân là dụng cụ đo áp suất khí trời rất đơn giản nhưng có độ chính xác rất cao. Để bảo đảm được độ chính xác cao chúng ta cần phải chú ý các điểm sau:
a) Khi chia vạch cho thước đo chiều cao phải tiến hành cẩn thận, bảo đảm độ chính xác cao.
b) Thủy ngân dùng làm phong vũ biểu
phải là thủy ngân nguyên chất vì nếu có lẫn tạp chất sẽ làm cho trọng lượng riêng, độ giãn nở, …của thủy ngân thay đổi.
c) Không gian kín phía trên cột thủy ngân của baromet không được pha trộn bất cứ loại hơi hoặc khí nào khác.
d) Khi đọc kết quả phải chú ý đọc đúng vị trí của mặt thủy ngân trong ống. Dước tác dụng của sức căng mặt ngoài, mặt phân chia của chất lỏng trong ống thủy tinh không phải là mặt phẳng mà có dạng mặt cầu như hình 9.7.
Để xác định đúng vị trí của mặt phân chia (tức là chiều cao của cột thủy ngân) đơn giản và dễ đạt độ chính xác cao phải chọn mặt phẳng nằm ngang trùng với tiếp tuyến của đỉnh mặt cầu phân chia thủy ngân trong ống.
Cùng với việc hiệu chỉnh nhiệt độ, trong các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao còn cần phải chú ý đến ảnh hưởng của hiện tượng mao dẫn đến kết quả đo.
Baromet thủy ngân là dụng cụ cơ bản để đo áp suất của không khí có độ chính xác rất cao song nó có nhược điểm là:
- Vận chuyển không thuận lợi; dễ hư hỏng, gãy vỡ.
Hình 9.8: Baromet kim loại:
1 – màng đàn hồi; 2 – hộp kín; 3 – kim chỉ hay ghi; 4 – lò xo; 5 – bảng chỉ hay giấy ghi.
- Không thể tự động ghi lại kết quả đo.
- Khó đọc chính xác giá trị đo vì phải kể đến một số yếu tố ảnh hưởng như hiện tượng mao dẫn, sức căng mặt ngoài.
IX.2.2.1.2. Baromet kim loại
Nhằm khắc phục nhược điểm của baromet thủy ngân trong lĩnh vực bảo quản, vận chuyển và ghi kết quả đo người ta đã chế tạo ra baromet bằng kim loại.
Baromet bằng kim loại có kết cấu cũng rất đơn giản, vững bền và có thể tự động ghi được kết quả đo song nó lại không thể đo được trực tiếp áp suất của
khí trời. Vì vậy trước khi đo phải hiệu chỉnh và lấy chuẩn bằng baromet thủy ngân.
Hình 9.9: Sơ đồ nguyên lí kết cấu của baromet bằng hơi:
1- đèn cung cấp năng lượng;
2- bình chứa nước; 3- đường dẫn hơi nước đi; 4- lỗ thông với áp suất khí trời; 5- nhiệt kế chia theo milibar hoặc Torr.
Hình 9.8 biểu diễn sơ đồ nguyên lí kết cấu của baromet kim loại, các bộ phận chủ yếu là màng đàn hồi 1 làm bằng kim loại dập lượn sóng và hộp kín 2. Màng 1 và hộp 2 tạo thành một không gian kín và có độ chân không tương đối lớn. Áp suất khí trời tác dụng lên màng 1. Màng 1 có thể dịch chuyển tốt là nhờ có kết cấu lượn sóng và có lực đàn hồi của lò xo 4. Khi màng dịch chuyển thì kim 3 cũng dịch chuyển. Vị trí của kim trên bảng chia 5, cho ta giá trị của áp suất khí trời pkk. Người ta lắp một bút ghi vào kim chỉ số 3 và thay bảng chia 5 bằng một cuộn giấy thì sẽ ghi được giá trị của áp suất. Muốn ghi được ta còn phải lưu ý có kết cấu sao cho cuộn giấy có thể quay được. Cuộn giấy có
thể được dẫn động bởi một cơ cấu theo kiểu đồng hồ và thông thường là 1 ngày hoặc 1 tuần nó sẽ quay đủ 1 vòng. Trong thực tế người ta thay thế hộp 2 có màng đàn hồi 1 bằng nhiều hộp kim loại xếp nối tiếp nhau để dẫn động kim chỉ 3 trong các baromet kim loại.
Hình 9.9 giới thiệu nguyên lí cấu tạo của baromet bằng hơi. Nguyên lí của nó dựa vào tính chất sau: nhiệt độ sôi của một chất lỏng là phụ thuộc vào áp suất. Ở đây chất lỏng thường dùng là nước. Nước trong bình 2 được đun sôi nhờ đèn 1 (nguồn năng lượng). Bình nước 2 chịu tác dụng của áp suất không khí nhờ có các lỗ thông 4. Khi nước
Hình 9.10: Nguyên lý đo của áp kế
sôi nhiệt độ được đo nhờ có nhiệt kế thủy ngân 5. Song nhiệt kế này được chia theo áp suất tức bằng milibar hoặc Torr. Như vậy độ lớn trực tiếp đo được ở đây là nhiệt độ.
IX.2.2.2. Thiết bị đo độ chênh áp – áp kế, hay manomet
Như ta đã bàn đến ở phần trên trong thực tế độ chênh áp đóng một vai trò quan trọng hơn. Trong thực tế các thiết bị đo độ chênh áp giữa hai môi trường đo như giữa áp suất không khí và áp suất môi trường đo được đo bằng thiết bị gọi là áp kế hay manomet.
Ở đây chúng ta nghiên cứu một số thiết bị cơ bản.
IX.2.2.2.1. Áp kế chất lỏng
Trong áp kế chất lỏng người ta sử dụng độ chênh về chiều cao giữa 2 cột chất lỏng chịu tác dụng của áp suất giữa 2 môi trường, tức là dựa vào nguyên tắc của bình thông nhau. Kết cấu của loại này vô cùng phong phú, ở đây chỉ xét một vài loại phổ biến.
a) Áp kế chữ U:
Áp kế chữ U là loại thiết bị đo chênh áp được sử dụng rộng rãi nhất. Theo nguyên lí bình thông nhau thì hai mặt chất lỏng chứa trong một ống
chữ U có chiều cao bằng nhau nếu áp lực tác dụng lên chúng bằng nhau. Ngược lại nếu áp suất giữa 2 đầu ống chênh lệch nhau thì xuất hiện sự chên lệch chiều cao giữa hai mặt chất lỏng. Sự chênh lệch này phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất giữa 2 mặt chất lỏng và trọng lượng riêng của chất lỏng chứa trong ống chữ U.
Hình 9.10 cho thí dụ về một bình chứa nước có lắp một áp kế chữ U để đo áp suất của nước trong bình. Theo nguyên lí cân bằng áp suất ta viết được phương trình sau:
pkk + ρgh = pi + ρ’g’h’
vậy:
pi = ρ’g’h’ - ρgh
trong đó: pkk – áp suất của không khí;
pi – áp suất ở mặt chất lỏng trong thùng;
h – chênh lệch chiều cao của cột chất lỏng trong ống chữ U;
h’ – chênh lệch chiều cao của nước trong bình với ống chữ U;
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng làm áp kế (chất lỏng trong ống chữ U);
ρ’ – khối lượng riêng của nước trong bình.
Trong áp kế chữ U cũng cần phải lưu ý đến sự thay đổi trọng lượng riêng của chất lỏng đối với nhiệt độ cũng như sự giãn nở của thước và chất lỏng làm áp kế như ở baromet thủy ngân.
Hình 9.11 chỉ ra kết cấu của một áp kế chữ U đơn giản. Thước đo khoảng cách giữa 2 mặt chất lỏng đợc cố định lên áp kế (trên giá gắn ống chữ U). Ở loại áp kế có kết cấu thước đo như hình 9.11 thì độ chênh lệch áp suất giữa 2 môi trường được xác định bằng tổng của 2 giá trị đọc được trên mỗi nhánh chữ U.
Áp kế chữ U có kết cấu như hình 9.11 có nhược điểm là đọc kết quả phức tạp hơn vì phải tính sự chênh lệch giữa 2 mặt chất lỏng. Để đơn giản hóa, người ta làm áp kế chữ U một nhánh. Hình 9.12 chỉ ra nguyên lí kết cấu của loại áp kế này. Loại áp kế này là biến thể của áp kế chữ U với một nhánh được làm rất rộng hoặc là một chậu lớn. Do có kết cấu như vậy nên sự thay đổi chiều cao của chất lỏng ở nhánh lớn (hoặc chậu) là rất nhỏ.
Kết quả đọc được ở nhánh hẹp của áp kế h chính là khoảng cách giữa mặt thoáng trong ống hẹp với mặt chất lỏng ban đầu OO (hình 9.12). Ở đây đã bỏ qua khoảng dịch chuyển trong bình lớn một đoạn là ∆hf. Như vậy ở đây đã thừa nhận một sai số là ∆hf. Nhưng giá trị của ∆hf là rất nhỏ vì ở loại áp kế này sự chênh lệch về thể tích giữa nhánh lớn (chậu) và ống khắc độ rất lớn. Ta gọi:
1 2
i A
= A
A1 – diện tích tiết diện ngang của ống lớn (chậu);
A2 – diện tích tiết diện ngang của ống nhỏ.
Sai số sinh ra sẽ là:
f
h.l
h i
∆ =
Với một tỷ số i xác định, khi chế tạo người ta sản xuất những chiếc thước chia vạch riêng. Chính vì vậy các áp kế loại này khi bán ra thị trường sai số ∆hf đã được tính vào lúc khắc vạch chia trên nhánh đọc của áp kế nên đã được loại trừ.
Các loại áp kế chữ U thủy tinh chất lỏng thủy ngân đã trình bày ở trên có sai số khoảng 0.5%.
Hình 9.22: Áp kế đàn hồi lò xo hình ống bằng thép.
1- ống đàn hồi; 2- tay đòn truyền động; 3- bánh xe chuyển động; 4- thân áp kế.
IX.2.2.2.2. Áp kế đàn hồi.
Áp kế đàn hồi là các loại áp kế có bộ phận thu nhận có thể đàn hồi hay co giãn được. Trong đó sự biến dạng đàn hồi của vật liệu có lò xo được dùng để đo áp suất. Với các loại áp kế đàn hồi bằng lò xo kim loại, người ta có thể đo được áp suất rất nhỏ đến 1 Torr và có thể đo áp suất rất lớn.
a) Áp kế đàn hồi lò xo hình ống
Thành phần chủ yếu của loại áp kế lò xo hình ống là một ống kim loại có tiết diện là tròn, oval, … được uốn cong dưới dạng hình cung, một đầu tự do và một đầu được ngàm chặt như hình 9.22.
Ống 1 được làm bằng vật liệu có tính đàn hồi tốt, nó có tác dụng như một lò xo, một đầu của ống được gắn chặt lên thân của áp kế 4, đầu kia được gắn với hệ tay đòn của bánh xe truyền động 2-3 để truyền dịch chuyển của đầu tự do đến đầu kim. Đầu tự do được hàn kín. Đầu gắn chặt của ống lò xo để hở và được nối với áp suất cần đo. Dưới tác dụng của áp suất p sẽ xuất hiện ứng suất vòng tác dụng lên thành trong của ống làm cho đường kính của ống lò xo có xu hướng lớn lên, tức là tổng áp suất tác dụng lên mặt trong của ống gồm có hai phần:
Hình 9.12: Kết cấu của áp kế chữ U một nhánh.
Hình 9.11: Kết cấu của áp kế chữ U.
- Nửa ống phía trong có xu hướng bóp ống lò xo lại (làm cho đường kính của ống nhỏ đi).
- Nửa ống phía ngoài có xu hướng làm giãn ống ra (làm tăng đường kính ống).
Phần lực phía ngoài là lớn hơn vì diện tích nửa mặt ngoài lớn hơn nửa mặt trong.
Do đó đầu tự do dịch chuyển và truyền đến kim chỉ làm kim quay đi một góc tương ứng.
Khoảng dịch chuyển tỷ lệ với tực tác dụng tức là với áp suất.
Muốn bảo đảm khả năng làm việc lớn của áp kế, đặc biệt trong áp kế có cơ cấu ghi người ta tăng số vòng làm việc của lò xo đàn hồi được hình thành theo kiểu hình xoắn ốc.
Có hai dạng khác nhau của lò xo xoắn ốc đó là xoắn ốc phẳng và xoắn ốc trụ. Loại xoắn ốc phẳng có nhược điểm là lực tác dụng lên các vòng khác nhau là khác nhau. Song có ưu điểm là chiều dày của áp kế nhỏ. Loại xoắn ốc trụ thì ngược lại, lực tác dụng lên các vòng là bằng nhau song chiều dày áp kế lại lớn.
Vật liệu của ống lò xo (bộ phận đàn hồi) có thể dùng hợp kim của đồng để đo áp suất đến 300 kG/cm2, với áp suất cao và rất cao từ 5000 – 10.000 at người ta phải dùng thép hợp kim. Trong một số trường hợp người ta phải dùng thép để làm ống lò xo cho áp kế đo áp suất thấp khi mà áp kế được dùng để đo áp suất các môi chất mà hợp kim đồng không chịu được tác dụng hóa học của môi trường đo, ví dụ như NH3 trong các thiết bị làm lạnh. Bộ phận an toàn của áp kế để chống việc gãy vỡ lò xo gây ra vỡ áp kế và có thể gây tai nạn cho người, đặc biệt với áp kế đo áp suất lớn hoặc cực lớn phải được lưu tâm thích đáng. Trường hợp này người ta bao bọc lò xo của áp kế bằng một lần thép đủ vững để hạn chế dịch chuyển tối đa của lò xo.
Hình 9.23 chỉ ra hình dạng của tiết diện lò xo thường dùng, nó phụ thuộc vào áp suất đo.
Hình 9.23: Tiết diện của ống đàn hồi.
Áp kế lò xo hình ống rất nhạy cảm với tải trọng rung động và va đập. Khi chịu tác dụng của loại tải trọng này áp kế chóng bị hao mòn và rất khó khăn trong việc đọc kết quả vì kim bị dao động. Để giảm bớt tác dụng có hại của rung động và va đập nhiều khi người ta làm các cơ cấu giảm chấn. Ví dụ như buồng giảm rung và các ziclơ tiết lưu.