Chuong 6 CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT (Sensors for force and pressure)

Pneumatic load cells: Loadcell khí nén ho t ñAng trên nguyên tzc cân bang l*c.. Loadcell khí nén thưDng ñư"c s[ dRng ñ' ño tr#ng lư"ng tương ñ7i nh3 trong các ngành công nghi p mà v?n ñB

Chuy'n ñ i ñi n tr ki'u l*c căng này ñư"c chia làm 3 lo i:

Chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng dây m1nh Chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng lá m3ng Chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng màng m3ng

Lo i c1m bi n này có 3 thông s7 chính:

Kích thư8c c a ñ Giá tr ñi n tr c a c1m bi n Dòng ñi n t7i ña cho phép

Ph bi n nh?t là lo i chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng dây m1nh: Trên mAt t?m gi?y m3ng bBn, ngưDi ta dán 1 dây ñi n tr theo ki'u hình răng lư"c có ñưDng kính kho1ng 0,02 ÷ 0,03mm Dây ñư"c ch t o tI vJt li u constantan, nicrom, hoKc h"p kim platinLiridi Hai ñMu dây ñư"c hàn v8i lá ñNng dùng ñ' n7i v8i m ch ño Phía trên ñư"c dán mAt l8p gi?y m3ng ñ' c7 ñ nh dây ChiBu dài l0 c a “răng lư"c” là chiBu dài tác dRng c a chuy'n ñ i

ð' các chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng làm vi c t7t trong th*c t , yêu cMu vJt li u

ch t o chuy'n ñ i có ñA nh y l8n ñ' ñA nh y ñ t ñư"c cao MKt khác, h s7 nhi t ñA

c a chuy'n ñ i ñi n tr l*c căng (α) cMn bé vì trong kim lo i ñA bi n d ng tương ñ7i

t,c là s* thay ñ i ñi n tr tương ñ7i không vư"t quá 1% khi ñ7i tư"ng ño ch u áp su?t l8n nh?t

5.2 C-m bi/n l1c (Force Sensor)

5.2.1C-m bi/n l1c căng (Strain Gauges sensor)

a Khái ni m

C1m bi n l*c căng d*a trên s* thay ñ i ñi n tr c a dây d n hoKc ch?t bán

d n khi nó b bi n d ng và ñư"c s[ dRng ñ' ño s* co L giãn khi vJt th' b nén l i hoKc kéo căng ra Có nhiBu ,ng dRng như là ño l*c, áp su?t, gia t7c…

Hình 5.1 Khi Strain Gauges chưa có l c tác ñ$ng

Hình 5.2 Khi Strain Gauges có l c tác ñ$ng

b ði n tr c a dây d n

“Strain gauge” ñơn gi1n là mAt dây d n như hình sau:

Hình 5.3 ði n tr dây d*n

ði n tr c a dây d n :

( )

= A

Hình 5.6 Phương pháp ño b<ng m/ch c=u

ðMu tiên ta s_ chdnh các giá tr ñi n tr sao cho V1=V2

G

G S

RR

RVV

RR

RVV

=

=

−

D D G

G S

RR

RR

R

RVVVV

2 1

2

( G G)( D D)S

RRRR

RRRRVV

++

−

=

2 1

1

ð' ñơn gi1n ta cho các giá tr ñi n tr là bang nhau = R Khi có s* thay ñ i

ñi n tr strain gauge jR thì:

R R

R V

∆R = s* thay ñ i ñi n tr c a strainLgauge

R = giá tr ñi n tr c a các ñi n tr trong m ch cMu

∆V = sai l ch ñi n áp

Vs= nguNn ñi n áp c?p trong m ch cMu nên ta suy ra ñư"c

S

V

V R

R ≈ 4

(5.9)

f M*i liên h gi,a ñ n dài và ñi n tr

Khi strain gauge b tác ñAng, ñi n tr nó tăng lên M7i quan h gioa ñA n dài và ñi n tr ñư"c bi'u dipn như sau:

L R L L

R R GF

.

/

E = Hang s7 (hang s7 phR thuAc vào tIng lo i vJt li u)

ρ = L*c tác ñAng trên mAt vùng

G{ c,ng 1,5 106 1,0.106

Vắ d8: Cho m ch ựo strain gauge như hình BB mKt trR (c?u t o bang thép) là 2

in2, R= 120 } và GF bang 2 NguNn cung c?p 10 V Khi thanh chưa b tác ựAng ngõ ra cMu là 0V Khi thanh ch u tác ựAng, and ngõ ra cMu là 0.0005 V Tìm l*c tác ựAng lên thanh

* 120

* 4 4

V

V V

V R R

S

đA n dài :

/ 0001 0 2

120 / 024 0 /

in in GF

R R

=

=

=ε

Áp dRng công th,c:

ε

ρ

= E

đ' tắnh toán l*c tác ựAng lên thanh Tra b1ng YoungỖs modulus TI b1ng,

ta tìm ựư"c 30,000,000 lb/in2 cho b i:

2 2

/ 3000 /

0001 0

* / 000 , 000 , 30

= ερ

đó là l*c tác ựAng lên mAt in2 mKt czt, theo ựB là 2.in2 nên l*c tác ựAng ph1i

là 6000 lb/in2

Hình 5.7 Lo/i Loadcell theo l c tác ñ$ng

Lo i theo hình d ng: d ng ñĩa, d ng thanh, d ng trR, d ng cMu, d ng cho S…Hình 5.8 là loadcell d ng trR

Hydraulic load cells: là lo i loadcell th y l*c, nó ño tr#ng lư"ng nhD vào s* thay ñ i áp su?t ch?t l3ng Khi nó ch u t1i l*c tác ñAng s_ chuy'n t8i mAt pitLtông nén mAt lư"ng ch?t l3ng trong buNng ch,a Khi l*c tác ñAng tăng lên, áp l*c các ch?t l3ng th y l*c cũng tăng theo Áp l*c này có th' ñư"c xác ñ nh cho chd ñ nh cRc bA hoKc ñiBu khi'n tI xa ðMu ra là tuy n tính và tương ñ7i không

b 1nh hư ng b i hàm lư"ng c a ch?t l3ng hoKc nhi t ñA c a nó N u các loadcell ñã ñư"c cài ñKt ñúng và hi u chu‚n, ñA chính xác có th' là 0,25% trong toàn thang ño hoKc t7t hơn trong hMu h t các ,ng dRng ño tr#ng lư"ng B i vì c1m bi n này không có thành phMn ñi n, nên nó r?t thích h"p ñ' s[ dRng trong các khu v*c nguy hi'm Các ,ng dRng ñi'n hình c a loadcell th y l*c bao gNm cân các bNn ch,a, gMu và phpu ð' ñ t ñư"c ñA chính xác t7i ña nên dùng nhiBu loadcell k t n7i v8i nhau rNi t ng h"p k t qu1 ñMu ra

Pneumatic load cells: Loadcell khí nén ho t ñAng trên nguyên tzc cân bang l*c Các thi t b này s[ dRng nhiBu buNng gi1m ch?n nên có ñA chính xác cao hơn loadcell lo i th y l*c Trong mAt s7 thi t k , buNng gi1m ch?n ñMu tiên ñư"c s[ dRng như mAt buNng tr#ng lư"ng bì Loadcell khí nén thưDng ñư"c s[ dRng ñ'

ño tr#ng lư"ng tương ñ7i nh3 trong các ngành công nghi p mà v?n ñB s ch s_

và an toàn là m7i quan tâm chính Nhong ưu ñi'm c a lo i loadcell này là không nh y c1m v8i s* thay ñ i nhi t ñA Ngoài ra, chúng không ch,a các ch?t l3ng có th' gây ô nhipm quá trình n u vb k t c?u Như"c ñi'm c a lo i loadcell này là t7c ñA ñáp ,ng tương ñ7i chJm và khí cMn thi t ph1i s ch s_, không khí khô quy ñ nh, hoKc nitơ

StrainFgauge load cells: Ho t ñAng d*a trên nguyên lý cMu ñi n tr cân bang Wheatstone Giá tr l*c tác dRng td l v8i s* thay ñ i ñi n tr c1m ,ng trong cMu

ñi n tr , và do ñó tr1 vB tín hi u ñi n áp td l

c M ch ño c m bi n l c

Dùng bán c=u:

Hình 5.9 Loadcell dùng c=u ñIi x ng

… ñây có hai strain gauge chính, 2 strain gauge phR

− + +

+

=

R R R

R R

R R

R R v

=

R R

R R R v

vo S

Dùng m/ch c=u ñ=y ñL:

Hình 5.11 Loadcell dùng c=u toàn ph=n

−

− + +

+

=

R R R

R R R

R R

R R v

( ) ( ( ) ) ( ) ( ( ) )

( ) ( ) ( ( ) ) 

+

+ +

−

−

− + +

=

R R R R R R

R R R R R R R R R R v

R v

d So sánh các lo i loadcell

B-ng so sánh các lo6i Loadcell

chắnh xác

Mechanical Load Cells

An toàn: thành phMn không ch,a các ch?t nguy h i

đáp ,ng chJm: ựòi h3i khắ ph1i s ch và khô

Strain Gauge Load Cells

có bi n pháp b1o

v Load

Cell ch u

kéo

10L5k lbs 0.03% BNn ch,a, bàn

cân, t1i tr#ng l ch tâm

T1i có th' chuy'n ựAng

Không có b1o v theo phương ngang

T1i ph1i ựKt ngay v trắ trung tâm và không ựư"c chuy'n ựAng

5.3 C-m bi/n lưu lưAng và áp suEt (Pressure and Flowmeters sensor)

Các c1m bi n ựo lưu lư"ng ựư"c s[ dRng ự' ựo c1 ch?t l3ng và ch?t khắ trong nhiBu ,ng dRng giám sát và ựiBu khi'n V8i ch?t l3ng, kh7i lư"ng riêng có th' coi là hang s7 nên vi c ựo lưu lư"ng nhìn chung dp th*c hi n hơn MAt s7 kẼ thuJt ho t ựAng v8i c1 ch?t l3ng và ch?t khắ, mAt s7 chd ho t ựAng v8i d ng lưu

5.3.1 C-m bi/n ño lưu lưAng: (Flowmeters Sensor)

MAt trong s7 các tham s7 quan tr#ng c a quá trình công ngh là lưu lư"ng các ch?t ch1y qua 7ng d n Mu7n nâng cao ch?t lư"ng s1n ph‚m và hi u qu1 c a

h th7ng ñiBu khi'n t* ñAng các quá trình công ngh cMn ph1i ño chính xác th' tích và lưu lư"ng các ch?t

Môi trưDng ño khác nhau ñư"c ñKc trưng bang tính ch?t lý hóa và các yêu cMu công ngh , do ñó ta có nhiBu phương pháp ño d*a trên nhong nguyên lý khác nhau S7 lư"ng vJt ch?t ñư"c xác ñ nh bang kh7i lư"ng và th' tích c a nó tương ,ng v8i các ñơn v ño (kg, t?n) hay ñơn v th' tích (m3, lít) Lưu lư"ng vJt ch?t là s7 lư"ng ch?t ?y ch1y qua ti t di n ngang c a 7ng d n trong mAt ñơn v thDi gian

Lưu lư"ng th' tích:

t

V

ðơn v ño m3/s; m3/giD…

Lưu lư"ng kh7i: Q m

t

m

ðơn v ño kg/s; kg/giD; t?n/giD…

CMn phân bi t s* khác nhau gio lưu lư"ng t,c thDi và lưu lư"ng trung bình ChŠng h n lưu lư"ng th' tích: Lưu lư"ng trung bình Qtb=V(τ1−τ2), lưu lư"ng t,c thDi: QV = dV/dτ (V là th' tích vJt ch?t ño ñư"c trong thDi gian (τ1−τ2)) ð7i v8i ch?t khí, ñ' k t qu1 ño không phR thuAc vào ñiBu ki n áp su?t và nhi t ñA, ta qui ñ i vB ñiBu ki n chu‚n (nhi t ñA 200C, áp su?t 760 mm th y ngân)

ð' thích ,ng v8i các nhu cMu khác nhau trong công nghi p, ngưDi ta ñã phát tri'n r?t nhiBu phương pháp khác nhau ñ' ño lưu lư"ng ch?t l3ng, hơi nư8c, khí

ðNc trưng cLa lưu chOt:

M{i lưu ch?t ñư"c ñKc trưng b i nhong y u t7 sau:

Kh7i lư"ng riêng

H s7 nh8t ñAng l*c

H s7 nh8t ñAng h#c

KhIi lưPng riêng:

Kh7i lư"ng riêng là kh7i lư"ng c a 1 ñơn v th' tích lưu ch?t

) /

m kg V

ñ nh giá tr là: Cho 1 qu1 cMu rơi trong ch?t l3ng dư8i tác dRng c a tr#ng l*c ðo

H s7 nh8t ñAng l*c s_ ñư"c tính theo phương trình sau:

u

r g 9

.

Hình 5.14 H sI nhSt ñ$ng l c cLa nưSc và hơi nưSc tr/ng thái b0o hòa vSi các

ñiUu ki n nhi t ñ$ khác nhau

ð' nh?n m nh m7i quan h gioa tính nh8t và kh7i lư"ng riêng c a lưu ch?t ngưDi ta ñưa ra h s7 nh8t ñAng h#c

v = ρ

3

10

(5.22)

v: h s7 nh8t ñAng h#c, ñơn v centistokes (cSt)

: H s7 nh8t ñAng l*c

ρ: Kh7i lư"ng riêng c a lưu ch?t (kg/m3)

ðơn v h s7 nh8t ñAng h#c là cSt (centistokes), St (stokes), m2/s

1St = 100 cSt = 1 cm2/s = 10L4 m2/s

ðA nh8t phR thuAc vào nhi t ñA và áp su?t ðA nh8t c a ch?t l3ng tăng khi nhi t gi1m và khi áp su?t tăng, ñ7i v8i ch?t khí thì ngư"c l i

ρ: Kh7i lư"ng riêng c a lưu ch?t (kg/m3)

D: ðưDng kính trong c a 7ng d n lưu ch?t (m)

u: VJn t7c c a lưu ch?t (m/s)

: H s7 nh8t ñAng l*c (Pa s)

Hi u chuZn khIi lưPng riêng:

Kh7i lư"ng riêng c a ch?t l3ng, ch?t khí trong môi trưDng ño 1nh hư ng

ñ n phép ño lưu lư"ng Th*c ch?t kh7i lư"ng riêng thưDng không là mAt hang s7

Kh7i lư"ng riêng c a ch?t l3ng tùy thuAc vào nhi t ñA TrưDng h"p này ñ'

hi u chu‚n kh7i lư"ng riêng ta chd cMn ño nhi t ñA

Khí thưDng là mAt h{n h"p gNm nhiBu thành phMn Kh7i lư"ng riêng c a nó

l thuAc vào áp su?t và nhi t ñA ð' hi u chdnh sai s7 cMn ño c1 hai ñ i lư"ng này (l?y chu‚n là kh7i lư"ng riêng ñiBu ki n 00C, áp su?t khí quy'n)

Tr/ng thái dòng ch0y:

N u b3 ñi 1nh hư ng c a ñA nh8t và s* ma sát v8i thành 7ng d n thì vJn t7c dòng ch1y s_ như nhau m#i v trí trên mKt czt ngang c a 7ng d n (hình

Hình 5.15 V[n tIc dòng ch0y (trư\ng hPp lý tư ng) Tuy nhiên ñó chd là trưDng h"p lý tư ng, trong th*c t ñA nh8t 1nh hư ng

ñ n t7c ñA c a dòng ch1y, cùng v8i s* ma sát c a 7ng d n làm gi1m vJn t7c c a lưu ch?t v trí gMn thành 7ng (hình 5.16)

Hình 5.16 V[n tIc dòng ch0y vSi 0nh hư ng cLa tính nhSt và l c ma sát

Các khí ( tr ng thái bão hòa) và hMu h t các ch?t l3ng thưDng ñư"c vJn chuy'n bang 7ng d n tr ng thái dòng ch1y r7i Hình 5.17

Hình 5.17 TrW sI Reynold

5.3.2 C-m bi/n ño áp suEt: (Pressure sensor)

a Phương pháp ño lưu lư5ng d a trên nguyên t6c s chênh l ch áp su0t

ð' dùng c1m bi n áp su?t ño lưu lư"ng, ngưDi ta ño s* chênh l ch áp su?t (hi u áp) gioa 2 v trí 7ng có ti t di n dòng ch1y khác nhau Các lưu lư"ng k ño d*a trên hi u áp (differential pressure flowmeter) ñư"c s[ dRng r?t ph bi n, ñKc

bi t là dùng v8i các ch?t l3ng Các thi t b này cũng như hMu h t các lưu lư"ng k khác gNm hai thành phMn cơ b1n

Thành phMn 1: là nguyên nhân gây nên s* thay ñ i trong năng lư"ng ñAng h#c, t o nên s* thay ñ i áp su?t trong 7ng Thành phMn này ph1i phù h"p v8i kích thư8c c a ñưDng 7ng, ñiBu ki n dòng ch1y, tính ch?t c a lưu ch?t

Thành phMn th, 2: ño s* chênh l ch áp và tín hi u ñMu ra ñư"c chuy'n ñ i thành giá tr lưu lư"ng

ño áp su?t ñư"c ñưa vB ño l*c T?t c1 các l*c tác dRng lên mAt mKt phŠng xác

ñ nh là thư8c ño áp xu?t

1 mbar = 102 Pa

1 bar = 105 Pa Nhong ñơn v cũ dùng ph bi n trư8c ñây:

1 mmHg = 1,0000 Torr

1 atm = 760 Torr (atm ñơn v áp su?t khí quy'n vJt lý) 1Torr =1,333224 102 Pa

1kp/cm2 = 0,980665 105 Pa 1at =1kp/cm2 = 0,980665 105 Pa (at ñơn v áp su?t khí quy'n kˆ thuJt) 1mm nư8c =9,80665 Pa

Ngoài ra các nư8c Anh, Mˆ ngưDi ta còn dùng các ñơn v áp su?t sau:

1 poundLforce/ square yard (Lb/yd2)

1 poundLforce/ square foot (Lb/ft2)

1 poundLforce/ square inch (Lb/in2 = psi)

1 ounce/ square foot (oz/ft2)

1 ounce/ square inch (oz/in2)

1 Ton/ square foot (Ton/ft2)

1 inch of water (trong nư8c)

1 inch of mecuri (trong th y ngân)

d B ph:n t o nên s chênh l ch áp su0t

Dù hi n nay ñã có nhiBu phương pháp ño lưu lư"ng ñư"c phát tri'n, phương pháp ño lưu lư"ng bang 7ng co v n ñư"c ,ng dRng r?t rAng rãi trong công nghi p và các lãnh v*c khác •ng co dùng ñ' t o s* chênh l ch áp su?t (gioa v trí 7ng chưa co và 7ng co) nên 7ng co ph1i là nhong linh ki n cơ h#c r?t bBn bd, c?u trúc ñơn gi1n và không có các phMn t[ di ñAng ñ' ch u ñư"c nhong ñiBu ki n vô cùng khzc nghi t trong công nghi p Phương pháp ño s[ dRng Pitot tube cũng d*a trên s* chênh l ch áp su?t nhưng không t o s* “co” tr*c ti p trên d3ng ch1y

e B bi n ñ;i áp su0t

Hình 5.18 B$ bi3n ñ i áp suOt

L"i dRng c?u t o c a c1m bi n l*c ta có th' s[ dRng ñ' ño áp su?t

Áp su?t chính là l*c tác ñAng trên mAt ñơn v di n tích

C1m bi n áp su?t thưDng dùng là lo i c1m bi n áp su?t ch?t lưu, nguyên lý

ho t ñAng thưDng là bang ch?t l3ng cân bang th y tĩnh hay ño bang phMn t[ nh y c1m bi n d ng (cơ s bi n d ng ñàn hNi c a các phMn t[ c1m bi n) C1m bi n áp su?t thì có nhiBu lo i : lo i áp tr , l#ai ñi n dung

u = p2 +ρ hg 2+

2

ρ 2 2

u = p2 +

2

ρ 2 2

Hình 2.19 Phương pháp ño lưu lưPng Ing co venturi

ρ: Kh7i lư"ng riêng

h 1: ðA cao v trí v trí trư8c co

h2: ðA cao v trí v trí sau co

… nơi di n tích 7ng b thu nh3, vJn t7c dòng ch1y gia tăng V8i phương trình năng lư"ng c a Bernoulli, năng lư"ng c a dòng ch1y là t ng năng lư"ng áp su?t tĩnh và ñAng năng (vJn t7c) là mAt hang s7

) (

2

2 1 2 2 2

2 2 2

1 2

1 2 1 2

A

A p

p u

p p

−

= +

−

=

ρ

ðKt

2 1

α là hang s7 dòng ch1y

Ta có:

2 1

p A

u A

QV = 2. 2 = 2. 2. 1 − 2 =α .

ρ

pkp

pA

uA

Qm = = 2 − = '

2 1 2

Orifice plate dày kho1ng 1/16 ñ n ñ n ¼ inch Có 3 lo i Orifice plate: concentric (ñNng tâm), eccentric (l ch tâm), segmental (hình cung) như hình 5.21

Trong 3 lo i, lo i concentric ñư"c s[ dRng nhiBu nh?t Khi lưu ch?t ñi qua Orifice plate, dòng ch1y “hAi tR”, t7c ñA lưu ch?t tăng lên m,c t7i ña T i ñi'm này, áp su?t là nh3 nh?t Khi dòng ch1y phân kì, t7c ñA lưu ch?t gi1m tr l i m,c ban ñMu

Hai lo i Eccentric và Segmental cũng có ch,c năng hoàn toàn toàn gi7ng như Consentric Thi t b ñư"c lzp ñKt ñNng tâm v8i 7ng d n lưu ch?t (7ng d n ñKt nam ngang), v8i lo i Segmental, v trí phMn cung tròn (phMn ñã ñư"c czt) phR thuAc vào d ng ch?t l3ng có th' trên hoKc dư8i nham mRc ñích ngăn chKn các vJt l tI trong dòng ch1y K t qu1 ñ t ñư"c là phép ño tăng m,c ñA chính xác

Lo i eccentric cũng ñư"c thi t k v8i cùng mRc ñích trên

Nguyên tbc ho/t ñ$ng:

Hình 5.22 Phương pháp ño lưu lưPng dùng Ing Orifice plate

Nguyên tzc ño lưu lư"ng khi s[ dRng Orifice plate cũng d*a trên phương trình Bernoulli

gh

ghAvA

Trong th*c t giá tr vJn t7c th*c s* s_ nh3 hơn giá tr vJn t7c trên lý thuy t (do ma sát) S* khác bi t này ñư"c ñiBu chdnh v8i h s7 CV

V

C =vJn t7c th*c t / vJn t7c lý thuy t

Bên c nh ñó di n tích dòng ch1y hAi tR s_ nh3 hơn di n tích c a Orifice plate, ñiBu này ti p tRc ñư"c ñiBu chdnh v8i h s7 CC

CC = di n tích vùng hAi tR / di n tích Orifice plate

Hai h s7 CV , CC k t h"p v8i nhau có ñư"c h s7 ñiBu chdnh C

g: Gia t7c trong trưDng (9,8 m2/s)

H s7 C (ñư"c ñ nh nghĩa theo tiêu chu‚n ISO 5167 – 2003) có th' tra các giá tr d*a vào d*a vào tiêu chu‚n ISO 5167

Hình 5.23 Yêu c=u lbp ñNt (theo tiêu chuZn ISO 5167)