Kỹ thuật đo lường 1 (phần 5) pot

ðo nhiệt ñộ bằng phương pháp trực tiếp 1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu a, Nhắc lại nguyên lý Phương pháp ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt ngẫu là phương pháp ñược sử dụng rộng rãi và thuận lợi.. Bản

Chương5

ðO CÁC ðẠI LƯỢNG KHÔNG ðIỆN 5.1 Khái niệm chung

ðại lượng không ñiện là những ñại lượng vật lý như nhiệt ñộ, áp suất, lưu lượng, nồng

ñộ vật chất, v.v Các ñại lượng này chiếm ña phần trong các hệ thống thông tin ño

lường và ñiều khiển tự ñộng Thiết bị ño các ñại lượng không ñiện có sơ ñồ khối như

hình 5-1

Các ñại lượng không ñiện ñược các chuyển

ñổi ño lường (Cð) biến ñổi thành các ñại

lượng ñiện, sau ñó ñưa vào mạch ño (Mð)

ñể tính toán, gia công tin tức và ñưa kết quả

ra chỉ thị thể hiện kết quả ño (CT)

5.2 ðo nhiệt ñộ

5.2.1 Khái niệm chung

Hình 5-1 Sơ ñồ khối của thiết bị ño

Cð - Chuyển ñổi ño lường Mð-Mạch ño lường CT- Chỉ thị

- Phương pháp chung ñể ño nhiệt ñộ là dựa trên hiện tượng truyền nhiệt (nhiệt dẫn,

ñối lưu và bức xạ nhiệt)

- Các phương pháp ño nhiệt ñộ có thể rất khác nhau tuỳ theo yêu cầu về kỹ

thuật, về dải ño nhiệt ñộ và có thể thực hiện bằng 2 phương pháp: ño trực tiếp và ño

gián tiếp

ðo trực tiếp là phương pháp ño trong có các chuyển ñổi nhiệt ñiện ñược ñặt

trực tiếp ở môi trường cần ño ðối với nhiệt ñộ cao thường ño bằng phương pháp gián

tiếp, dụng cụ ñặt ở ngoài môi trường ño và còn gọi là phương pháp không tiếp xúc

Bảng 5-1 cho biết các dụng cụ và phương pháp ño nhiệt ñộ với các dải ño khác nhau

5.2.2 ðo nhiệt ñộ bằng phương pháp trực tiếp

1) Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu

a, Nhắc lại nguyên lý

Phương pháp ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt ngẫu là phương pháp ñược sử dụng

rộng rãi và thuận lợi Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt ngẫu như hình 5-2 gồm hai thanh kim

loại khác nhau a, b ñược hàn với nhau tại một ñầu ñó là ñầu làm việc t1 Hai ñầu còn

lại t0 là ñầu tự do

Khi nhiệt ñộ ở ñầu t1 khác với nhiệt ñộ ñầu t0 chúng tạo

nên một sức ñiện ñộng:

Eab(t1, t0) = Eab(t1) - Eab(t0) (5-1)

Nếu giữ cho nhiệt ñộ t0 không thay ñổi và t1 phụ

thuộc vào môi trường ño nhiệt ñộ thì ta có:

nhiệt ngẫu

Sức ñiện ñộng Eab phụ thuộc vào nhiệt ñộ t1 và nhiệt ñộ t0 cũng như phụ thuộc vào

vật liệu ñể chế tạo các thanh kim loại a và b

Bảng 5-2 cho biết một số cặp nhiệt ñiện thông dụng

Bảng 5-2: Thông số của một số cặp nhiệt ñiện thông dụng

Cặp nhiệt Dải nhiệt ñộ Sức ñiện ñộng

b, Giới thiệu cặp nhiệt trong thực tế

- Trong thực tế các cặp nhiệt ngẫu ñược chế tạo thành một thiết bị có cấu tạo như

hình 5-3 Trong ñó các dây kim loại ñược lồng vào ống sứ cách ñiện, bên ngoài là vỏ thép

không rỉ và chịu ñược nhiệt ñộ cao ðầu dây ra ñược nối vào hộp ñầu nối Mạch ño của

nhiệt kế nhiệt ngẫu là một milivonmet như hình 5-4

- ðiện trở ñường dây ñược qui ñịnh là 5, khi ñiện trở ñường dây có giá trị nhỏ

hơn 5 người ta dùng ñiện trở ñiều chỉnh Rñ/c ñể bù vào ñiện trở ñường dây Trong

quá trình ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt ngẫu thường gặp những nguyên nhân gây nên sai

số ñó là:

Hình 5-3 Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu 1- Dây kim loại 2- Ống sứ cách ñiện 3- ðầu hàn 4- Vỏ thép 5- ðầu nối ra

Hình 5-4 Mạch ño của cặp nhiệt ngẫu với chỉ thị

Rd - ðiện trở ñường dây Rñ/c - ðiện trở ñiều chỉnh

- ðiện trở mạch ño thay ñổi khi nhiệt ñộ môi trường thay ñổi Từ hình 5-4 ta thấy

ñiện áp ño ñược trên milivonmet ñược tính

Với RV - ñiện trở của milivonmet

Mặt khác ta có: UMN = IRV = Et - IRmñ (5-8)

ðiện áp UMN luôn nhỏ hơn sức ñiện ñộng Et do có ñiện áp rơi trên ñiện trở

mạch ño Từ công thức (5-7) ta thấy rằng muốn cho sai số phép ño giảm thì RV càng lớn

càng tốt Thông thường ñiện trở của milivonmet lớn hơn (40  50) lần ñiện trở mạch ño

và sai số chủ yếu do ñiện trở của milivonmet thay ñổi

- Bù nhiệt ñộ ñầu tự do: nhiệt ñộ ñầu tự do (to) ñược duy trì ở nhiệt ñộ

chuẩn 0oC nhưng trong thực tế nhiệt ñộ ở môi trường (to) thường khác với nhiệt ñộ ñầu tự

do (to) do ñó sức ñiện ñộng Et ño ñược thường nhỏ hơn

sức ñiện ñộng Et chuẩn Khắc phục sai

số trên người ta thực hiện ổn ñịnh nhiệt

ñộ ñầu tự do bằng phương pháp giữ

nhiệt ñộ ñầu tự do ở vùng nước ñá ñang

tan hoặc dùng thiết bị bù nhiệt ñộ ñầu

tự do như hình 5-5

Thiết bị bù là một mạch cầu gồm có

các ñiện trở, R1, R2, R3 làm bằng

Maganin, RT là ñiện trở ñồng Cầu ñược

hiệu chỉnh cân bằng ở nhiệt

RT thay ñổi làm cho mạch cầu mất cân bằng Tại hai ñiểm cd suất hiện ñiện áp Ucd.

ðiện áp này bù vào sức ñiện ñộng nhiệt bị thay ñổi khi to  to và ta có:

EAB(t1, to) = E’AB(t1, to) + Ucd (5-9)

2) Nhiệt kế nhiệt ñiện trở

a, Nhắc lại nguyên lý

Nhiệt kế nhiệt ñiện trở là nhiệt kế sử dụng chuyển ñổi nhiệt ñiện trở Chuyển ñổi

nhiệt ñiện trở là một thiết bị biến ñổi nhiệt ñộ thành sự thay ñổi thông số ñiện trở R: RT =

f(t) (t - nhiệt ñộ)

Nhiệt ñiện trở ñược phân thành: nhiệt ñiện trở kim loại và nhiệt ñiện trở bán

dẫn

b, Giới thiệu nhiệt kế nhiệt ñiện trở trong thực tế

Nhiệt ñiện trở kim loại

Nhiệt kế kim loại ñược chế tạo dưới dạng dây kim loại hặc màng mỏng kim loại có

ñiện trở suất thay ñổi theo nhiệt ñộ Các nhiệt ñiện trở kim loại thường làm bằng platin,

Niken và ñồng Chúng ñược chế tạo theo hai dạng: quấn dây trên lõi cách ñiện hoặc ñặt

vào một ống thép không gỉ, chịu ñược nhiệt ñộ cao và ñược cách ñiện bằng các ống sứ

(hình 5-6)

Hình 5-6 a) Nhiệt ñiện trở dây quấn b) Nhiệt ñiện trở công nghiệp

1- Dây nhiệt ñiện trở 1- Dây nhiệt ñiện trở

2- ống sứ cách ñiện 2- Ống thép bảo vệ

Quan hệ giữa nhiệt ñộ và ñiện trở ñược biểu diễn bằng biểu thức:

R0 - ñiện trở ở nhiệt ñộ chuẩn

 - hệ số nhiệt ñộ; t- nhiệt ñộ môi trường

- ðối với ñồng: cu = 4,3.10-3 (1/oC)

- ðối với niken: Ni = 5.10-3 (1/oC)

- ðối với Platin: pt = 4,3.10-3 (1/oC) Dải

nhiệt ñộ sử dụng:

- Từ -195oC  260oC ñối với Ni

- Từ -260oC  1400oC ñối với Pt

- Từ -50oC  200oC ñối với Cu

Hình 5-7 là một nhiệt kế bề mặt dùng ñể ño nhiệt ñộ trên bề

mặt vật rắn Vật liệu sử dụng là Ni, Fe - Ni hoặc Pt Chiều dày cỡ vài

m và có diện tích cỡ 1cm2

Nhiệt ñiện trở bán dẫn

là ñiện trở chế tạo từ hỗn hợp các oxit bán dẫn ña tinh thể

như: MgO; MgAl2O4; Mn2O3; Co2O3; NiO; ZnTiO4 Các bột oxit Hình 5-7

này ñược trộn với nhau theo một tỉ lệ thích hợp, sau ñó nén ñịnh

dạng và thiêu kết ở nhiệt ñộ 1000oC Các nhiệt ñiện trở ñược chế tạo với hình dáng khác

nhau (ñĩa, hình trụ, vòng, v.v ) như hình 5-8

ðặc tính quan trọng của loại ñiện trở này là có ñộ nhạy nhiệt rất cao, gấp hàng chục

lần nhiệt ñiện trở kim loại và chia thành 2 loại

- Nhiệt ñiện trở có hệ số nhiệt ñộ dương

- Nhiệt ñiện trở có hệ số nhiệt ñộ âm

Dải nhiệt ñộ làm việc có thể thay ñổi từ vài ñộ tuyệt ñối (oK) ñến 300oC

Quan hệ giữa ñiện trở và nhiệt ñộ ñược tính theo biểu thức:

Hình 5-8 Nhiệt ñiện trở bán dẫn

ðộ nhạy nhiệt ñộ có dạng: R = -B/T2 (5-12)

c, mạch ño

- Mạch ño sử dụng với các nhiệt ñiện trở thường là các mạch cầu kết hợp với các

mạch khuếch ñại ñể tăng ñộ nhạy của thiết bị Hình 5-9 là sơ ñồ của mạch ño thường

dùng trong công nghiệp

- ðể tránh sai số do nhiệt ñộ môi trường thay ñổi làm cho ñiện trở ñường dây thay

ñổi khi ño người ta thường sử dụng mạch cầu 3 dây Hình 5-10 là nguyên

lí mạch cầu không cân bằng, chỉ thị

lôgômmét từ ñiện, trong ñó R1, R2, R3, RT

là các ñiện trở của mạch cầu (RTnhiệt

ñiện trở)

R0, R’0 - ñiện trở của lôgômmét R4

- ñiện trở bù nhiệt ñộ;

Rd - ñiện trở ñường dây

Mạch cầu ñược ñiều chỉnh cân

bằng ở nhiệt ñộ chuẩn (t0) Khi ño RT

thay ñổi theo nhiệt ñộ môi trường và cầu Hình 5-9 Mạch ño nhiệt ñộ ñiện trở

mất cân bằng Chỉ thị lôgômmét ñược khắc ñộ theo nhiệt ñộ Sơ ñồ trên có khả năng loại

trừ ñược sai số khi ñiện áp nguồn cung cấp thay ñổi

Hình 5-10 Sơ ñồ mạch ño với chỉ thị lôgômmét

a) ðo trực tiếp b) Dùng mạch cầu

5.3 Các phương pháp ño lực, ứng suất và áp suất

5.3.1 Khái niệm chung

- Quá trình ño lực, ứng suất và áp suất chiếm một lượng tương ñối lớn trong các xí

nghiệp có hệ thống ño và ñiều khiển tự ñộng cũng như trong quá trình nghiên cứu cơ lí

tính của các vật chịu lực trong chế tạo máy

- Phạm vi ño lực rất rộng từ 10-12N  108N Lực có thể là những ñại lượng

không ñổi (lực tĩnh) ñến những lực có tốc ñộ biến thiên nhanh (lực ñộng) Thường lực

ñược chia thành những giải ño khác nhau, mỗi giải ño có thể sử dụng các phương pháp và

thiết bị khác nhau

- ðối với áp suất, giải ño từ 0  1010N/m2 Ngưỡng nhạy của thiết bị ño từ 0,1 0,01

N/m2 Các dụng cụ ño áp suất ñược chia thành nhiều dải ño khác nhau ðo ứng suất của

các loại vật liệu thường nằm trong khoảng ño 0  150.107 N/m2 Mục ñích là ñể xác ñịnh

sức bền của vật liệu

Phương pháp ño lực, ứng suất và áp suất có thể thực hiện theo hai cách: ño trực tiếp

và ño gián tiếp

+ Phương pháp ño trực tiếp: là phương pháp sử dụng các chuyển ñổi có

ñại

lượng vào tương ứng với lực, ứng suất cần ño ðại lượng ra ñược biến ñổi thành các

tín hiệu ñiện Mạch ño và chỉ thị cho kết quả ño không thông qua hệ dẫn truyền trung

gian

+ Phương pháp ño gián tiếp: trong ñó sử dụng các phần tử ñàn hồi, các hệ

dẫn truyền, biến lực, từ ñó suy ra ñại lượng cần ño

Các phương pháp trên ñược sử dụng rộng rãi Sử dụng phương pháp nào là tuỳ

thuộc yêu cầu và nhiệm vụ thực hiện chúng

ðo lực, ứng suất và áp suất phần lớn có thể ñưa về phép ño l hoặc

l 

ll

vì:

l  ; Trong ñó:

E

l - chiều dài của ñối tượng ño

l ñộ biến thiên theo chiều dài 

-ứng suất cơ của vật liệu E - môñun

ñàn hồi

Mạch ño thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuếch ñại và chỉnh lưu Chỉ thị

là các dụng cụ ño cơ ñiện, tự ghi, ñiện tử và các dụng cụ số

5.3.2 Các phương pháp và dụng cụ ño lực

1 ðo lực bằng phương pháp ño trực tiếp

a,Lực kế kiểu áp ñiện

Chuyển ñổi áp ñiện ñược dùng rộng rãi là thạch anh Tinh thể thạch anh ñược cắt

thành từng phiến có ñộ rộng Y và chiều dày X (hình 5-11)

Khi tác ñộng 1 lực vào trục X, ñiện tích xuất hiện ñược tính theo biểu thức:

q = d1Fx d1 - hệ số áp ñiện (5-13)Nếu tác ñộng lực theo trục Y ta có:

Y, X - kích thước của chuyển ñổi

Thạch anh có: - Hằng số ñiện môi  = 39,8.10-12 F/m

- Hệ số áp ñiện d1 = 2,1.10-12 C/N

- Ứng suất cho phép  = 70  10 N/mm2

- ðiện trở suất  = 1012 m

- Môdun ñàn hồi E = 80.109 m.m-2

Hình 5-11 Chuyển ñổi áp

ñiện

- Hình 5-12 trình bày cấu tạo của lực kế áp ñiện thạch anh Trong ñó phiến

thạch anh hình chữ nhật có một cạnh ñược cắt song song với trục X, bề mặt ñược cắt với

góc   35o so với trục Z (hình 5-12a) Sơ ñồ khối của chuyển ñổi như hình 5-12b, trong

ñó khuếch ñại có phản hồi dương Tinh thể thạch anh dao ñộng với tần số cơ bản fo và ñộ

D- kích thước chuyển ñổi; n- hệ số

ðể tăng ñộ nhạy, chuyển ñổi có thể ñược ghép bằng nhiều phiến song song với

nhau

b,Lực kế ñiện trở lực căng (ñiện trở tenxơ)

ðiện trở lực căng là loại chuyển ñổi mà nguyên lí làm việc dựa trên sự thay ñổi

ñiện trở khi bị biến dạng Các vật liệu có tính chất trên là một số kim loại hoặc bán

dẫn Với các vật liệu kim loại thường là constantan, nichrome, Platin - Vonfram

Quan hệ giữa biến dạng và sự thay ñổi ñiện trở ñược biểu diễn bằng biểu thức:

K - hệ số phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng của chuyển ñổi

K = 2,1 ñối với constantan

K = 2,5 với Nichrome

K = 4,1 với Platin - Vonfram Hình 5-13 là cấu tạo của chuyển ñổi ñiện trở lực căng dây mảnh Dây ñiện trở

có ñường kính  = 0,02  0,03 mm ñược uốn thành hình răng lược có chiều dài tác

dụng lo = 8  15 mm, ñộ rộng ao = 3  10mm ðiện trở thay ñổi trong khoảng 10

-150

- Với bán dẫn thường là silic ñơn tinh thể

phan tạp ñược cắt thành từng miếng như hình 5-14,

chiều dài l = 0,1mm ñến vài milimet, chiều dày cỡ

10-2mm

Hình 5-13.Chuyển ñổi ñiện trở lực căng

dây mảnh1- Tấm giấy mỏng; 2- Dây

ñiện trở; 3- Dây dẫn; 4- ðầu

trở này ñược mắc trên mạch cầu hai nhánh hoạt ñộng ðiện áp ra của cầu tỉ lệ với lực tác

ñộng Giới hạn ño của thiết bị trên với lực tác ñộng từ 103  104N Sai số có thể ñạt tới 

0,2  0,5%

Trong ñó:

R0 - ñiện trở cố ñịnh; Rñ/c - ñiện trở cân bằng về biên ñộ

R1 + R, R2 - R : ñiện trở lực căng

Rc, C - ñiện trở và ñiện dung cân bằng pha

1 - Khuếch ñại; 2- Chỉnh lưu (Mạch ño)

Hình 5-15 Mạch ño lực dùng

chuyển ñổi lực căng

2 ðo lực bằng phương pháp gián tiếp

- Các chuyển ñổi sử dụng ñể ño lực theo phương pháp gián tiếp là các loại

chuyển ñổi ñiện cảm, hỗ cảm, ñiện dung, ñiện trở, v.v

- Dưới tác ñộng của lực ño các phần ñộng của các chuyển ñổi bị di chuyển và biến

thành tín hiệu ñiện, sau ñó ta ño tín hiệu ñiện ñể xác ñịnh lực

Hình 5-16 vẽ sơ ñồ cấu trúc của lực kế chỉ thị số sử dụng chuyển ñổi ñiện cảm

Hình 5-16 Sơ ñồ cấu trúc của lực kế chỉ

thị số

Máy phát tần số (MFTS1 và MFTS2) là loại máy phát LC trong ñó hai chuyển ñổi

ñiện cảm L1 và L2 ñược mắc theo kiểu vi sai

hình 5-17 Khi chưa có

lực tác ñộng lên lõi thép phần ñộng 2 của chuyển

ñổi ñiện cảm của chúng bằng nhau L1 = L2 và 2

máy phát tần số ñều phát cùng tần số 40 kHz Khi

có lực tác ñộng lên phần ñộng 2 khe hở không khí

1 và 2 của chuyển ñổi 1 và 2 thay ñổi do ñó ñiện

cảm của cuộn dây L1 khác với ñiện cảm L2

Máy pháp tần số phụ thuộc vào ñiện cảm

L mà L1 và L2 khác nhau nên tần số phát của

MFTS1 khác với MFTS2 (Ví dụ: MFTS phát tần

Hình 5-17 Chuyển ñổi ñiệncảm

mắc vi sai1- Mạch từ;

2- Lõi thép phầnñộng;

3- Cuộn dây ñiệncảm

số 35kHz, MFTS2 là 45 kHz) Chúng ñược ñưa vào bộ ñiều chế tần số (ðC) Tần số ra sau

bộ ñiều chế là tần số tổng 80 kHz và tần số hiệu 10 kHz Tần số 10 kHz là tần số phản

ánh lực ño ñược ñưa qua bộ lọc và bộ nhân Bộ nhân tần ñể tăng tần số với mục ñích làm

giảm sai số trong quá trình ño, tần số nhân ñược ñưa vào bộ tạo xung và bộ ñếm ñể chỉ thị

kết quả ño

Dải ño của thiết bị trên là 20 kN ðộ nhạy 1000 Hz/N Sai số phi tuyến 0,3%, sai số trễ

0,03%

5.3.3 ðo ứng suất và biến dạng

ðo ứng suất và ño biến dạng thực tế là một, ñó là ño l hay l/l ðo ứng suất và biến

dạng có thể dùng các chuyển ñổi khác nhau, thông thường dùng chuyển ñổi ñiện trở lực

nhau và ngược dấu nhau, ñể hiệu chỉnh sai số nhiệt ñộ có thể dán một chuyển ñổi lên ñối

tượng ño, còn chuyển ñổi kia dán lên một mẫu cùng loại, mẫu này ñặt trong cùng ñiều

kiện nhiệt ñộ hình 5-18a

Hình 5-18 Sơ ñồ mạch ño biến dạng và ứng suất dùng chuyển ñổi

ñiện trở lực

căng

Trường hợp khi ño biến dạng như hình 5-18b ta dán một chuyển ñổi ở phía trên dầm

còn chuyển ñổi kia dán phía dưới Khi có lực tác dụng chuyển ñổi phía trên chịu lực kéo,

chuyển ñổi dưới chịu lực nén Khi cầu mất cân bằng ñiện áp ra có trị số lớn hơn khi

mạch cầu chỉ có một chuyển ñổi biến dạng và có khả năng loại trừ ñược sai số do nhiệt ñộ

môi trường gây nên

5.3.4 Các phương pháp ño áp suất

1 Khái niệm về áp suất

Áp suất là tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó Áp

suất là một ñại lượng cơ bản ñể xác ñịnh trạng thái nhiệt ñộng học của các chất Sự vận

hành của các quá trình công nghệ, tình trạng các thiết bị công nghệ và chế ñộ vận hành của

chúng ñược xác ñịnh bằng áp suất

ðơn vị áp suất là Pascal (Pa) (Pa = N/m2)

Các dụng cụ ño áp suất ñược phân loại theo áp suất cần ño và nguyên lí tác

dụng:

- Áp kế ño áp suất dư

- Khí áp kế ño áp suất khí quyển

- Áp kế tuyệt ñối ñể ño áp suất tính từ ñộ 0 tuyệt ñối

- Chân không kế

Theo nguyên lí làm việc có thể phân thành: ðo trực tiếp và ño gián tiếp

Sau ñây là một số dụng cụ ño áp suất ñược sử dụng rộng rãi trong các quá trình

công nghệ:

2 ðo áp suất bằng phương pháp trực tiếp: áp kế ñiện

Hình 5-19 là sơ ñồ nguyên lí của áp kế áp ñiện Dưới tác dụng của áp suất P

màng ñàn hồi 4 tạo nên một lực nén lên áp ñiện thạch anh 2 có ñường kính 5mm, bề dày

1mm ðiện tích q xuất hiện ở ñiện cực 1 ñược ñưa vào bộ khuếch ñại ñiện tử 5 có tổng trở

vào cỡ 1013  Quan hệ giữa ñiện tích q và áp suất P là:

với F - ñiện tích hữu ích củamàng; k- hệ số

ðể giảm quán tính của thiết bị người ta

giảm thể tích của buồng 3 Vì tần số dao ñộng

riêng của hệ thống màng chuyển ñổi khoảng

hàng chục kHz nên có ñặc tính ñộng học cao

và ñược sử dụng rộng rãi ñể ño và kiểm tra áp

suất trong hệ thống có dòng chẩy nhanh Giới

hạn ño của thiết bị trong khoảng 2,5  100 Hình 5-19 Áp kế áp ñiện

MPa Cấp chính xác 1,5  2