Tình trạng làm việc của các thiết bị nhiệt thường có quan hệ mật thiết với áp suất làm việc của các thiết bị đó. Thiết bị nhiệt ngày càng được dùng với nhiệt độ 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 định tính kinh tế của thiết bị, vì những lẽ đó mà cũng như nhiệt độ việc đo áp suất cũng rất quan trọng.
ĐỊNH NGHĨA VÀ THANG ĐO ÁP SUẤT
Định nghĩa
Áp suất là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích, ký hiệu P.
P = F/S [kg/cm²]
Các đơn vị của áp suất:
1 Pa = 1 N/m²
1 mmHg = 133,322 N/m²
1 mmH2O = 9,8 N/m²
1 bar = 105 N/m
1 at = 9,8.104 N/m² = 1 kg/cm² = 10 mH2O
Người ta đưa ra một số khái niệm như sau:
- Khi nói đến áp suất là người ta nói đến áp suất dư là phần lớn hơn áp suất khí quyển.
 |
| Các khái niệm 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, ký hiệu Pb (at).
- Áp suất dư là hiệu áp suất tuyệt đối cần đo và khí áp:
Pd = Ptd - Pb
- Áp suất chân không là hiệu số giữa khí áp và áp suất tuyệt đối:
Pck = Pb - Ptd
- Chân không tuyệt đối không thể nào tạo ra được.
Thang đo áp suất
Tùy theo đơn vị mà ta có các thang đo khác nhau như: kg/cm²; mmH2O,... Nếu chúng ta sử dụng các dụng cụ đơn vị: mmH2O, mmHg thì H2O và Hg phải ở điều kiện nhất định.
ÁP KẾ CHẤT LỎNG
Ta có thể chia các áp kế này thành các loại sau:
Loại dùng trong phòng thí nghiệm
Áp kế loại chữ U:
Nguyên lý làm việc dựa vào độ chênh áp suất của cột chất lỏng: áp suất cần đo cân bằng độ chênh áp của cột chất lỏng.
 |
| Áp kế loại chữ U |
P1 - P2 = γ.h = γ (h1 + h2)
- Khi đo một đầu nối áp suất khí quyển, một đầu nối áp suất cần đo, ta đo được áp suất dư.
- Trường hợp này chỉ dùng công thức trên khi γ của môi chất cần đo nhỏ hơn γ của môi chất lỏng rất nhiều (chất lỏng trong ống chữ U).
Nhược điểm:
- Các áp kế loại kiểu này có sai số phụ thuộc nhiệt độ (do γ phụ thuộc nhiệt độ) và việc đọc 2 lần các giá trị h nên khó chính xác.
- Môi trường có áp suất cần đo không phải là hằng số mà dao động theo thời gian mà ta lại đọc 2 giá trị h1, h2 ở vào hai điểm khác nhau chứ không đồng thời được.
Áp kế một ống thẳng:
 |
| Áp kế một ống thẳng |
Ta thấy nếu biết: F1, F2 thì khi đo ta chỉ cần đọc ở một nhánh, tức là h2 ⇒ loại bỏ được sai số do đọc hai giá trị. Nếu F1 >> F2 thì ta có thể viết được ΔP = γ*h2. Sai số của nó thường là 1%. Với môi chất làm bằng nước thì có thể đo 160 mmH2O ÷ 1000 mmH2O.
Vi áp kế:
Loại này dùng để đo các áp suất rất nhỏ.
 |
| Vi áp kế |
Góc α có thể thay đổi được và bằng 60°, 30°, 45°,...
Khi cân bằng: ΔP = (h1 + h2)*γ ⇒ h1*F1 = h'2*F2 ⇒ h1 = h'2*F2/F1
Mà h2 = h'2*sinα ⇒ ΔP = γ*h'2(F2/F1 + sinα)
Có thể thay đổi thang đo đến 30 mmH2O do h'2 > h2 nên dễ đọc hơn, do đó sai số giảm.
Khí áp kế thủy ngân:
Là dụng cụ dùng đo áp suất khí quyển, đây là dụng cụ do khí áp chính xác nhất.
 |
| Khí áp kế thủy ngân |
Sai số đọc 0,1 mm
Nếu sử dụng loại này làm áp kế chuẩn thì phải xét đến môi trường xung quanh, do đó thường có kèm theo 1 nhiệt kế để đo nhiệt độ môi trường xung quanh để hiệu chỉnh.
Chân không kế Mcleod:
Đối với môi trường có độ chân không cao, áp suất tuyệt đối nhỏ, người ta có thể chế tạo dụng cụ đo áp suất tuyệt đối dựa trên định luật nén ép đoạn nhiệt của khí lý tưởng.
 |
| Chân không kế Mcleod |
Nguyên lý: Khi nhiệt độ không đổi, áp suất và thể tích tỷ lệ nghịch với nhau.
P1*V1 = P2*V2
Loại này dùng để đo chân không:
Đầu tiên, giữ bình Hg sao cho mức Hg ở ngay nhánh ngã 3. Nối P1 (áp suất cần đo) vào rồi nâng bình lên đến khi được độ lệch áp là h ⇒ trong nhánh kín có áp suất P2 và thể tích V2.
⇒ P2 = P1 + γ*h ⇒ V2(P1 + γ*h) = P1*V1 ⇒ P1 = γ*h*V2/(V1 − V2)
Nếu V2 << V1 thì ta bỏ qua V2 ở mẫu ⇒ P1 = γ*h*V2/V1
Nếu giữ V2/V1 là hằng số thì dụng cụ sẽ có thang chia độ đều.
Khoảng đo đến 10-5 mmHg.
Người ta thường dùng với V1max = 500 cm3, đường kính ống d = 1 ÷ 2,5 mm
Áp kế Piston:
Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm có độ chính xác cao, dùng căn chỉnh đồng hồ.
 |
| Áp kế Piston |
Khe hở giữa piston và xi lanh S phải thích hợp. Nếu S nhỏ thì ma sát lớn ⇒ độ nhạy kém. Nếu S lớn ⇒ dầu lọt ra ngoài nhiều ⇒ không chính xác.
Spt = 0,5 cm² môi chất dùng là dầu biến áp hay dầu hỏa, hoặc dầu tuabin, hoặc dầu khoáng.
Tùy thuộc vào khoảng áp suất cần đo mà chọn độ nhớt dầu thích hợp. Khi nạp dầu thường nạp vào khoảng 2/3 xi lanh. Thường dùng loại này làm áp kế chuẩn để kiểm tra các loại khác.
Hạn đo trên thường: 2,5 ; 6,0 ; 250 ; 600 ; 2 500 ; 10 000 ; 25 000 kg/cm²
CCX = 0,2 ÷ 0,02.
Đặc điểm của loại áp kế piston thì trước khi sử dụng phải kiểm tra lại các quả cân.
Loại dùng trong công nghiệp
Trong công nghiệp người ta thường dùng để đo hiệu áp suất gọi là hiệu áp kế.
Áp kế và Hiệu áp kế đàn hồi:
 |
| Áp kế và Hiệu áp kế đàn hồi |
Bộ phận nhạy cảm các loại áp kế này thường là ống đàn hồi hay hộp có màng đàn hồi, khoảng đo từ 0 ÷ 10 000 kg/cm² và đo chân không từ 0,01 ÷ 760 mmHg.
Đặc điểm của loại này là kết cấu đơn 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 độ biến dạng của bộ phận nhạy cảm hoặc lực do nó sinh ra và áp suất cần đo, từ độ biến dạng này qua cơ cấu khuếch đại và làm chuyển dịch kim chỉ (kiểu cơ khí).
+ Các bộ phận nhạy cảm:
 |
| Các bộ phận nhạy cảm |
+ Cấu tạo và phạm vi ứng dụng:
* Màng phẳng:
- Nếu làm bằng kim loại thì dùng để đo áp suất cao.
- Nếu làm bằng cao su vải tổng hợp, tấm nhựa thì đo áp suất nhỏ hơn (loại này thường có hai miếng kim loại ép ở giữa).
- Còn loại có nếp nhăn nhằm tăng độ chuyển dịch nên phạm vi đo tăng.
- Có thể có lò xo đàn hồi ở phía sau màng.
* Hộp đèn xếp: có 2 loại
- Loại có lò xo phản tác dụng, loại này màng đóng vai trò cách ly với môi trường. Muốn tăng độ xê dịch ta tăng số nếp gấp, thường dùng đo áp suất nhỏ và đo chân không.
- Loại không có lò xo phản tác dụng.
* Ống buốc đông: Là loại ống có tiết diện là elíp hay ô van uốn thành cung tròn, ống thường làm bằng đồng hoặc thép, nếu bằng đồng chịu áp lực < 100 kg/cm², khi làm bằng thép (2000 ÷ 5000 kg/cm²). Và loại này có thể đo chân không đến 760 mmHg.
- Khi chọn ta thường chọn đồng hồ sao cho áp suất làm việc nằm khoảng 2/3 số đo của đồng hồ.
- Nếu áp lực ít thay đổi thì có khi chọn 3/4 thang đo.
Chú ý:
- Khi lắp đồng hồ cần có ống xi phông để cản lực tác dụng lên đồng hồ và phải có van ba ngả để kiểm tra đồng hồ.
 |
| Van ba ngã |
- Khi đo áp suất bình chất lỏng cần chú ý đến áp suất thủy tĩnh.
- Khi đo áp suất các môi trường có tác dụng hóa học cần phải có hộp màng ngăn.
- Khi đo áp suất môi trường có nhiệt độ cao thì ống phải dài 30 ÷ 50 mm và không bọc cách nhiệt.
- Các đồng hồ dùng chuyên dụng để đo một chất nào có tác dụng ăn mòn hóa học thì trên mặt người ta ghi chất đó.
- Thường có các lò xo để giữ cho kim ở vị trí 0 khi không đo.
MỘT SỐ LOẠI ÁP KẾ ĐẶC BIỆT
Trong phạm vi chân không cao và áp suất siêu cao hiện nay, người ta đều dùng phương pháp điện để tiến hành đo lường, các dụng cụ đo kiểu điện cho phép đạt tới những hạn đo cao hơn và có thể đo được áp suất biến đổi rất nhanh.
Chân không kế kiểu dẫn nhiệt:
Hệ số dẫn nhiệt của chất khí ở áp suất bình thường thì không có quan hệ với áp suất nhưng ở điều kiện áp suất tương đối nhỏ thì người ta thấy tồn tại quan hệ trên. Nhiệt độ dây dẫn khi đã cân bằng nhiệt sẽ thay đổi tùy theo hệ số dẫn nhiệt của khí và dùng cầu điện không cân bằng để xác định điện trở dây dẫn ta sẽ biết được độ chân không tương ứng.
Chân không kế Ion:
Nhờ hiện tượng ion hóa tạo nên dòng ion trong khí loãng có quan hệ với áp suất, nên từ trị số của dòng ion người ta xác định được độ chân không của môi trường. Có nhiều cách thực hiện việc ion hóa như: dùng tác dụng của từ trường và điện trường, sự dự phát xạ của catốt được đốt nóng khi có điện áp trên anôt, dùng sự phóng xạ... và tùy theo các cách đó mà ta có các chân không kế khác nhau.
Áp kế kiểu áp từ:
Áp suất tạo ra ứng lực cơ học trong vật liệu sắt từ biến đổi sẽ làm biến đổi hệ số dẫn từ của vật liệu đó. Lợi dụng hiệu ứng áp từ ta có thể chế tạo được bộ nhạy cảm kiểu áp từ.
Áp kế áp suất điện trở:
Muốn đo những áp suất lớn hơn 10.000 kg/cm² hiện nay hầu như chỉ có 1 cách duy nhất là dùng bộ phận nhạy cảm áp suất điện trở làm áp kế.
CÁC CÁCH TRUYỀN TÍN HIỆU ĐI XA
Trong đo lường thường sử dụng các thiết bị để truyền tín hiệu đi xa, các tín hiệu đó là:
- Góc quay trong ống buốc đông P ⇒ α
- Sự chuyển dịch thẳng (màng) P ⇒ h; x
- Góc quay kết hợp với đo tổng giá trị góc và vận tốc quay tức thời.
- Độ nén, ép và mômen quay trong của sơ đồ bù.
Để truyền tín hiệu đi xa người ta thường dùng các hệ thống điện và khí nén.
Hệ thống dùng biến trở
Trong hệ thống truyền tín hiệu này dùng máy tạo nên độ chuyển dịch cơ giữa tiếp điểm trượt với biến trở nhờ đó có thể dựa vào sự biến đổi của điện trở để tìm ra giá trị của lượng cần đo. Và nhờ cầu điện để xác định độ biến đổi của điện trở. Ngoài ra ta còn có thể dùng điện thế kế để xác định độ biến đổi của điện trở.
 |
| Hệ thống dùng biến trở |
Hệ thống truyền xa kiểu cảm ứng
Nguyên lý làm việc:
Nếu đưa vào trong cuộn dây có dòng điện đi qua lõi sắt thì điện cảm của dây sẽ tăng lên và phụ thuộc vào vị trí của lõi sắt, biến đổi độ xê dịch của lõi sắt và làm thay đổi của điện cảm qua các cuộn. Mà sự thay đổi điện cảm này dẫn đến làm thay đổi vị trí của lõi sắt kia. Khi X = 0 thì lõi sắt nằm giữa các cuộn dây. Khi X ≠ 0 thì có dòng I ≠ 0, dòng điện ở cuộn thứ cấp thay đổi tương ứng với dòng sơ cấp. Thường dùng mỗi cuộn dây có 3100 vòng làm bằng Cu, φ= 0,64 mmn ⇒ Z= 20,8 ÷ 21,8 Ω.
 |
| Hệ thống truyền xa kiểu cảm ứng |
Máy biến áp sai động
 |
| Máy biến áp sai động |
Khi có điện áp U xoay chiều thì trong cuộn thứ cấp xuất hiện sđđ cảm ứng e1 và e2. Trị số lệch pha của 2 sđđ này phụ thuộc vào vị trí và chiều chuyển động của lõi sắt.
Cấu tạo: thường mỗi cuộn sơ cấp 2700 vòng, mỗi cuộn thứ cấp 4000 vòng.
Dây đồng φ = 0,27 mm, U = 2,5 ÷ 6,3 V
Đầu tiên chỉnh sao cho: X = 0; eT = 5mV
Dòng do eT sinh ra: I = (M1*U−M2*U)/(2Ζ+Zft)
với M1 và M2 là hệ số hổ cảm của cuộc dây S1 và S2, Ζ là trở kháng của cuộn thứ cấp, Zft là trở kháng của phụ tải.
Trong một số trường hợp để thuận tiện cho việc chỉnh định thì các lõi sắt được gắn trên một thanh dễ dàng xê dịch được.
Hệ thống truyền đi xa dùng máy biến áp sai động:
 |
| Hệ thống truyền đi xa dùng máy biến áp sai động |
Các cuộn sơ cấp được mắc nối tiếp nhau để tránh độ lệch pha của dòng điện thứ cấp trong đó.
Nguyên lý hoạt động:
Khi vị trí lõi sắt trong MBA phía sơ cấp và phía thứ cấp không như nhau thì eT ≠ e'T ⇒ xuất hiện Δe ≠ 0 và tín hiệu này được đưa vào BKĐĐT góc pha của Δe sẽ quyết định chiều quay của ĐCTN (Pg) ⇒ cam quay, đưa lõi sắt phía thứ cấp về vị trí tương ứng với lõi sắt phía sơ cấp cho đến khi Δe = 0 thì động cơ dừng lại.
Thực tế góc lệch pha giữa cuộn sơ và thứ cấp ≠ 0 (do nhiệt độ khác nhau) ⇒ trong mạch thứ cấp sẽ sinh ra điện áp không thể nào cân bằng được. Nếu độ chênh nhiệt độ phía sơ cấp và phía thứ cấp là 10°C thì sai số khi dùng MBA này là 0,1 ÷ 0,15%.
Người ta sử dụng hệ thống này để truyền xa cho các áp kế, dùng màng đàn hồi...
Bộ chuyển đổi sắt động
 |
| Bộ chuyển đổi sắt động |
Nguyên lý: Cuộn dây kích thích Wk quấn quanh chốt 1 và nuôi bởi dòng xoay chiều Uk 50Hz 12 hoặc 60V.
 |
| Đồ thị Bộ chuyển đổi sắt động |
Giả sử khung dây lệnh hướng N - N một góc α thì trong khung xuất hiện sđđ
Ep = W*φ/2 ⇒ Ep = W*BC*l*RC*α/2
l - chiều dài khung
RC - bán kính khung
φ - số từ thông mắc vòng của khung dây
BC - trị số biên độ cảm ứng ở giữa khung dây
Trường hợp nếu BC có quan hệ tuyến tính ⇒ Ep = C*α
Thường α = (-20°C ÷ + 20°C); Ep = -1V ÷ 1V
Khi điều chỉnh cuộn chuyển dịch Wc thì Ep thay đổi đến khi α = -20°C lúc đó Ep = 0 và ta có khoảng chia 0 ÷ 40°C.
- a là đường khi không có cuộn dây chuyển dịch.
- b là đường khi có cuộn dây chuyển dịch.
- c là đường khi có cuộn dây chuyển dịch gấp 2 lần.
Để thay đổi độ dốc của đường đặc tính ta thay đổi bằng chốt di động 2.
Sơ đồ nguyên lý:
 |
| Sơ đồ nguyên lý Bộ chuyển đổi sắt động |
Bộ chuyển đổi phía sơ cấp và phía thứ cấp hoàn toàn như nhau. Hai cuộn dây kích thích của chúng mắc nối tiếp và dùng chung một nguồn điện với bộ khuếch đại điện từ, 2 khung dây mắc nối tiếp ngược để so sánh suất điện động cảm ứng của 2 bộ chuyển đổi với nhau, độ chênh lệch Δe giữa 2 suất điện động cảm ứng được đặt vào BKĐĐT ⇒ chuyển động của động cơ thuận nghịch (Pg). Động cơ này sẽ đưa khung dây của bộ chuyển đổi phía đồng hồ thứ cấp về vị trí tương ứng để Δe = 0 lúc đó động cơ dừng lại và kết quả đo cũng được thể hiện trên đồng hồ thứ cấp. Hệ thống truyền xa sắt động thường hay dùng trong công nghiệp luyện kim, được dùng nhiều trong đo áp suất, đo lưu lượng và đo mức cao của chất nước.
Bộ chuyển đổi dùng cho cặp nhiệt
Sơ đồ nguyên lý:
 |
| Sơ đồ nguyên lý Bộ chuyển đổi dùng cho cặp nhiệt |
Nguyên lý: Khi lượng cần đo (nhiệt độ) biến đổi dẫn đến xuất hiện hiệu điện thế giữa sđđ EX của cặp nhiệt hoặc giữa điện áp không cân bằng của cầu điện. Với điện áp phản hồi U1 trên điện trở Rph đưa vào bộ điều chế rồi qua BKĐ và bộ điều chế nghịch. Dòng điện đi ra từ BĐCN qua đồng hồ đo qua Rpt và qua Rph đồng hồ sẽ cho biết trị số của lực cần đo khi U1 có trị số đủ bù EX (U = 0).
Bộ chuyển đổi dùng khí nén
Tùy theo ống phun đặt ngoài hay đặt trong buồng trung gian mà ta gọi là BCĐ ống phun trong ngoài.
 |
| Bộ chuyển đổi dùng khí nén |
a- Khí nén dùng cho bộ chuyển đổi là không khí có áp suất P1 = const (P1 = 0,4 ÷ 1 kg/cm²) lấy từ nguồn cấp khí nén đã làm sạch bụi bẩn, không khí nén đi qua cửa tiết lưu 1 có trở lực không đổi và vào buồng trung gian 2, rồi qua cửa tiết lưu trở lực biến đổi 3 và thoát ra ngoài. Khi lượng cần đo (X) biến đổi thì tín hiệu tác động lên tấm chắn 4 sẽ biến đổi ⇒ h biến đổi ⇒ P2 sẽ đặc trưng cho lượng cần đo. Nhờ đường dẫn từ buồng 2 tới buồng đo 5 của đồng hồ thứ cấp tạo nên số chỉ, bộ chuyển đổi trên có tín hiệu vào là X mà X thường nhỏ (0,02 ÷0,05mm) ⇒ khó chính xác.
b- Ở sơ đồ này (bộ chuyển đổi trong), khi tín hiệu vào X thay đổi áp suất (chỉ huy) P2 sẽ biến đổi cho tới khi lực do P2 tác dụng lên màng 6 cân bằng với lực tác dụng của tín hiệu vào, ở đây nhờ phương pháp bù lực nên áp suất không khí P1 có thể biến đổi trong phạm vi ± 10% mà vẫn không ảnh hưởng tới độ chính xác của tín hiệu ra P2.
 |
| Đồ thị Bộ chuyển đổi dùng khí nén |
Hầu như tất cả các dụng cụ khí nén kiểu hiện đại đều dùng bộ chuyển đổi kiểu ống phun tấm chắn.
Trong các thiết bị h < 0,1mm thì ta xây dựng được quan hệ:
Bộ chuyển đổi kiểu Điện - Khí nén
Nguyên lý: Tạo nên một lực tỷ lệ với dòng điện 1 chiều rồi đo lực đó bằng cách bù lực tạo bởi hệ thống khí nén (đã biến tín hiệu một chiều thành tín hiệu khí nén có áp suất tỷ lệ dòng một chiều).
Tín hiệu vào là dòng 1 chiều IV và tùy theo chiều dòng điện mà nam châm hút hay đẩy ⇒ 3 bị tác động làm bi 7 xê dịch so với ống phun 5 ⇒ áp suất trong nhánh phần tử "ống phun - bi" sẽ thay đổi đồng thời áp suất đầu ra Pra của BKĐKN 9 thay đổi và lực phản hồi do khí nén tác dụng lên bi 8 đặt vào đòn bẩy sẽ biến đổi tới khi cân bằng lực do cuộn 2 gây nên.
Lò xo 4 dùng xác định trị số ban đầu khi tín hiệu vào IV = 0 thì P2 = 0,2 kg/cm².
P là nguồn không khí có áp suất 0,4 kg/cm² dòng điện 1 chiều IV = 0 ÷ 5 mA ⇒ P2 = 0,2 ÷ 1 kg/cm².
 |
| Bộ chuyển đổi kiểu Điện - Khí nén |
