BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG……………
Luận văn
Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một
số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khó ô tô GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 1 12/8/2007
CHNG 1
PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT
1.1 Gii thiu chung
Ngày nay, cm bin là thit b c s dng rt ph bin trong tt c các thit b, t
1.1.3 Yêu cu
Phân tích c$ s lý thuyt và mô ph%ng hot ng mt s! cm bin s dng trong
ngành c$ khí ô tô.
1.2 Mc tiêu tài
Phân tích c$ s lý thuyt và nguyên lý hot ng ca các cm bin.
&ng dng ca các cm bin trong ngành c$ khí.
Mô ph%ng hot ng, kim tra các cm bin ã ch n.
Kt lun – xut.
1.3 Gii hn tài
Vì th#i gian th"c hin án không cho phép nên án ch' gi(i hn trong các
cm bin sau:
Cm bin vn t!c, lu lng, áp sut và mc cht lu.
Cm bin o chân không, )m và in hoá.
Cm bin o bc x ht nhân và thành phn khí.
1.4 C s lý thuyt các loi cm bin nghiên cu trong tài
1.4.1 Cm bin o vn tc, lu lng và mc cht lu
Cht lu là các môi tr#ng vt cht dng l%ng hoc khí tn ti d(i nh*ng iu
kin nhit , áp sut và th tích c xác nh bi các nh lut nhit ng h c.
D(i tác dng ca l"c bên ngoài, thí d s" chênh lch áp sut, cht lu có th
chuyn ng. Nghiên cu chuyn ng này là !i tng ca c$ h c cht lu.
L+nh v"c ng dng ca cht lu bao gm: hàng không, khí tng h c, sinh lý h c.
áp ng các l+nh v"c ng dng a dng này, các cm bin o vn t!c, lu lng và
mc cht lu ca cht lu c,ng rt a dng c v cu to và ph$ng pháp o.
1.4.1.1 c trng ca dòng chy
Chuyn ng ca cht lu c t trng bi dòng chy. Trên th"c t mu!n mô t vt
lý mt dòng chy ca mt cht lu cn phi o vn t!c, kh!i lng riêng, áp sut và
nhit các im khác nhau ca cht lu ó. Nh*ng c tính khác ca cht lu nh
nh(t, khuych tán nhit, nhit lng riêng… c coi là không i.
Dòng chy có th là mt pha hoc nhiu pha. Các dòng chy nhiu pha th#ng có
bn cht rt khác nhau: có th là t hp ca các pha h$i, khí, l%ng, thí d nh s"
lng) là U
1
, U
2
và nh(t là -
1
,-
2
. tho mãn iu kin Re
1
= Re
2
thì:
2
22
1
11
νν
DUDU
=
(1.2)
Nh vy, nu bit vn t!c u
1
im cách thành !ng ca !ng th nht mt khong x
1
thì
có th xác nh vn t!c u
2
thành !ng ca !ng th hai mt khong x
2
=
(1.4)
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 4 12/8/2007
Ngh+a là mt cách tng quát, m0i i lng không th nguyên liên quan n dòng
chy u có th biu di1n d(i dng hàm s! ph thuc vào s! Reynolds ca dòng
chy ó.
Dòng chy mt pha có th là dòng chy theo l(p hoc dòng r!i, iu này ph thuc
vào s! Reynolds. Trong mt #ng !ng d2n có tit din tròn, dòng chy tr thành
dòng r!i nu có s! Reynolds l(n h$n 220.
Trong tr#ng hp phc tp h$n khi nhit và kh!i lng riêng thay i, s! thông
s! cn thit mô t mt i lng A b sung s3 t4ng lên. Thí d, v(i cht khí có
vn t!c l(n:
A = f(Re,Ma) (1.5)
Trong ó M
a
= U
1
/c, c =
5rT
là vn t!c âm v(i 5 = Cp/Cv (t6 s! gi*a nhit dung
riêng áp sut không i và th tích c! nh, trong không khí 5 =1,4). r là h/ng s!
ca cht khí lý tng và T là nhit tuyt !i.
Trên th"c t, các cm bin d"a trên mt nguyên t7c hot ng nhng v k8 thut thì
không gi!ng nhau khi dùng cho dòng chy là cht khí hoc cht l%ng. Trong
bng 1.1 gi(i thiu mt s! im khác nhau ca hai môi tr#ng này.
Bng 1.1
Kh!i lng riêng 9 nh(t : T!c chy
Cht l%ng
Vn t!c ca các cht lu th#ng c o gián tip thông qua nh hng ca nó n
các c trng vt lý ca vt trung gian hoc n hin tng vt lý trong ó vn t!c
là mt thông s! và vt trung gian là n$i xy ra hin tng. Vt trung gian có th
chính là cht lu hoc mt phn t cu thành ca cm bin.
Khi vt trung gian là bn thân cht lu, vn t!c ca nó xác nh áp sut ng 9U
2
/2,
hiu ng Doppler tác ng bi laze hoc siêu âm và th#i gian truyn qua ca mt
ng v phóng x. Trong tr#ng hp này phi s dng các cm bin thích hp v(i
i lng o là áp sut, ánh sáng, siêu âm, tia phóng x.
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 5 12/8/2007
Khi vt trung gian là mt phn t ca cm bin t trong cht lu, vn t!c ca cht
lu s3 xác nh mt trong các c trng vt lý nh nhit ca dây d2n t trong
cht lu và nuôi b/ng dòng mt chiu, hoc t!c quay ca mt chong chóng hoc
bánh xe t trong cht lu.
a) Phong k dây và phong k màng mng
Nguyên tc hot ng
Khi t trong dòng chy mt dây d2n hoc mt màng m%ng có nhit cao h$n
nhit ca cht lu thì s3 xy ra s" trao i nhit !i lu. S" trao i nhit ph
thuc vào tính cht vt lý ca dòng chy, vn t!c ca cht lu và s" chênh lch
nhit gi*a phn t nóng và cht lu.
Nhit cân b/ng T
0
ca dây hoc màng (cm bin) xác nh b/ng cách o in tr
R ca chúng. in tr này ph thuc vào nhit lng Joule t%a ra và vn t!c ca
cht lu.
Trên hình 1.1 biu di1n các dng dây d2n và các loi màng m%ng th#ng s dng
o vn t!c dòng chy. Các kim loi dùng cho mc ích này cn có h s! nhit in
l
= ;Dl, D là #ng kính và l là chiu dài. !i v(i màng m%ng
S
l
= 2;Dl, D là chiu rng và l là chiu dài.
Khi có cân b/ng nhit, P
j
= P
c
, ngh+a là:
(
)
(
)
aL
TTShITR −=
2
(1.8)
Vn t!c U ca cht lu liên quan n h s! trao i nhit. Nhiu công thc th"c
nghim ã c a ra phn ánh m!i liên h này, thí d công thc ca King:
Ubah +=
(1.9)
Trong ó a,b là các h/ng s! ph thuc vào cht lu và cm bin. Nu s dng biu
thc ca King ta s3 có:
(
)
(
)
(
)
cm bin óng vai trò là mt
nhánh ca cu Wheatstone. Dòng
in cn thit cân b/ng cu ph
thuc vào vn t!c ca cht lu.
Dùng s$ trên ây có u im
là quán tính nhit nh% h$n tr#ng
hp dùng dòng không i.
b) Phong k ion
Có nhiu loi cm bin o t!c gió trên c$ s o dòng ion, chúng khác nhau ch
yu v hình dng.
Trên hình 1.4 biu di1n s$ nguyên lý ca mt cm bin o t!c gió b/ng cách
o dòng ion.
A4 A2(I2)
A1(I1)
A3
2A
0A
1
I(
u
Hình 1.4 Phong k ion: a) nguyên lý cu to; b) mch o.
Hình 1.3 S o trong ch nhit không
i.
ng v(i vn t!c U, h tr nên bt !i xng. Hiu s! dòng in (I
1
– I
2
) ca mt cp
in c"c A
1
và A
2
liên quan n hình chiu ca U trên #ng th.ng A
1
A
2
, trong khi
ó tng (I
1
+ I
2
) hu nh không i.
nhy S ca cm bin là hàm ca thông s! <:
U
S
∆
∆
=
σ
(1.11)
Trong ó < là thông s! c vit d(i dng:
21
21
và -
v
, th#i im ang xét chung cùng h(ng v(i vn t!c
U
ca dòng chy. L"c cn !i v(i các bán cu:
( )
2
1
2
1
νρ
−= USCF
X
(1.13)
( )
2
3
2
1
νρ
−
′
= USCF
X
(1.14)
Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu, C
x
và C
+
=
ν
(1.16)
Minh h a b/ng s!: C
X
= 1,42; C
’
x
= 0,38; U = 3,1
Hình 1.5 Phong k dùng chén bán cu:
a) loi 3 chén bán cu; b) s b trí ca loi 4 chén bán cu.
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 10 12/8/2007
(!ng d2n khí, !ng d2n du) và trong m i thit b công nghip khi cn kh!ng ch
lng cht lu tham gia vào các quá trình nh lò phn ng hoá h c, nhà máy sn
xut n4ng lng, ng c$ !t trong.
a) Lu lng k in t
Nguyên lý
Khi cho on dây M
1
M
2
chiu dài l chuyn ng tnh tin trong tr#ng cm ng t
B
v(i vn t!c
U
trong khong th#i gian dt, có th vit biu thc cho các i lng
c$ bn sau ây:
Din tích c7t:
dSc = l.U sin.dt (1.19)
Hoc d(i dng vect$:
dtUlSd
c
∧=
(1.20)
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 12 12/8/2007
Hình 1.8 Lu lng k in t.
Sut in ng cm ng:
lUB
dt
d
e
c
.∧=
−
=
θ
(1.22)
Khi
U
e = BDU (1.24)
Trên th"c t vn t!c thay i tu> v trí ca im trên bán kính !ng, nhng nó phân
b! !i xng quanh trc ca !ng, cho nên U o c là vn t!c trung bình ca dòng
chy. Trong nh*ng iu kin nh vy, tín hiu e t' l v(i lu lng.
Cu to ca cm bin
T tr#ng 10
-3
÷ 10
-2
T c to ra b/ng cách dùng hai cun dây t hai phía ca
#ng !ng. #ng !ng d2n làm b/ng vt liu không t tính, mt bên trong !ng
c ph cht cách in. Hai in c"c ly tín hiu t hai u #ng kính vuông
góc v(i #ng sc ca t tr#ng. Các cun dây c nuôi b/ng ngun xoay chiu
tn s! 30 Hz.
Tín hiu thu c u ra có dng:
(
)
θ
ϖ
+
=
tUDBe cos
0
(1.25)
Trong ó B
0
là tr c"c i ca cm ng t B
0
= B
max
3
/h, Q
max
= m
3
/h, Q
max
= 28000 m
3
/h.
chính xác ca lu lng k t c= @1%.
&u im ca lu lng k in t là ch0 vic o c không ph thuc vào c
tính vt lý ca cht lu (nh mt , nh(t, d2n in v(i iu kin nó phi l(n
h$n mt vài @ :Scm
-1
). Ngoài ra, thit b này có kh n4ng ch!ng 4n mòn b/ng cách
ch n l(p ph và kim loi in c"c thích hp (Ti, Pt).
b) Lu lng k c dùng chuyn i in
Lu lng k phao ni
Lu lng k loi này có cu to gm mt phao nh% t trong !ng th.ng ng hình nón.
A trng thái cân b/ng phao chu tác dng ca ba l"c ch yu là l"c )y Archimede,
l"c cn và tr ng lng. Trng thái cân b/ng này c biu di1n bi ph$ng trình:
gV
SU
CgV
x 0
2
2
.
Mc ích ca vic o và phát hin mc cht lu là xác nh mc hoc kh!i lng
cht lu trong các bình cha. Có hai dng o: o liên tc và xác nh theo ng=ng.
Khi o liên tuc, biên hoc tn s! ca tín hiu o cho bit th tích cht lu còn li
trong bình cha.
Khi xác inh theo ng=ng, cm bin a ra tín hiu dng nh phân cho bit thông
tin v tình trng hin ti mc ng=ng có t hay không.
V trí ca phao c xác nh sao cho vn t!c ca U c biu di1n bi biu thc
(t iu kin cân b/ng ca các l"c tác dng lên phao) :
−= 1
2
0
ρ
ρ
SC
gV
U
x
(1.27)
#ng kính D ca !ng d2n thay i tuyn tính theo chiu cao z:
D = D
0
+ az (1.28)
C
gV
azQ
x
=
−= 1
2
.
0
ρ
ρ
π
(1.30)
o lu lng, cách $n gin nht là chia tr"c tip trên !ng thy tinh. tin
x lý kt qu o, có th n!i phao v(i mt chic cn nh% có liên h c$ v(i lõi ca
bin th vi sai chuyn tín hiu c$ thành tín hiu in. Tín hiu in này s3 t6 l
v(i lu lng cn o.
Lu lng k lá chn
Lu lng k dùng lá ch7n biu di1n trên hình 1.10. Lá ch7n chu l"c tác ng ca
dòng chy, tr ng lng và phn l"c ca lò xo. V trí cân b/ng ca lá ch7n ph thuc
vào lu lng ca cht lu. Tín hiu c$ trong tr#ng hp này có th chuyn thành
tín hiu in b/ng cách dùng in k có trc g7n lin v(i trc ca lá ch7n. &u im
(DT = T
1
- T
2
) t6 l v(i lu lng Q.
Trên hình 1.11c biu di1n cu to ca lu lng k kh!i lng nhit. Các cm
bin nhit có th là cp nhit hoc nhit k in tr. Nu là hai in tr nhit
Hình 1.10 Lu lng k dùng lá chn.
Hình 1.11 Lu lng k khi lng nhit: a) s nguyên lý cu to;
b) ng cong nhit ; c) mch t nóng và mch o dùng chung hai in tr nhit
không có
dòng chy
có dòng chy
cm bin
lá ch7n
v(i mt cm bin v trí. Cm bin v trí s3 cho tín hiu t6 l v(i mc ca cht lu.
Cách th hai: mt vt hình tr c nhúng trong cht lu, chiu cao ca hình tr
phi b/ng hoc l(n h$n mc cao nht ca cht lu. Hình tr này c treo trên mt
cm bin o l"c. Trong quá trình o cm bin chu s" tác ng ca mt l"c F t6 l
v(i chiu cao ca cht l%ng:
F = p – 9gSh (1.31)
Trong ó p, S và h là tr ng lng, tit din mt c7t ngang và chiu cao phn ngp trong
cht l%ng ca hình tr, 9 là kh!i lng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr#ng.
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 17 12/8/2007
S! hng th hai 9gSh trong biu thc là l"c )y Archimede tác dng lên hình tr. Tín
hiu do cm bin cung cp s3 t6 l v(i h – mc cht lu còn li trong bình.
Cách th ba: s dng cm bin áp sut vi sai t áy ca bình cha. Ti áy bình
áp sut c biu di1n bi biu thc:
p = p
0
+ 9gh (1.32)
trong ó p
0
là áp sut 'nh ca bình cha, 9gh là áp sut thu6 l"c ti áy bình, 9 là
kh!i lng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr#ng.
Cm bin óng vai trò vt trung gian có dng mt màng m%ng. Mt mt ca màng
chu tác ng ca áp sut p và mt kia chu tác ng ca áp sut p
0
. Do có s" chênh
lch gi*a p và p
0
nên hai mt ca màng chu hai l"c tác ng khác nhau làm cho nó
b bin dng. S" bin dng này s3 cung cp tín hiu c$ c chuyn i thành tín
SVTH: HUNH HU LONG 18 12/8/2007
Cu to ca u o gm hai in c"c hình tr, nu bình cha b/ng kim loi thì bình
là mt c"c và ch' cn thêm mt c"c hình tr. u o c nuôi b/ng ngun in áp
xoay chiu ~10V tránh hin tng phân c"c ca các in c"c.
Trong ch o liên tc, u o t theo v trí th.ng ng, chiu dài ca u o
chim c di chiu cao ca mc cn o. Dòng in chy gi*a các in c"c có biên
t6 l v(i chiu dài ca in c"c b ngp trong cht lu. l(n ca tín hiu c,ng
ph thuc vào d2n ca cht lu.
Trong ch phát hin theo ng=ng, in c"c ng7n và t theo ph$ng n/m ngang,
v trí ca m0i in c"c t$ng $ng v(i mt mc ng=ng. Khi mc cht l%ng t
t(i in c"c, dòng in I có biên không i.
Cm bin t in
Khi cht l%ng là cht cách in, có th to t in b/ng hai in c"c hình tr (hoc
mt in c"c kt hp v(i thành bình kim loi ca bình cha).
Cht in môi gi*a hai in c"c là cht l%ng phn ngp và không khí phn khô.
Vic o mc cht lu c chuyn thành o in dung ca t in. in dung này
thay i theo mc cht lu trong bình cha. iu kin cn thit áp dng ph$ng
pháp này là h/ng s! in môi ca cht lu phi l(n h$n h/ng s! in môi ca không
khí, thông th#ng là gp ôi.
Trong tr#ng hp cht lu d2n in, ch' cn s dng mt in c"c bên ngoài có ph
vt liu cách in, l(p ph óng vai trò l(p in môi ca t, còn in c"c th hai
chính là cht lu.
áng k trong hot ng ca ng#i máy. Trong tr#ng hp này áp sut c o mt
cách tr"c tip trong các b khiên ch hoc gián tip thay th cho xúc giác ca
con ng#i (nh da nhân to) khi cn xác nh hình dng hay l"c cm n7m các vt.
Tt c các hot ng nói trên u cn n nhiu công c trong ó cm bin áp sut
là m7c xích u tiên. Các cm bin này s3 cung cp d* liu liên quan n áp sut Hình 1.14 o mc cht lu bng bc x gama.
Detector
n b
x lý
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 20 12/8/2007
ca khí nén, h$i n(c, du nh#n hoc ca các cht l%ng khác nh/m xác nh s" vn
hành ca các c$ cu, h th!ng, máy móc.
Trên th"c t, các nhu cu o áp sut rt a dng òi h%i các cm bin o áp sut
phi áp ng mt cách t!t nht cho tng tr#ng hp c th. Chính vì vy các cm
bin o áp sut cht lu c,ng rt a dng. Mt nguyên nhân khác d2n n s" a
dng này là l(n ca áp sut cn o n/m trong mt di giá tr rt rng, t chân
không siêu cao n áp sut siêu cao.
l(n ca áp sut c biu di1n b/ng giá tr tuyt !i (so v(i chân không) hoc
giá tr t$ng !i (so v(i áp sut khí quyn). Nó c,ng có th c biu di1n b/ng s"
khác nhau gi*a hai áp sut. Trong mc này tr(c khi trình bày các cm bin o áp
sut cht lu s3 gi(i thiu v áp sut và $n v o áp sut.
1.4.2.1 Áp sut và n v o áp sut
Nu cho mt cht l%ng hoc cht khí (g i chung là cht lu) vào trong mt bình
cha nó s3 gây nên l"c tác dng lên thành bình g i là áp sut. Áp sut này ph
thuc vào bn cht ca cht lu, th tích mà nó chim tr(c và sau khi a vào bình
và vào nhit .
SVTH: HUNH HU LONG 21 12/8/2007
Áp sut khí quyn iu kin bình th#ng t$ng $ng v(i áp sut o mt ct
thy ngân có chiu cao 760 mm gây nên 0
0
C v(i gia t!c tr ng tr#ng
g = 9,8066 m/s
2
. Áp sut này b/ng 101325 Pa và th#ng c biu di1n b/ng mbar,
1 mbar @100 Pa. Trong bng trình bày m!i quan h t$ng !i gi*a các $n v o áp
sut th#ng s dng.
Bng 1.2
1.4.2.2 Nguyên tc o
a) Cht lu không chuyên ng
Vic o áp sut ca cht lu không chuyn ng d2n n phép o l"c F tác dng lên
din tích s ca thành bình phân chia hai môi tr#ng, trong ó mt môi tr#ng cha
cht lu là !i tng cn o áp sut. Có th chia ra ba tr#ng hp chính:
o áp sut ly qua mt l0 nh% có tit din hình tròn c khoan trên
thành bình.
o tr"c tip s" bin dng ca thành bình do áp sut gây nên.
o b/ng mt cm bin áp sut chuyn i tín hiu u vào (là áp sut)
thành tín hiu in u ra cha thông tin liên quan n giá tr ca áp sut
cn o và s" thay i ca nó theo th#i gian.
Trong cách o trích ly áp sut qua mt l0 nh% phi s dng mt cm bin t gn sát
thành bình. Sai s! ca phép o s3 nh% v(i iu kin là th tích cht ca kênh d2n và ca
cm bin phi không áng k so v(i th tích tng cng ca cht lu cn o áp sut.
$n v o
áp sut
pascal
(Pa)
Bar
2
98 98 10
-5
10
-5
0,968 10
-3
1 0,735 0,98
1mmHg 133,3 13,33 10
-4
1,36 10
-3
1,315 10
-3
136 10
-3
1 1,333
1mbar 100 1 10
-3
1,02 10
-3
0,9869 10
-3
1,02 0,750 1
GVHD: ThS V THNG LONG ÁN TT NGHIP
SVTH: HUNH HU LONG 22 12/8/2007
Trong tr#ng hp o tr"c tip, ng#i ta g7n lên thành bình các cm bin o ng
sut o bin dng ca thành bình. Bin dng này là hàm ca áp sut. Ngoài ra
c,ng có th dùng mt !ng c bit có kh n4ng bin dng d(i tác dng ca áp sut
Ph$ng trình bin dng :
( )
(
)
2
2 2
2
3
3
1
16
R r
p
z
y
e
υ
−
= − (2.3)
Bin dng ca tâm màng: (r = 0)
( )
4
2
3
3
1
8 2
p R
f
y e
−
= − "
Tn s! riêng:
( )
0
2
2
0,47
1
e y
f
R
ρ υ
=
−
#
: kh!i lng riêng.
!i v(i cùng mt áp sut p, bin dng ca màng càng l(n thì bán kính r càng l(n và
b dày càng nh%. nhy ca màng c,ng t4ng khi bin dng t4ng lên. Hin tng
tr do bin dng không phi là àn hi tuyt !i s3 nh hng n tuyn tính ca
màng. Mt khác, khi t6 s! R/e t4ng s3 làm cho tn s! riêng ca màng gim i. Bi
vy, thông th#ng t6 s! R/e c ch n dung hòa hai yu t!, mt mt là ng l"c
mà màng có th chu "ng c và mt khác cho tn s! riêng ca màng càng l(n
càng t!t. Trên th"c t s" l"a ch n này ph thuc vào c tính ca vt liu ch to
màng và công ngh x lý nhit ã áp dng cho nó.
Ngoài dng !ng hình tr và màng ph.ng, vt trung gian dùng o áp sut cht lu
có th là màng dng sóng, piston kt hp v(i lò so, áp k giãn n=, !ng xi phông Hình
d
) do chuyn
ng v(i vn t!c v ca cht lu gây nên và áp sut tng cng p
t
là tng ca hai áp
sut trên:
P
t
= p
s
+ p
d
(2.8)
Áp sut t+nh p
s
c o b/ng mt trong các ph$ng pháp va trình bày. Áp sut
ng tác dng lên mt ph.ng t vuông góc v(i dòng chy s3 làm t4ng áp sut t+nh
và có giá tr t6 l v(i bình ph$ng vn t!c, ngh+a là:
2
2
v
p
d
ρ
=
(2.9)
Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu.
Vic o các áp sut này trong cht lu chuyn ng có th c th"c hin b/ng
cách n!i v(i hai u ra ca ông Pitot hai cm bin, mt cm bin o áp sut tng