bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------

Nguyễn thị liên hơng

Nghiên cứu phơng pháp xác định một số chỉ tiêu
của bộ đôI pittong-xilanh
trong áp kế pittong chuẩn

luận văn thạc sỹ
chuyên ngành cơ khí chính xác và quang học

ngời hớng dẫn
pgs. Nguyễn thị ngọc lân

Hà Nội - 2009


MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Mục lục
Mở đầu
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT

Trang

I.1 Giới thiệu về kỹ thuật đo lường…………………………………………….. 1
I.2 Giới thiệu các thiết bị đo áp suất…………………………………………… 5
I.2.1 Hình ảnh một số thiết bị đo tại Việt Nam…………………………………6
I.2.2 Hình ảnh một số thiết bị đo trên thế giới………………………………….8

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐO CÁC THÔNG SỐ VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ
III.1 Các thông số cần đo………………………………………………………….70
III.1.1 Đường kính…………………………………………………………………72
a) Phương pháp đo…………………………………………………………….73
b) Phương tiện đo……………………………………………………………...73
c) Đồ gá………………………………………………………………………..73
d) Nhận xét và đánh giá………………………………………………………..74
III.1.2 Độ thẳng đường sinh……………………………………………………….75
a) Phương pháp đo…………………………………………………………….75
b) Phương tiện đo……………………………………………………………...75
c) Đồ gá………………………………………………………………………..75
d) Nhận xét và đánh giá………………………………………………………..76
III.1.3 Độ tròn…………………………………………………………………… ..77
a) Phương pháp đo…………………………………………………………….77
b) Phương tiện đo…………………………………………………………… .77
c) Đồ gá………………………………………………………………………..78
d) Nhận xét và đánh giá………………………………………………………..78
III.2 Các thông số ngoài………………………………………………………… ..79
III.2.1 Tốc độ hạ………………………………………………………………… ..80
III.2.2 Thời gian quay tự do……………………………………………………….80
III.3 Nhận xét…………………………………………………………………… . 81
III.4 Giới thiệu thuật toán xử lý đã được dùng trên thế giới………………………82
III.5 So sánh các thông số đã đo với phương pháp cân bằng thủy tĩnh……………83
III.5.1 Giới thiệu phương pháp cân bằng thủy tĩnh………………………………..84
III.5.2 Phương pháp so sánh……………………………………………………….84
III.5.3 Kết luận…………………………………………………………………….84
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ (bộ đôi thực tế)
IV.1 Các thông số đo………………………………………………………………85
IV.1.1 Đường kính………………………………………………………………...
a) Phương pháp đo…………………………………………………………….

triển khai mạnh mẽ trong các nước phát triển và đang phát triển, trình độ đời sống
của con ngời càng nâng cao, đo lường càng trở nên cần thiết và quan trọng. Ngày
nay, chúng ta không thể hình dung một đời sống xã hội văn minh, phát triển mà lại
thiếu đo lường. Đo lường đã trở thành một yếu tố, một nhu cầu văn hóa trong đời
sống của tất cả mọi người, của toàn xã hội, của toàn cầu.
Cuộc cách mạng công nghệ hiện đại đang diễn ra như vũ bảo làm thay đổi
hẳn vai trò của đo lường trong sản xuất. Đo lường đã thâm nhập và trở thành yếu tố
không thể thiếu của mọi quá trình công nghệ, từ chu trình hình thành nên một sản
phẩm, từ khâu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, điều khiển, điều chỉnh quá trình công
nghệ, kiểm tra chất lượng,…một yếu tố quan trọng hàng đầu để đảm bảo chất
lượng và hiệu quả cao của sản xuất.
Mặt khác đo lường không những là nguồn gốc của hiểu biết mà còn là
phương tiện cơ bản để đánh giá tính chính xác của các hiểu biết, phục vụ cho
nghiên cứu khoa học, thúc đẩy khoa học tiến bộ. Ngược lại, khoa học càng phát
1


triển, đo lường càng có điều kiện để hoàn thiện, nâng cao độ chính xác, tiệm cận
dần đến giá trị thực của đại lượng đo.
Một trong những đại lượng đo trong lĩnh vực đo lường mà con người đã và
đang tìm hiểu nghiên cứu trên thế giới là Đo áp suất. Trong luận văn này, đề tài tôi
chọn cũng là một phần nhỏ của việc nghiên cứu đo áp suất.
Có rất nhiều các phương pháp đo áp suất đã và đang được sử dụng rộng rãi
và phổ biến trên thế giới, trong đó phương pháp đo áp suất bằng áp kế pittong là
phương pháp được các nhà khoa học nghiên cứu sâu rộng nhất hiện nay. Nhưng
vấn đề chi tiết hơn của khoa học hiện nay đang hướng tới là làm thế nào để có một
thiết bị đo với độ chính xác cao nghĩa là ta đang đi vào nghiên cứu cấu tạo, khả
năng làm việc của một thiết bị đo áp kế mà linh hồn của nó chính là bộ đôi pittong
xylanh. Vẫn dựa trên một cách đánh giá gián tiếp bộ đôi là thông qua các thông số
hình học như bao các bài báo, các nghiên cứu khoa học đã đề cập đến, trong đề tài

Áp kế píttông RUSKA 2485
Phạm vi đo: (0,05 ÷ 100) MPa
Độ chính xác: 0,0038 %
Nước SX : Mỹ
3- Chuẩn quốc gia
Áp kế píttông tự động RUSKA 2492
Phạm vi đo: (0,17 ÷ 275) MPa
Độ chính xác: 0,0035 %
Nước SX : Mỹ

4- Chuẩn chính
Áp kế hiện số 740-40K
Phạm vi đo : (0¸275) MPa abs
Độ chính xác: 0,01 %
Nước SX: Mỹ

4


5- Chuẩn chính
Áp kế hiện số DHI RPM4 A160Kp
Phạm vi đo : (0¸ 160) kPa abs
Độ chính xác: 0,005 %
Nước SX: Mỹ
6- Chuẩn quốc gia
Áp kế píttông DHI 7607
Phạm vi đo: (5 ÷ 175) kPa
Độ chính xác: 0,0005 %
Nước SX : Mỹ
7- Chuẩn quốc gia


(0 ÷ 275) MPa

0,01%

Các loại áp kế chênh áp

(0,1 ÷ 400) kPa

0,0012%

Các loại áp kế đo áp suất tuyệt

(1 ÷ 1000) hPa

0,0012 %

(0 ÷ 3000) hPa

0,0012%

chuẩn

đối và chân không
Các loại áp kế đo độ cao, độ sâu

5


Các loại huyết áp kế chuẩn


bình chịu áp lực

250 MPa

trì- Thử phá huỷ

Thiết bị tạo áp (máy

Chịu được áp suất đến

- Thử khả năng chịu áp lực

bơm, máy nén khí hoặc 250 MPa
chất lỏng)
Hệ thống áp lực và chân Chịu được áp suất từ

- Thử độ kín

không

1mbar đến 250 MPa abs - Thử khả năng chịu áp lực

Thiết bị bơm chân

Tạo được áp suất tuyệt Đo độ chân không

không cơ khí hoặc

đối đến 10-3 hPa


(5 ¸ 175)kPa g

Áp kế piston đo áp suất (0 ¸ 15) kPa abs 0.003%

Chuẩn quốc gia DHI (USA)

cực thấp DHI FPG 8601 (0 ¸ 15) kPa g
Áp kế piston RUSKA

(0,14¸700)kPa abs 0.001%

Chuẩn quốc gia

KRISS

2465

(0,14¸700) kPa g

Áp kế piston RUSKA

(0,05¸100) MPa

0.0038% Chuẩn quốc gia

KRISS

(0,17¸ 275) MPa


VMI

Áp kế piston MΠ 6

(0,01¸ 0,6) MPa

0,02%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế piston MΠ 60

(0,1 ¸ 6) MPa

0,02%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế hiện số DHI

(0¸160) kPa abs

0,005%

Chuẩn chính


Áp kế piston 3PD 50

(0,1¸ 5 ) MPa

0,1%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston 3PD 500

(5 ¸50) MPa

0,1%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston MΠ 0,4

(0 ¸ 0,04) MPa

0,2%

Chuẩn công tác

VMI


- Kích thước: 120 x 54 x 22 mm (ABS)
- Điện: Pin sạc Lithium-polymer 3,7V/550mA, hoạt động khoảng 500 giờ
- Khối lượng: khoảng 150 gam
Trong đề tài cao học này, phương tiện đo chỉ là bước khởi đầu tôi giới thiệu
đến vì nghiên cứu sâu hơn của đề tài này là linh hồn của phương tiện đo đó, nghĩa
là tôi đi nghiên cứu cấu tạo của phương tiện đo, nguyên lý hoạt động của các bộ
phận trong phương tiện đo, đó chính là bộ đôi pittong xilanh.
8


Hình ảnh bộ đôi Pittong xylanh

I.3 - Kết luận chung và giới thiệu đề tài
Với ước mơ được hòa mình với sự vận động phát triển của thế giới trong
những năm gần đây, muốn được nâng tầm với xu thế toàn cầu hóa nền kinh tế thế
giới, ngành công nghiệp Việt Nam đã tự đề ra những thách thức mới trong kinh
doanh. Một sản phẩm có thể được thiết kế tại một quốc gia, sản xuất, lắp ráp tại
quốc gia khác nhưng thị trường là toàn cầu. Các nhà sản xuất, phân phối và khách
hàng ngày nay có quyền lựa chọn sản phẩm hàng hóa có chất lượng với giá cả phù
hợp ở tất cả mọi nơi trên thế giới. Việc chế tạo bộ đôi piston, xylanh đã được các
nhà khoa học nghiên cứu và sản xuất với cấp chính xác cao, được bán và sử dụng
rộng rãi với giá thành hợp lý. Và ở Việt Nam, từ những năm 2001, rất nhiều các kỹ
sư đã tiến hành nghiên cứu có chiều sâu vào việc chế tạo ra một bộ đôi lý tưởng với
cấp chính xác cao.
Tuy nhiên, ngoài việc chế tạo bộ đôi, việc kiểm định khả năng làm việc của
nó là một yếu tố rất quan trọng. Trên thế giới hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang
miệt mài nghiên cứu khả năng đánh giá này, nhưng qua các bài báo, qua các kết
quả nghiên cứu thì truyền thống nhất trong việc đánh giá vẫn là xác định các thông
số hình học thông qua việc đo các thông số của bộ đôi dựa trên những phương tiện
đo hiện đại.

dầu. Tham khảo hình vẽ 1.1. Lực hướng xuống tác động trên một pittông nhỏ l
do trọng lực của các quả cân, bằng Mg.Ở đây M là khối lượng, g là gia tốc
trọng trường. Áp suất p được xác định trực tiếp từ định nghĩa:
P= Lực/ Diện tích =Mg/A
Ở đây A là diện tích của mặt cắt ngang pittông
Nếu so sánh một pittông trong xilanh và cột thuỷ ngân thì có thể thấy rằng
cột thuỷ ngân như là pittông không ma sát trong một xi lanh, trong trường hợp
này khối lượng của cột thuỷ ngân sẽ là ρAh, ở đây A là diện tích mặt ngang
của cột, ρ là tỷ trọng của thuỷ ngân và h là chiều cao.
Thay thế khối lượng này vào công thức đối với áp kế pittông, chúng ta có:

ρ =ρAhg/A =ρgh
Như vậy diện tích mặt cắt của cột không làm thay đối áp suất, điều này có
thể được chứng minh bởi ống chữ U ở đây một nhánh có đường kính nhỏ sẽ
cân bằng với một nhánh kia có đường kính lớn cùng độ cao.
11


Khi áp suất đo được so sánh với chân không thì được gọi là : Áp suất
tuyệt đối bởi vì chân không quy định một mức chuẩn tuyệt đối. Khi áp suất đo
so sánh với áp suất khí quyển thì được gọi là: Áp suất tương đối, khi nói đến
áp suất tương đối của khí quyển thì bằng không.

II.1.1 Đơn vị đo áp suất
Xuất phát từ định nghĩa áp suất chúng ta có thể thấy rằng đơn vị của áp
suất là đơn vị của lực trên một đơn vị diện tích, trong hệ đơn vị quốc tế SI là
Niuton trên mét vuông, gọi là pascan (tên của một nhà bác học vĩ đại người
Pháp) viết tắt là Pa
Đơn vị của áp suất là một đơn vị dẫn xuất, với ý nghĩa đơn giản là nó
được suy ra từ các đại lượng cơ bản khác. Cần phải có độ lớn đơn vị của lực

phải đo chiều cao của cột thuỷ ngân và nhiệt độ của nó, phải xác định giá trị của gia
tốc trọng trường g, tỷ trọng của thuỷ ngân là hàm nhiệt độ, thang đo cũng có thể
thay đổi theo nhiệt độ và cần thiết phải đo nhiệt độ của nó để có thể tính toán số
hiệu chính cần thiết. Các phương tiện đo nhiệt độ, chiều dài cần được hiệu chuẩn có
độ chính xác phù hợp. Cột thuỷ ngân thể hiện áp suất bằng ρgh, thường được sử
dụng trong chân không, với đơn vị là torr, là áp suất của cột thuỷ ngân có chiều cao
là 1mm ở nhiệt độ 0oC, gia tốc trọng trường chuẩn là 9,80665 ms-2 với tỷ trọng là
13


13595,1 kgm-3, hay còn gọi là milimét thuỷ ngân viết tắt là mmHg, trong hệ SI
mmHG = 133,322 Pa.

Thể hiện các phương tịên đo chiều cao của hai bề mặt thủy ngân, nhiệt độ thuỷ
ngân và nhiệt độ thang đo.
Chuẩn đầu áp suất cột thuỷ ngân có phạm vi đo nhỏ cỡ 100 kPa.
- Áp kế pittông có thể hầu như không có ma sát bởi sự quay của pittông trong
xi lanh sao cho có lớp màng dung dịch mỏng duy trì ở hai chi tiết.
Hình vẽ bên phải hoặc trái hình 1.1 là một dạng áp kế pittoong và áp suất, P,
tạo ra sẽ được tính bằng:
P= Mg/A =mg/a.
Để xác định áp suất, phải xác định tải trọng và diện tích tác dụng.
Phạm vi đo của chuẩn đầu áp kế pittông rất rộng từ vài chục kPa đến Gpa.
Ví dụ: - Áp kế pittông P700 của Hãng Pressurements có phạm vi đo từ 0,015
đến 4000 bar, độ chính xác nhỏ hơn 0,004%
- Áp kế khí APX50: Phạm vi đo 10kPa đến 1Mpa tuyệt đối, hoặc tương đối.
Độ nhậy: 0,1ppm
Độ không đảm bảo đo U=5x106 (k=2)
14



Trong vùng áp suất này các phương tiện đo áp suất dựa vào chiều cao cột
chất lỏng được sử dụng khá phổ biến. Chúng ổn định và đáng tin cậy, sử dụng đơn
giản và còn có thể được s ử dụng như là chuẩn đầu.
Ngoài ra còn một số thiết bị đo dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi của các
phần tử đàn hồi như màng đàn hồi, k hí áp kế hộp màng đo áp suất khí quyển.
Ở chế độ làm việc thông thường, áp kế pittông không thể làm việc tại hoặc
dưới áp suất khí quyển bởi vì sẽ không có áp lực tác động vào pittông. Một giải
pháp là đặt áp kế trong một buồng chân không như vậy hiệu quả áp suất tác dụng
vào pittông sẽ được tăng lên nhờ áp suất không khí. Đó là chế độ đo tuyệt đối bởi
vì áp kế pittông giờ có thể đo được áp suất tuyệt đối.
(c) Dảỉ đo áp suất công nghiệp (áp suất từ 105 đến 108Pa)
Áp kế pittông được sử dụng khá phổ biến có độ chính xác cao dựa trên định
nghĩa áp suất, kết hợp với việc sử dụng các áp kế lò xo, dựa trên nguyên lý biến
dạng đàn hồi của các phần tử đàn hồi như ống Bourdon, màng đàn hồi.
(d) Dải áp suất cao (áp suất từ 108Pa trở lên)
Các thiết bị đo áp suất trong dải này vẫn sử dụng áp kế pittông loại có điều
chỉnh khe hở, áp kế lò xo. Ngoài ra còn sử dụng các phương tiện đo khác như các
điểm chuẩn áp suất “fixed point” , các áp kế biến trở manganin dựa vào sự thay đổi
điện trở.
Kết luận: Các phương tiện đo áp suất, được sử dụng rộng rãi trong khoa học,
kỹ thuật, chúng rất đa dạng về chủng loại, độ chính xác, mục đích sử dụng. Trong
đó áp kế pittông là một trong những phương tiện đo có độ chính xác cao, được sử
dụng như là phương tiện đo chuẩn trong lĩnh vực áp suất, có thể làm các chuẩn đầu
áp suất. Với mục tiêu đặt ra ở phần mở đầu, chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về áp
kế pittông.

16



trọng. Kỹ thuật này cũng áp dụng với các dạng khác của áp kế pittông.
Loại áp kế pittông hiệu số: Pittông có thiết diện dạng bậc, áp suất tác dụng tác
động vào phần hiệu của hai mặt cắt của pittông trên và pittông dưới.

Loại áp kế pittông khe hở điều chỉnh, nhằm đối phó với vấn đề rò rỉ chất lỏng
quá mức ở áp suất cao có hai thiết kế cơ bản đã được kể đến. Loại thứ nhất cũng là
dạng đơn giản nhưng được gọi là dạng “re-entrant” trong đó chất lỏng trưyền áp
suất tác động không chỉ ở đấy pittông và dọc theo chiều dài khống chế của pittông
và xilanh mà còn tác động trên cả bề mặt mở rộng của xilanh. Áp suất bên ngoài
này làm co khe hở giữa pittông và xi lanh lại qua phần chiều dài khống chế điều
này làm giảm sự rò rỉ dung dịch; dạng thiết kế điển hình được thể hiện trong hình
2.2 . Giới hạn áp suất ở trên được xác lập bởi việc giảm khe hở đến mức vừa khít.
18


Trong dạng thiết kế thứ hai, một áp suất dung dịch có thể thay đổi được , pj,
trong một hệ thống áp suất độc lập, tác dụng vào bề mặt bên ngoài của xi lanh, điều
này tạo ra khả năng điều khiển khe hở giữa pittông và xi lanh, sự bố trí như vậy
được thể hiện trong hình 2.3

Mặc dầu về nguyên lý thiết kế này sẽ bao phủ một dải áp suất rất rộng nhờ
duy nhất một bộ đôi pittông xi lanh, nhưng trong thực tế, tốt hơn là sử dụng một
loạt bộ đôi khác nhau để đạt được độ nhạy tốt nhất cho mỗi dải đo thực tế. Dạng áp
19


kế pittông điều chỉnh khe hở được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng với áp suất
cao và không phổ biến trong thị trường, vì nó tạo ra nhiều khó khăn trong thao tác
hơn là hai dạng trên.
Áp kế pittông còn được phân ra thành hai loại chính dựa theo môi trường

Sơ đồ Ghi chú
khối

Upright

Áp suất tác dụng vào mặt

Sử dụng phổ biến,

Đơn

cắt phía dưới của chi tiết

dùng dầu hoặc khí

giản

bên trong (pittông)
Inverted

I(B)

Áp suất tác dụng vào mặt

Hạn

chế sử dụng

cắt phía trên của chi tiết


áp

suất

I(C)đơn

quyển, hạn chế sử

giản

dụng trong các PTĐ
dùng khí

II Hiệu

Áp suất tác dụng vào

Chủ

yếu

sử

số

hiệu mặt cắt của pittông

trong nghiên cứu

dụng


tác dụng được điều khiển

Có thế sử dụng trong

điều

độc lập tác dụng vào bề

một dải rộng áp suất

chỉnh

mặt mở rộng của xilanh

vì kết quả của sự điều
khiển khe hở

21