- 126 -
Chơng VIII
Cảm biến đo áp suất CHấT lu
8.1. áp suất và nguyên lý đo áp suất
8.1.1. áp suất và đơn vị đo
áp suất là đại lợng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một
mặt với diện tích của nó:
ds
dF
p =
(8.1)
Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lu), áp suất là một thông
số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công nghiệp,
việc đo áp suất chất lu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị
cũng nh giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử
dụng chất lu.
Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởi
một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m
2
theo hớng
pháp tuyến.
Đơn vị Pa tơng đối nhỏ nên trong công nghiệp ngời ta còn dùng đơn vị áp suất
là bar (1 bar = 10
5
Pa) và một số đơn vị khác.
Bảng 8.1 trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng.

Bảng 8.1
Đơn vị
áp suất

4
750 10
3

1 kg/cm
2

9,8.10
4
0,980 1 0,986 10
4
735 9,80.10
2

1 atm
1,013.10
5
1,013 1,033 1 1,033.10
4
760 1,013.10
3
1mmH
2
O
9,8 9,8.10
-5
10
-3
0,968.10
-4

sau:

ghpp
0

+= (8.3)
Trong đó:
p
0
- áp suất khí quyển.


- khối lợng riêng chất lu.
g- gia tốc trọng trờng.
Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phơng pháp sau:
- Đo áp suất chất lu lấy qua một lỗ đợc khoan trên thành bình nhờ cảm biến
thích hợp.
- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong
trờng hợp này, áp suất cần đo đợc cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất lỏng
mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp
suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thờng trang bị thêm
bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến
phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, ngời ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất
để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất.
Đối với chất lu chuyển động, áp suất chất lu (p) là tổng áp suất tĩnh (p
t
) và
áp suất động (p

t
) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một
ống Pitot, trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng còn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh.
Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trớc và áp suất tĩnh lên
mặt sau của một màng đo (hình 8.2), nh vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là
chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.
8.2. áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh
Nguyên lý chung của phơng pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất
lu với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế.
8.2.1. áp kế vi sai kiểu phao
á
p kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và
bình nhỏ có tiết diện f (hình 8.3). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp.
Khi đo, áp suất lớn (p
1
) đợc đa vào bình lớn, áp suất bé (p
2
) đợc đa vào bình

Trong đó:
g - gia tốc trọng trờng.

m
- trọng lợng riêng của chất lỏng làm việc.


- trọng lợng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo.
á
p kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay
đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi đợc phạm vi đo.
Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nhng chứa chất lỏng độc
hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh hởng đến đối tợng đo và môi
trờng.
8.2.2.
á
p kế vi sai kiểu chuông
Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng

g
tron
g
bình lớn tha
y
đổi (h
1
tha
y
đổi),
p
hao của á
p
kế dịch
chu
y
ển và
q
ua cơ cấu liên kết làm
q
ua
y
kim
chỉ thị trên đồng hồ đo. Biểu thức (8.6) là
p
hơn
g
trình đặc tính tĩnh của á
p
kế vi sai

y
3
p
1

p
2

A
B
3
dH
a) b)
1
2

- 130 -
Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân
bằng (hình8.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p
1
-p
2
) >0 thì chuông đợc nâng lên
(hình 8.4b). Khi đạt cân bằng ta có:

()
(
)
(
)


+
=
Trong đó:
F - tiết diện ngoài của chuông.
dH - độ di chuyển của chuông.
dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông.
dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông.


f - diện tích tiết diện thành chuông.
- diện tích tiết diện trong của bình lớn.
dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông.
f - diện tích tiết diện trong của chuông.
Giải các phơng trình trên ta có:

()
()
21
m
ppd
g.f
f
dH

=
Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p
1
- p
2

Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất lu tác động lên thành ống làm cho
ống biến dạng, biến dạng ngang (

1
) và biến dạng dọc (

2
) của ống xác định bởi biểu
thức:

pk
e
r
Y
p
2
1
11
=






b) Lò xo ống
Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 8.6.
Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự
do. Khi đa chất lu vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị
biến dạng và đầu tự do dịch chuyển.
J
1
J
2
J
4
J
3
a)
b)
Hình 8.5 Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ
a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến

1


2

r
e

- 132 -
Trên hình (8.6a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái
xoan. Dới tác dụng của áp suất d trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dới tác dụng
của áp suất thấp nó sẽ co lại.







=
(8.10)
Trong đó:


- hệ số poisson.
Y - mô đun Young.
R - bán kính cong.
h - bề dày thành ống.
a, b - các bán trục của tiết diện ôvan.
, - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống.
x = Rh/a
2
- tham số chính của ống.
Lực thành phần theo hớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 - 0,7)
ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức:

pk
cos.sinsin43
sin
.
x
s48
a

1pabN
2
22
2
r
=


+








= (8.12)
Trong đó s và

các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a.
p
b)
c)
Hình 8.6 Lò xo ống
p

N
1


2
1
=+=
.
Bằng cách thay đổi tỉ số a/b và giá trị của R, h,

ta có thể thay đổi đợc giá trị của

, N và độ nhạy của phép đo.
Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ngời ta dùng lò xo
ống nhiều vòng có cấu tạo nh hình (8.6b). Đối với lò xo ống dạng vòng thờng
phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền động để tăng góc quay.
Để tạo ra góc quay lớn ngời ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình
răng khía nh hình 8.6c, góc quay thờng từ 40 - 60
o
, do đó kim chỉ thị có thể gắn
trực tiếp trên đầu tự do của lò xo.
Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất dới 5 MPa, hợp kim nhẹ
hoặc thép dới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió.
c) Xiphông
Cấu tạo của xiphông trình bày trên hình 8.7. ố

.N
++


=
(8.14)
Trong đó:
h
0
- chiều dày thành ống xiphông.
n - số nếp làm việc.
- góc bịt kín.


- hệ số poisson.
A
0
, A
1
, B
0
- các hệ số phụ thuộc R
ng
/R
tr
, r/R+r.
R
ng
, R
tr


()
3
4
2
Yh
pR
1
16
3
=
(8.16)
D
h

p
D
p
Hình 8.8 Sơ đồ màng đo áp suấ
t

- 135 -
Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng
với độ võng lớn hơn màng phẳng. Độ võng của tâm màng uốn nếp xác định theo
công thức:

4
4
3
3

2

= (8.19)
Với D là đờng kính ổ đỡ màng.
Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi
biểu thức:

(
)
p.
12
dDdD
N
22
++
=
(8.20)
Với D là đờng kính màng, d là dờng kính đĩa cứng.
8.3.2. Các bộ chuyển đổi điện
Khi sử dụng cảm biến đo áp suất bằng phần tử biến dạng, để chuyển đổi tín
hiệu cơ trung gian thành tín hiệu điện ngời ta dùng các bộ chuyển đổi. Theo cách
chuyển đổi ngời ta chia các bộ chuyển đổi thành hai loại:
- Biến đổi sự dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu đo. Các chuyển
đổi loại này thờng dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở
Hình 8.9 Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng

- 136 -
- Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo. Các bộ chuyển đổi là các phần tử áp điện
hoặc áp trở.
a) Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm


à
,
à
0
- độ từ thẩm của lõi từ và không khí.
Thông thờng l
tb
/(àS
tb
) << /(à
0
S
0
), do đó có thể tính L theo công thức gần đúng:


à=
0
0
2
S
.WL
Với = kp, ta có phơng trình đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất dùng bộ
biến đổi cảm ứng:
kp
S
.WL
0
0

(1) dịch chu
y
ển làm tha
y
đổi
khe hở từ (

)
g
iữa tấm sắt từ và lõi t
ừ
của nam châm điện, do đó tha
y
đổi độ
p
Hình 8.10 Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng
1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây
1
2
3
- 137 -
b) Bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai
Bộ biến đổi áp suất kiểu biến áp vi sai (hình 8.11) gồm một lò xo vòng (1) và
phần tử biến đổi (2). Phần tử biến đổi gồm một khung cách điện trên đó quấn cuộn
sơ cấp (7). Cuộn thứ cấp gồm hai cuộn dây (4) và (5) quấn ngợc chiều nhau. Lõi
thép di động nối với lò xo (1). Đầu ra của cuộn thứ cấp nối với điện trở R
1

1
và M
2
là hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp và các nửa cuộn thứ cấp.
Hai nửa cuộn dây đấu ngợc chiều nhau, do đó suất điện động trong cuộn thứ cấp:

(
)
MfI2MMfI2eeE
121121

=


==
(8.23)
Đối với phần tử biến đổi chuẩn có điện trở cửa ra R
1
và R
2
thì điện áp ra của bộ biến
đổi xác định bởi công thức:

ra1ra
MfI2V = (8.24)
Giá trị hỗ cảm M
ra
phụ thuộc độ dịch chuyển của lõi thép:

max

Từ phơng trình (8.23) và (8.24), tìm đợc điện áp ra của bộ biến đổi:




=
max
max1
ra
MfI2
V
(8.25)
c) Bộ biến đổi kiểu điện dung
Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung trình bày trên hình 8.12
Hình 8.12a trình bày cấu tạo một bộ biến đổi kiểu điện dung gồm bản cực
động là màng kim loại (1), và bản cực tĩnh (2) gắn với đế bằng cách điện thạch anh
(4).
Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng có dạng:

0
s

CC
CC
Ki
21
21
21
1m
=
+

= (8.27)
Hình 8.12 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung
1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách diện 4) Dầu silicon
p
1
2
4
a
)

b
)
p
1
p
2
1
2
3
4


=


=


==
Để đo biến thiên điện trở ngời ta dùng mạch cầu, khi đó ở hai đầu đờng chéo cầu
đợc nuôi bằng dòng một chiều sẽ là:

()
RIRRRR
4
I
V
4321m
=+=
Sự thay đổi tơng đối của trở kháng theo ứng lực tính xác định theo biểu thức:

=

0
R
R

Trong đó là hệ số áp trở của tinh thể (~ 4.10
-10
m
2

C đến 125
o
C phụ
thuộc vào độ pha tạp. Ngời ta cũng có thể bù trừ ảnh hởng của nhiệt độ bằng cách
đa thêm vào bộ chuyển đổi một bộ phận hiệu chỉnh đợc điều khiển qua đầu đo
nhiệt độ J
T
.
d) Bộ chuyển đổi kiểu áp điện
Bộ chuyển đổi kiểu áp điện, dùng phần tử biến đổi là phần tử áp điện, cho
phép biến đổi trực tiếp ứng lực dới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín
hiệu điện. áp suất (p) gây nên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai
mặt của bản áp điện mộtđiện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng:

kFQ =
Với F = p.S, do đó:

k
p
SQ =
Trong đó:

D
b
)

- 141 -
Giới hạn trên của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi áp điện từ 2,5 - 100 MPa,
cấp chính xác 1,5;2. Bộ biến đổi áp điện có hồi đáp tần số rất tốt nên thờng dùng
để đo áp suất thay đổi nhanh, tuy nhiên chúng có nhợc điểm là nhạy cảm với sự
thay đổi nhiệt độ.