Đo lường nhiệt Dành cho sinh viên ngành Nhiệt Lạnh

Trịnh Văn Quang

Trường Đại học Giao thông Vận tải Khoa Cơ Khí - Bộ môn Kỹ thuật nhiệt

Hà nội - 2004

1

Lời nói đầu

Đo lường nói chung là một lĩnh vực quan trong trong công nghệ, nhất là ngày nay khi khoa học kỹ thuật và các ngành công nghệ đã có những bước tiến vượt bậc, đo lường càng trở nên cần thiết. Có thể nói đo lường là khâu đầu tiên để nhận được các số liệu trong kỹ thuật và trong tính toán đo lường là khâu quyết định sự chính xác của các kết quả các phép tính.

Trong kỹ thuật lạnh và kỹ thuật nhiệt, đo lường là khâu hết sức quan trọng. Trong tất

cả các hệ thống lạnh và hệ thống nhiệt , luôn cần đến các con số chính xác của các đại lượng để có thể có những tác động cần thiết nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động trong điều kiện an toàn.

Hệ thống lạnh và nhiệt nói chung thường có các động cơ nhiệt, động cơ điện, máy

nén, các dàn ống dẫn môi chất, các bộ trao đổi nhiệt…Các đại lượng cần xác định giá trị trong hệ thống lạnh và nhiệt gồm các thông số trạng thái của chất công tác là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức lỏng trong bình chứa; các thông số của chất tải lạnh hay tải nhiệt trung gian là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng; các thông số của môi trường không khí như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất; các thông số của thiết bị như nhiệt độ máy, nhiệt độ và áp suất dàu bôi trơn, mức dầu trong máy, tốc độ máy hay động cơ, nhiệt độ vào và ra của nước hoặc không khí làm mát thiết bị … Hầu hết các đại lượng trên không phải các đại lượng điện, bởi vậy để điều khiển hệ thống hoạt động được bình thường và tự động hoá các quá trình hoạt động trong hệ thống, cần phải biến đổi các đại lượng là các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện.

Ngày nay các hệ thống nhiệt và lạnh có quy mô lớn việc kiểm soát tình trạng hoạt

động của hệ thống và điều khiển chúng hầu như được chương trình hoá bằng các máy tính chuyên dụng, bởi vậy các thông số làm việc của hệ thống được xác định tự động và đòi hỏi các bộ phận cảm biến hết sức đa dạng .

Do thời lượng môn học có hạn nên trong tài liệu cũng chỉ có thể đề cập những thiết bị

đo tương đối phổ biến. Mặt khác mục đích của môn học là giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của các thiết bị đo, nên không đi sâu vào lý thuyết tính toán và kỹ thuật xử lý kết quả đo.

Lần đầu tiên biên soạn một tài liệu giảng dạy mới, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng

chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về Bộ môn Kỹ thuật nhiệt trường đại học Giao thông Vận tải Hà nội, chúng tôi xin chân thành cám ơn.

Người biên soạn Trịnh Văn Quang

2

Mục lục

Chương 1.

KHÁI NIỆM

Trang

1.1. Đinh nghĩa , phân loại 6 1.1.1. Định nghĩa 1.1.2. Phân loại 1.1.3. Lịch sử xây dựng đơn vị đo và các chuẩn quốc tế 7 1.2 . Các yếu tố đặc trưng của đo lường 11

1.2.l. Đại lượng đo 11 1.2.2. Điều kiện đo 12 1.2.3. Thiết bị đo và phương pháp đo 13 1.2.4. Người quan sát 13

1.2.5. Kết quả đo 13 1.3. Thiết bị đo 14

1.3.1. Phân loại thiết bị đo 14 1.3.2. Các tham số đặc trưng cho phẩm chất của đồng hồ 15 1.4. Đánh giá sai số đo lường 17 1.4.1. Sai số của phép đo 17 1.4.2. Tính toán sai số ngẫu nhiên 19 1.4. Xây dựng biểu thức thực nghiệm 21 1.4.1. Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính 21 1.4.2. Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến 23 1.4.3. Phương pháp tìm hệ số tương quan 25 1.4.4. Phương pháp bình phương cực tiểu 31

Chương 2. ĐO NHIỆT ĐỘ

2.1. Khái niệm 35 2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 35

2.1.2. Phân loại nhiệt kế 36 2.2. Nhiệt kế giãn nở 37 2.2.1. Nhiệt kế giãn nở chất rắn. 37 2.2.2. Nhiệt kế giãn nở chất nước 37 2.3. Nhiệt kế kiểu áp kế 39

2.3.1. Nhiệt kế chất nước 39 2.3.2. Nhiệt kế chất khí 40

2.3.3. Nhiệt kế hơi bão hòa 40 2.4. Nhiệt kế nhiệt điện 41 2.4.1. Khái niệm 41 2.4.2. Hiệu ứng nhiệt điện 41 2.4.3. Các phương pháp nối cặp nhiệt 43 2.4.4. Một số yêu cầu đối với vật liệu làm cặp nhiệt 43 2.4.5. Một số loại cặp nhiệt thường dùng 44 2.4.6. Nhiệt kế cặp nhiệt trong công nghiệp 45 2.4.7. Đo nhiệt độ cao bằng cặp nhiệt 46 2.5. Nhiệt kế điện trở 46 2.5.1. Khái niệm 46 2.5.2. Yêu cầu đối với các vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở 46

3

2.5.3. Các loại nhiệt kế điện trở 47 2.5.4. Các phương pháp đo điện trở của nhiệt kế điện trở 49 2.6. Hỏa kế bức xạ 51 2.6.1. Khái niệm 51 2.6.2. Hoả quang kế phát xạ 52 2.6.3. Hỏa quang kế cường độ sáng 54 2.6.4. Hoả quang kế màu sắc 56

Chương 3. ĐO ÁP SUẤT

3.1. Khái niệm 59 3.1.1. Định nghĩa áp suất, đơn vị 59 3.1.2. Phân loại dụng cụ đo 60 3.2. Áp kế kiểu chất lỏng 60 3.3. Áp kế kiểu cơ 61 3.4. Lực kế áp điện 62 3.5. Áp kế áp điện 64 3.6. Hiệu ứng điện trở áp điện trong bán dẫn 64 3.7. Cầu điện trở đo áp suất 66 3.8. Đo áp suất bằng áp điện trong công nghiệp 68 3.9. Áp kế điện trở lực căng 68 3.10. Áp kế màng với điện trở lực căng trong công nghiệp 69 3.11. Đo áp suất bằng chuyển đổi điện dung 69 3.12. Đo áp suất bằng thiết bị số 71 3.13. Đo áp suất dùng biến áp vi sai 72 3.14. Áp kế kiểu điện trở lực căng kiểu môđun 73 3.15. Đo áp suất bằng màng kim loại co giãn 74 3.16. Sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện 79

Chương 4. ĐO LƯU LƯỢNG - TỐC ĐỘ

4.1. Khái niệm 81 4.2. Đo lưu lượng theo độ giảm áp suất 81 4.3. Lưu tốc kế cánh quạt 83 4.4. Lưu tốc kế kiểu cảm ứng 84 4.5. Lưu tốc kế khí 85 4.6. Tốc kế nhiệt 86 4.6.1. Tốc kế nhiệt kiểu sợi đốt 86 4.6.2. Tốc kế nhiệt kiểu màng mỏng 87 4.7. Đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy. 88 4.8. Đo lưu khối thông qua lực Coriolis. 90 4.9. Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm 92 4.9.1. Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện. 92 4.9.2. Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng. 93 4.9.3. Phương pháp hiệu số tần số. 94 4.9.4. Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha). 94 4.10. Đo lưu lượng của dòng khí thông qua nhiệt độ dây nung 95 4.10.1. Phương pháp đo với dòng điện nung không đổi. 96 4.10.2. Phương pháp đo với nhiệt độ của dây nung không đổi. 96 4.10.3. Sự bù trừ nhiệt độ của khí. 97

4

Chương 5. ĐO ĐỘ ẨM

5.1. Các khái niệm 98 5.1.1.Không khí ẩm và các đại lượng đặc trưng 98 5.1.2. Độ ẩm của vật liệu và sản phẩm trong các qui trình sản xuất 99 5.1.3. Sự liên hệ giữa các thông số của độ ẩm. 101 5.1.4. Tính chất điện môi của nước. 102 5.2. Đo độ ẩm không khí bằng phương pháp điểm ngưng tụ. 103 5.3. Đo độ ẩm bằng phương pháp hấp thụ 104

5.3.1. Ẩm kế LiCl 104 5.3.2. Ẩm kế anhydrit phôtphoric P2O5 105

5.4. Đo độ ẩm bằng trở kháng biến đổi 106 5.4.1. Ẩm kế điện trở 106 5.4.2. Ẩm kế điện dung điện cực kim loại 107 5.4.3. Ẩm kế điện dung điện cực bằng vàng 108 5.5. Mạch điện với phương pháp xung hiệu số. 108 5.6. Cảm biến độ ẩm với điện trở thay đổi. 109 5.6.1. Cảm biến độ ẩm SHS3 của hăng Hyrotec GmtlH / Đức. 109 5.6.2. Cảm biến độ ấm NH-3 Figaro/Nhật. 110 5.7. Ẩm kế Assmann 110 5.8. Đo độ ẩm theo tổng trở của màng mỏng Al2O3 111 5.9. Đo độ ẩm bằng cảm biến vi ba 111 5.10. Đo độ ẩm bằng cảm biến hồng ngoại 112 5.11. Đo độ ẩm bằng cảm biến âm thanh 113 5.12. Phương pháp đo độ ẩm các vật liệu rắn. 113

Chương 6. ĐO MỨC CHẤT LỎNG - CHẤT RẮN DẠNG HẠT

6.1. Khái niệm 114 6.2. Đo mức nước 114 6.3. Đo mức chất lỏng theo áp suất thuỷ tĩnh 115 6.4. Đo mức bằng điện dung 116 6.5. Nhiệt điện trở PTC . 117 6.6. Quang điện tử. 117 6.7. Đo mức chất lỏng bằng sóng vi ba 117 6.8. Đo mức chất lỏng bằng dẫn nhiệt 118 6.9. Đo mức chất lỏng, chất rắn bằng dao động cơ 119

Chương 7. ĐO TỐC ĐỘ QUAY

7.1. Đo tốc độ quay kiểu cảm ứng từ 122 7.2. Tốc độ kế kiểu máy phát 122 7.3. Máy đo tốc độ quay kiểu máy phát tần số 123 7.4. Máy đo tốc độ quay bằng phương pháp quang học 124 7.5. Máy đo tốc độ quay bằng sợi dẫn quang 124

5

Chương 8. CÁC BỘ CHỈ THỊ

8.1. Chỉ thị cơ điện 126

8.1.1. Cấu tạo chung 126 8.1.2. Cơ cấu chỉ thị từ điện 127 8.1.3. Cơ cấu chỉ thị điện từ 128 8.1.4. Cơ cấu chỉ thị điện động 129 8.1.5. Tỷ số kế điện động 131

8.2. Bộ chỉ thị kiểu Hiện số 132 8.2.1. Khái niệm 133 8.2.2. Mã số 133 8.2.3. Mạch đếm 133 8.2.4. Bộ hiện số 135 8.2.5. Bộ giải mã. 136

8.3. Dao động ký điện tử 137 8.3.1. Sơ đồ khối 137 8.3.2. ống phóng tia điện tử 138 8.3.3. Bộ khuếch đại làm lệch 139 8.3.4. Tín hiệu quét. 140 8.3.5. Bộ tạo sóng quét ngang 140 8.3.6. Dao động ký điện tử hai tia 142

Tài liệu tham khảo

144

6

Chương 1.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1. Định nghĩa Đo lường là một quá trình đánh giá đinh lượng đại lượng cần do để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Đó là sự đánh giá định lượng một hay nhiều thông số của các đối tượng nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lí đặc trưng cho các thông số đó. Kết quả phép đo là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, đó là tỉ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo Xo. Nghĩa là Ax chỉ rõ đại lượng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn) bao nhiêu lần đơn vị của nó.

Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng: Ax = 0X

X

Từ đó ta có: X = Ax. X0 (1.1) Phương trình (1.1) gọi là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Từ đó ta cũng thấy rằng không phải bất kì đại lư-ợng nào cũng đo được bởi vì không phải bất kỳ đại lượng nào cũng cho phép so sánh các giá trị của nó. Vì thế để đo chúng ta thường phải biến đổi chúng thành đại lượng khác có thể so sánh được. Ví dụ: để đo ứng suất cơ học ta phải biến đổi chúng thành sự thay đổi điện trở của bộ cảm biến lực căng. Sau đó mắc các bộ cảm biến này vào mạch cầu và đo điện áp lệch cầu khi có tác động của ứng suất cần đo. Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học. Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kĩ thuật đo lường. Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tư-ợng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo. 1.1.2. Phân loại Để thực hiện một phép đo người ta có thể sử dụng nhiều cách khác nhau, ta có thể phân biệt các cách sau đây: a. Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận đợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo được sử dụng thường tương ứng với đại lượng đo. Ví dụ: đo điện áp đùng vôn mét chẳng hạn trên mặt vôn mét đã khắc độ sẵn bằng vôn. Thực tế đa số các phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp !à cách đo mà kết quả suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp.

7

Ví dụ: Để đo điện trở ta có thể sử dụng định luật ôm R = U/I (điều này hay được sử dụng khi phải đo điện trở của một phụ tải đang làm việc). Ta cần đo điện áp và dòng điện bằng cách đo trực tiếp sau đó tính ra điện trở. Cách đo gián tiếp thường mắc phải sai số lớn hơn cách đo gián tiếp. Sai số đó là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp c. Đo hỗn hợp là cách đo gần giống đo gián tiếp nhưng số lượng phép đo theo cách trực tiếp nhiều hơn và kết quả đo nhận đợc thường phải thông qua giải một phương trình (hay hệ phương trình) mà các thông số đã biết chính là các số liệu đo được. Ví dụ: Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ có thể tính từ phương trình sau: rt = r20[1+ (t - 20) + (t - 20)2] Trong đó các hệ số , chưa biết. Để xác định ta cần phải đo điện trở ở ba điểm nhiệt độ khác nhau là r20 , rt1, rt2 . Sau đó thay vào ta có hệ phương trình:

rt1 = r20[1+ (t1 - 20) + (t1 - 20)2] rt2 = r20[1+ (t2 - 20) + (t2 - 20)2]

Giải ra ta tìm được , . 4. Đo thống kê. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta phải sử dụng cách đo thống kê. Tức là ta phải đo nhiều lần sau đó lấy giá trị trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một đụng cụ đo. 1.1.3. Lịch sử xây dựng đơn vị đo và các chuẩn quốc tế a. Lịch sử xây dựng đơn vị đo Để đánh giá độ lớn của các đại lượng đo cần có đơn vị đo. Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn của từng đại lượng đo được thống nhất quốc tế mà các quốc gia đều phải tuân thủ. Để thống nhất trên toàn thế giới, người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn. Các chuẩn quốc tế có lịch sử bắt đầu từ năm 1881 tại Hội nghị quốc tế ở Pari, sau này càng phát triển và hoàn thiện. Uỷ ban quốc tế đầu tiên quản lí việc thiết lập các đơn vị chuẩn được thành lập. Trải qua một số năm các chuẩn quốc tế được ấn định. Đến năm 1908 tại Luân Đôn, Uỷ ban đặc biệt về việc chế tạo các chuẩn đã thành lập. Một số chuẩn đã được ấn định tại đây, ví dụ: chuẩn “Ôm” quốc tế của điện trở được coi là điện trở của một cột thuỷ ngân thiết diện 1 mm2 dài l06,300 cm ở 00C có khối lượng 14,4521 am. Còn chuẩn ”Ampe” quốc tế là dòng điện có thể giải phóng 0,0011800 gam bạc khỏi dung dịch nitrat bạc trong thời gian 1 s. Cấp chính xác cuả các chuẩn này cỡ 0,001%. Chuẩn điện áp là pin mẫu Vestôn có điện áp là 1,0185 V ở 200C. Sau này công nghiệp phát triển, kĩ thuật đo lường ngày càng hoàn thiện và nâng cao độ chính xác của phép đo, nên các chuẩn ở các quốc gia có những giá trị khác nhau mặc dù ph-ương pháp chế tạo như nhau. Sai số nhiều khi vượt quá sai số cho phép. Vì thế từ 1-1-1948 bắt đầu công nhận một chuẩn mới gọi là “chuẩn tuyệt đối“. “Chuẩn tuyệt đối“ so với chuẩn quốc tế trước đó có sự sai lệch chút ít. Ví dụ : 1 ampe quốc tế = 0,99985 ampe tuyệt đối; 1 Culông quốc tế = 0,99985 Culông tuyệt đối; 1 Vôn quốc tế = 1,00035 Vôn tuyệt đối; 1 Ôm quốc tế = 1 ,00050 ôm tuyệt đối; 1 Fara quốc tế = 0,99950 Fara tuyệt đối;

8

1 Henri quốc tế : 1 ,00050 Henri tuyệt đối. Các chuẩn ngày nay là chuẩn được quy định theo hệ thống đơn vị SI (năm 1960), là “Hệ thống đơn vị quốc tế thống nhất “ b. Hệ thống đơn vị quốc tế SI Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm đơn vị: 1 . Đơn vị cơ bản được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học và kĩ thuật hiện đại có thể thực hiện được. 2. Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những quy luật thể hiện bằng các biểu thức. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn xuất cho tất cả các đại lợng vật lí. Để các nước có chung một hệ thống đơn vị thống nhất người ta thành lập hệ thống đơn vị quốc tế SI và đã được thông qua tại Hội nghị quốc tế về mẫu và cân (1960). Trong hệ thống đó có bảy đơn vị cơ bản gồm đơn vị chiều dài là mét : m, đơn vị khối lượng là kilôgram : kg, đơn vị thời gian là giây: s , đơn vị cường độ dòng điện là Ampe : A, đơn vị nhiệt độ là Kenvil : K, đơn vị số lượng vật chất là mol : mol , đơn vị cường độ ánh sáng là Candela : Cd. Từ đó tính ra các đơn vị dẫn xuất sử dụng trong các lĩnh vực. Bảng 1.1. trình bày các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong các lĩnh vực cơ, điện, từ và quang học. Bảng 1.1

Các đại lượng Tên đơn vị

Kí hiệu

1. Các đại lượng cơ bản Độ dài Khối lượng Thời gian Dòng điện Nhiệt độ Số lượng vật chất Cường độ ánh sáng

2. Các đại lượng cơ học Tốc độ Gia tốc Năng lượng và công Lực Công suất Năng lượng

3.Các đại lượng điện

Lượng điện Điện áp: thế điện động Cường độ điện trường Điện dung Điện trở . Điện trở riêng Hệ số điện môi tuyệt đối

4. Các đại lượng từ

Từ thông

mét kilôgam giây Ampe Kelvin môn Candela mét trên giây mét trên giây bình phương Jun Niutơn Watt Watt giây Culông Vôn Vôn trên mét Fara Ôm ôm trên mét Fara trên mét Vebe

m kg s A K mol Cd m/s m/s2 J N W Ws C V V/m F

/m F/m Wb

9

Cảm ứng từ Cường độ từ trường Điện cảm Hệ số từ thẩm

5. Các đại lượng quang

Luồng ánh sáng Cường độ sáng riêng Độ chiếu sáng

Tesla Ampe trên mét Henri Henri trên mét Lumen Candela trên mét vuông lux

T A/m H H/m lm Cd/m2 lx

Ngoài các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong hệ thống đơn vị quốc tế Sl, người ta còn sử dụng các bội số và ước số của chúng. Các bội số và ước số thường dùng của các đơn vị đo thể hiện trong bảng 1.2. Bảng 1.2

Tên của ước số

Giá trị ước số

Kí hiệu Tên của bội số

Giá trị bội số

Kí hiệu

picô nanô micrô mili centi đêci

10-12 . 10-9 10-6

10-3

10-2

10-1

p n m c d

đề ca hectô kilô

Mêga Giga Têra

101 102 103 106 109 1012

da h k M G T

Các ký hiệu bội số ước số được viết liền với kí hiệu đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất

Ví đụ : Điện trở có giá trị là 2M = 2.106 Tụ diện có điện dung 3F = 3.10-6 F. c. Các chuẩn cấp 1 quốc gia Chuẩn cấp một được gọi là chuẩn bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn vị chính xác nhất của một quốc gia. Các chuẩn cấp một của các đơn vị cơ bản của các đại lượng vật lí cần phải có độ chính xác cao nhất, ổn định nhất, lại thuận tiện cho việc giữ và truyền chuẩn. Ngày nay người la có xu hướng sử dụng các hằng số vật lí để tạo ra các chuẩn. Các chuẩn này đợc gọi là “chuẩn lượng tử”. Các chuẩn Việt Nam hiện nay được đặt tại Trung tâm đo lường và tiêu chuẩn Quốc gia Nghĩa Đô - Hà Nội, định kì phải được so với các chuẩn quốc tế với mục đích bảo đảm độ chính xác của đơn vị đo ở nước ta. Có thể xem xét một số chuẩn cấp một quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ thống Sl. 1. Chuẩn đơn vị độ dài Nam 1960 ở hội nghị quốc tế thứ XI về mẫu và cân đã quyết định là: đơn vị đo độ dài là mét (viết tắt là m), độ dài của nó được thể hiện bởi độ dài của bước sóng ánh sáng. Mét là độ dài bằng 1650763,73 độ dài sóng phát ra trong chân không của nguyên tử Kripton 86, tương ứng với việc chuyển giữa các mức 2p10 và 5d5 . Theo định luật phát xạ của Plank, thì việc chuyển của nguyên tử từ mức năng lượng này đến mức năng lượng khác tương ứng với độ dài bước sóng và tần số nhất định mà tổ hợp của chúng xác định phổ của nguyên tử đó. Độ ổn định của độ dài sóng của một đường của phổ ấy rất cao. Vì vậy chuẩn cấp một quốc gia phải là một nguồn phát xạ Kriptôn 86. Tiếp đến là máy đo interferômét chuẩn số đo độ dài, đó là chuẩn thứ cấp. Một máy quang phổ kế để nghiên cứu nguồn phát xạ của các chuẩn. Sai số của chuẩn độ dài theo phương pháp này không vượt quá 1.10-8. Ngoài ra sử

10

dụng kĩ thuật laze có thể chế tạo được những máy đo độ dài với sai số đạt tới 10-7 và nhỏ hơn nữa. 2. Chuẩn đơn vị khối lượng Kilôgram (viết tắt là kg) - là đơn vị khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilôgram quốc tế đặt tại trung tâm mẫu và cân quốc tế ở Pari. Các nước muốn có chuẩn cấp 1 đều phải chế tạo một mẫu y hệt như vậy. Ví dụ : Chuẩn của Cộng hoà liên bang Nga chế tạo năm 1883 là mẫu số 12. Là một khối hình trụ có chiều cao đúng bằng đường kính chế tạo từ hợp chất platin-iriđi (giống như chuẩn quốc tế). Chuẩn này được giữ ở nhiệt độ 20 30C và độ ẩm không khí 65 %. Năm 1954 khi kiểm tra lại chuẩn này có khối lượng là 1 + 8,5.10-8 kg. Chuẩn kilôgram có độ ổn định rất cao. Sau 60 năm khối lượng của nó thay đổi chỉ 1,7.10-8 kg. Nhược điểm của chuẩn loại này là chỉ có một cái duy nhất nên việc truyền chuẩn sẽ gặp khó khăn. Vì vậy mà ngày nay người ta tìm cách khác tạo ra chuẩn bằng cách đếm số lượng phân tử của vật chất (ví dụ nước) trong điều kiện chân không cao, của một số thể tích nhất định sau đó nén và hoá lỏng nó. Qua số lượng các phân tử ta có thể xác định được khối lư-ợng. Tất nhiên ta phải tạo được một loại nước siêu sạch. Cũng có thể dùng cách khác : điện áp và dòng điện có thể xác định qua các hằng số vật lí. Theo hai đại lượng này có thể xác định năng lượng mà có thể biểu diễn thông qua khối lượng. Như thế khối lượng có thể tạo ra dựa trên các phương trình vật lí cơ bản theo các hằng số vật lí. Sai số của chuẩn cấp một về khối lượng phải đạt 2.10-9 kg. 3. Chuẩn đơn vị thời gian Đơn vị thời gian - giây (viết tắt là s) là đơn vị đã được xác định từ xa xưa ở Babilon người ta đã chia ngày ra giờ, giờ ra phút, và phút ra giây.

Năm 1960 đã xác định lại định nghĩa về giây là đại lượng bằng 9747,31556925

1 của

năm 1900. Đến năm 1967 ở hội nghị quốc tế thứ XIII về mẫu và cân quy định: Đơn vị thời gian - giây là khoảng thời gian của 9192631770 chu kì phát xạ tương ứng với thời gian chuyển giữa hai mức gần nhất ở trạng thái cơ bản của nguyên tử Xêzi 133. Sự ổn định của tần số chuẩn Xêzi được bảo đảm bởi sự không đổi của năng lượng chuyển của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng này đến trạng thái năng lượng khác khi không có từ tr-ường ngoài.

Sai số của chuẩn cấp một phải nhỏ hơn 3.l0-12s.

4. Chuẩn đơn vị dòng điện. Bắt đầu từ hội nghị thứ IX về chuẩn và cân đưa ra quyết định về: ampe chuẩn đơn vị dòng điện như sau : Ampe - viết tắt là A, là lực sinh ra của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng có thiết diện tròn không đáng kể đặt song song với nhau, cách nhau 1 m. trong chân không. Lực này bằng 2.10-7 N trên mỗi mét chiều dài. Thiết bị để tạo ra dòng điện chuẩn là cân dòng điện (xem ~2-4) Sai số của chuẩn dòng điện có thề đạt tới 4.10-6 A. 5. Chuẩn đơn vị nhiệt độ Đớn vị của nhiệt độ là Kelvin viết tắt là K đã được thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân lần thứ XII - đó là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần của nhiệt độ đông của điểm thứ ba của nước . Điểm thứ ba của nước là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng và hơi.

11

Cùng với nhiệt độ tuyệt đối K còn dùng khái niệm nhiệt độ Xensin 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ K và nhiệt độ 0C như sau : t0C = T K - 273,15 K t - nhiệt độ Xensin 0C T - nhiệt độ Kelvin K 273,15 K - là nhiệt độ của điểm tan của băng theo Kelvin. 6. Chuẩn đơn vị cường độ ánh sáng Đơn vị cường độ ánh sáng là Candela viết tắt là Cd - đó là cường độ ánh sáng toả ra từ bề mật của một diện tích bằng l/600000 m2 theo phương vuông góc với bề mặt ấy khi nhiệt độ nguồn phát sáng bằng nhiệt độ đông đặc của platin và áp suất bằng 101325 Pa , ( 1 atm = 1,01.105 Pa) . Nguồn phát sáng trong chuẩn ánh sáng là ống bằng tôri ôxit đựng platin nóng chảy Sai số của chuẩn phải không quá 2.10-3 Cd. 7. Chuẩn đơn vị số lượng vật chất Đơn vị số lượng vật chất là mol trước đây được coi là khối lượng và được tính bằng gam bằng trọng lượng phân tử. Ngày nay người ta quan niệm rằng mol dựa trên cơ sở cấu trúc rời rạc của vật chất (vật chất bao gồm các phân tử, nguyên tử v.v.) bao gồm một số nhất định các phân tử cơ bản ấy tạo thành. Ví dụ mol có thể được quy định như là số các phân tử hay nguyên tử chẳng hạn. Cho nên cần thiết phải đưa ra khái niệm đơn vị số lượng vật chất trong thực tế đo lường và tính toán. Năm 1971 ở hội nghị quốc tế lần thứ XIV về mẫu và cân quy định là Mol là số lượng vật chất có chứa bao nhiêu phân tử (hay nguyên tử, các hạt) thì bấy nhiêu nguyên lử chứa ở trong 12C với khối lượng là 0,012kg. Ta có thể tạo ra đơn vị số lượng vật chất bằng cách đốt các bon (than). Khi đốt 0,012kg 12C trong ôxi sạch ta nhận được đúng bằng 1 mol phân tử khí ôxít các bon. Như vậy mol có liên quan đến đơn vị khối lượng là gram (g) và có thể thay thế cho gram khi cần thiết. Tương tự như vậy kilomol có thể thay thế cho kg. 1.2 . CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐO LƯỜNG Trong kĩ thuật đo lường có chứa đựng các đặc trưng sau đây: đại lượng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận, kết quả đo Các đặc trưng này là những yếu tố cần thiết không thể thiếu được của kĩ thuật đo lường sau đây chúng ta sẽ xét từng đặc trưng một 1.2.l. Đại lượng đo a. Định nghĩa: Đai lượng đo là một thông số đặc trưng (đại lượng vật lí cần đo). b. Phân loại : + Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành hai loại là đại lượng đo định trước và đại lượng đo ngẫu nhiên - Đại lượng đo định trước là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng nhưng một (hoặc nhiều) thông số của chúng chưa biết cần phải đo. Ví dụ: Cần phải đo độ lớn (biên độ) của tín hiệu hình sin . Đại lượng đo định trước thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số cần đo thường là biên độ, tần số, góc pha v.v. của tín hiệu đo. - Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. 14

12

Nếu ta lấy bất kì giá trị nào của tín hiệu thì ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế đa số các đại lượng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết (tức là đại lượng đo định trước), hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm. Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo được bằng các phép đo thông thường. Trong trường hợp này phải sử dụng một Phương pháp đo đặc biệt, là đo thống kê + Theo cách biến đổi đại lượng đo, có thể chia thành đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tương tự, đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số hoá . - Đại lượng đo tương tự là đại lượng có thể biến đổi thành đại lượng khác biến đổi tương ứng - Đại lượng đo số hoá là đại lượng biến đổi từ đại tương tự thành đại lượng số, dùng đụng cụ đo số để xác định. + Theo bản chất của đại lượng đo có thể chia thành : - Đại lượng đo động : Các đại lượng này được đo khi mạch hoạt động như sức điện động, điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng , từ thông, cường độ từ trường - Đại lượng đo tĩnh : là các đại lượng chỉ các thông số của mạch điện không có điện, như đo điện trở. - Đại lượng không điện : để đo bằng phương pháp điện phải biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện thông qua các bộ biến đổi đo lường sơ cấp. Từ đó nhận sự thay đổi của các đại lượng không điện. 1.2.2. Điều kiện đo Các thông tin đo lường bao giờ cũng có liên hệ với môi trường xung quanh . Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo. Ta lấy một ví dụ sau :

Để đo cường độ dòng điện ta dùng ampemét, (hình 1.1). Dòng điện cần đo là I = R

U .

Hình 1.1. Đo dòng điện

Nhưng khi mắc ampemét vào để đo vì điện trở của ampemét là RA cho nên dòng điện thực tế đo được sẽ là:

Iđo =ARR

U

Vậy sai số của phép đo sẽ là:

13

= R

R

RR

U

R

U

RR

U

I

II A

A

A

do

do

Như vậy muốn cho phép đo dòng điện được chính xác thì RA phải có giá trị rất nhỏ. Vậy điều kiện để đo dòng điện là RA phải càng nhỏ càng tốt. Ngoài ra ta phải chú ý đến môi tr-ường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trường ngoài là: nhiệt độ, độ ẩm của không khí, từ trường bên ngoài, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn v.v. Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn bảo đảm độ chính xác quy định. Đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các đặc tính kĩ thuật của nó. Trong thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đó đi xa, tự động ghi lại và gia công tín hiệu đo. Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau. Để chọn thiết bị đo và tiến hành các phép đo cho tốt nhất. 1.2.3. Thiết bị đo và phương pháp đo Thiết bị đo là bộ phận dùng để thu nhận tín hiệu mang thông tin đo lường và biến đổi chúng thành dạng thuận tiện cho người quan sát. Thiết bị đo lường gồm nhiều loại đó là: thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường, các tổ hợp thiết bị đo lường và các hệ thống thông tin đo lường. Mỗi loại thiết bị đều có chức năng riêng . Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các ph-ương pháp thu nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nhau đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu v.v...Phương pháp đo có thể có nhiều, nhưng người ta đã phân loại thành hai loại đó là phương pháp đo biến đổi thẳng, và phương pháp đo so sánh.

1.2.4. Người quan sát Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo là phải nắm đ-ược phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng; kiểm tra điều kiện đo; phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp; chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn sau cùng là nắm được các phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công (có thể bằng tay hay dùng máy tính) số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê.

1.2.5. Kết quả đo Kết quả đo là các số liệu thu được sau phép đo. Đó là tập hợp các số liệu gần với giá trị thực nên được gọi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Nghĩa là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo. Đó là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng. Sai số của phép đo có một vai trò rất quan trọng trong kĩ thuật đo lường. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không .

14

Có nhiều nguyên nhân gây nên sai số. Trước hết là do phương pháp đo không hoàn thiện. Sau đó là do sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài những điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo đã chọn. Ngoài ra còn những yếu tố khác nữa như do dụng cụ đo không còn đảm bảo chính xác nữa, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách sắp đặt dụng cụ do không đúng quy định v.v. Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi, ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Việc gia công kết quả đo, theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng máy tính hay bằng tay, để dạt được kết quả mong muốn.

1.3. THIẾT BỊ ĐO.

1.3.1. Phân loại thiết bị đo

a. Căn cứ vào dạng tín hiệu của bộ chỉ thị :

Bộ chỉ thị thông dụng nhất là đồng hồ. Có thể chia đồng hồ thành hai loại : Đồng hồ đo liên tục (tương tự): Là loại đồng hồ mà số chỉ của nó là hàm số liên tục của sự biến đổi đại lượng cần đo, đặc tính của nó được thể hiện trong, hình1.1.a Đồng hồ đo gián đoạn (số): Là loại đồng hồ mà số chỉ của nó chỉ trùng với số chỉ của đối tượng tại những thời điểm nhất định (thời điểm chích mẫu) và có số chỉ thường được biểu diễn dạng chữ số, đặc tính của nó được thể hiện trong , hình1.1.b

t(0C) t(0C)

Trị thực Trị thực Trị đo Trị đo

1 2 Hình 1.1a Hình 1.1b

b. Căn cứ vào cách phản ánh trị số cần đo của bộ chỉ thị:

+ Đồng hồ chỉ thị: Là loại đồng hồ mà có thể xác định bằng mắt các chỉ số, tham số cần đo (vệt sáng, kim chỉ….) bao gồm hai loại: - Loại cố định: là loại đồng hồ được gắn cố định trong bảng, tủ điều khiển - Loại di động: là loại đồng hồ có thể xách tay(loại lưu động) + Đồng hồ tự ghi: Là đồng hồ có bộ phận tự ghi lại các trị số tức thời của tham số cần đo, ghi lại bằng đồ thị hàm số của thời gian trên băng giấy hoặc đĩa từ.

15

+ Đồng hồ tích phân: Là loại đồng hồ cho giá trị tổng cộng của tham số cần đo trong một khoảng thời gian nào đó, thường được dùng để đo lưu lượng vật chất (dầu, nước, hơi…). + Đồng hồ tín hiệu : Là loại đồng hồ cho ta tín hiệu ánh sáng hoặc âm thanh khi tham số cần đo đi vượt ra ngoài 1 giá trị nào đó. Tuỳ theo điều kiện cụ thể khi sử dụng mà có thể kết hợp nhiều loại đồng hồ với nhau.

c. Căn cứ vào công dụng:

+ Đồng hồ chuẩn: Là những đồng hồ dùng cho mục đích giữ chuẩn quốc gia và được chia thành các cấp khác nhau như đồng hồ chuẩn cấp I, cấp II, cấp III. + Đồng hồ mẫu: Là những loại đồng hồ có cấp chính xác kém hơn đồng hồ chuẩn , dùng làm mẫu cho các đồng hồ làm việc. + Đồng hồ làm việc: Là các loại đồng hồ kỹ thuật dùng trên cơ sở sản xuất hay trong thí nghiệm, kiểm tra… Ngoài ra người ta còn căn cứ vào kích thước hay tham số cần đo để phân loại đồng hồ.

1.3.2. Các tham số đặc trưng cho phẩm chất của đồng hồ.

a. Sai số và cấp chính xác. + Sai số tuyệt đối:

= Ac -Ađ (1.2) trong đó :

- là sai số tuyệt đối ứng với số đo đó của đồng hồ. Ac - là chỉ số chỉ của đồng hồ. Ađ - là chỉ số đúng của đồng hồ.

+ Sai số tương đối:

dAAA dC

d

0

(1.3)

do Ađ thường không xác định được vì phải dùng đồng hồ có cấp chính xác cao hơn vài lần nên người ta đưa ra 0’

100%.C

0'

(1.4)

+ Sai số qui dẫn (tính đổi)

%100.AA minmax

(1.5)

trong đó: Amax : hạn đo trên của đồng hồ Amin : hạn đo dưới của đồng hồ Amax-Amin: khoảng đo của đồng hồ

16

+ Cấp chính xác:

Để đánh giá mức độ chính xác người ta đưa ra khái niệm cấp chính xác “ k ” của đồng hồ. Người ta gọi theo số chỉ sai số qui dẫn lớn nhất của đồng hồ.

Ví dụ : % = 1,5% cấp chính xác k = 1,5 Theo TCVN: (1 ; 2 ; 2,5 ; 4 ; 5 ; 6).10n ; cấp chính xác: k = 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 2,5

+ Sai số cho phép: Là sai số lớn nhất của đồng hồ mà ở điều kiện bình thường sai số của bất kỳ vạch chia độ nào không được phép vượt quá theo tiêu chuẩn cho phép để giữ được cấp chính xác của đồng hồ. + Sai số cơ bản: Là sai số của đồng hồ khi làm việc trong điều kiện bình thường(điều kiện này thường được qui định trong lý lịch của đồng hồ). + Sai số phụ: Là sai số do điều kiện đo lường biến đổi khác với điều kiện bình thường gây nên.

Chú ý: Giá trị đúng của đồng hồ thường không được lấy chính xác nên phải cộng thêm số bổ chính của đồng hồ vào trị số chỉ của đồng hồ và nó có giá trị bằng trái dấu của sai số tuyệt đối.

Ac + b = Ađ (với b = -)

b .Biến sai (Hồi sai).

Biến sai là độ sai lệch lớn nhất giữa các lần đo khi đo nhiều lần cùng một tham số cần đo trong cùng một điều kiện đo lường như nhau (thông thường biến sai được tính theo % so với khoảng đo của đồng hồ).

Ví dụ : t1 = 100,22 ; t2 = 99,62 ; t3 = 99,82 ta có biến sai trong trường hợp này là: 100,22 - 99,62 = 0,6 % Tất nhiên biến sai không được vượt quá sai số cho phép của đồng hồ. Đây là tính chất đặc trưng cho độ ổn định số chỉ của đồng hồ, nguyên nhân làm xuất hiện là do các khe hở trong các đồng hồ bộ phận làm việc trong đồng hồ, do ma sát, do ảnh hưởng của độ không cân bằng các phần tử và ở các đồng hồ điện tử thì do sự trôi các “điểm không ” .

c. Độ nhạy

Đặc tính tĩnh: Biểu thị quan hệ giữa chế độ ra và vào của đồng hồ. Đặc tính động: Biểu thị sự thay đổi tín hiệu vào và ra theo thời gian. Độ nhạy (ký hiệu S) :

xy

lim0x

S (1.6)

Nếu gọi C là gía trị của 1 độ chia trên thước chia độ thì:

17

S

1C (1.7)

Khi thiết kế chú ý sao cho đường đặc tính tĩnh càng dốc càng tốt. Độ nhạy không phụ thuộc vào cấp chính xác của đồng hồ vì nếu cấp chính xác càng cao thì độ nhạy càng kém.

d. Hạn không nhạy

- Là mức độ biến đổi nhỏ nhất của tham số cần đo để cho bộ phận chỉ thị bắt đầu làm việc.

- Nguyên nhân: Do những vấn đề liên quan đến quán tính, ma sát, hệ số khuếch đại của hệ thống.

e. Kiểm định tính năng làm việc của đồng hồ.

Các đồng hồ sau một thời gian làm việc và sử dụng thì phải được kiểm tra lại xem có đủ chất lượng làm việc không. Thực chất là so sánh số chỉ của đồng hồ mẫu với đồng hồ có cấp chính xác cao hơn để kiểm tra chất lượng của nó. Qui trình phải được tuân theo TCVN và kết quả cũng phải được ghi theo mẫu của TCVN.

1.3. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 1.3.1. Sai số của phép đo Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây nhiều sai số. Những sai số này gây ra bởi những yếu tố sau: - Phương pháp đo được chọn. - Mức độ cẩn thận khi đo. - Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lợng đo mà có sai số. Đó là sai số của phép đo. Nhưng giá trị chính xác (giá trị đúng) của đại lượng đo thường không biết trước, cho nên khi đánh giá sai số của phép đo thường ta sử dụng giá trị thực Xth là giá trị đại lượng đo xác định được với một độ chính xác nào đó. Tức là ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo. Xác định sai số của phép đo tức là xác định độ tin tưởng của kết quả đo - là một trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường học. Ta có thể phân loại sai số của phép đo như sau: a. Theo cách thể hiện bằng số có thể chia thành: 1. Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth X = X – Xth (1.9)

2. Sai số tương đối x được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị thực

x = 100.100

X

X

X

X

th

(1.10)

18

Vì Xth và X gần bằng nhau. Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng của phép đo. Sai số tính được có dấu dương (+) nghĩa là kết quả đo được vượt quá giá trị thực. 3. Độ chính xác của phép đo được định nghĩa như là một đại lượng nghịch đảo của môđun sai số tương đối:

=

1

X

X th (1.11)

Sai số của phép đo bằng 10-5 thì độ chính xác bằng 105.

b. Theo nguồn gây ra sai số có thể chia thành : 1. Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo và sự không chính xác của biểu thức lý thuyết dẫn tới kết quả đo bị sai. Sai số phương pháp bao gồm sai số do sự tác động của dụng cụ đo lên đối tượng đo, sai số liên liên quan đến sự không chính xác của các thông số của các đối tượng đo vv… 2. Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó có liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo 3. Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng . Ví dụ do mắt kém , đọc lệch , do lơ đãng , do cẩu thả vv… Khi dùng dụng cụ đo hiện số, sai số này giảm bớt ít mắc phải 4. Sai số bên ngoài ( hay sai số khách quan):là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo . Ví dụ sự biến động của nhiệt độ , áp suất, độ ẩm của môi trường bên ngoài vượt quá điều kiện tiêu chuẩn c. Theo quy luật xuất hiện của sai số có thể chia thành các loại : 1. Sai số hệ thống Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng . Quy luật thay đổi có thể là một phía (dương hay âm), có chu kì hay theo một quy luật phức tạp nào đó Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh "0" không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm đo v.v… Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác . Việc phân tich các nguyên nhân có thể xuất hiện sai số hệ thống tức là tìm phương pháp phát hiện và loại trừ chúng là một trong những nhiệm vụ cơ bản của mỗi phép đo. Việc phát hiện sai số hệ thống là phức tạp, nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không khó khăn. Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách phân tích lí thuyết ; kiểm tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; kiểm chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau , sử dụng Phương pháp thế ; sử dụng

19

cách bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh hay một hệ số hiệu chỉnh . Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết qủa đo nhằm loại bỏ s ai số hệ thống Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống Trong thực tế không thể loại bỏ hoàn toàn sai số hệ thống. Việc gỉam ảnh hưởng sai số hệ thống có thể thực hiện được bằng cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên 2. Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất . Giá trị và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như không thể xác định được. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng toán học thống kê và lí thuyết xác suất. Sai số ngẫu nhiên còn chứa cả sai số thô là loại sai số vượt quá kì vọng toán học của sai số trong điều kiện đã cho. Nó thường xuất hiện khi có sự thay đổi rất lớn các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Còn các sai số quá lớn làm thay đổi hẳn kết quả đo thường do đụng cụ đo bị hỏng, do sai lầm của người thao tác thường được loại trừ ngay khi xử lí kết quả đo. Như vậy sai số của phép đo gồm hai thành phần là sai số ngẫu nhiên , thay đổi một cách ngẫu nhiên khi đo

nhiều lần cùng một giá trị đại lượng đo và sai số hệ thống là thành phần sai số không đổi hay thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần. Trong quá trình đo các sai số hệ thống và ngẫu nhiên xuất hiện đồng thời và sai số phép đo được biểu diễn dưới dạng tổng của hai thành phần đó: X = + (1.12) Để nhận được các kết quả sai lệch ít nhất so với giá trị thực của đại lượng đo người ta tiến hành đo đại lượng đo nhiều lần và thực hiện gia công toán học các số liệu nhận được sau khi đo. 1.3.2. Tính toán sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên xuất hiện khi đo nhiều lần một điểm đo, nghĩa là khi thực hiện phép đo theo cùng một phương pháp bằng những thiết bị có độ chính xác như nhau với điều kiện bên ngoài không đổi. Dựa vào số lớn các giá trị đo được ta có thể xác định quy luật thay đổi của sai số ngẫu nhiên nhờ sử đụng các phương pháp toán học thống kê và lí thuyết xác suất. Nhiệm vụ của việc tính toán sai số ngẫu nhiên là phát hiện sự biến động của kết quả nhận được tức là chỉ rõ giới hạn thay đổi của sai số của kết quả đo khi nhắc lại phép đo nhiều lần. Đặc tính chung nhất cho sai số ngẫu nhiên và đại lượng ngẫu nhiên bất kì nào là luật phân bố xác suâí của chúng, nó được xác định bởi các giá trị có thể của sai số ngẫu nhiên và xác suất xuất hiện của chúng. Phần lớn các phép đo các đại lượng vật lí có sai số ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối chuẩn luật Gauxơ (Gauss). Nó dựa trên giả thiết: các sai số ngẫu nhiên có cùng giá trị (độ lớn) thì có cùng xác suất ; có giá trị nhỏ thì xác suất xuất hiện lớn và giá trị lớn thì xác suất nhỏ. Nếu sai số ngẫu nhiên vượt quá một giá trị nào đó thì xác suất xuất hiện sẽ hầu như bằng không và giá trị trung bình của tất cả sai số ngẫu

20

nhiên sẽ tiến tới "không" khi số lượng các lần đo tăng lên đến vô cùng. Sai số ngẫu nhiên của lần đo thứ i có thể coi là hiệu giữa kết quả đo x và kì vọng toán học mx của nó:

= x – mx (1.13)

Hàm phân bố vi phân thường dễ dùng hơn hàm phân bố tích phân bởi vì điểm cực đại của hàm phân bố vi phân thường trùng với giá trị thực của đại lượng cần đo. Mật độ phân bố xác suất chuẩn của sai số ngẫu nhiên hay là hàm phân bố vi phân chuẩn w() được biểu diễn bởi công thức:

W() = 2

1 2

2

2

)(

xmx

e

=

2

5,0

2

1

e (1.14)

ở đây: - sai số ngẫu nhiên tuyệt đối - độ lệch bình quân phương Phương sai D của sai số ngẫu nhiên bẵng phương sai của các kết quả đo, được định nghĩa là kỳ vọng toán học của bình phương sai số ngẫu nhiên và đặc trưng cho sự sai lệch của kết quả đo vì có sai số ngẫu nhiên :

D = 2 =

dW ).(2 (1.15)

Trong thực tế thường tiện sử dụng khái niệm độ lệch bình quân phương = D có thứ nguyên của đại lượng ngẫu nhiên . Từ công thức (1.15) và các đường cong phân bố đối với hai giá trị 1 và 2 được vẽ trong hình 1.2. Thấy rằng khi giảm thì các giá trị đocó sai số nhỏ sẽ tăng. Tức là càng gần đến giá trị thực của đại lượng đo hay là càng giảm tán xạ của kết quả đo .

Xác suất rơi của sai số ngẫu nhiên vào trong một khoảng nào đó cho trước l và 2 bằng :

p =

2

1

).( dW =

de ..

2

12

2

1

5,0

(1.16) xác suất rơi của kết quả đo hay là sai số ngẫu nhiên vào khoảng cho trước bằng diện tích giới hạn bởi đường cong phân bố, trục hoành và hai đường thẳng đứng giới hạn khoảng đó.

Hình 1.2. Luật phân bố xác suất

chuẩn của sai số ngẫu nhiên Việc tính toán xác suất theo (1.16) là khó khăn , nên thực tế người ta sử dụng luật phân bố chuẩn nhưng đã được chuẩn hoá.

21

Nếu đưa vào một hệ số k = 1,2 / , sau đó lập bảng các giá trị xác suất đáng tin cậy p ( là xác suất của khoảng sai số, hệ số tin cậy) là một hàm của hệ số k = (k) được tính theo biểu thức:

p = (k) =

k t

dte0

2 ..2

2

(1.17)

0 (k) 1 (1.18) Như vậy để tính sai số ngẫu nhiên 1,2 = 1 - 2 , nhất thiết phải tìm được các giá trị và k. Hệ số k thường được xác định bằng xác suất đã cho p và dạng của luật phân bố xác suất của sai số ngẫu nhiên. Giá trị lí thuyết của hệ số k khi luật phân bố của sai số ngẫu nhiên là chuẩn có các giá trị sau đây tuỳ thuộc vào xác suất P (bảng 1.3) Bảng 1.3

p… …0,5 0,68 0,95 0,98 0,99 0,997 k… ..0,667 1 2 2,33 2,58 3

Để tính sai số ngẫu nhiên người ta thường chọn: 1,2 = , nghĩa là k = 1. - Đôi khi ta cũng chọn 1,2 = (2/3) , tức k = 0,667 đối với một số phép đo. - Sai số lớn nhất có thể mắc phải là 1,2= 3 , tức k = 3. Khi 1,2 = (2/3) , nghĩa là sự xuất hiện của sai số ngẫu nhiên trong và ngoài khoảng (2/3) sẽ đồng xác suất, tức là 50% xác suất xuất hiện của sai số ngẫu nhiên sẽ có giá trị nhỏ hơn (2/3) , còn 50% sẽ lớn hơn (2/3) . Còn khi 1,2= 3 , nghĩa là số giá trị sai số ngẫu nhiên lớn hơn 3 chỉ chiếm 0,3% , còn số nhỏ hơn chiếm 99,7%. Vì thế khoảng 3 trong trường hợp phân bố chuẩn là khoảng đủ để cho kết quả đo đáng tin cậy. Nghĩa là trong thực tế kĩ thuật đo việc xuất hiện sai số

lớn hơn 3 hầu như không có. Trong thực tế của kĩ thuật đo người ta còn dùng luật phân bố đều của sai số ngẫu nhiên, tức là hàm mật độ phân bố w() không đổi trong khoảng (+, -) và bằng "0" ngoài khoảng đó.

1.4. XÂY DỰNG BIỂU THỨC THỰC NGHIỆM

Khi đã có các kết quả đo đạc các đại lượng cần phải tìm mối quan hệ giữa chúng, tức là quy luật biến đổi của các đại lương liên quan. Việc xác định mối quan hệ đó chính là xây dựng biểu thức thực nghiệm. Có nhiều phương pháp xây dựng biểu thức thực nghiệm từ kết quả đo đạc. Dưới đây ta sẽ khảo sát một số phương pháp đó 1.4.1. Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính . Phương trình đường cong tuyến tính là

22

y= a.x + b (1.19) Trước tiên bằng cách tính hệ số tương quan ta đi đến khẳng định là với các số liệu đo đư-ợc thì giữa X và Y tồn tại một mối tương quan tuyến tính (tức là gần bằng 1). Trong trường hợp này sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu là chính xác nhất. Ngoài ra ta cũng có thể sử dụng hai phương pháp khác không chính xác bằng nhưng lại đơn giản hơn a. Phương pháp kẻ đường thẳng Phương pháp kẻ đường thẳng còn gọi là phương pháp kéo chỉ. Sau khi biểu diễn tập hợp giá trị thực nghiệm các điểm đo trên đồ thị x, y , ta kẻ áng chừng một đường thẳng nằm giữa miền phân bố của các điểm đo được, hình 1.3. Lấy 2 điểm bất kì xác định (xl,yl) và (x2, y2) trên đường thẳng đó. Hai điểm này phải thoả mãn phương trình (1.19) tức là :

Hình 1.3

yl = ax1 +b y2 = ax2 +b Tiếp đến ta giải hệ phương trình trên để xác định các hệ số a và b, rồi thay các giá trị a, b thu được vào (1.19) ta có biểu thức thực nghiệm cần tìm.

b. Phương pháp trung bình Giả sử kết quả có được thể hiện ở bảng bảng 1.4 Bảng 1.4

X x1 x2 x3 … xn

Y y1 y2 y3 … yn

Vì mỗi phép đo đều mắc phải một sai số cho nên tuy rằng giữa x và y theo lí thuyết khẳng

định có mối quan hệ tuyến tính dạng (3-53), nhưng nói chung thì :

yi axi + b (1.20) Trong trường hợp này ta có sai số :

i = yi- (axi + b) (i= 1, 2,…,n) (1.21) Nếu ta chọn các giá trị a, b sao cho đối với tất cả n phép đo tổng sai số bằng không tức là

:

23

01

n

ii (1.22)

Nghĩa là ta có một phương trình (1.22) nhưng lại có 2 ẩn số là a và b. Do dó để có phương trình ứng với 2 ẩn số ta chia số lượng phép đo n thành hai nhóm : (1 m) và (m+1n) bằng nhau ( hay gần bằng nhau) . Từ đó có hệ hai phương trình :

m

iii baxy

1

0)(

n

miii baxy

1

0)(

m là số phép đo bất kỳ trong nhóm một ( cho m = 2

n )

Từ đó viết lại :

m

i

m

iii ymbxa

1 1

.

n

mi

n

miii ybmnxa

1 1

).(. (1.23)

giải hệ này sẽ tìm được a và b , rồi thay vào (1.19) sẽ được biểu thức thực nghiệm 1.4.2. Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến

Sau khi tính hệ số tương quan tuyến tính , nêú có giá trị tuyệt đối nhỏ (gần bằng 0) điều đó có nghĩa là giữa x và y không có mối quan hệ tuyến tính mà là phi tuyến. Quan hệ đó có thể ở dạng đa thức : y = ao + a1x + a2x

2 +...+amxm (1.24) Trong trường hợp đó ta áp dụng các phương pháp sau : a. Phương pháp bình phương cực tiểu Theo trục Ox, Oy ta xây dựng đường cong thực nghiệm (bằng quan sát) từ các điểm đo đư-ợc nếu đường cong như có dạng bậc hai (đường parabôn), bậc ba, hay đa thức bậc cao hơn vv…: ta sẽ chọn hàm tương ứng đó. Sau đó áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu để tính các hệ số của các hàm đó. Nội dung của phương pháp bình phương cực tiểu là xác định các hệ số của đa thức bậc cao, sau đó kiểm tra lại, bằng cách tính độ lệch bình quân phương S sao cho nhỏ nhất theo biểu thức :

n

k

mkmkkk xaxaxaaxfS

1

22210 min)....()( (1.25)

Sau đó tính S , nếu S nhỏ hơn hay bằng sai số đã cho là được. Trường hợp ngược lại ,

phải tăng bậc của đa thức đã chọn lên một bậc và tính lại từ đầu.

24

b. Phương pháp kẻ đường thẳng và phương pháp trung bình Tương tự như trường hợp đường thẳng, ở đây ta cũng có thể áp dụng phương pháp kẻ đường thẳng (còn gọi là kéo chỉ) và phương pháp trung bình cho đường phi tuyến bằng cách dự đoán trước dạng của đường cong phi tuyến một cách tương đối chính xác , sau đó dùng các phương pháp này để tính các hệ số của nó. Các phương pháp này đơn giản thuận tiện nhưng độ chính xác không cao bằng phương pháp bình phương cực tiểu. c. Phương pháp tuyến tính hoá Trường hợp đường cong không có dạng đa thức mà có dạng hàm mũ như y = A.xB , y=A.e-

B.x hoặc dạng hàm logarit như y = Alnx…thì có thể đưa về dạng đường thẳng bằng cách biến đổi : a.(x) + b.(y) +c = 0 (1.26) Trong đó : a, b, c - là các hệ số hằng (x) và (x) - trên trục Ox và Oy được gọi là thang đo có quan hệ hàm. Như thế trên mạng lưới hàm được xây dựng bằng các thang đo có quan hệ hàm ta nhận đư-ợc hàm dạng (1.26) là một đường thẳng. Thực chất của việc làm này là biến đổi từ không gian phi tuyến thành không gian tuyến tính. Dĩ nhiên với các đường phi tuyến dạng đa thức ta cũng hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này. Để làm rõ các phương pháp này ta xét một số ví dụ sau đây : Ví dụ 1 : Nếu đường cong thực nghiệm có dạng parabôn (đa thức) y = ax2 + b (1.27)

Bằng cách cho y = x2 , = y ta đưa (1.27) về dạng : = ay + b (1.28) Như vậy ta đã đưa phương trình (1.27) về dạng (1.19) là một đường tuyến tính có hàm số là = y và đối số là y = x2. Bây giờ ta chỉ việc áp dụng các phương pháp trên (ví dụ : phương pháp bình phương cực tiểu) để tính các hệ số a, b một cách dễ dàng. Ví dụ 2 : Quan sát đồ thị của đường cong thực nghiệm ta thấy quan hệ giữa x và y có dạng : y = Ae-.x (1.29) Ta có thể đưa về dạng tuyến tính bằng cách lấy ln cả hai vế ta được : lny = lnA - .x hay x + lny - lnA = 0 (1.30)

25

So sánh (1.30) với dạng tổng quát (1.26) ta có :

a = , b = 1, c = -lnA (x) = x, (y) = ln y.

Với các kí hiệu này ta có thể viết lại (1.29) như sau : = ax + c (1.31) áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu ta tìm min của tổng bình phương của hiệu sau đây :

2

1

).(

n

kkk cxa = min (1.32)

chú ý rằng k = lnyk Từ đó dẫn đến hệ phương trình sau :

0.21

n

kkk cxa

0..21

k

n

kkk xcxa (1.33)

Giải hệ trên sẽ được các giá trị a và c, thay a = , c = -lnA , rồi tìm A. Thay , A vào biểu thức (1.29) , sẽ tìm được biểu thức giải tích của đường cong thực nghiệm. Ví dụ 3 : Đường cong thực nghiệm có dạng hàm mũ : y = A.xB. Lấy logarit có : lgy = lgA +B.lgx = 0 với a = B , b = -1 , c = lgA, (x) = lgx , (y) = lgy ta có : a (x) + b (y) +c = 0 hay : = a +c là đường tuyến tính bậc nhất Cách tính các hệ số a và c có thể tiến hành bằng các phương pháp trên. 1.4.3. Phương pháp tìm hệ số tương quan Trong kĩ thuật đo lường ta thường thực hiện những thực nghiệm xác định đường cong quan hệ giữa hai đại lượng X và Y hay là biểu thức giải tích về mối quan hệ giữa chúng. Quá trình này gọi là quá trình hồi quy. Giả sử kết quả thí nghiệm được lập bảng các giá trị yk tương ứng với các giá tri xk Bảng 1.4

X x1 x2 x3 … xn

Y y1 y2 y3 … yn

ở hình 1.4 a ta đánh dấu các các điểm biểu thị kết quả đo trên toạ độ đề các có trục hoành là x trục tung là y:

26

Hình 1.4a Hình 1.4b

Quan sát ở hình ta thấy giữa X và Y tồn tại một mối tương quan tuyến tính, vì tập hợp các điểm phân bố xung quanh một đường thẳng nào đấy. Các giá trị trung bình của x và y . Trong khi đó ở hình 1.4b hầu như giá trị x và y không có một mối tương quan nào cả, vì các điểm phân bố một cách lộn xộn trên mặt phẳng. Hay đúng hơn giữa X và Y có một mối quan hệ phức tạp nào đó khác với mối quan hệ đơn trị giữa hai biến. Như vậy giữa X và Y có thể có mối tương quan hay không. Muốn khảo sát xem giữa X và Y có mối tương quan hay không ta phải tính hệ số tương quan tuyến tính giữa hai đại lư-ợng ngẫu nhiên X và Y. Trong kĩ thuật đo lường nhiều đường cong là tuyến tính. Tức là để xác định giá trị trung bình của một đại lượng theo các giá trị của đại lượng kia ta có thể sử dụng phương trình tuyến tính có dạng:

xy = a + bx và yx = c + dy (1.34)

Từ các giá trị xk và tương ứng là yk (k = 1, 2, . . .n) từ bảng 1.1 ta hãy xây dựng đường cong thực nghiệm dạng tuyến tính: Y = a + bX (1.35) Các hệ số a, và b có thể tính được từ phương trình: a + bxk – yk = 0 (1.36) với n gía trị ta có :

n a + b 011

n

kk

n

kk yx (1.37)

Nhân (1.36) với

n

kkx

1

ta có:

a

n

kkx

1

+

n

k

n

kkkk yxx

1 1

2 .)( = 0 (1.38)

Ta để ý rằng :

27

xn

xn

kk

1 và y

n

yn

kk

1 (1.39)

Từ (1.37) nếu chia cho n ta có:

a + b. x - y = 0 (1.40)

Và nếu chia (1.38) cho n ta có :

0

.)(..11

2

1

n

yx

n

xb

n

xan

kkk

n

kk

n

kk

Vì Dx = 21

2

1

2

2 )(

)(

xn

x

n

xxn

kk

n

kk

x

nên 221 )(xn

x

x

n

k

kk

(1.41)

11 =

n

kkk yx

n 1

1,

và 11 = 11 - yx.

11 gọi là mômen ban đầu của phân bố của các đại lượng X , Y, là tổ hợp của hai đại lượng ngẫu nhiên , có các cặp xk yk có cùng xác suất ,

11 là mômen trung tâm đối với các đại lượng ngẫu nhiên quy tâm , 11 = M[ YX~

,~

]

trong đó :

xXX ~

; yYY ~

là các đại lượng ngẫu nhiên quy tâm. Khi đó phương trình (3.36) có dạng :

a. x+ b( 0).() 11

22 yxxx

hay :

0.)..( 112 xbyxbax (1.42)

với (1.40) có biểu thức trong ngoặc bằng 0 , nên từ (1.42) có hệ phương trình sau:

yxba .

112. xb

từ đây suy ra :

28

2

11

x

b

,

và

2

11

x

xya

Khi đó biểu thức thực nghiệm (1.35) theo bảng 3-5 có thể viết thành :

)(2

11 xXyYx

(1.43)

trong đó :

n

kkx

nx

1

1

n

kky

ny

1

1

n

kkx xx

n 1

222 )(1

yxyxn

n

kkk

1

11 .1

Tương tự có thể xây dựng biểu thức thực nghiệm của X và Y :

)(2

11 yYxXy

(1.44)

trong đó

n

kky yy

n 1

222 1

Theo các biểu thức nhận được có thể xác định Y theo X và ngược lại X theo Y: Chú ý. Ta cần chú ý khi thực hiện phép đo bao giờ cũng đặt một giá trị cố định. Ví dụ xk

chẳng hạn , sau đó tính giá trị trung bình kxy của một số m lần đo giá trị

mky tương ứng

với xk tức là :

m

yyyy kmkk

X K

...21

Kết quả sẽ được đưa vào bảng 1.2. Còn nếu cố định yk thì ta tính các giá trị Ykx

Hệ Số tương quan tuyến tính của hai đại lượng ngẫu nhiên X, Y được biểu diễn bằng biểu thức sau :

29

yx

11 (1.45)

Hệ số này là một đại lượng không có thứ nguyên và thay đổi trong phạm vi :

- 1 1 (1.46) Hệ số tương quan tuyến tính đặc trưng cho mối quan hệ tuyến tính giữa hai đại lượng ngẫu nhiên tức là khi một đại lượng ngẫu nhiên tăng hay giảm thì đại lượng ngẫu nhiên kia cũng sẽ tăng (hay giảm) theo nó bởi một quy luật tuyến tính - sự tăng hay giảm còn phụ thuộc

vào dấu. của giá trị _ Nếu > 0 (gọi là tương quan dương) thì cả hai đại lượng cùng tăng cùng giảm. Nếu < 0 (gọi là tương quan âm) thì khi đại lượng này tăng đại lượng kia sẽ giảm và ng-ược lại… Nếu = 0 có nghĩa là giữa hai đại lượng X và Y không có mối tương quan tuyến tính. Để làm sáng tỏ các lý tuyết đã nêu trên , xét một thí dụ cụ thể sau. Ví dụ : Trên một máy bay trực thăng ta đặt một dụng cụ đo Đ1 đo một thông số X nào đó của máy bay. Cần phải xác định mức độ ảnh hưởng của dao động vỏ máy bay khi đang bay, đến số chỉ của dụng cụ đo đó. Các thông số của dao động Y được đo bằng dụng cụ đo Đ2 Kết quả đo các thông số X và Y được ghi trong bảng 1.4 Bảng 1.5

x 72 94 87 86 62 82 84 92 72 67 y 201 206 177 203 129 209 251 225 104 154

Trên đồ thị của tọa độ đề các ta có các điểm như ở hình 1.5 gọi là trường tương quan. Quan sát trường tương quan ta có thể có cảm giác rằng giữa x và y có một quan hệ tuyến tính nào đó. Ta sẽ tính hệ số tương quan.

Hình 1.5

1 Xác định các giá trị trung bình :

30

n

kkx

nx

1

1 = 79,8

2x 6368

n

kky

ny

1

1= 185,9

2y = 34559

2. Xác đinh phương sai :

n

kkx xx

n 1

222 1 = 106,6 x = 10,3

2

1

22 1yy

n

n

kky

= 1826,7 y = 42,7

3. Tính mô men ban đầu :

11=

n

kkk yx

n 1

1= 15142

4. Tính mô men trung tâm

11= 11- yx. = 307,1

5. Tính hệ số tương quan tuyến tính :

= yx

11 0,7

Như vậy giữa các đại lượng ngẫu nhiên X và Y tồn tại một mối tương quan tuyến tính mạnh . Dựa trên kết quả tính toán này ta yên tâm đặt bỉểu thức giải tích cho các số liệu thực nghiệm trên là một đường thẳng : y = a + bx thường gọi là đường thẳng hồi quy. * Nếu kết quả tính hệ số tương quan nhỏ (ví dụ < 0,2 chẳng hạn) tức là giữa các đại lượng ngẫu nhiên X và Y không tồn tại mối tương quan tuyến tính mà là phi tuyên. Lúc đó đường hồi quy có thể là đa thức bậc 2, bậc 3 hay bậc m nào đó, tức là : y - ao + a1x + a2x

2 +...+amxm (1.47) Thực tế người ta thường nâng dần lên đến khi nào độ lệch bình quân phương giữa đường hồi quy và các giá trị đo được là nhỏ nhất. Đó là phương pháp bình phương cực tiểu. 1.4.4. Phương pháp bình phương cực tiểu

31

1. Đặt vấn đề Giả sử kết quả của một thực nghiệm được viết dưới dạng bảng 3-5 và mỗi điểm được biểu diễn theo tọa độ : x1y1. x2y2…xnyn (h.3-5) . Cần phải tìm hàm y = f(x) là biểu thức biểu thị mối quan hệ giữa hai đại lượng ngẫu nhiên X và Y của đối tượng đo. Để tìm được đường cong đó như trên đã đề cập đến trước tiên ta tính hệ số tương quan tuyến tính . Nếu xấp xỉ bằng 1 thì được y = f(x) là đường thẳng. Nếu nhỏ gần bằng 0 thì đường cong là phi tuyến . Ta có thể sử dụng các đa thức bậc hai, bậc ba hay bậc cao hơn . ở đây ta không thể sử dụng các đa thức kiểu nh pôlinôm Trebsev hay pôlinôm Niutơn bởi vì các điểm xk và yk là những đại lượng ngẫu nhiên, nếu hàm y = f(x) đi qua những điểm ấy thì nó không phản ảnh được quá trình vật lí thực mà ta làm thực nghiệm. Vì vậy mà ta chọn một đường cong nào đó không nhất thiết phải đi qua các điểm trên mà đi gần các điểm đó (h.3-5) nhưng nó lại phản ảnh được quá trình vật lí mà ta nghiên cứu. Để tìm được đường cong đó ta cần phải dựa vào một tiêu chuẩn nào đó. Giả sử ta chọn đường cong P(x) là đa thức (pôlinôm) bậc m chẳng hạn. P(x) = ao + a1x + a2x

2 + ... + amxm (1.48) Khi đó để xác định P(x) cần phải tính các hệ số ao , a1, a2 …. am . Để xác định ai ta sử dụng một tiêu chuẩn về độ chính xác nh sau : xác định tổng các bình phương hiệu giữa các hàm y = f(x) và P(x). Lúc đó ta thấy rằng P(x) phản ánh chính xác hơn cả quá trình vật lí mà ta cần nghiên cứu, nếu ta bảo đảm tổng tất cả bình phương của hiệu các hàm f(x) và P(x) là nhỏ nhất. Đây là nội dung của phương pháp bình phương cực tiểu . 2. Các bước thực hiện . Nội dung của phương pháp bình phương cực tiểu có thể biểu diễn bằng công thức toán học sau đây:

n

k

mkmkkk xaxaxaaxfS

1

22210 min)....()( (1.49)

Từ điều kiện trên đây ra cần phải tìm các hệ số ao a1 a2 ….am của đa thức (3-48). Để tìm được min ta cần phải lấy đạo hàm riêng theo các hệ số ao a1 a2 ….am và cho các đạo hàm đó bằng 0, ta có :

0.)....()(21

2210

0

n

k

mkmkkk xaxaxaaxf

a

S

0.)....()(21

2210

1

k

n

k

mkmkkk xxaxaxaaxf

a

S

0.)....()(2 2

1

2210

2

k

n

k

mkmkkk xxaxaxaaxf

a

S

…..

32

0.)....()(21

2210

mk

n

k

mkmkkk

m

xxaxaxaaxfa

S

áp dụng tính chất của tổng sẽ có :

n

k

mkmkk

n

kk xxaxaxaaxf

1

2210

1

)....()(

k

n

k

mkmkkk

n

kk xxxaxaxaaxxf .)....(.)(

1

2210

1

2

1

2210

2

1

.)....(.)( k

n

k

mkmkkk

n

kk xxxaxaxaaxxf

….

mk

n

k

mkmkk

mk

n

kk xxxaxaxaaxxf .)....(.)(

1

2210

1

Những đẳng thức trên đây có thể viết dưới dạng sau : ta để ý rằng : 01

0 naan

k

n

k

n

kk

mkm

n

kk

n

kk xfxaxaxana

1 11

22

110 )(...

k

n

k

n

kk

mkm

n

kk

n

kk

n

kk xxfxaxaxaxa .)(...

1 1

1

1

32

1

21

10

mk

n

k

n

kk

mkm

n

k

mk

n

k

mk

n

k

mk xxfxaxaxaxa .)(...

1 1

2

1

22

1

11

10

Có thể chỉ rõ rằng hệ thống phương trình có nghiệm vì đây là hệ phương trình đại số tuyến tính. Giải hệ phương trình này ta tìm được các hệ số ao a1 a2 ….am Để làm rõ phương pháp này ta lấy sau đây một ví dụ trong thực tế kĩ thuật đo lường. Ví dụ : Khi thiết kế một dụng cụ đo cần phải tìm mối quan hệ giữa nhiệt độ với điện trở của để bù sai số nhiệt độ của nó bằng cách đưa vào mạch đo một mạch bù. Khi thử nghiệm vật liệu của sun ta nhận được các giá trị điện trở của nó như ở bảng 1.7 Bảng 1.7

Số lần thí nghiệm

1 2 3 4 5 6

t0C +0,5 + 9,7 + 19,2 + 30,5 + 40,2 + 49,5

Ri , 1.01 1,02 1,07 1,13 1,18 1,26

Kết quả đọ được biểu diễn dưới dạng đô thị (h.1.6).

33

Hình.1-6

Quan sát qua đồ thị ta cũng thấy mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của sun là tuyến tính (điều này có thề khẳng định bằng cách tính được hệ số tương quan tuyến tính 1, như đã nêu ở mục trước. Tuy nhiên thực tế người ta đã biết được sự thay đổi của điện trở phụ thuộc nhiệt độ theo biểu thức sau đây: R = R0(1+.t) = R0 + t ; = R0 Như vậy có thể xác định R0 và theo biểu thức này. Theo phương pháp bình phương cực tiểu cần phải thực hiện điều kiện sau đây :

min).(1

2

0

StRRn

kkk

Từ điều kiện đó, lấy vi phân theo R0 và ta nhận được :

0.21

0

n

kkk tRR

0..21

0

k

n

kkk ttRR

hay :

n

kk

n

kk RtnR

110

n

kkk

n

kk

n

kk RttRt

11

20

1

.

giải hệ trên sẽ tìm được R0 và . Thay số vào hệ phương trình trên sẽ có : 6R0 + 149,6. =6,66 149,6. R0 + 5462,7. = 175,4

34

Giải ra được R0 = 0,96 ; = 0,0052.t C0

.

Vậy điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm : R = 0,96 + 0,0052.t Trong trường hợp tính được hệ số tương quan 0 tức là đường cong hồi quy p(x) là phi tuyến . Quan sát đường cong trên đồ thị ta có thể đoán trước được dạng đường cong thuộc đa thức bậc hai, bậc ba hay hàm exp vv… mà ta có thể cho trước dạng tương ứng đó . Ví dụ : Quan sát đồ thị ta thấy mối quan hệ giữa x và y có dạng : y = ao + alx + a2x

2 Theo phương pháp bình phương cực tiểu cần phải thực hiện điều kiện sau :

min)(1

22210

n

kkkk xaxaay

Từ điều kiện đó , lấy vi phân theo ao al a2 sẽ nhận được :

n

kkkk xaxaay

1

2210 0)(2

n

kkkkk xxaxaay

1

2210 0)(2

n

kkkkk xxaxaay

1

22210 0)(2

hoặc :

n

kk

n

k

n

kkk yxaxana

11 1

2210

k

n

kk

n

k

n

kkk

n

kk xyxaxaxa

11 1

32

21

10

2

11 1

42

31

1

20 k

n

kk

n

k

n

kkk

n

kk xyxaxaxa

Giải hệ 3 phương trlnh này ta tìm được 3 ẩn số a0 , a1 , a2 . Sau đó thay vào (1- 48) ta có biểu thức giải tích của đường cong thực nghiệm cần xác định .

35

Chương 2 ĐO NHIỆT ĐỘ

2.1. KHÁI NIỆM

2.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

a. Khái niệm Theo thuyết động học phân tử nhiệt độ là số đo động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử taọ nên vật thể. Nhiệt độ là thông số đặc trưng cho mức đo nóng lạnh của vật thể. Dưới tác động của nhiệt độ một số tính chất của vật liệu thay đổi ( như giãn nở thể tích, tăng áp suất, thay đổi điện trở…) căn cứ vào mức độ thay đổi các tính chất đó để xác định nhiệt độ của vật thể. b. Thang đo và đơn vị nhiệt độ: Để đo nhiệt độ phải có thang đo và đơn vị. Nguyên tắc chia đơn vị: chọn hai điểm cố định t1, t2 và để tái tạo điểm gốc (thường chọn điểm sôi hay điểm đông đặc). Chia khoảng t1, t2 thành n khoảng chẵn :

1n

tt12

độ

- Nhiệt kế nước của Galilê 1597

- Năm 1848 Kelvin đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ được xây dựng dựa trên cơ sở Định luật nhiệt động II và gọi là "Thang đo nhiệt độ nhiệt động học".

Thang đo chuẩn: Năm 1927 Hội nghị cân đo quốc tế 7 đã quyết định tạm thời dùng thang đo TNQT-27. Năm 1933 Liên minh cân đo quốc tế 8 chính thức sử dụng TNQT-27 sau khi đã chính xác hoá một số vấn đề sau: - Nhiệt độ được biểu thị : t0(0C) gọi là độ chuẩn quốc tế. - Thang đo được xác định dựa trên 1 số điểm chuẩn gốc. - Nhiệt độ giữa các điểm chuẩn gốc được xác định bằng cách nội suy hoặc ngoại suy dựa vào các nhiệt kế đặc biệt. - Trong khoảng nhiệt độ -200 0C 0 0C được xác định bằng phương pháp nội suy qua nhiệt kế điện trở Bạch kim bằng công thức: Rt = R0(1 + At + Bt2 + Ct3(t-100))

R0 là nhiệt trở của Bạch kim ở 0 0C. A, B, C là các hằng số xác định từ thực nghiệm

- Trong khoảng nhiệt độ 00C 6500C dùng nhiệt kế điện trở Bạch kim chuẩn và cũng nội suy từ biểu thức:

Rt = R0(1 + At + Bt2)

36

- Trong khoảng nhiệt độ 6500C 10630C dùng cặp nhiệt Bạch kim Rôđi, Bạch kim chuẩn và nhiệt độ được nội suy thông qua sức nhiệt điện động:

E = at + bt + ct2

- Đối với những khoảng nhiệt độ trên 1063 0C thì đựơc xác định bằng hoả kế quang học

chuẩn hoặc đèn nhiệt độ chuẩn theo định luật bức xạ đơn sắc.

Năm 1948 Liên minh cân đo quốc tế 9 quyết định sử dụng thang đo TNQT-48 có nội dung cơ bản giống như TNQT-27 , chỉ khác ở một số điểm sau: - Trong các điểm chuẩn mốc lấy điểm 3 thể chuẩn gốc thay cho điểm 0 0C với độ chính xác 10000. - Trị số 1 số điểm chuẩn gốc lấy chính xác hơn. - Đưa thêm 1 số điểm chuẩn gốc vào thang đo. - Năm 1968 người ta quyết định sử dụng TNQT-68 làm thang đo chuẩn thay cho TNQT-48 vì nó xác định được chính xác điểm mốc và lấy kéo dài hơn về phía "-" sát 0 0K.

2.1.2. Phân loại nhiệt kế

1.Căn cứ vào các bộ phận cảm biến chia thành : Loại trực tiếp, loại gián tiếp. 2.Căn cứ theo nguyên lý làm việc của các loại nhiệt kế:

a. Nhiệt kế kiểu áp kế (khoảng đo -150 0C 600 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất của chất khí, chất nước hoặc hơi bão hoà chứa trong một dung tích kín. b. Nhiệt kế điện trở (khoảng đo -200 0C 650 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệ nhiệt độ và điện trở của vật dẫn, bán dẫn.

c. Nhiệt kế nhiệt điện (khoảng đo -50 0C1600 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệ

giữa nhiệt độ và sức nhiệt điện động của cặp nhiệt. d. Nhiệt kế hoả kế (khoảng đo 600 0C 2000 0C): Đo nhiệt độ dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng bức xạ nhiệt của vật thể, có thể đo tới nhiệt độ 4000 0C.

3. Chia theo công dụng: Nhiệt kế chuẩn Nhiệt kế mẫu Nhiệt kế thí nghiệm Nhiệt kế kỹ thuật

4. Theo dải nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải : nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao. ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo. Bảng 2.1 cho ta biết các dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ với các dải khác nhau thông dụng trong công nghiệp

37

Bảng 2-1

Dụng cụ và phương pháp đo

Nhiệt độ 0C sai số %

-273 0 1000 2000 3000 100.000 Nhiệt điện trở : -bằng vật liệu quý -vật liệu không quý -Bán dẫn Nhiệt kế nhiệt điện: -bằng vật liệu quý -vật liệu thường -vật liệu khó chảy Điện âm Nhiệt nhiễu Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân Hoả quang kế : -Bức xạ -Màu sắc -Cường độ sáng -quang phổ kế

0,0011 0,5 2 1 2

0,1

1 2 1 3 0,05 0,1

0,01

5 15 12 510

2.2. NHIỆT KẾ GIÃN NỞ

2.2.1. Nhiệt kế giãn nở chất rắn. Nhiệt kế kiểu đũa - Ống 1: làm từ kim loại có hệ số nở dài rất lớn(đồng thau, thép, Ni) - Đũa 2: Làm từ vật liệu có hệ số nở dài rất nhỏ (sứ, thạch anh, hợp kim Inva (64%Fe +

36%Ni)). đồng thau = 2.10-6 1/ 0C Inva = 0,9.10-6 1/ 0C Kết cấu đơn giản, độ chính xác không cao thường được dùng trong các mạch báo tín

hiệu nhiệt độ hoặc mạch đơn giản kiểu 2 vị trí.

Nhiệt kế bản kim loại kép Được ghép từ hai vật liệu có hệ số nở dài khác xa nhau. Có cấu tạo đơn giản, cấp chính

xác không cao. Chủ yếu sử dụng trong mạch báo tín hiệu nhiệt độ, mạch đo nhiệt độ đơn giản kiểu hai vị trí hoặc trong các mạch bù nhiệt độ.

2.2.2. Nhiệt kế giãn nở chất nước.

Cấu tạo chung: Hình 2.1 1. Bao nhiệt ; 2 Mao quản ; 3 Đoạn dự phòng

38

a.Môi chất là thủy ngân:

Thủy ngân có hệ số giãn nở thấp = 18.10-5 1/ 0C Thủy ngân không bị bám vào vách ống, khó bị ôxi hóa, dễ kiếm nguyên chất Phạm vi nhiệt độ ứng với thể nước tương đối rộng: Nhiệt độ đông đặc : tđông = -38,87 0C; Nhiệt độ sôi : tsôi = 356,6 0C

áp suất riêng phần rất nhỏ vì thế có thể nâng cao hạn đo trên bằng cách nén làm tăng áp suất sử dụng : 20 bar với 500 0C; 70 bar với 750 0C

Hình 2.1

b. Môi chất là chất nước hữu cơ:

Các chất lỏng hữu cơ thường dùng là chất C2H2OH, các nhóm tôluen, rẻ tiền , dễ kiếm, cấu trúc đơn giản nên sử dụng rộng rãi. Nhược điểm : - Chất nước hữu cơ có hệ số giãn nở cao hơn thủy ngân ( = 6Hg), hệ số này lại phụ

thuộc vào nhiệt độ nên thước chia độ có vạch không đều. - Khó kiếm nguyên chất, Tỷ nhiệt lớn nên quán tính nhiệt lớn, Rất dễ bám vào vách ống

nên kết quả đọc rất khó chính xác. - Không đọc được nhiệt độ thay đổi nhanh, không đo được nhiệt độ điểm hoặc bề mặt.

c. Sai số khi đo và khi sử dụng: Sai số do không cắm đủ mức qui định, với các nhiệt kế chuẩn và mẫu phải cắm ngập

hết phần cột chất lỏng dâng lên. Trong trường hợp không cắm ngập đựơc hết thì phải cộng thêm số bổ chính vào kết quả:

t = tđọc + t (2.1) t = k.n(tđọc – t’) k: hệ số giãn nở từng đôi của chất lỏng trong nhiệt kế so với thủy tinh

Ví dụ : kHg-tt = Hg- tt = 18.10-5 – 2.10-5 = 16.10-5 1/ 0C n: phần cột chất lỏng nằm ngoài môi trường đo tính bằng vạch chia. t’: nhiệt độ lúc khắc độ Đối với các nhiệt kế kỹ thuật khi đo ta phải cắm hết phần đuôi vào môi trường đo,

trong trường hợp không cắm hết phần đuôi thì cũng phải cộng thêm số bổ chính như trường hợp trên. Ngoài ra trong khi sử dụng nhiệt kế chất lỏng còn có thể mắc phải những sai số sau: - Do xê dịch điểm không(trôi điểm 0). - Do quán tính nhiệt của nhiệt kế. - Do cột chất lỏng bị đứt - Do chất nước trong nhiệt kế bám vào vách ống trong nhiệt kế - Do thước chia độ bị xê dịch - Do đọc kết quả không chính xác(hạn chế bằng dùng kính lúp trong khi đọc kết

quả).

39

- Do lắp đặt nhiệt kế không đúng qui định 2.3. NHIỆT KẾ KIỂU ÁP KẾ 2.3.1. Nhiệt kế chất nước

Nếu coi thể tích của hệ thống kín không đổi thì có thể viết:

p = p0 + )tt( 0

(2.2)

p0, t0: áp suất và nhiệt độ ban đầu p, t: áp suất và nhiệt độ lúc đo lường , : hệ số giãn nở, nén ép thể tích của chất nước

a = )tt(V

V0a

0b

0a

a: sai số giãn nở thể tích của áp kế Va0: thể tích của áp kế ở điều kiện lúc chia độ Vb0: thể tích của bao nhiệt ở điều kiện lúc chia độ ta: nhiệt độ môi trường xung quanh áp kế lúc sử dụng t0: nhiệt độ môi trường lúc chia độ

mq = )tt(V

V0mq

0b

0mq

mq: sai số giãn nở thể tích của mao quản Vmq0: thể tích của mao quản ở điều kiện lúc chia độ Vb0: thể tích của bao nhiệt ở điều kiện lúc chia độ Để giảm sai số trên khi chế tạo người ta thường làm sao cho thể tích của bao nhiệt lớn

hơn rất nhiều so với thể tích của mao quản. Mặt khác người ta còn có thể dùng thêm ống bù (có kết cấu tương đương cũng có mao quản nhưng không có bao nhiệt), tấm bù. Sai số thủy tĩnh do cột áp thủy tĩnh gây ra

Trường hợp 1: p = H1.

Trường hợp 2: p = H2. Trường hợp 3: p = 0 H2 1 2 3 H1 Hình 2.2

Sai số do đo ở những nơi có áp suất khác nhau (vì áp kế đo áp suất dư)

Để hạn chế sai số thủy tĩnh và sai số do đo ở những áp suất khác nhau người ta dùng môi chất có p0 =1020 kg/cm2. Các chất nước dùng trong nhiệt áp kế loại này phải đảm bảo sao cho hệ số giãn nở thể tích lớn không làm hư hỏng bao nhiệt, mao quản, ống lò

40

xo, tỷ nhiệt nhỏ (suất dẫn nhiệt cao). Điểm sôi và điểm đông đặc phải đảm bảo đủ khoảng đo của nhiệt kế(như thủy ngân, Grixêrin, rượu mêtilic).

Dải đo của áp kế loại này thường nằm trong khoảng -1503000C.

2.3.2. Nhiệt kế chất khí Môi chất nạp trong hệ thống là chất khí. Đối với khí lý tưởng nếu thể tích của hệ thống kín không đổi thì nhiệt độ và áp suất của hệ thống có quan hệ:

pt = p0[1+(t-t0)] (2.3) t0, p0: nhiệt độ và áp suất ban đầu t, pt: nhiệt độ vá áp suất lúc đo lường : hệ số giãn nở nhiệt

Đặc điểm: - Khi môi trường xung quanh thay đổi khác lúc chia độ thì xuất hiện một sai số do sự giãn nở thể tích là a, mq và cách hạn chế cũng tương tự như của nhiệt kế chất nước. - Sai số do áp suất thủy tĩnh gây ra p rất nhỏ, có thể bỏ qua, sai số do khí quyển gây ra có thể hạn chế bằng cách dùng các chất khí có áp suất p0 = 2030 kg/cm2. - Chất khí thường là các khí trơ có tính chất gần giống với khí lý tưởng thường là He, N, trong đó N được dùng nhiều hơn vì có tỷ nhiệt thấp, dễ kiếm. - Dải đo của nhiệt kế chất khí trong khoảng(1506000C). 2.3.3. Nhiệt kế hơi bão hoà

Hình 2.3 Hình 2.4

- tbh tmt (tbh tương ứng pbh). Như vậy nhiệt độ xung quanh (txq) không ảnh hưởng tới số chỉ của nhiệt áp kế (do txq thay đổi thì không làm thay đổi nhiệt độ bão hòa(tbh). - Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ là:

lgP = cbTTlg75,1T

a (2.4)

với các hệ số a, b, c được tìm từ thực nghiệm và phụ thuộc vào môi chất. - Quan hệ trên chỉ tồn tại khi áp suất môi trường đo nhỏ hơn áp suất tới hạn của hơi trong hệ thống(P<Pth). Do đó hạn đo trên của nhiệt áp kế loại này phụ thuộc vào điểm tới hạn. Hạn đo dưới được quyết định bởi điểm sôi. Khi chọn môi chất thường là những môi chất có nhiệt độ sôi thấp để có dải đo rộng. - Dải đo của nhiệt áp kế loại này khoảng(-50300 0C)

- Các nhiệt áp kế loại này cũng có sai số thủy tĩnh và sai số do khí quyển gây ra.

tmt tb

txq

Pbh

Cloruamêtilen

Cloruaêtilen

Freon12 Axêtôn

tbh

41

Để loại trừ nó thì dùng các biện pháp tương tự như của áp kế chất nước và chất khí.

2.4. NHIỆT KẾ NHIỆT ĐIỆN

2.4.1. Khái niệm Nhiệt kế nhiệt điện là thiết bị dựa trên hiệu ứng nhiệt điện của cặp nhiệt để đo nhiệt độ + Ưu điểm: - Phạm vi đo rất rộng(-1000C 16000C), trong những trường hợp đặc biệt thì có thể cao hơn. - Có độ chính xác cao (thông thường độ chính xác 0,5), ngoài ra người ta có thể dùng những phương pháp bù nên có thể loại trừ được những ảnh hưởng do điện trở của mạch ngoài gây nên. - Có thể đo từ xa và dùng các đồng hồ tự ghi. - Có thể dùng một đồng hồ chung cho nhiều cặp nhiệt. - Đo được nhiệt độ trong các trường hợp đặc biệt mà các nhiệt kế khác không đo được (như đo nhiệt độ bề mặt, đo nhiệt độ một điểm hay đo trong những đối tượng rất nhỏ). - Sử dụng dễ dàng, rẻ tiền, không có khó khăn về kỹ thuật.

2.4.2. Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng chuyển từ nhiệt năng thành điện năng được Seebeck tìm ra năm 1821. Một vật dẫn đồng chất bao giờ cũng chứa một lượng điện tử nhất định, biểu thị bởi mật độ điện tử tự do của vật dẫn. Mật độ điện tử tự do phụ thuộc vào nhiệt độ của vật .

Gọi NA là mật độ điện tử tự do trong vật dẫn A. Giả sử nhiệt độ hai đầu vật là t và t0

(với t > t0) tương ứng có NA0, NAt , (NAt > AA0). Khi đó sẽ xuất hiện sự chuyển dịch của các điện tử tự do từ đầu có mật độ NA lớn sang đầu có mật độ NA nhỏ hơn và tạo ra sự chênh lệch điện thế ở hai đầu, từ đó làm xuất hiện điện trường chống lại sự chuyển dịch đó. Đến một thời điểm nào đó đạt tới trạng thái cân bằng động, một sức điện động được sinh ra, gọi hiện tượng đó là hiệu ứng Thomson. Sức điện động eA(t, t0) :

eA(t, t0) = uA(t) - uA(to) = t

tA dt

0. (2.5)

A - hệ số Thomson của vật liệu A, Khi có hai dây dẫn A, B khác nhau hai đầu nối với nhau đặt ở hai nhiệt độ t và t0 sẽ

xuất hiện sức điện động tương ứng : Vật A:

eA(t, t0) = uA(t) - uA(to) = t

tA dt

0. =

0t

t

A

A

dtdt

)t.N(d.

N

1

e

k (2.6)

Vật B:

eB(t, t0) = uB(t) - uB(to) = t

tB dt

0. =

0t

t

A

A

dtdt

)t.N(d.

N

1

e

k (2.7)

Giả sử NA > NB dẫn đến có một sức điện động do sự khuếch tán các điện tử tự do từ A

sang B là eAB(t) tại đầu t và eAB(t0) tại đầu t0:

eAB(t) =

Bt

At

N

Nln

e

t.k ; eAB(t0) =

0

0

Bt

At0

N

Nln

e

t.k

42

như vậy sau khi phân tích ta thấy tồn tại 4 sức điện động trong hệ và sức điện động tổng cộng trong mạch là (quy ước chiều quay của kim đồng hồ là chiều dương):

E = eAB(t) - eAB(t0) - eA(t, t0) + eB(t, t0) Cuối cùng rút ra được biểu thức:

E = t

t B

A

0

dtN

Nln

e

k = f(t) – f(t0) (2.8)

Và: EAB(t,t0) = EAB(t) - EAB(t0) (2.9) Nếu giữ nhiệt độ t0 không đổi thì EAB(t0) = const , khi đó sẽ được:

EAB(t,t0) = EAB(t) – C =constt0

)t(F (2.10)

đây là nguyên lý để người ta dùng khắc độ cặp nhiệt. Khi tiến hành làm thí nghiệm với nhiều vật liệu khác nhau và tìm ra mối quan hệ

EAB(t, t0) phụ thuộc nhiệt độ, kết quả thu được cho thành dạng bảng số hoặc sổ tay kỹ thuật.

Hai vật dẫn khác nhau như trên người ta gọi là cặp nhiệt (hay nhiệt ngẫu, can nhiệt, pin nhiệt điện). Vật A, B được gọi là các cực nhiệt điện, đầu mối hàn có nhiệt độ được đặt trong môi trường cần đo gọi là đầu nóng của cặp nhiệt hoặc đầu làm việc. Đầu mối hàn có nhiệt độ t0 = const gọi là đầu lạnh hay đầu tự do của cặp nhiệt. Sức điện động do nhiệt phát ra gọi là sức nhiệt điện động, nó có đặc tính dương(+), âm(-). Khi viết tên sức nhiệt điện động quy ước viết cực dương “+” trước (cực có mật độ điện tử tự do lớn hơn) và cực âm “-” sau (cực có mật độ điện tử tự do nhỏ hơn); (EAB(t) = - EBA(t)), từ đó biểu thức(1) có thể viết lại là:

EAB(t,t0) = EAB(t) + EBA(t0) (2.11) Xét trường hợp khi trong cặp nhiệt có vật dẫn thứ ba:

Trường hợp vật dẫn C nằm giữa A và B:

E = EAB(t) + EBC(t2) + ECA(t1) Nếu coi t1 = t2 = t0 thì : E = EAB(t) + EBC(t0) + ECA(t0) giữ t = t0 = const:

dẫn tới E = 0 , từ đó : EAB(t0) + EBC(t0) + ECA(t0) = 0, hay EBC(t0) + ECA(t0) = - EAB(t0) thay vào sẽ có:

43

E = EAB(t) - EAB(t0) = EAB(t,t0)

Trường hợp vật dẫn C nằm giữa một trong hai cực t, t0:

E = EAB(t) - EBC(t2) + ECB(t1) + EBA(t0) Nếu t1 = t2 thì: EBC(t1) + ECB(t1) = EBC(t1) - EBC(t1) = 0 Như vậy: E = EAB(t2) + EBA(t0) = EAB(t, t0). Từ hai trường hợp trên rút ra kết luận: - Có thể hàn đầu làm việc của cặp nhiệt bằng bất kỳ phương pháp nào cũng không

ảnh hưởng đến sức nhiệt điện động nó sinh ra nhưng kích thước của mối hàn phải đảm bảo sao cho nhiệt độ ở mọi điểm là như nhau.

- Có thể dùng dây dẫn thường để nối cặp nhiệt với đồng hồ đo sức điện động nhưng nhiệt độ ở chỗ mối nối phải như nhau.

- Nếu trong mạch cặp nhiệt có một vật dẫn khác mà nhiệt độ hai ở đầu nối của nó

khác nhau làm cho sức điện động ở hai đầu mối nối không giống nhau và không triệt tiêu được nhau thì sẽ ảnh hưởng đến trị số sức điện động của cặp nhiệt. Vì lý do đó vật liệu dùng làm cực của cặp nhiệt điện phải có tính đồng nhất để loại trừ sức điện động ký sinh đó

2.4.3. Các phương pháp nối cặp nhiệt

1. Nối tiếp thuận (-) nối với(+): - Dùng khi đo nhiệt độ thấp (t < 1000C) - Khi độ chênh nhiệt độ t & t0 thấp. 2. Mắc nối tiếp ngược (+) nối với (+): cần phải biết t1 hoặc t2 để xác định độ chênh: t = t1 – t2

3. Mắc song song(+) nối với (+) và (-) nối với (-): dùng để đo nhiệt độ trung bình của nhiều điểm.

2.4.4. Một số yêu cầu đối với vật liệu dùng làm cặp nhiệt

1.Vật liệu phải có sức nhiệt điện động lớn, đặc trưng bằng độ nhạy :

S = t

E

2. Đặc tính trên phải đơn trị 3.Vật liệu phải có tính đồng nhất

44

4.Vật liệu phải dễ chế tạo thay thế 5. Dễ gia công cơ khí(kéo thành sợi) và rẻ tiền 6. Có độ bền hóa học, độ bền cơ học tốt - Kim loại nguyên chất có sức điện động nhỏ cỡ 20 V/0C, khó kiếm

- Hợp kim có sức điện động khoảng 50 V/0C, có đặc tính không ổn định, khó chế tạo thay thế

- Chất bán dẫn có sức điện động khoảng 1000 V/0C tuy nhiên vật liệu loại này cũng có đặc tính không ổn định và gặp khó khăn trong vẫn đề chế tạo và thay thế.

2.4.5. Một số loai cặp nhiệt thường dùng

Bảng 2.1

Tên cặp nhiệt

Ký hiệu (Liên xô, Trung

Quốc)

Khoảng đo(0C) EVmax

(mV) Tmin(0C) Tmax(

0C)

Đo nhanh Đo lâu Crômen-Kôpen XK_EA - 50 800 600 66 Crômen-Alumen XA_EU - 50 1300 1000 52

Bạch kim-Rô đi-Bạch kim

_LB - 50 1600 1300 17

1. Loại Crômen-Kôpen(XK_EA)

(Cr + Ni) =(+) đường kính các dây cực khoảng 1,53 mm (Cu + Ni) =(-) Đặc điểm loại này là không bền trong môi trường có tính khử ôxy (như SO2_H2S).

2. Loại Crômen-Alumen(XA-EU)

(Cr + Ni) =(+) đường kính các dây cực khoảng 1,53 mm (Al + Ni) =(-) Cũng không bền trong môi trường có tính khử ôxy

3.Bạch kim-Rô đi-Bạch kim(-LB)

(90% Pt+ 10%Rh) = (+) đường kính dây cực :0,50,65 mm (Pt) = (-) Một số dây bù kèm theo các loại cặp nhiệt trên Bảng 2.2

Loại cặp nhiệt Cực(+) Cực(-) XA-EA Crômen Kôpen XA-EU Crômen -Cu đỏ Alumen – Constantan (60%Cu+40%Ni)

.-LB Cu đỏ Hợp kim (99,4%Cu+0,6%Ni)

. Cấu tạo cặp nhiệt Dùng ống cách điện(cao su, sứ, tơ, thủy tinh, sơn cách điện)

- Thủy tinh < 5000C - Sứ < 1300 15000C

45

- Thạch anh < 10000C - Cao su < 60 800C - Tơ, sơn cách điện < 1800C

Các đầu cặp nhiệt được đặt trong ống bảo vệ Dùng hồ quang để hàn cặp nhiệt(chập mạch), có chất trợ chảy thì mối hàn của cặp

nhiệt tốt hơn.

2.4.6. Nhiệt kế cặp nhiệt trong công nghiệp Nhiệt kế nhiệt ngẫu phổ biến dùng trong công nghiệp có cấu tạo như hình 2.3 gồm hai dây hàn với nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong hai (dây được lồng vào ống sứ nhỏ 3. Nếu vỏ làm bằng kim loại cả hai dây đều đặt vào ống sứ. Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là milivônmét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới

hạn đo từ 0 100 mV. Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng milivônmét sẽ gây sai số do nhiệt độ của mạch đo thay đổi. Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó là:

I = dcdT RRR

E

(2.12)

E - sức điện động; Rd - điện trở đường dây; RT - điện trở cặp nhiệt ngẫu; Rdc - điện trở của mili vôn mét.

Hình 2.5. Các loại cặp nhiệt điện thường dùng.

Điện áp rơi trên milivôn mét là : U = E - I (RT + Rd)

= E dcdT

dc

RRR

R

(2.13)

46

thường RT + Rd được hiệu chỉnh khoảng 5 còn điện trở của milivônmét lớn hơn nhiều lần (40 - 50 lần). Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của milivônmét Rdc thay đổi. Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng không, khi tiến hành phép đo. Để khắc phục sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi người ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ như hình 19-4. Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tại điểm A-B, trong đó Rt - nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu. Điện trở Rt được mắc cùng vị trí với đầu tự do cặp nhiệt ngẫu và có nhiệt độ t0 . Cầu được tính toán nhiệt độ t0 = 00C điện áp ra trên đường chéo cầu U = 0. Khi nhiệt độ đầu tự do thay đổi t'0 t0 , điện áp ra của cầu U 0 bù vào sức điện động mất đi do nhiệt độ thay đổi. Với phương pháp bù này sai số giảm xuống đến 0,04% trên 1000C Nhược điểm của phương pháp là phải dùng nguồn phụ và sai số do nguồn phụ gây ra. 2.4.7. Đo nhiệt độ cao bằng cặp nhiệt Ở môi trường nhiệt độ cao từ l6000C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng cặp nhiệt : = f(t) = T.(l – e1/ ) (2.14)

- lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t;

T - hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt; - hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu.

Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầu làm việc của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy. Nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo: trong khoảng 0,4 0,6s, ta sẽ được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt độ của môi trường. Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trường thì nhiệt độ tính được có sai số không quá hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt ngẫu đo trực tiếp. Phương pháp này dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy.

2.5. NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ

2.5.1. Khái niệm Nguyên lý làm việc của nhiệt kế điện trở là dựa trên mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt

độ của vật liệu Rt = f(t) Nhiệt kế điện trở có thể dùng cho việc đo từ xa, có thể cho độ chính xác rất cao đến

0,020C, có thể dùng để đo các nhiệt độ bề mặt. Chúng có thể được dùng làm các nhiệt kế chuẩn, thậm chí chuẩn quốc gia. Tuy nhiên chúng cũng có những mặt hạn chế riêng là bao giờ cũng phải có nguồn điện làm cho thiết bị cồng kềnh, kích thước tương đối lớn nên để đo nhiệt độ tại một điểm thường không chính xác bằng cặp nhiệt.

2.5.2. Yêu cầu đối với các vật liệu dùng làm nhiệt kế điện trở

47

- Vật liệu phải có điện trở suất lớn để đảm bảo có điện trở R0 lớn mà kích thước của nhiệt kế vẫn nhỏ.

- Vật liệu phải có hệ số nhiệt độ điện trở lớn và không được thay đổi, nếu có thay đổi thì cũng phải thay đổi từ từ, không được đổi dấu. Để xác định hệ số này thường dùng công thức:

= dt

dR

R

1 (2.15)

qui ước chọn trong khoảng(0 1000C):

0100 =

0

0100

R100

RR

trong đó - R0: là điện trở ở 00C - R100: là điện trở ở 1000C

- Vật liệu phải có độ bền cơ học, chịu được tác dụng của môi trường đo, đặc tính phải ổn định theo thời gian, dễ chế tạo và thay thế.

- Vật liệu phải dễ gia công cơ khí, phải dễ kiếm nguyên chất, rẻ tiền(Pt, Cu, Fe, Ni), các chất bán dẫn(CuO, TiO2).

2.5.3. Các loại nhiệt kế điện trở 1. Nhiệt kế điện trở bán dẫn.

- Có hệ số nhiệt độ điện trở rất lớn, lớn hơn khoản 10 lần so với kim loại nguyên chất.

- Các giới hạn đo trên không cao, tối đa khoảng (-50 2500C). - Đặc tính không ổn định, khó chế tạo thay thế - Vì các lý do đó mà nhiệt kế điện trở bán dẫn ít được sử dụng trong công nghiệp. Nó

chỉ dùng trong sinh hoạt, trong những mạch điều chỉnh nhiệt độ đơn giản kiểu 2 vị trí, những mạch báo tín hiệu nhiệt độ hoặc các mạch bù nhiệt độ

2. Nhiệt kế điện trở Fe-Ni - Đặc điểm chung là thường được dùng ở các nước Đức, Mỹ và cũng đo nhiệt độ trong

khoảng(-50 2500C). - Có ưu điểm là điện trở suất và hệ số nhiệt độ điện trở lớn, giá thành rẻ. - Nhược điểm là quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở phức tạp, khó chế tạo thay thế, khó

thu được ở dạng nguyên chất, chịu tác dụng hóa học kém.

3. Nhiệt kế điện trở Bạch kim(Pt) - Đây là nguyên liệu tốt nhất trong số các vật liệu chế tạo nhiệt kế điện trở. Không

những được dùng trong công nghiệp mà còn dùng làm các nhiệt kế chuẩn, nhiệt kế mẫu có cấp chính xác cao trong khoảng nhiệt độ(-200 6500C).

- Hệ số nhiệt độ điện trở và điện trở suất lớn. = 3,92.10-3 1/ 0C ; = 0.0981.10-6 m

- Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở: - (-200 0)0C: Rt = R0[1 + At +Bt2 + Ct3(t-100)] - (0 650)0C: Rt = R0[1 + At + Bt2]

với A, B, C là các hằng số.

48

- Dễ kiếm nguyên chất, để đánh giá độ nguyên chất của kim loại người ta dùng trị số

0

100

R

R .

- Nếu 0

100

R

R[1,387 1,390] dùng làm các nhiệt kế điện trở sử dụng trong công nghiệp.

- Nếu 0

100

R

R > 1,390 dùng làm các nhiệt kế điện trở mẫu và chuẩn cấp thấp.

- Nếu 0

100

R

R 1,3925 Bạch kim nguyên chất (tinh khiết đặc biệt) dùng để chế tạo nhiệt

kế để giữ chuẩn quốc gia. - Độ bền cơ khí của các loại nhiệt kế này rất tốt. - Nhược điểm: Trong các môi trường có tính hoàn nguyên đặc biệt ở nhiệt độ cao thì

các khí hoàn nguyên thoát ra sẽ bám vào bạch kim làm cho thay đổi đặc tính và giòn đi. * Cấu tạo: Người ta thường dùng lõi sứ hoặc mica.

1.Tấm mi ca ép trên dưới 2.Dây quấn Pt có đường kính = 0,05 0,07 mm 3. Lõi mica, sứ 4.Dây bằng bạc dùng để buộc 5.Dây dẫn nối đến đầu nhiệt kế (bằng bạc hoặc bạch kim) có =1mm 6. Bộ phận nhạy cảm 7. ống bảo vệ 8. ống sứ 9. Các tấm nhôm

4. Nhiệt kế điện trở đồng (Cu) - Điện trở suất của đồng nhỏ hơn điện trở suất của bạch kim (Cu<Pt) nên số lượng

dây cần thiết để dùng làm điện trở sẽ lớn hơn.(Cu = 0,0155.10-6 m) - Độ bền cơ học của đồng kém hơn của bạch kim nên khi quấn phải dùng dây có

đường kính = 0,1 0,2 mm, do vậy kích thước của nhiệt kế điện trở đồng sẽ lớn hơn - Đồng rất dễ bị ôxi hóa ở nhiệt độ cao nên hạn đo trên của nhiệt kế điện trở đồng

khoảng tmax 1800C. * Ưu điểm: - Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của đồng là một đường thẳng:Rt = R0(1 + t) - Hệ số nhiệt độ điện trở của đồng =(4,254,28).10-3 1/ 0C. - Đồng dễ kiếm nguyên chất, dễ kéo thành sợi với các đường kính khác nhau, giá

thành rẻ.

- Độ nguyên chất của đồng là: 0

100

R

R= 1,426.

* Cấu tạo: Bao gồm một lõi hình trụ được làm bằng chất dẻo có các dây đồng đường kính =

0,1 0,2 mm quấn xung quanh. Để bảo vệ người ta bọc trong một ống thép mỏng và ngoài cùng là một ống bảo vệ nhằm tránh các sự va đập mạch.

Bảng 2.3

Điện trở() Dải đo(0C) Ký hiệu (LX cũ)

53 -50 180 p.23

100 -50 180 p.24

49

2.5.4. Các phương pháp đo điện trở của nhiệt kế điện trở

Nhiệt kế điện trở có thể chế tạo bằng đây platin, đồng, niken, bán đẫn vv.... quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ bằng kim loại có đầu nối ra ngoài. Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kì để đo điện trở nhưng thông thường được dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là lôgômmél từ điện hoặc cầu tự động cân bằng trong đó một nhánh là nhiệt điện trở. Nếu nhiêt điện trở mắc vào mạch cầu bằng hai dây dẫn Rdl và Rd2 (cầu hai dây), dụng cụ sẽ có sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi.

Ta có: t = TT

d

R

R

.

Rd - sự thay đổi điện trở của dây nối ; Rd =Rdl + Rd2 RT và T - điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt độ của nó (với t = 00C). Để giảm sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi người ta sử dụng cầu ba dây như hình 2.6.

Hình 2.6 Sơ đồ mạch cầu nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong sơ đồ này hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ ba mắc vào nguồn

cung cấp. Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng và nếu R1 = R2 ; Rd1 = Rd2 sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây sẽ được loại trừ. Khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số giảm đáng kể so với cầu hai dây.

Thực chất khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số chủ yếu do sự thay đổi điện áp của nguồn cung cấp gây nên.

1. Dùng điện thế kế và điện trở chuẩn

- ELV: Nguồn làm việc(pin khô,ắc qui) - Rđc : điều chỉnh điện trở trong mạch - Rc: điện trở chuẩn(thường lấy Rc = 100 để tiên tính toán) - Rt: điện trở của nhiệt kế mà được cắm trong môi trường đo

I = C

RC

R

U tC

RC

Rt RR.U

U (2.16)

50

Trong đó: URt, URc là sụt thế trên các điện trở Rt và Rc. Các điện áp đó được đo bằng điện thê kế thao tác tay(ví dụ với I = 2 mA, Rc = 100 thì URt , URc vài chục mV). Phương pháp này dùng để kiểm định thiết bị nhiệt kế điện trở, hay được dùng trong phòng thí nghiệm. Hạn chế của phương pháp này là ở quan hệ giữa dòng điện I và độ

chênh nhiệt độ t, khi dòng điện tăng thì độ chênh nhiệt độ tăng vì vậy phải hạn chế dòng điện I.

2. Dùng cầu không cân bằng.

Cầu có 4 vế trong đó vế thứ 4 là RĐ(điện trở đệm) hoặc RK(điện trở kiểm tra). Theo các tính toán kỹ thuật người ta rút ra được:

)RR)(RR(R)RRR(RR)RR)(RRR(R

)RR(RRRUI

32§t1§t13232t§1cd

§t231abcd

(2.17) Hiện nay người ta ít dùng đồng hồ đo nhiệt độ bằng cách dùng cầu không cân bằng mà

chỉ thấy ở các đồng hồ phân tích khí.

3 Dùng cầu cân bằng (đọc kết quả đo ở trạng thái cầu cân bằng)

- (R1+r1);(R2+r2);R3: lần lượt là các vế 1, 2, 3 của mạch cầu. - ab: đường chéo nguồn - cd: đường chéo đo (mắc điện kế G dùng làm đồng hồ chỉ không) khi Icd = 0 là lúc cầu ở trạng thái cân bằng c = d I1 = I2 và I3 = It

daydt

3

22

11

bd

ad

bc

ac

R2RR

R

rR

rR

U

U

U

U

(R1+r1)(Rt+Rd+2Rdây) = R3(R2+r2)

Đó chínhlà điều kiện cân bằng của cầu(có nghĩa là tích các điện trở của 2 vế đối xứng phải bằng nhau). Từ điều kiện đó rút ra được :

Rt = 11

223

rR

)rR(R

- Rd -2Rdây (2.18)

Ưu điểm của phương pháp này là để xác định Rt hay số chỉ của đồng hồ không phụ thuộc vào điện áp nguồn cấp. Nhược điểm là khi nhiệt độ của môi trường xung quanh thay đổi khác lúc chia độ do điện trở dây Rdây thay đổi vì dây dẫn là dây đồng rất nhạy với nhiệt độ. - Trong công nghiệp để khi đo người ta dùng cầu cân bằng tự động, điện kế G lúc đó

sẽ được chuyển sang bộ khuếch đại (BKĐ). - Độ chính xác của phương pháp dùng cầu cân bằng để đo nhiệt độ có độ chính xác là

khoảng 0,5, thường được chế tạo kiểu tự ghi và có thể đo nhiệt độ 1 điểm hay nhiều điểm.

51

4. Dùng Lôgômét (hay tỷ số kế)

Đây là những dụng cụ đo thuộc hệ từ điện (tức là áp dụng tính chất từ của nam châm). Nó có cấu tạo từ hai khung dây được quấn ngược chiều nhau và khoảng vài chục đến vài trăm vòng dây đồng, hai khung dây này được ghép với nhau bằng một góc chéo =

10150. Chúng được đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu, các cực từ của nam châm được khoét hình ô van(điều này khác với mmV mét có hình tròn). Dòng điện được dẫn vào khung dây bởi các dây tóc lò xo. Bên trong 2 khung dây người ta lồng 1 lõi sắt non hình trụ. Khi dòng I1, I2 lần lượt đi qua khung dây 1 và 2 thì nó tạo ra hai mô men M1, M2 trái nhau và có giá trị M1 = k1.B1.I1; M2 = k2.B2.I2 .

Giả sử M1 lớn hơn M2 thì hệ thống sẽ quay theo chiều từ phải sang trái, làm cho giá trị

B1 giảm dần dẫn đến M1 cũng giảm dần và M2 tăng dần. Đến một lúc nào đó M1 = M2 tức là:

k1.B1.I1 = k2.B2.I2 (2.19)

do hai khung dây có số vòng như nhau nên k1 = k2 và rút ra được:

1

2

2

1

I

I

B

B (2.20)

nhờ vào kết quả này người ta gắn kim chỉ lên hai khung và sẽ có được một góc quay

= f(1

2

2

1

I

I

B

B ) (2.21)

Đồng hồ làm việc dựa trên nguyên lý này gọi là Lôgômét(hay tỷ số kế) Trong trường hợp này mô men cản MC rất nhỏ so với mô men M1 hay M2 do người ta dùng nguồn làm việc ELV khoảng 5V.

I1 =

t11kd

LV

RRR

E

; I2 =

22kd

LV

RR

E

= f(1

2

I

I ) = f(RRR

RR

11kd

22kd

) = f(Rt) = f(t) (2.22)

Như vậy thì có thể chia độ theo Rt hay theo t. Trong thực tế ngưởi ta không dùng sơ đồ nguyên lý như trên vì độ nhạy kém nên người ta kết hợp Lôgômét với sơ đồ cầu không cân bằng. Cấp chính xác của loại đồng hồ này

khoảng 11,5.

2.6. HỎA KẾ BỨC XẠ

2.6.1. Khái niệm

52

Đây là phương pháp dựa trên các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật có thể đặc tr-ưng bằng cường độ bức xạ I (mật độ phổ ) nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng. Quan hệ giữa cường độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức:

0I =

)1( .5

1

2

T

C

e

C

(2.23)

Cl, C2 hằng số; - độ dài sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối; Cl, = 37,03.l0-17 Jm2/s ; C2 = 1,432.l0 -2 m.độ.

Đường cong 0I = f() , với các nhiệt độ khác nhau biểu diễn trên hình 19-5.

Hình 2.7. Mật độ phổ bức xạ ở các nhiệt độ khác nhau

Tuỳ theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp trên bằng tên gọi khác nhau như hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng và hoả quang kế màu sắc

2.6.2. Hoả quang kế phát xạ Đối với vật đen tuyệt đối, năng lượng bức xạ toàn phần trên một đơn vị diện tích bề mặt được biểu thị bằng định luật Stêphan- Bônzơman E0T = Tp

4 (2.24) = 5,67. l0-8 W/m2. K4 . Tp - nhiệt độ lý thuyết của vật đen tuyệt đối

Theo lí thuyết đối với vật thực :

53

ET = T..Tt4

T - hệ số bức xạ , xác định tính chất của vật và nhiệt độ Tt của vật (T < 1) Tt = nhiệt độ thực của vật. Hoả quang kế phát xạ được khắc độ theo độ bức xạ của vật đen tuyệt đối nhưng khi đo ở vật thực, Tp được tính theo công thức : Tp

4 = T..Tt4 (2.25)

Từ công thức 19-2 ta rút ra được

Tt = Tp 41

T (2.26)

Hình 2.6 là cấu tạo của hỏa quang kế phát xạ trong đó gồm ống kim loại mỏng 1 phía cuối gắn gương lõm 3. Chùm tia phát xạ được gương lõm phản xạ hội tụ trên nhiệt điện trở 2 và đốt nóng nó. Để tránh các tia phản xạ từ thành ống bên trong vào nhiệt điện trở người ta gia công thêm những đường rãnh 5. Nhiệt điện trở được đặt trong hộp chắn 4.

Hình 2.8: Sơ đồ hoả kế phát xạ.

Để bảo vệ mặt trong của hoả quang kế phải sạch, phía đầu ống được gắn tấm kính thuỷ tinh hữu cơ trong suốt 6. Nhiệt điện trở được mắc vào một nhánh cầu tự cân bằng cung cấp từ nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz. Hỏa quang kế dùng để đo nhiệt độ từ 20 1000C Khi cần đo nhiệt độ cao hơn (100 25000C) mà tần số bước sóng đủ lớn người ta dùng một thấu kính bằng thạch anh hay thủy tinh đặc biệt để tập trung các tia phát xạ và phần tử nhạy cảm với nhiệt độ được thay bằng cặp nhiệt ngẫu (ví dụ Crômel- Copel). Trong nhiệt kế phát xạ thấu kính không thể đo ở nhiệt độ thấp vì các tia hồng ngoại không xuyên qua được thấu kính (kể cả thạch anh). Khoảng cách để đo giữa đối tượng và hoả quang kế được xác định do kích thước của vật đốt nóng, khoảng cách đó không được quá lớn. Chùm tia sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết tầm nhìn ống ngắm của nhiệt kế (vòng tròn có đường kính D). Ví dụ hoả quang kế ẩAT khi khoảng cách giữa nhiệt kế và đối tượng đo là 600 mm thì đường kính của tầm nhìn là l60mm; với khoảng cách là 6m thì D = l,6m. Nhược điểm của tất cả các loại

54

hoả quang kế phát xạ là đối tượng đo không phải là vật đen tuyệt đối do đó trong vật nóng có sự phát xạ nội tại và dòng phát xạ nhiệt đi qua bề mặt. Nhiệt độ của đối tượng đo khi dùng hỏa quang kế phát xạ Tt bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ lí thuyết tính toán Tp (công thức l9-3). Ví dụ đối với thép sự khác nhau giữa Tp và Tt đạt đến 1,7 . 2.6.3. Hỏa quang kế cường độ sáng Trong thực tế khi đo nhiệt độ T < 3000 0C với bước sóng trong khoảng 0,4 m < < 0,7 m thì mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối 0I biểu diễn bằng công thức:

0I =

)1( .5

1

2

T

C

e

C

Đối với vật thật E :

I =

)1( .5

1

2

T

C

e

C

(2.27)

- hệ số (đối với vật không đen tuyệt đối) trong khoảng 0 < < 1. Các hoả quang kế c-ường độ sáng được khắc độ theo bức xạ của vật đen tuyệt đối nhưng khi đo với đối lượng đo thực ta có :

)ln(11

2

CTT St

(2.28)

Ts - nhiệt độ cường độ sáng; . Tt - nhiệt độ thực.

Xác định là điều rất khó, thường = 0,030,7 ở các vật liệu khác nhau và với độ dài sóng = 0,6 0,7 m. Ví dụ đồng đánh bóng = 0,03 nhưng đồng bị ôxit hóa = 0,73. Do đó trước khi đo phải kiểm chuẩn.

Nguyên lí làm việc của hoả quang kế cường độ sáng là so sánh cường độ sáng của đối t-ượng đo nhiệt độ với cường độ sáng của một nguồn sáng chuẩn trong dải phổ hẹp. Nguồn sáng chuẩn là một bóng đèn sợi đốt vonfram sau khi đã được già hóa trong khoảng 100 giờ với nhiệt dộ 20000C. Sự phát sáng của đèn đă ổn định nếu sử dụng ở nhiệt đô từ l4000C 15000C. Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hoặc dùng bộ lọc ánh sáng. Trong trường hợp thay đổi dòng đốt, thang đo không đều do cường độ sáng của sợi đốt tỉ lệ bậc năm với dòng đốt. Nếu thay đổi cường độ sáng bằng tấm chắn quang học hình cầu thì góc quay của nó tỉ lệ với cường độ sáng cần điều chỉnh. Hình 2.7 là cấu tạo của hoả quang kế cường độ sáng có bộ chắn quang học. Ống ngắm gồm có kính vật 1 thị kính 5 qua đó có thể ngắm được đối tượng đo 8. Trước thị kính 5 có bộ lọc ánh sáng đỏ 4 sợi đốt 6 của bóng đèn chuẩn được ngắm trực tiếp. Cường độ sáng của đối tượng đo 8 được chắn và làm yếu đi bằng bộ chắn quang học 3. Góc quay của bộ chắn 3 tương ứng với cường độ sáng được tính bằng thang 7. Dụng cụ có hai

55

giới hạn đo, sau bộ chắn quang học là bộ lọc ánh sáng 2. Cường độ sáng của nguồn nhiệt và đèn sợi đốt được so sánh bằng mắt.

Trước khi đo hướng ống kính về phía hai vật, điều chỉnh kính vật sao cho ảnh của vật nhìn rõ nét, điều chỉnh kính mắt sao cho ảnh của dây tóc đèn hiện lên thật rõ nét trên nền ảnh của vật. Điều chỉnh biến trở R cho tới khi nào ảnh của dây tóc nhòe đi trên nền ảnh

của vật (h.2), lúc đó nhiệt độ dây tóc bằng nhiệt độ của vật (nếu hai vật có cùng độ đen ) và nhiệt độ của dây tóc đọc được trên thước chia độ của mV.

Hình 2.9 Sơ đồ hoả kế cường độ sáng,

Sơ đồ so sánh độ sáng của dây tóc bóng đèn với độ sáng đối tượng đo

Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽ thấy dây thẫm trên nền sáng (h.19-8a). Nếu độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt cho thấy dây sáng trên nền thẫm (h.l9-8b). Lúc độ sáng bằng nhau hình dây sẽ biến mất (h.l9-8c) và đọc vị trí của bộ chắn sáng ở thang 7 để suy ra nhiệt độ.

So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì cường độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt độ. Ví dụ: Cường độ sáng thay đổi 1 % tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ 0,1 %. Ngoài phư-ơng pháp và dụng cụ nói trên người ta còn dùng dụng cụ tự cân bằng. Hình 2.l8 a là sơ đồ nguyên lí của hoả quang kế cường độ sáng tự động cân bằng.

Hình 2.10. Sơ đồ hoả quang kế cường độ sáng tự động cân bằng (a)

56

và biên độ của thông lượng ánh sáng Ánh sáng từ đối tượng đo 1 và đèn mẫu 10 qua khe hở và bộ lọc ánh sáng 8 cùng đặt vào tế bào quang điện 4. Sự so sánh được thực hiện bằng cách lần lượt cho ánh sáng từ đối tượng đo và đèn chiếu vào tế bào quang điện nhờ tấm chắn 3 và sự di chuyển tấm chắn phần ứng điện từ 9 của chuyển đổi ngược với tần số 50 Hz. Dòng sáng l và của đối tượng đo và đèn mẫu lệch pha nhau 1800 (h. l9-9b). Dòng ánh sáng có biên độ bằng hiệu biên độ của dòng ánh sáng l và 2 được tế bào quang điện biến thành dòng điện. Dòng điện này đưa vào khuếch đại xoay chiều 5 và được chỉnh lưu bằng bộ chỉnh lưu nhạy pha 6 để biến thành dòng một chiều và đa vào miliampemét 7 và đèn đốt 10. Khi ánh sáng của đối tượng đo 1 và đèn 10 bằng nhau, dòng điện ra của tế bào quang điện không thay đổi. Nếu ánh sáng của đối tượng đo 1 và đèn sợi đốt 10 khác nhau, dòng điện ra của tế bào quang điện sẽ thay đổi, dòng điện sẽ làm cho ánh sáng đèn 10 thay đổi cho đến khi bằng độ sáng của đối tượng đo. Miliampemét được khắc trực tiếp giá trị nhiệt độ cho ta biết nhiệt độ đo được. Hoả quang kế loại này có độ chính xác cao (sai số cơ bản l%) trong dải nhiệt độ 900 22000C. 2.6.4. Hoả quang kế màu sắc . Hỏa quang kế màu sắc là dụng cụ đo nhiệt độ dựa trên phương pháp đo tỉ số cường độ bức xạ của hai ánh sáng có bước sóng khác nhau l và 2 . Nếu năng lượng thu được:

E1 =

)1( .51

11

1

2

T

C

e

C

; E2 =

)1( .5

11

2

2

2

T

C

e

C

lập tỷ số: T

C

T

C

e

e

E

E

2

2

1

2

.

.

522

511

2

1

(2.29)

Từ đó rút ra được nhiệt độ T theo các E, , :

T = C2 5112

5221

21

ln11

E

E

(2.30)

Vì vậy trong dụng cụ hoả quang kế màu sắc có thiết bị tính, tự động giải phương trình (2.30) trong đó các giá trị 1, l , 2 , 2 được đưa vào trước. Nếu các thông số trên đưa vào sau sẽ gây nên sai số. Khi đo nhiệt độ đến 200025000C giá trị l , 2 có thể xác định bằng thực nghiệm. Hình 19-10 là sơ đồ nguyên lí của hoả quang kế màu sắc dùng tế bào quang điện. Cường độ bức xạ từ đối tượng đo A qua hệ thống thấu kính 1 tập trung ánh sáng trên đĩa 2. Đĩa này quay quanh trục nhờ động cơ 3. Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào quang điện 4, trên đĩa khoan một số lỗ, trong đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ (LĐ) còn nửa kia lọc ánh sáng xanh (LX). Khi đĩa quay tế bào quang điện lần lượt nhận được ánh sáng đỏ và xanh với tần số nhất định tuỳ theo tốc độ quay của động cơ. Dòng quang điện được khuếch dại nhờ bộ k.huếch đại 5, sau đó đưa vào bộ chỉnh lưu pha 7.

57

Nhờ bộ chuyển mạch 8 tín hiệu được chia thành hai thành phần tuỳ theo ánh sáng vào tế bào quang điện là xanh hay đỏ. Hai tín hiệu này được đo bằng bộ chia 9. Tuỳ theo cường độ bức xạ của đối tượng đo, độ nhạy của khuếch đại được điều chỉnh tự động nhờ thiết bị 6. Bộ chia thường là lôgômmét từ điện. Góc quay của nó tỉ lệ với nhiệt độ đo và bộ chuyển mạch là các rơ le phân cực, làm việc đồng bộ với đĩa quay, nghĩa là sự chuyển mạch của khung lôgômmét xảy ra đồng thời với sự thay đổi bộ lọc ánh sáng mà dòng bức xạ đặt lên tế bào quang điện.

Hình 2.11 . Sơ đồ nguyên lí hoả quang kế màu sắc

Phương pháp đo nhiệt độ bằng hoả quang kế màu sắc có ưu điểm là trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường. Nhược điểm của hoả quang kế màu sắc là chúng tương đối phức tạp. Ngày nay các hoả quang kế màu sắc có các bộ điều biến.

58

Hình 2.12. Sơ đồ tín hiệu điều biến (a) và tín hiệu sau khi điều biến (b).

Các tín hiệu điều biến ở phụ tải của tế bào quang điện có dạng như hình 19-11a và tín hiệu ở đầu ra của khuếch đại có dạng như hình 19-11b. Tỉ số giữa biên độ A và B là

= B

A

và đại lượng

1

1

AB

AB= m, được gọi là hệ số điều biến X.

Hệ số m quan hệ đơn trị với tỉ số , vì vậy trong các hoả quang kế hiện đại người ta thay lôgômmét bằng các máy đo hệ số điều biến điện tử. Trong một số trường hợp đẻ nhận được ở đầu ra các tín hiệu tỉ lệ với tỉ số cường độ của hai tia bức xạ người ta sử dụng các thiết bị tính phức tạp. Ví dụ trong hoả quang kế màu sắc loại ệíẽ-2M thiết bị tính tương tự thực hiện phép tính lôgarit các tín hiệu tỉ lệ với cường độ bức xạ sau đó là phép chia thay cho tính lôga.

59

Chương 3 ĐO ÁP SUẤT

3.1. KHÁI NIỆM 3.1.1. Định nghĩa áp suất, đơn vị 1. Định nghĩa áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích theo phương vuông góc với bề mặt chịu lực. Trong chất khí và chất lỏng phương của lực áp suất luôn vuông góc với thành bình chứa, đó là kết quả của sự va đập liên tục các phân tử khí có động năng vào thành bình . Trong hệ thống tĩnh áp suất của chất khí luôn có gía trị bằng nhau tại mọi điểm . Trong hệ thống động như dòng chảy, áp suất thay đổi theo vị trí nếu hệ thống ổn định, và thay đổi theo cả thời gian nếu hệ thống không ổn định. Bởi vậy tổng quát áp suất phụ thuộc vào toạ độ và thời gian . áp suất tại mỗi vị trí được gọi là áp suất điểm. Do mội vật luôn chịu một cột áp khí quyển nên áp suất tuyệt đối của hệ thống thường không đo được trực tiếp, mà đo chênh lệch áp suất của hệ thống với áp suất khí quyển. Hay nói cách khác , đo áp suất được hiểu là đo áp suất chênh lệch so với một áp suất định chuẩn nào đó. áp suất định chuẩn có thể là: (hl.5.2.1) - áp suất khí quyển : áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất trên hay dưới áp khí quyển. - áp suất chân không : áp suất được ghi nhận cho biết là áp suất tuyệt đối. - Một áp suất khác : áp suất được ghi nhận cho biết do việc đo hiệu số áp suất giữa hai áp suất ta gọi tắt là hiệu áp. 2. Đơn vị đo áp suất. Uỷ ban quốc tế cho việc đo đạc với luật định đã quyết định chọn Pascal (Pa) = Newton/m2 là đơn vị áp suất (ISO 1000; DIN 13011). Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội số của đơn vị Pascal:

1 mbar = 102 N/m2 = 102 pa 1 bar = 105 N/m2 = 105 pa

Những đơn vị cũ của áp suất được dùng phổ biến trước đây, nay không được phép dùng một cách chính thức trong các tư liệu, văn bản của các nước trên thế giới, đó là:

1kg/cm2 = 0,980665 bar 1 mm Hg = 1,0000 Torr 1 at = 0,980665 bar = 1 kg/cm2

1 atm = 760 Torr 1 mm nước = 9,80665 N/m2.

atm là đơn vị áp suất khí quyển vật lý. at là đơn vị áp suất khí quyển kỹ thuật. Ngoài ra ở các nước Anh - Mỹ người ta còn dùng các đơn vị áp suất sau:

1 pound - force/square yard (Lb/yd2) = 5,425.10-5 at

60

1 pound - force/square foot (Lb/ff2) = 4,883.10-4 at 1 pound - fọrce/square inch (Lb/ In2 = psi) = 7,031. 10-2 at 1 ounce/square foot (oz/ft2) = 3,052.1 0-5 at 1 ounce/square inch (Oz/rn2) = 4.394.10-3 at 1 Ton/square foot (Ton/ft2) = 1,094 at 1 inch of water (in water) = 2,540.10-3 at 1 inch mercuri (in Hg) = 3,455. 10-2 at

Trong T.5.2 2 cho ta sự liên hệ giữa các đơn vị áp suất. 3.1.2. Phân loại dụng cụ đo Tuỳ theo yêu cầu đo trị số áp suất mà có thể có cánh phân loại khác nhau . 1. Phân loại theo áp suất tĩnh của chất khí : - Phong vũ biểu để đo áp suất tuyệt đối của khí quyển - Dư áp kế dùng để đo áp suất dư của đối tượng khi có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển - Chân không kế dùng để đo độ chân không của đối tượng khi áp suất nhỏ hơn áp suất

khí quyển 2. Phân loại theo nguyên tắc tác dụng : - áp kế chất lỏng , là loại dùng mức cao chất lỏng trong ống để chỉ thị áp suất của đối

tượng - áp kế điểm kiểu cơ, là loại hoạt động dựa trên nguyên tắc biến dạng của các phần tử đàn

hồi khi chịu tác dụng của áp suất ở điểm đo. Loại này gồm áp kế kim loại kiểu lò xo, kiểu màng, kiểu pít tông .

- áp kế điện, là loại hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi các đặc trưng về tính chất điện của một số vật liệu dưới tác dụng của thay đổi áp suất điểm đo. áp kế điện bao gồm : áp kế kiểu điện trở, áp kế có độ từ thẩm biến đổi, áp kế cảm biến hay gọi là cảm biến áp điện.

- áp kế bù. Nguyên tắc là chỉ thị áp suất bằng độ lệch của một thông số được bù lại bởi tác dụng của áp suất. Thí dụ áp kế bù điển hình là kiểu pít tông ( áp kế cân)

3. Sai số : Các trị số áp suất của các đối tượng có giá trị rất khác nhau trong phạm vi rất lớn, nên không có loại áp kế nào có thể đo được hết khoảng các trị số đó. Mỗi loại áp kế chỉ đo được áp suất trong những khoảng nhất định , và luôn có sai số. Sai số được đánh giá bằng cấp chính xác cuả dụng cụ đo. Cấp chính xác của dụng cụ đo áp suất biểu thị sai số cơ bản tương đối tương đối lớn nhất trong giới hạn đo của dụng cụ tính theo phần trăm. Đó là các sai số xuất hiện khi đo tiến hành đo trong điều kiện tiêu chuẩn. Cấp chính xác thường được phân theo các giá trị sau : 0,005 ; 0,02 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,35 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,5 ; 4,0 ; 6,0 . 3.2. ÁP KẾ KIỂU CHẤT LỎNG Áp kế kiểu chất lỏng là dụng cụ đo áp suất đơn giản, rẽ tiền lại có độ tin cậy và chính xác cao. Nhưng chúng có nhược điểm là cồng kềnh dễ vỡ, không đo được áp suất quá cao, nên chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm và một số dụng cụ công nghiệp có áp suất tương ứng.

61

Sơ đồ cấu tạo : p h p h Hình 3.1a Hình 3.1b Cấu trúc cơ bản của áp kế gồm một ống đo nối thông với hộp đựng chất lỏng công tác. ống đo thường bằng thuỷ tinh , có đường kính d nhỏ nhất mà có thể tránh ảnh hưởng của sức căng mặt ngoài của chất lỏng công tác gây mao dẫn trong ống đo, thường lấy d = 2 12 mm. Chất lỏng công tác có thể là thuỷ ngân, nước hoặc cồn. Trên hình a, áp kế có cột chất lỏng thẳng đứng. Áp suất cần đo bằng áp suất môi trường ở mặt thoáng f cộng với cột áp của chiều cao h của chất lỏng trong ống đo. Trên hình b, ống đo được đặt nghiêng một góc có thể thay đổi để tăng mức chính xác, giảm sai số khi đọc . 3.3. ÁP KẾ KIỂU CƠ 3.3.1. Áp kế kiểu chỉ thị trực tiếp Nhờ sự tác động của lực áp suất trên cơ cấu là màng đàn hồi hoặc lò xo ống đàn hồi bằng kim loại. Mức độ biến dạng, giãn nở của cơ cấu đàn hồi là thước đo áp suất. Trong hình 3.2 cho cấu trúc nguyên tắc các đầu đo áp suất loại cơ học.

- Pít tông - Lò xo ống - Lò xo màng - Lò xo bình giãn nở - Bình xếp - Cân thăng bằng hình vành khăn - Ống thông nhau.

Hình 3.2 Một số cơ cấu màng đàn hồi

Trong hình 3.3 là cấu trúc chi tiết hơn của 3 loại đồng hồ áp suất chỉ thị trực tiếp quan trọng nhất: lò xo ống và bình giãn nở. Những loại sensor áp suất này hiện nay vẫn được dùng rộng rãi trong việc đo đạc và tự động hóa nhờ sự bền bỉ, độ tin cậy cao. Phạm vi hoạt động của loại lò xo ống từ 1,6 đến 1600 bar ; loại lò xo màng từ 0,25 đến 25 bar và loại lò xo bình giãn nở từ 16 mbar đến 600 mbar

62

Hình 3.3 . Cảm biến áp suất loại cơ học

3.3.2. Áp kế kiểu đo lực Phương pháp đo áp suất kiểu đo lực có thể theo hai hướng. + Hướng thứ nhất là đo áp suất bằng chuyển đổi phản ánh trực tiếp đại lượng đo như chuyển đổi áp điện, áp từ và điện trở lực căng. - Phần tử áp điện làm bằng thạch anh có thể đo được áp suất tới 10 N/m2 vì với áp suất lớn

hơn, đặc tính của nó trở nên phi tuyến và không đơn trị. - Để đo áp suất lớn hơn từ 100 đến 400 MN/m2 cần sử dụng chuyển đổi điện trở dây

maganin khi đó độ nhạy về sự thay đổi điện trở của dây với biến thiên áp suất mới ổn định và bằng 2,5 % trên 1 MN/m2.

+ Hướng thứ 2 là biến áp suất thành di chuyển, đo độ dịch chuyển để suy ra áp suất. Phương pháp này thường dùng các chuyển đổi điện dung, điện cảm và điện trở lực căng.

3.4. LỰC KẾ ÁP ĐIỆN Một số vật liệu như thạch anh, titanat Bari (BaTiO3), muối Seignette v.v . khi bị lực tác động biến thiên, trên bề mặt của chúng xuất hiện các điện tích. Khi lực ngừng tác động, các điện tích biến mất. Hiện tượng trên được gọi là hiệu ứng áp điện. Vật liệu chuyển đổi áp điện được dùng rộng rãi là thạch anh: Tinh thể thạch anh được cắt thành từng phiến có độ rộng Y và chiều dài X (hình 3.3)

Hình 3.3

a)Sơ đồ cấu tạo tinh thể thạch anh b) Chuyển đổi áp điện

Khi tác động 1 lực vào trục X; điện tích xuất hiện được tính theo biểu thức : q = diFx di - hệ số áp điện. (3.1)

63

Nếu tác động lực theo trục Y ta có q = di (Y/X).FY (3.2) Y X - kích thước của chuyển đổi. Thạch anh có: - Hằng số điện môi = 39,8.10-12 F/m. - Hệ số áp điện di = 2,1. 10-12 C/N - ứng suất cho phép = 70 10 N/mm2 - Điện trở suất = 1012 m - Môđun đàn hồi E = 80.l09 N/m2

a b Hình 3.4. Áp điện thạch anh

Hình 3.4 trình bày cấu tạo lực kế áp điện thạch anh. Trong đó phiến thạch anh hình chữ nhật có một cạnh được cắt song song với trục X, bề mặt được cắt với góc 350 so với trục Z (hình 3.4a) . Sơ đồ khối của chuyển đổi trên hình 3.4b , trong đó khuếch đại có phản hồi dương. Tinh thể thạch anh dao động với tần số cơ bản f0 và độ lệch tần số f khi chịu lực F tác dụng :

f = FD

nfk .. 20 (3.3)

F - lực tác động; k - hằng số; D - kích thước chuyển đổi; n - hệ số Để tăng độ nhạy, chuyển đổi có thể được ghép bằng nhiều phiến song song với nhau.

Hình 3.5. Lực kế áp diện Hình 3.5 là sơ đồ cấu tạo của lực kế áp điện (PVDF). Chuyển đổi gồm 3 lớp màng Polyvinylideneflourid (PVDF) được dát mỏng giữa là cao su silicon và lớp ép. Lớp ép là

64

màng chất dẻo. Khi chịu lực tác dụng màng PVDF hình thành các điện tích trên bề mặt, điện tích thay đổi làm biên độ của điện áp ra thay đổi tỉ lệ với lực tác động. 3.5. ÁP KẾ ÁP ĐIỆN

Hình 3.6. Áp kế áp điện

Hình 3.6 là sơ đồ nguyên lí của áp kế áp điện. Dưới tác dụng của áp suất p màng đàn hồi 4 tạo nên một lực nén lên áp điện thạch anh 2 có đường kính 5mm, bề dày lmm. Điện tích q xuất hiện ở điện cực 1 được đưa vào bộ khuếch đại điện tử 5 có tổng trở vào cỡ 1013 . Quan hệ giữa điện tích q và áp suất p là : q = k.S.p (3.4 ) với S - diện tích hữu ích của màng; k- hệ số Để giảm quán tính của thiết bị người ta giảm thể tích của buồng 3. Vì tần số dao dộng riêng của hệ thống màng chuyển đổi khoảng hàng chục kHz nên có đặc tính động học cao và đư-ợc sử dụng rộng rãi để đo và kiểm tra áp suất trong hệ thống có dòng chảy nhanh. Giới hạn đo của thiết bị trong khoảng 2,5 100MPa. Cấp chính xác : 1,5 2. 3.6. HIỆU ỨNG ĐIỆN TRỞ ÁP ĐIỆN TRONG BÁN DẪN Dưới tác dụng của một lực cơ học trên một tinh thể, các nguyên tử bị đẩy lệch đi đối với nhau. Điều này làm thay đổi các hằng số mạng và cả cấu trúc các vùng năng lượng: vùng dẫn và vùng hóa trị. Các ứng suất nén và kéo làm thay đổi điện trở suất của bán dẫn silic p như sau: a/ ứng suất nén sẽ hạ thấp các điểm cực đại của năng lượng vùng hóa trị và vì thế ta có sự gia tăng các điện tích theo hướng nén trong tinh thể. b/ Và ngược lại, ứng suất kéo sẽ tác động sự nâng lên các điểm cực đại của năng lượng theo hướng của nó, do đó làm giảm đi các điện tích, điện trở gia tăng. Trong một sensor áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện, sự thay đổi điện trở do sự thay đổi kích thước hình học dưới tác dụng của áp suất chỉ đóng vai trò thứ cấp (chiếm 2% sự thay đổi điện trở). Hiệu ứng được dùng ở đây là sự thay đổi điện trở suất theo các ứng suất cơ học (mechanical streess) trong tinh thể. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng điện trở áp điện được mô tả như trên và được viết với phương trình như sau:

65

.

(3. 5)

: Hệ số điện trở áp điện. : Điện trở suất : ứng suất cơ học.

Hình 3.7

Hệ số điện trở áp điện tùy thuộc vào hướng tinh thể và điều kiện đo đạc. Các điện trở được đặt tại các điểm cực đại của các thành phần của ứng suất cơ học..., điện trường E và mật độ dòng điện j người ta phân biệt - Hiệu ứng dọc: E // j // - Hiệu ứng ngang: E // J - Hiệu ứng trượt: E j //

Chỉ số cho cường độ của hiệu ứng áp điện là hệ số K tùy thuộc vào vật liệu . Đó là hệ sổ tỉ lệ của sự thay đổi điện trở và độ dài một cách tương đối.

L

LK

R

R ..

. (3.6)

Với Phương trình (5.6.2). (5.6.1). (5.1.1) và

..

R

R

L

L.

66

Hệ số K được viết với phương trình K = . (3.7)

K là hệ số điện trở áp điện E là mô đun đàn hồi của vật liệu.

K có trị so bằng 2, cho kim loại và lớn gấp 50 đến 100 lần cho bán dẫn tùy độ pha tạp. Các sensor áp suất với kỹ thuật bán dẫn có những lợi điểm với loại màng sọc co giãn như sau:

- Độ nhạy cao hơn. - Sự tuyến tính tốt. - Sự trễ (hysteresis) của áp suất và nhiệt độ đều bé. - Độ tin cậy cao sau khi được làm trơ (passivation). - Thời gian hồi đáp ngắn. - Chịu đựng sự thay đổi tải cao do không có sự mỏi (fatigue - free) của màng silic đơn tinh thể.

- Cấu trúc nhỏ gọn. - Rẻ tiền đo sự sản xuất rất kinh tế với công nghệ planar của kỹ thuật bán dẫn.

3.7. CẦU ĐIỆN TRỞ ĐO ÁP SUẤT Tế bào đo áp suất cửa một cảm biến áp suất loại điện trở điện là một chíp silic vuông vức khoảng 6 mm2 và có bề dày sau được ăn mòn khoảng vài m.

Hình 3.8. Cảm biến điện trở áp điện

a. Chíp silic với điện trở R1...R4

67

b. Mặt cất ngang chip không tải c. Mặt cắt ngang chíp có tải với vùng giãn (+) và vùng co (-) d. Mạch điện trở e. Mặt cắt cảm biến: 1 màng thép, 2 đầu, 3 chip silic , 4 nối dây điện

Màng silic tác dụng như một mặt phẳng được căng ra, khi bị uốn cong trên bề mặt nó xuất hiện những nơi bị căng và nơi bị co vào. ở những nơi này qua công nghệ khuếch tán hay cấy ion (ionimplantation) các điện trở được cấy vào. Các điện trở này cũng bị căng ra hay co vào một cách tương ứng. (H.5.6.1). Ngoài ra các điện trở để bù trừ nhiệt độ cũng được hình thành trên cùng 1 chip. Các điện trở này được nối với nhau thành một cầu điện trở. Có một số cảm biến. Mạch khuếch đại được tổ hợp trên cùng một chip hay trên một mạch hỗn hợp với cầu điện trở. Nhờ đó điện thế của cầu điện trờ được khuếch đại ngay trên cảm biến.

Hình 3.9. Cầu điện trở

Trong H.5.6.2 ta có cầu điện trở của cảm biến với các điện trở giống nhau khi màng silic bị uốn cong Rl và R3 gia tăng trị số, trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi. Do đó độ nhạy của cầu được gia tăng. Điện áp ra Ua của cầu được tính như sau:

Ua = UCC )()(

..

3421

4231

RRRR

RRRR

(3.8)

Với: Ri(p) = Ri + Ri.(p) Với một kỹ thuật thích ứng người ta có thể chế tạo sao cho các điện trở Ri có trị số giống nhau và sự thay đổi Ri cũng bằng nhau. Phương trình cho Ua có thể được rút gọn như sau:

Ua = UCC.R

R (3.9)

R

R = K.(p) (3.10)

là độ uốn cơ học , K là hệ số tỉ lệ. Hàm số (p) cho độ uốn cơ học của màng silic theo phép tính gần đúng bậc một có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính: Ua = UCC. K.(p) Khi độ uốn gia tăng khá cao, không còn sự tuyến tính nữa . Với hai điện trở do sự gia tăng của độ uốn , một có trị số gia tăngvà một có trị số giảm đi ( hiệu ứng qủa bóng - Balloon

68

Effect ). Với sự chọn lựa trị số Ri hơi khác một tí, hiệu ứng này có thể được triệt tiêu một phần nào 3.8. ĐO ÁP SUẤT BẰNG ÁP ĐIỆN TRONG CÔNG NGHIỆP Phần tử áp điện có ưu điểm là đo được áp suất biến thiên nhanh , dùng đo áp suất trong xi lanh động cơ đốt trong về hình thức nó hơi giống pugi của động cơ đốt trong. Đầu chuyển đổi có màng mỏng 1 (hình 3.10) để nhận trực tiếp áp suất của xi lanh. Tần số riêng của màng này được chọn thích hợp với tốc độ biến thiên của áp suất .

Hình 3.10. Sơ đồ chuyển đổi áp điện đo áp suất .

áp suất được truyền qua đệm kim loại 2 đến phần tử áp điện 3 . Phía trên phần tử áp điện, các điện tích được lấy ra từ cực 4 và vỏ của chuyển đổi. Độ nhạy của thạch anh chỉ không thay đổi ở nhiệt độ dới 2000C nhưng nhiệt độ trong xi lanh lớn hơn nhiều, vì vậy người ta phải chế tạo một sơmi toả nhiệt trong có các lỗ 5, 6, 7

để dẫn nước chảy quạ. Điện trở ra của chuyển đổi rất lớn 1013 , nên đòi hỏi điện trở cách điện của dây dẫn và điện trở đầu vào của bộ khuếch đại cũng phải lớn. Với một dải tần tư-ơng đối rộng, tốc độ biến thiên áp suất trong xi lanh rất lớn, do đó phải dùng các đầu rung của dao động kí có tần số riêng cao nhưng độ nhạy thường lại thấp, vì vậy yêu cầu hệ số

khuếch đại phải lớn để có thể đo áp suất từ 0 15 MN/m2. 3.9. ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG Hình 3.11 là sơ đồ thiết bị đo áp suất, trong đó gồm có ống rỗng tròn làm bằng thép, trên bề mặt ống được dán hai điện trở lực căng RT và RK mắc cùng với hai điện trở R tạo thành mạch cầu. Khi có áp suất Px cần đo tác dụng, bề mặt của ống bị biến dạng. Độ biến dạng đ-ược tính bằng biểu thức :

1 = hE

rpx

.

. (3.11)

Px - áp suất đo; r và h - đường kính và chiều dày thành ống; E - môđun đàn hồi của thép.

69

Hình 3.11. Sơ đồ thiết bị đo áp suất điện trở lực căng

Độ biến dạng 1 được phản ánh nhờ điện trở lực căng RT , còn điện trở RK dán dọc ống dùng để bù nhiệt độ. Khi điện áp cung cấp cho mạch cầu không đổi, điện áp ở đầu ra của mạch cầu U tỉ lệ với áp suất đo. Để tăng tín hiệu ra người ta mắc thêm bộ khuếch đại (KĐ) , miliampemét được khắc độ giá trị áp suất cần đo. Dải đo áp suất 5.104 107 bar, sai số quy đổi 1,5 %. Do quán tính nhỏ nên thiết bị trên có thể dùng đo áp suất biến thiên nhanh và tín hiệu ra được ghi trên dao động ký cơ khí hoặc quan sát trên dao động ký điện tử . 3.10. ÁP KẾ MÀNG VỚI ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG TRONG CÔNG NGHIỆP Trong thiết bị này áp suất được biến đổi thành di chuyển, đo di chuyển để suy ra áp suất.

Hình 3.12. Sơ đồ áp kế màng.

Hình 3.12 là sơ đồ áp kế màng 3дд-22. Trong đó áp suất cần đo P tác động lên màng 1 qua bộ phận dẫn truyền đẩy lò xo phẳng 2 làm lò xo di chuyển. Độ uốn của lò xo 2 tỉ lệ với áp suất p. ở hai phía của lò xo phẳng 2 người ta dán hai điện trở lực căng 3. Khi lò xo bị uốn một chuyển đổi chịu lực kéo còn một chịu lực nén. Thiết bị trên có thể đo được áp suất trong khoảng từ 0,1 - 0,6MN/m2. Sai số tương đối quy đổi 1,5% và có thể làm việc với bất kì loại điện trở lực căng nào. 3.11. ĐO ÁP SUẤT BẰNG CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN DUNG

70

Hình 3.13 là sơ đồ thiết bị đo áp suất bằng phương pháp cân bằng, trong đó điện dung Cl , C2 là hai nhánh cầu với hai điện trở R1 và R2 tạo thành mạch cầu. Trên phần động 1 của chuyển đổi điện dung đặt điện áp một chiều U0 . Khi phần động 1 ở vị trí giữa lực Fl và F2 tác dụng lên nó có trị số như nhau. Mạch cầu ở trạng thái cân bằng. Khi có áp suất cần đo p tác dụng lên phần động làm nó di chuyển, cầu mất cân bằng điện áp ra lấy từ đường chéo cầu được đưa vào khuếch đại (KĐ) và hai bộ chỉnh lưu (CL1) và (CL2) và bộ lọc (L). Điện áp một chiều tổng U0 + U1 và hiệu U0 - U2 đặt lên phần động 1, lúc này phần động chịu một lực tác dụng :

F = F1 – F2 =

2

0

20

2

0

10

2

.

x

UU

x

UUs

(3.12)

Trong đó - hằng số điện môi; s - tiết diện bản cực ;

0 - khe hở giữa các bản cực; x lượng di chuyển của bản cực động.

Do hệ số khuếch đại lớn có thể bỏ qua trị số x so với 0

Hình 3.13. Sơ đồ thiết bị đo áp suất bằng phương pháp cân bằng

Nếu chỉnh lưu (CL1 ) và (CL2) đối xứng nhau và U1 = U2 thì áp suất đo sẽ tỉ lệ với điện áp.

p = 20

210 )(

UUU (3.13)

Vôn mét V chỉ cho ta biết áp suất cần đo. Trong hình 3.14 mô tả cấu trúc khác của cơ cấu đo áp suất bằng điện dung. Cơ cấu gồm một ống đo, bên trong có gắn các bản cực của tụ điện. Các lá tĩnh của tụ được gắn trên tấm chắn bên phải, các lá động nằm trên tấm chắn bên trái chịu tác động của lực áp suất. Do lực áp suất tác động , các tấm động di chuyển làm điện dung của tụ thay đổi. Hai bản cực được nối với dây dẫn tới mạch dao động , làm tần số thay đổi , từ đó mà suy ra áp suất .

71

Hình. 3.14. Một cơ cấu chuyển đổi áp suất thành biến đổi điện dung

3.12. ĐO ÁP SUẤT BẰNG THIẾT BỊ SỐ Phương pháp số đo lực được thực hiện theo hai cách : - Biến lực áp suất thành điện áp sau đó đo điện áp bằng các dụng cụ số. - Biến lực áp suất thành tần số, đo tần số suy ra lực . Thực hiện phương pháp nào là tuỳ thuộc vào yêu cầu của phép đo. Hình 3.15 là sơ đồ của thiết bị đo áp suất theo nguyên lí biến áp suất thành tần số.

Hình 3.15. Sơ đồ nguyên tắc chuyển đổi áp suất thành tần số.

áp suất đo p tác động lên màng 1, qua giá đỡ 2 kéo căng màng rung 3 đó là một màng mỏng phẳng. Các chi tiết 1, 2, 3 được chế tạo thành một khối và cùng loại vật liệu. Tần số dao động của màng rung khi chưa có áp suất là 3kHz, khi có áp suất tần số tăng lên tới 4kHz. Dao động của màng rung được duy trì nhờ bộ biến đổi điện từ phân cực 4 , cung cấp từ đầu ra của khuếch đại (KĐ). Điện áp đưa vào khuếch đại cũng lấy từ bộ biến đổi điện từ phân cực 5 và 4 do dao động của màng rung. Với hệ thống kín có phản hồi dương, dao động của màng rung được duy trì, trong đó có tần số cộng hưởng riêng. Điện áp ra xoay chiều Ur đồng bộ với tần số của màng. Sơ đồ khối của áp kế trên được vẽ trên hì nh 3.16. Trong đó bộ biến đổi áp suất - tần số (U/f) đưa ra tần số 3kHz, khi chưa có áp suất và tăng lên 4kHz khi tăng áp suất đến định mức. Nhờ bộ điều chế (ĐC) điện áp này được trộn với điện áp cửa máy phát có tần số cố định 3kHz. Đầu ra của bộ điều chế bao gồm tổng của hai tần số thay đổi từ 6 7kHz và hiệu tần số : 1 kHz. Bộ lọc tần số thấp (L) chỉ cho tần số 1

kHz đi qua và sự thay đổi áp suất đo là hàm của tần số biến thiên từ 0 1 kHz . Tần số được đo bằng tần số kế chỉ thị số hoặc đưa vào máy tính.

72

Hình 3.16. Sơ đồ khối của áp kế chỉ thị số

Theo nguyên lý làm việc có thể chia thành đo trực tiếp và đo gián tiếp . Một số dụng cụ đo áp suất được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghệ: 3.13. ĐO ÁP SUẤT DÙNG BIẾN ÁP VI SAI Trong kỹ thuật công nghiệp trị số áp suất đo được cần biến thành tín hiệu điện để dễ dàng xử lý truyền đạt... Máy đo áp suất loại lò xo chỉ thị trực tiếp chỉ cho ta kết quả đọc trực tiếp tại chỗ. Người ta thực hiện thực hiện điều này khi sự biến dạng của lò xo do áp suất theo chiều dài hay góc độ được biến đổi thành tín hiệu điện theo các khả năng như sau :

Biến thế vi sai Biến trở . Màng sọc co giãn (strain gauge) Điện trở từ trường Tự cảm Điện dung Đo chiều dài bằng phương pháp quang học Đo chiều dài bằng dây đàn.

Thiết bị đo áp suất dùng biến áp vi sai là thiết bị dưới tác dụng của áp suất như các khâu dẫn động áp suất biến thành di chuyển, các chuyển đổi đo di chuyển sẽ xác định được áp suất cần đo: Các phần tử dần động có thể là lò xo ống, ống xi phông và màng đàn hồi hoặc màng dẻo. Hình 3.17 là sơ đồ nguyên lí của áp kế hỗ cảm vi sai hay còn gọi là áp kế biến áp vi sai.

Hình 3.17. Sơ đồ mạch hỗ cảm vi sai

Thiết bị gồm có khâu dần động 1 là một lò xo ống kim loại đợc uốn cong. một đầu giữ cố định còn đầu kia để tự do. Chuyển đổi 2 là một biến áp vi sai với cuộn dãy sơ cấp 7 và hai

73

cuộn thứ cấp 4 và 5. Giữa các cuộn dây đặt lõi thép 6 gắn với đầu tự do của lo xo ống. Cuộn dây 4 và 5 đấu ngược chiều nhau. Đầu ra của cuộn thứ cấp được nối với điện trở Ri và R2 để thay đổi giới hạn đo trong khoảng +25%. Khi có dòng điện 11 chạy qua cuộn sơ cấp sẽ tạo ra một tử thông móc vòng qua 2 cuộn dây thứ cắp 4 và 5 làm suất hiện các sức điện động cảm ứng e1 e2 . Độ lớn của chúng phụ thuộc vào hỗ cảm M1 và M2 giữa cuộn sơ cấp và các cuộn thứ cấp và có: el = 2fl1M1 ; e2 = 2fl1M2 Do hai cuộn thứ cấp đấu ngược chiều nhau nên : E = el - e2 = 2fl1 (M1 - M2) = 2fMI1 (3.14) Với R1 và R2 là các điện trở cố định, điện áp ra được tính : Ura = 2fI1Mra

Mra là giá trị hỗ cảm phụ thuộc vào độ di chuyển X của lõi thép 6 :

Mra = Mmax maxX

X (3.15)

Mmax là giá trị hỗ cảm lớn nhất của chuyển đổi khi lõi thép di chuyển lớn nhất Xmax. Thay (7 - 28) vào (7 - 27) ta được :

Ura = max

max12

X

MpfIX (3.16)

Chiều dài toàn phần của lõi từ 1,6 : 4mm . Điện áp ra của thiết bị thay đổi từ -1V đến +1V tuỳ theo sự thay đổi của pha tín hiệu , tương ứng với sự thay đổi hỗ cảm M của chuyển đổi từ -10mH đến + 10 mH. 3.14. ÁP KẾ ĐIỆN TRỞ LỰC CĂNG KIỂU MÔĐUN Để đo áp suất ta có thể sử dụng áp kế kiểu điện trở lực căng (còn gọi là điện trở tenxơ). Hình 3.18 là sơ đồ thiết bị đo áp suất kiểu điện trở lực căng.

Hình 3.18. Nguyên tắc áp kế dùng chuyển đổi tenxơ

74

Các môđun tenxơ là một màng mỏng kim loại 4 trên đó có gắn bốn điện trở tenxơ silic, tạo thành mạch cầu không cân bằng. Môđun tenxơ gắn trên đế 2 chia môi trường đo thành hai phần nhờ hai màng kim loại 1 và 3 . Hiệu số áp suất đo p = p1 - p2 tác dụng lên các tenxơ qua màng đàn hồi và chất lỏng giữa hai phần môi trường làm cho tenxơ biến dạng. Tín hiệu lấy ra từ điện cực 5 và nối với khuếch đại 6. Cung cấp cho mạch cầu là bộ nguồn 7. Tín hiệu ra được chuẩn hoá với dòng điện từ 4 đến 20mA. Thiết bị trên có thể đo được áp suất dư từ 0 103 kPa đến 0 60 Mpa, áp suất chân không 10 0 kPa, áp suất tuyệt đối từ 0 2,5 kPa hoặc 0 2,5 Mpa. Cấp chính xác đạt 0,6 ; 2,0 ; 1,5 . Thời gian tín hiệu xác lập khi có sự thay đổi áp suất từ 0,5 2,5 giây. 3.15. ĐO ÁP SUẤT BẰNG MÀNG KIM LOẠI CO GIÃN Màng kim loại co giãn là loại cảm biến rất quan trọng dùng để đo áp suất lực đã được phát triển đầu tiên ở Mỹ trong những năm cuối thập niên 40. Lợi điểm của màng sọc co giãn là có trị số đo chính xác, kích thước bé. Mạch đo hầu như được dùng với cầu Wheatstone. Để có độ chính xác cao mạch điện cần nhiều điện trở bù trừ và sửa sai. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến rất đơn giản: khi 1 sợi dây dẫn điện bị kéo căng , chiều dài của nó tăng lên, nhưng đường kính của nó giảm đi, hình 3.19. Từ đó dẫn tới điện trở của nó giảm đi. Nếu biến dạng của dây dẫn trong giới hạn đàn hồi, thì sau khi co giãn nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở như trước.

Hình 3.19

Nếu ta gắn chặt dây điện này trên một phần tử cần đo đạc (ví dụ dán dính...) chiều dài của dây điện thay đổi theo chiều dài tức theo sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi điện trở của dây điện tương ứng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta cần khảo sát .

Hình 3.20. Mạch cầu đo biến dạng do áp suất

75

Mạch cầu điển hình dùng để xác định thay đổi điện trở của màng sọc co giãn thể hiện trên hình 3.20.

Điện trở của một dây dẫn tuỳ thuộc vào chiều dài l, diện tích mặt cắt ngang q và điện trở suất :

R = q

l (3.17)

Trường hợp dây dẫn điện bị kéo giãn ra hay nén co lại (hình 3.19), chiều dài, mặt cắt ngang và cả điện trở suất của nó bi thay đổi và do đó điện trở của nó bị thay đổi. Để khảo sát sự thay đổi điện trở R theo các đại lượng nằm bên phải của phương trình (3.17) như thế nào, chúng ta dùng cách tính sai số để tính sự thay đổi tương đối của điện trở R/R

q

q

l

l

R

R (3.18)

Thay vì mặt phẳng cắt ngang q. chúng ta đưa vào phương trình trên đường kính D:

D

D

l

l

R

R2

Phương trình trên được sắp xếp lại bằng cách ta chia nó vời sự thay đổi chiều dài tươrg đối l/l nay là độ giãn nở = l/l:

l

l

l

lD

D

l

lR

R

21 (3.19)

Phía bên trái của phương trình là tỉ lệ giữa sự thay đốt tương đổi điện trở và độ giãn nở, đó là hệ số K. còn được gọi là độ nhạy của màng sọc co giãn :

K = daichieu cua doi tuongdoiSu thay

dien tro cua doi tuongdoiSu thay =

l

lR

R

Số hạng thứ 2 trong vế phải của biểu thị tỷ số giữa co ngang và co dọc, đó chính là hệ số Poison . Nên có thẻ biểu thị :

K =

l

lR

R

= 1+ 2. +

l

l

(3.20)

76

Với sự biến dạng đàn hồi của kim loại điện trở suất thay đổi rất ít. Như thế phần tử / của phương trình trên coi như không đáng kể. Trị số Poisson của các vật liệu thông thường khoảng từ 0,2 đến 0,5. Như thế hệ số K có trị số lớn nhất là 2: K = 1 + 2 = 1 + 2.0,5 = 2 Sự thay đổi tương đối lớn nhất của điện trở khoảng gấp hai lần độ giãn nở :

.KR

R

(3.21)

Độ giãn nở có trị số từ 10-6 đến 10-3 như thế sự thay đổi điện trở cũng tương đối nhỏ. Với Ro là điện trở ban đầu và với một sai số rất bé

R

R

R

R

0

10-6 đến 10-3 , nên có thể viết:

.0

KR

R

R

R

Vật liệu để làm màng sọc co giãn có thể là kim loại hay vật liệu bán dẫn - thường là silic. Dưới tác dụng của áp suất màng sọc co giãn bị biến dạng. Sự thay đổi điện trở của nó gồm hai thành phần hình học (như trên đã diễn tả) và tính chất vật liệu của nó. Sự thay đổi thành phần sau là do điện trở suất của nó bị thay đổi. Sensor áp suất với màng sọc co giãn bằng

kim loại phần lớn dựa vào sự thay đổi của kích thước hình học. Trong khi đó sensor áp suất với màng sọc co giãn bán dẫn dựa vào sự thay đổi của chính vật liệu của nó, ở đây là điện trở suất - đến 98%. Phần còn lại đóng góp vào sự thay đổi điện trở là do sự biến dạng của kích thước hình học. Sensor áp suất với màng sọc co giãn kim loại được chia làm 3 loại tùy theo phương pháp chế tạo:

Màng sọc co giãn lá kim loại. Màng sọc co giãn màng mỏng. Màng sọc co giãn màng dầy.

1. Màng sọc co giãn lá kim loại. Cấu trúc thông thường cho ta K 2 với vật liệu kim loại. Màng sọc co giãn loại thông thường là những đường dẫn điện bằng kim loại rất mịn nằm trên một nền bằng chất dẻo. Người ta thực hiện bằng phương pháp in lụa hay quang khắc. Với sự thay đổi chiều dài trong thực tế rất bé, cho nên đường dẫn điện này được chế tạo thành đường uốn khúc để có chiều dài khá lớn nằm trong một diện tích bé, từ đó ta có sự thay đổi điện trở đáng kể. Trong hình 3.21 trình bày các loại màng sọc co giãn. Đường dẫn điện phình ra ở các điểm uốn để làm giảm sai số đo với sự giãn nở ngang. Thường người ta chế tạo nhiều màng sọc co giãn trên cùng 1 nền để đo được cùng một lúc sự co giãn nhiều hướng khác nhau. Điện trở định mức từ vài chục đến vài trăm . Điện trở của màng sọc bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Để giải quyết vấn để này người ta nối hai hay bốn màng sọc này thành một nửa hay một cầu điện trở, nhưng chỉ một hoặc hai trong số đó chịu sự tác động của lực. Nhờ thế sự ảnh hưởng của nhiệt độ được loại bỏ một phần lớn. Màng sọc co giãn thường chỉ được chế tạo để trần như trong hình 3.21. Ta còn có các loại tế bào

77

cân đo lực hình khối với nhiều hình dạng khác nhau để dùng trong công nghiệp cơ khí. Trong chiếc xe đổ bộ đầu tiên trên mặt trăng 21 sensor màng sọc co giãn đã được sử dụng .

Hình 3.21. Các loại màng sọc co giãn dùng tronh công nghiệp

Một số đặc trưng kỹ thuật tiêu biểu của sensor áp suất màng sọc co giãn lá kim loại: Áp suất làm việc 10...5.103 bar Tín hiệu đo 1.2.. mV/V Sai số tuyến tính 0,1... 0.3% Sự ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10K 0.05... 0.3% Dải nhiệt độ hoạt động - 40oC...+1200C Quá tải 200...1000% áp suất làm việc Tần số riêng 73... 200 kHz Nguồn điện 0,8... 18 V Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt

2. Màng sọc co giãn loại màng mỏng. Ngày nay các màng sọc co giãn với kỹ thuật màng mỏng (chế tạo bằng phương pháp bốc hơi chân không (Hình 3.22) hay công nghệ phun bụi (Sputtering) (Hình 3.23). Qua hai phương pháp này điện trở có độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng bời nhiệt độ. Với phương pháp bốc hơi chân không, chất rắn cần bốc hơi được nung nóng chảy trong một bầu chân không. Khi năng lượng nhiệt vượt quá năng lượng liên kết của các nguyên tử ta có sự bốc hơi của chất rắn. Hơi này gồm từng nguyên tử riêng lẻ hay từng khối nguyên tử không liên kết. Để có được những lớp mỏng và mịn, nguồn bốc hơi và mục tiêu cần cách nhau khoảng 60 cm. Với phương pháp phun bụi (Sputtering) - thường được hiểu tự động là phun bụi catôt (Cathode Sputtering) các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị phun ra từ bản mặt catôt trong chân không do sự va chạm của các ion nặng. Với cách thức này người ta có thể phủ một lớp mỏng kim loại lên trên thủy tinh, nhựa, kim loại hoặc các bể mặt khác trong chân không.

78

Với phương pháp phun bụi các ion Argon đạt năng lượng cần thiết do các xung điện có định hướng và với hiệu ứng phóng điện phát sáng (glow discharge, décharge luminesemte, Glimmentladung) có kiểm soát. Các ion Argon bắn phá bề mặt catot và làm cho các nguyên tử ở bề mặt này bị đánh văng ra - bị bốc bụi.

Hình 3.22.

Hình 3.23.

Để hiệu ứng phóng điện phát sáng hoạt động liên tục, điều kiện về áp suất khí trong bầu chân không cần được giữ ở một trị số nhất định. Vì thế độ dài tự do của các nguyên tử từ vật liệu catôt ngắn hơn so sánh với phương pháp bốc hơi trong chân không siêu cao. Đó là lý do khoảng cách giữa catôt và nền cần phun chỉ có 5 10cm. Với phương pháp phun bụi các phần tử bị trốc bụi có động năng khoảng 5 eV, cao hơn so với phương pháp bốc hới chân không gấp 10 lần. Do đó độ thẩm thấu vào lớp nền qua phương pháp phun bụi cao hơn. Khi catôt là vật liệu dẫn điện người ta dùng điện một chiều. Nhưng nếu là chất cách điện, ví dụ : SiO2 , người ta dùng một nguồn điện cao tần với công suất vài kW. Với phương pháp bốc hơi chân không nguồn bốc hơi có hình dạng điểm hay đường thẳng. Trong khi đó với công nghệ phun bụi mặt catôt có kích thước giống như mặt cần phun phủ. Với công nghệ phun bụi catot người ta đạt được nhiều lợi điểm hơn so với phương pháp bốc hơi chân không. Với những công đoạn phức tạp qua công nghệ phun bụi catôt lớp phun phủ được tối ưu hóa theo ý muốn. Đầu tiên là tính chất của vật liệu catôt. Sự tinh khiết của bụi nguyên tử được phun ravà cả áp suất hơi trong buồng chân không xác định sự tinh khiết và vận tốc phun phủ. Chỉ cần một thành phần nhỏ khí 02 lớp phun phủ của màng sọc co giãn bị oxyt hóa. Thông số sẽ nhiệt và điện của nó hoàn toàn bị sai lệch và không thể phục hồi được. Tuy nhiên nếu lớp phun phủ là lớp cách điện, với thành phần khí CO2 được cho thêm ta có những thuận lợi. Vận tốc và phẩm chất của lớp phun phủ còn được xác định bởi công suất của sự phóng điện phát sáng, nhiệt độ của lớp nền dưới sự phun phủ, bắn phá của “bụi catôt”. Khi lớp nền bị “bám bụi” quá nhanh, lớp phun phủ có thể bị nứt nẻ vì sự căng cơ học và trở nên vô dụng. Khi lớp phun phủ trên lớp nền theo thời gian dầy hơn, khoảng cách giữa catốt và lớp nền có mang màng sọc co giãn trở nên ngắn hơn. Điều này làm ảnh hưởng đến tổng trở của sự phóng điện phát sáng và xung điện... và dĩ nhiên đến phẩm chất của màng sọc co giãn . Trước khi thực hiện việc phun phủ, bề mặt của lớp nền cần được chà láng. Độ nhám cao

nhất cho phép là 0,1 m. Tất cả các công đoạn như thổi catôt, đưa lớp nền vào cặc vị trí khác nhau, phun phủ lớp cách điện (SiO2) và màng sọc co giãn đểu phải thực hiện trong điều kiện siêu sạch . Màng sọc co giãn có bề dày khoảng 60 nm.

79

Công đoạn sau cùng có tầm quan trọng quyết định, đó là việc gia nhiệt cho lớp phun phủ. Qua công đoạn bắn phá với ion để hình thành lớp phun phủ, các lớp vật liệu này chứa đựng các lỗ trống, sự lệch của mạng nguyên tử... Trong quá trình gia nhiệt có kiểm soát thực chính xác các nguyên tử khuếch tán trở về vị trí cân bằng nhiệt của nó. Toàn bộ việc sản xuất màng sọc co giãn được thực hiện trong phòng siêu xạch với áp suất cao hơn áp suất khí quyển để tránh sự xâm nhập của bụi. Nhiệt độ của nơi sản xuất được giữ ổn định ở 200C với độ ẩm luôn dưới 40 % . Với phương pháp phun bụi catôt đặc trưng kỹ thuật của một màng sọc co giãn có thể đạt các thông số sau : - Độ chính xác ( ảnh hưởng do không tuyến tính và sự trễ trên toàn thang đo : 0,15% - Khoảng bù trừ nhiệt độ : - 54 0C …. + 1200C

- Sự trượt do nhiệt độ : 0,01% toàn thang/K - Sự ổn định của điểm zero: 0.1% toàn thang cho 13.000 giờ. Màng sọc co giãn được thực hiện với công nghệ màng mỏng đạt được những tinh chất ưu việt như :

Sự ổn định lâu dài với thời gian rất tốt. Độ chính xác cao Điểm zero và tín hiệu toàn thắng đo ổn định đối với nhiệt độ Chịu đựng tốt đối với sự rung. Thích hợp cho việc đo áp suất tĩnh và động. Tiêu hao ít năng lượng.

Một số ứng dụng đặc biệt của màng sọc co giãn: -Dùng trong việc thử nghiệm các động cơ. -Kiểm soát áp suất bên trong buồng máy bay Airbus A300. -Kiểm soát sức nén liên tục của động cơ phản lực.

3. Màng dầy trên nền gốm Sensor lại này không được dùng rộng rãi so với loại kỹ thuật màng mỏng. Màng sọc co giãn được chế tạo trên một nền gốm (Al2O3) với kỹ thuật in lụa. Lợi điểm của kỹ thuật màng dầy: ta có thể chế tạo sensor áp suất và mạch khuếch đại với kỹ thuật mạch hỗn hợp (Hybrid Technology). Một số đặc trưng kỹ thuật:

áp suất làm việc 1... 2.102 bar Trị số đo 2... 10 mV/V Sai số tuyến tính 0,3... 0.5% . ' ảnh hưởng nhiệt độ cho mỗi 10K 0,1... 0.3% Dải nhiệt độ làm việc - 500C .... +1500C Quá tải 130% áp suất làm việc Khả năng chống lại sự ăn mòn Tốt. Tần số riêng 1... 20kHz

3.16. SENSOR ÁP SUẤT VỚI MẠCH TỔ HỢP ĐIỆN TRỞ ÁP ĐIỆN Trước đây người ta dùng các loại cảm biến áp suất hoàn toàn bằng cơ học. Hiện nay người ta đã phát triển các loại cảm biến áp suất với vật liệu bán dẫn rẻ tiền hơn, bền bỉ hơn, chính

80

xác hơn cho các công việc kiểm soát và điều khiền từ xa, công việc tự động hóa trong toàn bộ hệ thống máy móc, dây chuyền sản xuất của nhà máy. Một số lớn sensor áp suất hiện nay được chế tạo từ vật liệu silic với hiệu ứng điện trở áp điện (Piezoresistive Effect). Khác với các loại máy đo áp suất cơ học dùng lò xo và chỉ thị trực tiếp qua một hệ thống truyền động cơ học, các loại sensor áp suất bán dẫn biến đại lượng vật lý "áp suất" thành tín hiệu điện. Trong hầu hết các sensor áp suất đều có một phần tử biến đổi trị số đo từ năng lượng cơ học thành năng lượng điện – gắn trên một màng đàn hồi. Màng đàn hồi này có thể được chế tạo với vật liệu kim loại silic hay gốm (Al203). Ngoài việc đo áp suất với cảm biến màng sọc co giãn kìm loại, thời gian sau này loại cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp diện bán dẫn được sản xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp. Với kỹ thuật bán dẫn người ta có thể chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic. Điều này đưa tới việc toàn bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất trên cùng một chip silic

81

Chương 4. ĐO LƯU LƯỢNG - TỐC ĐỘ

4.1. KHÁI NIỆM Lưu lượng là một trong những thông số quan trọng, trong nhiều quá trình công nghệ cần phải xác định, đặc biệt trong kỹ thuật nhiệt. Trong dòng chảy chất lỏng luôn tuân theo định luật bảo toàn khối lượng và bảo toàn năng lượng thể hiện bởi : - Phương trình liên tục , lưu lượng khối lượng G (kg/s) không đổi:

G = Av =const (4.1) - Phương trình Bernouli , tổng năng lượng kgông đổi :

constpghv

2

2

(4.2)

A- diện tích tiết diện ống, v-vậ n tốc, -mật độ chất lỏng, p- áp suất tĩnh, g- gia tôc trọng trường, h - độ cao phân tố khảo sát Để xác định lưu lượng cần phải căn cứ vào sự thay đổi các thông số liên quan trong dòng chẩy 4.2. ĐO LƯU LƯỢNG THEO ĐỘ GIẢM ÁP SUẤT Một trong những phương pháp phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là phương pháp thay đổi độ giảm áp suất qua ống thu hẹp. Phương pháp này đơn giản, tương đối chính xác, nhưng cần tạo ra một sự giảm áp trong dòng chảy. Xét các đại lượng trong dòng chảy tại hai vị trí: trước chỗ thu hẹp và tại chỗ tiết diện thu hẹp :

Hình 4.1

A1: Diện tích tiết diện ống vị trí trước chỗ tiết diện thu hẹp. A2: Diện tích tiết diện ống vị trí tại chỗ tiết diện thu hẹp. v1: Vậ n tốc ở vị trí trước chỗ tiết diện thu hẹp. v2: Vậ n tốc ở vị trí tiết diện thu hẹp .

82

p1 : áp suất rnh trước vị trí co p2: áp suất tĩnh ở vị trí co Từ phương trình liên tục (4.1) : A1v1 = A2v2 (4.3)

và : 1

2

v

v=

2

1

A

A ; đặt

2

1

A

A = m ;

21

1

m

và phương trình Bernouli (4.2) :

constpv

pv

2

22

1

21

22 (4.4)

p = p1- p2 = )(2

21

22 vv

(4.5)

rút ra v2 :

)(2

.1

1212

22 pp

mv

Vậy tại chỗ thắt : - lưu lượng khối lượng G = Av :

G = A2v2 = )(2. 212 ppA (4.6)

- lưu lượng thể tích Q = Av :

Q = A2v2 = )(2

. 212 ppA

(4.7)

Khi dòng chảy trong một ống dẫn có đặt một thiết bị thu hẹp (hình 4.2) tốc độ của nó tăng lên so với tốc độ trước lỗ thu hẹp do đó áp suất dòng chảy ở cửa ra của lỗ thu hẹp giảm xuống tạo nên sự chênh lệch áp suất phía trước và phía sau lỗ thu hẹp, từ đó có thể đo được lưu lượng của dòng chảy.

Hình 4.2. Hình 4.3 là sơ đồ của dòng chảy lý tưởng và biểu đồ phân bố áp suất (hình 4.3b) và tốc độ dòng chảy (hình 4.3c).

83

Hình 4.3.

Nếu gọi P1 là áp suất ở thành ống trước thiết bị thu hẹp và P2 là áp suất sau thiết bị thu hẹp hình tròn tiêu chuẩn, ta có quan hệ giữa lưu lượng khối G và lưu lượng Q của dòng chảy đ-ược biểu diễn như sau :

G = )(24

.21

2

ppd

(4.8)

Q = )(2

4

.21

2

ppd

(4.9)

Trong đó :

- hệ số lưu lượng d - đường kính lỗ thu hẹp - mật độ dòng chảy.

Để đo độ chênh lệch áp suất có thể sử dụng các áp kế thông thường như áp kế màng đàn hồi, áp kế điện dung, điện trở lực căng, áp kế biến áp vi sai.v.v..... ,. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo hàng loạt đo được ở bất kì môi trường, nhiệt độ và áp suất nào, giá thành hạ. 4.3. LƯU TỐC KẾ CÁNH QUẠT Lưu tốc kế cánh quạt dùng để đo tốc độ dòng chảy qua một ống dẫn, thường là công tơ nước hoặc đo tốc độ của tàu biển . Cấu tạo gồm có cánh quạt 1 (hình 4.4) giống như cánh tua bin, quay trên giá đỡ 2 được gắn vào thanh đỡ 3 trong ống dẫn.

84

ổ đỡ 4 có tác dụng hạn chế độ di chuyển của cánh quạt. Trục cánh quạt được làm bằng vật liệu không dẫn từ, trong đó có gắn lõi thép 5 bằng vật liệu từ mềm. Bên ngoài ống đặt nam châm vĩnh cửu 6 trên nó quấn cuộn dây cảm ứng 7. Khi cánh quạt quay, từ thông của nam châm sẽ tăng lên khi lõi thép 5 nằm dọc trục của nam châm và giảm xuống khi lõi thép nằm vuông góc với nó. Khi từ thông móc vòng trong cuộn dây cảm ứng thay đổi sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng. Mỗi vòng quay từ thông tăng giảm hai lần nên tần số cảm ứng f trong cuộn dây cũng tăng gấp hai lần số vòng của trục. Đo tần số được thực hiện bằng tần số kế. Với ph-

ương pháp trên sai số của thiết bị từ 1 0,3%. Nguyên nhân gây sai số do quán tính của cánh quạt, ma sát giữa trục quay và giá đỡ.

Hình 4.4. Sơ đồ lưu tốc kế cánh quạt.

Muốn giảm sai số có thể bằng cách giảm mô men quán tính của cánh quạt.

4.4. LƯU TỐC KẾ KIỂU CẢM ỨNG Lưu tốc kế kiểu cảm ứng dùng để đo tốc độ dòng chảy của các chất lỏng dẫn điện (hình 4.5).

Hình 4.5

ống 1 được chế tạo bằng vật liệu không dẫn từ cho chất lỏng dẫn điện chảy qua. Từ trường biến thiên do nam châm 2 tạo nên xuyên qua dòng chất lỏng cảm ứng một sức điện động. Sức điện động này được lấy ra trên hai điện cực 3 và 4 và đưa vào thiết bị đo. Độ lớn của sức điện động được tính :

85

E = kBdv (4.10) Trong đó:

k - hệ số ; - tần số góc của từ thông do nam châm tạo ra; B - độ cảm ứng từ d - đường kính trong ống dẫn ; v - tốc độ trung bình của chất lỏng theo tiết diện ống;

Sức điện động có thể biểu diễn qua lưu lượng của chất lỏng :

E = d

k

.

..4

QB. (4.11)

trong đó Q = 4

.. 2dv- lưu lượng, tức là số lượng chất lỏng chảy qua tiết diện ống trong một

đơn vị thời gian. Lưu tốc kế sử dụng phương pháp trên có ưu điểm là không có quán tính do vậy có thể đo được lưu tốc biến thiên theo thời gian. Chỉ thị của dụng cụ không phụ thuộc vào thông số vật lý của chất lỏng (áp suất, nhiệt độ, mật độ, độ nhớt), ngoài ra nó không phụ thuộc vào sức cản phụ đối với dòng chất lỏng như lưu tốc kế cánh quạt. Sai số của thiết bị do xuất hiện sức điện động kí sinh, hình thành ở các điện cực. Sai số cơ bản trong khoảng 1 2,5%. 4.5. LƯU TỐC KẾ KHÍ Thường được sử dụng là lưu tốc kế nhiệt điện trở. Hình 4.6 là sơ đồ thiết bị đo lưu tốc của chất khí trong đó chuyển đổi là một phần của ống dẫn khí, trên quấn cuộn dây đốt nóng 1. Không khí đi qua vùng đốt, nhiệt độ được tăng lên một lượng t0 + t. Hai phía của cuộn đốt nóng là hai nhiệt điện trở quấn bằng dây đồng 2 và 3.

Hình 4.6

Hai nhiệt điện trở được mắc vào hai nhánh của mạch cầu cân bằng cung cấp từ nguồn điện áp xoay chiều. Mạch cầu cân bằng khi nhiệt độ của hai cuộn dây 2 và 3 có cùng một nhiệt độ t0. Khi chất khí đi qua vùng đốt do bị đốt nóng, nhiệt độ của chất khí tăng lên t0 + t và nhiệt độ của nhiệt điện trở 3 cũng tăng theo. Cầu mất cân bằng, điện áp ra của mạch cầu

86

(U) được đưa vào bộ điều chế (ĐC) làm thay đổi dòng đốt I. Đo công suất bằng một Watmét, giá trị của nó xác định được lưu lượng chất khí trong một giây. Nếu thay Watmét bằng một công tơ mét (Wh), số chỉ của công tơ cho biết lưu lượng của chất khí trong thời gian đo. Lưu tốc kế loại này có thể đo được với dải đo rộng sai số không quá 1 2% 4.6. TỐC KẾ NHIỆT 4.6.1. Tốc kế nhiệt kiểu sợi đốt Trong rất nhiều trường hợp, cần phải xác định tốc độ tức thời của dòng không khí . Khi đó phải dùng dụng cụ đo tốc độ gọi là tốc kế nhiệt.

Hình 4.7. Cấu tạo tốc kế nhiệt đo tốc độ gió

Hình 4.7 là cấu tạo của một tốc kế nhiệt . Một dây kim loại mỏng 1 có đường kính cỡ vài micrômét dùng làm nhiệt điện trở được hàn lên hai đầu thanh dẫn manganin 2. Phía cuối của thanh gắn lên giá cách điện 3. Dây kim loại được đốt nóng bằng dòng điện và đặt vào môi trường cần đo tốc độ. Tổn hao nhiệt của dây là hàm số của tốc độ của dòng không khí, vì vậy nếu hệ số nhiệt điện trở của dây khác không, điện trở của nó sẽ phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy. Theo định luật Niutơn : Q = K.S(Td -Tmt) = I2.Rt. (4.12) trong đó:

K - hệ số truyền nhiệt ; S - bề mặt truyền nhiệt ; Td , Tmt - nhiệt độ của dây và môi trường ; I - dòng qua chuyển đổi ; Rt - điện trở của chuyển đổi ở nhiệt độ Td.

87

Hình 4.8. Sơ đồ mạch đo tốc độ gió

Giá trị của K phụ thuộc vào tốc độ chuyển động cuả môi trường, nhiệt độ của môi trường và bản thân dây, thông số vật lí của môi trường (độ nhớt, mật độ...) v.v... Việc thiết kế chuyển đổi rất khó khăn do nhiều yếu tố chưa biết vì vậy chuyển đổi thường được khắc độ và hiệu chỉnh qua thực nghiệm. Kích thước của dây ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính động của chuyển đổi, vì vậy đường kính dây không vượt quá 20 30 m. Trong một số trường hợp dây có kích thước = 23 m, chiều dài dây không quá 3 5 mm. Vật liệu chế tạo dây là platin - vônfram và hợp kim platin - iridi. 4.6.2. Tốc kế nhiệt kiểu màng mỏng Để tăng cường sức bền của chuyển đổi, đặc biệt khi đo tốc độ nhanh có thể dùng điện trở màng mỏng (hình 4.9). Trên giá cách điện, chịu nhiệt 1 gắn một lớp rất mỏng platin 2 dày 1 m, rộng 0,2mm, dài 1 mm. Hai phía của màng tiếp xúc với đầu ra 3. Khi đo màng được đặt theo hướng vectơ v của tốc độ dòng chảy.

Hình 4.9. Cấu tạo một dạng tốc kế nhiệt

Chuyển đổi nhiệt điện trở được mắc vào nhánh cầu. Khi đo ở môi trường có tốc độ không đổi, điện áp ra của cầu được đưa trực tiếp vào chỉ thị và khắc độ theo tốc độ dòng chảy. Khi cần quan sát, ghi tốc độ tức thời, điện áp ra của mạch cầu được đưa vào khuếch đại và chỉ thị là các dao động kí cơ khí hoặc điện tử. Với tốc độ biến thiên có thể dùng cầu tự động cân bằng như hình 4.8. Cầu ở trạng thái cân bằng khi chưa có dòng chảy. Khi có dòng chảy đi qua nhiệt điện trở, nhiệt độ của điện trở Rt bị giảm đi, mạch cầu mất cân bằng. Điện áp ra của cầu U được đưa vào khuếch đại (KĐ). Tín hiệu ra của bộ khuếch đại được phản hồi về nguồn cung cấp

88

làm tăng dòng điện trong nhiệt điện trở. Nhiệt độ của Rt tăng lên cho đến khi cầu cân bằng trở lại. Với hệ số khuếch đại đủ lớn, dòng điện I đi qua cơ cấu đo (ampemét A) sẽ tỉ lệ với lưu tốc khí cần đo. Nhờ mạch phản hồi, quán tính nhiệt giảm xuống vài chục lần và có thể đo tốc độ biến thiên với tần số đến 100 kHz ( tốc kế nhiệt không có phản hồi chỉ dùng được với dải tần không lớn hơn 5 10kHz) 4.7. ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG TẦN SỐ DÒNG XOÁY. Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất. Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn trôi đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci ghi nhận và Strouhal trong năm 1888 đã cố gắng giải thích lần đầu tiên. ông đã nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự rung động như một dây đàn. Sự dao động này tỉ lệ với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với đường kính sợi dây. Theo đó Von Kàrmàn đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này: Đó là sự sinh ra và biến mất của các dòng xoáy bên cạnh vật cản. Một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật được đặt trong một dòng chảy, phía sau nó (phía lee - phía huýt gió trong hàng hải) các dòng xoáy không liên tục được tạo ra.

Hình 4.10.

các dòng xoáy này rời khỏi vật cản tuần tự và trôi đi theo dòng chảy. Phía sau vật cản hình thành một đường của dòng xoáy , gọi là đường dòng xoáy Kaman. Các dòng xoáy ở hai bên cạnh của vật cản có chiều xoáy ngược nhau. Như vậy các dòng xoáy xuất hiện rồi trôi theo dòng chảy đã chuyên chở một phần năng lượng của dòng chảy đi theo. Cuối cùng dòng xoáy tạo thành lực tác động vào vật cản. Trong điều kiện nhất định làm phát sinh dòng xoáy, làm dao động xuất hiện, rồi lại lần lượt mất đi theo dòng chảy. Tần số xuất hiên và biến mất của dòng xoáy là một dấu hiệu để xác định lưu lượng thể tích của dòng chảy. Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước hình học của vật cản , vận tốc lưu chất v và tần số xuất hiện và biến mất dòng xoáy. Sự liên hệ này được diễn tả trong trị số Strouhal:

v

dfSh

. (4.13)

d = đường kính của vật cản. f = tần số dòng xoáy. v = vận tốc dòng xoáy.

Kàrmàn đã tìm thấy rằng, cho chất lỏng và khi với những điều kiện dòng chảy và kích thước của vật cản để cho trong một khoảng trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn

89

giữ cố định ta có được sự liên hệ tuyến tính giữa tần số dòng xoáy và vận tốc lưu chất. Tính chất này không bị ảnh hưởng bởi các tính chất vật lý của lưu chất là chất khí hay chất lỏng, tỷ trọng, độ nhớt.

Hình 4.11

Con đường dòng xoáy Kàrmàn cho một tính chất vô cùng quan trọng trong kỹ thuật đo lường: Khoảng cách và như thế thể tích cục bộ của dòng chảy giữa hai dòng xoáy luôn là một hằng số. Sự hình thành các dòng xoáy một cách chính xác là điều kiện tiên quyết để có thể đo toàn bộ thể tích bằng cách đếm các thể tích cục bộ. Hệ số đếm cho chất lỏng và khí giống nhau. Với điều kiện hằng số Strouhal Sh không tùy thuộc vào trị số Reynold ta có thể tính lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian. Với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy và từ phương trình (7.2) và (7.2.1) ta có :

V = Sh

1d.A.f (4.14)

Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lập lại thực tốt vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện. H.7.2.2.c hình dáng một số vật cản được trình bày.

Hình 4.12

Hình dáng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số. Trong hình 4.13 cho ta sự liên hệ giữa trị số Strouhal Sh và trị số Reynold với hai vật cản khác nhau. Với vật cản có hình dạng lăng kính ta có trị số Sh khá ổn định trong suốt một dải trị số Re khá rộng. Với sự biến mất và xuất hiện của dòng xoáy vận tốc dòng chảy ở hai bên vật cản và trên đường dòng xoáy thay đổi một cách cục bô. Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phương pháp khác nhau. Nhiệt điện trở đun nóng được dùng đến. Nó có thể được gắn phía trước, ở giữa vật cản hay phía sau. Sự thoát nhiệt của nhiệt điện trở thay đổi theo hướng của lưu chất Người ta cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn hoặc

90

đo đạc các dòng xoáy với sóng siêu âm. Trong các máy đo được bán trên thị trường, vật cản dùng có hình lăng kính . Lực tác dụng lên vật cản có hướng thẳng

Hình 4.13 . Trị số Strouhal là hàm của số Reynold

Vật cản được dùng có hình lăng kính. Lực tác dụng lên vật cản có hướng thẳng góc với dòng chảy và trục của vật cản. Lúc này cc thể được đo một cách đơn giản như sau. Với sự biến mất tuần tự của dòng xoáy hai bên cạnh vật cản ta có một dao động hình con lắc. Tần số của "lực quả lắc" này tương ứng với tần số biến mất của dông xoáy. Người ta có thể đo nó dễ dàng với các cảm ứng áp điện . Phương pháp đo lưu lượng với tần số dòng xoáy rất kinh tế và có độ tin cậy cao. Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng nhẹ của vật cản. Đường biểu diễn của nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng. Sai số phép đo rất bé. Khoảng đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3 đến 100 %. Một kính chất rất đặc biệt nữa của phép đo bằng dòng xoáy là độc lập với các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy. Sau một lần kiểm chuẩn, sau đó ta không cần kiểm chuẩn lại với từng loại lưu chất . Các máy đo loại này thích hợp cho chất lỏng và khí. Một lợi điểm nữa là các máy đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản. Với những vật cản thích hợp, tần số biến mất của dòng xoáy tỷ lệ với vận tốc dòng chảy. Lưu chất không cần có tính dẫn điện như phép đo lưu lượng bằng cảm ứng từ. Hiện tượng dòng xoáy còn được ứng dụng để quan sát chuyển động của dòng khí quyển trong thiên nhiên qua các ảnh chụp từ vệ tinh nhân tạo. Khi dòng không khí chuyển động qua vật cản như các vùng núi cao , dòng xoáy xuất hiện được thấy rất rõ rệt. 4.8. ĐO LƯU LƯỢNG THÔNG QUA LỰC CORIOLIS. Nguyên tắc: Lực Coriolis là lực quán tính. Chúng ta quan sát một điã quay với vận tốc quay . Một người đứng bên trên đĩa này và ném 1 vật theo hướng từ tâm ra bên ngoài. Vật này không dịch chuyển theo đường thẳng mà bị lệch đi về hướng ngược với hướng quay. Điều này có thể giải thích do sự tác dụng của lực Coriolis F. Lực này tỉ lệ với trọng khối m và vận tốc v của vật ném, vận tốc quay của đĩa F = m.v. (4.15)

91

Lực Coriolis F có hướng thẳng góc với trục quay của hệ thống qui chiếu và thẳng góc với hướng dịch chuyển của vật. Lực F phát sinh không chỉ với một vận tốc góc không đổi . Phương trình (4.15) đúng với các hệ qui chiếu có sự dao động và với vận tốc góc thay đổi .

Ứng dụng: Trong kỹ thuật lực Coriohs được ứng dụng để đo lưu khối tức lưu lượng khối lượng của một lưu chất . Lưu chất chảy trong một ống mềm uốn cong, hình 4.14, ống này được làm rung lên bằng một nam châm điện chung quanh trục 1 – 1 với tần số riêng khoảng 80 Hz.

Hình 4.14.

Như vậy chất lỏng chuyển động theo hướng nằm ngang được gia tốc với lực Coriolis theo hướng thẳng đứng. Với bán kính của đường cong r của ống ta có momen MC với trục 2-2 . MC = r.F (4.16) Do đường vào và ra của lưu chất có chiều ngược nhau, nên khi dao động lắc sẽ làm xuất hiện momen lúc âm lúc dương nên làm ống bị xoắn một góc cho tới khi momen cơ MC cân bằng với với lực đàn hồi của ống biểu thị bởi hệ số C : Mc = C. (4.17)

Hình 4.15

Từ đó có thể tính ra góc xoắn :

= C

M C = mC

vr

C

Fr.

... (4.18)

Gọi thời gian để lưu chất qua ống là , chiều dài ống là l , thì vận tốc dòng chảy v được xác định:

v =

l (4.19)

Thay tốc độ v vào công thức trên sẽ có :

92

= C

lr

mC

vr

.

...

=

m

C

lr.

...

đặt C

lr .. = k ;

m= G chính là lưu lượng khối lượng.

Như vậy góc xoắn tỷ lệ với lưu lượng khối lượng :

= k. G (4.20) Để xác định lưu khối , được đo trực tiếp , hằng số tỷ lệ k có chứa hằng số đàn hồi C , kích thước ống và vận tốc góc quay . Tín hiệu đo có sự tuyến tính đối với lưu khối. Sai số phép đo được tính trên từng trị số đo, có sai số rất thấp nhỏ hơn 0,2 %. Phương pháp đo lưu chất có ưu điểm là chính xác với lưu khối, có thể khắc phục nhược điểm đo lưu lượng thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ. Ví dụ chất đốt được định giá theo từng lít là không chính xác, mà chính xác hơn là phải tính theo kg. Như nhiên liệu lỏng khi nóng thể tích sẽ tăng lên nhiều, mà nhiệt trị theo kg không thay đổi. Như dầu lửa tỷ trọng ở 100C là 0,823, ở 400C là 0,802. Khi đó đo bằng lưu lượng thể tích sẽ gặp sai số lớn , nhưng đo bằng lưu khối kế kiểu ống lắc Coriolis sẽ chính xác, người bán hàng không thể lừa dối được. 4.9. ĐO LƯU LƯỢNG BẰNG SIÊU ÂM. 4.9.1. Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện. Tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác con người có thể cảm nhận được. Trong kỹ thuật tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 20 kHz đến 10 MHz. Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng có quan hệ với nhau :

C0 = f. (4.21) Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường. ở nhiệt độ bình thường sóng âm thanh lan truyền với vận tốc 344 rn/s trong không khí và 1483 m/s trong nước. Như thế với sóng siêu âm 100 kHz có độ dài sóng là 15 mm trong nước H.7.6 1 trình bày cấu trúc của 1 cảm biến siêu âm áp suất .

Hình 4.16

Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện. Trường hợp đóng vai trò phát sóng : năng lượng điện được biến thành năng lượng cơ học. Dưới một điện áp xoay chiều phiến áp điện co dãn với tần số riêng, và sóng âm được phát ra thẳng góc với bề mặt áp điện. Với những cấu trúc đặc biệt có thể tạo ra những mặt sóng nằm nghiêng.

93

Để thu nhận sóng siêu âm người ta dùng linh kiện có cấu trúc giống như ở nguồn phát. Khi đó năng lượng cơ học là âm thanh làm rung phiến áp điện và biến thành năng lượng điện. Như vậy hiệu ứng áp điện ngược lại này ta có tín hiệu điện từ các sóng âm thanh. Trong thực tế thường với cùng một linh kiện vừa đóng vai trò phát và thu . 4.9.2. Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng. Trong H.7.6.2a/b trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng.

Hình 4.17

Các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v. Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng. Vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần v.cos , do vận tốc chảy của lưu chất. Trường hợp ngược lại nó giảm đi cùng thành phần v.cos. Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy và sau khi nhân v với diện tich mặt cắt ngang của ống ta được lưu lượng tính bằng thể tích. Nếu t1 là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 , và t2 là thời gian truyền sóng từ 2 đến 1, thì :

cos.0

1vC

Lt

; t2 =

cos.0 vC

L

(4.22)

hiệu số thời gian truyền sóng t2-t1 :

t2 - t1 = 2L

222

0 cos

cos.

vC

v

(4.23)

Do tốc độ dòng chảy trong khoảng vài m/s, thì v.cos nhỏ hơn tốc độ âm C0 , nên có thể bỏ qua v2cos2 ở mẫu số trên. Khi đó có vận tốc dòng chảy :

v = )(cos.2

12

20 tt

L

C

(4.24)

Công thức trên cho thấy kết quả đo vận tốc dòng chảy vẫn phụ thuộc vào C0, nghĩa là phải xác định chính xác vận tốc truyền âm với mỗi chất lỏng. Để khắc phục nhược điểm này, có thể xác định riêng t1 và t2 , rồi nhân với nhau, sẽ được :

t1 t2 = 222

0

2

cos.vC

L

, hay là

94

22

21

220 cos.

.v

tt

LC

thay vào trên sẽ có :

v = 21

12

..

cos.2 tt

ttL

(4.25)

Như vậy tốc độ sẽ được xác định chính xác không phải tính gần đúng. Để đo thời gian truyền sóng chính xác, các cảm biến siêu âm cần phải hoạt động rất nhanh. Khi đó các sóng siêu âm phải có sườn dốc thẳng đứng. Cả hai cảm biến đối diện nhau phát sóng siêu âm cùng 1 lúc. Đầu tiên cả hai hoạt động là nguồn phát, sau đó ca hai là cảm biến thu sóng siêu âm của nhau. Vận tốc dòng chảy được xác định rất nhanh chóngvới phương pháp này. 4.9.3. Phương pháp hiệu số tần số. Các cảm biến được sắp đặt như trên H.7.6.2. Tuy nhiên chúng được vận hành khác đi. Cảm biến 1 gửi đi một xung cho cảm biến 2. Cảm biến 2 trả lời bằng một xung cho cảm biến 1 và làm cho cảm biến 1 phát đi 1 xung. Tần số của cảm biến f1 và tần số f2 của cảm biến f2 được đo lần lượt :

f1 = L

vC

cos.1 0

1

(4.26)

f2 = L

vC

cos.1 0

2

(4.27)

Hiệu của chúng :

f1- f2 = L

v cos.2

từ đó có tốc độ dòng chảy v độc lập với vận tốc truyền sóng C0 :

v = )(cos.2

21 ffL

(4.28)

tần số được đo từ một chuỗi xung do đó phép đo mất thời gian hơn và mặt khác do sự phản hồi sóng siêu âm từ các bọt nước, vật rắn trong chất lỏng... phép đo này bị nhiễu nhiều hơn so với phép đo hiệu số thời gian. 4.9.4. Phương pháp hiệu chỉnh độ dài sóng (hiệu chỉnh pha). Từ quan hệ C0 = f. , thấy rằng : khi tần số không đổi, vận tốc truyền sóng thay đổi theo độ dài sóng phải thay đổi. Trong H.7.6.4 trình bày rõ việc này. Ta chọn tần số f0 sao cho với vận tốc dòng chảy v = 0, khoảng cách giữa hai cảm biến bằng n.0 . Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có :

95

C1 = C0 + v.cos (4.29) và

C2 = C0 – vcos (4.30) với tần số không thay đổi ta có độ dài sóng:

1 = 0

1

f

C ; 1 =

0

2

f

C

Phương pháp hiệu chỉnh pha làm thay đổi tần số sóng siêu âm sao cho dù vận tốc dòng chảy nào , cũng luôn có n.0 là khoảng cách giữa hai cảm biến. Độ dài sóng 0 được giữ cố định, do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau ta có :

f1= 0

1

C ; f2 =

0

2

C.

Hiệu số của chúng :

f1 – f2 = 0

00

0

cos..2cos.cos.

1

vvCvC

từ đó vận tốc dòng chảy độc lập với vận tốc truyền sóng siêu âm :

v =

cos20 ( f1 – f2) (4.31)

Phương pháp này cho ta kết quả chính xác nhất trong 3 phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm . Hình 4.18 là mặt cắt dọc thẹo 1 cảm biến đo lưu lượng bằng siêu âm trong công nghiệp

Hình 4.18. ống đo lưu lượng bằng siêu âm trong công nghiệp

4.10. ĐO LƯU LƯỢNG CỦA KHÍ THÔNG QUA NHIỆT ĐỘ DÂY NUNG. Nguyên tắc: Lưu lượng của khí được tính bằng trọng khối trên đơn vị thời gian còn gọi là lưu khối có thể được xác định bằng nhiệt dộ. Với phương pháp này một dây điện trở hay một màng điện trở nung nóng được đưa vào dòng khí và được làm nguội đi. Phương pháp này đã được

96

dùng để đo vận tốc gió khí... (Anemometer). Nhiệt lượng bị khí lấy đi tỉ lệ với trị số Reynold Re và do đó tỉ lệ với tích số của vận tốc v và tỷ trọng của Re = k.v . Nhiệt lượng mất đi tỉ lệ với tỷ trọng của lưu khối (kg/m2s). Trị số này sau khi nhân với diện tích của mặt cắt ngang ống dẫn, ta được lưu khối được tính bằng kg/s. Lưu khối được xác định và không cần phải đo tỷ trọng của khí. Việc đo đạc được thực hiện với cường độ dòng điện dùng để nung nóng có cường độ không thay đổi hay với nhiệt độ không thay đổi của dây nung. 4.10.1. Phương pháp đo với dòng điện nung không đổi. Với phương pháp này dây nung nằm trên 1 cầu điện trở và được nuôi với một dòng điện có cường độ không đổi (H.7.4.2.1.a). Nhiệt lượng của dây nung bị dòng khí lấy mất đi phần nào. Sự thoát nhiệt này tỉ lệ với vận tốc của dòng khí, tỉ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ của dây nung và khí, tỉ lệ với độ dẫn nhiệt, nhiệt dung và tỷ trọng của khí. Vận tốc của khí có thể được tính từ trị số điện thế của cầu điện trở Ud . Trong khi thực hiện phép đo để tránh sai số, các đặc trưng kỹ thuật của khí không được thay đổi. Trong H.7.4.2.1a cầu điện trở được nuôi với 1 dòng điện có cường độ không đổi I0. Nhiệt độ và điện trở R của dây nung bị thay đổi với vận tốc của dòng khí v. Điện thế của cầu điện trở tỉ lệ với vận tốc v của dòng khí.

Hình 4.19

4.10.2. Phương pháp đo với nhiệt độ của dây nung không đổi. Dây nung nằm trên một cầu điện trở (H.7 4.2 1.b) sao cho với vận tốc lớn nhất của dòng khí ta có nhiệt độ Tm và điện trở Rm của dây nung. Ở điểm làm việc này cầu điện trở được chỉnh sao cho điện thế Ud của cầu bằng không. Nó là tín hiệu dùng để đo đạc và hiệu chỉnh U sẽ điều chỉnh dòng điện của cầu điện trở sao cho trị số của nó lớn bằng không và dây nung có nhiệt độ luôn là T Khi vận tốc dòng khí giảm sự thoát nhiệt của dây cung cũng giảm đi và điện trở của nó gia tăng, cầu điện trở bị lệch. Mạch hiệu chỉnh sẽ hoạt động sao cho có một đối trọng đối với sự lệch này bằng cách giảm cường độ dòng điện của cầu điện trở và đưa nhiệt độ của dây n-ung trở về nhiệt độ Tm cũ. Dòng điện ở ngả ra của bộ hiệu chỉnh được đo để đáp ứng mục đích này. Hiệu số nhiệt độ giữa dây nung và dòng khi không thay đổi. Như thế la có một sự liên hệ giữa cường độ dòng điện qua dây nung và lưu khối Qm của khí trong một sai số chó phép như sau Hằng số a không tùy thuộc vào dòng khí và được tính cho sự mất nhiệt do dòng đối lưu, hay bức xạ của hệ thống đo đối với môi trường chung quanh. Hằng số b tùy thuộc vào kích thước hình học và tính chất của lưu chất (độ đẫn nhiệt, độ nhớt, nhiệt dung). Trong H.7.4.2.2 cho ta sự so sánh giữa kết quả đo và đường biểu diễn từ phương trình lý thuyết

97

(7.4.2.1). Từ kết quả trong H.7.4.2.2 cho thay phương pháp đo lưu khối này có tính chất đối nghịch với phương pháp đo lưu lượng bằng ống co. Với lưu lượng bé ta có trị số đo nhạy và chính xác hơn. Điều này cho phép với Anemometer sai số được tính theo phần trăm của trị số đi (chứ không phải trị số cuối của thang đo). Sai số không đổi suốt cả thang đo cho phép phương pháp đo được thực hiện từ 3 đến 100% trị số cuối của thang đo.

Hình 4.20

Một lợi điểm quan trọng nữa của phép đo này là tính chất đúng (sự hổi đáp của trị số đo) của phương pháp đo được cải tiến rõ rệt. Trong H.7:4~2.3 cho ta sự so sánh giữa 1/ phương pháp đo với dòng điện không đổi và 2/ với nhiệt độ không đổi. Với nhiệt độ không đổi của dây nung, ta không mất thời gian để dây có nhiệt độ cần thiết. Như thế phương pháp này thích hợp để đo dòng lưu chất có sự thay đổi nhanh... từng xung một. 4.10.3. Sự bù trừ nhiệt độ của khí. Đến bây giờ, chúng ta vẫn coi nhiệt độ của khí không thay đổi. Nhiệt độ của khí ảnh hưởng đến phép đo: Như thế nhiệt độ của khí cần được đo bởi một cảm biến nhiệt thứ hai không bị nung nóng và có điện trở lớn gấp trăm lần điện trở của dây nung. Nhiệt điện trở này được nối trong nhánh đối diện với dây nung. Như thế cầu điện trở gồm một nửa có điện trở bé và một nửa có địện trở lớn. Dòng điện qua cầu chảy chủ yếu qua nhánh có dây nung. Bộ hiệu chỉnh làm việc sao cho hiệu số trị số nhiệt độ giữa dây nung và khí không đổi dù nhiệt độ của khí thay đổi.

98

Chương 5. ĐO ĐỘ ẨM

5.1. CÁC KHÁI NIỆM 5.1.1. Không khí ẩm và các đại lượng đặc trưng 1. Các định nghĩa Không khí trong tự nhiên luôn luôn chứa hơi nước và được gọi là không khí ẩm . Không khí ẩm là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước. Để đánh giá trạng thái ẩm của không khí người ta phân loại không khí ẩm thành : - Không khí ẩm chưa bão hoà là trạng thái của không khí ẩm có thể tiếp nhận nước bay hơi tiếp tục vào không khí . - Không khí ẩm bão hoà là trạng thái của không khí ẩm không thể tiếp nhận sự bay hơi của nước vào không khí , lượng hơi nước chứa trong không khí bão hoà là lớn nhất - Không khí ẩm quá bão hoà trạng thái của không khí ẩm gồm không khí bão hoà và các hạt

nước ngưng li ti . 2. Các đại lượng đặc trưng của không khí ẩm a. Độ ẩm tuyệt đối h : Độ ẩm tuyệt đối h là lượng hơi nước chứa trong một đơn vị thể tích không khí :

h = V

Gh (g ẩm/m3kk) (5.1)

Như vậy không khí khô có = 0 , không khí bão hoà có S = max

b. Độ chứa ẩm d : Độ chứa ẩm d là lượng hơi nước chứa trong một đơn vị khối lượng không khí khô:

d = kkk

h

G

G (g ẩm/kgkkk). . (5.2)

Như vậy không khí khô có d = 0 , không khí bão hoà có dS = dmax

Chia tử và mẫu ở vế phải cho V thì có :

d = k

h

(5.3)

c. Độ ẩm tương đối : Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm và độ ẩm tuyệt đối tối đa ở trạng thái bão hoà :

99

= s

h

(%). (5.4)

Như vậy không khí khô có = 0 % , không khí bão hoà có = 100% Do lượng ẩm trong không khí là nhỏ nên không khí ẩm được coi là hỗn hợp khí lý tưởng của không khí khô và ẩm, nên chúng cũng tuân theo phương trình trạng thái khí lý tưởng: - Không khí ẩm : p = RT - Không khí khô: pk = k RkT ; - Hơi ẩm chưa bão hoà : ph = hRhT - Hơi ẩm bão hoà : ps = sRhT Từ đó suy ra độ ẩm tương đối của không khí ẩm :

= s

h

=

s

h

p

p (5.5)

Theo định luật Đan tông, áp suất của hỗn hợp bằng tổng áp suất các khí thành phần : p = pk + ph

d. áp suất bão hoà , nhiệt độ bão hoà , điểm sương : ở trạng thái bão hoà áp suất riêng của hơi nước được gọi là áp suất bào hoà PS , nhiệt độ tương ứng với nó gọi là nhiệt độ bão hoà tS (ký hiệu S viết tắt của saturated -đã bão hoà ). Lượng hơi nước trong không khí bão hoà là lớn nhất . Mỗi nhiệt độ bão hoà tS chỉ tương ứng với một giá trị áp suất bão hoà pS . Khi giảm nhiệt độ không khí chưa bão hoà tới một một giá trị nào đó hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành giọt nước li ti. Nhiệt độ hơi nước bắt đầu ngưng tụ là nhiệt độ đọng sương gọi tắt là điểm sương, ký hiệu tS . 5.1.2. Độ ẩm của vật liệu và sản phẩm trong các quá trình sản xuất Hàm lượng ẩm (lượng nước hay hơi nước) trong các vật liệu, sản phẩm có ảnh hưởng rất lớn tới các đặc tính, chất lượng của chúng. Hàm lượng ẩm trong vật liệu cũng thay đổi theo đặc tính ẩm của môi trường bên ngoài là không khí ẩm. Bởi vậy hàm lượng ẩm trong vật liệu cũng được đánh giá bởi độ ẩm tuyệt đối Aab và độ ẩm tương đối Arel . a. Độ ẩm tuyệt đối :

Aab = khi khong cua tich The

nuoc cua khoi Trong )(

3m

g ( 5.6 )

b. Độ ẩm bão hoà

100

Độ ẩm bão hoà As cho biết hàm lượng nước cao nhất có thể có được trong một thể tích không khí nhất có thể có được . As tùy thuộc vào nhiệt độ và gia tăng nhanh với nhiệt độ (Hình 1.) As = Trọng khối nước cao nhất (max) ( g/m3) Thể tích của không khí Trong qui trình sản xuất, chế biến và bảo quản nguyên vật liệu các sản phẩm công nghiệp, lương thực, thực phẩm... có tính chất hút ẩm. Độ ẩm tương đối của không khí cần được xác định. c. Độ ẩm tương đối : Độ ẩm tương đối là tỉ số của độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm bão hoà :

Hình 5.1 .

Arel= )(sat

abs

A

A.100% (5.7)

Với độ ẩm tương đối, chúng ta cũng chưa thể biết được lượng hơi nước nếu nhiệt độ tương ứng chưa được xác định. Trong thực tiễn hàng ngày, độ ẩm tuơng đối được đo đạc nhiều nhất vì nó liên hệ trực tiếp một cách rõ ràng đến nhiều phản ứng hóa học, sinh học, môi trường trong đời sống hàng ngày. Ví dụ như sự rỉ sét của kim loại, sự hình thành nấm mốc, và cả sự dễ chịu của tình trạng sức khỏe con người . d. Độ ẩm tương đối phù hợp cho các quá trình sản xuất Trong bảng 5.1 cho độ ẩm tương đối thích hợp cho các loại sản phẩm và các qui trình sản xuất trong các xí nghiệp. Bảng 5.1

Xí nghiệp

Qui trình sản xuất

Nhiệt độ oC

Độ ẩm tương đối

Am% Kỹ nghệ dệt Vải bông

Khâu chuẩn bị Xửơng kéo sợi Xưởng dệt

20 đến 25 20 đến 25 20 đến 25

50 đến 60 60 đến 70 70 đến 85

Len Khâu chuẩn bị Xửơng kéo sợi Xưởng dệt

20 đến 25 20 đến 25 20 đến 25

65 đến 70 60 đến 80 60 đến 80

Tơ nhân tạo

Xưởng kéo sợi Xuởng kéo chỉ Xưởng kéo sợi Xưởng dệt

20 đến 25 22 đến 25

80 đến 90 70 đến 80 65 đến 70 60 đến 70

Kỹ nghệ thuốc lá Sản xuất Làm ẩm Kho bảo qủan

22 đến 22 30 đến 35 20 đến 24

60 đến 70 80 đến 90 60 đến 65

Xí nghiệp in In nhiêù mầu 22 đến 22 60 đến 70 Kỹ nghệ phim ảnh Rửa/tráng phim 22 đến 22 60

101

Làm khô Cắt phim

22 đến 22 22 đến 22

50 55

Kỹ nghệ sôcôla Sản xuất Đóng gói Bảo quản

17 đến 18 18 16 đến 20

50 đến 55 50 đến 60 50 đến 60

Thư viện Kho sách 18 đến 20 40 đến 60 Xưởng sơn Phun phủ 20 đến 25 56 đến 65 Bệnh viện Phòng mổ 20 đến 27 45 đến 65 Lò bánh mì Kho bột

Nơi nhồi bột 18 đến 25 23 đến 25

60 60 đến 70

Xí nqhiệp bánh kẹo Phủ lớp sôcôla Nơi sản xuất bánh bích quy và bánh kem xốp Nơi đóng gói Nơi bảo quản

17 đến 18 18 đến 23 18 15 đến 20

60 đến 70 45 đến 55 45 đến 55 45 đến 55

5.1.3. Sự liên hệ giữa các thông số của độ ẩm. Trong hình hình 2, ta có sự liên hệ giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối với nhiệt độ khác nhau - Nhiệt độ điểm ngưng tụ

Pw - áp suất hơi nước F - Lượng hơi nước tính trên 1m3 không khí hay khi với nhiệt độ của môi trường và áp suất 1013 mbar ftr - Số gram hơi nước tính trên 1m3 không khí không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 1013 mbar) Xtr - Số gram hơi nước trong 1 kg không khí khô Ft - Số gram hơi nước tính trên 1m3 không khí ẩm ở điều kiên chuẩn (00C, 1013 mbar) Vtr - Số phần thể tích hơi nước của một đơn vị thể tích không khí khô Vt - Số phần thể tích hơi nước của một đơn vị thể tích không khí ẩm

Ngoài ta ta cần chú ý đến hai khái niệm quan trọng khác. Ví dụ: Với nhiệt độ không khí là 290C ta đo được áp suất hơi nước là 12 Torr. Tuy nhiên theo H3 với T= 2900C ta có trị số áp suất bão hoà là 30 Torr. Như thế không khí chưa bão hòa hơi nước và có thể hấp thu thêm hơi nước. Để có trạng thái bão hòa của hơi nước với áp suất 12 Torr ta có thể hạ nhiệt độ xuống còn 140C. Trong hình 3 ta có những đường biểu diễn hơi bão hòa và áp suất của nhiều chất khác nhau. Các đường biểu diễn này diễn tả sự cân bằng giữa chất lỏng và hơi. Phía bên trên đường biểu diễn chỉ có chất lỏng, còn ở phía dưới chất đó ở trạng thái hơi. Trên đường biểu diễn là những điểm tương ứng giữa nhiệt độ và áp suất bão hòa. Đường biểu diễn này còn được gọi là đường biểu diến điểm ngưng tụ. Trong thiên nhiên trạng thái của nước hoàn toàn không ổn định. Nó tuỳ thuộc vào năng lượng, lúc thì nó vượt lên trên, lúc thì nó nằm ở phía dưới đường biểu diễn để tạo ra các hiện tượng thời tiết hết sức đa dạng: Mưa, sương mù, sương đọng, tuyết, mưa đá, mây, giông tố .

102

Hình 5.2

5.1.4. Tính chất điện môi của nước. Nước có những tính chất điện môi mà ta có thể dùng để đo độ ẩm. Phân tử nước có cấu trúc hình góc cạnh, hình 5, nó bị phân cực do sự bất đối xứng cơ học này và vì thế nước có một

hằng số điện môi tương ứng . Nước có trị số điện môi cao nhất tới = 80 khi ở dạng lỏng và ở nhiệt độ bình thường. Người ta lợi dụng tính chất này để đun nóng các vật thể chứa nước bằng các lò vi ba. Hơi nước có hằng số điện môi thấp hơn và không xác định giống như các khí phân cực. Trong H 4 cho ta sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hai hằng số của

103

khí và chất lỏng. Tất cả phân tử , kể cả phân tử nước đều có những cấu trúc đặc thù hấp thụ các bức xạ có chọn lọc. Vì thế từ lâu nay việc xác định độ ẩm một cách định lượng bằng quang phổ có chọn lọc đã được áp dụng. Với tần số ánh sáng (THz) ta cần các thiết bi phức tạp và với tần số vi ba (GHz) sự rõ ràng trong việc chọn lọc và phân biệt (selectlvity) thấp hơn . ảnh hưởng của nhiệt độ cũng cao hơn. Nếu sự chọn lọc không cần để ý đến ta có thể dùng cả tần số âm thanh 5.2. ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỂM NGƯNG TỤ. 5.2.1. Ngưng tụ hơi trên mặt tấm kim loại bóng Với nhiều phương pháp đo độ ẩm khác nhau, phương pháp điểm ngưng tụ dù cổ điển nhưng vẫn được dùng. Vì với phương pháp này người ta có các trị số đo rất chính xác và sự lập lại khá tốt cho bất cứ hàm lượng hơi nước với nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Khí cần tìm hiểu được làm lạnh cho đến khi có sự ngưng tụ trên bề mặt của tấm kim loại được đánh bóng. Nhiệt độ mà ở đó có hơi bão hòa theo hình 5.3 ta đọc được áp suất hơi nước và theo hình 5.2 ta có được độ ẩm tuyệt đối tương ứng. Tuy nhiên cách đo này khá phức tạp cũng bằng phương pháp điểm ngưng tụ nhưng với LiCl ta có thể đo độ ẩm đơn giản hơn. 5.2.2. Phương pháp điểm ngưng tụ với LiCl. Hình 5.3 trình bày cấu trúc dụng cụ đo độ ẩm bằng Lithiumchlorid .

Hình 5.3

Hai tính chất của hydrat LiCl được sử dụng. Đầu tiên hydrát LiCl có tính hút ẩm, thu nhận các phần tử H20 cho ta một dung dịch LiCl dẫn điện. Khi LiCl nằm lẫn bên trong các sợi thủy tinh (2) thu nhận hơi nước của không khí, độ dẫn điện giữa 2 điện cực xoắn (3) được gia tăng. Một dòng điện xoay chiều chạy qua 2 điện cực xoắn và dung dịch LiCl làm cả cấu trúc cảm biến nóng lên, nước bốc hơi. Khi nước bốc hơi, độ dẫn điện giảm mạnh làm cường độ dòng điện cũng giảm và do đó nhiệt độ cũng giảm, LiCl thu nhận hơi nước trở lại và độ dẫn điện gia tăng. Cường độ dòng điện và nhiệt độ lại tăng trở lại . Diễn biến này lặp lại cho đến khi nào giữa năng lượng điện đưa vào và lượng nhiệt cần thiết để làm bốc hơi nước đạt một trạng thái cân bằng. Lớp LiCl háo nước nằm lẫn trong sợi thuỷ tinh đạt nhiệt độ biến đổi tB tương ứng với áp suất bão hoà pS. Nhiệt độ tB được hiệu chỉnh tự động theo trạng thái cân bằng này. Nhiệt độ tB được đo bằng cảm biến pt-100. Giữa nhiệt độ biến đổi tB và nhiệt độ điểm ngưng tụ có mối liên hệ khá tuyến tính ( hình 5.3) . Do đó tB được coi như thước đo trực tiếp hàm ẩm tuyệt đối của không khí Aabs[gH2O/m3] . Khi sử dụng , cần làm nóng cảm biến lên khoảng từ 5 đến 15 phút. Sau đó có thời gian hồi đáp khoảng từ 10 đến 20 s.

104

5.3. ĐO ĐỘ ẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ Nguyên lí làm việc của chuyển đổi dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số chất như Clorualiti (LiCl), Anhidrit phôtphoric (P2O5). Các chất trên nếu ở trạng thái khô điện trở của chúng rất cao. Khi hút ẩm ở môi trường xung quanh, điện trở giảm một cách đáng kể, qua đó có thể xác định được độ ẩm của môi trường cần đo. Trước khi đo độ ẩm, người ta nung nóng dung dịch muối chứa trong ẩm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi của môi trường. Thông thường chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước, áp suất hơi càng nhỏ càng tốt. Hình 5.4 là đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa. .

Hình 5.4. Đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số sung dịch bão hoà

Bảng 5.2 là các giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối clorualiti bão hòa ở những nhiệt độ khác nhau đường cong áp suất hơi gần tương ứng với đường cong độ ẩm tơng đối 12 % Bảng 5.2 Nhiệt độ dung dịch 0C áp suất hơi trên

mặt nước (Pa) áp suất hơi trên mặt

LiCl (Pa) Độ ẩm tương đối %

5

10 20 30 40 50 60

872,47 1227,94 2338,54 4245,20 7381,27 12344,78

19933

119,2 157,6 260,6 473,9

1066, 1 1727,5 2163,4

13,7 12,8 11,1 11,2 11,1 11,0 10,9

Ví dụ: Cùng một giá trị áp suất hơi bằng 2163 Pa, nhiệt độ hóa sương của nước là 18,80C nhưng nhiệt độ cân bằng của dung dịch LiCl bão hòa là 600C. 5.3.1. Ẩm kế LiCl

105

Cấu tạo của chuyển đổi gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tẩm dung dịch LiCl, trên đó có quấn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn, hình 5.5. Điện cực được đốt nóng bằng nguồn cung cấp làm bay hơi nước. Khi nước bay hơi hết, điện trở của chuyển đổi tăng lên, dòng điện giữa các điện cực giảm đáng kể.

Hình 5.5. Đầu đo dùng clorualiti a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Hình dáng bề ngoài

Do LiCl hấp thụ hơi nước ở môi trường xung quanh nên độ ẩm tăng lên, điện trở của nó giảm và dòng điện giữa các điện cực tăng lên làm cho nhiệt độ của chuyển đổi lại tăng. Đến một thời điểm nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa muối LiCl và dung dịch. Sự cân bằng này liên quan đến áp suất hơi và đồng thời đến nhiệt độ hóa sương (Ts). Như vậy có thể xác định được Ts. Đặc điểm của chuyển đổi LiCl là có thể dùng đo nhiệt độ hóa sương với độ chính xác cao, do đó nhiệt độ cân bằng thực hiện bằng đốt nóng chuyển đổi nên đơn giản, độ tin cậy cao, giá thành hạ, có thể đạt tới độ chính xác 0,20C tùy thuộc vào độ chính xác của chuyển đổi đo nhiệt độ, cấu tạo của đầu đo và điều kiện sử dụng. Thời gian hồi đáp chậm (mươi phút), phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất từ -100C 600C. Ví dụ : -100C Ts 340C và 410C Ts 650C đạt độ chính xác 10C -340C Ts 410C đạt độ chính xác 20C. 5.3.2. Ẩm kế anhydrit phôtphoric P2O5 Ẩm kế có cấu tạo như hình vẽ 5.6 . Đó là một ống cách điện 1 có đường kính không lớn lắm, mặt trong đặt hai điện cực xoắn 2 và 3, giữa chúng phủ màng mỏng P2O5 . Màng có điện trở lớn ở dạng khô và điện trở bị giảm khi hút ẩm.

106

Hình 5.6 . Cấu trúc ẩm kế P2O5

Không khí cần đo độ ẩm được đưa qua ống với vận tốc không đổi. Lúc đó liên tục diễn ra hai quá trình, đó là sự hút ẩm của màng để tạo thành axit phốtphoric và điện phân nước để tái sinh anhydrit phốtphoric :

P2O5 + H2O 2HPO3

2HPO3 H2 + 0,5 O2 + P2O5

Dòng điện I tỉ lệ với độ ẩm tuyệt đối của không khí:

I = M

FZqP (5.8)

F - hằng số Faraday; Z - độ kiềm; q - lưu tốc dòng khí m3/s; M - trọng lượng phân tử H2O; P - độ ẩm tuyệt đối g/m3

Chuyển đổi loại P2O5 cho phép đo hơi nước trong dải đo từ 10-4 1 % theo khối lượng với sai số +5 10%. 5.4. ĐO ĐỘ ẨM BẰNG TRỞ KHÁNG BIẾN ĐỔI Đó là các chuyển đổi có tính chất hút ẩm được chế tạo dưới dạng điện trở hoặc tụ điện. Khi có độ ẩm của môi trường các thông số R hoặc C thay đổi. Các thông số này phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường, chúng được chia thành hai loại điện trở và tụ điện. 5.4.1. Ẩm kế điện trở Kiểu điện trở kim loại gồm một đế có kích thước nhỏ (vài mm2) được phủ chất hút ẩm và đặt hai thanh dán bằng kim loại không bị ăn mòn và ôxi hóa. Trị số điện trở R đo được giữa hai thanh dẫn phụ thuộc vào hàm lượng nước ( tỉ số giữa khối lượng nước hấp thụ và khối lượng chất khô ) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm t-ương đối và nhiệt độ. Hình 5.78a biểu diễn đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở với độ ẩm tương đối và nhiệt độ.

107

Hình 5.78b là mạch bù ảnh hưởng của nhiệt độ, trong đó chuyển đổi độ ẩm RA và điện trở bù RB có hệ số nhiệt độ t giống nhau.

Hình 5.7. Ẩm kế điện trở

a)Sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm tương đối; b) Mạch đo. Đặc điểm của ẩm kế điện trở có thể đo được độ ẩm tương đối từ 5% - 95%, trong dải nhiệt độ -100C 600C. Thời gian hồi đáp cỡ 10 giây và đạt độ chính xác từ 2% 5%. 5.4.2. Ẩm kế điện dung điện cực kim loại Loại chuyển đổi này được chế tạo thành một tụ điện có lớp điện môi giữa hai bản cực là các chất hút ẩm. Do hấp thụ hơi nước nên hằng số điện môi thay đổi làm cho điện dung của tụ thay đổi. Hình 5.8 là một chuyền đổi độ ẩm tụ điện có lớp điện môi là chất polyme.

Hình 5.8. Tụ điện chuyển đổi độ ẩm

Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là tan tan sau đó là crôm phủ tiếp lên polyme bằng phương pháp bay hơi trong chân không để làm điện cực thứ hai. Thời gian hồi đáp phụ thuộc vào độ dày lớp điện môi. Với chuyển đổi tụ điện polyme có thể đo được độ ẩm với dải đo từ 0 100%; dải nhiệt độ từ -400C 1000C. Độ chính xác 2% 3% và thời gian hồi đáp cỡ vài giây. Ngoài ra người ta còn sử dụng chất ôxít nhôm (Al2O3 ) làm chất điện môi. Trong đó một điện cực là một tấm nhôm được chế tạo bằng phương pháp anốt hóa. Điện cực thứ hai là một màng kim loại. Chiều dày của lớp Al2O3 cỡ < 0,3m. Loại chuyển đổi này chỉ thích hợp với độ ẩm thấp nên lớp điện môi càng mỏng càng tốt. Điện cực thứ hai được chế tạo từ Cu, Au, Pi v.v.

108

Chuyển đổi cho phép đo nhiệt độ hóa sương Ts trong phạm vi từ -800C +700C , thời gian hồi đáp cỡ vài giây. Có thể làm việc trong dải áp suất rộng đến hàng trăm bar. Nhược điểm là không dùng được trong môi trường ăn mòn như NaCl, lưu huỳnh. 5.4.2. Ẩm kế điện dung điện cực bằng vàng Cảm biến độ ẩm loại điện dung dùng để đo độ ẩm tương đối. Bên ngoài cảm biến là 1 vỏ nhựa có đục lỗ . Bên trong là một màng nhựa đặc biệt hai mặt có phủ 1 lớp vàng. Cấu trúc của cảm biến với hai chân thích hợp có thể hàn thẳng lên mạch in ( hình 5.9)

Hình 5.9

Màng nhựa được coi như điện môi và hai lớp vàng chính là 2 điện cực của 1 tụ điện. Dưới sự ảnh hưởng của độ ẩm không khí hằng số điện môi thay đổi và do đó điện dung của tụ điện cũng thay đổi theo. Điện dung cũng như sự thay đổi của nó có thể được đo với một mạch điện khá đơn giản và được coi như thước đo độ ẩm tương đối. 5.5. MẠCH ĐIỆN VỚI PHƯƠNG PHÁP XUNG HIỆU SỐ. Điện dung toàn phần của sensor: Cs = C0 + C (5.9)

Co: Điện dung không có hàm ẩm. C: Sự thay đổi điện dung theo hàm ẩm.

Trong hình 5.10 thể hiện mạch nguyên tắc để đo điện dung của sensor. Bộ dao động đa hài Ml tạo các xung vuông góc với độ rộng xung 1 – CA (hình 5.10 b). CA là một tụ xoay được chỉnh ở trị số CA = C0. Ml làm đồng bộ M2 . Độ rộng xung 2 của M2 tỉ lệ với điện dung của sensor CS = C0 + C. Khi C = 0, ta có độ dài xung 1= 2 . Trường hợp điện dung của sensor thay đổi (C 0 ), giữa đường ra 1 và 2 ta có hiệu số của hai xung trên với 3 = 2 – 1 ~ C , khi cả hai bộ dao động đa hài có cùng hệ số tỉ lệ. Ta chọn chu kỳ T của xung vuông sao cho T = 21 và biên độ có trị số UB . Như thế ta có trị số số học trung bình của điện áp ngõ ra Uo .

U0=T

3 ; UB = 0.2 C

CUB (5.10)

Nguyên tắc đã mô tả được thực hiện với mạch điện trong hình 5.11. Để mạch điện hoạt động chính xác, cả hai bộ dao động đa hài có (M1 + M2) phải giống nhau được thiết kế trên cùng điện dung của sensor và tụ xoay CA có cùng hệ số nhiệt độ. Với những điều kiện này

109

tỉ lệ T

3 không bị ảnh hưởng do sự thay đổi của nhiệt độ. Điện áp UB phải rất ổn định vì nó

là 1 yếu tố của kết quả đo. Hình 5.11a là 1 mạch điện đơn giản nhưng không có mạch ổn định điện áp và mạch tuyến tính hóa. Mạch này tiêu thụ rất ít điện (~100 A). Do đó có thể dùng 3 cục pin tiểu để cấp điện cho khoảng 1 năm. Trong hình 5.11b ta có một mạch điện tốt hơn. Điện áp cấp được ổn định qua 3 transistor (BC558B, 2XBC548B). Mạch điện theo phương pháp xung hiệu số tương đối đơn giản, rẻ tiền nhưng có một nhược điểm là tổng trở rất cao. Do đó khi bề mặt của điện cực bị bẩn sẽ làm kết quả bị sai lệch

Hình 5.10

Sơ đồ xung đo điện dungthay đổi theo hàm ẩm và mạch điện nguyên tắc

Hình 5.11a Hình 5.11b

5.6. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM VỚI ĐIỆN TRỞ THAY ĐỔI. 5.6.1. Cảm biến độ ẩm SHSA3 của hãng Hyrotec GmtlH / Đức.

1

2

3

Bộ dao động 1

Bộ dao động 2

C1 C2

M1 M2

a b

U

U

U

110

Cảm tiến độ ẩm SHS A3 có điện trở thay đổi theo độ ẩm. Nó được dùng để đo và nhận biết độ ẩm cao, sự ứ nước hay sự ngưng đọng nước. Với không khí khô ráo sensor SHS A3 có tổng trở thấp. Khi độ ẩm tương đối dưới 75% sensor có điện trở nhỏ hơn 20 k, khi hàm ẩm cao điện trở gia tăng theo hàm logarit. Độ ẩm tương đối 93% ta có tổng trở nhỏ hơn 100 k và khi nước ngưng đọng tổng trở tăng đến 300 k. Để tránh hiệu ứng điện giải ta dùng điện áp xoay chiều có tần số từ 1 kHz đến 30 kHz và với điện áp hiệu dụng 0,8 V0 . SHS A3 dùng để đo hàm ẩm tương đói từ 0 đến 100 %. Dải nhiệt độ hoạt động từ -100C đến 600C. Thời gian hồi đáp là 60 s . Sensor có kích thước 5,5 x 3 x 2,5 mm 5.6.2. Cảm biến độ ấm NH-3 Figaro/Nhật. Cảm biến độ ẩm NH-3 gồm điện trở thay đổi theo nhiệt độ và điện trở thay đổi theo độ ẩm. Để sensor có sự tuyến tính tốt, trong sensor có đến 2 nhiệt điện trở và 2 điện trở thay đổi theo hàm ẩm. Nhiệt điện trở TH dùng để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối vớl điện trở đo hàm ẩm tương đối. Sơ đồ mạch đo độ ẩm với sensor có điện trở thay đổi theo độ ẩm thể hiện trong hình 5.12. Dưới 1 điện áp xoay chiều, ở đường ra số 2 ta có 1 điện thế tùy thuộc vào độ ẩm. Điện áp xoay chiều cần có tính đối xứng tốt và biên độ có trị số cố định. Điện thế tùy thuộc vào độ ẩm ở đầu ra số 2 được lần lượt chỉnh lưu và thiết lập tỷ số trung bình qua các lC3a, lC3c. Với lC4 ta có chỉ thi LED. IC1a tạo sóng vưông. Tần số được định bởi R4 và C2 khoảng 1 kHz. Với pin 7 cuả IC4 ta có 1 điện áp chuẩn là 1,25V và được IC3d khuếch đại thành 3V. Khi S1 ở vị trí B, ta có thể chỉnh P2 để có ngưỡng độ ẩm để rơ le đóng mở. LC1 = TLC 3702CP LC3 = TLC 274CN

Hình 5.12

5.7. ẨM KẾ ASSMANN . Khi cần đo độ ẩm được thổi qua hai nhiệt kế, một được tẩm ướt và do nước bốc hơi nên có nhiệt độ thấp hơn ở nhiệt kế khô. Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn khi khí thổi qua càng

111

khô. Để đạt được một nhiệt độ xác định, khí cần được thổi với vận tốc lớn hơn 2m/s. Áp suất riêng phần p của hơi nước trong khí có thể tính được với công thức: p = pf - 0 00066 b(t - t1) (5.11)

b: Chiều cao của Barometer tính bằng Torr. t và tf : Nhiệt độ đo được pt: áp suất bão hòa ở nhiệt độ tf

ẩm kế loại này đã được dùng từ năm 1861. Hình 5.13a trình bày sơ đồ nguyên tắc ẩm kế Assmann loại cổ điển và hình 5.13b là ẩm kế Assmann loại cải tiến để đo được độ ẩm ở nhiệt độ 00C đến 1000C

Hình 5.13. Sơ đồ nguyên tắc và cấu trúc ẩm kế Assmann 5.8. ĐO ĐỘ ẨM THEO TỔNG TRỞ CỦA MÀNG MỎNG AL2O3

Hình 5.14 biểu thị sơ đồ cấu trúc cảm biến đo độ ẩm bằng tổng trở của màng mỏng ôxit nhôm. Cảm biến gồm một tấm nhôm có diện tích khoảng 4,3 mm2, một mặt được phủ một lớp rnỏng Al2O3. Bên trên lớp mỏng này được phủ một bởi lớp vàng có diện tích khoảng 2,1 mm2.

Hình 5.14. Cấu trúc và sơ đồ ẩm kế màng mỏng ôxit nhôm

Dưới áp suất riêng phần các phần tử nước thẩm thấu qua lớp vàng cực mỏng này ( bề dày < 0,3 m) và xâm nhập vào các lỗ trống của lớp Al2O3 làm thay đổi điện trở và điện dung của cảm biến. Tổng trở của cảm biến là thước đo độ ẩm. Loại cảm biến này thích hợp để đo độ ẩm của khí và các chất lỏng hữu cơ khác. 5.9. ĐO ĐỘ ẨM BẰNG CẢM BIẾN VI BA

112

Với nguồn phát và bộ thu vi ba, độ hấp thụ của môi trường cần được xác định độ ẩm qua tỷ lệ của phần năng lượng thu và phát cho ta biết được độ ẩm. Với sóng vi ba trong khoảng 10GHz , 5mW. Người ta nghiên cứu loại cảm biến này để đo độ ẩm của một phân tử nước đã được đề cập đến ở trong phần trước, mômen lưỡng cực của phân tử nước đẫ được đề cập đến. Momen này thay đổi tuỳ theo từng loại hàng hoá, vật liệu. Do những momen thường trực này, các phân tử nước hấp thụ công suất sóng vi ba. Phương pháp đo từ xa, không phá huỷ và không gây hậu quả độc hại đến sức khoẻ. Máy đo độ ẩm với cảm biến vi ba hoạt động trong khoảng 0... 7000 g H2O /m2 . Độ chính xác tốt hơn 1 % dải đo. Sơ đồ nguyên tắc đo độ ẩm bằng cảm biến vi ba thể hiện trên hình 5.15.

Hình 5.15. Sơ đồ nguyên tắc đo độ ẩm bằng cảm biến vi ba

5.10. ĐO ĐỘ ẨM BẰNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

Với tia hồng ngoại có chiều dài sóng 1,94 và 1,45 m dải hồng ngoại gần ta có dải hấp thụ mạnh và yếu của nước. Độ ẩm của vật liệu xây dựng cũng có thể được xác định bằng phương pháp không phá huỷ với tia hồng ngoại có chiều dài 3 m. tuy nhiên phương pháp này chỉ hoạt động trong dải nhiệt độ từ 15 đến 45 0C. Như vậy đối với những độ dài thích hợp, lượng ánh sáng phản xạ tuỳ thuộc vào lượng nước trong vật thể. Sự liên hệ này có thể đọc được từ đường phổ của vật liệu . Hình 5.16a cho ta thấy đường phổ của bột gỗ với vùng sóng từ 800 đến 200 nm. Thông số là độ ẩm. Người ta thấy rằng với chiều dài sóng 1930 nm ta có sự hấp tụ ánh sáng do độ ẩm cao nhất. Sự lệ thuộc của lượng ánh sáng phản xạ vào độ ẩm có thể được giải thích bằng sự cộng hưởng của dao động phân tử. Hình 5.16b trình bày cấu trúc một máy đo độ ẩm bằng tia hồng ngoại. Ánh sáng của một bóng đèn điện với vật liệu cần xác định độ ẩm sau khi đi qua thấu kính và được phản chiếu bởi 1 gương. Qua vật gương làm phần ánh sáng phản xạ được thu lại và tập trung vào cảm biến để biến thành điện thế. Trên đường đi của ánh sáng, sau tấm gương là hai bộ lọc giao thoa cho chiều dài sóng đo và sóng so sánh. Hai bộ lọc này được quay tròn để ta lần lượt có ánh sáng với chiều dài sóng khác nhau. Tỉ lệ của hai tín hiệu được tính toán và cho ta phần trăm độ ẩm.

113

Hình 5.16a

Hình 5.16b Phương pháp đo ẩm độ bằng sự phản xạ ánh sáng hồng ngoại thích hợp cho việc kiểm soát tự động hóa trong dây chuyền sản xuất như lương thực thực phẩm (bánh kẹo, bột cà phê, bột khoai, bột sữa, bột súp muối, đường... ) vật liệu xây dưng; kỹ nghệ hóa học (bột PVC, xà phòng bịch, xà bông, hạt nhưạ); kỹ nghệ dệt, giấy 5.11. ĐO ĐỘ ẨM BẰNG CẢM BIẾN ÂM THANH. Âm thanh được truyền đi với vận tốc trong hơi nước nhanh hơn không khí khô - khoảng 25%. Trọng lượng phân tử của hơi nước và không khí khác nhau khá xa (18 và 28). Với cảm biến âm thanh vận tốc âm thanh được đo đạc. Để tránh sai số sự bù trừ nhiệt độ là cần thiết. Phương pháp này dùng để đo độ ẩm đến 3000C. 5.12. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM CÁC VẬT LIỆU RẮN. 5.12.1. Độ ẩm gỗ Độ ẩm gỗ được tính toán dựa theo trọng lượng khô của gỗ : A = [(Trọng lượng của gỗ ướt – trọng lượng khô) 100% ]/ trọng lượng gỗ khô Khi gỗ còn tươi nước có mặt bên trong các tế bào gỗ và ở những khoảng trống giữa các tế bào này. Nước ở những khoảng trống giữa các tế bào có thể di chuyển đi và bốc hơi nhanh chóng và không làm gỗ bị co lại. Để làm thoát đi phần nước nằm trong các tế bào, người ta cần nhiều công sức và gỗ sẽ bị biến dạng khi phần nước này mất đi. Muối có mặt trong gỗ hòa tan trong nước làm cho gỗ dẫn điện. Như thế để đo độ ẩm của gỗ ta có thể đo độ dẫn điện hay điện trở của nó. Sự liên hệ giữa độ ẩm của gỗ và điện trở cho các loại gỗ gần như giống nhau và được trình bày trong hình 5.17. Sự ảnh hưởng do độ dày hay hình dáng của gỗ đối với đặc tuyến này coi như không đáng kể. Trong hình 5.18 trình bày mạch điện nguyên tắc đo độ ẩm của gỗ. Ở vị trí I trong mạch RX sẽ có điện thế 1 chiều để đo độ ẩm gỗ từ 3 đến 25% và ở vị trí III để đo độ ẩm gỗ từ 25% đến 100% ta dùng điện thế xoay chiều.

114

Hình 5.17

Hình 5.18 5.12.2. Đo độ ẩm của các vật liệu Độ ẩm của các vật liệu như ngũ cốc, thuốc lá, than bùn … cũng có thể xác định theo nguyên tắc như đo độ ẩm của gỗ. Nghĩa là sử dụng mạch điện sau khi chuẩn hóa để đo độ ẩm của ngũ cốc, thuốc lá, than bùn và các vật liệu khác. Độ ẩm của ngũ cốc, thuốc lá, than bùn được tính toán dựa theo trọng lượng ướt. Độ ẩm của thuốc lá được đo trong khoảng từ 6 đến 16 và từ 16 đến 30 %. Độ ẩm các thứ khác như ngũ cốc, khô cá, khô mực,... có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp đo điện trở, điện dung. Phương pháp chính xác nhất, nhưng mất thời gian và cần nhiều phương tiện đó là cân trước và sau sấy khô bằng hồng ngoại.

Chương 6. ĐO MỨC CHẤT LỎNG VÀ CHẤT RẮN DẠNG HẠT

6.1. KHÁI NIỆM Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay các hạt trong các thiết bị công nghiệp. Phép đo mức có thể nhận được thông tin về khốì lượng chất lỏng chứa trong các bể chứa. Đơn vi đo mức là đơn vị chiều dài. Đo mức được phân thành : đo mức môi trường làm việc, đo khối lượng chất lỏng, truyền tín hiệu mức của môi trường làm việc. Theo phạm vi đo chia thành phạm vi đo rộng (giới hạn từ 0,5 20m) và phạm vi đo hẹp (giới hạn từ 0 100mm) hoặc (0 450 mm) dựng trong hệ thống điều chỉnh tự động . Hiện nay phép đo mức được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp với những nguyên lí hoạt động khác nhau nhưng phổ biến nhất là phép đo mức bằng cột nước thủy tĩnh và các chuyển đổi điện. 6.2. ĐO MỨC NƯỚC Phương pháp đo mức nước đơn giản là dùng cắc bộ biến đổi tỷ lệ ở dạng dẫn truyền bằng tay gạt hoặc dây cuaroa với chuyển đổi biến trở.

115

Hình 6.1 là cấu tạo của thiết bị đo mức nước được sản xuất hàng loạt dùng trong công nghiệp.

Hình 6.1

Phao nổi 1 phản ánh mức nước cần đo được nối với sợi dây 2 gắn vào puli 3. Khi puly quay quanh trục 4 gắn với con trượt 5 quay theo và trượt trên biến trở 6. Đầu dây ra của biến trở được mắc vào mạch đo. Khi thiết kế, đường kính của puli được tính sao cho chu vi của nó có độ dài bằng đúng khoảng cách cần đo. Để giữ cho dây treo phao luôn được căng , người ta gắn thêm lò xo xoắn 7 và cơ cấu cam 8 để puli chỉ có thể quay được một vòng. Với thiếl bị này có thể đo được khoảng thay đổi vài chục centimét đến vài mét với sai số cơ bàn là 0,5% trong giới hạn thang đo. 6.3. ĐO MỨC CHẤT LỎNG THEO ÁP SUẤT THUỶ TĨNH Thực chất của phương pháp này là đo áp suất thuỷ tĩnh p của cột chất lỏng có độ cao h và tỷ trọng không đổi p = gh (6.1) Đo áp suất thủy tĩnh có thể thực hiện theo hai cách : + áp kế đặt ở mức thấp nhất của chất lỏng. + áp kế vi sai với một phía đặt ở mức thấp nhất của chất lỏng và phía kia nối với phần chứa không khí trên mức chất lỏng Hình 6.2 a là sơ đồ đo mức bằng áp kế . Áp suất đo được từ áp kế liên quan đến chiều cao h của mức chất lỏng Hình 6.2 b là sơ đồ đo mức bằng áp kế kế vi sai trong các bể hở . Áp kế vi sai 1 được nối qua ống đẩy 2 nối với bể chứa và bình so sánh 3 . Bình cân bằng 3 dùng để bù áp suất tĩnh tạo ra do cột chất lỏng h1 trong ống đẩy . Trong quá trình đo bình cân bằng giữ không đổi với h1 ta có độ giảm áp suất đo được bằng áp kế vi sai là p = gh (6.2)

116

Hình 6.2 . Đo mức bằng phương pháp đo áp suất thuỷ tĩnh :

a) Đo mức bằng áp kế b) Đo mức bằng áp kế vi sai trong bể hở c) Đo mức bằng áp kế vi sai với bể có áp suất

Khi đo mức trong các thiết bị chịu áp suất ta sử dụng sơ đồ hình 6.2c. Bình cân bằng 3 đặt tương ứng với mức cao nhất và nối vào thiết bị áp suất tĩnh p được đưa vào cả hai ống đẫn và độ giảm áp suất được tính như sau : p = ghmax -Lgh (6.3)

Khi h = 0, P = Pmax khi h = hmax P = 0.

6.4. ĐO MỨC BẰNG ĐIỆN DUNG

Hình 6.3. Sơ đồ thiết bị đo mức dùng chuyển đổi điện dung

Hình 6.3 là sơ đồ thiết bị đo mức bằng chuyển đổi điện dung, trong đó chuyển đổi điện dung 1 là thanh kim loại thẳng, phủ lớp chống ăn mòn hoá học đặt giữa thùng kim loại đựng chất lỏng 2. Khi thùng rỗng, điện dung của thùng là 8pF, lúc đầy chất lỏng điện dung tăng lên đến 30pF. Chuyển đổi điện dung được mắc vào một nhánh của mạch cầu không cân bằng (MC), nhánh thứ hai gồm tụ C1 có điện dung 8pF và tụ C2 mắc song song với C1

117

có điện dung 22pF qua khoá K. Hai nhánh khác của mạch cầu là các cuộn dây thứ cấp của máy biến áp. Cầu được cung cấp bằng một máy phát cao tần (MF) có tần số 110 MHz. Điện áp ra của mạch cầu được chỉnh lưu qua bộ chỉnh lưu CL.

Để điều chỉnh cho chỉ thị có giá trị cực đại thực hiện bằng cách đóng khoá K và điều chỉnh điện trở Rđc . Chỉ thị có thể là một miliampemét, điện thế kế tự động hoặc dụng cụ số. Thiết bị có thể đo được mức ở nhiệt độ 1000C và áp suất của bình từ 0 106 N/m2. Sai số của thiết bị đạt được độ tuyến tính trong khoảng đo lớn, giải đo từ cỡ vài mm 5m 6.5. NHIỆT ĐIỆN TRỞ PTC . Mức chất lỏng (ví dụ dầu xăng...) có thể được kiểm soát bằng điện trở PTC. Điện trở PTC được nối tiếp với một điện trở R và cả hai chịu dưới 1 điện áp 24 V. Dòng điện I gia tăng từ I1 (trường hợp không khí) lên I2 (trường hợp PTC nằm trong dầu có sự dẫn nhiệt tốt, nhiệt độ và điện trở của PTC cùng giảm đi) và ta có tín hiệu báo động. Sự thay đổi điện trở của PTC khá lớn cho nên không cần đến cấu Wheatstone. Sơ đồ nối điện trở và sự thay đổi dòng điện trong môi trường thể hiện trên hình 6.4

Hình 6.4

6.6 QUANG ĐIỆN TỬ. Một đèn LED hồng ngoại phát tia sáng theo một thanh thủy tinh và đến đầu vật nhọn của thanh thuỷ tinh nó bị phản xạ và chiếu lên một photođiôt. Trường hợp đầu nhọn của thanh thủy tinh được bao quanh một môi trường chất lỏng, do sự sai biệt chiết suất giảm đi, ánh sáng được phát tán vào môi trường chất lỏng nhiều hơn. Khi đó photodiôt nhận được ít ánh sáng hơn. Điện áp rơi trên photodiôt gia tăng, một bộ so sánh sẽ làm transistor dẫn điện. 6.7 . ĐO MỨC CHẤT LỎNG VỚI SÓNG VI BA Sóng vi ba là sóng điện từ có tần số trải dài từ 300 kHz (tivi) đến 300 GHz (ánh sáng hồng ngoại). Với tần số 10 GHz sóng vi ba có chiều dài sóng khoảng 30 mm. Để đo mức chất lỏng ta cần một bộ phận phát và một bộ phận thu sóng vi ba với hệ thống FMCW (Frequency Modulated Continuos Wave). Trong hệ thống này tần số được biến điệu trong X-band từ 8,5 GHz đến 9,5 GHz. Một Radar phát đi tín hiệu vi ba được biến điệu tần số tuyến tính với biên độ cố định. Tín hiệu này được phản hồi lại từ mặt chất lỏng. Tín hiệu phản hồi được thu lại sau thời gian t0 được trộn với một phần của tín hiệu phát. Tần số giữa (hiệu số tần) được lọc. Tần số này tỉ lệ trực tiếp với thời gian t0 và do vậy nó là thước đo chính xác khoảng cách đến môi trường cần đo. Phương pháp Fast Fourier - Transformation được dùng đến để xử lí tín hiệu tần số và xác định phổ của nó.

118

Mật độ công suất của sóng vi ba từ 1 đến 10 mW/cm2, tương đối thấp không thể gây nguy hiểm. Lợi điểm của cách đo mức chất lỏng của sóng vi ba so sánh với các phương pháp khác là: - Có thể đo từ chân không cho đến áp suất 25 bar. - Nhiệt độ chất lỏng có thể từ 250C đến +1500C - Không gặp khó khăn với các bồn có khuấy. - Có độ chính xác cao không bị mật độ khí và các lớp nhiệt độ khác nhau của lớp khi bên trên chất lỏng ảnh hưởng. - Cho kết quả chính xác cả với khói bụi, hơi nước trong bồn chứa và bọt trên mặt chất lỏng. 6.8. ĐO MỨC CHẤT LỎNG BẰNG DẪN NHIỆT. Nguyên tắc của phương pháp xác định mức chất lỏng bằng sự dẫn nhiệt được trình bày trên hình 6.5. Một dây điện trở được quấn bên trên một cột có chứa chất dẫn nhiệt. Một dòng điện cố định nung nóng đã điện trở này. Dây điện trở có hai vai trò dây nung và cũng là cảm biến nhiệt. Điện trở của dây nung tùy thuộc vào nhiệt độ xung quanh điều kiện dẫn nhiệt của môi trường. Với điện thế Us và cường độ dòng điện ta có được điện trở của dây nung. Điện trở suất của kim loại phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. R = R0[1 +(T – T0)] (6.4)

Hình 6.5 Dây nung có thể là dây Nickel. Lúc ban đầu dây nung có cùng nhiệt độ với môi trường bên ngoài. Khi nung nhiệt độ dây nung gia tăng và làm điện trở của dây cũng tăng, công suất nung cũng tăng đến khi do sự dẫn nhiệt qua môi trường chung quanh ta có một trị số giới hạn.

119

National Semiconductor Corp đã phát triển IC LMI042 dùng để xác nhận mức chất lỏng bằng sự dẫn nhiệt

V = 211 )(

VL

LLV

L

L A

(6.5)

6.9. ĐO MỨC CHẤT LỎNG , CHẤT RẮN DẠNG HẠT BẰNG DAO ĐỘNG CƠ Để xác định mức chất lỏng, chất rắn một cách an toàn, có độ ổn định lâu dài trong công nghiệp người ta đã ứng dụng các hệ thống dao động cơ học. 6.9.1 . Hệ thống dao động cơ học Một hệ thống dao động cơ học không tắt dần được mô tả bằng phương trình vi phân tuyến tính bậc hai :

)(.. tMCS (6.6)

C - Hằng số lò xo

M(t) – Mômen kích hoạt

= Góc quay = Gia tốc góc

Phương trình biểu diễn sự dao động của một trọng khối m theo thời gian dưới sự kích hoạt của một mô men quay thay đổi theo thời gian. Tấn số riêng của thanh rung :

0=S

C

(6.7)

Khi thanh rung ở trong tình trạng dao động được nhúng vào trong chất lỏng có độ nhớt bé hay trong môi trường chất rắn có hạt mịn như bột ta có 2 phản ứng của bộ rung khác nhau. Sự thay đổi trạng thái dao động được mô tả bằng phương trình vi phân. 6.9.2. Thanh rung trong chất lỏng Khi ta nhúng thanh rung vào trong một chất lỏng có độ nhớt thấp (như nước...), một sự thay đổi tần số rung được ghi nhận. Phương trình vi phân được mở rộng với hai thành phần:

H – Quán tính trọng khối cuả chất lỏng r - Thành phần suy giảm tỉ lệ vôi vận tốc.

(H + S) + r + C = M(t) (6.8) r - Hằng số suy giảm Cả hai thảnh phần tham gia vào làm thay đổi tần số. Tấn số riêng của dao động bị suy giảm được viết như sau:

120

= )( SH

C

(6.9)

Trường hợp độ suy giảm rất bé ta có sự thay đổi tần số của thanh rung.

f =(fo=fd)=

2

1.

HSH

CC (6.10)

Sự thay đổi tần số so với tần số riêng trùng hợp không bị suy giảm được tính:

= .%100.

1

11

0

S

Hf

f

(6.11)

Phương trình trên cho thấy sự thay đổi tần số theo phần trăm tỷ lệ vơi mômen quán tính của thanh rung và “trọng khối chất lỏng bị rung theo”. Như vậy để có hiệu ứng thực rõ ràng, momen quán tính của thanh rung cần rất bé và của chất lỏng cần phải càng lớn càng tốt. Trong thực tế, thanh rung có kích thước cơ học phẳng và dẹp. Khi độ rộng của thanh rung thay đổi từ 0 đến 30 mm ta có sự thay đổi tần số từ 0 đến 35%. 6.9.3. Thanh rung trong chất rắn dạng hạt. Khi một thanh rung được nhúng vào một môi trường bột chất rắn lực ma sát sẽ tác dụng lên nó. Điều này làm ảnh hưởng đến hệ thống dao động và làm biên độ dao động giảm đi một ít. Qua thực nghiệm cho thấy tần số rung không bị thay đổi. Như thế thanh rung không “lôi kéo khối lượng khác rung theo" như trong chất lỏng và hơn nữa thành phần suy giảm không tỷ lệ với vận tốc mà chỉ tùy theo hướng và coi như không thay đổi. Phương trình vi phán cho thanh rung được viết : S + Mr sign( ) + C = M(t) (6.12)

S - Momen trọng khối quán tính M(t) - Momen kích hoạt sign( )- Hướng của vận tốc góc

C - Hằng số lò xo Mr = Mô men ma sát giữa thanh rung và chất rắn - Gia tốc góc Vận tốc góc

- góc quay Mômen ma sát tác dụng nghịch với hướng vận tốc và được diễn tả với sign ( ). Các lực ma sát tác dụng vào thanh rung được trình bày trong H.13.9.3. Lực ma sát tổng cộng Fr được tính với định định luật ma sát Coulomb từ lực thẳng góc FH và hệ số ma sát . Như thế mômen ma sát Mr là tích số của lực ma sát và chiều dài thanh rung l

121

Mr = 2

1 .FH .l . (6.13)

Với phương trình vi phân ta có: S. + C = M(t) -Mr (6.14)

122

Chương 7. ĐO TỐC ĐỘ QUAY

7.1. ĐO TỐC ĐỘ QUAY KIỂU CẢM ỨNG TỪ Để đo tốc độ quay của động cơ có thể ứng dụng hiện tượng cảm ứng từ, thực hiện theo sơ đồ hình 7.1. Trong đó bộ chuyển đổi bao gồm nam châm vĩnh cửu 1 quay quanh trục cố định. Trục này được nối với trục quay của động cơ cần đo tốc độ, (cũng có thể nối bằng dây cáp mềm với trục động cơ).

Hình 7.1. Đồng hồ đo tốc độ kiểu cảm ứng từ

Gần sát với nam châm là đĩa nhôm 2 có trục gắn với kim chỉ tốc độ 4 và và lò xo cân bằng 3. Khi nam châm vĩnh cửu quay, từ trường quay của nam châm thay đổi trên đĩa nhôm làm xuất hiện dòng điện cảm ứng Phu cô trên đĩa nhôm. Dòng điện cảm ứng này tạo ra từ trường có chiều ngược lại chiều của từ trường của nam châm vĩnh cửu. Bởi vậy làm xuất hiện một lực tác động làm đĩa nhôm quay theo. Do đĩa nhôm có gắn lò xo, nên đĩa nhôm chỉ lệch một góc nhất định có lực cản của lò xo bằng với mô men quay do lực từ trường của nam châm quay tạo ra. Khi tốc độ của nam châm nhỏ, lực từ sinh ra nhỏ nên góc quay đĩa nhôm nhỏ. Khi tốc độ của nam châm quay nhanh, lực từ sinh ra lớn nên góc quay của đĩa nhôm lớn. Như vậy tuỳ theo tốc độ quay của động cơ, điã nhôm bị quay theo; kim chỉ cho ta biết được tốc độ quay. Bộ đo tốc độ quay trên được ứng dụng rất phổ biến để đo tốc độ ô tô , xe máy… 7.2. TỐC ĐỘ KẾ KIỂU MÁY PHÁT Tốc độ kế thường dùng nhất là máy phát tốc độ. Máy phát tốc độ có thể chia làm hai loại, máy phát một chiều và máy phát xoay chiều. Máy phát tốc độ một chiều là máy phát điện một chiều có sức điện động ra tỷ lệ với tốc độ quay. Trục quay của máy phát được nối với trục quay của đối tượng đo. Khi đối tượng đo quay, máy phát quay tạo ra sức điện động tỷ lệ với tốc độ quay. Đo sức điện động bằng các dụng cụ đo điện áp có thể suy ra tốc độ quay của đối tượng. Máy phát một chiều, hình 7.2a , có phần quay là cuộn dây cuốn trên lõi sắt có hai đầu nối với cổ góp là hai nửa vành khuyên tiếp xúc với hai thanh góp. Phần tĩnh là hai cực của nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây quay, hai cực của cuộn dây cắt ngang từ trường của nam châm làm cuộn dây sinh ra sức điện động, nhờ hai nửa cổ góp thay đổi liên tục nên sức điện động từ chổi than dẫn ra ngoài là một chiều có độ lớn tỷ lệ với tốc độ quay của cuộn dây. Bởi vậy đo điện áp một chiều sẽ suy ra được tốc độ quay của đối tượng nối với phần quay.

123

Ưu điểm của máy đo này là xác định được chiều quay của đối tượng theo chiều của điện áp ra.

Hình 7.2 Máy đo tốc độ bằng máy phát một chiều và máy phát xoay chiều

Máy phát tốc độ xoay chiều , hình 7.2b , có các cuộn dây được cuốn trên các cực trong phần tĩnh. Phần quay là các nam châm vĩnh cửu nằm bên trong phần tĩnh. Đối tượng quay cần đo tốc độ được nối với phần quay. Các nam châm quay đổi cực từ liên tục trên các cuộn dây làm các cuộn dây sinh ra sức điện động xoay chiều. Sức điện động xoay chiều tỷ lệ với tốc độ quay. Điện áp này được đưa vào mạch chỉnh lưu cầu để đo từ đó suy ra tốc độ quay của đối tượng. Máy đo này không phân biệt được chiều quay của đối tượng.

f = 60

.na (7.1)

a - số đôi cực n - tốc độ quay f -tần số

Đo điện áp U hoặc tần số f có thể xác định được tốc độ đối với các máy phát tốc xoay chiều, các chỉ thị kèm theo thường là tần số kế vì đo tần số, sai số nhỏ hơn và không bị phụ thuộc vào cấu tạo của máy phát mà chỉ phụ thuộc vào cách bố trí số lượng cực. 7.3. MÁY ĐO TỐC ĐỘ QUAY KIỂU MÁY PHÁT TẦN SỐ Đo tốc độ quay bằng phương pháp biến tốc độ quay thành tần số được sử dụng khá rộng rãi. Hình 7.3 là sơ đồ của thiết bị đo tốc độ quay bằng cách biến tốc độ quay thành tần số. Trong đó bộ biến đổi tốc độ - tần số bao gồm bánh răng 1, cuộn dây cảm ứng không tiếp xúc 2 (hoặc cuộn dây điện cảm). Đó là các phần tử nhạy, bánh răng tròn có số lượng răng p = 1; 6 ; 60 ; 180 ; 200 ; 250 và 600 để có tần số xung nhỏ nhất là 10Hz.

Hình 7.3. Đồng hồ đo tốc độ kiểu máy phát tần số

Khi bánh răng quay, phần từ nhạy tạo thành các xung. Tần số lớn nhất có thể nhận được khi đo :

124

fmax = P.nmax .60 Hz (7.2) trong đó số răng không nhỏ hơn: p = 600/nmin - nmax - tốc độ quay lớn nhất - nmin - tốc độ quay nhỏ nhất.

với sơ đồ trên hình 7.2 . Nếu p = 60, thời gian đo là 1 giây thiết bị có thể chỉ trực tiếp tần số quay. Chi thị có thể là dụng cụ hiện số như hình 7.2. Trong đó xung tần số từ phần tử nhạy được đưa qua bộ khuếch đại vào thiết bị tính ra chỉ thị số. Sai số của bộ đếm có thể đạt đư-

ợc l. 7.4. MÁY ĐO TỐC ĐỘ QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC Có thể sử dụng chuyển đổi quang điện để đo tốc độ quay của đối tượng quay. Cấu trúc của máy đo gồm đĩa mã hoá trên có đục lỗ như hình 7.3a .

Hình 7.4. Máy đo tốc độ bằng phương pháp quang Bộ chuyển đổi quang điện gồm có điốt phát quang LED cung cấp nguồn tia hồng ngoại cho đầu thu là một phôtôtranzito như hình 7.4b. Đĩa mã hoá có đục các lỗ được gắn trên trục đối tượng cần đo tốc độ quay, đặt giữa điôt phát quang và phôtôtranzito. Khi đĩa quay, các lỗ trên đĩa sẽ lần lượt cho ánh sáng của đèn chiếu qua đi qua tới phôtôtranzito. Khi đó phototranzito thông, điện áp trên R2 giảm ở mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng, phôtôtranzito khoá và điện áp ra ở mức cao do đó khi đĩa quay điện áp ra trên R2 sẽ tạo thành các xung. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ ở đĩa. Đo tần số ta xác định được tốc độ quay của động cơ. 7.5. MÁY ĐO TỐC ĐỘ QUAY BẰNG SỢI DẪN QUANG Để đo được vận tốc quay của những vật quay tốc độ thực chậm người ta ứng dụng một hiệu ứng từ lý thuyết tương đối: con quay sợi quang dẫn. Trên một cái trống người ta cuốn một đoạn sợi dẫn quang khá dài (hình 7.5). Ánh sáng của một đi ốt laser được chia làm hai tia và được dẫn tới hai đầu của sợi dẫn quang. Sau khi qua đoạn sợi dẫn quang (100- 2000m) ánh sáng được dẫn đến cùng một photodiôt. Khi cái trống đứng yên, ta có thời gian mà hai tia sáng cần qua cuộn sợi dẫn quang bằng nhau.

125

Hình 7.5. máy đo tốc độ quay dùng sợi dẫn quang

Khi cái trống quay, ánh sáng truyền đi theo một hướng nhanh hơn và hướng khác chậm hơn. Sự khác biệt do thời gian truyền dẫn cho ta các giao thoa. Hiệu ứng này được đo và tính toán để suy ra tốc độ quay của trống . Phương pháp này rất nhạy, nó có thể đo vận tốc quay của quả đất (cỡ 6,9.10-4 m)

126

Chương 8. CÁC BỘ CHỈ THỊ

8.1. CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN 8.1.1. Cấu tạo chung Cơ cấu chỉ thị cơ điện nói chung chỉ bộ phận biến tín hiệu điện thành tín hiệu cơ là góc quay của kim chỉ . Bộ phận tĩnh là từ trường không đổi do nam châm vĩnh cửu hoặc từ trường thay đổi do cuộn dây tạo ra, phần động là khung dây có dòng điện cần đo đi qua. Khung dây gồm nhiều vòng dây đồng nhỏ gắn trên trục quay và gắn với kim chỉ . a) Trục, trụ và kim Là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục như khung dây, kim chỉ, lò xo cản v.v...Trục làm bằng thép tròn có đờng kính tù 0,8 1 ,5 mm, đầu trục hình chóp với góc đỉnh 45 600 và đỉnh bán cầu có bán kính 0,05 0,3 mm . Trục được chế tạo bằng loại thép cứng pha iridi hoặc osimi. Trụ đỡ làm bằng đá cứng (agat hay cacbua rundum). Kim chỉ có hình dáng như trên hình 8.2. b) Dây căng và dây treo Có thể thay trục và lò xo bằng dây căng và dây treo để giảm mômen cản, giảm ma sát . Đó là đoạn dây thẳng dẹt làm bằng đồng berili hoặc đồng phốt pho, hình 8.1.

Hình 8.1. Khung dây với dây căng và dây

treo

Hình 8.2. Kim chỉ

b) Lò xo phản kháng Là chi tiết thực hiện hai nhiệm vụ, tạo ra mô men cản và dẫn dòng điện vào khung dây. Lò xo được chế tạo thành hình xoắn ốc (hình 8.3) từ đồng berili hoặc đồng phốt pho để có độ đàn hồi tốt và dễ hàn. c)Thang đo : Thang đo là bộ phận để khắc độ các giá trị của đại lượng. Có nhiều loại thang đo khác nhau tuỳ thuộc vào cấp chính xác và bản chất của cơ cấu chỉ tạo từ nhôm lá, trên mặt khắc vạch chia độ. Để tránh sai số khi đọc đôi khi người ta đặt gương phản chiếu phía dưới thang đo.

127

Hình 8.3. Lò xo phản kháng

Hình 8.4. Một loại thang đo thường dùng.

d)Bộ phận cản dịu Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động và xác định vị trí cân bằng được nhanh chóng. Cản dịu được phân thành 2 loại : cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ

Hình 8.5. Bộ cản dịu

Hình 8.6. Cơ cấu chỉ thị từ điện

Cản dịu không khí có cấu tạo như hình 8.5a gồm một hộp kín trong đó có lá nhôm chuyển động gắn liền với trục quay. Khi phần động của cơ cấu chỉ thị chuyển động, lá nhôm chuyển động theo tạo nên lực cản làm giảm quá trình dao động. + Cản dịu cảm ứng từ gồm 1 lá nhôm mỏng có dạng hình quạt di chuyển trong khe hở của nam châm vĩnh cửu (hình 8.5b). Khi lá nhôm chuyển động, từ trường xuyên qua lá nhôm tạo nên dòng cảm ứng trong lá nhôm chống lại sự di chuyển đó. 8.1.2. Cơ cấu chỉ thị từ điện a) Cấu tạo Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm có hai phần cơ bản : phần tĩnh và phần động (hình 8.6). Phần tĩnh gồm có : Nam châm vĩnh cửu 1, mạch từ 2, cực từ 3 và lõi sắt 4 hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi 4 có khe hở không khí. - Phần động gồm có : khung dây 5 được quấn bằng dây đồng có đường kính 0,03 0,07 mm. Khung dây được gắn vào trục (hoặc dây căng, dây treo) quay và di chuyển trong khe hở không khí giữa cực từ 3 và lõi 4. Nam châm được chế tạo bằng các hợp kim vonfram, alnicô, hợp kim nhôm v.v... Có trị số từ cảm từ 0,1 0,12 Tesla và từ 0,2 0,3 Tesla. b) Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua khung dây, dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu, khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc . Mô men quay được tính theo biểu thức :

128

Mq = - d

dWe (8.1)

We năng lượng điện từ tỷ lệ với độ lớn của từ thông trong khe hở không khí và dòng điện chạy trong khung dây, là góc quay của phần động. We = .I (8.2)

mà = BSW (8.3)

B - Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu S - Tiết diện khung dây W- Số vòng của khung - Góc lệch của khung khỏi vị trí ban đầu

Lò xo cản do bị xoắn sinh ra mômen cản tỷ lệ với góc quay : MC = D. (8.4) Thay (8.3) vào (8.2) ta có :

Mq =

d

IWBSd

d

Id )..()(BSWI (8.5)

ở vị trí cân bằng, mô men quay bằng mô men cản Mq = MC , từ (8.4) và (8.5) ta có: BSWI = D. và

= D

1 BSWI = SI.I (8.6)

Do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I. Từ biểu thức (8.6) ta thấy cơ cấu từ điện chỉ có thể đo được dòng điện một chiều, thang đo đều nhau, độ nhạy Si = D.S là một hằng số không đổi. Cơ cấu từ điện dùng để chế tạo ampemét, vôn mét, ôm mét nhiều thang đo và có dải đo rộng; độ chính xác cao (cấp 0,1 0,5) 8.1.3. Cơ cấu chỉ thị điện từ a) Cấu tạo . Cơ cấu chỉ thị điện từ đợc phân thành 2 loại : cuộn dây dẹt và cuộn dây tròn. - Cuộn dây dẹt: phần tĩnh là một cuộn dây phẳng 1, bên trong có khe hở không khí (hình 8.7a). Phần động là: lõi thép 2 đợc gắn trên trục 5, lõi thép có thể quay tự do trong khe hở không khí. - Cuộn dây tròn : phần tĩnh là cuộn dây có mạch từ khép kín 1 (hình 8.7b), bên trong bố trí tấm kim loại cố định 2, tấm động 3 gắn với trục quay. b) Nguyên lý tàm việc

129

- Đổi với cuộn dây dẹt: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ tạo thành một nam châm điện hút lõi 2 vào khe hở không khí tạo thành mô men quay (Mq). - Đối với cuộn dây tròn: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ xuất hiện từ trường và từ hóa các tấm kim loại tĩnh và động để tạo thành nam châm. Giữa các tấm kim loại hình thành lực đẩy lẫn nhau làm xuất hiện mô men quay

Hình 8.7a.

Cơ cấu chỉ thị từ điện cuộn dây dẹt

Hình 8.7b.

Cơ cấu chỉ thị từ điện cuộn dây tròn 1 Cuộn dây dẹt. 2-lõi thép. 3-Lò xo cản. 4-

cản dịu. 5-trục quay. 6-kim chỉ. 7-Đối trọng. 8-thang đo.

l-cuộn dây. 2-tang kim loại tĩnh. 3-tấm kim loại động.

Góc quay của cơ cấu không phụ thuộc vào chiều dòng điện nên có thể đo được dòng điện một chiều và xoay chiều, thang đo không đều, tiêu thụ công suất lớn, độ chính xác không cao. Cơ cấu chỉ thị điện từ được dùng chế tạo vônmét, ampemét trong mạch điện xoay chiều tần số công nghiệp với độ chính xác cấp 1 2. 8.1.4. Cơ cấu chỉ thị điện động a) Cấu tạo Cơ cấu chỉ thị điện động gồm có cuộn dây phần tĩnh 1 (hình 8.8) được chia thành hai phần nối tiếp nhau để tạo ra từ trường đều khi có dòng điện chạy qua. Phần động là khung dây 2 đặt trong cuộn dây tĩnh và gắn trên trục quay. Hình dáng cuộn dây có thể tròn hoặc vuông. Cả phần động và tĩnh được bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh hưởng của từ trờng ngoài đến sự làm việc của cơ cấu chỉ thị

Hình 8.8. Cơ cấu chỉ thị điện động

130

b) Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây tĩnh, trong cuộn dây xuất hiện từ trờng. Từ trường tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo nên mô men quay làm phần động quay đi một góc

Mq = d

dWe

Nếu dòng điện đi vào các cuộn dây là dòng một chiều I1 và I2 thì

We = 2

1L1

21I +

2

1L2

22I + M12 I1 I2 (8.7)

L1 , L2 - điện cảm của cuộn dây tĩnh và động M12 - Hỗ cảm giữa hai cuộn dây I1 , I2 - dòng điện một chiều chạy trong cuộn dây tĩnh và động. Do L1 và L2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc bằng không và sẽ có :

Mq = d

dWe= 21

12 .IId

dM

(8.8)

Tại vị trí cân bằng : Mq = MC

2112 .II

d

dM

= D. . Vậy :

= d

dMII

D12

21 ...1

(8.9)

nếu mắc nối tiếp hai cuộn dây thì I1 = I2 = I , nên :

= d

dMI

D122 ..

1 (8.10)

Nếu dòng điện vào hai cuộn dây là xoay chiều: i1 = I1M sin(t) , i2 = I2M sin(t-) , thì mômen tức thời mqt sẽ là :

mqt = i1. i2 d

dM 12 . (8.11)

Mômen quay trung bình trong một chu kỳ sẽ là :

Mqtb = T

qt dtmT

0

.1

= dtd

dMttII

TMM .)sin().sin(.

1 1221

=

cos.. 21

12 IId

dM

131

Khi cân bằng : Mq=MC , rút ra :

=

cos....1

2112 II

d

dM

D (8.12)

Như vậy cơ cấu điện động có thể dùng trong mạch một chiều cũng như mạch xoay chiều

làm vonmét, ampemét , oátmét có độ chính xác cao, cấp chính xác 0,1 0,2. Nhược điểm là tiêu thụ công suất lớn, thang chia độ không đều. 8.1.5. Tỷ số kế điện động Tỷ số kế điện động và sắt điện động là dụng cụ đo tỷ số giữa hai dòng điện còn gọi là lôgômmét điện động và sắt điện động. Hình 8.9 là cấu tạo của cơ cấu lôgômmét điện động. Phần động của cơ cấu gồm 2 cuộn dây B1 và B2 gắn chặt với nhau và lệch nhau một góc . Phần tĩnh là cuộn dây A được tách thành 2 phần. Khi có dòng điện I chạy vào cuộn tĩnh A và dòng I1, I2 đi vào các cuộn dây B1 và B2 do tác động của trường điện từ chúng sẽ tạo thành 2 mô men quay ngược chiều nhau.

Hình 8.9. Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của lôgômét

M1 = I.I1.cos (I, I1 ).cos d

dM AB1 (8.13)

M2 = I.I2.cos (I, I2 ).cos(- ) d

dM AB2 (8.14)

Ở vị trí cân bằng ta có M1 = M2 , và nếu thực hiện được

d

dM

d

dM ABAB 21 , thì :

cos

)cos(

),cos(

),cos(

22

21

III

III, và :

132

=

),cos(

),cos(

22

11

III

IIIF (8.15)

Như vậy góc lệnh tỉ lệ với tỉ số của 2 dòng điện I 1 và I2 và cos(I,I1);cos(I,I2). Nhược điểm của lôgômmét điện động là độ nhạy thấp. Để tăng độ nhạy của cơ cấu người ta cho thêm lõi thép vào và được gọi là cơ cấu chỉ thị sắt điện động (hình 8.10).

Hình 8.10. Chỉ thị sắt điện động

1. Lõi thép, 2. Cuộn dây tĩnh Mô men quay của cơ cấu sắt điện động khi cho dòng điện i1 vào cuộn tĩnh và i2 vào cuộn dây động được tính theo biểu thức: Mt = B.S2W2 .i2

B - độ từ cảm của khe hở không khí, được tạo bởi dòng điện i1 S2 W2 - diện tích và số vòng của cuộn dây động 2. Mô men quay trung bình được tính bằng :

Mq = T

t dtMT

0

1 = BS2.W2 I2 cos(B, I2 ) (8.16)

Nếu sử dụng đoạn tuyến tính của đường cong từ hoá thì B = k1.S2.W2.I1.I2.cos(I1,I2) (8.17) Khi mô men quay bằng mô men cản ta có : . Mq = MC k1S2W2I1I2cos(I1,I2) = D., nên suy ra :

= D

k S2W2I1I2cos(I1,I2) (8.18)

8.2. BỘ CHỈ THỊ KIỂU HIỆN SỐ

133

8.2.1. Khái niệm Dụng cụ hiện số ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực. Do ưu điểm của hiển thị số là có thể thấy được giá trị của các đại lượng bằng số nên từ các thiết bị đo đến các thiết bị điều khiển, các dụng cụ gia dụng như ti vi , tủ lạnh, lò vi sóng, điều hoà không khí … đều có các bộ hiển thị số. Bộ hiển thị số làm việc theo nguyên tắc riêng khác với các bộ hiển thị tương tự. Sơ đồ khối của bộ chỉ thị số có thể biểu thị theo hình 8.11

Hình 8.11. Sơ đồ khối của bộ chỉ thị số.

Đại lượng đo x(t) qua bộ biến đổi thành xung (BĐX), số xung N tỉ lệ với độ lớn x(t) được đa vào bộ mã hóa (MH), bộ giải mã (GM) và đèn hiện số. Các khâu mã hóa, giải mã và đèn hiện số tạo thành bộ chỉ thị số. 8.2.2. Mã số . Mã số là những kí hiệu về một tập hợp số, từ tổ hợp của các kí hiệu ta có thể đọc được bất kì số nào. Có các loại mã số sau : Mã cơ số 10, đó là hệ đếm thập phân có 10 kí tự từ 0,1 ,2, 3,. .., 9 Mã cơ số 2 là loại mã có 2 trạng thái được kí hiệu 0 và 1 (còn gọi là mã nhị phân) Mã 2-10 (còn gọi là mã BCD) là sự liên hệ giữa mã cơ số 2 và mã cơ số 10 để dễ quan sát và dễ đọc. Để thực hiện mã số người ta thường dùng các mạch Flip-flop hay còn gọi là bộ trigơ. Hình

8.12 là sơ đồ của một trigơ gồm 2 đầu vào S và R, và 1 đầu vào chung T, 2 đầu ra Q và Q

với tín hiệu ra y0 và y1

Hình 8.12. Sơ đồ mạch Flip-flop(a), và tín hiệu vào ra của mạch (b) 8.2.3. Mạch đếm

134

Có nhiều loại mạch đếm như mạch đếm thang mười sáu, mạch đếm thang mười v.v, trong thực tế với các chỉ thị số người ta thường dùng mạch đếm thang mười để tiện quan sát và dễ đọc. Mạch đếm thang 10 gồm 4 trigơ nối tiếp nhau như hình 8.13.

Hình 8.13. Sơ đồ mạch đếm thang 10 gồm 4 mạch Flip-flop (trigơ)

Do mắc 4 trigơ nối tiếp, nếu thực hiện đếm bình thường có thể tới 16 số, để chỉ đạt tới 10 số với 4 trigơ cần phải thêm khâu phản hồi, khi đếm đến 9 xung tất cả trigơ đều chuyển về trạng thía 1 và ở xung thứ 10, các trigơ trở về 0. Bảng 8.1 cho thấy trạng thái ở đầu ra của các trigơ với mạch đếm thang 10. Bảng 8.1

Số xung Trạng thaí trigơ Tr 4 Tr 3 Tr 2 Tr 2

0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 2 1 0 0 0 3 1 0 0 1 4 1 0 1 0 5 1 0 1 1 6 1 1 0 0 7 1 1 0 1 8 1 1 1 0 9 1 1 1 1 10 0 0 0 0 9 0 1 0 0

Hình 8.14. Tín hiệu ra tại các bộ trigơ

135

8.2.4. Bộ hiện số (chỉ thị số) a. Hiện số bằng điôt quang Điôt quang là linh kiện bán dẫn đặc biệt, nó chỉ cho dòng điện đi theo một chiều và ngăn dòng điện theo chiều ngược lại. Khi dòng điện qua đi ốt theo chiều thuận , có sự tái hợp các phần tử mang điện xuất hiện tại lớp tiếp xúc p.n định thiên thuận (như các điện tử từ n sang tái hợp với lỗ trống ở p). Chúng sẽ phát ra năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Nếu vật liệu bán dẫn trong suốt thì ánh sáng được phát ra và lớp tiếp xúc là nguồn sáng (nên gọi là điôt quang - LED). Hình 8.15 là mặt cắt của LED thông thường và hình 8.16b là cách bố trí bộ hiện số LED bảy thanh. Các đèn LED này có anốt chung hình 8.16c (hoặc tất cả các catốt chung). Độ sụt áp trên LED định thiên thuận là 1,2V và dòng điện thuận khoảng 20mA.

Hình 8.15. Mô tả sơ đồ cấu trúc của điôt quang

Hình 8.16. Bộ hiện số bảy thanh.

b. Hiện số tinh thể lỏng (LCD) Tinh thể lỏng là một trong các hợp chất hữu cơ có tính chất quang học đặc biệt. Bình thường tinh thể lỏng có dạng trong suốt, khi có dòng điện kích thích phù hợp, chúng sẽ phát sáng. Màu sắc của tinh thể lỏng tuỳ thuộc các hợp chất hữu cơ khác nhau có nhiều màu tương ứng. Các hợp chất tinh thể lỏng được đặt thành lớp giữa các tấm kính với các điện cực trong suốt kết tủa ở mặt trong. Dòng toàn phần dùng để kích hoạt tinh thể lỏng khoảng 300 A. nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều (hình sin hoặc vuông). Hình 8.17 là sơ đồ cấu tạo của đèn hiện số tinh thể lỏng.

136

Hình 8.17. Cấu tạo ô tinh thể lỏng (a), và bộ hiện số bảy thanh (b)

8.2.5. Bộ giải mã. Bộ giải mã là thiết bị dùng để biến đổi từ mã cơ số 2 hoặc mã 2-10 thành mã cơ số 10, nghĩa là thể hiện ra dưới dạng số thập phân. Ngày nay các bộ giải mã đợc chế tạo dưới dạng vi mạch (hình 8.18).

Hình 8.18. Sơ đồ khối một bộ giải mã dùng vi mạch

Vi mạch SN74247 có các đầu ra hở cực góp dùng điều khiển LED có chung anốt +5V. Các điện trở R1….R7 để hạn chế dòng đốt anốt (5 - 20mA). Bảng 8.2 minh hoạ sự làm việc của bộ giải mã bảy thanh. Bảng 8.2 Chữ số

Đầu vào mã thập phân Đầu ra đèn LED bảy thanh

Z 23 22 21 20 a b c d e f g 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 2 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 6 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 7 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0

8+Ph 1 1 - Ph - 1 0 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

137

8.3. DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ (OSCLLOSSCOPE) Mở đầu : Dao động ký điện tử (còn gọi là máy hiện sóng điện tử) bao gồm một ống phóng tia điện tử với hệ thống mạch điều khiển và đầu vào gắn liền với nó. Dao động ký điện tử được sử dụng để quan sát hình dạng của tín hiệu, đồng thời đo một số đại lượng như dòng điện, điện áp, góc lệch pha giữa hai tín hiệu và đo tần số v..v... ống phóng tia điện tử là một đèn chân không, trong đó các điện tử được phát ra từ Ca tốt bị nung nóng và tạo thành một chùm tia hẹp, chúng được gia tốc về phía màn huỳnh quang. Màn được phát sáng tại điểm có chùm điện tử đập vào. Chùm tia điện tử được lái theo chiều thẳng đứng và nằm ngang nhờ các điện áp đặt trên các phiến làm lệch. Thông thường chùm tia được quét ngang màn hình bằng một điện áp răng cưa tạo ra từ mạch tạo gốc thời gian và một điện áp vào thay đổi được để lái theo chiều thẳng đứng. Dao động ký diện tử được chế tạo với một tia, hai tia, bốn tia có khả năng hiện hình đồng thời một hoặc hai hoặc nhiều hơn các dạng sóng tín hiệu. 8.3.1. Sơ đồ khối Dao động ký điện tử cơ bản bao gồm các bộ phận chính nh hình vẽ 8.19. Tín hiệu Y được đưa vào qua bộ phân áp đến khuếch đại Y (KĐY) và được đưa thẳng vào hai bản cực Y. Mặt khác tín hiệu từ bộ KĐY được đưa qua mạch đồng bộ (ĐB) để kích thích máy phát răng cưa (Máy phát quét) sau đó qua bộ khuếch đại X (KĐX) đưa vào bản cực X, cũng có thể đa trực tiếp tín hiệu X vào bộ KĐX và nối với bản cực X thông qua công tắc B3. Nếu sử dụng mạch đồng bộ ngoài , qua B2 tín hiệu được đưa vào mạch đồng bộ để kích cho máy phát quét làm việc. Khi đo điện áp, công tắc Bl chuyển sang khâu chuẩn biên độ và quan sát độ lệch của tia khỏi đường "O" ứng với biên độ chuẩn. Sau đó chuyển Bl sang vị trí tín hiệu Y để tính biên độ cực cực đại của tín hiệu đo xem gấp bao nhiêu lần biên độ chuẩn và tính độ lớn của tín hiệu Y theo chuẩn. Khi đo chu kì cần phải chuẩn thời gian, người ta sử dụng bộ chuẩn thời gian bằng cách đánh dấu từng khoảng thời gian ứng với giá trị chuẩn trên toàn tín hiệu.

Hình 8.19. Sơ đồ khối của bộ dao động ký điện tử

138

8.3.2. Ống phóng tia điện tử Cấu tạo cơ bản của ống phóng tia điện tử như hình vẽ 9.20, bao gồm một ống thuỷ tinh đã rút hết không khí, màn hình đợc quét một lớp phốt pho sao cho chùm tia điện tử do kiết phát ra đập vào màn hình làm phát sáng. Bên trong ống thuỷ tinh được gắn hệ thống các điện cực. Ống phóng tia điện tử bao gồm triốt và tấm làm lệch. a. Cấu tạo của triốt - Lưới: Lưới là chiếc cốc niken có lỗ ở đáy hình 9.20 và bao lấy ca tốt. -Catôt : Ca tốt cũng được làm bằng Niken, hình trụ, mặt đáy phẳng phủ lớp ôxit để phát ra các điện tử và một sợi đốt làm nhiệm vụ nung ca tốt. Ca tốt được duy trì ở điện thế -2kV và thế của lưới được điều chỉnh từ -2kV : -2,05kV. Điện thế lưới điều khiển dòng điện tử từ ca tốt hướng tới màn hình. - Hệ thống anốt : Anốt thứ nhất (A1) dạng hình trụ có điện thế dương cao so với catốt. Các điện tử được gia tốc từ ca tốt qua lưới và anốt thứ nhất. Ngoài nốt A1, , ống phóng điện tử còn có nốt A2 , A3 . Các anốt này có nhiệm vụ tạo ra tr-ường gia tốc làm cho các điện tử sau khi qua các điện cực anốt sẽ đạt được tốc độ lôn, mặt khác các anốt cũng làm nhiệm vụ điều tiết các điện tử để tạo thành một tia nhỏ hướng tới màn hình. Điện thế của A1 và A3 được giữ ở thế đất (dương hơn so với ca tốt) còn điện thế của A2 đwợc giữ ổn định -2kV, do đó tạo ra đwợc các đường đẳng thế và các điện tử chuyển động qua các nốt với tốc độ ổn định.

Hình 8.20. Cấu trúc của ống phóng điện tử

b. Tấm làm lệch (phiến làm lệch) Trong ống phóng tia điện tử còn bố trí các cặp bản cực để làm lệch các tia điện tử về phía ngang (theo trục X) và phía thẳng đứng (theo trục Y). Các cặp bản cực đó được gọi là tấm

139

lệch đứng và tấm lệch ngang. Đặt giữa các tấm lệch đứng và lệch ngang là tấm chắn cách điện ngăn không cho điện trường của cặp tấm này ảnh hưởng tới cặp kia (hình 8.20). Điện thế đặt trên các tấm làm lệch là +E/2 trên một tấm và -E/2 trên tấm kia, do đó hiệu điện thế giữa các tấm làm lệch là E. Các điện tử (mang điện âm) bị hút về phía tấm dương và bị đẩy khỏi tấm âm làm cho chùm tia điện tử bị lệch đi. Nếu tác động một điện áp xoay chiều lên các tấm làm lệch thì các chùm tia luôn bị đổi hướng tạo thành một đường thẳng. 8.3.3. Bộ khuếch đại làm lệch Một điện áp bất kì nào đó dùng để làm lệch tia điện tử cũng đều phải được biến đổi thành hai điện áp bằng nhau và ngược chiều nhau +E/2 và -E/2, muốn vậy cần phải có bộ khuếch đại để khi có tín hiệu đưa vào (một chiều hoặc xoay chiều) tín hiệu ra sẽ có dạng vi sai. Mạch khuếch đại như vậy thể hiện trên hình 8.21. Trong đó T2 và T3 tạo thành bộ khuếch đại ghép emitơ chung. Tl và T4 là các mạch gánh emitơ tạo điện trở vào lớn. Khi điện áp vào bằng không, thế bazơ của T1 ở mức đất và nếu bazơ của T4 cũng điều chỉnh ở mức đất thì các bazơ của T2 và T3 đều ở cùng mức thế âm so với đất. (-UB2 = -UB3). Do đó IC2 = IC3 và điện áp rơi trên R3 và R6 điều chỉnh colectơ của T2 và T3 ở mức đất. Các colectơ đó là đầu ra của khuếch đại và chúng được mắc trực tiếp với các tấm lái tia (UC2 và UC3) . Con trượt của chiết áp R4 thường nằm ở điểm giữa và giữ vai trò điện trở điều chỉnh cân bằng các đầu ra vi sai của khuếch đại. Khi điện áp vào khác không, qua bộ phân áp đặt vào bazơ của tranzito T1 , lúc đó IEI 0, dòng IB1 qua R1 và R2 tạo thành điện áp đặt vào tranzito T2 khiến cho dòng IC2 tăng và IC3 giảm. Khi IC2 tăng, điện áp ra UC2 giảm xuống mặt khác IC3 giảm, điện áp UC3 tăng.

Hình 8.21. Bộ khuếch đại làm lệch Nếu độ biến thiên của UC2 là UC2 = - 1V thì UC3 = +1 V . Khi tín hiệu vào bộ phân áp tăng theo chiều âm, IC2 giảm, IC3 tăng và UC2 > 0 , và UC3 < 0. Thông thường điện áp

140

qua phân áp nhỏ nhất là 2 mV, tương ứng với 1 vạch chia độ lệch trên màn hình còn điện áp vào lớn nhất là 10V tương ứng với 1 vạch chia độ lệch. Chiết áp R10 (hình 8.21) làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp Bazơ của T4 để dịch chuyển chùm tia điện tử lên hoặc xuống khỏi tâm màn hình. 8.3.4. Tín hiệu quét. Hình 8.22 biểu diễn dạng sóng trên màn hình. Khi ta đặt tín hiệu cần quan sát vào hai bản cực Y, tia điện tử nếu không có tác động kéo ngang ta chỉ thấy một vạch thẳng đứng duy nhất.

Hình 8.22

Để kéo tín hiệu nằm ngang người ta dùng một tín hiệu tạo gốc thời gian đặt vào hai bản cực X và gọi là tín hiệu quét ngang. Tín hiệu này có dạng sóng răng cưa (hoặc sóng dốc lặp đi lặp lại). Nếu tần số của tín hiệu cần quan sát lớn hơn n lần tần số tín hiệu quét thì trên màn hình sẽ nhìn thấy n chu kì tín hiệu quan sát. Nếu tỉ số các tần số đó là một số nào đó của hai số nguyên thì trên màn hình xuất hiện dạng đường cong đứng yên. Nếu ngược lại đường cong sẽ chuyển động và không quan sát được vì vậy cần thiết phải có sự đồng bộ giữa tín hiệu vào và tín hiệu quét đạt được điều đó bằng cách điều chỉnh tần số quét nhờ một núm điều chỉnh trên mặt dao động kí. 8.3.5. Bộ tạo sóng quét ngang . Máy phát thường dùng là máy phát răng cưa như hình 8.23. Trong đó có hai bộ phận chính là bộ tạo sóng răng cưa và mạch trigơ schmitt không đảo. Đầu vào của bộ op-amp áp vào của trigơ schmitt là điện áp ra U1 của bộ tạo sóng răng cưa được đưa vào trigơ qua điện trở R6 . Do khuếch đại op-amp có hệ số khuếch đại điện áp rất lớn (khoảng 200.000) nên chỉ cần một sự chênh lệch nhỏ giữa đầu vào của op-amp cũng đủ làm cho đầu ra tri gơ schmitt bão hoà. Điều này có nghĩa là điện áp ra rất gần với điện áp nguồn dương hoặc âm. Thông thường điện áp ra bão hoà là: U2 = (UCC - 1V) hoặc U2 = (-UEE – 1 V) Giả sử đầu vào của trigơ schmitt ở mức tối thiểu (tức là điện áp đầu không đảo của op-amp dưới mức đầu đảo do tiếp đất) thì đầu ra của op-amp giữ bão điện I1 chạy vào nạp cho tụ C1 điện áp của tụ tăng lên. Khi điện áp U1 tăng lên đủ lớn, trigơ chuyển trạng thái và đầu ra ở mức bão hoà dương.

141

Tại thời điểm này dòng bazơ (IB2) chạy tới T2 qua R4 làm cho điện thế bazơ của T2 tăng lên và T2 chuyển sang trạng thái đóng, dòng colectơ IC2 chạy qua T2 tới nguồn U. Tụ C1 phóng điện. Quá trình phóng nạp tụ tạo nên các xung răng cưa .

Hình 8.23. Bộ tạo gốc thời gian – sóng quét ngang

Phương trình cho điện áp răng cưa là:

U1 = 1

1

C

TI (6.l)

U -độ biến thiên điện áp của tụ trong thời gian T T - chu kì của xung răng ca; Cl - điện dung của lụ . Chu kì (T) của xung răng cưa phụ thuộc vào dòng điện I1 và tụ C1 . I1 có thể thay đổi nhờ điện trở R3 và C1 thay đổi được giá trị qua núm chuyển mạch K. Máy phát quét có thể làm việc ở hai chế độ chế độ liên tục và chế độ chờ: - Chế độ liên tục là chế độ quét bình thường như đã trình bày ở trên. - Chế độ chờ là chế độ dùng để quan sát các xung rời rạc cách nhau khá xa. Máy phát quét được khởi động bởi các tín hiệu cần quan sát. Việc đồng bộ tín hiệu đo và tín hiệu quét đợc thực hiện tự động.

142

8.3.6. Dao động ký điện tử hai tia Cấu tạo của dao động ký hai tia cũng giống như dao động ký một tia, để tạo ra hai tia có thể thực hiện theo hai phương pháp : a) Dùng hai súng phóng tia điện tử riêng biệt, mỗi chùm cho một dạng sóng (hình 8.24a). b) Dùng một súng phóng tia điện tử nhưng chùm tia được tách thành hai phần riêng biệt tr-ước khi đi qua các tấm làm lệch (hình 8.24b).

Hình 8.24. Dao động ký điện tử hai tia

Hình 8.25.

Thiết bị sử dụng hai phương pháp trên đều chỉ dùng một bộ tấm làm lệch ngang: Dạng sóng răng ca từ bộ tạo gốc thời gian được đưa vào bộ tấm làm lệch ngang và cả hai chùm được làm lệch để quét ngang màn hình một cách đồng thời Hình 8.26 là sơ đồ các hệ thống lái tia đối với máy hiện sóng hai chùm và máy hiện sóng một chùm tách thành hai phần. Hình 8.25 cho thấy máy hiện sóng có hai lối vào riêng biệt, kênh A và kênh B. Mỗi kênh đều có mạch khuếch đại làm lệch riêng để nuôi cặp làm lệch đứng và bộ tạo gốc thời gian điều khiển đồng thời cả hai tia với tấm làm lệch ngang.

143

8.26.

Hình 8.26 là hệ thống lái tia đối với máy hiện sóng một chùm lách thành hai phần. Trong đó các tín hiệu vào kênh A và B được qua hai bộ khuếch đại. Các tín hiệu này được chuyển mạch luân phiên giữa kênh A và B nhờ hệ thống chuyển mạch điện tử. Tần số chuyển mạch được điều khiển bởi mạch tạo gốc thời gian.

144

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Văn Hoà. Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện. NXBGD

2003 [2]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế …Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý.

NXBGD 2004 [3]. Dương Minh Trí. Cảm biến và ứng dụng. NXB KHKT 2001.