Tài liệu Luận văn: Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khi ô tô pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG……………










Luận văn

Phân tích cơ sở lý thuyết và mô phỏng hoạt động một
số cảm biến sử dụng trong nghành cơ khó ô tô








GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 1 12/8/2007
CHNG 1
PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT
1.1 Gii thiu chung
Ngày nay, cm bin là thit b c s dng rt ph bin trong tt c các thit b, t

 dùng trong gia ình cho n các thit b tiên tin và trong ó có c ngành công
nghip ô tô. Vì vy nghiên cu v cm bin  ng dng nó cách hiu qu là vn 
ang c quan tâm c bit.
1.1.1 Công dng cm bin
Cm bin là thit b chu tác ng ca i lng cn o không có tính cht in 
u vào ký hiu là m và cho  u ra mt i lng mang bn cht in có th o
c ký hiu là s. i lng in s là hàm ca i lng cn o m: s = F(m)

1.1.2 Phân loi
Cm bin c phân loi theo nhiu cách:
1. Theo nguyên lý chuyn i
Nguyên lý chuyn i vt lý;
Nguyên lý chuyn i hóa h c;
Nguyên lý chuyn i sinh h c.
2. Theo thông s! ca mô hình mch thay th
Cm bin tích c"c: u ra là ngun áp hoc ngun dòng;
Cm bin th ng: c trng bi các thông s! R,C,L…tuyn tính hay
phi tuyn tính.
3. Theo tín hiu kích thích
Cm bin quang in;
Cm bin nhit in;
Cm bin v trí, khong cách;
Cm bin vn t!c, gia t!c;
Cm bin o l#ng, th tích cht lu;
Cm bin in hóa;
Cm bin t;
Cm bin l"c.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 2 12/8/2007

1.1.3 Yêu cu
Phân tích c$ s lý thuyt và mô ph%ng hot ng mt s! cm bin s dng trong
ngành c$ khí ô tô.
1.2 Mc tiêu  tài
Phân tích c$ s lý thuyt và nguyên lý hot ng ca các cm bin.
&ng dng ca các cm bin trong ngành c$ khí.
Mô ph%ng hot ng, kim tra các cm bin ã ch n.
Kt lun –  xut.
1.3 Gii hn  tài
Vì th#i gian  th"c hin  án không cho phép nên  án ch' gi(i hn trong các
cm bin sau:
Cm bin vn t!c, lu lng, áp sut và mc cht lu.
Cm bin o chân không,  )m và in hoá.
Cm bin o bc x ht nhân và thành phn khí.
1.4 C s lý thuyt các loi cm bin nghiên cu trong  tài
1.4.1 Cm bin o vn tc, lu lng và mc cht lu
Cht lu là các môi tr#ng vt cht  dng l%ng hoc khí tn ti d(i nh*ng iu
kin nhit , áp sut và th tích c xác nh bi các nh lut nhit ng h c.
D(i tác dng ca l"c bên ngoài, thí d s" chênh lch áp sut, cht lu có th
chuyn ng. Nghiên cu chuyn ng này là !i tng ca c$ h c cht lu.
L+nh v"c ng dng ca cht lu bao gm: hàng không, khí tng h c, sinh lý h c. 
áp ng các l+nh v"c ng dng a dng này, các cm bin o vn t!c, lu lng và
mc cht lu ca cht lu c,ng rt a dng c v cu to và ph$ng pháp o.
1.4.1.1 c trng ca dòng chy
Chuyn ng ca cht lu c t trng bi dòng chy. Trên th"c t mu!n mô t vt
lý mt dòng chy ca mt cht lu cn phi o vn t!c, kh!i lng riêng, áp sut và
nhit   các im khác nhau ca cht lu ó. Nh*ng c tính khác ca cht lu nh
 nh(t,  khuych tán nhit, nhit lng riêng… c coi là không i.
Dòng chy có th là mt pha hoc nhiu pha. Các dòng chy nhiu pha th#ng có
bn cht rt khác nhau: có th là t hp ca các pha h$i, khí, l%ng, thí d nh s"

hình thành các lung khí do gió gây nên hoc tr#ng hp các lung khói b!c lên t
nh*ng ám cháy.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 3 12/8/2007
Tính cht vt lý ca dòng chy ti mt im có th thay i hoc không thay i
theo th#i gian. Khi tính cht vt lý ca dòng chy ti mt im không thay i thì
ó là dòng chy theo l(p, ngc li, nu chúng thay i thì ó là dòng chy r!i. 
thun li cho vic mô t và c bit là cho vic so sánh gi*a các dòng chy khác
nhau, trong c$ h c cht lu thòng s dng các i lng không th nguyên, iu
này cho phép gim s! thông s! ca dòng chy.
Trng hp dòng chy không nén và ng nhit:
Tr#ng hp này (kh!i lng riêng và nhit  không i) thì ch' cn mt thông s!
không th nguyên c,ng   xác nh dòng chy, ó là thông s! Reynolds Re:
Re = UD/- (1.1)
V(i :
U – vn t!c c trng ca dòng chy, trong tr#ng hp !ng thì vn t!c
trung bình ca dòng chy U = Q/S;
D – kích th(c c trng (trong tr#ng hp !ng, D là #ng kính);
Q – lu lng th tích;
S – tit din !ng;
 nh(t ng h c.
!i v(i nh*ng iu kin gi(i hn hoàn toàn gi!ng nhau v hình h c, hai dòng chy
không nén và .ng nhit c coi là gi!ng nhau nu chúng có thông s! Reynolds
b/ng nhau. Thí d: xét hai dòng chy trong hai !ng có  nhám b mt phía trong
thành !ng nh nhau và #ng kính t$ng ng b/ng D
1
và D
2
. Vn t!c dòng chy (lu

lng) là U
1
, U
2
và  nh(t là -
1
,-
2
.  tho mãn iu kin Re
1
= Re
2
thì:
2
22
1
11
νν
DUDU
=
(1.2)
Nh vy, nu bit vn t!c u
1
 im cách thành !ng ca !ng th nht mt khong x
1
thì
có th xác nh vn t!c u
2
 thành !ng ca !ng th hai mt khong x
2

= x
1
(D
2
/D
1
) t
biu thc:
2
2
1
1
U
u
U
u
=
(1.3)
C,ng nh vy, có th coi u
1
/U
1
là hàm ca s! Reynolds:
( )
Re
1
1
f
U
u

=
(1.4)
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 4 12/8/2007
Ngh+a là mt cách tng quát, m0i i lng không th nguyên liên quan n dòng
chy u có th biu di1n d(i dng hàm s! ph thuc vào s! Reynolds ca dòng
chy ó.
Dòng chy mt pha có th là dòng chy theo l(p hoc dòng r!i, iu này ph thuc
vào s! Reynolds. Trong mt #ng !ng d2n có tit din tròn, dòng chy tr thành
dòng r!i nu có s! Reynolds l(n h$n 220.
Trong tr#ng hp phc tp h$n khi nhit  và kh!i lng riêng thay i, s! thông
s! cn thit  mô t mt i lng A b sung s3 t4ng lên. Thí d, v(i cht khí có
vn t!c l(n:
A = f(Re,Ma) (1.5)
Trong ó M
a
= U
1
/c, c =
5rT
là vn t!c âm v(i 5 = Cp/Cv (t6 s! gi*a nhit dung
riêng  áp sut không i và th tích c! nh, trong không khí 5 =1,4). r là h/ng s!
ca cht khí lý tng và T là nhit  tuyt !i.
Trên th"c t, các cm bin d"a trên mt nguyên t7c hot ng nhng v k8 thut thì
không gi!ng nhau khi dùng cho dòng chy là cht khí hoc cht l%ng. Trong
bng 1.1 gi(i thiu mt s! im khác nhau ca hai môi tr#ng này.
Bng 1.1
Kh!i lng riêng 9  nh(t : T!c  chy
Cht l%ng

Không i t 800 n 1000
kg/m
3

PI
4
101÷≈

smU /2000
≤
≤

Cht khí Ph thuc vào T và P, !i v(i
không khí  nhit  phòng
3
/1 mkg≈
ρ

PI
5
10≈

PI: posieuille

smU /2000
≤
≤

1.4.1.2 Cm bin và phng pháp o vn tc ca cht lu

Vn t!c ca các cht lu th#ng c o gián tip thông qua nh hng ca nó n
các c trng vt lý ca vt trung gian hoc n hin tng vt lý trong ó vn t!c
là mt thông s! và vt trung gian là n$i xy ra hin tng. Vt trung gian có th
chính là cht lu hoc mt phn t cu thành ca cm bin.
Khi vt trung gian là bn thân cht lu, vn t!c ca nó xác nh áp sut ng 9U
2
/2,
hiu ng Doppler tác ng bi laze hoc siêu âm và th#i gian truyn qua ca mt
ng v phóng x. Trong tr#ng hp này phi s dng các cm bin thích hp v(i
i lng o là áp sut, ánh sáng, siêu âm, tia phóng x.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 5 12/8/2007
Khi vt trung gian là mt phn t ca cm bin t trong cht lu, vn t!c ca cht
lu s3 xác nh mt trong các c trng vt lý nh nhit  ca dây d2n t trong
cht lu và nuôi b/ng dòng mt chiu, hoc t!c  quay ca mt chong chóng hoc
bánh xe t trong cht lu.
a) Phong k dây và phong k màng mng
 Nguyên tc hot ng
Khi t trong dòng chy mt dây d2n hoc mt màng m%ng có nhit  cao h$n
nhit  ca cht lu thì s3 xy ra s" trao i nhit !i lu. S" trao i nhit ph
thuc vào tính cht vt lý ca dòng chy, vn t!c ca cht lu và s" chênh lch
nhit  gi*a phn t nóng và cht lu.
Nhit  cân b/ng T
0
ca dây hoc màng (cm bin) xác nh b/ng cách o in tr
R ca chúng. in tr này ph thuc vào nhit lng Joule t%a ra và vn t!c ca
cht lu.
Trên hình 1.1 biu di1n các dng dây d2n và các loi màng m%ng th#ng s dng 
o vn t!c dòng chy. Các kim loi dùng cho mc ích này cn có h s! nhit in

tr R cao. Thí d:  o vn t!c dòng chy trong cht khí dùng dây platin và wonfram
có #ng kính 0,6µm< D < 10mµ, trong cht l%ng dùng màng m%ng platin.
Công sut Pj t%a ra trên in tr  nhit  T s3 b/ng:
Pj = R(T).
2
Ι
(1.6)
Trong ó I là dòng mt chiu chy qua in tr R.



Hình 1.1 Các dng dây dn và màng mng dùng  o vn tc dòng chy.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 6 12/8/2007
Nu gi thit s" trao i nhit ch' xy ra do hin tng !i lu ca cht lu  nhit
 T
a
thì công sut trao i c biu di1n bi biu thc:
P
c
= h.S
l
.(T – T
a
) (1.7)
Trong ó h là h s! trao i nhit và S
l
là din tích mt xung quanh ca cm bin.
!i v(i dây d2n S

l
= ;Dl, D là #ng kính và l là chiu dài. !i v(i màng m%ng
S
l
= 2;Dl, D là chiu rng và l là chiu dài.
Khi có cân b/ng nhit, P
j
= P
c
, ngh+a là:
(
)
(
)
aL
TTShITR −=
2
(1.8)
Vn t!c U ca cht lu liên quan n h s! trao i nhit. Nhiu công thc th"c
nghim ã c a ra  phn ánh m!i liên h này, thí d công thc ca King:
Ubah +=
(1.9)
Trong ó a,b là các h/ng s! ph thuc vào cht lu và cm bin. Nu s dng biu
thc ca King ta s3 có:
(
)
(
)
(
)

a
TTUBAITR −+=
2
(1.10)
Trong ó A = a.S
l
và B = b.S
l
.
 S  o
1. Ch  dòng không i
Trong tr#ng hp này dòng chy qua dây d2n c gi*  giá tr không i
I = const (b/ng cách dùng ngun dòng). Vì công sut nhit trao i ph thuc vào
vn t!c U nên nu U thay i thì nhit  c,ng thay i theo. Mc khác in tr R
ph thuc vào nhit , ngh+a là in áp u ra c,ng ph thuc vào nhit . S$ 
nguyên lý mch o dùng dòng không i c biu di1n trên hình 1.2.

Hình 1.2 S  o trong ch  dòng không i.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 7 12/8/2007
Do dây d2n có nhit dung nht nh nên s3 phát sinh mt h/ng s! th#i gian.
Trong mch này có ghép thêm mt phn t bù tr quán tính nhit  ci thin
th#i gian áp ng.
2. Ch  nhit  không i
Trong tr#ng hp này nhit 
(và do ó in tr) c gi*
không i. S$  o biu di1n
trên hình 1.3.
Trong s$  nhit  không i,

cm bin óng vai trò là mt
nhánh ca cu Wheatstone. Dòng
in cn thit  cân b/ng cu ph
thuc vào vn t!c ca cht lu.
Dùng s$  trên ây có u im
là quán tính nhit nh% h$n tr#ng
hp dùng dòng không i.
b) Phong k ion
Có nhiu loi cm bin o t!c  gió trên c$ s o dòng ion, chúng khác nhau ch
yu v hình dng.

Trên hình 1.4 biu di1n s$  nguyên lý ca mt cm bin o t!c  gió b/ng cách
o dòng ion.
A4 A2(I2)
A1(I1)
A3
2A
0A
1
I(
u

Hình 1.4 Phong k ion: a) nguyên lý cu to; b) mch o.





Hình 1.3 S  o trong ch  nhit  không
i.











U

I
1
I
2
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 8 12/8/2007
u o gm mt dây d2n có in th cao, xung quanh nó là b!n in c"c góp. Dây
d2n c t sao cho h(ng ca nó vuông góc v(i h(ng ca dòng chy.
Trong không khí  gn si dây cao áp luôn có các ion, thí d ion (H
2
O)
n
H
+
. T!c 
di chuyn ca các ion này gi*a các in c"c t6 l v(i  l(n ca in tr#ng. Khi
không khí ng yên, dòng in o  các in c"c b/ng nhau. Khi không khí chuyn

ng v(i vn t!c U, h tr nên bt !i xng. Hiu s! dòng in (I
1
– I
2
) ca mt cp
in c"c A
1
và A
2
liên quan n hình chiu ca U trên #ng th.ng A
1
A
2
, trong khi
ó tng (I
1
+ I
2
) hu nh không i.
 nhy S ca cm bin là hàm ca thông s! <:
U
S
∆
∆
=
σ
(1.11)
Trong ó < là thông s! c vit d(i dng:
21
21

II
II
+
−
=
σ
(1.12)
Phong k ion c s dng  o t!c  gió có giá tr n/m trong khong t 0 n
10 m/s. Trong vùng giá tr này ca t!c , áp ng ca cm bin c coi là tuyn tính.
!i v(i dây #ng kính 100 :m dài 2 cm c bao quanh bi các in c"c góp
#ng kính 1,2cm và n/m cách dây mt khong b/ng 1 cm,  t c  tuyn
tính cao, cn t in áp khong 6000 V trên dây d2n. Dòng in trong in c"c góp
t t(i 1,5 :A,  nhy c= 0,04 m/s.
c) Phong k dùng chén bán cu và cánh qut
 Phong k dùng chén bán cu
Hình dng ca phong k dùng chén bán cu biu di1n trên hình 1.5.
Phong k bán cu có cu to gm t 3 n 4 chén bán cu c g7n vào cánh tay
òn  có th quay quanh mt trc.
Khi t máy o trong dòng chy, các chén bán cu s3 quay quanh trc ca máy o bi
vì h s! sc cn ca mt tr(c (mt lõm) và mt sau bán cu (mt li) khác nhau.

GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 9 12/8/2007

 tìm ph$ng trình cân b/ng ta xét hai bán cu 1 và 3 t vuông góc v(i vn t!c U
ca dòng chy và coi l"c tác dng lên hai bán cu 2 và 4 là nh nhau. Các bán cu 1
và 3 có vn t!c th.ng
v


và -
v

,  th#i im ang xét chung cùng h(ng v(i vn t!c
U

ca dòng chy. L"c cn !i v(i các bán cu:
( )
2
1
2
1
νρ
−= USCF
X
(1.13)
( )
2
3
2
1
νρ
−
′
= USCF
X
(1.14)
Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu, C
x
và C

’
x
là h s! l"c cn !i v(i hai
mt cu, S là din tích ca mt cn chính ca bán cu (din tích hình chiu ca bán
cu trên mt ph.ng vuông góc v(i vn t!c
U

).
T biu thc trên rút ra:
(
)
(
)
22
νν
+
′
=− UCUC
X
X
(1.15)
Do ó:
XX
XX
CC
CC
U
′
−
′

+
=
ν
(1.16)
Minh h a b/ng s!: C
X
= 1,42; C
’
x
= 0,38; U = 3,1











Hình 1.5 Phong k dùng chén bán cu:
a) loi 3 chén bán cu; b) s  b trí ca loi 4 chén bán cu.




GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 10 12/8/2007

 u o gió dùng cánh qut (chong chóng)
u o gió dùng cánh qut biu di1n trên hình 1.6. Trc ca u o c t song
song v(i h(ng ca t!c  dòng chy. Nu b% qua ma sát thì có th coi nh cánh
qut (b/ng mt cách nào ó) c g7n vào dòng chy, khi ó:
U = h. N (1.17)
Trong ó U là vn t!c, N là s! vòng quay và h là h/ng s! ca u o. Nu tính n
ma sát và ng=ng khi ng thì biu thc ca t!c  gió s3 là:
U = a + bN (1.18)
Các h/ng s! a và b c trng cho cánh qut và cht lu.  m c s! vòng quay
ca cánh qut ng#i ta dùng mt trong ba cách d(i ây:

Dùng mt nam châm nh% g7n trên cánh qut, khi cánh qut quay nam
châm i qua cun dây và gây nên xung in. m s! xung theo th#i gian
s3 tính c t!c  quay ca cánh qut.
Dùng cm bin quang in: khi cánh qut quay nó s3 che ánh sáng, to
nên xung in.
Dùng mch o thích hp  o tng s! hoc in áp.
Tr(c khi o phi chu)n u o b/ng mt trong hai cách: t u o trong dòng
chy có vn t!c ã bit tr(c hoc di chuyn u o v(i t!c  quy nh tr(c trong
n(c ng yên.
Phm vi o ca u o cánh qut khác nhau !i v(i các cht lu. Trong không khí
di o n/m trong khong t 0,1 ên 30 m/s, trong cht l%ng t 0,05 n 10 m/s.


Hình 1.6 o tc  gió bng u o chong chóng.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 11 12/8/2007
1.4.1.3 o lu lng
o lu lng có tm quan tr ng c bit trong các mng l(i vn chuyn cht lu

(!ng d2n khí, !ng d2n du) và trong m i thit b công nghip khi cn kh!ng ch
lng cht lu tham gia vào các quá trình nh  lò phn ng hoá h c, nhà máy sn
xut n4ng lng, ng c$ !t trong.
a) Lu lng k in t
 Nguyên lý
Khi cho on dây M
1
M
2
chiu dài l chuyn ng tnh tin trong tr#ng cm ng t
B

v(i vn t!c
U

trong khong th#i gian dt, có th vit biu thc cho các i lng
c$ bn sau ây:



Din tích c7t:
dSc = l.U sin.dt (1.19)
Hoc d(i dng vect$:
dtUlSd
c



∧=
(1.20)

T thông b c7t :
dtSdBd
cc



=
θ
(1.21)





Hình 1.7 S dch chuyn ca mt on dây dn trong trng cm ng t.
























GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 12 12/8/2007

Hình 1.8 Lu lng k in t.
Sut in ng cm ng:
lUB
dt
d
e
c



.∧=
−
=
θ
(1.22)
Khi
U


vuông góc v(i
l

và
B

vuông góc v(i mt ph.ng to bi
l

và
U

ta có:
e = B. l. U (1.23)
Công thc này có th tng quát hóa cho tr#ng hp cht lu d2n in chy trong
#ng !ng #ng kính D có vn t!c
U

vuông góc v(i
B

: sut in ng cm ng
d c theo #ng kính vuông góc v(i
U

và
B

có dng:

e = BDU (1.24)
Trên th"c t vn t!c thay i tu> v trí ca im trên bán kính !ng, nhng nó phân
b! !i xng quanh trc ca !ng, cho nên U o c là vn t!c trung bình ca dòng
chy. Trong nh*ng iu kin nh vy, tín hiu e t' l v(i lu lng.
 Cu to ca cm bin
T tr#ng 10
-3
÷ 10
-2
T c to ra b/ng cách dùng hai cun dây t  hai phía ca
#ng !ng. #ng !ng d2n làm b/ng vt liu không t tính, mt bên trong !ng
c ph cht cách in. Hai in c"c ly tín hiu t  hai u #ng kính vuông
góc v(i #ng sc ca t tr#ng. Các cun dây c nuôi b/ng ngun xoay chiu
tn s! 30 Hz.
Tín hiu thu c  u ra có dng:
(
)
θ
ϖ
+
=
tUDBe cos
0
(1.25)
Trong ó B
0
là tr c"c i ca cm ng t B
0
= B
max

, ? là tn s! ca cm ng t.
Biên  ca tín hiu t6 l v(i U và có tr c= mV.
in c"c
Khuych
i vi sai
Cun dây
Cun dây
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 13 12/8/2007
 Các c trng
Các cht lu cn phi có  d2n in không nh% h$n c= @ :Scm
-1
. Lý do là bi vì in
tr trong ca cm bin phi nh% h$n rt nhiu so v(i in tr vào ca thit b o.
Phm vi o ca lu lng k in t là hàm ca #ng kính !ng d2n. #ng kính
càng rng thì gi(i hn thp và cao càng dch chuyn v phía lu lng l(n. Thí d:
D = 10 mm, lu lng nh% nht Q
min
= 0,28 m
3
/h, lu lng l(n nht
Q
max
= 2,8 m
3
/h.
D = 1 m, Q
min
= 2800 m

3
/h, Q
max
= m
3
/h, Q
max
= 28000 m
3
/h.
 chính xác ca lu lng k t c= @1%.
&u im ca lu lng k in t là  ch0 vic o c không ph thuc vào c
tính vt lý ca cht lu (nh mt ,  nh(t,  d2n in v(i iu kin nó phi l(n
h$n mt vài @ :Scm
-1
). Ngoài ra, thit b này có kh n4ng ch!ng 4n mòn b/ng cách
ch n l(p ph và kim loi in c"c thích hp (Ti, Pt).
b) Lu lng k c dùng chuyn i in
 Lu lng k phao ni

Lu lng k loi này có cu to gm mt phao nh% t trong !ng th.ng ng hình nón.
A trng thái cân b/ng phao chu tác dng ca ba l"c ch yu là l"c )y Archimede,
l"c cn và tr ng lng. Trng thái cân b/ng này c biu di1n bi ph$ng trình:
gV
SU
CgV
x 0
2
2
.

ρ
ρ
ρ
=+
(1.26)
Trong ó:






Hình 1.9 S  nguyên lý cu to ca lu lng k phao ni.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 14 12/8/2007
V là th tích và 9
0
là kh!i l#ng riêng ca phao.
U là vn t!c và 9 là kh!i lng riêng ca cht lu.
C
x
là h s! l"c cn và S là din tích ca hình chiu ca phao trên mt
ph.ng vuông góc v(i vn t!c
U

, S = BD
2
/4.
g là gia t!c tr ng tr#ng.

Mc ích ca vic o và phát hin mc cht lu là xác nh mc  hoc kh!i lng
cht lu trong các bình cha. Có hai dng o: o liên tc và xác nh theo ng=ng.
Khi o liên tuc, biên  hoc tn s! ca tín hiu o cho bit th tích cht lu còn li
trong bình cha.
Khi xác inh theo ng=ng, cm bin a ra tín hiu dng nh phân cho bit thông
tin v tình trng hin ti mc ng=ng có t hay không.
V trí ca phao c xác nh sao cho vn t!c ca U c biu di1n bi biu thc
(t iu kin cân b/ng ca các l"c tác dng lên phao) :








−= 1
2
0
ρ
ρ
SC
gV
U
x
(1.27)
#ng kính D ca !ng d2n thay i tuyn tính theo chiu cao z:
D = D
0
+ az (1.28)

Cho nên biu thc ca lu lng có dng:
( )
[
]
2
0
2
0
4
DazDQ −+=
π








−1
2
0
ρ
ρ
SC
gV
x
(1.29)
Nên s" thay i ca #ng kính !ng rt nh% thì trên th"c t biu thc ca Q s3 là:
Kz

C
gV
azQ
x
=








−= 1
2
.
0
ρ
ρ
π
(1.30)
 o lu lng, cách $n gin nht là chia  tr"c tip trên !ng thy tinh.  tin
x lý kt qu o, có th n!i phao v(i mt chic cn nh% có liên h c$ v(i lõi ca
bin th vi sai  chuyn tín hiu c$ thành tín hiu in. Tín hiu in này s3 t6 l
v(i lu lng cn o.
 Lu lng k lá chn
Lu lng k dùng lá ch7n biu di1n trên hình 1.10. Lá ch7n chu l"c tác ng ca
dòng chy, tr ng lng và phn l"c ca lò xo. V trí cân b/ng ca lá ch7n ph thuc
vào lu lng ca cht lu. Tín hiu c$ trong tr#ng hp này có th chuyn thành
tín hiu in b/ng cách dùng in k có trc g7n lin v(i trc ca lá ch7n. &u im

ca lu lng k dùng lá ch7n là rC tin và ch7c ch7n.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 15 12/8/2007


 Lu lng k khi lng nhit

Lu lng k kh!i lng nhit có cu to gm mt !ng d2n b/ng kim loi mnh có
#ng kính nh%. Phía ngoài ca !ng kim loi c cu!n mt si dây !t b/ng in
tr  chính gi*a, hai cm bin nhit   o T
1
 thng ngun (u vào) và T
2

h lu (u ra) c t  hai phía ca si !t và !i xng v(i nhau qua si !t.
Khi không có dòng chy lu lng b/ng không (Q = 0), s" truyn nhit ra hai phía ca
si !t là nh nhau, hiu ng nung nóng s3 !i xng và trong tr#ng hp này T
1
= T
2
.
Khi lu lng khác không, T
1
gim và T
2
t4ng. S" khác nhau gi*a T
1
và T
2

(DT = T
1
- T
2
) t6 l v(i lu lng Q.
Trên hình 1.11c biu di1n cu to ca lu lng k kh!i lng nhit. Các cm
bin nhit  có th là cp nhit hoc nhit k in tr. Nu là hai in tr nhit


Hình 1.10 Lu lng k dùng lá chn.






Hình 1.11 Lu lng k khi lng nhit: a) s  nguyên lý cu to;
b) ng cong nhit ; c) mch t nóng và mch o dùng chung hai in tr nhit
không có
dòng chy
có dòng chy
cm bin






lá ch7n

lò xo
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 16 12/8/2007
thì chúng làm thành hai nhánh k nhau ca cu Wheatstone, hai nhánh khác là hai
in tr có giá tr không i. in áp không cân b/ng trên cu s3 là tín hiu o.
Tr#ng hp trên hình v3, chc n4ng nung nóng và o DT th"c hin b/ng hai in
tr nhit có dòng in  l(n chy qua.
1.4.1.4 o và phát hin mc cht lu
Mc ích ca vic o và phát hin mc cht lu là xác nh mc  hoc kh!i lng
cht lu trong các bình cha. Có hai dng o: o liên tc và xác nh theo ng=ng.
Khi o liên tuc, biên  hoc tn s! ca tín hiu o cho bit th tích cht lu còn li
trong bình cha.
Khi xác inh theo ng=ng, cm bin a ra tín hiu dng nh phân cho bit thông
tin v tình trng hin ti mc ng=ng có t hay không. Thí d, nu phát hin thy
mc cao thì cm bin s3 phát ra tín hiu  ngng vic  cht lu vào bình cha.
Khi phát hin thy ng=ng thp, tín hiu s3 phát lnh ngng vic hút cht lu t
bình cha  m bo mc d" tr* t!i thiu. Thông th#ng ng#i ta hay kt hp c
hai loi u o phát hin ng=ng cao và ng=ng thp  t" ng hóa quy trình cung
cp và hút cht lu t bình cha.
Có ba ph$ng pháp hay dùng trong k8 thut o và phát hin mc:
Ph$ng pháp thy t+nh dùng bin i in;
Ph$ng pháp in d"a trên tính cht in ca cht lu;
Ph$ng pháp bc x d"a trên s" t$ng tác gi*a bc x và cht lu.
a) Phng pháp thy tnh
Trong ph$ng pháp này ch' s! do cm bin cung cp là hàm liên tc ph thuc vào
chiu cao ca cht lu trong bình cha. Nó không ph thuc vào tính cht in ca
cht lu nhng ph thuc vào kh!i lng riêng ca cht lu.
Trên hình 1.12 biu di1n ba cách khác nhau ca ph$ng pháp o thy t+nh.
Cách th nht: mt phao ni trên mt cht lu c g7n b/ng dây (qua mt ròng r c)

v(i mt cm bin v trí. Cm bin v trí s3 cho tín hiu t6 l v(i mc ca cht lu.
Cách th hai: mt vt hình tr c nhúng trong cht lu, chiu cao ca hình tr
phi b/ng hoc l(n h$n mc cao nht ca cht lu. Hình tr này c treo trên mt
cm bin o l"c. Trong quá trình o cm bin chu s" tác ng ca mt l"c F t6 l
v(i chiu cao ca cht l%ng:
F = p – 9gSh (1.31)
Trong ó p, S và h là tr ng lng, tit din mt c7t ngang và chiu cao phn ngp trong
cht l%ng ca hình tr, 9 là kh!i lng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr#ng.
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 17 12/8/2007
S! hng th hai 9gSh trong biu thc là l"c )y Archimede tác dng lên hình tr. Tín
hiu do cm bin cung cp s3 t6 l v(i h – mc cht lu còn li trong bình.
Cách th ba: s dng cm bin áp sut vi sai t  áy ca bình cha. Ti áy bình
áp sut c biu di1n bi biu thc:
p = p
0
+ 9gh (1.32)
trong ó p
0
là áp sut  'nh ca bình cha, 9gh là áp sut thu6 l"c ti áy bình, 9 là
kh!i lng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr#ng.
Cm bin óng vai trò vt trung gian có dng mt màng m%ng. Mt mt ca màng
chu tác ng ca áp sut p và mt kia chu tác ng ca áp sut p
0
. Do có s" chênh
lch gi*a p và p
0
nên hai mt ca màng chu hai l"c tác ng khác nhau làm cho nó
b bin dng. S" bin dng này s3 cung cp tín hiu c$ c chuyn i thành tín

hiu in có  l(n t6 l v(i chiu cao h ca cht l%ng trong bình cha.
b) Phng pháp in
ây là ph$ng pháp phi s dng n các cm bin c thù. Các cm bin này
chuyn i tr"c tip mc thành tín hiu in. Tuy th, yêu cu t ra là u o phi
có cu to $n gin và d ch to.
 Cm bin  dn
Cm bin loi này ch' dùng cho cht lu d2n in, không có tính 4n mòn và không
l2n th v2n cách in, thí d du nh#n.








Hình 1.12 phng pháp thy tnh: a) phao; b) hình tr treo;
c) cm bin áp sut vi sai.
cm bin
v trí
cm bin l"c
cm bin áp
sut vi sai






GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 18 12/8/2007
Cu to ca u o gm hai in c"c hình tr, nu bình cha b/ng kim loi thì bình
là mt c"c và ch' cn thêm mt c"c hình tr. u o c nuôi b/ng ngun in áp
xoay chiu ~10V  tránh hin tng phân c"c ca các in c"c.
Trong ch  o liên tc, u o t theo v trí th.ng ng, chiu dài ca u o
chim c di chiu cao ca mc cn o. Dòng in chy gi*a các in c"c có biên
 t6 l v(i chiu dài ca in c"c b ngp trong cht lu.  l(n ca tín hiu c,ng
ph thuc vào  d2n ca cht lu.
Trong ch  phát hin theo ng=ng, in c"c ng7n và t theo ph$ng n/m ngang,
v trí ca m0i in c"c t$ng $ng v(i mt mc ng=ng. Khi mc cht l%ng t
t(i in c"c, dòng in I có biên  không i.

 Cm bin t in
Khi cht l%ng là cht cách in, có th to t in b/ng hai in c"c hình tr (hoc
mt in c"c kt hp v(i thành bình kim loi ca bình cha).
Cht in môi gi*a hai in c"c là cht l%ng  phn ngp và không khí  phn khô.
Vic o mc cht lu c chuyn thành o in dung ca t in. in dung này
thay i theo mc cht lu trong bình cha. iu kin cn thit  áp dng ph$ng
pháp này là h/ng s! in môi ca cht lu phi l(n h$n h/ng s! in môi ca không
khí, thông th#ng là gp ôi.
Trong tr#ng hp cht lu d2n in, ch' cn s dng mt in c"c bên ngoài có ph
vt liu cách in, l(p ph óng vai trò l(p in môi ca t, còn in c"c th hai
chính là cht lu.











Hình 1.13 Cm bin  dn o mc cht lu: a) s  hai in cc;
b) s  mt in cc; c) phát hin theo mc.
h

h

GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 19 12/8/2007
c) Phng pháp dùng bc x
&u im ca ph$ng pháp bc x là cho phép o mà không cn tip xúc v(i cht
lu. &u im này rt thích hp khi o mc cht lu  nh*ng iu kin kh7c nghit
nh nhit  cao, áp sut cao hoc khi cht lu có tính 4n mòn mnh.

1.4.2 Cm bin o áp sut cht lu
Áp sut tác ng nh mt bin s! trong các hin tng liên quan n cht l%ng hoc
cht khí, do vy nó là thông s! quan tr ng trong nhiu l+nh v"c nh nhit ng h c,
khí ng l"c h c, âm h c, c$ h c cht l%ng, c$ h c t, lý sinh…
Trong s! các ngành công nghip khác nhau, các cm bin áp sut c ng dng
nhiu nht trong l+nh v"c công nghip n4ng lng. ó là vì trong các thit b cung
cp n4ng lng thy l"c, nhit ht nhân, cn phi o và theo dõi áp sut mt cách
liên tc, nu áp sut vt quá gi(i hn ng=ng nó s3 làm h%ng bình cha và #ng
!ng d2n, thm chí có th gây n0 làm thit hi nghiêm tr ng n c$ s vt cht và
tính mng con ng#i.
Áp sut là thông s! quang tr ng can thip vào vic kim tra và iu khin các b
phn máy móc t" ng hoc do con ng#i iu khin. o áp sut c,ng óng vai tr

áng k trong hot ng ca ng#i máy. Trong tr#ng hp này áp sut c o mt
cách tr"c tip trong các b khiên ch hoc gián tip  thay th cho xúc giác ca
con ng#i (nh da nhân to) khi cn xác nh hình dng hay l"c cm n7m các vt.
Tt c các hot ng nói trên u cn n nhiu công c trong ó cm bin áp sut
là m7c xích u tiên. Các cm bin này s3 cung cp d* liu liên quan n áp sut


Hình 1.14 o mc cht lu bng bc x gama.
Detector
n b
x lý
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 20 12/8/2007
ca khí nén, h$i n(c, du nh#n hoc ca các cht l%ng khác nh/m xác nh s" vn
hành ca các c$ cu, h th!ng, máy móc.
Trên th"c t, các nhu cu o áp sut rt a dng òi h%i các cm bin o áp sut
phi áp ng mt cách t!t nht cho tng tr#ng hp c th. Chính vì vy các cm
bin o áp sut cht lu c,ng rt a dng. Mt nguyên nhân khác d2n n s" a
dng này là  l(n ca áp sut cn o n/m trong mt di giá tr rt rng, t chân
không siêu cao n áp sut siêu cao.
 l(n ca áp sut c biu di1n b/ng giá tr tuyt !i (so v(i chân không) hoc
giá tr t$ng !i (so v(i áp sut khí quyn). Nó c,ng có th c biu di1n b/ng s"
khác nhau gi*a hai áp sut. Trong mc này tr(c khi trình bày các cm bin o áp
sut cht lu s3 gi(i thiu v áp sut và $n v o áp sut.
1.4.2.1 Áp sut và n v o áp sut
Nu cho mt cht l%ng hoc cht khí (g i chung là cht lu) vào trong mt bình
cha nó s3 gây nên l"c tác dng lên thành bình g i là áp sut. Áp sut này ph
thuc vào bn cht ca cht lu, th tích mà nó chim tr(c và sau khi a vào bình
và vào nhit .

Áp sut p ca cht lu c xác nh t l"c dF tác dng vuông góc lên din tích ds
ca thành bình:
ds
dF
=Ρ
(2.1)
Th$ng s! này không ph thuc vào nh h(ng ca b mt ds mà ch' ph thuc
vào v trí ca nó trong cht lu.
Nói chung các cht lu luôn chu tác ng ca tr ng l"c, bi vy trong tr#ng hp
ct cht lu cha trong mt !ng h t th.ng ng, áp sut  im M cách b mt
t" do mt khong b/ng h s3 b/ng áp sut khí quyn p
o
cng v(i tr ng lng ca ct
cht lu có chiu cao h tác dng lên mt $n v din tích b mt, ngh+a là:
P = p
o
+ 9gh (2.2)
Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu, g là gia t!c tr ng tr#ng ti im o áp
sut. Nu cht l%ng chu s" tác ng ca mt gia t!c thì cn phi tính n nh
hng ca l"c quán tính n áp sut cn o.
Biu thc p = dF/ds c,ng ng th#i xác nh $n v ca gia t!c. Trong h SI,
1 pascal (Pa) t$ng $ng v(i áp sut ng dng o l"c 1 newton (N) tác dng lên
b mt ph.ng có din tích b/ng 1m
2
. Áp sut 1 Pa t$ng !i nh%, vì th trong o
c công nghip ng#i ta th#ng s dng $n v áp sut là bar (1 bar = 10
5
Pa).
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 21 12/8/2007
Áp sut khí quyn  iu kin bình th#ng t$ng $ng v(i áp sut o mt ct
thy ngân có chiu cao 760 mm gây nên  0
0
C v(i gia t!c tr ng tr#ng
g = 9,8066 m/s
2
. Áp sut này b/ng 101325 Pa và th#ng c biu di1n b/ng mbar,
1 mbar @100 Pa. Trong bng trình bày m!i quan h t$ng !i gi*a các $n v o áp
sut th#ng s dng.
Bng 1.2
1.4.2.2 Nguyên tc o
a) Cht lu không chuyên ng
Vic o áp sut ca cht lu không chuyn ng d2n n phép o l"c F tác dng lên
din tích s ca thành bình phân chia hai môi tr#ng, trong ó mt môi tr#ng cha
cht lu là !i tng cn o áp sut. Có th chia ra ba tr#ng hp chính:
o áp sut ly qua mt l0 nh% có tit din hình tròn c khoan trên
thành bình.
o tr"c tip s" bin dng ca thành bình do áp sut gây nên.
o b/ng mt cm bin áp sut  chuyn i tín hiu u vào (là áp sut)
thành tín hiu in u ra cha thông tin liên quan n giá tr ca áp sut
cn o và s" thay i ca nó theo th#i gian.
Trong cách o trích ly áp sut qua mt l0 nh% phi s dng mt cm bin t gn sát
thành bình. Sai s! ca phép o s3 nh% v(i iu kin là th tích cht ca kênh d2n và ca
cm bin phi không áng k so v(i th tích tng cng ca cht lu cn o áp sut.
$n v o
áp sut
pascal
(Pa)
Bar

(b)
2
cmkg

atmosphe
Cm ct
n(c
mm Hg mbar
1 pascal 1 10
-5
1,02 10
-5
0,9869 10
-5
1,02 10
-5
0,75 10
-5
10
-2
1 bar 10
5
1 1,02 0,9869 1020 750 1000
1kg/cm
2
98 10
3
0,980 1 0,986 1000 735 980
1 atmosphe 101325 1,013 1,033 1 1033 760 1013
1gam/cm

2
98 98 10
-5
10
-5
0,968 10
-3
1 0,735 0,98
1mmHg 133,3 13,33 10
-4
1,36 10
-3
1,315 10
-3
136 10
-3
1 1,333
1mbar 100 1 10
-3
1,02 10
-3
0,9869 10
-3
1,02 0,750 1
GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 22 12/8/2007
Trong tr#ng hp o tr"c tip, ng#i ta g7n lên thành bình các cm bin o ng
sut  o bin dng ca thành bình. Bin dng này là hàm ca áp sut. Ngoài ra
c,ng có th dùng mt !ng c bit có kh n4ng bin dng d(i tác dng ca áp sut

 làm vt trung gian. Khi o áp sut trong mt #ng !ng d2n cht lu, ng#i ta
t mt áp k dng !ng n!i tip v(i #ng d2n kho sát. B/ng cách ch n vt liu
thích hp, có th s dng !ng trong tr#ng hp có bin dng l(n và t4ng  nhy
ca áp k.
Trong tr#ng hp o b/ng cm bin áp sut, vt trung gian th#ng là các phn t o
l"c có mt thông s!, thí d thông s! hình h c, có kh n4ng thay i d(i tác dng ca
l"c F = p.s. Trên hình 1.15 biu di1n mt !ng dng hình tr bt kín mt u dùng 
o áp sut. Khi áp sut tác ng lên thành !ng nó s3 làm thay i kích th(c ca !ng
theo h(ng ca trc và #ng kính !ng. Cm bin áp sut có cu to bao gm mt
!ng có trang b thêm b chuyn i in (thí d cm bin ng l"c)  chuyn nh*ng
thay i kích th(c ca !ng d(i tác dng ca áp sut cn o (i lng c$ trung
gian) thành tín hiu in. Kích th(c ca !ng c xác nh theo ng l"c l(n nht có
th chp nhn c. Cm bin dng !ng bt kín có th tích cht c= vài cm
3
nhng
trên th"c t th tích này không thay i vì bin dng ca !ng rt nh%.

Ng#i ta c,ng có th s dng vt trung gian là màng m%ng  o áp sut. Khi ó s"
khác nhau v áp sut gi*a hai mt ca màng s3 t$ng ng v(i l"c tng cng F tác
ng lên màng và v(i bin dng ca nó (xác nh  m i im theo #ng kính, theo
tip tuyn hoc  im gi*a ca màng) nh biu di1n trên hình 1.16.

Hình 1.15 Cm bin o áp sut dùng ng bt kín mt u.
c
m bin

GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 23 12/8/2007

Ph$ng trình bin dng :
( )
(
)
2
2 2
2
3
3
1
16
R r
p
z
y
e
υ
−
= − (2.3)
Bin dng ca tâm màng: (r = 0)
( )
4
2
3
3
1
8 2
p R
f
y e

υ
= −     
Bin dng theo #ng kính:
( )
2 2
2
1
2
3 3
1
8
p R r
y e
ε υ
−
= −
    !
Bin dng theo tip tuyn:
( )
2 2
2
2
2
3
1
8
p R r
y
e
ε υ

−
= −     "
Tn s! riêng:
( )
0
2
2
0,47
1
e y
f
R
ρ υ
=
−
      #
: kh!i lng riêng.
!i v(i cùng mt áp sut p, bin dng ca màng càng l(n thì bán kính r càng l(n và
b dày càng nh%.  nhy ca màng c,ng t4ng khi bin dng t4ng lên. Hin tng
tr do bin dng không phi là àn hi tuyt !i s3 nh hng n  tuyn tính ca
màng. Mt khác, khi t6 s! R/e t4ng s3 làm cho tn s! riêng ca màng gim i. Bi
vy, thông th#ng t6 s! R/e c ch n  dung hòa hai yu t!, mt mt là ng l"c
mà màng có th chu "ng c và mt khác  cho tn s! riêng ca màng càng l(n
càng t!t. Trên th"c t s" l"a ch n này ph thuc vào c tính ca vt liu ch to
màng và công ngh x lý nhit ã áp dng cho nó.
Ngoài dng !ng hình tr và màng ph.ng, vt trung gian dùng  o áp sut cht lu
có th là màng dng sóng, piston kt hp v(i lò so, áp k giãn n=, !ng xi phông


Hình

1.16

B
i
n dng ca m
àng hình tr


c óng khung theo chu vi.

$

E

p

f

e

GVHD: ThS V THNG LONG  ÁN TT NGHIP

SVTH: HUNH HU LONG 24 12/8/2007
(dng xp thành np), !ng hình cong bt mt u…Tùy tng tr#ng hp c th mà
ng#i ta ch n vt trung gian cho thích hp v(i áp sut cn o.
b) Cht lu chuyn ng
Khi nghiên cu cht lu chuyn ng cn phi tính n ba dng áp sut cùng tn
ti: áp sut t+nh (p
s
) ca cht lu không chuyn ng, áp sut ng (p

d
) do chuyn
ng v(i vn t!c v ca cht lu gây nên và áp sut tng cng p
t
là tng ca hai áp
sut trên:
P
t
= p
s
+ p
d
(2.8)
Áp sut t+nh p
s
c o b/ng mt trong các ph$ng pháp va trình bày. Áp sut
ng tác dng lên mt ph.ng t vuông góc v(i dòng chy s3 làm t4ng áp sut t+nh
và có giá tr t6 l v(i bình ph$ng vn t!c, ngh+a là:

2
2
v
p
d
ρ
=
(2.9)
Trong ó 9 là kh!i lng riêng ca cht lu.
Vic o các áp sut này trong cht lu chuyn ng có th c th"c hin b/ng
cách n!i v(i hai u ra ca ông Pitot hai cm bin, mt cm bin o áp sut tng

cng và mt cm bin o áp sut t+nh. Khi ó áp sut ng s3 là hiu ca áp sut
tng cng và áp sut t+nh.


Có th trang b tr"c tip mt 4ng ten là !ng Pitot v(i hai cm bin áp sut kích
th(c nh%  o áp sut ng. Các màng ca hai cm bin này c t sao cho
mt màng vuông góc v(i dòng chy và màng th hai song song v(i trc ca !ng.
Trong mt loi !ng $n gin h$n áp sut t+nh c o b/ng cách khác: ng#i ta t


Hình 1.17 o áp sut ng bng ng Pitot.
