ĐỒNG HỒ ĐO ÁP LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH doc

ĐỒNG HỒ ĐO ÁP LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH
Hình 1- tiêu biểu cảm biến áp điện áp
Elictrical connector : nối điện
Shrink tubing grooves : thu nhỏ ống rãnh
IC amplifier : IC khuếch đại
Element lead : yếu tố dẫn
Seal surface : bề mặt bị ẩn dấu ( bề mặt niêm phong )
Preload screw : vít tải trước
Quartz crystal : thạch anh tinh thể
Electrode : điện cực
End piece : đoạn cuối
Diapphragm : cơ hoành
Piezoelectric
Khi áp lực, sức tác dụng hoặc tăng tốc được áp dụng cho một tinh thể thạch
anh, tính được biến đổi trên tinh thể đó là tỷ lệ thuận với sức tác dụng thực
nghiệm (H _1) . Sự khác biệt cơ bản giữa các bộ cảm biến tinh thể và tĩnh lực
thiết bị như thiết bị đo biến dạng là các tín hiệu điện tạo ra bởi các tinh thể phân
rã nhanh chóng . Đặc tính này làm cho các cảm biến này không phù hợp để đo
các các sức tác động tĩnh hoặc áp lực nhưng hữu ích cho các phép đo động.
(Hiện tượng này cũng được thảo luận trong chương sau dành cho việc đo lực
năng động, tác động, và tăng tốc.) .
Thiết bị áp điện có thể tiếp tục được phân loại theo việc tĩnh điện của tinh thể,
điện trở suất của nó, hoặc tần số cộng hưởng của nó tính được đo điện . Tùy
thuộc vào hiện tượng được sử dụng, cảm biến tinh thể có thể được gọi là tĩnh
điện, piezoresistive, hoặc cộng hưởng .
Khi áp suất được áp dụng cho tinh thể, nó là đàn hồi bị biến dạng. Điều này biến
dạng kết quả trong một dòng chảy của điện tích (kéo dài trong một khoảng vài
giây). Các tín hiệu dẫn điện có thể được đo như là một dấu hiệu của áp lực đó
đã được áp dụng cho các tinh thể. Các cảm biến không thể phát hiện áp lực tĩnh,
nhưng được sử dụng để đo áp suất thay đổi nhanh chóng thu được từ vụ nổ, vụ
nổ, rung động áp lực (trong động cơ tên lửa, động cơ, máy nén khí) hoặc các

nguồn khác của các cú sốc và rung. Một số các cảm biến này chắc chắn có thể
phát hiện các sự kiện áp lực có "lần tăng" trên thứ tự của một phần triệu của
giây, và được mô tả cụ thể hơn sau đó trong chương này.
Tương tự với áp suất điều chỉnh không và span.
Đầu ra của cảm biến áp lực như vậy thường được thể hiện năng động trong các
đơn vị áp lực "tương đối" (chẳng hạn như psir thay vì psig), qua đó tham khảo
các phép đo với điều kiện ban đầu của tinh thể. Phạm vi tối đa của cảm biến như
vậy là 5.000 hoặc psir 10.000. Các tính năng hấp dẫn của bộ cảm biến áp điện
bao gồm xây dựng chắc chắn của họ, kích thước nhỏ, tốc độ cao, và tín hiệu tự
tạo ra. Mặt khác, họ rất nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ và yêu cầu cáp đặc biệt
và sự khuếch đại.
Họ cũng yêu cầu chăm sóc đặc biệt trong khi cài đặt: Một trong những xem xét là
các mô-men xoắn của họ gắn kết nên lặp lại trong các mô-men xoắn tại đó họ đã
được kiểm định (thường là 30 in-lbs). Một yếu tố khác có thể gây hại cho hoạt
động của họ bằng cách làm chậm tốc độ phản ứng là độ sâu của các khoang
trống dưới hốc. Các khoang lớn hơn, chậm hơn các phản ứng. Vì vậy, khuyên
rằng độ sâu của khoang được giảm thiểu và không được sâu hơn đường kính
của thăm dò (thường là khoảng 0,25-in.).
Bộ chuyển đổi điện áp nhỏ và gồ ghề. Lực lượng tinh thể có thể được áp dụng
theo chiều dọc hoặc theo chiều ngang, và trong cả hai trường hợp sẽ gây ra một
điện áp đầu ra cao tỷ lệ thuận với lực lượng được áp dụng. Các tín hiệu điện áp
của tinh thể tự tạo ra rất hữu ích, nơi cung cấp năng lượng cho cảm biến là
không thực tế hoặc không thể. Các cảm biến này cũng cung cấp cho phản ứng
tốc độ cao (30 kHz với những đỉnh đến 100 kHz), mà làm cho chúng lý tưởng để
đo lường các hiện tượng thoáng qua.
Hình 2 : minh họa một cảm biến áp lực gia tốc-bù
Hình 2 : Tăng tốc-bù bộ cảm biến áp điện
Compensation crystal : bù tinh thể
Seismic Mass : khối địa chấn
Crystal stack : tinh thể stack

End piece : đoạn cuối
Diapphragm : màng ngăn
Trong thiết kế này, bù được cung cấp bởi việc bổ sung một loạt rung động và
một "tinh thể bù " riêng biệt của tính phân cực ngược. Các thành phần này được
thu nhỏ để chính xác huỷ bỏ hiệu lực quán tính của quần chúng (các đoạn cuối
và cơ hoành) mà hành động theo các tinh thể cảm nhận áp lực chồng khi tăng
tốc.
Vì thạch anh là một khoáng chất thông thường và tự nhiên, các đầu dò này
thường rẻ tiền. Tourmaline, một bán quý tự nhiên dưới dạng thạch anh, có phản
ứng phụ micro và có ích trong việc đo lường của việc ngắn rất nhanh chóng.
Bằng cách chọn các tinh thể đúng cách, người thiết kế có thể đảm bảo cả hai
tuyến tính tốt và sự nhạy cảm nhiệt độ giảm.
Mặc dù đầu dò áp điện không có khả năng đo áp lực tĩnh, chúng được sử dụng
rộng rãi để đánh giá hiện tượng áp lực động liên quan đến vụ nổ, rung động,
hoặc điều kiện áp suất động trong động cơ, động cơ tên lửa, máy nén, và các
thiết bị áp lực khác có kinh nghiệm thay đổi nhanh chóng. Họ có thể phát hiện
những áp lực từ 0,1 và 10.000 psig (0,7 kPa đến 70 MPa). Tiêu biểu là độ chính
xác quy mô đầy đủ, 1% với một quy mô bổ sung đầy đủ, 1% cho mỗi 1000 ¡hiệu
nhiệt độ.
Cảm biến áp lực Piezoresistive hoạt động dựa trên sự phụ thuộc điện trở suất
của silic bị căng thẳng. Tương tự như một gage chủng, một cảm biến
piezoresistive bao gồm một cơ hoành vào đó bốn cặp silicon được gắn các điện
trở. Không giống như việc xây dựng một bộ cảm biến đo biến dạng, ở đây cơ
hoành tự được làm bằng silicon và các điện trở được khuếch tán vào silicon
trong quá trình sản xuất. Cơ hoành là hoàn thành liên kết các màng đến một
wafer silicon chưa qua chế biến.
Nếu cảm biến được sử dụng để đo áp suất tuyệt đối, quá trình liên kết được
thực hiện trong chân không. Nếu bộ cảm biến sẽ được tham chiếu, các khoang
phía sau màng được chuyển hoặc là để không khí hoặc với nguồn áp lực tham
khảo. Khi được sử dụng trong một bộ cảm biến quá trình, các màng silicon được

bảo vệ từ liên hệ trực tiếp với các vật liệu quá trình bởi một màng bảo vệ đầy
chất lỏng bằng thép không gỉ hoặc hợp kim một số khác đáp ứng các yêu cầu ăn
mòn của dịch vụ.
Cảm biến áp lực Piezoresistive rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ và
phải được nhiệt độ bồi thường. Cảm biến áp lực Piezoresistive có thể được sử
dụng từ khoảng 3 psi đến tối đa là khoảng 14.000 psi (21 kPa đến 100 MPa).
Cộng hưởng cảm biến áp điện áp đo lường sự biến động về tần số cộng hưởng
của các tinh thể thạch anh theo một lực lượng áp dụng. Các cảm biến có thể bao
gồm một chùm tia bị đình chỉ mà dao động trong khi cô lập từ tất cả các lực
lượng khác. Chùm này được duy trì trong dao động ở tần số cộng hưởng của nó.
Thay đổi trong kết quả có hiệu lực áp dụng những thay đổi tần số cộng hưởng.
Các mối quan hệ giữa P áp lực áp dụng và tần số dao động là:

nơi TO là thời kỳ của dao động khi áp suất áp dụng là số không, T là thời kỳ của
các dao động khi áp suất áp dụng là P, và A và B là hằng số cân chỉnh cho đầu dò.
Những đầu dò có thể được sử dụng để đo áp suất tuyệt đối với nhịp 0-15 psia
đến 000-900 psia (0-100 kPa đến 0-6 MPa) hoặc cho phép đo chênh áp với nhịp
0-6 PSID đến 0-40 PSID (0-40 kPa để 0-275 kPa).
Hình 3 đầu dò áp lực từ thiết kế
deflection for full scale output : độ lệch để đầu ra phạm vi toàn bộ
high permeability core : Thẩm thấu cao Điểm
Pressure Sensing Capsule : Viễn thám áp Capsule
Inductive : Cảm ứng
Magnetic Vane : Từ Vane
Helical Bourdon Tube : Xoắn Bourdon Tube
Coil Winding : Cuộn dây quấn ống
Inductive/Reluctive : Cảm / Reluctive
Một số mẫu thiết kế bộ chuyển đổi đầu áp dựa trên hiện tượng từ tính. Chúng
bao gồm việc sử dụng điện cảm, từ trở, và dòng xoáy. Điện cảm là sở hữu của
một mạch điện mà thể hiện độ lớn của lực điện động (emf) gây ra bởi một tỷ lệ

nhất định thay đổi của dòng điện trong mạch điện. Từ trở là kháng với lưu
lượng từ tính, phe đối lập được cung cấp bởi một chất từ tính với thông lượng
từ tính. Trong các cảm biến này, một thay đổi áp suất tạo ra một chuyển động,
mà trong những thay đổi lần lượt các điện cảm hoặc từ trở của một mạch điện.
Flush-gắn cảm biến áp suất phù hợp 1/4-in. NPT đề.
Hình 3A minh họa việc sử dụng một máy biến áp phân tuyến tính biến (LVDT) là
yếu tố làm việc của một máy phát áp lực. LVDT hoạt động trên nguyên tắc tỷ lệ
tự cảm. Trong thiết kế này, ba cuộn dây được nối vào một ống cách nhiệt có
chứa một lõi sắt, được đặt trong ống bằng các cảm biến áp lực.
Luân phiên hiện tại là áp dụng cho các cuộn dây chính ở trung tâm, và nếu cốt lõi
cũng là trung tâm, điện áp bằng nhau sẽ được cảm ứng trong các cuộn dây thứ
cấp (# 1 và # 2). Bởi vì các cuộn dây được nối tiếp, tình trạng này sẽ dẫn đến
một đầu ra không. Khi thay đổi áp lực quá trình và di chuyển lõi, sự khác biệt
trong các điện áp cảm ứng trong các cuộn dây thứ cấp tỉ lệ với áp lực gây ra
chuyển động.
Đầu dò áp lực LVDT-loại có sẵn với độ chính xác 0,5% phạm vi đầy đủ, với
khoảng 0-30 psig (0-210 kPa) đến 0-10,000 psig (0-70 MPa). Chúng có thể phát
hiện tuyệt đối, đánh giá, hoặc áp lực chênh lệch. Hạn chế chính của chúng là
nhạy cảm đến mang cơ khí và độ nhạy cảm đến rung động và sự can thiệp từ
tính.
Từ trở là tương đương với trở trong một mạch từ. Nếu sự thay đổi áp suất thay
đổi khoảng cách trong các đường dẫn thông lượng từ tính của hai lõi, tỷ lệ cuộn
cảm L1/L2 sẽ được liên quan đến việc thay đổi áp suất quá trình (hình 3-10B).
Đầu dò áp lực dựa trên Từ trở có một tín hiệu đầu ra rất cao (trên thứ tự là 40
mV / volt của kích thích), nhưng phải được kích thích bằng điện áp xoay chiều.
Chúng là dễ bị đi lạc từ trường và các hiệu ứng nhiệt độ khoảng 2% trên 1000 ¡F.
Bởi vì tín hiệu đầu ra rất cao của mình, chúng thường được sử dụng trong các
ứng dụng mà độ phân giải cao trong một phạm vi tương đối nhỏ là mong muốn.
Chúng có thể bao gồm phạm vi áp lực từ các nước nhập 1 đến 10.000 psig (250
Pa đến 70 MPa). Tiêu biểu chính xác là 0,5% phạm vi toàn bộ.

Hình 4 :Áp lực đầu dò quang học
Reference Diode : Diode tham chiếu
Measuring Dode : Đánh giá Dode
Measured Pressure : Đo áp suất
Quanghọc
Đầu dò quang áp lực phát hiện những tác động của chuyển động phút do thay
đổi áp lực quá trình và tạo ra một tín hiệu đầu ra tương ứng điện tử (hình 3-11).
A-đi-ốt phát sáng (LED) được sử dụng như là nguồn ánh sáng, và ngăn chặn cánh
một số của ánh sáng khi nó được chuyển bằng màng ngăn. Khi áp lực quá trình di
chuyển các cánh giữa nguồn và diode diode đo, số lượng ánh sáng hồng ngoại
nhận được những thay đổi.
Các bộ chuyển đổi quang phải bù để sự lão hóa của nguồn ánh sáng LED bằng
một diode tham chiếu, đó là không bao giờ bị chặn bởi cánh này. Đi-ốt này tham
chiếu cũng đền bù tín hiệu để xây dựng của đất hoặc vật liệu phủ khác trên bề
mặt quang học. Các bộ chuyển đổi áp suất quang học là miễn dịch đến hiệu ứng
nhiệt độ, vì nguồn, đo lường và điốt tham chiếu bị ảnh hưởng như nhau bởi
những thay đổi về nhiệt độ. Hơn nữa, vì số lượng của phong trào yêu cầu thực
hiện các phép đo là rất nhỏ (dưới 0,5 mm), trễ và lỗi lặp lại gần như bằng không.
Đầu dò quang áp lực không cần bảo dưỡng nhiều. Chúng có sự ổn định tuyệt
vời và được thiết kế để đo thời gian dài. Chúng có sẵn với các phạm vi từ 5 psig
đến 60.000 psig (35 kPa đến 413 MPa) và với độ chính xác 0,1% phạm vi toàn
bộ.
Xem xét thực tế
Trong các ứng dụng công nghiệp, hay lặp lại thường là quan trọng hơn sau đó tuyệt
đối chính xác. Nếu áp lực quá trình khác nhau trong một phạm vi rộng, đầu dò với
tuyến tính tốt và trễ thấp là sự lựa chọn ưa thích.
Môi trường xung quanh và thay đổi nhiệt độ quá trình cũng gây ra sai sót trong đo
áp lực, đặc biệt trong việc phát hiện áp thấp và áp suất chênh lệch nhỏ. Trong các
ứng dụng như vậy, compensators nhiệt độ phải được sử dụng.
Thick-film silicon cảm biến áp lực có sẵn trong phạm vi từ 10 đến

30.000 psia.
Nguồn cung cấp các biến thể cũng thấp hơn hiệu suất của các đầu dò áp lực. Độ
nhạy cảm (S) của một bộ chuyển đổi xác định số lượng của biến đổi xảy ra trong
các điện áp đầu ra (tiếng) khi điện áp cung cấp (VS) thay đổi, với những áp lực
đo lường (Pm) và áp lực đánh giá của đầu dò (Pr) còn lại không đổi :
Một hệ thống đo áp lực, tổng số lỗi có thể được tính bằng phương pháp gốc,
tổng hợp hình vuông: tổng số các lỗi bằng căn bậc hai của các khoản của tất cả
các sai sót riêng lẻ bình phương.
Tiêu chuẩn tuyển chọn
Bộ chuyển đổi áp suất thường tạo ra các tín hiệu đầu ra trong khoảng millivolt
(kéo dài từ 100 mV đến 250 mV). Khi sử dụng thiết bị phát, đây là những thường
phóng đại lên với mức điện áp (1 đến 5 V) và chuyển đổi đến vòng hiện tại,
thường là 4-20 mA dc.
Các bộ chuyển đổi nhà ở phải được lựa chọn đến đáp ứng cả hai phân loại khu
vực điện và yêu cầu sự ăn mòn của các cài đặt cụ thể. Bảo vệ chống ăn mòn phải
tính đến cả hai bắn tung tóe chất lỏng ăn mòn hoặc tiếp xúc đến các loại khí ăn
mòn ở bên ngoài nhà ở, cũng như tiếp xúc của phần tử cảm ứng đến quá trình
ăn mòn vật liệu. Các yêu cầu sự ăn mòn của tiến trình cài đặt được đáp ứng
bằng cách lựa chọn vật liệu chống ăn mòn, sơn, và do sử dụng con dấu hóa học,
được thảo luận sau này trong chương này.
Nếu cài đặt tại một khu vực hơi nổ có thể có mặt, các bộ chuyển đổi hoặc phát
và cung cấp năng lượng của nó phải phù hợp với những môi trường. Điều này
thường đạt được bằng cách đặt chúng bên trong hoặc tẩy nổ nhà ở, hoặc bằng
cách sử dụng bản chất thiết kế an toàn.
Có lẽ là quyết định quan trọng nhất trong việc lựa chọn một bộ chuyển đổi áp
suất là vùng. Người ta phải ghi nhớ hai xem xét mâu thuẫn: tính chính xác của
dụng cụ và bảo vệ nó khỏi quá áp. Từ một điểm chính xác của các điểm, phạm vi
của một máy phát được thấp (bình thường áp lực ở khoảng giữa của phạm vi),
do đó, lỗi, thường là một tỷ lệ phần trăm phạm vi toàn bộ, được giảm thiểu.
Mặt khác, người ta phải xem xét những hậu quả thiệt hại quá áp do lỗi điều

hành, thiết kế bị lỗi (waterhammer), hoặc thất bại trong việc cô lập các dụng cụ
trong quá trình thử nghiệm, áp lực và khởi động. Vì vậy, điều quan trọng không
chỉ để xác định phạm vi cần thiết, nhưng cũng có số lượng bảo vệ quá áp cần
thiết.
Hình 5 :Bảo vệ quá áp Bourdon Tube
Force Bar : Lực Bar
Overpressure stop : dừng quá áp
Flexure : Độ cong
Atmosphere : không khí
" c " - Bourdon
Process Presure : Quá trình áp suất
Hầu hết các công cụ áp lực được cung cấp bảo vệ quá áp từ 50% đến 200% của
phạm vi (hình 3-12). Những người bảo vệ đáp ứng phần lớn các ứng dụng.
Trường hợp quá áp cao hơn dự kiến và tính chất của mình là tạm thời (gai áp
lực của thời gian ngắn - giây hoặc ít hơn), snubber có thể được cài đặt. Những
đột biến trong bộ lọc, nhưng nguyên nhân đo lường được phản ứng chậm hơn.
Nếu quá áp quá mức dự kiến sẽ có thời hạn dài hơn, người ta có thể bảo vệ các
bộ cảm biến bằng cách cài đặt một van giảm áp. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến
một sự mất mát về đo lường khi các van xả được mở.
Nếu máy phát là đến hoạt động theo môi trường xung quanh nhiệt độ cao, nhà
ở có thể được làm mát bằng điện (Peltier hiệu lực) hoặc bằng nước, hoặc nó có
thể được di chuyển trong một khu vực máy lạnh. Khi nhiệt độ đóng băng dự
kiến, trở nóng hoặc hơi nước truy tìm nên được sử dụng kết hợp với vật liệu
cách nhiệt.
Khi nhiệt độ quá cao, có mặt, người ta có thể xem xét việc sử dụng các phương
pháp khác nhau của cô lập các công cụ áp lực từ quá trình này. Chúng bao gồm con
dấu vòng lặp, xi phông, con dấu hóa học với ống mao dẫn để điều khiển từ xa gắn
kết, và tẩy.