Nghiên cứu phương pháp xác định một số chỉ tiêu bộ đôi pittông xilanh trong áp kế pittông chuẩn

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

Nguyễn thị liên hơng

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

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

ngời hớng dẫn
pgs. Nguyễn thị ngọc lân

Hà Nội - 2009


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

Trang

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

I.3 Đánh giá chung và giới thiệu đề tài…………………………………………10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO ÁP SUẤT
II.1 Giới thiệu lý thuyết áp kế pittong……………………………………………12
II.1.1 Đơn vị đo áp suất………………………………………………………….13
II.1.2 Các dạng cơ bản của áp kế pittong………………………………………..16
a) Pittong xilanh kiểu đơn giản……………………………………………...18
b) Pittong hiệu số……………………………………………………………19
c) Các dạng pittong bố trí tải trọng………………………………………….21
II.1.3 Tính chất cơ bản của áp kế pittong………………………………………..23
a) Diện tích hiệu dụng……………………………………………………….24
a.1 Quy ước chung đối với số hiệu chính sức đẩy môi trường xung quanh… 24
a.2 Xác định công thức xác định diện tích hiệu dụng………………………..26
a.3 Diện tích hiệu dụng với một số bộ đôi…………………………………...28
b) Loại trừ ma sát quay pittong………………………………………………32
c) So sánh sự ảnh hưởng quay với các bộ đôi làm việc trong một số môi trường
d) Một số ảnh hưởng tác động lên quá trình làm việc của bộ đôi…………….35
II.1.4 Xác định áp suất…………………………………………………………....40
a) Giới thiệu chung……………………………………………………….......41
b) Khối lượng và sức đẩy không khí…………………………………………43
c) Xác định khối lượng……………………………………………………….46
II.1.5 Phương pháp ước lượng độ không đảm bảo đo của áp kế pittong…………50
a) Công thức cơ sở……………………………………………………………51
b) Giới thiệu độ không đảm bảo đo với một số trường hợp…………………..56
c) Nhận xét đánh giá…………………………………………………………..62
II.2 Những thông số cho phép đánh giá khả năng làm việc thêm của bộ đôi……..63
a) Thời gian quay tự do……………………………………………………….64
b) Tốc độ hạ…………………………………………………………………...65
II.3 Kết luận……………………………………………………………………….67

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

b) Đồ thị……………………………………………………………………….
c) Nhận xét…………………………………………………………………….
IV.1.2 Độ thẳng đường sinh……………………………………………………….
a) Phương pháp đo…………………………………………………………….
b) Đồ thị……………………………………………………………………….
c) Nhận xét…………………………………………………………………….
IV.1.3 Độ tròn………………………………………………………………….
Phương pháp đo………………………………………………………………..
a) Đồ thị. ………………………………………………………………………


b) Nhận xét…………………………………………………………………….86
IV.2 Nhận xét chung. ………………………………………………………….86
PHỤ LỤC và TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bản vẽ kỹ thuật của bộ đôi và bảng in các kết quả


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT
I.1 - Giới thiệu chung về lĩnh vực đo lường
Đo lường là một lĩnh vực hoạt động khoa học - kỹ thuật hết sức gần gũi và
gắn bó mật thiết với đời sống con người, cũng là một lĩnh vực không thể thiếu đối
sự phát triển kinh tế của một quốc gia.
Hầu như những gì con người cần cho cuộc sống đều phải đo. Cái thước giúp
ta xác định độ dài; cái cân giúp ta xác định khối lượng; cột đo giúp xác định bao
nhiêu lít xăng, dầu... Đo lường tạo ra cơ sở định lượng tin cậy để thuận mua vừa
bán, đảm bảo công bằng và tin cậy lẫn nhau trong thương mại, trong giao lưu kinh
tế, đặc biệt quan trọng trong quá trình hội nhập của nền kinh tế nước ta vào nền
kinh tế toàn cầu. Ngày 07/11/2006 Việt Nam đã chính thức trở thành thành viên thứ
150 của Tổ chức thương mại thế giới (WTO).
Khoa học - kỹ thuật ngày càng phát triển, quá trình chuyền giao công nghệ

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


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

này, tôi cũng một phần đi vào đánh giá khả năng làm việc của bộ đôi dựa trên
nhưng thông số như vậy.
I.2 - Tìm hiểu các phương tiện đo áp suất hiện hành
Đo áp suất là một trong những chức năng đo cơ bản nhất trong bất cứ ngành
công nghiệp nào. Từ một nhà máy lọc dầu đến một chiếc xe ủi đất, việc đo áp suất
khí nén, lưu chất thủy lực, chất lỏng trong các qui trình, hơi nước hoặc vô số các
môi trường trung gian khác là chuyện xảy ra hàng ngày và đóng vai trò then chốt
đối với tất cả các cách thức điều khiển. Kết quả là, ở đâu ta cũng bắt gặp các thiết
bị đo áp suất, và có vô số các lựa chọn cho bạn.

2


Mặc dù cũng có một số ngoại lệ song việc tổng kết lại các công nghệ đo áp
suất theo các thuật ngữ nói chung có thể đem lại những ứng dụng tốt hơn. Và ứng
dụng này chính xác hay không là dựa vào những khoảng đo và độ chính xác trong
phép đo áp suất. Nghiên cứu những sản phẩm đã được đo bằng phương tiện đo áp
suất hiện đang sử dụng tại Việt Nam và một số nước trên thế giới, đề tài đưa ra một
số phương tiện đo như sau:

3


I.2.1 Hình ảnh một số thiết bị đo ở Việt Nam
1- Chuẩn quốc gia
Áp kế píttông RUSKA 2465
Phạm vi đo: (0,14 ÷ 700) kPa
Độ chính xác: 0,001 %
Nước SX : Mỹ
2- Chuẩn quốc gia

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

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

4


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

Áp kế píttông đo áp suất cực thấp DHI FPG 8601
Phạm vi đo: (0 ÷ 15) kPa
Độ chính xác: 0,003 %
Nước SX : Mỹ
a) Khả năng kiểm định hiệu chuẩn của Phương tiện đo
Tên phương tiện đo

Phạm vi đo

Độ chính xác

Các loại áp kế piston khí

(0 ÷ 7) MPa

0,001%

Các loại áp kế piston dầu

(0 ÷ 275) MPa

0,005 %

Các loại Các loại áp kế hiện số

(0 ÷ 275) MPa

0,005%

Các loại áp kế lò xo chuẩn

(0 ÷ 275) MPa

0,01%

Các loại áp kế chênh áp

(0,1 ÷ 400) kPa

0,0012%

Các loại áp kế đo áp suất tuyệt

(1 ÷ 1000) hPa

0,0012 %

(0 ÷ 3000) hPa

0,0012%

chuẩn

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

5


Các loại huyết áp kế chuẩn

(0 ÷ 400) hPa

0,0012%

Các loại thiết bị chuyển đổi áp

(0 ÷ 275) MPa

0,005%

(0 ÷ 275) MPa

0,005%

suất (Transducer, Transmitter)
Các loại công tắc áp suất

b) Khả năng đo thử nghiệm của Phương tiện đo
Tên sản phẩm, vật liệu

Đặc trưng kỹ thuật

Phép đo, thử

Thiết bị chịu áp lực-

Chịu được áp suất đến

- Thử khả năng chịu áp lực duy

bình chịu áp lực

250 MPa

trì- Thử phá huỷ

Thiết bị tạo áp (máy

Chịu được áp suất đến

- Thử khả năng chịu áp lực

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

- Thử độ kín

không

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

Thiết bị bơm chân

Tạo được áp suất tuyệt Đo độ chân không

không cơ khí hoặc

đối đến 10-3 hPa

khuyếch tán
Van an toàn

Áp suất mở van đến 250 Đo, hiệu chỉnh áp suất mở van
MPa

Thử độ kín

Áp suất đến 250 MPa

Đo áp suất

6


c) Các chuẩn hiện có
Tên thiết bị chuẩn

Phạm vi đo

Độ chính
xác

Phân loại

Liên kết tới

Áp kế piston chuẩn đầu (5 ¸ 175) kPa abs 0.0005% Chuẩn quốc gia DHI (USA)
DHI PG7607

(5 ¸ 175)kPa g

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

Chuẩn quốc gia DHI (USA)

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

(0,14¸700)kPa abs 0.001%

Chuẩn quốc gia

KRISS

2465

(0,14¸700) kPa g

Áp kế piston RUSKA

(0,05¸100) MPa

0.0038% Chuẩn quốc gia

KRISS

(0,17¸ 275) MPa

0.0035% Chuẩn quốc gia

RUSKA

(Korea)

2485
Áp kế piston RUSKA
2492

(USA)

Áp kế piston MΠA 15

(-0,1¸ 0,3 ) MPa

0,0058%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế piston MΠ 2,5

(0 ¸ 0,25 ) MPa

0,02%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế piston MΠ 6

(0,01¸ 0,6) MPa

0,02%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế piston MΠ 60

(0,1 ¸ 6) MPa

0,02%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế hiện số DHI

(0¸160) kPa abs

0,005%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế hiện số 740-40K (0¸275) MPa abs

0,01%

Chuẩn chính

VMI

Áp kế piston 5301/79

(0,01¸ 70) MPa

0.03%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston 5300/79

(5 ¸ 250 ) MPa

0,03%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston 3PD 50

(0,1¸ 5 ) MPa

0,1%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston 3PD 500

(5 ¸50) MPa

0,1%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế piston MΠ 0,4

(0 ¸ 0,04) MPa

0,2%

Chuẩn công tác

VMI

Áp kế hiện số DPI 605

(-0,1 ¸ 70 ) MPa

0,025%

Chuẩn công tác

VMI

RPM4

7


I.2.2 Hình ảnh thiết bị đo trên thế giới
Hiện đại nhất bây giờ trên thế giới các nhà nghiên cứu đang dùng là máy đo
áp suất chân không VAM320.
Hãng sản xuất EBRO - GERMAN
Bảo hành 12 tháng
Thông số kỹ thuật:
- Áp suất Max: 3200 mbar
- Độ phân giải: 1 mbar; 0,1 kPa; 0,01 psi; 1 torr
- Độ chính xác: ± 0.4% khoảng đo
- Hiệu chuẩn 2 điểm
- Đầu nối sensor: LEMO cỡ 0.4 pin
- Nhiệt độ hoạt động: 0 … +50oC.
- Độ ẩm max: 85% rH
- Nhiệt độ bảo quản: -25 … 60oC
- Kích thước sensor: 30 x ∅40 mm

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


Hình ảnh bộ đôi Pittong xylanh

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

9


Đề tài này được kế thừa việc nghiên cứu đánh giá bộ đôi dựa trên 1 thông số
đường kính và sẽ bước tiếp nghiên cứu khả năng làm việc của bộ đôi dựa trên việc
tổng hợp không phải 1 mà nhiều thông số khác. Đề tài mang tên phương pháp đánh
giá bộ đôi thông qua các một số thông số cơ bản hiện đang đi đúng xu hướng
nghiên cứu của thế giới. Với các phương tiện đo đang có tại Việt Nam, nội dung
nghiên cứu của đề tài sẽ được trình bày như sau:
Trình bày Cơ sở lý thuyết của bộ đôi chuẩn
Đo các thông số: đường kính, độ thẳng đường sinh và độ tròn
Phương pháp tổng hợp các thông số trên
Nhận xét và đánh giá

10


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO ÁP SUẤT
Rất nhiều nhà nghiên cứu và rất nhiều những tài liệu tham khảo đã chứng
minh khả năng làm việc, độ chính xác của pittông dựa trên phương pháp tổng hợp
những thông số hình học đã đo được như đường kính, độ tròn, độ thẳng đường
sinh…
II.1 – Giới thiệu lý thuyết áp kế pittong
Trong hệ đơn vị SI, áp suất không phải đại lượng cơ bản mà là đại lượng dẫn
xuất, nó được định nghĩa: là một đại lượng vật lý, có giá trị bằng tỷ số giữa lực tác
dụng thẳng góc lên một diện tích phẳng và độ lớn của diện tích đó với giả thuyết
lực tác dụng phân bố đều trên toàn bộ diện tích phẳng.
P=Lực/Diện tích
Định nghĩa về áp suất có thể được thấy rõ nhất trong áp kế pittông, đó là
một bộ đôi pittông được lắp vừa khít trong một xilanh, thông qua môi trường

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

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


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

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

chia cho đơn vị diện tích. Đơn vị diện tích tất nhiên cần phải có đơn vị chiều
dài bình phương và đơn vị lực cần phải có đơn vị của khối lượng và đơn vị gia
tốc trọng trường, theo định luật Nuitơn. Đơn vị gia tốc trọng trường cần phải
có độ lớn của đơn vị vận tốc chia cho đơn vị thời gian và đơn vị của vận tốc là
đơn vị chiều dài chia cho đơn vị thời gian. Giá trị khối lượng, (M), chiều dài,
(L) và thời gian (T) đơn vị của chúng là đơn vị cơ bản. Áp suất được biểu diễn
12


theo (L),(M) và (T), ta có thứ nguyên của khối lượng trên chiều dài trên bình
phương thời gian (ML-1T-2).
Pascan có thể là quá lớn hoặc quá nhỏ đối với mục đích thực tế khác nhau
và với các bội số và ước số được dùng như các đơn vị khác như sau:
Nanopascal, nPa, 10-9Pa
Micropascal, µPa, 10-6Pa
Milipascal, mPa, 10-3Pa
Hectopasal, hPa, 102Pa
Kilopascan,kPa,103 Pa
Megapascal, Mpa, 106Pa
Gigapascal, Gpa, 109
Nhiều đơn vị đo áp suất khác nhau đã và đang được sử dụng trong lĩnh
vực đo áp suất, thường là do lý do lịch sử (tham khảo p hụ lục 1)
II.1.2 Sự thể hiện đơn vị - Chuẩn đầu áp suất.
Để đo áp suất chúng ta cần có các ph ương tiện đo áp suất, những phương tiện
đo này được kiểm định, hiệu chuẩn với các chuẩn áp suất cao hơn. Chuẩn đầu áp
suấtlà phương tiện đo có độ chính xác cao nhất mà trên nó không có chuẩn cùng
loại cao cấp hơn. Đối với chuẩn đầu áp suất, đơn vị của áp suất cần phải được thể
hiện, và được liên hệ đến các đơn vị cơ bản như chiều dài, khối lượng, thời gian.
Có hai cách để thể hiện chuẩn đầu áp suất:
- Dựa vào cột thuỷ ngân hình 1.2. Để xác định chuẩn đầu cột thuỷ ngân thì cần

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


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

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

II.1.3 Các phương tiện đo áp suất.
Các phương tiện đo áp suất rất đa dạng, được phân loại theo dạng áp suất đo,
theo nguyên lý hoạt động, theo cấp chính xác hoặc theo mục đích đo lường.
Theo dạng áp suất đo: bao gồm áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đối, áp suất
tương đối (dư hoặc chân không) có các dạng như baromet, khí áp kế, áp kế đo áp
suất tuyệt đối, áp kế, chân không kế.
Theo nguyên lý hoạt động: có áp kế kiểu lò xo, áp kế chất lỏng, áp kế pittông,
áp kế chuyển đổi điện, áp kế liên hợp.
Theo cấp chính xác: Cấp chính xác của phương tiện đo áp suất chỉ ra giá trị
giới hạn sai số cơ bản cho phép và sai số phụ, được biểu thị theo phần trăm phạm vi
đo của mỗi phương tiện đo đó. Theo tiêu chuẩn của Nga quy định dãy cấp chính
xác của áp kế như sau: 0,005; 0,002; 0,05; 0,15; (0,16); (0,2); 0,25; 0,4; (0,5); 0,6;
1,0; 1,5; (1,6); 2,5; 4,0; (6).
Theo mục đích đo lường: Chia ra làm 3 loại: Loại áp kế công tác, áp kế kiểm
tra, áp kế chuẩn.
Tham khảo (hình 1.3 trong phụ lục) về độ chính xác của các chuẩn áp suất
khác nhau
Tuỳ theo dải đo áp suất, có thể có các áp kế tương ứng:
(a) Dải chân không (áp suất đến 100 Pa)
Áp suất chân không luôn gắn liền với dạng khí và các tính chất của khí có thể
được sử dụng để tạo thuận lợi trong đo áp suất. Ví dụ đối với chất khí nén được khi
bị nén áp suất của chúng tăng lên và nếu chúng ta nén khí đến một mức chính xác
là 1/10 thể tích của nó thì áp suất của nó tăng gấp 10 lần và có thể đủ lớn để so sánh
với áp suất cột chất lỏng. Đó là tính chất của áp kế McLeod, là một chuẩn đầu, dựa
trên sự dâng lên của cột thuỷ ngân để nén khí.
(b) Dải áp suất manomét (áp suất 100 đến 105Pa)

15

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

16

II.2 - Giới thiệu chung - các dạng cơ bản
Áp kế pittông dựa trên nguyên lý tải trọng trực tiếp, áp suất đo được so sánh
với áp suất do tải trọng tạo ra trên tiết diện của pittông. Với nhiều tên gọi khác nhau
như: Áp kế cân bằng, áp kế tải trọng pittông, …
Cấu tạo chủ yếu của áp kế pittông là bộ đôi pittông – xilanh có diện tích mặt
cắt ngang đã biết, ở đây lực hướng lên trên do áp suất, p, trong hệ thống được cân
bằng bởi lực trọng trường hướng xuống dưới, W, do khối lượng đã biết của các quả
cân tác động trên pittông – hình 2.1 (a)

Chúng ta thấy rằng tính chất sử dụng của bộ đôi pittông xilanh để dưa ra giá
trị áp suất bằng giá trị của lực trên một đơn vị diện tích và có thể thể hiện bằng một
số cách khác nhau. Sự khác nhau chủ yếu của các dạng áp kế pittông là ở dạng thiết
kế của bộ đôi hoặc cách bố trí tải trọng cân bằng. Tổng hợp các dạng áp kế pittông
hiện nay đang sử dụng cùng với sự chia ra những loại khác nhau, thể hiện rõ trong
bảng 2.1. Có thể thấy áp kế pittông có ba loại chính theo cấu tạo của bộ đôi: Dạng
đơn giản, dạng hiệu số và dạng khe hở điều chỉnh. Bảng 2.2 tổng kết các dạng
nguyên lý chung của các phương pháp khác nhau áp dụng cho tải trọng cân bằng.
Dạng thiết kế pittông xi lanh kiểu đơn giản “simple” (hình 2.1 (a)), được sử
dụng nhiều nhất. Sự tác động của dung dịch truyền áp suất vào đáy của pittông vào
dọc theo chiều dài khống chế của pittông và xi lanh, do sự méo cơ khí dẫn đến sự
17


rò rỉ quá mức của dung dịch tại áp suất cao. Sự cân bằng áp suất như vậy chỉ có thể
được sử dụng trong một dải áp suất giới hạn, mặc dầu với các thiết kế thích hợp
chúng có thể được sử dụng đến áp suất khoảng 800 Mpa. Thiết kế của các phương
tiện đo áp suất cao thường khác nhau ở hai khía cạnh: thứ nhất khe hở bán kính
giữa pittông và xi lanh về căn bản là nhỏ hơn, thường với sự vừa khít khi ở áp suất
thấp; thứ hai tải trọng tác động tới pittông làm việc thông qua một pittông phụ đồng
trục hình 2.1 (b) - sự bố trí này giảm mômen uốn có thể tác động đến pittông bởi tải

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

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


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

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


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

truyền áp, loại sử dụng dầu như là chất lỏng truyền áp suất, loại sử dụng không khí
hoặc khí thích hợp như nitơ làm môi trường truyền áp.
Các dạng sau đôi khi kết hợp với khả năng tạo chân không môi trường không
gian xung quanh bộ đôi pitông – xilanh, điều này cho phép sử dụng chúng để đo áp
suất tuyệt đối cũng như là đo áp suất dư.
Nhiều dạng áp kế pittông sử dụng dầu được thương mại hoá, được cung cấp ở
dạng đồng bộ hệ thống kiểm tra áp suất, thường được gọi là dead –weiht tester có
cấu tạo chung bao gồm bơm mồi, một bình chứa dầu, một bộ nén trục vít (thể tích
thay đổi), một bộ đôi pittông – xilanh và một đầu ra để có thể lắp các đồng hồ cần
kiểm tra, tất cả các chi tiết được lắp đặt trong một khối với các hệ thống ống và
van.
Tại các giá trị áp suất trên một vài Mpa, dầu nhìn chung là môi trường truyền
áp suất thích hợp với lý do an toàn và bởi vì sự gia tăng rò rỉ khi sử dụng khí. Vấn
đề sau đã được tính đến bởi một số nhà sản xuất bằng cách cung cấp dầu bôi trơn
bộ đôi pittông – xilanh, hoặc dầu được cung cấp trực tiếp vào vùng vành khăn (từ
thành của xilanh) với một lượng nhỏ, hoặc bởi sự kết hợp một mặt phân cách dầu
khí đối với các bộ phận chính của bộ đôi.

20


Dạng

Miêu

tả Nguyên lý làm việc

mẫu
I(A)

Sơ đồ Ghi chú
khối

Upright

Áp suất tác dụng vào mặt

Sử dụng phổ biến,

Đơn

cắt phía dưới của chi tiết

dùng dầu hoặc khí

giản

bên trong (pittông)
Inverted

I(B)

Áp suất tác dụng vào mặt

Hạn

chế sử dụng

cắt phía trên của chi tiết

trong các PTĐ dùng

bên ngoài (xilanh)

khí

Đơn

Manom

Áp suất tác dụng vào mặt

giản

etric

cắt phía trên của chi tiết

Đo tổng áp suất, áp

bên trong (pittông)

suất tác dụng

nhỏ

hơn

khí

áp

suất

I(C)đơn

quyển, hạn chế sử

giản

dụng trong các PTĐ
dùng khí

II Hiệu

Áp suất tác dụng vào

Chủ

yếu

sử

số

hiệu mặt cắt của pittông

trong nghiên cứu

dụng

trên và dưới
– Như I (A) nhưng áp suát

Có thể sử dụng trong

Khe hở entrant

tác dụng cả vào bề mặt

một dải rộng áp suất

điều

mở rộng của xilanh

vì kết quả của sự giảm

III (A) Re

khe hở khi tăng áp

chỉnh
III(A)

Controlled Như I(A) nhưng áp suất

suất

Khe hở clearance

tác dụng được điều khiển

Có thế sử dụng trong

điều

độc lập tác dụng vào bề

một dải rộng áp suất

chỉnh

mặt mở rộng của xilanh

vì kết quả của sự điều
khiển khe hở

21