Bài tiểu luận môn dụng cụ đo

Mở đầu
Dụng cụ đo lường đặc biệt là dụng cụ đo lường điện ngày nay rất đa dạng tùy
theo mục đích, phạm vi sử dụng và yêu cầu cụ thể của các ứng dụng khác nhau.
Có nhiều loại dụng cụ đo được phân loại theo nhiều cách khác nhau: dụng cụ đo
kiểu biến đổi thẳng, kiểu biến đổi bù; dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp, kiểu so
sánh; dụng cụ đo tương tự, chỉ thị số...Các loại dụng cụ này mặc dù đa dạng
nhưng có những đặc tính cơ bản và cấu trúc chung thống nhất.
Trong quá trình nghiên cứu khoa học nói chung và cụ thể là từ việc nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo, thử nghiệm cho đến khi vận hành, sữa chữa các thiết bị, các
quá trình công nghệ... đều yêu cầu phải biết rõ các thông số của đối tượng để có
các quyết định phù hợp. Sự đánh giá các thông số quan tâm của các đối tượng
nghiên cứu được thực hiện bằng cách đo các đại lượng vật lý đặc trưng cho các
thơng số đó.
Dụng cụ đo có vai trị quan trọng trong q trình đổi mới cơng nghiệp hóa hiện
đại hóa hiện nay. Dưới đây là bài tiểu luận với nội dung “ dụng cụ đo áp suất
chất khí”

Sinh viên thực hiện
Hồng thu Hương


I.

Giới thiệu chung

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đị lượng cần đo để có kết
quả bằng số so với đơn vị đo
Kết quả đo lường của đại lượng cần đo Ax là giá trị bằng hằng số, dược định
nghĩa bằng tỉ số giữa đại lượng cần đo ( X) và đơn vị đo (X0).
Qúa trình đo: là q trình xác định tỉ số:

Ax =
Từ đó, phương trình cơ bản của phép đo : X = A X. X0 , nó chỉ rõ sự so sánh
giữa đại lượng cần đo và đơn vị đo, hây mẫu, và cho ra kết quả đo bằng số. Như
vậy, muốn đo được thì các giá trị giữa đại lượng cần phải có tính chất so sánh
được. Với các đại lượng khơng có tính chất đó, chúng cần được chuyển thành
đại lượng có thể so sánh được trước khi đo.
Đo lường học: 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.
Kĩ thuật đo lường: ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành
quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống.
Như vậy trong quá trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X
(các tính chất của nó), đơn vị đo X 0 , độ chính xác yêu cầu của phép đo và
phép tính tốn để xác định tỉ số (1.1) để có các phương pháp xác định kết quả
đo lường A X thỏa mãn yêu cầu. lượng có thể so sánh được trước khi đo.
 Các đặc trưng của kĩ thuật đo.
Mục đích của q trình đo lường là xác định giá trị A X của đại lượng
cần đo X. Để thực hiện quá trình đo lường cần nắm xững các đặc trưng
của kĩ thuật đo lường:
- Đại lượng cần đo
- Điều kiện đo


- Đơn vị đo
- Phương pháp đo
- Thiết bị đo
- Kết quả đo
- Người quan sát và hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo
1. Dụng cụ đo

Dụng cụ đo lường điện ngày nay rất đa dạng tùy mục đích, phạmvi sử dụng

và những yêu cầu cụ thể, nhưng chúng có những đặc tính cơ bản và cấu trúc
chung thống nhất.

Định nghĩa: Đại lượng đo là thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo.
Một đại lượng vật lý có thể có nhiều thơng số nhưng trong mỗi trường hợp
cụ thể chỉ quan tâm đến một thông số nhất định.
Phân loại đại lượng đo: có thể phân loại theo bản chất của đại lượng đo,
theo tính chất thay đổi của đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo.
a) Phân loại theo bản chất của đại lượng đo
- Đại lượng đo điện: là các đại lượng đo có những đặc trưng điện như: điện tích,
điện áp, dịng điện…
- Đại lượng đo khơng điện: đại lượng đo khơng có tính chất điện, ví dụ: nhiệt
độ, độ dài, khối lượng
- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mang năng lượng, ví dụ: sức điện
động, điện áp, dịng điện, từ thơng, cường độ từ trường …
- Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm,
điện dung …
- Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số …


b) Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo
- Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo đã biết trước qui luật thay đổi theo thời
gian.
Ví dụ: Cần đo tần số và trị hiệu dụng của một tín hiệu hình sin
- Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có sự thay đổi theo thời gian khơng
theo qui luật.
Trong thực tế đa số các đại lượng đo là đại lượng ngẫu nhiên, tuy nhiên tùy
yêu cầu về kết quả đo và tùy tần số thay đổi của đại lượng đo có thể xem gần
đúng đại lượng đo ngẫu nhiên là tiền định trong suốt thời gian đo hoặc phải sử
dụng phương pháp đo lường thống kê.

c) Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo
- Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) : đại lượng đo được
biến đổi thành một đại lượng đo khác tương tự nó. Tương ứng sẽ có dụng cụ đo
tương tự, ví dụ: ampe mét có kim chỉ thị, vơnmét có kim chỉ thị …
- Đại lượng đo số (digital) : đại lượng đo được biến đổi từ đại lượng đo tương tự
thành đại lượng đo số. Tương ứng sẽ có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét chỉ thị
số, vơnmét chỉ thị số…
Tín hiệu đo: Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin về đại lượng
đo, tức mang thông tin về các giá trị của đại lượng đo. Trong nhiều trường hợp
có thể xem tín hiệu đo là đại lượng đo.
2. Điều kiện đo
Các thông tin đo lường chịu ảnh hưởng quyết định của mơi trường sinh ra
nó. Do vậy, khi tiến hành phép đo, phải tính đến ảnh hưởng của mơi trường lên
kết quả đo, và cả ảnh hưởng của thiết bị đo lên kết quả đo.
Ngồi ra, những yếu tơ mơi trường bên ngồi như: nhiệt độ, độ ẩm khơng
khí, từ trường bên ngoài, độ rung,… cũng ảnh hưởng đến kết quả đo.
Để kết quả đo đạt yêu cầu, phép đo phải được thực hiện trong điều kiện
chuẩn, là điều kiện đo được qui định theo tiêu chuẩn quốc gia, hoặc theo nhà


sản xuất thiết bị đo. Khi thực hiện phép đo ln cần phải xác định điều kiện đo
để có phương pháp đo phù hợp.
3. Thiết bị đo và phương pháp đo
Thiết bị đo:
- Định nghĩa : thiết bị đo là thiết bị kĩ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang
thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có những tính chất
đo lường học, là những tính chất có ảnh hưởng đến kết quả và sai số của phép
đo.
- Phân loại : gồm thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường,
các tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường..., mỗi loại thiết bị

thực hiện những chức năng riêng trong quá trình đo lường.
Phương pháp đo:
- Định nghĩa : phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá
trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến
đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị.
- Phân loại : trong thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo:
Phương pháp đo biến đổi thẳng.
Phương pháp đo so sánh.
4. Chất khí
a) khái niệm:
chất khí là một dạng tồn tại của vật chất. Chất khí (khơng khí) có rất nhiều xung
quanh ta và gây ra áp suất vô cùng lớn lên chúng ta. Vật lý là bộ môn khoa học
của tự nhiên, để hiểu và giải thích được các điều trên ta hãy bắt đầu từ những
hiện tượng trong tự nhiên gần gũi trong cuộc sống trước.
Tự nhiên đã ban cho loài người chúng ta một giác quan đó là khứu giác để có
thể nhận biết được khoảng hơn 10.000 mùi khác nhau. Trong một căn phòng
khoảng 10m2 bạn cầm bình nước hoa và bắt đầu xịt. Bạn nhận thấy rằng gần


như cả căn phòng thơm mùi nước hoa. Điều này chứng tỏ hương thơm đó đã lan
rộng trong phịng theo mọi hướng khác nhau. Bằng mắt thường bạn khơng thể
nhìn thấy “mùi thơm” nhưng bạn biết nó tồn tại nhờ khứu giác. Vì “mùi thơm”
khơng thể nhìn thấy nên ta có thể dự đốn được nó có kích thước rất rất nhỏ ta
tạm gọi là các hạt khíĐiều này chỉ có thể giải thích rằng các hạt khí đó chuyển
động với tốc độ rất lớn và trong quá trình va chạm với vật cản nó gây ra sức ép
(áp suất lên vật cản đó)
Để giải thích chung cho các hiện tượng liên quan đến chất khí, vật lý học đưa ra
thuyết động học phân tử chất khí.
Nội dung của thuyết động học phân tử chất khí
Chất khí bao gồm các phân tử có kích thước rất nhỏ.

Các phân tử chất khí chuyển động hỗn loạn khơng ngừng. Nhiệt độ càng
cao thì các phân tử chất khi chuyển động càng nhanh, các chuyển động hỗn
loạn của phân tử chất khí được gọi là chuyển động nhiệt.

Khi chuyển động nhiệt các phân tử chất khí va chạm với nhau và va chạm
với bình chứa gây nên áp suất cho thành bình.
Chất khí được cấu tạo từ các phân tử chuyển động nhiệt hỗn loạn không ngừng
chúng va chạm với nhau và va chạm với thành bình gây nên áp suất cho thành
bình



Lưu ý các thuyết vật lý thường không cần chứng minh, nó được coi như một
tiên đề để vận dụng giải thích các hiện tượng vật lý trong tự nhiên. Nếu giải
thích đó hợp lý và phù hợp với các kết quả thực nghiệm thu được thì ta mặc
nhiên là nó đúng. Nếu bạn chỉ cần chỉ ra được một hiện tượng vật lý khiến
thuyết vật lý sai (trong một phạm vi nào đó) bạn có thể xây dựng một thuyết vật
lý mới.
b) Phân loại chất khí
Khí thực: là các chất khí tồn tại trong thực tế mà ta đã biết như Oxi, Nitơ,
Cácboníc …
Khí lí tưởng: là chất khí mà các phân tử được coi là chất điểm chúng chỉ
tương tác với nhau khi va chạm. (Khí lí tưởng được coi là chất khí chỉ tồn tại
trong lý thuyết)
c) Thơng số trạng thái của chất khí:
Do các phân tử chất khí rất nhiều, lại chuyển động hỗn loạn, nên để nghiên cứu
vận dụng các định luật vật lý cho chất khí vào tự nhiên, trong chương trình vật
lý phổ thơng người ta đưa vào các thông số áp suất (p), thể tích (V), và nhiệt độ
tuyệt đối (T) gọi là các thông số trạng thái để xác định trạng thái của một khối
khí xác định.

Khi một trong ba thơng số thể tích, áp suất, nhiệt độ thay đổi ta gọi đó là q
trình biến đổi trạng thái của chất khí.
Khi một thơng số trạng thái khơng đổi ta gọi đó là các đẳng q trình




áp suất (p) khơng đổi => q trình đẳng áp ( p = hằng số)
thể tích (V) khơng đổi => q trình đẳng tích (V = hằng số)
nhiệt độ tuyệt đối (T) khơng đổi => q trình đẳng nhiệt (T = hằng số).
 Cơng thức xác định mol, thể tích, khối lượng của một chất khí bất kỳ

- Số A-vơ-ga-đro (NA): Được đặt theo tên nhà vật lý học người Ý,
Amedeo Avogadro (1776-1856). Được định nghĩa là số nguyên tử có
trong 1 mol lượng chất bất kỳ.
NA = 6,022.1023 (mol-1)
- Cách xác định số mol của chất khí bất kỳ:
n=mMn=mM
Trong đó:

m: khối lượng của chất khí (g)

M: khối lượng mol của phân tử chất khí (g)
Nếu xét ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất là 1atm, nhiệt độ là O K, thể tích là
22,4lít)
n=V22,4n=V22,4
Trong đó
V: thể tích của chất khí (lít)

1 lít = 1dm3 = 10-3m3
- Cách xác định số phân tử chất khí có trong một lượng khí bất kỳ
N=n.NA=mM.NA



II. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị đo
Dụng cụ đo lường có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau:
Theo cách biến đổi ta có thể chia dụng cụ đo thành 2 loại: dụng cụ đo biến
đổi thẳng và dụng cụ đo kiểu biến đổi bù. Dụng cụ đo biến đổi thẳng là dụng cụ
mà đại lượng cần đo X được biến đổi thành đại lượng ra Y theo một đường
thẳng khơng có khâu phản hồi. Dụng cụ đo kiểu biến đổi bù là loại dụng cụ đo
sử dụng khâu phản hồi với các chuyển đổi ngược đại lượng ra Y thành đại
lượng bù X k bù với tín hiệu cầnđo X. Mạch đo tạo thành vịng khép kín.


Theo phương pháp so sánh đại lượng đo: dụng cụ đo đánh giá trực tiếp và
dụng cụ đo kiểu so sánh.
Dụng cụ đo kiểu đánh giá trực tiếp là loại dụng cụ đã được khắc độ theo đơn
vị của đại lượng đo từ trước, khi đo đại lượng đo được so sánh với nó để cho ra
kết quả. Nó được thực hiện theo sơ đồ biến đổi thẳng.
Dụng cụ đo kiểu so sánh là loại dụng cụ đo mà việc so sánh được thực hiện
qua mỗi lần đo. Nó được thực hiện theo sơ đồ biến đổi bù.
Theo phương pháp cho ra thông tin đo: dụng cụ đo tương tự và dụng cụ đo số.
Dụng cụ đo tương tự có số chỉ là hàm liên tục của đại lượng đo. Loại này
bao gồm: dụng cụ đo kim có kết quả đo được đọc ở số chỉ của kim lên mặt đã
khắc độ sẵn; dụng cụ đo tự ghi có kết quả đo được ghi lại dưới dạng đường
cong phụ thuộc thời gian.
Dụng cụ đo chỉ thị số là dụng cụ mà trong đó đại lượng liên tục được biến
đổi thành rời rạc và kết quả đo cho ra dưới dạng số (thập phân hay nhị phân)

Theo loại đại lượng đo: dụng cụ mang tên đại lượng đo, như: vôn mét, ampe
mét, ơm mét ...
Theo mục đích sử dụng: dụng cụ đo để bàn, dụng cụ đo xách tay ...
Theo mức bảo vệ: dụng cụ đo kín nước, dụng cụ kín bụi, dụng cụ chống va đập ...
1. Đặc tính cơ bản của dụng cụ đo
a) Độ chính xác và sai số của dụng cụ đo
Có nhiều nguyên nhân gây sai số, có thể là do các yếu tố biến động ngẫu
nhiên, hoặc có thể là ngun nhân do chính phương pháp đo không phù hợp,
hoặc một nguyên nhân nào đấy có tính quy luật. Trên cơ sở đó, ta phân biệt 2
loại sai số.
a. Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó ln
khơng đổi hoặc thay đổi có tính quy luật. Sai số này về nguyên tắc có thể loại
trừ được.
b. Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do
các biến động của mơi trường bên ngồi (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm v.v.). Sai
số này còn gọi là sai số phụ, và không thể loại trừ.


Ngoài các sai số của dụng cụ đo cần quan tâm, cịn có một tiêu chuẩn để
đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác.
Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kỳ một phép
đo nào đều có sai lệch so với đại lượng đúng
δ i=x i− x d

trong đó xi là kết quả của lần đo thứ
xd là giá trị đúng của đại lượng đo
Sai số tuyệt đối của một thiết bị đo được định nghĩa là giá trị lớn nhất của
các sai lệch gây nên bởi thiết bị trong khi đo:
Δxx=max [ δ i ]

Sai số tuyệt đối chùn đánh giá được tính chính xác và yêu cầu cơng nghệ của
thiết bị đo. Thơng thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đo
được đánh giá bằng sai số tương đối:
+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính
β=

Δxx
x

, với x là giá trị đại lượng đo

+ Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính
γ=

Δxx
D

Trong đó D = Xmax – Xmin : thang đo của dụng cụ đo.
Giá trị, γ % gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị đo
thành các cấp chính xác.
Theo quy định hiện hành của nhà nước, các dụng cụ đo cơ điện có cấp
chính xác: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; và 4.
Thiết bị đo số có cấp chính xác: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1.


Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai số
tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ
thể.
Ta có:
β=γ

D
x

trong đó γ là sai số tương đối của thiết bị đo, phụ thuộc cấp chính xác và
khơng đổi nên sai số tương đối của phép đo càng nhỏ nếu D/x dần đến 1. Vì vậy
khi đo một đại lượng nào đó cố gắng chọn D sao cho: D ≈ x.
Cấp chính xác của dụng cụ đo là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc
phải. Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương
đối quy đổi của dụng cụ đo dó.
b) Độ nhạy
Ta biết phương trình cơ bản của thiết bị đo là z = f(x). Để có một sự đánh giá
về quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của thiết bị đo, ta dùng khái niệm về độ
nhạy của thiết bị:
Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng:
S=

Δxz
=F ( x )
Δxx

Trong đó: ∆z: biến thiên lượng ra và ∆x: biến thiên lượng vào
Nếu F(x)=const, thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính. Lúc đo
thang đo được khắc độ đều
C=1/S gọi là hằng số dụng cụ đo.
Nói chung S là một hàm phụ thuộc x nhưng trong phạm vi ∆x đủ nhỏ thì S là
một hằng số. Với thiết bị có quan hệ giữa lượng vào và lượng ra là tuyến tính, ta
có thể viết: z = S.x, lúc đó S gọi là độ nhạy tĩnh của thiết bị.
Trong trường hợp thiết bị đo gồm nhiều khâu biến đổi nối tiếp, mỗi khâu có
độ nhạy riêng, thì độ nhạy của dụng cụ đó là tích các độ nhạy thành phần.

n

S=∏ S i
i=1

, với Si là độ nhạy của khâu thứ i trong thiết bị.


Theo lý thuyết khi xét tới quan hệ giữa z và x thì x có thể nhỏ bao nhiêu
cũng được, song trên thực tế khi ∆x < ε nào đó thì ∆z khơng thể thấy được.
Ví dụ 1.1: Khi phụ tải tiêu thụ qua một công tơ một pha 10A nhỏ hơn 10W
(chẳng hạn) thì cơng tơ khơng quay nữa.
Ngun nhân của hiện tượng này rất phức tạp, có thể do ma sát, do hiện
tượng trễ... ε được gọi là ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo.
Có thể quan niệm ngưỡng độ nhạy của thiết bị đo là giá trị nhỏ nhất mà thiết
bị đo có thể phân biệt được.
Tuy nhiên ngưỡng độ nhạy của các thiết bị đo khác nhau rất khác nhau nó
chưa đặc trưng cho tính nhạy của thiết bị. Vì vậy để so sánh chúng với nhau
người ta phải xét tới quan hệ giữa ngưỡng độ nhạy và thang đo của thiết bị.
Thang đo (D) là khoảng từ giá trị nhỏ nhất tới giá trị lớn nhất tuân theo
phương pháp đo lường của thiết bị
D = xmax – xmin
Từ đó đưa ra khái niệm về khả năng phân ly của thiết bị đo:
R=

D x max −x min
=
ε
ε

Và so sánh các R với nhau
c) Điện trở của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ
- Điện trở vào: mỗi dụng cụ đo đều có điện trở vào, có thể nhỏ hay lớn tùy
thuộc tính chất đối tượng đo. Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu khâu
trước đó dưới dạng áp, tức là u cầu dịng phải nhỏ và cơng suất tiêu thụ
phải nhỏ, ví dụ vonmet có điện trở vào càng lớn càng tốt.
- Điện trở ra: điện trở ra của dụng cụ đo xác định cơng suất có thể truyền tải
cho chuyển đổi tiếp theo. Điện trở ra càng nhỏ thì cơng suất đó càng lớn.
Thường để mạch đo có hiệu quả người ta cố gắng làm phù hợp trở kháng ra
của chuyển đổi trước với trở kháng vào của chuyển đổi tiếp sau đó.
d) Độ tác động nhanh
Độ tác động nhanh của dụng cụ đo chính là thời gian để xác lập kết quả đo
trên chỉ thị. Đối với dụng cụ tương tự, thời gian này khoảng 4s. Cịn dụng cụ số
có thể đo được hàng ngàn điểm đo trong 1s. Sử dụng máy tính có thể đo và ghi
lại với tốc độ nhanh hơn nhiều, nó giúp mở ra khả năng thực hiện nhiều phép đo
lường thống kê.


e) Độ tin cậy
Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố
- Độ tin cậy của các linh kiện của dụng cụ đo
- Kết cấu của dụng cụ đo không quá phức tạp
- Điều kiện làm việc của dụng cụ đo có phù hợp với tiêu chuẩn hay không
Độ tin cậy của dụng cụ đo được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy của
dụng cụ đo trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định hay
không.
2. Cấu trúc chung
a) Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo
Mỗi dụng cụ đo cơ bản có 3 bộ phận chính:
 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC).

 Mạch đo (MĐ).
 Cơ cấu chỉ thị (CCCT).

Đại lượng đo
Measurement

CĐSC
(Primary Sensing
Element)

MĐ
(Manipulate
Circuit)

CCCT
(Indicator &
Recoder)

Hình 3-1 : Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo

Sơ đồ cấu trúc chung của cảm biến thơng minh (Smart Sensor) :

Hình 3-2 : Cấu trúc của cảm biến thông minh
b. Các khâu chức năng của thiết bị đo :
 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC): thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng đo
thành tín hiệu điện. Là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo, quyết định


độ chính xác cũng như độ nhạy của dụng cụ đo. Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp
khác nhau tùy thuộc đại lượng đo và đại lượng đầu ra của chuyển đổi.

 Mạch đo (MĐ): thực hiện chức năng thu thập, gia công thông tin đo sau các
chuyển đổi sơ cấp; thực hiện các thao tác tính tốn trên sơ đồ mạch. Tùy thuộc
dụng cụ đo là kiểu biến đổi thẳng hay kiểu so sánh mà mạch đo có cấu trúc khác
nhau.
Các đặc tính cơ bản của mạch đo gồm: độ nhạy, độ chính xác, đặc tính động,
cơng suất tiêu thụ, phạm vi làm việc… được xét cụ thể cho mỗi loại mạch đo để
có thiết kế phù hợp cũng như sử dụng có hiệu quả. Mạch đo thường sử dụng kĩ
thuật vi điện tử và vi xử lý để nâng cao các đặc tính kỹ thuật của dụng cụ đo.
 Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thực hiện chức
năng thể hiện kết quả đo lường dưới dạng con số so với đơn vị sau khi qua
mạch đo.
Các kiểu chỉ thị thường gặp gồm: chỉ thị bằng kim chỉ, chỉ thị bằng thiết bị tự
ghi (ghi lại các tín hiệu thay đổi theo thời gian), chỉ thị dưới dạng con số (đọc
trực tiếp hoặc tự động ghi lại)… Việc phân chia các bộ phận như trên là theo
chức năng, không nhất thiết phải theo cấu trúc vật lý, trong thực tế các khâu có
thể gắn với nhau (một phần tử vật lý thực hiện nhiều chức năng), có sự liên hệ
chặt chẽ với nhau bằng các mạch phản hồi…

Pkt
II.

Dụng cụ đo áp suất

Trong công nghiệp luyện kim sử dụng nhiều các thiết bị thủy lực và khí nén,
để hệ thống làm việc bình thường phải đo và kiểm tra áp suất một cách tục,
nếu áp suất chất lỏng, khí hoặc hơi vượt quá một giới hạn nhất định có thể
ảnh hưởng xấu đến hoạt động của của thiết bị, thậm chí có thể làm hỏng
hoặc nổ bình chứa, đường ống dẫn gây thiệt hại nghiêm trọng. Bởi vậy, việc
đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị
cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết

bị có sử dụng chất lưu.
1. Áp suất và đơn vị
a) Khái niệm
Khi chứa một chất lỏng, chất khí hoặc hơi ( gọi chung là chất lưu) vào trong
một bình chứa nó sẽ gây nên một áp lực tác dụng lên thành bình. Áp suất là đại
lượng có giá trị bằng lực tác dụng vng góc lên một đơn vị diện tích thành
bình:
P=

(3.1)


Trong đó:
dF: lực tác dụng [N]
dS: diện tích thành bình chịu lực tác dụng [m2]
Trong trường hợp chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh
(pt) do trọng lượng của cột chất lưu gây nên cộng với tác dụng của áp suất khí
quyển tác dụng lên mặt thống của chất lưu.
Pt = P 0 +

(3.2)

Trong đó:
P0 : áp suất khí quyển
: khối lượng riêng của chất lưu
g: gia tốc trọng trường
h: khoảng cách từ điểm khảo sát đến mặt thống tiếp xúc với khí quyển
trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu gồm hai thành phần,
gồm áp suất tĩnh (Pt) và áp suất động (Pd):
P = P t + Pd

(3.3)

Áp suất tĩnh phục thuộc vào vị trí của điểm khảo sát, trị số xác định theo công
thức (3.2). Áp suất động (Pt) là thành phần do chuyển động của chất lưu gây
nên, trị số phục thuộc vào tốc độ chuyển động của chất lưu, được xác định theo
cơng thức:
Pd =

(3.4)

Trong đó v là tốc đọ chuyển động của chất lưu
b) Đơn vị đo áp suất
Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa) : 1 Pa là áp suất tạo
bởi một lực có độ lớn bang 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m 2 theo
hướng pháp tuyến. Đơn vị Pa tương đối nhỏ nên trong cơng nghiệp người ta
cịn dùng đơn vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa) và một số đơn vị khác.
Bảng 3.1 Đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị
Đơn vị
áp suất

Pascal
(Pa)

Bar
(b)

Kg/
cm2

Atmotsp
he
(atm)

mmH2
O

mmH
g

mbar


1 pascal 1
1 bar

105

10-5
1

1,02.1
0-5
1,02

0,987.10- 1,02.10- 0,75.1
5
1
0-2
0,987

1,02.10 750

10-2
103

4

1
kg/cm2
1 atm

9,8.104

0,98

1

0,986

104

735

9,8.102

1,013.1
05
9,8

1,013

1,033

1

1,033.1
04
1

760

1,013.1
03
0,098

1mmH2
O
1
133,3
mmHg
1 mbar 100

9,8.10-5 10-3

0,986.104

13,33.1 1,36.1
0-4
0-3
10-3

1,02.1
0-3

1,315.10- 136

0,073
5
1

1,33

3

0,987.10- 1,02

0,750

1

3

2. Phân loại dụng cụ đo áp suất
Có thể phân loại phương tiện đo áp suất theo dạng áp suất, nguyên lý hoạt
động và theo cấp chính xác.
a) Theo dạng áp suất
Áp suất bao gồm các dạng sau: áp suất khí quyển, áp suất dư, áp suất âm. Tuỳ
theo các dạng áp suất mà người ta sử dụng phương tiện đo khác nhau.
- Khí áp kế (barơmét): đo áp suất khí quyển
- Áp kế, áp – chân kế, hoặc áp kế chính xác: đo áp suất dư
– Chân khơng kế, áp – chân khơng kế, khí áp kế chân không, và áp kế hút:

đo áp âm
– Áp kế hiệu số: đo áp suất hiệu
– Để đo áp suất tuyệt đối phải dùng hai phương tiện đo là áp kế và khí áp kế
khi áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển hoặc phải dùng khí áp kế và
chân không kế khi áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
b) Theo nguyên lý hoạt động
Có 5 nhóm chính:
- Áp kế kiểu lị xo
- Áp kế píttơng
- Áp kế kiểu chất lỏng
- Áp kế theo nguyên lý điện
- Áp kế liên hợp
 Áp kế kiểu lò xo: Nguyên lý hoạt động của loại áp kế này là dựa vào sự
biến dạng đàn hồi của phần tử lò xo dưới tác dụng của áp suất. Độ biến
dạng thường được phóng đại nhờ cơ cấu truyền động phóng đại và cũng
có thể chuyển đổi thành tín hiệu truyền đi xa


 Áp kế kiểu pittông: Loại áp kế này dựa vào nguyên lý tải trọng trực tiếp:
áp suất đo được so sánh với áp suất do trọng lượng của pittông và quả cân
tạo ra trên tiết diện của pittơng đó.
 Áp kế kiểu chất lỏng: Loại áp kế dựa vào nguyên lý hoạt động thuỷ tĩnh:
áp suất đo được so sánh với suất của cột chất lỏng có chiều cao tương
ứng. Ví dụ áp kế thuỷ ngân, áp kế chữ U, áp chân khơng, áp kế bình hoặc
áp kế bình với ống nghiêng có góc nghiêng cố định hay thay đổi,…
3. + Áp kế theo nguyên lý điện: Loại áp kế này dựa vào sự thay đổi tính
chất điện của các vật liệu dưới tác dụng của áp suất. Áp kế dựa vào sự
thay đổi điện trở gọi là áp kế điện trở hay theo tên của loại dây dẫn. Ví dụ
áp kế điện trở maganin. Áp kế dùng hiệu ứng áp điện gọi là áp kế điện. Ví
dụ muối sec-nhéc, tuamalin, thạch anh

4. + Áp kế liên hợp: Ở áp kế liên hợp người ta sử dùng kết hợp các nguyên
lý khác nhau. Ví dụ: một áp kế vừa làm việc theo nguyên lý cơ, vừa làm
việc theo nguyên lý điện.
5. 4.3/. Theo cấp chính xác
6. Tất cả các phương tiện đo áp suất dùng vào các mục đích khác nhau đều
được phân loại theo cấp chính xác. Đối với áp kế lị xo hay hiện số, cấp
chính xác được ký hiệu bằng một chữ số thập phân tương ứng với độ lớn
của giới hạn sai số cho phép biểu thị theo phần trăm giá trị đo lớn nhất, ví
dụ: áp kế lị xo cấp chính xác 2,5, phạm vi đo 100 bar thì sai số cho phép
là 2,5 bar
7. Đối với áp kế pittơng hoặc chất lỏng thì sai số này được tính theo phần
trăm giá trị tại điểm đo. Ví dụ: áp kế píttơng 3DP 50, có phạm vi đo (150) bar, cấp chính xác 0,1, sai số cho phép lớn nhất tại điểm đo 15 bar sẽ
là 0,015 bar và tại 50 bar là 0,05 bar.
8. Cấp chính xác của các phương tiện đo áp suất được qui định theo hai dãy
cấp chính xác sau:
0,0005; 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,16; 0,20; 0,25; 0,4; 0,5; 1; 1,6; 2,5; 4; 6; và
0,0005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,6; 1; 1,6; 2; 2,5; 4; 6.
9. Phương pháp do áp suất
Đo áp suất người ta dùng một dụng cụ gọi là áp kế, nguyên lý và cấu tạo của áp
kế rất đa dạng nhưng ở đây ta phân loại theo cơng dụng. Để chun mơn hóa
dụng cụ đo nhằm tăng độ chính xác người ta chế tạo các loại áp kế sau:
Baromet- là loại áp kế chuyên dùng để đo áp suất khí trời, số chỉ của baromet
ký hiệ là Pk
Manomet- là loại áp kế chuyên dùng để đo phần áp suất của chất khí lớn hơn áp
suất khí trời. số chỉ của nó người ta gọi là áp suất thừa hoặc áp suất dư, ký hiệu
Pt


Chân không kế - là loại áp kế đo phần nhỏ hơn áp suất khí trời của áp suất chất
khí (đo phần khơng có gì ) kí hiệu Pck

Xác định áp suất chất khí (áp suất tuyệt đối)
- Trường hợp áp suất chất khí lớn hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp
kế là baromet và Manomet, khi đó áp suất chất khí:
P = P k – Pt
- Trường hợp áp suất chất khí nhỏ hơn áp suất khí trời ta dùng hai loại áp
kế là Baromet và chân khơng kế, khi đó áp suất chất khí:
P = Pk - Pck
Chú ý:
Khi đo áp suất theo chiều cao cột thủy ngân ở t 0C nào đó thì chiều cao cột
thủy ngân ứng với 00C sẽ là:
h0 – chiều cao cột thủy ngân ở 00C
ht- chiều cao cột thủy ngân ở t0C.
Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất
Đối với áp suất tĩnh có thể tiến hành đo bằng các phương pháp sau:
+ đo trực tiếp áp suất chất lưu thông qua một lỗ khoan trren thành bình
+ đo gián tiếp thơng qua đo biến dạng của thành bình dưới tác động cảu áp
suất
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một đầu đo đặt sát bình. Trong trường
hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng
làm việc tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm
với lực do áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất , thiết bị
đo thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích
chết của kênh dẫn và đầu đo phải khơng đáng kể so với thể tích tổng cộng
của chất lưu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất
để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất.
Phương pháp đo áp suất động dựa nguyên tắc chung là đo hiệu áp suất tổng
và áp suất tĩnh. Khi dịng chảy va đập vng góc với một mặt phẳng, áp suất
động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất
tổng. Thông thường việc đo hiệu (P – Pt) thực hiện nhờ hai đầu nối với hai

đầu ra của một ống pitot, trong đó đầu đo thứ nhất đo áp suất tổng còn đầu
đo thứ hai đo áp suất tĩnh.


Pd = P – Pt
Hình 3.1 Đo áp suất động bằng ống pitot
Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh
lên mặt sau của một màng đo( hình 3.2), như vậy tín hiệu đo đầu đo cung cấp
chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.
2
P 1

Pt

Hình 3.2. Đo áp suất động bằng màng
1) Màng đo 2) phần tử áp điện
a) Áp kế dùng dịch thể
Nguyên lý chung của phương pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất
lưu với áp suất thủy tĩnh của chất lỏng làm vieecjtrong áp kế.
b) Vi áp kế kiểu phao
Vi áp kế khiêu phao gồm hai thành phần thông nhau, bình (1) có tiết diện lớn F
và bình nhỏ có tiết diện f (hình 3.3). Chất lỏng làm việc là thủy ngân hay dau
bien áp. Khi đo, áp suất lớn (P1) được đưa vào bình lớn, áp suất bé (P1) được
đưa vào bình nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác
động về một phía, người ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng, van (4)
được khóa lại.

5

1

6
7
h1

3

h2

Hình 3.3. Vi áp kế kiểu phao


1)Bình lớn 2) Phao

3) Kim chỉ thị 4,5,6) Van

7) Bình nhỏ

Khi đạt cân bằng áp suất, ta có:
p1−p2 =g(ρ m −ρ)(h1 +h2)
Trong đó:
g – gia tốc trọng trường
ρm – trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc
ρ – trọng lượng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo
mặt khác từ cân bằng thể tích ta có:
F.h1 =f.h2
Suy ra:
h1

=

) (3.5)

khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi( h 1 thay đổi), phao của áp kế dịch
chuyển và qua cơ cấu truyền động làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo.
Biểu thức (3.5) là phương trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu phao.
Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay
đổi tỉ số F/f ( bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi được phạm vi đo.
Cấp chính xác của áp kế loại này cao (1;1,5) nhưng chứa chất lỏng độc hại mà
khi áp suất thay đổi đột ngột có thể tràn ra ngồi ảnh hưởng đến đối tượng đo và
môi trường.
c) Vi áp kế kiểu chng
Cấu tạo của vi áp kế kiểu chng (hình 3.4), gồm chuông (1) nhúng trong
chất lỏng làm việc chứa trong bình (2)
3

P2
A
B
p1

3

1
2
dH

p2
dx
dy
p1

hình 3.4. vi áp kế kiểu chng
1) Chng 2) Bình chứa 3) Chỉ thị
Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chng (1) ở vị trí cân
bằng (hình 3.4a), khi có biến thiên độc chênh lệch áp d(p 1- p2)>0 thì chng
được nâng lên ( hình 3.4b). Khi đạt cân bằng ta có:
d(p1 −p2).F=(dH+dy)∆f.g(ρ m−ρ)
Với:
dh=dx+dy
d(p1 −p2 )=dh(ρ m −ρ)g
fdy=∆f.dH+(Φ−F)dx
Trong đó:
F- tiết diện ngồi của chng
dH- độ di chuyển của chuông
dy- độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông
dx- độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngồi chng
f- diện tích tiết diện thành chng
Φ- diện tích tiết diện trong của bình lớn
dh- chênh lệch mức chất lỏng ở ngồi và trong chng
f- diện tích tiết diện trong của chng
Giải các phương trình ta có:
dH=
Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1-p2) nhận được phương trình đặc tính tĩnh của
áp kế vi sai kiểu chng :
H=

(p1-p2)

(3.7)

Áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo được áp suất thấp và áp suất chân
không.