Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa - Chương 3

Chơng 3
Đo áp suất
3.1. áp suất và phơng pháp 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 thờng phải đo và kiểm tra áp suất một cách liên tục, nếu
áp suất chất lỏng, khí hoặc hơi vợt quá một giới hạn nhất định có thể ảnh hởng
xấu đến hoạt động của thiết bị, thậm chí có thể làm hỏng hoặc nổ bình chứa, đờng
ống dẫn gây thiệt hại nghiêm trọng. Bởi vậy, việc đo áp suất chất lu có ý nghĩa rất
lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng nh giúp cho việc kiểm tra và điều
khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất lu.
3.1.1. áp suất và đơn vị đo
a) Khái niệm
Khi chứa một chất lỏng, chất khí hoặc hơi (gọi chung là chất lu) vào trong
một bình chứa nó sẽ gây nên một áp lực tác dụng lên thành bình. áp suất là đại
lợng có giá trị bằng lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình:
dS
dF
p =
(3.1)
Trong đó:
dF: lực tác dụng [N] .
dS: diện tích thành bình chịu lực tác dụng [m
2
].
Trong trờng hợp chất lu không chuyển động, áp suất chất lu là áp suất tĩnh
(p
t
) do trọng lợng của cột chất lu gây nên cộng với tác dụng của áp suất khí quyển
tác dụng lên mặt thoáng của chất lu.

(3.2)

ghpp
0t
+=
Trong đó:
p
o
: áp suất khí quyển.
: khối lợng riêng của chất lu.
g: gia tốc trọng trờng.
h: khoảng cách từ điểm khảo sát đến mặt thoáng tiếp xúc với khí quyển.

-45-
Trong trờng hợp chất lu chuyển động, áp suất chất lu gồm hai thành phần,
gồm suất tĩnh (p
t
) và áp suất động (p
đ
):

p
+=
t
pp
đ
(3.3)
áp suất tĩnh phụ thuộc vào vị trí của điểm khảo sát, trị số xác định theo công
thức (3.2). áp suất động (p
t
) là thành phần do chuyển động của chất lu gây nên, trị
số phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của chất lu, đợc xác định theo công thức:

p
đ
2
v
2

=
(3.4)
Trong đó v là tốc độ chuyển động của chất lu.
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 bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m
2
theo hớng
pháp tuyến. Đơn vị Pa tơng đối nhỏ nên trong công nghiệp ngời ta còn dùng đơn
vị áp suất là bar (1 bar = 10
5
Pa) và một số đơn vị khác.
Bảng 3.1 trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng.
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/cm
2
atmotsphe
(atm)

mmH
2
O mmHg mbar
1Pascal
1 10
-5
1,02.10
-5
0,987.10
-5
1,02.10
-1
0,75.10
-2
10
-2
1 bar
10
5
1 1,02 0,987 1,02.10
4
750 10
3
1 kg/cm
2
9,8.10
4
0,980 1 0,986 10
4
735 9,80.10

2
1 atm
1,013.10
5
1,013 1,033 1 1,033.10
4
760 1,013.10
3
1mmH
2
O
9,8 9,8.10
-5
10
-3
0,968.10
-4
1 0,0735 0,098
1mmHg
133,3 13,33.10
-4
1,36.10
-3
1,315.10
-3
136 1 1,33
1mbar
100 10
-3
1,02.10

-3
0,987.10
-3
1,02 0,750 1

3.1.2. Phơng pháp đo áp suất
Phơng pháp đo áp suấp phụ thuộc vào dạng áp suất.
Đối với áp suất tĩnh có thể tiến hành đo bằng các phơng pháp sau:

-46-
+ Đo trực tiếp áp suất chất lu thông qua một lỗ đợc khoan trên thành bình.
+ Đo gián tiếp thông qua đo biến dạng của thành bình dới tác động của áp
suất .
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một đầu đo đặt sát thành bình. Trong
trờng hợp này, áp suất cần đo đợc cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh 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 thờng trang
bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và
đầu đo phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, ngời 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.
Phơng pháp đo áp suất động dựa nguyên tắc chung là đo hiệu áp suất tổng và
áp suất tĩnh. Khi dòng chảy va đập vuông 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
thờng việc đo hiệu (p - p
t
) thực hiện nhờ hai đầu đo 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.

P

đ
=p-p
t






Hình 3.1 Đo áp suất động bằng ống Pitot

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trớc và áp suất tĩnh
lên mặt sau của một màng đo (hình 3.2), nh vậy tín hiệu do đầu đo cung cấp chính
là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.
2
p
t
p
1




Hình 3.2 Đo áp suất động bằng màng
1) Màng đo 2) Phần tử áp điện


-47-
3.2. áp kế dùng dịch thể
Nguyên lý chung của phơng pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất

lu với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế.
3.2.1. Vi áp kế kiểu phao
Vi áp kế kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình (1) có tiết diện lớn F và
bình nhỏ có tiết diện f (hình 3.3). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp.
Khi đo, áp suất lớn (p
1
) đợc đa vào bình lớn, áp suất bé (p
2
) đợc đa vào bình
nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một
phía, ngời ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng, van (4) đợc khoá lại.











Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có:

()( )
21m21
hhgpp +=

3
2

4
5
6
7
1
h
2
p
2
p
1
h
1
Hình 3.3. Vi áp kế kiểu phao
1) Bình lớn 2) Phao 3) Kim chỉ thị 4, 5, 6) Van 7) Bình nhỏ
Trong đó:
g - gia tốc trọng trờng.

m
- trọng lợng riêng của chất lỏng làm việc.
- trọng lợng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo.
Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có:


21
h.fh.F =
Suy ra:
()()
(
21

m
1
pp.
gf/F1
1
h
+
=
)
(3.5)

-48-
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 phơng 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 đợc phạm vi đo.
Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nhng chứa chất lỏng độc
hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể tràn ra ngoài ảnh hởng đến đối tợng đo
và môi trờng.
3.2.2. Vi áp kế kiểu chuông
Cấu tạo của vi áp kế kiểu chuông (hình 3.4), gồm chuông (1) nhúng trong chất
lỏng làm việc chứa trong bình (2).

Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân
bằng (hình 3.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p
1
-p
2
) >0 thì chuông đợc nâng
lên (hình 3.4b). Khi đạt cân bằng ta có:

()( ) ( )
+=
m21
g.fdydHF.ppd
(3.6)
dx
p
1
p
2
dy
p
1
p
2
A
B
1

2
dH
3 3
ab)
Hình 3.4 Vi áp kế kiểu chuông
1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị
Với:
dydxdh +=

()( )
gdhppd
m21
=

( )
dxFdH.ffdy +=

Trong đó:
F - tiết diện ngoài của chuông.
dH - độ di chuyển của chuông.

-49-
dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông.
dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông.
f - diện tích tiết diện thành chuông.
- diện tích tiết diện trong của bình lớn.
dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông.
f - diện tích tiết diện trong của chuông.
Giải các phơng trình trên ta có:

()
()
21
m
ppd
g.f
f
dH

=

Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p
1
- p
2
) nhận đợc phơng trình đặc tính tĩnh
của áp kế vi sai kiểu chuông:

()
(
21
m
pp
g.f
f
H

=
)
(3.7)

áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo đợc áp suất thấp và áp suất chân
không.
3.2.3. Vi áp kế bù
Vi áp kế bù (hình 3.5a) gồm hai bình thông nhau (1) và (2), trong bình (2) có
kim (3). Bình (1) có thể di động lên xuống nhờ vít (4).








Khi áp suất p
1
trong bình (1) và p
2
trong bình (2) bằng nhau, kim có ảnh nh
hình 3.5b. Giả sử p
1
tăng lên, nớc trong bình (1) hạ xuống, nớc trong bình (2)
dâng lên, khi đó ảnh của kim có dạng hình (3.5c). Điều chỉnh vít (4) để hạ bình (1)
xuống, khi đó mực nớc trong bình (1) dâng lên, bình (2) hạ xuống cho đến khi ảnh
của kim có dạng hình 3.5b thì đọc kết quả đo áp suất trên bảng chia độ của vít (4).
4
3
1
b)
2
c)

d)
a)
Hình 3.5 Vi áp kế bù
1) Bình lớn 2) Bình bé 3) Kim 4) Vít

-50-
Trờng hợp p
1
giảm, nớc trong bình (1) dâng lên, nớc trong bình (2) hạ
xuống, khi đó ảnh của kim có dạng hình (3.3d), điều chỉnh vít (4) để nâng bình (1)
lên, mực nớc trong bình (1) hạ xuống, nớc trong bình (2) dâng lên cho đến khi
ảnh của kim có ảnh nh hình 3.5b và đọc kết quả.
Giới hạn đo của vi áp kế bù từ 125 - 150 mmH
2
O, sai số: 0,05 mmH
2
O.
3.2.4. áp kế vành khuyên
áp kế vành khuyên (hình 3.6a) gồm vành khuyên (1) có tiết diện hình chữ S,
trong đó chứa chất lỏng (3), trên vành khuyên có treo đối trọng (4). Vành khuyên có
thể quay quanh tâm O.

Ban đầu, áp suất
, mực dịch thể bên trái và bên phải bằng nhau, đối
trọng nằm chính giữa. Giả sử p
21
pp =
1
tăng lên, , mực nớc bên trái hạ
xuống, bên phải dâng lên. Bên trái màng ngăn chịu tác dụng của lực do p gây ra,
sinh ra mô men quay:
0ppp
21
>=
p.S.RM
q
=

4
G
2
1
G
3
b)
p
2
A-A
O
A
A
p

1
p
2
p
1

gh
a)
c)
Hình 3.6 áp kế vành khuyên
1) Vành khuyên 2) Vách ngăn 2) Dịch thể 3) Đối trọng
Trong đó:
R: khoảng cách từ tâm vách ngăn đến tâm quay.
S: diện tích vách ngăn.
Mô men quay M
q
làm quay vành khuyên theo chiều kim đồng hồ, đồng thời đối
trọng G đợc nâng lên sinh ra mô men cản
= sin.GM
c
, khi thì vành
khuyên đứng yên (hình 3.6c).
cq
MM =
Từ hình vẽ ta có:

-51-