Đồ án tốt nghiệp cảm biến ô tô

Đồ án tốt nghiệp cảm biến 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
1I(
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:
( )
θϖ

+= 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 Bin dng ca màng 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.
