- 130 - Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng (hình8.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p 1 -p 2 ) >0 thì chuông đợc nâng lên (hình 8.4b). Khi đạt cân bằng ta có: () ( ) ( ) + = m21 g.fdydHF.ppd (8.8) Với: d y dxdh + = () ( ) gdhppd m21 = ( ) dxFdH.ffdy + = Trong đó: F - tiết diện ngoài của chuông. dH - độ di chuyển của chuông. 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 = (8.9) áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo đợc áp suất thấp và áp suất chân không. 8.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng Nguyên lý chung của cảm biến áp suất loại này dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thờng dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng. - 131 - 8.3.1. Phần tử biến dạng a) ống trụ Sơ đồ cấu tạo của phần tử biến dạng hình ống trụ trình bày trên hình 8.5. ố ng có dạng hình trụ, thành mỏng, một đầu bịt kín, đợc chế tạo bằng kim loại. Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất lu tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang ( 1 ) và biến dạng dọc ( 2 ) của ống xác định bởi biểu thức: pk e r Y p 2 1 11 = = pk e r Y p 2 1 21 = = Trong đó: p - áp suất. Y - mô đun Young. - hệ số poisson. r - bán kính trong của ống. e - chiều dày thành ống. Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện ngời ta dùng bộ chuyển đổi điện (thí dụ cảm biến lực). b) Lò xo ống Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 8.6. Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự do. Khi đa chất lu vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và đầu tự do dịch chuyển. J 1 J 2 J 4 J 3 a) b) Hình 8.5 Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến 1 2 r e - 132 - Trên hình (8.6a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan. Dới tác dụng của áp suất d trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dới tác dụng của áp suất thấp nó sẽ co lại. Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm ( ) dới tác dụng của áp suất (p) xác định bởi công thức: 22 222 xa b 1 bh R . Y 1 p + = (8.10) Trong đó: - hệ số poisson. Y - mô đun Young. R - bán kính cong. h - bề dày thành ống. a, b - các bán trục của tiết diện ôvan. , - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống. x = Rh/a 2 - tham số chính của ống. Lực thành phần theo hớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 - 0,7) ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức: pk cos.sinsin43 sin . x s48 a b 1pabN 1 22 2 t = + + = (8.11) Lực hớng kính: pk cos.sin cos . x s48 a b 1pabN 2 22 2 r = + = (8.12) Trong đó s và các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a. p b) c) Hình 8.6 Lò xo ống p N 1 N r N a) R 2a 2b A A - 133 - Giá trị của k 1 , k 2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết đợc biểu thức xác định lực tổng hợp: kpp.kkN 2 2 2 1 =+= (8.13) Với ) R, h, b, f(a,kkk 2 2 2 1 =+= . Bằng cách thay đổi tỉ số a/b và giá trị của R, h, ta có thể thay đổi đợc giá trị của , N và độ nhạy của phép đo. Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ngời ta dùng lò xo ống nhiều vòng có cấu tạo nh hình (8.6b). Đối với lò xo ống dạng vòng thờng phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền động để tăng góc quay. Để tạo ra góc quay lớn ngời ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình răng khía nh hình 8.6c, góc quay thờng từ 40 - 60 o , do đó kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên đầu tự do của lò xo. Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất dới 5 MPa, hợp kim nhẹ hoặc thép dới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió. c) Xiphông Cấu tạo của xiphông trình bày trên hình 8.7. ố ng xiphông là một ống hình trụ xếp nếp có khả năng biến dạng đáng kể dới tác dụng của áp suất. Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng của xiphông là không đổi và đợc gọi là độ cứng của xiphông. Để tăng độ cứng thờng ngời ta đặt thêm vào trong ống một lò xo. Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon, thép hợp kim Đờng kính xiphông từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm. Độ dịch chuyển () của đáy dới tác dụng của lực chiều trục (N) xác định theo công thức: Hình 8.7 Sơ đồ cấu tạo ống xiphông 2R b 2R ng r p . chính xác cao có thể đo đợc áp suất thấp và áp suất chân không. 8.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng Nguyên lý chung của cảm biến áp suất loại này dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi. tác dụng của áp suất thấp nó sẽ co lại. Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm ( ) dới tác dụng của áp suất (p) xác định bởi công thức: 22 22 2 xa b 1 bh R . Y 1 p + = . khi áp suất chất lu tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang ( 1 ) và biến dạng dọc ( 2 ) của ống xác định bởi biểu thức: pk e r Y p 2 1 11 = = pk e r Y p 2 1 21 = =