Upload
others
View
27
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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, cm bin là thit b� � �c s� d�ng r�t ph� bin trong t�t c các thit b�, t�
�� dùng trong gia �ình cho �n các thit b� tiên tin và trong �ó có c ngành công nghi�p ô tô. Vì v�y nghiên c�u v� cm bin �� �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 bin
Cm bin là thit 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 bn 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 loi
Cm bin � �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
Cm bin tích c"c: ��u ra là ngu�n áp ho�c ngu�n dòng;
Cm bin th� ��ng: ��c tr ng b�i các thông s! R,C,L…tuyn tính hay
phi tuyn tính.
3. Theo tín hi�u kích thích
Cm bin quang �i�n;
Cm bin nhi�t �i�n;
Cm bin v� trí, khong cách;
Cm bin v�n t!c, gia t!c;
Cm bin �o l #ng, th� tích ch�t l u;
Cm bin �i�n hóa;
Cm bin t�;
Cm bin 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 thuyt và mô ph%ng ho�t ��ng m�t s! cm bin s� d�ng trong ngành c$ khí ô tô.
1.2 M�c tiêu � tài
Phân tích c$ s� lý thuyt và nguyên lý ho�t ��ng c�a các cm bin.
&ng d�ng c�a các cm bin trong ngành c$ khí.
Mô ph%ng ho�t ��ng, ki�m tra các cm bin �ã ch n.
Kt lu�n – �� xu�t.
1.3 Gi�i hn � tài
Vì th#i gian �� th"c hi�n �� án không cho phép nên �� án ch' gi(i h�n trong các cm bin sau:
Cm bin v�n t!c, l u l �ng, áp su�t và m�c ch�t l u.
Cm bin �o chân không, �� )m và �i�n hoá.
Cm bin �o b�c x� h�t nhân và thành ph�n khí.
1.4 C� s� lý thuyt các loi c�m bin nghiên c�u trong � tài
1.4.1 C�m bin �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 cm bin �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 $ng pháp �o.
1.4.1.1 ��c tr�ng c�a dòng ch�y
Chuy�n ��ng c�a ch�t l u � �c ��t tr ng b�i dòng chy. Trên th"c t mu!n mô t v�t lý m�t dòng chy c�a m�t ch�t l u c�n phi �o v�n t!c, kh!i l �ng riêng, áp su�t và nhi�t �� � các �i�m khác nhau c�a ch�t l u �ó. Nh*ng ��c tính khác c�a ch�t l u nh �� nh(t, �� khuych tán nhi�t, nhi�t l �ng riêng… � �c coi là không ��i.
Dòng chy có th� là m�t pha ho�c nhi�u pha. Các dòng chy nhi�u pha th #ng có bn ch�t r�t khác nhau: có th� là t� h�p c�a các pha h$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 chy 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 chy t�i m�t �i�m không thay ��i thì
�ó là dòng chy theo l(p, ng �c l�i, nu chúng thay ��i thì �ó là dòng chy 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 chy 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 gim s! thông s! c�a dòng chy.
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 chy, �ó là thông s! Reynolds Re:
Re = UD/- (1.1)
V(i :
U – v�n t!c ��c tr ng c�a dòng chy, trong tr #ng h�p !ng thì v�n t!c
trung bình c�a dòng chy 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 – tit 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 chy
không nén và �.ng nhi�t � �c coi là gi!ng nhau nu chúng có thông s! Reynolds b/ng nhau. Thí d�: xét hai dòng chy trong hai !ng có �� nhám b� m�t phía trong thành !ng nh nhau và � #ng kính t $ng �ng b/ng D1 và D2. V�n t!c dòng chy (l u l �ng) là U1, U2 và �� nh(t là -1,-2. �� tho mãn �i�u ki�n Re1 = Re2 thì:
2
22
1
11
νν
DUDU=
(1.2)
Nh v�y, nu bit v�n t!c u1 � �i�m cách thành !ng c�a !ng th� nh�t m�t khong x1 thì
có th� xác ��nh v�n t!c u2 � thành !ng c�a !ng th� hai m�t khong x2 = x1(D2/D1) t� bi�u th�c:
2
2
1
1
U
u
U
u=
(1.3)
C,ng nh v�y, có th� coi u1/U1 là hàm c�a s! Reynolds:
( )Re1
1 fU
u=
(1.4)
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 4� 12/8/2007
Ngh+a là m�t cách t�ng quát, m0i ��i l �ng không th� nguyên liên quan �n dòng chy ��u có th� bi�u di1n d (i d�ng hàm s! ph� thu�c vào s! Reynolds c�a dòng
chy �ó.
Dòng chy m�t pha có th� là dòng chy theo l(p ho�c dòng r!i, �i�u này ph� thu�c vào s! Reynolds. Trong m�t � #ng !ng d2n có tit di�n tròn, dòng chy tr� thành
dòng r!i nu có s! Reynolds l(n h$n 220.
Trong tr #ng h�p ph�c t�p h$n khi nhi�t �� và kh!i l �ng riêng thay ��i, s! thông s! c�n thit �� mô t m�t ��i l �ng A b� sung s3 t4ng lên. Thí d�, v(i ch�t khí có v�n t!c l(n:
A = f(Re,Ma) (1.5)
Trong �ó Ma = U1/c, c = 5rT là v�n t!c âm v(i 5 = Cp/Cv (t6 s! gi*a nhi�t dung
riêng � áp su�t không ��i và th� tích c! ��nh, trong không khí 5 =1,4). r là h/ng s!
c�a ch�t khí lý t �ng và T là nhi�t �� tuy�t �!i.
Trên th"c t, các cm bin d"a trên m�t nguyên t7c ho�t ��ng nh ng v� k8 thu�t thì không gi!ng nhau khi dùng cho dòng chy là ch�t khí ho�c ch�t l%ng. Trong bng 1.1 gi(i thi�u m�t s! �i�m khác nhau c�a hai môi tr #ng này.
B�ng 1.1
Kh!i l �ng riêng 9 �� nh(t : T!c �� chy
Ch�t l%ng Không ��i t� 800 �n 1000 kg/m3
PI4101÷≈ smU /2000 ≤≤
Ch�t khí Ph� thu�c vào T và P, �!i v(i không khí � nhi�t �� phòng
3/1 mkg≈ρ
PI510≈
PI: posieuille
smU /2000 ≤≤
1.4.1.2 C�m bin và ph��ng pháp �o v�n t�c c�a ch�t l�u
V�n t!c c�a các ch�t l u th #ng � �c �o gián tip thông qua nh h �ng c�a nó �n các ��c tr ng v�t lý c�a v�t trung gian ho�c �n hi�n t �ng v�t lý trong �ó v�n t!c là m�t thông s! và v�t trung gian là n$i xy 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 cm bin.
Khi v�t trung gian là bn thân ch�t l u, v�n t!c c�a nó xác ��nh áp su�t ��ng 9U2/2, 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 phi s� d�ng các cm bin 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 cm bin ��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 chy 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 xy 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 chy, 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 T0 c�a dây ho�c màng (cm bin) 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 chy. 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 chy 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).2Ι (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
Nu gi thit s" trao ��i nhi�t ch' xy ra do hi�n t �ng �!i l u c�a ch�t l u � nhi�t �� Ta thì công su�t trao ��i � �c bi�u di1n b�i bi�u th�c:
Pc = h.Sl.(T – Ta) (1.7)
Trong �ó h là h� s! trao ��i nhi�t và Sl là di�n tích m�t xung quanh c�a cm bin. �!i v(i dây d2n Sl = ;Dl, D là � #ng kính và l là chi�u dài. �!i v(i màng m%ng
Sl = 2;Dl, D là chi�u r�ng và l là chi�u dài.
Khi có cân b/ng nhi�t, Pj = Pc , 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 �� phn 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 cm bin. Nu s� d�ng bi�u th�c c�a King ta s3 có:
( ) ( )( )aTTUBAITR −+= .. 2
(1.10)
Trong �ó A = a.Sl và B = b.Sl.
� 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 nu 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 �� ci 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,
cm bin �óng vai trò là m�t nhánh c�a c�u Wheatstone. Dòng �i�n c�n thit �� 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$n tr #ng h�p dùng dòng không ��i.
b) Phong k� ion
Có nhi�u lo�i cm bin �o t!c �� gió trên c$ s� �o dòng ion, chúng khác nhau ch� yu v� hình d�ng.
Trên hình 1.4 bi�u di1n s$ �� nguyên lý c�a m�t cm bin �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
I1
I2
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 chy.
Trong không khí � g�n s�i dây cao áp luôn có các ion, thí d� ion (H2O)nH+. 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 (I1 – I2) c�a m�t c�p �i�n c"c A1 và A2 liên quan �n hình chiu c�a U trên � #ng th.ng A1 A2, trong khi �ó t�ng (I1 + I2) h�u nh không ��i.
�� nh�y S c�a cm bin là hàm c�a thông s! <:
US
∆
∆=
σ
(1.11)
Trong �ó < là thông s! � �c vit 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 khong t� 0 �n 10 m/s. Trong vùng giá tr� này c�a t!c ��, �áp �ng c�a cm bin � �c coi là tuyn 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 khong b/ng 1 cm, �� ��t � �c �� tuyn
tính cao, c�n ��t �i�n áp khong 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 cu và cánh qu�t
� Phong k� dùng chén bán cu
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 chy, các chén bán c�u s3 quay quanh tr�c c�a máy �o b�i vì h� s! s�c cn 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 chy 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 chy. L"c cn �!i v(i các bán c�u:
( )21 2
1νρ −= USCF X
(1.13)
( )23 2
1νρ −′= USCF X
(1.14)
Trong �ó 9 là kh!i l �ng riêng c�a ch�t l u, Cx và C’x là h� s! l"c cn �!i v(i hai
m�t c�u, S là di�n tích c�a m�t cn chính c�a bán c�u (di�n tích hình chiu 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:
( ) ( )22νν +′=− UCUC XX (1.15)
Do �ó:
XX
XX
CC
CCU
′−
′+=ν
(1.16)
Minh h a b/ng s!: CX = 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 chy. Nu b% qua ma sát thì có th� coi nh cánh qu�t (b/ng m�t cách nào �ó) � �c g7n vào dòng chy, 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. Nu 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 cm bin 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 phi chu)n ��u �o b/ng m�t trong hai cách: ��t ��u �o trong dòng
chy có v�n t!c �ã bit 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 di �o n/m trong khong 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 thit b� công nghi�p khi c�n kh!ng ch l �ng ch�t l u tham gia vào các quá trình nh � lò phn �ng hoá h c, nhà máy sn 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 M1M2 chi�u dài l chuy�n ��ng t�nh tin trong tr #ng cm �ng t� B�
v(i v�n t!c U�
trong khong th#i gian dt, có th� vit bi�u th�c cho các ��i l �ng
c$ bn sau �ây:
Di�n tích c7t:
dSc = l.U sin.dt (1.19)
Ho�c d (i d�ng vect$:
dtUlSd c
���
∧= (1.20)
T� thông b� c7t :
dtSdBd cc ..��
=θ (1.21)
Hình 1.7 S� d�ch chuy�n c�a mt �o�n dây d�n trong tr��ng c�m �ng t�.
��
�
����
��
����������������
����������
������
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 12� 12/8/2007
Hình 1.8 L�u l��ng k �i�n t�.
Su�t �i�n ��ng cm �ng:
lUBdt
de c
���
.∧=−
=θ
(1.22)
Khi U�
vuông góc v(i l�
và B�
vuông góc v(i m�t ph.ng t�o b�i l�
và U�
ta có:
e = B. l. U (1.23)
Công th�c này có th� t�ng quát hóa cho tr #ng h�p ch�t l u d2n �i�n chy trong � #ng !ng � #ng kính D có v�n t!c U
�
�vuông góc v(i B�
: su�t �i�n ��ng cm �ng
d c theo � #ng kính vuông góc v(i U�
�và B�
có d�ng:
e = BDU (1.24)
Trên th"c t v�n t!c thay ��i tu> v� trí c�a �i�m trên bán kính !ng, nh ng nó phân b! �!i x�ng quanh tr�c c�a !ng, cho nên U �o � �c là v�n t!c trung bình c�a dòng
chy. Trong nh*ng �i�u ki�n nh v�y, tín hi�u e t' l� v(i l u l �ng.
� C�u t�o c�a c m bi�n
T� tr #ng 10-3÷ 10-2 T � �c t�o ra b/ng cách dùng hai cu�n dây ��t � hai phía c�a
� #ng !ng. � #ng !ng d2n làm b/ng v�t li�u không t� tính, m�t bên trong !ng
� �c ph� ch�t cách �i�n. Hai �i�n c"c l�y tín hi�u ��t � hai ��u � #ng kính vuông góc v(i � #ng s�c c�a t� tr #ng. Các cu�n dây � �c nuôi b/ng ngu�n xoay chi�u
t�n s! 30 Hz.
Tín hi�u thu � �c � ��u ra có d�ng:
( )θϖ += tUDBe cos0 (1.25)
Trong �ó B0 là tr� c"c ��i c�a cm �ng t� B0 = Bmax, ? là t�n s! c�a cm �ng t�. Biên �� c�a tín hi�u t6 l� v(i U và có tr� c= mV.
�i�n c"c
Khuych ��i vi sai
Cu�n dây
Cu�n dây
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 13� 12/8/2007
� Các ��c tr�ng
Các ch�t l u c�n phi có �� d2n �i�n không nh% h$n c= @ :Scm-1. Lý do là b�i vì �i�n tr� trong c�a cm bin phi nh% h$n r�t nhi�u so v(i �i�n tr� vào c�a thit b� �o.
Ph�m vi �o c�a l u l �ng k �i�n t� là hàm c�a � #ng kính !ng d2n. � #ng kính càng r�ng thì gi(i h�n th�p và cao càng d�ch chuy�n v� phía l u l �ng l(n. Thí d�:
D = 10 mm, l u l �ng nh% nh�t Qmin = 0,28 m3/h, l u l �ng l(n nh�t Qmax = 2,8 m3/h.
D = 1 m, Qmin = 2800 m3/h, Qmax = m3/h, Qmax = 28000 m3/h.
�� chính xác c�a l u l �ng k ��t c= @1%.
&u �i�m c�a l u l �ng k �i�n t� là � ch0 vi�c �o ��c không ph� thu�c vào ��c tính v�t lý c�a ch�t l u (nh m�t ��, �� nh(t, �� d2n �i�n v(i �i�u ki�n nó phi l(n h$n m�t vài @ :Scm-1). Ngoài ra, thit 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� yu là l"c �)y Archimede, l"c cn và tr ng l �ng. Tr�ng thái cân b/ng này � �c bi�u di1n b�i ph $ng trình:
gVSU
CgV x 0
2
2. ρρ
ρ =+ (1.26)
Trong �ó:
�
��
�
�
Hình 1.9 S� � nguyên lý c�u t�o c�a l�u l��ng k phao n�i.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 14� 12/8/2007
V là th� tích và 90 là kh!i l #ng riêng c�a phao.
U là v�n t!c và 9 là kh!i l �ng riêng c�a ch�t l u.
Cx là h� s! l"c cn và S là di�n tích c�a hình chiu c�a phao trên m�t ph.ng vuông góc v(i v�n t!c U
�
, S = BD2/4.
g là gia t!c tr ng tr #ng.
M�c �ích c�a vi�c �o và phát hi�n m�c ch�t l u là xác ��nh m�c �� ho�c kh!i l �ng ch�t l u trong các bình ch�a. Có hai d�ng �o: �o liên t�c và xác ��nh theo ng =ng. Khi �o liên tuc, biên �� ho�c t�n s! c�a tín hi�u �o cho bit th� tích ch�t l u còn l�i trong bình ch�a. Khi xác �inh theo ng =ng, cm bin � a ra tín hi�u d�ng nh� phân cho bit thông tin v� tình tr�ng hi�n t�i m�c ng =ng có ��t hay không. V� trí c�a phao � �c xác ��nh sao cho v�n t!c c�a U � �c bi�u di1n b�i bi�u th�c
(t� �i�u ki�n cân b/ng c�a các l"c tác d�ng lên phao) :
���
����
�−= 1
2 0
ρ
ρ
SC
gVU
x (1.27)
� #ng kính D c�a !ng d2n thay ��i tuyn tính theo chi�u cao z:
D = D0 + az (1.28)
Cho nên bi�u th�c c�a l u l �ng có d�ng:
( )[ ]20
204
DazDQ −+=π
���
����
�−1
2 0
ρ
ρ
SC
gV
x (1.29)
Nên s" thay ��i c�a � #ng kính !ng r�t nh% thì trên th"c t bi�u th�c c�a Q s3 là:
KzC
gVazQ
x
=���
����
�−= 1
2. 0
ρ
ρπ
(1.30)
�� �o l u l �ng, cách �$n gin nh�t là chia �� tr"c tip trên !ng th�y tinh. �� ti�n x� lý kt qu �o, có th� n!i phao v(i m�t chic c�n nh% có liên h� c$ v(i lõi c�a bin 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 chy, tr ng l �ng và phn 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 mnh 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 cm bin nhi�t �� �� �o T1 � th �ng ngu�n (��u vào) và T2 �
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 chy 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 T1 = T2.
Khi l u l �ng khác không, T1 gim và T2 t4ng. S" khác nhau gi*a T1 và T2
(DT = T1- T2) 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 cm bin nhi�t �� có th� là c�p nhi�t ho�c nhi�t k �i�n tr�. Nu 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 chy
có dòng chy
cm bin
��� ���
���
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 bit th� tích ch�t l u còn l�i trong bình ch�a.
Khi xác �inh theo ng =ng, cm bin � a ra tín hi�u d�ng nh� phân cho bit thông tin v� tình tr�ng hi�n t�i m�c ng =ng có ��t hay không. Thí d�, nu phát hi�n th�y m�c cao thì cm bin 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 bo m�c d" tr* t!i thi�u. Thông th #ng ng #i ta hay kt 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 bin ��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 cm bin 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 $ng pháp �o th�y t+nh.
Cách th� nh�t: m�t phao n�i trên m�t ch�t l u � �c g7n b/ng dây (qua m�t ròng r c)
v(i m�t cm bin v� trí. Cm bin v� trí s3 cho tín hi�u t6 l� v(i m�c c�a ch�t l u.
Cách th� hai: m�t v�t hình tr� � �c nhúng trong ch�t l u, chi�u cao c�a hình tr� phi b/ng ho�c l(n h$n m�c cao nh�t c�a ch�t l u. Hình tr� này � �c treo trên m�t cm bin �o l"c. Trong quá trình �o cm bin 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, tit 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 cm bin 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 cm bin 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 = p0 + 9gh (1.32)
trong �ó p0 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.
Cm bin �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 p0. Do có s" chênh l�ch gi*a p và p0 nên hai m�t c�a màng ch�u hai l"c tác ��ng khác nhau làm cho nó
b� bin d�ng. S" bin 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 $ng pháp phi s� d�ng �n các cm bin ��c thù. Các cm bin này
chuy�n ��i tr"c tip m�c thành tín hi�u �i�n. Tuy th, yêu c�u ��t ra là ��u �o phi có c�u t�o �$n gin và d� ch t�o.
� C m bi�n �� d�n
Cm bin 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 bin áp su�t vi sai.
cm bin v� trí
cm bin l"c
cm bin 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�, nu 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 chim c di 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 kt 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 thit �� áp d�ng ph $ng pháp này là h/ng s! �i�n môi c�a ch�t l u phi l(n h$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 bin � d�n �o m�c ch�t l�u: a) s� � hai �i�n c�c;
b) s� � mt �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 $ng pháp b�c x� là cho phép �o mà không c�n tip xúc v(i ch�t l u. &u �i�m này r�t thích h�p khi �o m�c ch�t l u � nh*ng �i�u ki�n kh7c nghi�t nh nhi�t �� cao, áp su�t cao ho�c khi ch�t l u có tính 4n mòn m�nh.
1.4.2 C�m bin �o áp su�t ch�t l�u
Áp su�t tác ��ng nh m�t bin s! trong các hi�n t �ng liên quan �n ch�t l%ng ho�c ch�t khí, do v�y nó là thông s! quan tr ng trong nhi�u l+nh v"c nh nhi�t ��ng h c, khí ��ng l"c h c, âm h c, c$ h c ch�t l%ng, c$ h c ��t, lý sinh…
Trong s! các ngành công nghi�p khác nhau, các cm bin 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 thit b� cung c�p n4ng l �ng th�y l"c, nhi�t h�t nhân, c�n phi �o và theo dõi áp su�t m�t cách liên t�c, nu 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 tip trong các b� khiên ch ho�c gián tip �� 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 cm bin áp su�t là m7c xích ��u tiên. Các cm bin 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 cm bin �o áp su�t phi �áp �ng m�t cách t!t nh�t cho t�ng tr #ng h�p c� th�. Chính vì v�y các cm bin �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 di 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 $ng �!i (so v(i áp su�t khí quy�n). Nó c,ng có th� � �c bi�u di1n b/ng s"
khác nhau gi*a hai áp su�t. Trong m�c này tr (c khi trình bày các cm bin �o áp su�t ch�t l u s3 gi(i thi�u v� áp su�t và �$n v� �o áp su�t.
1.4.2.1 Áp su�t và ��n v� �o áp su�t
Nu 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 bn ch�t c�a ch�t l u, th tích mà nó chim 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 $ng s! này không ph� thu�c vào ��nh h (ng c�a b� m�t ds mà ch' ph� thu�c vào v� trí c�a nó trong ch�t l u.
Nói chung các ch�t l u luôn ch�u tác ��ng c�a tr ng l"c, b�i v�y trong tr #ng h�p c�t ch�t l u ch�a trong m�t !ng h� ��t th.ng ��ng, áp su�t � �i�m M cách b� m�t t" do m�t khong b/ng h s3 b/ng áp su�t khí quy�n po c�ng v(i tr ng l �ng c�a c�t ch�t l u có chi�u cao h tác d�ng lên m�t �$n v� di�n tích b� m�t, ngh+a là:
P = po + 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. Nu ch�t l%ng ch�u s" tác ��ng c�a m�t gia t!c thì c�n phi 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 1m2. 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 = 105Pa).
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 0C v(i gia t!c tr ng tr #ng
g = 9,8066 m/s2. Áp su�t này b/ng 101325 Pa và th #ng � �c bi�u di1n b/ng mbar, 1 mbar @100 Pa. Trong bng 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 tit di�n hình tròn � �c khoan trên thành bình.
�o tr"c tip s" bin d�ng c�a thành bình do áp su�t gây nên.
�o b/ng m�t cm bin 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% phi s� d�ng m�t cm bin ��t g�n sát thành bình. Sai s! c�a phép �o s3 nh% v(i �i�u ki�n là th� tích cht c�a kênh d2n và c�a cm bin phi không �áng k� so v(i th� tích t�ng c�ng c�a ch�t l u c�n �o áp su�t.
�$n v� �o
áp su�t
pascal
(Pa)
Bar
(b)
2cmkg atmosphe
Cm c�t
n (c mm Hg mbar
1 pascal 1 10 -5 1,02 10-5 0,9869 10-5 1,02 10 -5 0,75 10 -5 10-2
1 bar 105 1 1,02 0,9869 1020 750 1000
1kg/cm2 98 103 0,980 1 0,986 1000 735 980
1 atmosphe 101325 1,013 1,033 1 1033 760 1013
1gam/cm2 98 98 10-5 10-5 0,968 10-3 1 0,735 0,98
1mmHg 133,3 13,33 10-4 1,36 10-3 1,315 10-3 136 10-3 1 1,333
1mbar 100 1 10-3 1,02 10-3 0,9869 10-3 1,02 0,750 1
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 22� 12/8/2007
Trong tr #ng h�p �o tr"c tip, ng #i ta g7n lên thành bình các cm bin �o �ng su�t �� �o bin d�ng c�a thành bình. Bin d�ng này là hàm c�a áp su�t. Ngoài ra
c,ng có th� dùng m�t !ng ��c bi�t có kh n4ng bin d�ng d (i tác d�ng c�a áp su�t �� làm v�t trung gian. Khi �o áp su�t trong m�t � #ng !ng d2n ch�t l u, ng #i ta ��t m�t áp k d�ng !ng n!i tip v(i � #ng d2n kho sát. B/ng cách ch n v�t li�u thích h�p, có th� s� d�ng !ng trong tr #ng h�p có bin d�ng l(n và t4ng �� nh�y
c�a áp k.
Trong tr #ng h�p �o b/ng cm bin áp su�t, v�t trung gian th #ng là các ph�n t� �o l"c có m�t thông s!, thí d� thông s! hình h c, có kh n4ng thay ��i d (i tác d�ng c�a
l"c F = p.s. Trên hình 1.15 bi�u di1n m�t !ng d�ng hình tr� b�t kín m�t ��u dùng �� �o áp su�t. Khi áp su�t tác ��ng lên thành !ng nó s3 làm thay ��i kích th (c c�a !ng theo h (ng c�a tr�c và � #ng kính !ng. Cm bin áp su�t có c�u t�o bao g�m m�t !ng có trang b� thêm b� chuy�n ��i �i�n (thí d� cm bin �ng l"c) �� chuy�n nh*ng
thay ��i kích th (c c�a !ng d (i tác d�ng c�a áp su�t c�n �o (��i l �ng c$ 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. Cm bin d�ng !ng b�t kín có th� tích cht c= vài cm3 nh ng trên th"c t th� tích này không thay ��i vì bin 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 bin d�ng c�a nó (xác ��nh � m i �i�m theo � #ng kính, theo tip tuyn ho�c � �i�m gi*a c�a màng) nh bi�u di1n trên hình 1.16.
Hình 1.15 C�m bin �o áp su�t dùng �ng b�t kín mt ��u.
cm bin
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 23� 12/8/2007
Ph $ng trình bin d�ng : ( )( )
22 2
23
31
16
R rpz
y eυ
−= − (2.3)
Bin d�ng c�a tâm màng: (r = 0) ( )4
23
31
8 2
p Rf
y eυ= − � � � �� ��
Bin d�ng theo � #ng kính: ( )2 2
21 2
3 31
8
p R r
y eε υ
−= − � � � �� !��
Bin d�ng theo tip tuyn: ( )2 2
22 2
31
8
p R r
y eε υ
−= − � � � �� "��
T�n s! riêng: ( )0 2 2
0, 471
e yf
R ρ υ=
−� � � � � �� #��
: kh!i l �ng riêng.
�!i v(i cùng m�t áp su�t p, bin 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 bin d�ng t4ng lên. Hi�n t �ng tr� do bin d�ng không phi là �àn h�i tuy�t �!i s3 nh h �ng �n �� tuyn tính c�a màng. M�t khác, khi t6 s! R/e t4ng s3 làm cho t�n s! riêng c�a màng gim �i. B�i v�y, thông th #ng t6 s! R/e � �c ch n �� dung hòa hai yu 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 kt h�p v(i lò so, áp k giãn n=, !ng xi phông
Hình 1.16 Bin 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 xp thành np), !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 phi tính �n ba d�ng áp su�t cùng t�n t�i: áp su�t t+nh (ps) c�a ch�t l u không chuy�n ��ng, áp su�t ��ng (pd) 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 pt là t�ng c�a hai áp su�t trên:
Pt = ps + pd (2.8)
Áp su�t t+nh ps � �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 chy s3 làm t4ng áp su�t t+nh và có giá tr� t6 l� v(i bình ph $ng v�n t!c, ngh+a là:
2
2v
pd
ρ=
(2.9)
Trong �ó 9 là kh!i l �ng riêng c�a ch�t l u.
Vi�c �o các áp su�t này trong ch�t l u chuy�n ��ng có th� � �c th"c hi�n b/ng
cách n!i v(i hai ��u ra c�a ông Pitot hai cm bin, m�t cm bin �o áp su�t t�ng c�ng và m�t cm bin �o áp su�t t+nh. Khi �ó áp su�t ��ng s3 là hi�u c�a áp su�t t�ng c�ng và áp su�t t+nh.
Có th� trang b� tr"c tip m�t 4ng ten là !ng Pitot v(i hai cm bin áp su�t kích th (c nh% �� �o áp su�t ��ng. Các màng c�a hai cm bin này � �c ��t sao cho m�t màng vuông góc v(i dòng chy và màng th� hai song song v(i tr�c c�a !ng.
Trong m�t lo�i !ng �$n gin 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.
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 25� 12/8/2007
áp su�t t�ng c�ng lên m�t tr (c c�a màng còn áp su�t t+nh thì ��t lên m�t sau c�a màng. Nh v�y tín hi�u do cm bin cung c�p s3 là s" khác nhau gi*a áp su�t t�ng
c�ng và áp su�t t+nh, b/ng cách này ng #i ta �o � �c áp su�t ��ng c�a ch�t l u.
1.4.2.3 V�t trung gian
Vi�c l"a ch n v�t trung gian �� �o áp su�t ch�t l u ph� thu�c vào bn ch�t c�a áp su�t c�n �o, �� l(n c�a nó và ph $ng pháp chuy�n ��i tín hi�u (chuy�n ��i �� d�ch chuy�n hay bin d�ng thành tín hi�u �i�n). V�t trung gian � �c ��t tr ng b�i �� c�ng (là t6 s! gi*a l"c tác d�ng và �� d�ch chuy�n) và t�n s! riêng c�a nó. �� nh�y
t6 l� ngh�ch v(i �� c�ng r trong khi t�n s! riêng fo l�i t4ng khi �� c�ng t4ng lên:
M
rf
π2
10 =
(2.10)
V(i M là kh!i l �ng c�a v�t trung gian và các ph�n t� khác (nh màng, thanh �=…) liên kt c�ng v(i nó.
Khi t4ng t6 s! r/M kh n4ng ch�u rung ��ng và gia t!c c�a v�t trung gian s3 t4ng
lên. Tip theo, b/ng cách nâng t�n s! riêng c�a v�t trung gian, có th� t4ng �� nhanh c�a �áp �ng. Ng �c l�i, �� nh�y s3 gim �i b�i vì �� c�ng càng l(n thì v�t bin d�ng càng kém. S" gim �� nh�y này �n m�t m�c �� nào �ó s3 làm cho tín hi�u yu �i so v(i nhi1u và làm sai l�ch kt qu �o áp su�t c�a ch�t l u.
�!i v(i m0i lo�i v�t trung gian t�n t�i m�t m!i quan h� b�t bin gi*a kh!i l �ng M, �� nh�y S và t�n s! riêng fo: MSfo = const. Thí d�, trong các tr #ng h�p c� th�, m!i quan h� này s3 là MSfo =0,043 �!i v(i màng hình tròn, và MSfo =0,25 �!i v(i v�t trung gian d�ng thanh dài c! ��nh � hai ��u. Trong m i tr #ng h�p, �� c�ng, �� nh�y
và d�ch chuy�n có liên quan �n �ng l"c c"c ��i mà v�t trung gian có th� ch�u �"ng � �c. Fng l"c này ph� thu�c vào v�t li�u ch t�o v�t trung gian. Vi�c l"a ch n v�t li�u phi th%a mãn �i�u ki�n là tuân th� các ��c tr ng �o l #ng c�a cm bin.
Hình 1.18 C�m bin �o áp su�t �ng kt h�p v!i b chuy�n ��i áp �i�n.
áp su�t t�ng c�ng
màng th�ch anh
Ps
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 26� 12/8/2007
Hình 1.19 C�m bin áp su�t vi sai chuy�n ��i tín hi�u b�ng �i�n th k.
1.4.2.4 Ph��ng pháp chuy�n ��i tín hi�u
a) Chuy�n ��i b�ng bi�n thiên tr� kháng
� i�n th� k�
Cm bin áp su�t vi sai dùng �i�n th k �� chuy�n ��i tín hi�u � �c bi�u di1n trên
hình 1.19. Con ch�y c�a �i�n th k � �c n!i v(i bu�ng giãn n� sao cho bin d�ng c�a v�t trung gian này kéo theo d�ch chuy�n x c�a con ch�y.
�!i v(i �i�n th k có �i�n tr� t�ng Rn � �c nuôi b/ng su�t �i�n ��ng es, �i�n th
gi*a con ch�y và m�t ��u c�a �i�n tr� � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
( )
n
smR
xReV .=
(2.11)
Trong �ó R(x) là �i�n tr� gi*a con ch�y và m�t ��u c�a �i�n tr� t�ng. Nu có s" t6 l� thu�n gi*a áp su�t p c�n �o và biên d�ng c�a v�t trung gian, gi*a bin d�ng c�a v�t trung gian v(i d�ch chuy�n x c�a con ch�y và gi*a d�ch chuy�n c�a con ch�y v(i �i�n tr� R(x) thì ta s3 có bi�u th�c c�a �i�n th Vm nh sau:
Vm = k.es.p (2.12)
Trong �ó k là h/ng s! ��c tr ng cho cm bin.
Các ��c tr ng �o l #ng c�a cm bin dùng �i�n th k �� chuy�n ��i tín hi�u � �c
li�t kê nh sau:
�i�n th k
con ch�y
lò xo
bu�ng giãn n=
h�p
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 27� 12/8/2007
�� tuyn tính:± 0,5 �n 1% c�a di �o;
�� tr�: ± 0,1 �n ± 1% c�a di �o;
�� phân gii: t!t h$n 0,03 c�a di �o;
�� nhanh: t!c �� �áp �ng t� 15 �n 100 ms;
Tín hi�u ��u ra: c= m�t vài vôn.
&u �i�m c�a cm bin lo�i này là tín hi�u ra l(n, có th� s� d�ng kt h�p v(i b� khuych ��i và có kh n4ng thích �ng v(i s" thay ��i không tuyn tính. Nh �c ���m c�a cm bin là th#i gian s� d�ng b� h�n ch và nh�y v(i rung ��ng.
� C m bi�n áp tr�
Cm bin � �c ch t�o trên � silic lo�i N. &u �i�m c�a v�t li�u này là khi � d�ng �$n tinh th� nó có tính �àn h�i t!t nên hi�u �ng tr� c$ h c r�t nh% và có th� b% qua.
H$n n*a �ây là v�t li�u bán d2n nên có th� dùng làm � �� ch t�o cm biên b/ng k8 thu�t khuych tán planar. S$ �� nguyên lý c�a cm bin áp tr� � �c bi�u di1n trên hình 1.26. Trong cm bin này, � silic lo�i N �m bo vi�c chuy�n ��i áp su�t tác ��ng lên nó thành �ng su�t n�i. Các t�p ch�t lo�i P � �c khuych tán vào nh*ng
vùng có ��nh h (ng so v(i tr�c tinh th� sao cho �m bo �� nh�y t!t nh�t b/ng cách kt h�p các �ng l"c sinh ra do bin d�ng � silic. Trên hình 1.20b là tr #ng h�p màng ��nh h (ng (100) có g7n b!n cm bin, trong �ó hai cm bin ��t � tâm theo h (ng (110) và hai cm bin khác ��t � g�n bên t�o thành v(i h (ng (100) m�t góc
b/ng 600. V(i cách ��t cm bin nh v�y, s" thay ��i c�a �i�n tr� theo �ng su�t n�i �!i v(i hai c�p cm bin s3 b/ng nhau nh ng có d�u ng �c nhau:
RRRRR ∆=∆−=∆−=∆=∆ 4231 (2.13)
Khi �ó �i�n áp Vm �o � hai ��u � #ng chéo c�a c�u � �c nuôi b/ng dòng m�t chi�u s3 là:
( ) RIRRRR
IVm ∆=∆−∆+∆−∆= ..
4 4321 (2.14)
Hình 1.20 C�m bin áp �i�n:
a) s� � nguyên lý c�u t�o, b) v� trí �"t c�m bin trên màng.
dây d2n Au tip xúc kim lo�i
khuych tán t�p ch�t lo�i P
� Si lo�i N JT
R2 R3
R1 R4
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 28� 12/8/2007
S" thay ��i t $ng �!i c�a tr� kháng ph� thu�c vào �ng l"c < � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
πσ=∆
0R
R
(2.15)
Trong �ó B là h� s! áp tr� c�a tinh th� (~ 4.10-10 m2/N), và bi�u th�c c�a �i�n áp � �c vit l�i d (i d�ng:
Vm = .IR0< (2.16)
�� nh�y c�a cm bin áp tr� ph� thu�c vào �� l(n c�a áp su�t c�n �o. �!i v(i di
áp su�t th�p, �� nh�y c�a cm bin thay ��i trong khong t� 0,1 �n 3 mV/mbar ph� thu�c vào d�ng hình h c c�a màng và c #ng �� dòng �i�n. Trong di áp su�t t� hàng tr4m mbar �n hàng tr4m bar, �� nh�y thay ��i t� trong khong 0,2 �n 12,5 mV/bar (t $ng � $ng v(i tín hi�u ��u ra t� 100 �n 300 mV).
Cm bin áp tr� lo�i khuych tán có th� làm vi�c trong di nhi�t �� t� -40 oC �n 125 oC ph� thu�c vào t6 l� pha t�p. Ng #i ta c,ng có th� bù tr� nh*ng thay ��i nhi�t c�a �i�n tr� (c�a cm bin) b/ng cách � a thêm vào b� �i�u hòa m�t thit b� hi�u ch'nh � �c �i�u khi�n b/ng ��u �o nhi�t �� JT ��t trong màng (hình 1.20).
Cm bin áp su�t dùng áp tr� khuych tán tr"c tip trên v�t trung gian có �� tuyn tính và �� tr� n/m trong khong t� ± 0,2 �n ± 2% c�a di �o, �� phân gii t!t h$n 0,1% và �� chính xác t� 0,1 �n 0,5%. �� nhanh ph� thu�c vào t�n s! riêng c�a
màng. T�n s! này ph� thu�c vào � #ng kính và b� dày c�a màng và thay ��i trong khong t� 50 kHz �n 1 MHz.
&u �i�m c�a cm bin lo�i này là tín hi�u ra t $ng �!i l(n, kích th (c nh% và kh!i l �ng không �áng k�. Trên th"c t có th� ch t�o các màng có � #ng kính c= mm,
không nh�y cm v(i rung ��ng và va ch�m m�nh.
b) Chuy�n ��i b�ng hi�u �ng áp �i�n
Khi s� d�ng v�t trung gian là m�t c�u trúc áp �i�n, ng #i ta có th� chuy�n ��i tr"c
tip �ng l"c d (i tác ��ng c�a l"c F (do áp su�t ch�t l u gây nên) thành tín hi�u �i�n Q. Thí d�, nu t�o �i�n c"c kim lo�i trên m�t phin m%ng c7t t� tinh th� th�ch anh theo h (ng vuông góc v(i m�t trong ba tr�c �i�n r�i tác d�ng lên nó m�t l"c c$ h c (thí d� l"c nén) thì s3 xy ra hi�n t �ng phân c"c �i�n: trên các bn c"c kim
lo�i xu�t hi�n các �i�n tích Q. �i�n tích này t6 l� v(i l"c tác d�ng:
Q = kF (2.17)
Trong �ó k là h/ng s! áp �i�n và F là l"c tác ��ng. Trong tr #ng h�p th�ch anh,
k = 2,32.10-12 culong/newton.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 29� 12/8/2007
C�u trúc c�a ph�n t� áp �i�n d�ng !ng cho phép t4ng �i�n tích b/ng cách �$n gin hóa ki�u kt h�p các ph�n t�. �!i v(i c�u trúc lo�i này, �i�n tích trên các bn c"c
� �c tính t� bi�u th�c:
22
4
dD
dhkFQ
−=
(2.18)
Trong �ó d và D là � #ng kính trong và ngoài c�a !ng, h là chi�u cao c�a ph�n ph� kim lo�i. �ng � �c làm b/ng cách kt h�p hai ph�n t� phân c"c ng �c v(i m�t �!i x�ng.
Các cm bin áp �i�n có th� � �c gim thi�u kích th (c m�t cách d� dàng. Trong
tr #ng h�p !ng d�ng hình tr� có th� gim � #ng kính xu!ng vài milimet.
Di áp su�t �o � �c c�a cm bin áp �i�n n/m trong khong t� vài mbar �n hàng ngàn bar. �� nh�y c�a cm bin thay ��i trong khong t� 0,05 pC/bar �n 1pC/bar ph� thu�c vào hình d�ng c�a ph�n t� áp �i�n và di �o. �� tuyn tính thay ��i trong
ph�m vi t� ÷0,1 �n ÷1% c�a di �o v(i �� tr1 nh% h$n 0,0001% và �� phân gii 0,001%. �� l(n c�a tín hi�u ��u ra thay ��i t� 5 �n 100mV.
&u �i�m c�a cm bin áp su�t dùng chuy�n ��i tín hi�u b/ng áp �i�n là �áp �ng t�n
s! r�t t!t, thích h�p �� �o áp su�t thay ��i nhanh, kích th (c nh%, ít nh�y cm v(i gia t!c và không c�n ngu�n nuôi cm bin.
Nh �c �i�m c�a cm bin lo�i này là nh�y cm v(i thay ��i c�a nhi�t �� và c�n s� d�ng cáp n!i ��c bi�t.
c) Chuy�n ��i b�ng dao ��ng c� �i�n
Trong các cm bin dùng chuy�n ��i b/ng dao ��ng c$ �i�n, b� ph�n dao ��ng là m�t ph�n t� dao ��ng c$ có t�n s! ph� thu�c vào l"c tác d�ng lên nó. L"c do áp su�t
Hình 1.21 Ph�n t� áp �i�n d�ng �ng.
tr�c �i�n
tr�c quang
l(p ph� kim lo�i bên ngoài
l(p ph� kim lo�i bên trong
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 30� 12/8/2007
gây nên có th� tác ��ng tr"c tip ho�c gián tip lên ph�n t� dao ��ng. Nó làm thay ��i t�n s! dao ��ng c$ và do v�y làm bin thiên t�n s! do b� dao ��ng phát ra.
Thông th #ng b� dao ��ng bao g�m m�t v�t trung gian ch�u tác ��ng c�a áp su�t c�n �o kt h�p v(i m�t ph�n t� dao ��ng c$ h c. �ây là tr #ng h�p dây ho�c lá thép dao ��ng � �c c4ng gi*a m�t �i�m c! ��nh và m�t �i�m khác n/m trên màng
ho�c !ng xiphông (hình 1.28 a,b).
Các dao ��ng � �c duy trì nh# hai cu�n dây. Khi ph�n t� dao ��ng b/ng thép dao ��ng v(i t�n s! f, nó làm cho t� tr� c�a m�ch bin thiên tu�n hoàn và gây nên m�t �i�n th cm �ng cùng t�n s! trong cu�n �o. �i�n th này � �c khuych ��i �� nuôi
cu�n kích t�o dao ��ng.
T�n s! f c�a dao ��ng c$ ph� thu�c vào ba yu t!:
Hình d�ng và kích th (c (chi�u dài l và tit di�n s m�t c7t ngang) c�a
ph�n t� dao ��ng;
Tính ch�t v�t lý c�a v�t li�u ch t�o ph�n t� dao ��ng (kh!i l �ng riêng 9);
L"c tác d�ng lên ph�n t� dao ��ng.
Trong tr #ng h�p dây dao ��ng � �c c4ng gi*a m�t �i�m c! ��nh và m�t �i�m ch�u tác ��ng c�a áp su�t, bi�u th�c c�a t�n s! dao ��ng có d�ng:
s
F
lf
.2
1
ρ=
(2.19)
Trong �ó F là l"c c4ng dây.
�!i v(i tr #ng h�p !ng dao ��ng, m!i quan h� gi*a áp su�t c�n �o và t�n s! dao
��ng � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
P = A(f – f0) + B (f – f0)2 + C (f – f0)
3 (2.20)
Trong �ó f0 là t�n s! dao ��ng khi ch a có s" tác ��ng c�a áp su�t và f là t�n s! dao ��ng khi áp su�t tác ��ng b/ng p; A,B,C là các h/ng s! c�a cm bin.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 31� 12/8/2007
Trên hình 1.22a bi�u di1n cm bin d�ng �� �o áp su�t ch�t l u trong các khe hGp. Áp su�t � �c truy�n qua ph�n t� x!p làm cho kh!i �àn h�i b� bin d�ng d c và do v�y làm thay ��i s�c c4ng c�a dây và t�n s! dao ��ng c�a nó. Các di �o có th�
thay ��i trong nh*ng khong giá tr� khác nhau: 0 ÷ 2, 0÷ 5, 0 ÷ 10 và 0÷ 20 bar. �� chính xác c�a cm bin c= 0,3% v(i �� phân gii b/ng 0,1%.
Trên hình 1.22b bi�u di1n cm bin �o áp su�t tuy�t �!i dùng ph�n t� dao ��ng là lá thép. Nó � �c �ng d�ng nhi�u trong k8 thu�t hàng không. Trong cm bin này, !ng
xiphông kín �ã � �c hút chân không (�� làm áp su�t so sánh gây nên l"c c4ng lá thép dao ��ng.Giá tr� c�a áp su�t � �c tính t� giá tr� c�a t�n s! và nhi�t ��. Di áp su�t �o c�a cm bin n/m trong khong t� 0 �n 3000 mbar. �� chính xác thay ��i trong ph�m vi t� ÷0,01 �n ÷ 0,02% ph� thu�c vào giá tr� c�a áp su�t �o.
Hình 1.22 C�m bin áp su�t dùng chuy�n ��i dao �ng c� �i�n:
a) dây dao �ng, b) lá dao �ng.
cáp m�m cu�n kích và cu�n �o
dây dao ��ng kh!i �àn h�i ph�n t� x!p
n (c
cu�n kích
cu�n �o
lá dao ��ng
tín hi�u nhi�t �ô
tín hi�u áp su�t
áp su�t
!ng xi phông chân không
��nh d�ng tín hi�u
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 32� 12/8/2007
&u �i�m c�a cm bin dùng dây, lá và !ng dao ��ng là �o theo t�n s!, �� l�p l�i, �� phân gii và �� chính xác cao. Tuy v�y nh �c �i�m c�a lo�i cm bin này là s"
không tuyn tính, di thông hGp và nh�y v(i nhi�t ��, dao ��ng và va ch�m.
d) Ph��ng pháp tranzito áp �i�n
Trong các tranzito áp �i�n NPN, khi dùng m�t m,i nh n tác d�ng l"c F lên êmit$,
�� d2n c�a vùng chuy�n tip emit$-baz$ có th� b� thay ��i. Ng #i ta �ã �ng d�ng hi�u �ng này �� �o áp su�t ch�t l u: trong m�ch khuych ��i s� d�ng m�t trong nh*ng tranzito lo�i này, tín hi�u �i�n � ��u ra t6 l� v(i l"c tác d�ng. Trên hình v3 bi�u di1n m�t cm bin áp su�t ch�t l u trong �ó s� d�ng m�t màng g7n v(i m�t
m,i nh n tác ��ng lên emit$ c�a m�t tranzito áp �i�n.
Các cm bin d�ng tranzito áp �i�n có th� �o áp su�t ch�t l u có giá tr� n/m trong khong t� m�t vài milibar �n 1,5 bar. �!i v(i �i�n áp nuôi b/ng 10 V, �� nh�y trung bình ��t 0,1 V/mbar.
1.4.3 C�m bin �o chân không
1.4.3.1 D�i chân không và các loi chân không k
Theo truy�n th!ng ng #i ta chia chân không thành b!n di t $ng � $ng v(i b!n vùng áp su�t. Trong m0i di, m�t s! ��c tr ng và tính ch�t c�a ch�t khí có th� thay
��i khác nhau. T $ng �ng v(i m0i di chân không có m�t lo�i cm bin d"a trên m�t tính ch�t ��c bi�t c�a ch�t khí trong di �ó. Trong bng li�t kê các di áp su�t chân không.
Các cm bin �o chân không � �c chia thành ba nhóm chính:
Cm bin dùng hi�u �ng c$.
Hình 1.23 C�m bin �o áp su�t ch�t l�u dùng tranzito áp �i�n.
tranzito npn
m,i kim c $ng
màng
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 33� 12/8/2007
Cm bin d�ng hi�u �ng nhi�t.
Cm bin d"a trên các ��c tr ng �i�n c�a ch�t khí.
B�ng 1.3
1.4.3.2 Chân không k �àn h i
a) Chân không k� d�ng �ng Bourdon
V�t trung gian trong tr #ng h�p này là m�t !ng tròn ho�c dGt có thành m%ng, làm b/ng kim lo�i ho�c th�ch anh và � �c u!n d�ng lò so xo7n !c. Ph�n trong c�a !ng � �c n!i thông v(i th� tích c�n �o áp su�t, phía ngoài c�a !ng là không khí ho�c môi tr #ng khép kín có áp su�t không ��i �ã bit tr (c (g i là áp su�t chu)n hay áp
su�t so sánh). Nu môi tr #ng bên ngoài là !ng chân không (~10-1 Pa) thì cm bin � �c g i là cm bin áp su�t tuy�t �!i.
Nguyên lý �o nh sau: s" chênh l�ch áp su�t bên ngoài và bên trong !ng làm cho !ng b� bin d�ng; do m�t ��u c�a !ng xo7n !c � �c gá c! ��nh nên bin d�ng �àn
h�i s3 làm cho ��u kia c�a !ng d�ch chuy�n, và �� d�ch chuy�n này t6 l� v(i áp su�t trong !ng. D�ch chuy�n c�a ��u !ng có th� �o b/ng cách n!i nó v(i �i�n th k ho�c v(i cm �ng t� bin thiên.
b) C m bi�n d�ng màng m�ng
Nguyên lý c�a cm bin d�ng màng m%ng d"a trên s" bin d�ng c�a màng m%ng kín và ph.ng ho�c màng d�ng l �n sóng d (i tác d�ng c�a s" chênh l�ch áp su�t gi*a hai th� tích khí ng4n cách b�i màng m%ng, m�t m�t c�a màng ch�u tác d�ng
c�a áp su�t c�n �o và m�t kia n/m trong môi tr #ng so sánh có áp su�t bit tr (c.
Chân không
th�p
Chân không
trung bình
Chân không
cao
Chân không
siêu cao
Di áp su�t Pa 105- 102 102- 10-4 10-4- 10-5 <10-5
mbar 103-1 1-10-3 10-3-10-7 <10-7
S! phân t�
trong 1 cm3 1019- 1016 1016-1013 1013-109 <109
Quãng
� #ng t"
do trung
bình (cm)
10-6- 10-3 10-3- 1 1-104 >104
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 34� 12/8/2007
Màng m%ng th #ng là các lá làm b/ng thép không r' ho�c h�p kim inconel, Pd, ho�c silic �ã � �c gia công �� gim �� tr� c$ h c c�a chúng.
� C m bi�n dùng �u �o áp tr�
Trong cm bin d�ng này, bin d�ng c�a màng � �c chuy�n thành d�ng tín hi�u �i�n b/ng m�t ��u �o bin d�ng lo�i áp tr� g7n trên b� m�t c�a màng.
Màng là lá m%ng b/ng thép không r' � #ng kính D = 12÷15 mm, chi�u dày n/m trong khong 10-2÷10-4 mm, ho�c b/ng m�t phin silic. Nu là lá thép m%ng, cm bin áp tr� s3 � �c dán lên màng. Nu là phin silic, cm bin áp tr� s3 � �c ch t�o tr"c tip trên b� m�t silic b/ng ph $ng pháp bay h$i trong chân không. Hai d�ng c�u
trúc này cho phép �o phía áp su�t cao (>105 Pa). Tuy nhiên c,ng t�n t�i nh*ng ki�u khác cho phép �o áp su�t th�p h$n, t� 2.10-4 ÷ 2.105 Pa v(i �� sai l�ch tuyn tính ~0,5% và �� phân gii 10-6, th#i gian �áp �ng n/m trong khong 20 ÷ 50 µs.
&u �i�m c�a các ��u �o chân không dùng cm bin áp tr� là có th� s� d�ng chúng trong môi tr #ng 4n mòn �� �o áp su�t tuy�t �!i ho�c áp su�t t $ng �!i. Th� tích cht và th� tích ��ng c�a chúng nh%, th� tích cht c= vài cm3 và th� tích ��ng c= ph�n m #i mm3.
� C m bi�n t� �i�n
C�u t�o c�a cm bin t� �i�n g�m m�t màng M hình tròn làm b/ng kim lo�i ph.ng, � �c c4ng theo chi�u bán kính �� gim tr� c$ h c. Màng này �óng vai trò là m�t �i�n c"c và ng4n cách hai môi tr #ng (môi tr #ng c�n �o áp su�t px và môi tr #ng
có áp su�t chu)n pr �� so sánh), hai bn �i�n c"c A1 và A2 ��t trong hai môi tr #ng khác nhau và �!i x�ng nhau qua M (hình 1.24a).
S" bin d�ng c�a màng d (i tác d�ng c�a chênh l�ch áp su�t p = px – pr t $ng � $ng v(i d�ch chuy�n d c�a tâm màng M. d�ch chuy�n này t6 l� v(i p. Bin d�ng c�a màng làm gim �i�n dung C1 gi*a A1 và M và t4ng �i�n dung C2 gi*a M và A2
ho�c ng �c l�i ph� thu�c vào d�u c�a p. C1 và C2 t�o thành t� vi sai và � �c kích
Hình 1.24 C�m bin t� �i�n: a) s� � nguyên lý; b) m�ch �o.
A1 A2
M
D0 D0 Pr Px
es
+e
-e
C1
C2 Vm
a) b)
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 35� 12/8/2007
thích b/ng m�t bin th có �i�m gi*a n!i ��t d (i �i�n áp xoay chi�u tEe ωcos.±=± (thí d�,E = 1,5 V, f = ω /2 = 10 kHz).
Tín hi�u ra Vm l�y tr"c tip t� màng, theo s$ �� m�ch �i�n � hình 11.2b � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
21
21.CC
CCeVm
+
−= (3.1)
Khi có bin d�ng gây nên �� d�ch chuy�n d c�a tâm màng so v(i v� trí ban ��u, các �i�n dung C1 và C2 t6 l� (t $ng �ng) v(i 1/(D0+d) và 1/(D0-d), cho nên tín hi�u �i�n s3 b/ng:
tD
dE
D
deVm ωcos...
00
−=−= (3.2)
Vm t6 l� v(i �� d�ch chuy�n d c�a tâm màng, do �ó nó t6 l� v(i áp su�t vi sai.
Ph�m vi �o c�a cm bin t� �i�n n/m trong khong 10-2÷10-6 Pa. Cm bin này cho �� chính xác cao (0,1÷0,3%), sai l�ch tuyn tính nh% (0,02%).
Nh �c �i�m c�a cm bin �!i x�ng là � ch0 trong tr #ng h�p �o áp su�t c�a môi tr #ng 4n mòn, �i�n c"c có th� b� h%ng. Ngoài ra, ho�t ��ng c�a cm bin có th� b� sai l�ch nu nh trong môi tr #ng �o xu�t hi�n ch�t khí có �� d2n cao. Vì hai lý do trên, ng #i ta � a ra m�t c�u trúc khác trong �ó c hai t� C1 và C2 ��u n/m trong cùng m�t môi tr #ng (hình 1.25).
Trong tr #ng h�p này, hai �i�n dung C1 và C2 thay ��i cùng chi�u, tuy nhiên s" thay ��i c�a chúng không nh nhau vì các bn c"c A1 và A2 � �c b! trí không �!i x�ng v(i tr�c c�a màng. Tín hi�u �i�n t $ng �ng v(i s" thay ��i khác nhau c�a C1 và C2 không ph� thu�c vào h/ng s! �i�n môi c�a ch�t khí, ngay c trong �i�u ki�n
áp su�t cao, �� )m l(n, ho�c có h$i c�a ch�t h*u c$, ch�t b� ion hóa và phóng x�.
Hình 1.25 C�m bin t� �i�n dùng hai b�n c�c không ��i x�ng.
A2
A1
M
Pr Px
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 36� 12/8/2007
M�ch �o và �i�n áp nuôi dùng cho cm bin này gi!ng nh tr #ng h�p t� �i�n �!i x�ng. Các ��c tr ng c,ng t $ng t" nh tr #ng h�p tr (c. Khi s� d�ng �� �o áp su�t
tuy�t �!i, cm bin � �c �óng kín � phía các t� �i�n.
1.4.3.3 Chân không k nhi�t
Nguyên lý chung c�a chân không k nhi�t d�ng dây nóng là d"a trên hi�n t �ng
thay ��i �� d2n nhi�t c�a ch�t khí khi áp su�t thay ��i trong khong 103 ÷ 10-1 Pa.
S� truy�n nhi�t trong ch�t khí
M�t s! tính ch�t c�a ch�t khí nh �� nh(t, �� d2n nhi�t có liên quan �n s" truy�n
n4ng l �ng và s" v�n chuy�n kh!i. Do các quá trình truy�n n4ng l �ng di1n ra thông qua va ch�m gi*a các phân t� cho nên các tính ch�t nêu trên s3 ph� thu�c vào giá tr� t $ng �!i c�a quãng � #ng t" do c�a các phân t�, t�c là ph� thu�c vào áp su�t.
Nu trong ch�t khí xu�t hi�n gra�ient nhi�t �� theo m�t h (ng nào �ó (thí d� h (ng
Ox) thì s3 xu�t hi�n lu�ng nhi�t Q theo h (ng ng �c l�i sao cho
dt
dTKQ −=
(3.3)
Trong �ó K là h� s! d2n nhi�t c�a ch�t khí. Khi quãng � #ng t" do trung bình r�t nh% so v(i khong cách l t� ngu�n phát nhi�t (thành nóng) �n n$i thu nhi�t (thành ngu�i) << l , h� s! K không ph� thu�c vào áp su�t.
Khi quãng � #ng t" do t4ng ( )3 210 10 lλ − −≈ ÷ t $ng � $ng v$i áp su�t 103 Pa, h� s!
d2n nhi�t b7t ��u ph� thu�c vào áp su�t và gim theo p. Khi H @ l, h� s! K t6 l� v(i áp su�t.
D"a vào tính ch�t trên �ây ng #i ta �ã ch t�o ra cm bin chân không d�ng dây nóng
hay còn quen g i là chân không k nhi�t.
Nguyên t�c ho�t ��ng c�a chân không k� nhi�t là:
Ph�n t� c$ bn c�a chân không k nhi�t là m�t s�i dây kim lo�i � �c �!t nóng b/ng
hi�u �ng Joule ��t trong m�t !ng hình tr� ��ng tâm, m�t ngoài !ng tip xúc v(i môi tr #ng và th� tích bên trong c�a !ng thông v(i áp su�t c�n �o (hình 1.26).
Nhi�t �� c�a s�i �!t ph� thu�c ch� yu vào s" m�t nhi�t do d2n nhi�t trong ch�t khí. S" m�t nhi�t này càng l(n khi áp su�t càng cao. Trên th"c t, công su�t cung
c�p cho s�i �!t � �c gi* không ��i, vì v�y vi�c �o nhi�t �� c�a dây cho phép xác ��nh áp su�t c�a ch�t khí. Nhi�t �� c�a dây � �c �o b/ng �i�n tr� (ph $ng pháp Pir�ni) ho�c b/ng c�p nhi�t g7n trên s�i �!t.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 37� 12/8/2007
Trong ch �� t+nh, công su�t Pj � �c cung c�p b�i hi�u �ng Joule b� chia thành:
PC1: công su�t tiêu hao do d2n nhi�t trong ch�t khí;
PC2: công su�t tiêu hao do d2n nhi�t � giá �= s�i �!t;
Pr: công su�t tiêu hao do b�c x� nhi�t.
Vì v�y:
Pj = PC1+ PC2 + Pr: (3.4)
Công su�t m�t mát do d2n nhi�t c�a ch�t khí PC1 là hàm c�a s" phân b! nhi�t theo � #ng kính !ng và ph� thu�c vào r0 c�a v%, vào nhi�t dung và nhi�t �� c�a dây. Trong ch �� t+nh, nhi�t �� T0 c�a !ng và nhi�t �� Tf c�a s�i �!t không ��i, b�i v�y có th� vit bi�u th�c cho PC1 :
( ) ( )001 ... TTM
paTTKaP ffC −′=−= (3.5)
Trong �ó:
p và M là áp su�t và kh!i l �ng phân t� c�a ch�t khí;
a’ là h/ng s! ph� thu�c vào di�n tích b� m�t ngoài c�a s�i �!t (ngh+a là ph� thu�c vào � #ng kính r và chi�u dài L c�a nó).
Gi thit nhi�t �� c�a giá �= s�i �!t là ��ng ��u và b/ng nhi�t �� T0, ��ng th#i s�i �!t là �.ng nhi�t, gradient nhi�t �� Tf - T0 theo chi�u dài c�a s�i �!t không �áng k� so v(i toàn b� chi�u dài L c�a nó. Khi �ó s" tiêu hao công su�t do d2n nhi�t c�a giá �= s�i �!t � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
PC2 = b.Kf (Tf – T0) (3.6)
Trong �ó Kf là �� d2n nhi�t c�a kim lo�i làm s�i �!t, b là h/ng s! �!i v(i m�t s�i �!t và giá �= cho tr (c.
Tiêu hao công su�t do b�c x� � �c xác ��nh b�i ��nh lu�t Stefan- Boltzman:
Hình 1.26 Chân không k nhi�t.
giá �= giá �= s�i �!t ro
v%
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 38� 12/8/2007
( )400
4 .... TTcP ffr εεσ −= (3.7)
Trong �ó:
Ef và E0 là h� s! phát x� c�a dây � nhi�t �� Tf và c�a v% � nhi�t �� T0;
< là h/ng s! Stefan c�a v�t �en tuy�t �!i (< =5,7.10-8 w.m-2.K-2);
c là h/ng s! ph� thu�c vào di�n tích m�t ngoài c�a s�i �!t.
Trong ba d�ng tiêu hao công su�t nhi�t k� trên, ch' có thành ph�n PC1 ph� thu�c vào áp su�t c�a ch�t khí. PC2 và Pr có th� gim thi�u b/ng cách gim r, Kf và f. �� nh�y c�a cm bin càng cao khi (Tf – T0) càng l(n. Tuy nhiên, do Pr c,ng nh�y v(i hi�u
(Tf – T0) nên nhi�t �� s�i �!t phi gi* � giá tr� t $ng �!i th�p, t� 100 0C �n 200 0C trong khi nhi�t �� T0 c�a !ng th #ng là nhi�t �� phòng.
a) Chân không k� Pirani
Chân không k Pirani c� �i�n th #ng có m�t s�i �!t g�m m�t ho�c nhi�u ph�n d�ng � #ng th.ng ��t trong v% b c kim lo�i ho�c th�y tinh. Cm bin càng nh�y khi s�i �!t càng dài và mnh. Vì th trong các ��u �o hi�n ��i s�i �!t làm b/ng dây d2n có � #ng kính nh%, c= ~10µm, � �c u!n hình xo7n !c ho�c b/ng di mnh. V�t li�u
làm dây là kim lo�i ít b� oxy hóa, nh Pt, W, Ni (hình 1.27).
M�ch �o dùng cho cm bin Pirani là c�u Wheatstone trong �ó s�i �!t c�a ��u �o là m�t nhánh. M�ch � �c nuôi b/ng m�t trong hai ch ��:
Nuôi b/ng ngu�n �i�n áp không ��i U = const. Khi �ó tín hi�u s3 là �i�n
áp không cân b/ng c�a c�u. Tr (c khi �o c�u � �c cân b/ng � áp su�t chu)n (áp su�t so sánh). Áp su�t so sánh có th� là áp su�t không khí trong phòng ho�c m�t áp su�t bit tr (c có giá tr� nh% h$n áp su�t làm vi�c c�a cm bin.
Nuôi b/ng �i�n áp bin thiên sao cho nhi�t �� c�a dây không ��i. T = const. Lúc �ó c�u s3 t" �i�u ch'nh b/ng m�t khuych ��i vi sai có �� khuych ��i l(n.
Trong s$ �� này tín hi�u �o Vm s3 là s" thay ��i c�a �i�n áp nuôi c�u so v(i tr�ng thái cân b/ng �ã xác l�p � chân không cao.
�� gim nh h �ng nhi�t �� T0 c�a v% b c, có th� thay �i�n tr� Rt b/ng m�t cm bin bù tr� gi!ng nh cm bin chính nh ng phi � �c hàn kín � trong chân không cao.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 39� 12/8/2007
&u �i�m c�a cm bin dây nóng Pirani là ch7c ch7n và g n. Tuy nhiên, �� s� d�ng c�n phi chu)n cm bin cho t�ng lo�i khí. Cm bin dây nóng Pirani dùng �� �o
chân không s$ c�p. Nh �c �i�m là không làm vi�c � �c v(i nh*ng ch�t khí d� b� phân tích vì s�i �!t có nhi�t �� cao.
1.4.3.4 Chân không k ion
Nguyên lý ho�t ��ng c�a cm bin lo�i này d"a trên hi�n t �ng ion hóa các phân t� ho�c nguyên t� c�a ch�t khí khi chúng va ch�m v(i �i�n t� ho�c các ion khác. S! ion � �c t�o thành sau khi ion hóa ph� thu�c vào bn ch�t và áp su�t c�a ch�t khí. Dòng ion thu qua m�t �i�n c"c là ��i l �ng �o th� c�p phn ánh �� l(n c�a áp su�t.
Có ba lo�i ��u �o ion hóa:
��u �o dùng catot ngu�i (��u �o penning) d"a trên hi�n t �ng ion hóa t" phát và t" duy trì trong ch�t khí (hi�n t �ng phóng �i�n).
��u �o catot nóng d"a trên hi�n t �ng ion hóa xy ra do các �i�n t� phát x� t� s�i �!t.
��u �o dùng ngu�n phóng x�, trong �ó quá trình ion hóa xy ra d (i tác d�ng c�a tia phóng x�.
Trong nh*ng m�c tip theo, tr (c khi kho sát các lo�i cm bin ion hóa �o chân không, s3 �� c�p �n hi�n t �ng ion hóa ch�t khí do nh*ng nguyên nhân khác nhau và m!i quan h� gi*a áp su�t và s" ion hóa ch�t khí.
Hình 1.327 Chân không k Pirani: a) hình dáng bên ngoài; b) m�ch �o.
R1
R2 =Rc
R3
R4
Vm
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 40� 12/8/2007
a) Ion hóa ch�t khí
Khi cung c�p n4ng l �ng cho m�t nguyên t� trung hòa cô l�p b/ng cách �!t nóng, va ch�m ho�c b�c x�, toàn b� ho�c m�t ph�n n4ng l �ng có th� b� nguyên t� h�p th� làm chuy�n m�t �i�n t� c�a nguyên t� t� m�c n4ng l �ng th�p lên m�c n4ng l �ng cao h$n, kt qu là nguyên t� � tr�ng thái b� kích thích. Nu n4ng l �ng ��
l(n, nguyên t� có th� b� m�t m�t �i�n t� và tr� thành ion d $ng.
N4ng l �ng t $ng �ng Wi �� làm cho nguyên t� m�t �i�n t� g i là n4ng l �ng ion hóa (eV). Giá tr� c�a Wi ph� thu�c vào bn ch�t c�a nguyên t� và thay ��i trong khong t� 24,5 eV (�!i v(i heli) �n 3,9 eV (�!i v(i cezi). M�t nguyên t�, sau khi
�ã m�t m�t �i�n t� và tr� thành ion d $ng, có th� tip t�c m�t thêm m�t �i�n t� th� hai, th� ba và g i là nguyên t� ion hóa hai, ba l�n… N4ng l �ng ion hóa nh*ng l�n sau l(n h$n b�i vì phi làm b�t ra các �i�n t� t� nh*ng m�c sâu h$n.
� Ion hóa do va ch�m v�i �i�n t�
Khi có va ch�m �àn h�i gi*a �i�n t� n4ng l �ng W v(i nguyên t� cô l�p gi thit là b�t ��ng và không � tr�ng thái b� kích thích, m�t ph�n Wi c�a n4ng l �ng �ó có th� b� h�p th� �� ion hóa nguyên t�, ph�n còn l�i t�n t�i d (i d�ng ��ng n4ng c�a �i�n
t� và c�a c�p �i�n t�-ion m(i hình thành. �i�u ki�n ion hóa là W >> Wi. Tuy nhiên không phi t�t c các va ch�m gi*a �i�n t� và nguyên t� ��u gây ra hi�n t �ng ion hóa. Ngay c khi �i�u ki�n nêu trên � �c th"c hi�n, s" phân chia n4ng l �ng sau khi va ch�m có th� xy ra m�t cách khác nhau, nguyên t� ch' b� � tr�ng thái kích
thích và ph�n n4ng l �ng còn l�i t�n t�i � d�ng ��ng n4ng. Xác su�t ion hóa ph� thu�c vào bn ch�t c�a ch�t khí và n4ng l �ng c�a �i�n t� s$ c�p. Trên th"c t ng #i ta xác ��nh h� s! ion hóa Si c�a m�t ch�t khí là s! c�p �i�n t�-ion t�o ra b�i m�t �i�n t� s$ c�p có n4ng l �ng cho tr (c trên m�t �$n v� quãng � #ng � m�t �$n
v� áp su�t. Hình 1.28 bi�u di1n � #ng cong thay ��i c�a h� s! ion hóa ph� thu�c vào n4ng l �ng c�a �i�n t� s$ c�p và bn ch�t c�a ch�t khí.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 41� 12/8/2007
Khi áp su�t l(n, p ≥ 1Pa, các ion và các �i�n t� th� c�p có th� tip t�c ion hóa các nguyên t� khác làm cho quan h� gi*a dòng ion và áp su�t tr� nên không �$n gin.
Khi áp su�t th�p, p ≤ 10-1 Pa, quãng � #ng t" do c�a các �i�n t� l(n nên có th� b% qua hi�n t �ng ion hóa th� c�p, dòng ion là hàm tuyn tính c�a áp su�t.
� Ion hóa do phóng x�
B�c x� c�a m�t s! ch�t phóng x�, thí d� tia 5, có kh n4ng ion hóa phân t� và
nguyên t� c�a ch�t khí. N4ng l �ng c�a tia r�t l(n (5,3 MeV �!i v(i poloni và 4,8 MeV �!i v(i ra�i), cho nên khi va ch�m �àn h�i v(i phân t� c�a ch�t khí, m�t hat có th� t�o nên r�t nhi�u c�p �i�n t�-ion tr (c khi m�t m�t ph�n �áng k� n4ng l �ng c�a nó và b� b7t gi* b�i thành c�a bình ch�a ch�t khí. S! c�p �i�n t�-ion l(n g�p
104 l�n so v(i tr #ng h�p ion hóa do va ch�m c�a �i�n t�
S! c�p �i�n t�-ion sinh ra d (i tác d�ng c�a b�c x� ph� thu�c vào ho�t tính c�a ngu�n, quãng � #ng mà h�t �i qua trong ch�t khí và là hàm c�a bn ch�t và áp su�t
c�a ch�t khí. Nu áp su�t p ≤ 103 Pa, dòng ion t6 l� v(i áp su�t. V(i áp su�t l(n h$n, hi�u su�t ion hóa gim �i do hi�n t �ng trung hòa các ion khi chúng tái h�p v(i �i�n t�.
b) Chân không k� catot ngu�i – Chân không k� Penning
Chân không k catot ngu�i có c�u t�o bao g�m m�t !ng trong �ó có catot và anot b/ng kim lo�i ph.ng � �c ��t song song v(i nhau, gi*a chúng là hi�u �i�n th cao c= ~ 2000V. Ngoài ra còn có m�t �i�n tr� c= MI m7c n!i tip v(i ��u �o �� h�n ch dòng. Nguyên lý c�u t�o c�a chân không k catot ngu�i bi�u di1n trên hình 1.29.
Hình 1.28 H� s� ion hóa:
a) S� ph� thuc c�a h� s� ion hóa vào n#ng l��ng c�a �i�n t� s� c�p;
b) $nh h��ng c�a b�n ch�t ch�t khí.
Wmin Wmax
Si
L’
L
a)
b)
He
H2 Ne
Ar
NO
C2H2
W(eV) 104 103 102 10
Si
10-2
10-1
1
10
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 42� 12/8/2007
D (i áp su�t p > 5.10-1 Pa và �i�n tr #ng l(n, gi*a anot và catot xy ra phóng �i�n kèm theo hi�n t �ng phát quang ��t tr ng. S" phóng �i�n này � �c m�i b�i m�t s! �i�n t� phát sinh do hi�n t �ng quang ion hóa các phân t� khí khi có b�c x� chiu
qua !ng ho�c do các �i�n t� phát sinh � nh*ng ch� g� gh� r�t nh% trên b� m�t catot n$i có �i�n tr #ng cao h$n nh*ng ch0 khác. Nh*ng �i�n t� � �c gii phóng do ion hóa khi va ch�m và các �i�n t� phát ra khi các ion ��p vào catot s3 duy trì ch �� phóng �i�n này.
Khi p < 5.10-1 Pa, s" phóng �i�n ch�m d�t và dòng ion r�t nh% vì quãng � #ng t" do c�a các �i�n t� trong ch�t khí x�p x' b/ng khong cách gi*a hai �i�n c"c nên chúng không t�o �� c�p �i�n t�-ion.
�� t4ng quãng � #ng t" do c�a �i�n t� và do �ó t4ng h� s! ion hóa Si, Penning ��t xung quanh !ng phóng �i�n m�t nam châm v+nh c�u t�o t� tr #ng B ~ 0,1 tesla vuông góc v(i �i�n c"c. D (i tác d�ng c�a t� tr #ng, các �i�n t� chuy�n ��ng theo qu8 ��o xo7n !c và quãng � #ng �i trong !ng c�a chúng t4ng lên r�t nhi�u làm t4ng
xác su�t va ch�m v(i phân t� và nguyên t� khí do �ó có th� duy trì phóng �i�n �n áp su�t 10-5Pa.
Trên hình 1.30 bi�u di1n nguyên lý c�a chân không k Penning �!i x�ng. Chân không k Penning �!i x�ng có hai catot ph.ng d�ng �+a, gi*a chúng ��t m�t anot
hình tr� là n$i s3 xy ra phóng �i�n. Cm �ng t� B�
h (ng theo tr�c c�a h�. Tín
hi�u �i�n là dòng i trong m�ch gi*a anot và catot và là kt qu t�ng c�ng c�a dòng �i�n t� thu t�i anot và dòng ion thu � �c t�i catot. T6 s! gi*a dòng �i�n i và áp su�t
khá ph�c t�p và ph� thu�c nhi�u vào c�u trúc ��u �o và bn ch�t c�a ch�t khí. Tuy nhiên �� nh�y S =i/p t $ng �!i �n ��nh khong 3 b�c c�a áp su�t và ��t giá tr� ≈5.10-2 A/Pa. Th#i gian �áp �ng c= ~0,5 s (khi chân không k �ã phóng �i�n).
Hình 1.29 Chân không k catot ngui.
%
&�
'
&�
(
&�
)
&�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 43� 12/8/2007
c) Chân không k� catot nóng.
��u �o catot nóng có 3 �i�n c"c d�ng hình tr� ��ng tr�c, trong �ó:
M�t c"c là catot � �c �!t nóng b/ng hi�u �ng Joule và phát x� �i�n t� theo hi�u �ng nhi�t ion.
M�t anot ��t d (i �i�n áp d $ng so v(i catot �� t4ng t!c �i�n t� và thu nh�n �i�n t�.
M�t c"c góp �� thu các ion d $ng hình thành khi �i�n t� chuy�n ��ng va
��p v(i phân t� khí.
Ng #i ta phân bi�t hai lo�i chân không k khác nhau ph� thu�c vào v� trí t $ng �!i gi*a các �i�n c"c.
Trong lo�i triot bình th #ng, l (i kim lo�i hình tr� �óng vai tr� anot và bao quanh
catot có d�ng m�t s�i �!t n/m d c theo tr�c c�a hình tr�, gi*a chúng là c"c góp, ngoài cùng là v% b/ng kim lo�i bao quanh toàn b� c�u trúc (h 1.31).
Lo�i triot th� hai, triot Bayard-Alpert, có c�u trúc hình h c ng �c l�i v(i lo�i th�
nh�t, trong �ó v� trí c�a catot và c"c góp (t $ng �ng v(i anot d�ng l (i) hoán v� cho nhau: c"c góp là m�t s�i dây kim lo�i n/m d c theo tr�c c�a l (i (h.1.32). Lo�i th� hai ho�t ��ng t!t h$n lo�i triot bình th #ng.
Hình 1.30 Chân không k Penning ��i x�ng.
K1 K2
A
B
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 44� 12/8/2007
Lo�i chân không k th� nh�t thích h�p �� �o áp su�t p 510−≥ Pa, lo�i th� hai m�
r�ng ph�m vi �o v� phía áp su�t th�p 10-9 ÷ 10-8 Pa.
Ch �� �i�n áp trên �i�n c"c c�a chân không k nh sau: l (i �óng vai trò anot
� �c ��t d (i �i�n áp 150 ÷ 200 V so v(i c"c góp n!i ��t qua d�ng c� �o catot có �i�n th 30÷ 50 V so v(i c"c góp. Các �i�n t� xu�t phát t� catot � �c t4ng t!c do hi�u th gi*a l (i và catot, n4ng l �ng c�a chúng gim d�n và chúng s3 b� b7t t�i l (i. Ph�n khác có n4ng l �ng l(n h$n chui vào khong không gian gi*a l (i và
c"c góp, ion hóa ch�t khí t�i �ó và m�t n4ng l �ng. C,ng có m�t s! �i�n t� không b� va ch�m và có n4ng l �ng c"c ��i không th� �i qua � #ng �.ng th �ng v(i �i�n th catot và quay ng �c l�i. Khi quay tr� l�i nh v�y chúng s3 ion hóa phân t� ch�t khí và b� b7t t�i l (i. �i�u này làm cho quãng � #ng c�a �i�n t� t4ng lên và s! c�p
�i�n t�- ion c,ng t4ng theo. Các ion hình thành gi*a l (i và c"c góp ch�y v� c"c góp t�o thành dòng góp ii. Các �i�n t� b� b7t t�i l (i t�o thành dòng ic, dòng này b/ng dòng phát x� c�a catot. S! ion hình thành trong quá trình ion hóa t6 l� v(i s! �i�n t� �ã gây nên s" ion hóa và v(i s! phân t� khí, do �ó t6 l� v(i áp su�t c�a môi
tr #ng �o:
ii= S.ie.p (3.8)
A
Hình 1.31 Chân không k ion hóa catot nóng lo�i triot bình th��ng.
anot
c"c góp ion
s�i �!t (catot)
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 45� 12/8/2007
T6 s! ii/ie g i là h� s! chân không c�a triot bình th #ng, nó luôn nh% h$n 1. H� s! S là �� nh�y c�a chân không k (� �c �o b/ng Pa-1 ho�c mbar -1) ph� thu�c vào kích th (c hình h c ��c tr ng c�a chân không k và bn ch�t c�a ch�t khí (thông qua h�
s! ion hóa). Tr #ng h�p triot bình th #ng, trong khí nit$, S ≈ 102 ÷ 5.102 Pa-1 ph� thu�c vào các model khác nhau, v(i triot B-A S @103÷3.103 Pa. C hai lo�i chân không k ��u không cho giá tr� tuy�t �!i và phi chu)n tr (c khi s� d�ng.
d) Chân không k� ion hóa b�ng ngu�n phóng x�
Ngu�n phóng x� th #ng là mu!i ra�i ho�c poloni ch t�o d (i d�ng màng m%ng trên m�t t�m kim lo�i và � �c ph� b/ng m�t l(p kim lo�i m%ng �� ch!ng 4n mòn và ng4n cn s" khuych tán ch�t phóng x� ra bu�ng chân không. T�m kim lo�i có
ngu�n phóng x� � �c g7n vào � c�a m�t h�p kim lo�i hình tr� chính là bu�ng ion hóa. S$ �� nguyên lý c�u t�o c�a chân không k lo�i ion hóa b/ng ngu�n phóng x� bi�u di1n trên hình 1.33.
C"c góp ion có d�ng m�t dây mnh � �c n!i v(i c"c âm so v(i bình ion hóa
(50 – 100 V). Nó phi � �c cách �i�n t!t b�i vì dòng ion r�t nh%. Gi(i h�n �o c�a chân không k ion dùng ngu�n phóng x� n/m trong khong 10-3 ÷ 10-2 Pa. Gi(i h�n trên c�a di �o liên quan �n hi�n t �ng tái h�p �i�n t�-ion, còn gi(i h�n d (i là do có s" t�n t�i c�a dòng �i�n d c�a các �i�n t� th� c�p sinh ra khi các h�t b7n phá
c"c góp. Chân không k phóng x� tuy �$n gin nh ng ít � �c s� d�ng vì lý do nguy hi�m phóng x�.
A
Hình 1.32 Chân không k ion hóa catot nóng lo�i triot Bayard-Alpert.
l (i (anot) s�i �!t
(catot)
c"c góp ion
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 46� 12/8/2007
1.4.4 C�m bin b�c x ht nhân
M0i nguyên t! phóng x� là m�t ngu�n b�c x� h�t nhân. Nh*ng b�c x� này ph� thu�c vào bn ch�t c�a ngu�n và � �c t�o thành t� các h�t mang �i�n tích (nh h�t
J, K) và không mang �i�n tích (nh n$tron, photon). Nghiên c�u s" t $ng tác c�a các b�c x� v(i v�t ch�t cho phép phát hi�n nh*ng b�c x� �ó và xác ��nh môi tr #ng v�t ch�t mà chúng �i qua.
M�t h� nghiên c�u b�c x� h�t nhân bao g�m m�t ngu�n, m�t detector là cm bin phóng x� và v�t nghiên c�u ��t � v� trí thích h�p. M�t ph�n c�a chùm tia t(i v�t nghiên c�u � �c truy�n ho�c tán x� �n cm bin phóng x� h�t nhân và do v�y s3 phn ánh m�t s! thông s! v�t lý c�a môi tr #ng nh b� dày, m�t ��, m�c vv…
&u �i�m n�i b�t c�a các ��u �o phóng x� h�t nhân là cho phép tin hành phép �o m�t cách không tr"c tip, �o trên m�t v�t chuy�n ��ng, �o qua thành bình và �o trong nh*ng môi tr #ng �4c bi�t khó tip c�n nh môi tr #ng có áp su�t l(n, nhi�t �� cao, có 4n mòn hóa h c…
1.4.4.1 ��u �o b!ng ion hóa ch�t khí
a) Nguyên lý chung
Trong m�t th� tích ch�a ch�t khí có hai �i�n c"c ��t d (i hi�u �i�n th không ��i.
B�c x� h�t nhân chiu t(i làm ion hóa ch�t khí và gii phóng ra các �i�n tích � �c thu l�i � các �i�n c"c. Các �i�n c"c này th #ng có d�ng hình tr�: v% ��u �o �óng vai trò catot th #ng xuyên n!i ��t, trong khi �ó anot là m�t s�i dây mnh ��ng tr�c � �c ��t d (i m�t �i�n áp nh�t ��nh.
Hình 1.33 Chân không k dùng ngu n phóng x�.
s� cách �i�n
anot
c"c góp ion
bu�ng ion hóa
ngu�n phóng x�
P
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 47� 12/8/2007
N4ng l �ng trung bình Wl c�n thit �� t�o c�p �i�n t�-ion m�t m�t ph� thu�c vào bn ch�t c�a ch�t khí, m�t khác, � m�c �� th�p h$n, ph� thu�c vào n4ng l �ng và
bn ch�t c�a h�t chiu t(i. Thí d�: �� t�o c�p ion b/ng h�t c�a poloni � nh*ng môi tr #ng khác nhau �òi h%i n4ng l �ng trung bình khác nhau:
35,6 eV trong không khí;
29,7 eV trong khí neon;
23,6 eV trong khí xenon.
Nu h�t m�t m�t n4ng l �ng W khi �i qua ph�n th� tích c�a ��u �o thì nó t�o ra N0
c�p �i�n t�- ion:
lW
WN =0 (4.1)
Các h�t �i�n tích này chuy�n ��ng trong �i�n tr #ng E v(i t!c �� ph� thu�c vào
�i�n tr #ng, vào bn ch�t và áp su�t c�a ch�t khí. T!c �� c�a �i�n t� l(n h$n r�t nhi�u so v(i t!c �� c�a ion, ve >> vi, cho nên �i�n t� ��t t(i anot tr (c khi ion di chuy�n � �c m�t khong không �áng k�.
Nu c�p �i�n tr #ng �� m�nh, các �i�n t� thu � �c n4ng l �ng �� l(n �� t�o ra nh*ng c�p �i�n t�- ion m(i (do va ch�m v(i phân t� khí): N �i�n t� s3 gây ra dN c�p �i�n t�- ion m(i trên quãng � #ng dx:
dN = J.N.dx (4.2)
Trong �ó J là h� s! ph� thu�c vào áp su�t p, �i�n tr #ng E và bn ch�t c�a ch�t khí theo bi�u th�c:
��
���
�−=
E
BpA
pexp.
α (4.3)
Trong �ó A và B là các h/ng s!. Quá trình ion hóa th� c�p này xy ra trong không khí ngay t� khi t6 s! E/p >22,5 mV/cm.Pa (t $ng � $ng 2300 V/cm � áp su�t 1 atm). �!i v(i N0 c�p �i�n t� - ion t�o thành trong th� tích khí có ích c�a ��u �o,
s! �i�n tích N thu � �c � �i�n c"c và biên �� tín hi�u ra ph� thu�c vào �i�n áp trên �i�n c"c. Tùy thu�c vào giá tr� c�a V ng #i ta phân bi�t các ch �� làm vi�c khác nhau c�a ��u �o (hình 1.34):
Vùng I: E t $ng �!i nh%, m�t ph�n �i�n t� và ion tái h�p tr (c khi �n � �c �i�n
c"c, N < N0.
Vùng II: t�t c các �i�n tích hình thành ��u �n � �c �i�n c"c và b� thu gom � �ó không ph� thu�c vào �i�n th V, N = N0. Ch �� này g i là ch �� bu�ng ion hóa.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 48� 12/8/2007
Vùng III: trong vùng này có s" nhân h�t ti do va ch�m, N = MN0, h� s! nhân M không ph� thu�c vào N0 và có th� ��t t(i 103. �ây là ch �� �m t6 l�.
Vùng IV: trong vùng này h� s! nhân M ph� thu�c vào N0, �ây là ch �� bán t6 l�.
Vùng V: tín hi�u ra c�a ��u �o không ph� thu�c vào N0, �ây là ch �� �m Geiger-Muller.
Vùng VI: trong vùng này ch �� ho�t ��ng không �n ��nh, xy ra hi�n t �ng phóng
�i�n khi �i�n th ��t giá tr� �i�n th phóng �i�n.
b) Bu�ng ion hóa
Khi ch�t khí ch�a trong ��u �o ch�u nh h �ng c�a lu�ng h�t b�c x� chiu liên t�c, t�i anot s3 thu � �c dòng �i�n I. Dòng này t6 l� v(i s! h�t b�c x� t(i th� tích khí trong m�t giây và v(i s! N0 c�p �i�n t�-ion do m�t h�t t�o thành:
I = qe.n.N0 (4.4)
Trong �ó qe = 1,6.10-19 C.
Trong tr #ng h�p b�c x� tia X ho�c tia J, dòng �i�n I có th� bi�u di1n d (i d�ng bi�u th�c:
310.08,1
... −=Dpvk
I (4.5)
Trong �ó:
I �o b/ng A;
K là h/ng s! c�a ch�t khí, k = 1 �!i v(i không khí;
N
N0
V
III
III
IV V
VI
Hình 1.34 Các ch � làm vi�c c�a ��u �o b�c x� h�t nhân b�ng ion hóa ch�t khí.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 49� 12/8/2007
V là th� tích h*u ích c�a c�u �o (th� tích ch�a ch�t khí);
P là áp su�t �o b/ng atm;
D là li�u l �ng b�c x� trong m�t �$n v� th#i gian và � �c �o b/ng r$ghen/h.
Dòng �i�n I có giá tr� n/m trong khong 10-15 ÷ 10-4 A và ph� thu�c vào D nh ng không ph� thu�c vào �i�n th trong m�t di c= hàng tr4m vôn. Tín hi�u �o là tín
hi�u �i�n áp Vm r$i trên �i�n tr� Rm khi dòng �i�n này ch�y qua. �i�n tr� Rm phi có giá tr� r�t l(n, Rm > 1010I.
Khi ch t�o bu�ng ion hóa, tùy thu�c vào bn ch�t c�a b�c x� c�n phát hi�n, ng #i
ta ch n ch�t khí, áp su�t và c�a s� chiu thích h�p sao cho ��t hi�u qu phát hi�n cao nh�t. Hi�u qu phát hi�n � �c xác ��nh nh là t6 s! gi*a s! xung phát ra và s! h�t chiu t(i.
D (i �ây gi(i thi�u các thông s! ch t�o bu�ng ion hóa dùng cho m�t s! lo�i khí:
B�c x� J và K : không khí d (i áp su�t p nh% h$n ho�c b/ng áp su�t khí quy�n, c�a s� mnh b/ng nhôm ho�c beri;
B�c x� tia X: ch�t khí n�ng (Ar, Xe) v(i áp su�t p nh% h$n ho�c b/ng áp
su�t khí quy�n, c�a s� mnh b/ng beri;
B�c x� tia 5: ch�t khí n�ng,(Ar,Xe) d (i áp su�t p l(n h$n ho�c b/ng áp su�t khí quy�n, thành bu�ng có �� dày c= quãng � #ng t" do trung bình c�a �i�n t�.
�� có khái ni�m c� th�, sau �ây là m�t thí d� th"c t: bu�ng ion hóa CRGA11 dùng cho lu�ng tia m�nh (sn ph)m c�a hãng R.T.C):
Th� tích có ích: 10 cm3;
Khí �i�n ��y bu�ng: Nit$, áp su�t 1,05 bar;
�i�n áp phân c"c: 600V;
�� nh�y (tia c�a 600Co): 1,5.10-12 A/R.h-1;
Li�u l �ng c"c ��i: 1,08. R.h-1.
�� �o dòng do bu�ng ion hóa cung c�p ng #i ta s� d�ng m�ch chuy�n ��i dòng -�i�n áp (hình 1.35).
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 50� 12/8/2007
�i�u ki�n c�n thit là dòng I phi không quá nh%. D�ng xung �i�n ��u ra ph� thu�c vào:
H/ng s! th#i gian RmC xác ��nh b�i �i�n tr� ti Rm và t�ng �i�n dung c�a bu�ng v(i �i�n dung ��u vào c�a thit b� �o.
Th#i gian gom �i�n t� � anot (t1 ≈ 10-6s) và gom ion d $ng � catot (t2 ≈10-3s).
&u �i�m c�a bu�ng ion hóa là th� tích h*u ích l(n và �� tuyn tính �áp �ng t!t. Hi�u su�t phát hi�n s�p x' 1 �!i v(i tia J, 0,8 ÷ 0,9 �!i v(i tia K và 10-2 �!i v(i tia 5.
c) �ng ��m t l�
Nguyên lý c�a !ng �m t6 l� d"a vào vi�c s� d�ng hi�u �ng nhân (do va ch�m) s! ion N0 hình thành khi có chùm tia b�c x� chiu vào ch�t khí. H� s! nhân M (n/m trong khong 102 ÷ 103) ph� thu�c vào bn ch�t c�a ch�t khí và t4ng theo áp su�t và
�i�n áp. Quá trình khuych ��i này có th� �� l(n �� cho phép phát hi�n ch' m�t b�c x� duy nh�t. Fng v(i N0 ion t�o thành, �i�n tích thu � �c Q = MN0qe và �i�n áp Vm = MN0qe/C, trong �ó C là �i�n dung � ��u ra c�a !ng �m. Thí d�: M = 500, N0 = 200, C = 10 pF, Vm = 1,6 mV.
Biên �� xung ra t6 l� v(i n4ng l �ng mà h�t m�t �i khi nó �i qua th� tích h*u ích c�a ��u �o. S" phân bi�t biên �� c�a xung ra cho phép l"a ch n h�t trong s! các h�t t(i khác nhau, thí d� cho phép phát hi�n b�c x� J (N0 l(n) trong khí có m�t các b�c x� K và 5 (N0 nh%).
d) �ng ��m Geiger-Muller
Khi �i�n tr #ng ��t vào �� m�nh, các ion s$ c�p nh�n � �c n4ng l �ng �� l(n �� kích thích t�o ra các ion th� c�p do va ch�m. Các ion này l�i phát ra photon (trong
gii ph� c"c tím UV). �n l �t mình, các photon UV này gây nên hi�u �ng ion hóa
Hình 1.35 S� � ghép n�i v!i bu ng ion hóa.
500V
ch'nh di �o
ch'nh 0
Rm
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 51� 12/8/2007
ch�t khí (hi�u �ng quang �i�n và phát x� �i�n t� t� v�t li�u kim lo�i làm catot. Kt qu là xy ra hi�n t �ng thác l,, ��c bi�t d c theo dây anot, t�o nên tín hi�u � ��u
ra có biên �� (t� 1 �n 10 V) không ph� thu�c vào s! ion s$ c�p N0 t�o thành khi h�t phóng x� chiu t(i. �ng �m G-M ch' dùng �� phát hi�n h�t ch� không dùng �� �o n4ng l �ng c�a h�t.
�� d�ng dòng thác l, có th� p d�ng m�t trong hai cách:
Tr�n vào ch�t khí c�a !ng �m (th #ng là khí him) m�t lo�i khí khác, thí d� khí halogen, �� h�p th� b�c x� tia c"c tím và d�ng dòng thác l,, !ng �m s3 t" ng7t.
M7c vào m�ch anot m�t �i�n tr� Rl t $ng �!i l(n, t� 2 �n 10 MI. Khi xy ra hi�n t �ng thác l,, s�t th trên Rl s3 làm �i�n áp gi*a catot và anot xu!ng th�p h$n �i�n áp ng =ng.
Ph� thu�c vào �i�n áp V ��t trên !ng �m, ch �� G-M có th� kéo dài hàng tr4m vôn, ng =ng d (i n/m trong khong ~300÷400 V và gi(i h�n trên trong ph�m vi ~ 700÷900V. Trong di �i�n áp này, �!i v(i m�t b�c x� h�t nhân cho tr (c, t6 l� �m n (s! xung trong m�t giây) ít ph� thu�c vào �i�n áp V:
14101 −−<= V
dV
dn
n (4.6)
Nguyên lý c�u t�o c�a !ng �m G-M bi�u di1n trên hình 1.36. �i�n tr� anot R1, ngoài tác d�ng �� t7c hi�n t �ng thác l, nh v�a gi(i thi�u còn có tác d�ng bo v�.
�i�n tr� catot R2 là �i�n tr� �o có giá tr� ~0,1÷1 M. Biên �� xung �i�n áp V2 trên hai ��u �i�n tr� R2 � �c bi�u di1n b/ng bi�u th�c:
( )SVEERR
RV −
+= .
21
22 (4.7)
Trong �ó E là �i�n áp nuôi anot và Vs là �i�n áp ng =ng c�a di �i�n áp làm vi�c.
Hình 1.36 %ng �m Geiger-Muller: a) s� � c�u t�o; b) m�ch �i�n.
dây anot
catot
c�a s� mica
��u ra catot
anot
R1
R2
C1
C2
Cp2
Cp1
E
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 52� 12/8/2007
�� tránh bin d�ng xung ký sinh (CP1,CP2) c�a �i�n c"c và dây d2n gây nên, ng #i ta thêm vào m�t m�ch bù tr� g�m hai �i�n dung C1 và C2 � �c ch n sao cho:
(CP1+ C1)R1 = (CP2+ C2)R2 (4.8)
Xung ra � �c ��t tr ng b�i th#i gian xung lên ng7n (~µs), th#i gian xung xu!ng di �o c�n d�p t7t phóng �i�n (~50 ÷150 µs).
1.4.4.2 ��u �o nh�p nháy
��u �o nh�p nháy là m�t h� bao g�m b� nh�p nháy và b� nhân quang (h. 1.37). B� nh�p nháy � �c làm t� m�t v�t li�u cho phép chuy�n ��i n4ng l �ng c�a h�t t(i
thành photon ánh sáng và có b (c sóng gi*a xanh và c"c tím. Các photon t(i photocatot c�a b� nhân quang làm phát x� �i�n t� � �ó, s! l �ng c�a chúng sau �ó � �c nhân lên do phát x� th� c�p và � �c thu l�i � anot �� hình thành tín hi�u �i�n � ��u ra c�a ��u �o nh�p nháy.
S" phát sáng c�a b� nh�p nháy là hi�n t �ng phát quang: n4ng l �ng t(i làm cho nguyên t� ho�c phân t� chuy�n sang tr�ng thái kích thích, khi tr� v� tr�ng thái c$ bn chúng phát ra photon.
Trong m�t s! ch�t h*u c$ (antraxen, toluen), phát quang là tính ch�t phân t� và xu�t
hi�n � c tr�ng thái r7n và tr�ng thái l%ng. Trong nh*ng ch�t vô c$ (sulphua k3m ZnS, NaI) phát quang là hi�n t �ng ch' xy ra trong tinh th� do có s" t�n t�i c�a khuyt t�t là các tâm kích ho�t (t�p, b�t �!i x�ng…). �� phát hi�n các h�t tích �i�n phi dùng ZnS và các v�t li�u h*u c$ nhG nh antraxen. Các h�t � �c phát hi�n
m�t cách gián tip b/ng hi�u �ng nh�p nháy gây nên b�i các �i�n t� � �c gii phóng do hi�u �ng quang �i�n trong v�t li�u NaI và CsI. Ng #i ta c,ng phát hi�n các n$tron nhi�t nh# h0n h�p c�a bor (10B) và sulfua k3m (ZnS), hi�u �ng nh�p nháy gây nên do các h�t phát ra khi v�t li�u b� h�t n$tron nhi�t b7n phá.
Hình 1.37 ��u �o nh�p nháy.
c�a s� ch7n sáng
phn x� ánh sáng
!ng nhân quang
v% ch7n sáng
tín hi�u
C R
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 53� 12/8/2007
� K�t h�p hi�u �ng nh�p nháy và nhân quang
Gi thit m�t h�t t(i truy�n n4ng l �ng W cho b� nh�p nháy, h�t s3 làm phát x� ns photon:
hv
Wr
W
Wn ss .
1
== (4.9)
Trong �ó rs là hi�u su�t phát quang. Trong s! ns photon này, ch' có nk photon �n
� �c photocatot:
0rn
n
s
k = (4.10)
r0 g i là hi�u su�t chuy�n ��i quang.
Nu có nk photon �n � �c catot, chúng s3 gây ra ne �i�n t� phát x�:
ne = çk.nk (4.11)
trong �ó çk là hi�u su�t l �ng t� c�a photocatot. Thông th #ng çk n/m trong khong ~10% ÷30% ph� thu�c vào thành ph�n c�u t�o c�a nó.
S! �i�n t� thu � �c t�i anot � �c tính b/ng bi�u th�c:
hv
WrrMnMn skea ..... 0η== (4.12)
Trong �ó M là h� s! khuych ��i c�a b� nhân quang.
Thí d�: �!i v(i h�t 5 MeV truy�n n4ng l �ng cho b� nh�p nháy làm b/ng sulfua
k3m, các h� s! có giá tr� nh sau:
rs= 28 %, hv = 3 eV (= 0,45 µm), ns = 4,7.105
r0= 30 , nk = 1,4.105,
çk =10 %, ne = 1,4.104,
M = 106, na = 1,4.1010.
�� ci thi�n hi�u su�t chuy�n ��i quang r0 c�a ��u �o nh�p nháy (t(i 30 %) phi kt
h�p hai bi�n pháp:
Gim s" m�t mát ánh sáng b/ng cách t4ng phn x� c�a b� m�t b� nh�p nháy;
�m bo n!i v(i b� nhân quang b/ng “��m quang” có chic su�t n/m
trong khong gi*a chic su�t c�a b� nh�p nháy và chic su�t c�a th�y tinh làm v% b� nhân quang.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 54� 12/8/2007
&u �i�m c�a ��u �o nh�p nháy là t6 l� �m cao và hi�u su�t phát hi�n l(n �!i v(i tia gama. Nh �c �i�m c�a ��u �o lo�i này là có c�u t�o ph�c t�p vì phi dùng b�
nhân quang.
1.4.5 C�m bin �" #m
�� )m cao c�a không khí và c�a ch�t khí nói chung có th� có h�u qu nghiêm tr ng
�!i v(i các quá trình lý hóa và sinh lý. B�i v�y �o �� )m là �i�u b7t bu�c trong nhi�u thit b� và môi tr #ng làm vi�c vì nh*ng lý do có th� li�t kê d (i �ây.
Trong �#i s!ng, �� )m t $ng �!i c�n phi duy trì �� �m bo cm giác d� ch�u cho con ng #i thay ��i trong m�t khong t $ng �!i r�ng: t� 35% �n 70%. Nu �� )m
t $ng �!i th�p h$n 35%, b� máy tiêu hóa b� kích thích, còn nu l(n h$n 70% thì s" ra m� h$i s3 b� gim nghiêm tr ng. Nói chung �� )m nh h �ng �n tiêu th� n4ng l �ng: �� )m càng cao thì càng t!n phí n4ng l �ng �� có cùng �i�u ki�n môi tr #ng.
Trong công nghi�p, các �i�u ki�n v� �� )m r�t khác nhau ph� thu�c vào sn ph)m c� th�. Trong m�t s! tr #ng h�p, phi duy trì �� )m không ��i trong môi tr #ng làm vi�c, thí d�, trong công nghi�p d�t, b�i vì s" thay ��i �� )m làm thay ��i các ��c tính c�a s�i (nh s�c c4ng c$ h c). Trong công nghi�p th"c ph)m, �i�u ki�n
bo qun th"c ph)m t!i u ph� thu�c vào lo�i sn ph)m, th #ng là � nhi�t �� T = 0 0C và �� )m trong khong 85-90%. �� )m cao quá làm cho th"c ph)m b� h%ng, và th�p quá làm gim tr ng l �ng do bay h$i n (c.
V�n �� phát hi�n vt h$i n (c: trong nhi�u quá trình công nghi�p, vi�c tránh vt h$i
n (c trong không khí ho�c trong các ch�t khí (cacbon, etylen, khí t" nhiên…) là r�t quang tr ng, b�i vì s" có m�t c�a h$i n (c � m�t l �ng �áng k� có th� gây nên nh*ng phn �ng ph� ho�c gây nên quá trình ng ng t�. Nhu c�u phát hi�n �� )m r�t nh% c� ph�n tri�u th� tích (ppm) ��c bi�t quan tr ng �!i v(i m�t s! �ng d�ng công
nghi�p nh n4ng l �ng h�t nhân, vi �i�n t�, luy�n kim, gia công nhi�t, �i�n áp cao.
1.4.5.2 Phân loi #m k
Có th� phân chia )m k thành hai lo�i chính:
Lo�i th� nh�t d"a trên nguyên lý v�t lý cho phép tr"c tip xác ��nh �� )m, thí d� )m k ng ng t�, )m k �i�n ly.
Lo�i th� hai có nguyên lý d"a trên vi�c �o tính ch�t c�a v�t có liên quan �n �� )m, thí d� )m k bin thiên tr� kháng.
Các lo�i )m k khác nhau này, tùy theo nguyên t7c ho�t ��ng, cho phép tip c�n v(i m�t trong nh*ng thông s! c�a không khí )m �ã mô t � m�c tr (c. Các thông s! c�a không khí )m và lo�i )m k thích h�p �� �o chúng � �c li�t kê nh sau:
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 55� 12/8/2007
Nhi�t �� hóa s $ng Td �o b/ng )m k ng ng t�, )m k h�p th�, )m k ôxit nhôm và )m k �i�n ly;
Nhi�t �� )m Th �o b/ng psychromet;
�� )m t $ng �!i U �o b/ng )m k bin thiên �i�n tr� và )m k bin thiên �i�n dung.
Nói chung r�t khó so sánh các lo�i )m k khác nhau b�i vì chúng �o các thông s! khác nhau c�a không khí )m. Tr (c khi ch n m�t )m k c�n phi bit thông s! chính mu!n �o �� ch n l"a thit b� cho phép �o v(i �� sai l�ch nh% nh�t.
1.4.5.3 $m k ng�ng t�
a) Nguyên lý ho�t ��ng và c�u t�o !m k�
Khi làm l�nh m�t v�t có th� �o nhi�t �� m�t cách liên t�c cho �n khi hình thành l(p s $ng ho�c l(p b4ng trên b� m�t c�a nó. Tip theo, �n ��nh quá trình làm l�nh
b/ng cách gi* tr�ng thái cân b/ng gi*a không khí và l(p s $ng. Nhi�t �� �o � �c chính là �iêm s $ng Td (dew point) còn g i là �i�m b4ng giá Tf (frost point). B7t ��u t� �i�m s $ng này ng #i ta �o áp su�t h$i trong không khí )m.
Các )m k �o �i�m s ong ch' �áng tin c�y khi chúng � �c t" ��ng hóa. Trên hình 1.38 bi�u di1n s$ �� nguyên lý và c�u t�o c�a m�t )m k t" ��ng theo nguyên lý ng ng t�.
Các ph�n t� c�a )m k ng ng t� bao g�m:
G $ng b/ng kim lo�i và h� th!ng �i�u ch'nh nhi�t �� c�a g $ng;
Cm bin �o nhi�t �� c�a g $ng (�i�n tr� platin ho�c c�p nhi�t);
Ngu�n phát chùm tia ánh sáng và ��u �o quang.
Khi không có ng ng t� h$i n (c, ngu�n sáng chiu vào g $ng �� sao cho tia phn x� không chiu �n ��u �o. Lúc này h� th!ng �i�u khi�n phát tín hi�u �� làm l�nh g $ng (b/ng hi�u �ng Peltier ho�c b/ng nit$ l%ng) cho �n khi xu�t hi�n s" ng ng t�. Khi xu�t hi�n l(p s $ng trên b� m�t g $ng, ánh sáng b� tán x� �n ��u thu
quang kích thích phát tín hi�u nung nóng g $ng thông qua b� �i�u khi�n. Khi nhi�t �� g $ng t4ng, l(p s $ng bin m�t cùng v(i s" ch�m d�t hi�n t �ng tán x� ánh sáng và m�t chu k> làm l�nh m(i l�i � �c b7t ��u. B/ng cách hi�u ch'nh thích h�p có th� nh�n � �c l(p ng ng t� có b� dày c! ��nh và t�o ra tr�ng thái cân b/ng gi*a
h$i n (c và l(p ng ng t�. Cm bin nhi�t �� ��t phía sau g $ng cho phép xác ��nh nhi�t �� c�a g $ng.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 56� 12/8/2007
b) Các y�u t� nh h��ng.
Gra�ient nhi�t �� và s" dò nhi�t nh h �ng r�t m�nh �n �� chính xác c�a ��u �o. Theo lý thuyt, nhi�t �� hóa s $ng là nhi�t �� c�a b� m�t phân biên gi*a không khí và n (c. Tuy nhiên trên th"c t luôn luôn t�n t�i gra�ient nhi�t �� gi*a b� m�t này và cm bin nhi�t �� vì nó ��t sau g $ng. ��y là ch a k� �n sai s! gây nên b�i
hi�u �ng d2n nhi�t c�a dây d2n. Tuy v�y, �ây là sai s! h� th!ng và có th� lo�i b% b/ng cách chu)n )m k.
Khi �i�m hóa s $ng th�p h$n 0 0C, n (c có th� t�n t�i d (i d�ng b4ng ho�c d (i d�ng ch�t l%ng ch�m �ông. Do v�y, v(i cùng t6 l� tr�n r có th� có hai �i�m cân
b/ng t $ng �ng v(i các áp su�t riêng ph�n khác nhau. Trong tr #ng h�p này, v(i cùng t6 l� tr�n r cho tr (c, nhi�t �� hóa s $ng và nhi�t �� b4ng giá có th� khác nhau. �� tránh hi�n t �ng này có th� áp d�ng bi�n pháp làm l�nh � nhi�t �� r�t th�p �� ch7c ch7n là �ã ��t � �c tr�ng thái r7n sau �ó nâng lên nhi�t �� �óng b4ng.
Hình 1.38 &m k ng�ng t�.
�i�n tr� �!t
làm ngu�i
�o nhi�t ��
khí
g $ng
c�a s�
t bào quang d2n
kh!i quang ngu�n nuôi
ngu�n sáng g $ng
cm bin nhi�t ��
làm ngu�i nung nóng
B� �i�u khi�n
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 57� 12/8/2007
Quá trình chuy�n tr�ng thái gi*a n (c và b4ng không nh�t thit phi xy ra xung quanh �i�m 0 0C. M�t s! máy �o có th� làm vi�c � trong n (c ch�m �ông � nhi�t �� th�p h$n -10 0C. Các thit b� t!t còn � �c trang b� thêm b� ph�n quang sát quang h c làm vi�c bình th #ng ngay c � nhi�t �� hóa s $ng.
c) Các ��c tr�ng
�ây là lo�i )m k duy nh�t có ph�m vi �o r�t r�ng, t� -70 0C �n 100 0C, th�m chí có th� m� r�ng gi(i h�n trên cao h$n n*a cho nh*ng �ng d�ng ��c bi�t. Thí d�, m�t s! )m k có th� làm vi�c � 180 0C �� �o nhi�t �� hóa s $ng c�a axit ho�c �� �o d (i áp su�t cao.
�� chính xác khi �o �i�m hóa s $ng Td ph� thu�c vào �� chính xác khi �o nhi�t �� và vào sai s! h� th!ng. M�t s! )m k có �� chính xác �n ± 0,2 0C. �!i v(i nh*ng ch�t có �i�m hóa s $ng cao h$n 20 0C, th#i gian �áp �ng c= khong vài phút. A -80 0C phi m�t 3 gi# v(i l u l �ng 10 l/h �� hình thành
m�t l(p b4ng 0,3 µm, t $ng � $ng v(i th#i gian �áp �ng � �i�u ki�n này.
&u �i�m n�i b�t c�a )m k ng ng t� là có th� làm vi�c trong môi tr #ng 4n mòn (thí d� khí nhiên li�u). Tuy v�y, s" ph�c t�p v� c�u t�o, giá thành cao, nhu c�u hi�u
ch'nh th #ng xuyên là nh*ng nh �c �i�m chính làm cho )m k lo�i này ch' � �c s� d�ng trong phòng thí nghi�m.
1.4.5.5 $m k bin thiên tr� kháng
Lm k bin thiên tr� kháng có ph�n t� nh�y là ch�t hút )m. Khi s� d�ng ng #i ta �o
s" thay ��i c�a m�t tính ch�t v�t lý c�a nó (nh �i�n tr� ho�c �i�n dung) ph� thu�c vào �� )m c�a môi tr #ng. Các ph)n t� nh�y c�a cm bin có kích th (c r�t nh% cho phép �o g�n nh theo �i�m v(i th#i gian �áp �ng nh%.
Các ch�t hút )m có kh n4ng ch�a l �ng n (c thay ��i ph� thu�c vào �� )m t $ng �!i c�a không khí. Nu mu!n ch t�o cm bin d"a trên nguyên t7c này c)n phi s� d�ng các ch�t có tính ch�t �i�n là hàm c�a l �ng n (c (t�c là �� )m), hàm này phi �n ��nh theo th#i gian, có tính thu�n ngh�ch và tuyn tính.
"m k� t� �i�n Al2O3
Trong )m k lo�i này, l(p �i�n môi là Al2O3 � �c ch t�o b/ng ph $ng pháp anot hóa t�m nhôm, và bn thân t�m nhôm �óng vai trò là �i�n c"c th� nh�t c�a t� �i�n. �i�n c"c th� hai là m�t màng m%ng kim lo�i � �c ch t�o trên m�t kia c�a l(p �i�n
môi (h.1.39a).
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 58� 12/8/2007
Các kt qu nghiên c�u cho th�y, nu chi�u dày l(p Al2O3 nh% h$n 0,3 µm thì thay ��i tr� kháng c�a t� �i�n ch' ph� thu�c vào áp su�t riêng ph�n c�a h$i n (c và không ph� thu�c vào nhi�t ��, do v�y có th� �o �� )m tuy�t �!i c�a môi tr #ng.
Quá trình anot hóa �� t�o l(p �i�n môi � �c th"c hi�n b/ng cách �i�n phân dung d�ch axit sunfuric H2SO4 trong n (c dùng nhôm làm anot. Oxy hình thành trên �i�n c"c Al s3 oxy hóa b� m�t �i�n c"c này thành Al2O3. Oxit nhôm là ch�t cách �i�n nên s3 t�o thành nhi�u �i�m �ánh th�ng làm cho l(p này có c�u trúc x!p.
Thí d�: trong b� ch�a axit H2SO4 n�ng �� 15% � nhi�t �� 10 0C �i�n phân d (i �i�n áp 15 V, s3 nh�n � �c l(p ôxít nhôm x!p ch�a 7,7.1010 l0 h�ng trên di�n tích
1 cm2, � #ng kính l0 h�ng thay ��i trong khong 100 ÷ 300 0
Α . Nh v�y, t $ng
�ng v(i b� m�t ngoài b/ng 1 cm2 s3 có b� m�t h�p th� b/ng 0,2 cm2.
�� thay ��i hình d�ng và s" phân b! l0 h�ng (t�c là thay ��i tính ch�t c�a l(p �i�n môi �!i v(i �� )m) có th� tác ��ng b/ng nhi�u cách nh :
Thay ��i nhi�t �� và n�ng �� dung d�ch �i�n phân ch�a trong b�;
Thay ��i �i�n áp ngu�n;
Thay ��i th#i gian oxy hóa anot;
Thêm vào ion ph� gia vào dung d�ch.
Các )m k ch t�o theo ch �� nêu � trên thích h�p v(i �� )m th�p. �!i v(i ch �� �ng d�ng này, yêu c�u l(p �i�n môi phi càng m%ng càng t!t. Vì v�y sau khi oxy hóa anot, l(p �i�n môi � �c mài c$ h c v(i m�c �ích gim b� dày �� làm cho cm
bin ch' nh�y � nhi�t �� hóa s $ng c�a môi tr #ng bao quanh.
Hình 1.39 &m k t� �i�n Al2O3: a) s� � c�u t�o; b) m�ch t��ng ���ng.
R1
R0
R2 C2
C0
�i�n c"c trong
�i�n c"c ngoài
���
���
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 59� 12/8/2007
�i�n c"c th� hai ph� trên l(p �i�n môi Al2O3 th #ng là m�t trong các kim lo�i nh Al, Cu, Au, Pt, Pd ho�c h�p ch�t Ni-Cr.
Các ��c tr ng �o l #ng chính c�a )m k t� �i�n s� d�ng ch�t �i�n môi là Al2O3 nh sau:
Lm k cho phép �o nhi�t �� hóa s $ng Td trong ph�m vi thay ��i t� -80 0C �n 70 0C;
Cm bin � �c ch t�o �� s� d�ng tr"c tip t�i �i�m c�n �o �� )m;
Th#i gian �áp �ng c= vài giây.
&u �i�m c�a cm bin này là có th� làm vi�c trong di áp su�t r�t r�ng, t� chân
không �n hàng tr4m bar.
Tuy nhiên, c�n tránh s� d�ng cm bin trong môi tr #ng có ch�a các ch�t 4n mòn (nh NaCl, l u hu>nh) vì chúng có th� 4n mòn nhôm và làm h h%ng ph�n t� nh�y cm c�a )m k.
1.4.5.6 $m k �i�n ly
a) Nguyên lý ho�t ��ng và ph��ng pháp ch� t�o
Lm k �i�n ly dùng �� �o l �ng h$i n (c r�t nh% trong không khí ho�c trong ch�t
khí. Ph�n t� nh�y cm c�a )m k là m�t chic !ng dài 10 cm, bên trong !ng có l(p P2O5 (anhydride phosphoric) � �c cu!n hai �i�n c"c b/ng platin ho�c ro�i. S$ �� nguyên lý c�u t�o c�a )m k �i�n ly bi�u di1n trên hình 1.40.
Khi ch�t khí nghiên c�u ch�y qua !ng �o, h$i n (c s3 b� l(p anhydride photphoric h�p th� thành H2PO3. �i�n áp m�t chi�u c= 70 V ��t gi*a hai �i�n c"c s3 gây nên hi�n t �ng �i�n phân n (c gii phóng O2, H2 và tái sinh P2O5.
Theo ��nh lu�t Faraday v� t6 s! gi*a �i�n l �ng ch�y qua các �i�n c"c và l �ng
n (c b� �i�n phân, c�n 96500 culong (c) �� phân ly m�t gam hóa tr� (9g) c�a n (c (1 phân t� gam H2O hóa tr� 2 ch�a 16g O2 và 2 g H2). Nu g i dme/dt là kh!i l �ng n (c b� gi* (c,ng là l �ng n (c b� �i�n ly) trong m�t �$n v� th#i gian thì c #ng �� dòng �i�n phân I s3 là:
dt
dmI e
310.9
96500−
= (5.1)
Và
VV
e QCdt
dm..α= (5.2)
Trong �ó:
Dòng �i�n �o b/ng A, dme/dt �o b/ng kg/s;
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 60� 12/8/2007
QV là l u l �ng khí (m3/s) �i qua ��u �o;
CV là n�ng �� h$i n (c (kg h$i n (c/m3 không khí);
J là h� s! gi* phân t� n (c trong l(p P2O5. Nu t!c �� khí không ��i, �!i v(i m�t c�u trúc hình h c, h� s! J không ��i, do �ó có th� xác ��nh b/ng cách chu)n ��u �o.
Bi�u th�c c�a dòng �i�n I cu!i cùng có th� vit thành:
VV QCI ...10.9
965003
α−
= (5.3)
Hay là
I = k.CV (5.4)
Trong �ó
VQk ..10.9
965003
α−
= (5.5)
�!i v(i m�t th� tích không khí cho tr (c, dòng �i�n phân t6 l� v(i n�ng �� h$i n (c bi�u di1n b/ng kg h$i n (c/m3 không khí.
b) Các ��c tr�ng
Lm k lo�i này ��c bi�t thích h�p v(i các ch�t khí ch�a l �ng h$i n (c r�t nh%. Gi(i h�n d (i c�a di �o b� h�n ch b�i các v�n �� h�p th� và nh h$i n (c trên � #ng d2n khí, thí d�, các phép �o công nghi�p không th� th"c hi�n � �c khi nhi�t
�� hóa s $ng h� xu!ng t(i -70 0C (v(i n�ng �� 10 ÷20 ppm).
Hình 1.40 S� � nguyên lý c�u t�o c�a 'm k �i�n ly.
��u n!i �i�n v% thép không r' �i�n c"c
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 61� 12/8/2007
M�c dù s� d�ng !ng d2n khí b/ng thép không r', các hi�n t �ng h�p th� v2n làm t4ng th#i gian c�n thit �� ��t t(i tr�ng thái cân b/ng (24 gi# �!i v(i n�ng �� nh%
h$n 10 ppm và Td <-70 0C).
Th#i gian �áp �ng ph� thu�c ch� yu vào h (ng thay ��i �� )m:
Nu theo h (ng t4ng �� )m (gi*a 100 và 1000 ppm) th#i gian �áp �ng
nh% h$n 30 s);
Nu theo h (ng gim �� )m (gi*a 1000 và 100 ppm) th#i gian �áp �ng t4ng lên và có th� ��t t(i vài phút.
Theo nguyên lý làm vi�c c�a ��u �o, ch�t P2O5 � �c t" ��ng tái sinh th #ng xuyên. Tuy v�y th#i gian s!ng c�a l(p này có gi(i h�n cho nên phi tái sinh nó theo chu k>. T�n s! tái sinh ph� thu�c vào �i�u ki�n s� d�ng và �� s�ch c�a ch�t khí phân tích. Có th� gim t�n s! này b/ng cách s� d�ng b� l c b/ng thép không r' kt dính.
Lm k �i�n ly � �c s� d�ng �� �o �� )m c�a r�t nhi�u lo�i khí nh nit$, hy�ro, metan, CO2, các ch�t khí làm l�nh (freon), không khí… M�t s! ch�t khí không dùng � �c v(i )m k �i�n ly vì chúng làm h h%ng ��u �o ho�c làm thay ��i ho�t ��ng c�a nó, thí d� khí amoniac, h$i r �u (các ch�t này tác d�ng v(i P2O5).
1.4.6 C�m bin �i�n hóa
Cm bin �i�n hóa là m�t v�t d2n �i�n � �c ��t trong môi tr #ng nghiên c�u n$i s3 xy ra quá trình trao ��i �i�n tích gi*a các h�t tích �i�n có m�t trong môi tr #ng và
cm bin. S" thay ��i n4ng l �ng t" do � phân biên (là kt qu c�a quá trình v�n chuy�n h�t d2n) � �c cm bin thu nh�n và truy�n qua h� �o d (i d�ng tín hi�u �i�n (dòng �i�n ho�c �i�n th).
1.4.6.1 C�m bin �i�n th
Các cm bin �i�n th d"a trên nguyên t7c xác ��nh s" khác nhau v� �i�n th gi*a �i�n c"c �o và �i�n c"c so sánh (là �i�n c"c có �i�n th không ��i và có tính l�p l�i khi nó � �c ��t trong môi tr #ng nghiên c�u). S" khác nhau v� �i�n th gi*a hai �i�n c"c là hàm c�a ho�t �� c�a các ion trong ch�t �i�n phân n$i ��t cm bin. �i�u ki�n
ho�t ��ng c�a cm bin �i�n th là không có dòng �i�n trong m�ch �o, vì th ng #i ta còn g i nó là cm bin có dòng �i�n b/ng 0.
a) Nguyên t�c chung
�o �i�n th là ph $ng pháp d"a trên vi�c �o s" khác nhau v� th gi*a hai �i�n c"c ��t trong m�t dung d�ch. Th c�a m�t �i�n c"c là hàm c�a n�ng �� ion có trong dung d�ch cho nên vi�c �o �i�n th c�a các �i�n c"c cho phép xác ��nh n�ng �� dung d�ch ho�c theo di s" thay ��i c�a n�ng �� trong quá trình di1n ra phn �ng hóa h c.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 62� 12/8/2007
Phn �ng oxy hóa kh� là phn �ng trao ��i �i�n t� tuân theo ph $ng trình:
dneOx Re1
2↔+ (6.1)
Trong �ó Ox là ch�t oxy hóa, và Red là ch�t kh�. Theo h (ng (1), ch�t nh�n �i�n t� �óng vai trò ch�t oxy hóa và nó b� kh�. Theo h (ng (2), ch�t nh #ng �i�n t� �óng
vai trò ch�t kh� và nó b� oxy hóa.
Khi nhúng m�t �i�n c"c kim lo�i không b� 4n mòn vào trong dung d�ch oxy hóa kh�, các �i�n t� � �c trao ��i gi*a �i�n c"c và dung d�ch gây nên phn �ng �i�n hóa. Sau m�t th#i gian s3 ��t t(i tr�ng thái cân b/ng trong �ó phn �ng trao ��i
Ox + ne MRed (6.2)
Xy ra cùng t!c �� v(i phn �ng trao ��i ng �c l�i
Red - neMOx (6.3)
Vào th#i �i�m này thành ph�n dung d�ch � g�n �i�n c"c không thay ��i n*a và �i�n c"c ��t � �c th cân b/ng E.
� #nh lu$t Nernst
Nói chung trong m�t dung d�ch hòa tan, các ion �ng x� gi!ng nh các phân t� trong ch�t khí lý t �ng. Nu áp su�t th)m th�u c�a lo�i ion này l(n h$n áp su�t th)m th�u c�a lo�i ion khác thì s3 xy ra s" trao ��i �i�n t� � �i�n c"c �� bù tr� cho s" chênh l�ch áp su�t �ó.
Gi s� C1 và P1 là n�ng �� và áp su�t th)m th�u c�a ch�t oxy hóa, C2 và P2 là n�ng �� và áp su�t th)m th�u c�a ch�t kh�. Nu P1>P2 thì phn �ng chim u th trên �i�n c"c là phn �ng (6.2). B�i v�y trên �i�n c"c s3 xu�t hi�n �i�n tích d $ng có giá tr� gi(i h�n b�i vì công w do phn �ng này cung c�p s3 b� bù tr� hoàn toàn v(i
công c�n phi sinh ra �� l�y t� �i�n c"c d $ng m�t �i�n t� mang �i�n tích âm. �!i v(i m�t ion có th� bi�u di1n b/ng bi�u th�c cân b/ng:
w = E.q (6.4)
Trong �ó w là công do phn �ng cung c�p, E là th cân b/ng và q là �i�n tích c�a �i�n t�.
�!i v(i m�t ion-gam ta có:
W = E.N.q (6.5)
Ngh+a là W = E.F (6.6)
Trong �ó N là s! Avoga�ro (N = 6,02.1023) và F là h/ng s! Faraday (F = 96493 culong).
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 63� 12/8/2007
�!i v(i c hai d�ng c�a phn �ng (6.1) � nhi�t �� không ��i s3 có m!i liên h�:
dPp
RTdW = (6.7)
Trong �ó R là h/ng s! c�a khí lý t �ng, T là nhi�t �� tuy�t �!i và P là áp su�t liên quan v(i n�ng �� b�i bi�u th�c:
P = k.C (6.8)
Do �ó có th� vit
dCC
RTdW = (6.9)
G i W1 và W2 là công �� th"c hi�n phn �ng (1) và (2), khi �ó
dW = dW1 + dW2 (6.10)
22
11
dCC
RTdC
C
RTdW += (6.11)
Do n�ng �� t�ng c�ng luôn không ��i:
dC1 = -dC2 = dC (6.12)
Và dCC
RTdC
C
RTdW
21
+= (6.13)
Nên ���
����
�+=
2
10 ln
C
CRTWW (6.14)
��t W0 = F.E0 (6.15)
Ta � �c: ��
�
����
����
�+=
2
10 ln.
C
C
F
RTEFW (6.16)
So sánh hai bi�u th�c (6.6) và (6.16) ta tìm � �c bi�u th�c c�a th cân b/ng:
���
����
�+=
2
10 ln
C
C
F
RTEE (6.17)
Khi trong phn �ng hóa h c có n �i�n t� tham gia, bi�u th�c c�a th cân b/ng s3 có d�ng:
���
����
�+=
2
10 ln
C
C
nF
RTEE (6.18)
Các tính toán trên �ây d"a trên gi thit dung d�ch là lý t �ng. Tuy nhiên trên th"c t h� nghiên c�u không phi là lý t �ng nh v2n th #ng xy ra. Trong nh*ng tr #ng h�p nh v�y c�n phi thay n�ng �� C b/ng ho�t �� a theo bi�u th�c:
a = 5C (6.19)
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 64� 12/8/2007
Trong �ó 5 là h� s! c�a ho�t ��. Khi �ó bi�u th�c c�a h� s! cân b/ng s3 tr� thành:
���
����
�+=
2
10 ln
a
a
nF
RTEE (6.20)
M�t cách t�ng quát, bi�u th�c c�a ��nh lu�t Nerst � �c vit l�i d (i d�ng:
��
���
�+=
d
Ox
nF
RTEE
Reln0 (6.21)
Trong �ó (Ox) và (Red) là ho�t �� c�a ch�t oxy hóa và ch�t kh� (t $ng �ng), ngh+a là:
��
���
�+=
d
Ox
nF
RTEE
Relog
3,20 (6.22)
T6 s! nF
RT3,2g i là h� s! Nernst, nó xác ��nh �� d!c c�a �áp �ng �i�n c"c. �� d!c
này có giá tr� thay ��i ph� thu�c vào nhi�t ��. A nhi�t �� 25 0C h� s! Nerst có gi tr� b/ng 59,16 mV.
� i�n c�c so sánh
Trên th"c t không th� �o �i�n th c�a m�t �i�n c"c m�t cách tr"c tip: ch' có th�
xác ��nh hi�u �i�n th gi*a hai �i�n c"c kim lo�i không b� 4n mòn hóa h c (�i�n c"c ch' th�) và m�t �i�n c"c so sánh (còn g i là �i�n c"c chu)n) có �i�n th không ��i � �c g i là �i�m g!c.
Theo quy (c, ng #i ta s� d�ng �i�n c"c chu)n hydro �� xác ��nh �i�n th không.
Nó là m�t �i�n c"c platin ��t trong dung d�ch n (c c�a các ion H+ có ho�t �� b/ng 1 trong �ó có dòng hy�ro (v(i áp su�t b/ng áp su�t khí quy�n) chy qua và tip xúc v(i platin. Hi�u �i�n th gi*a hai �i�n c"c này v(i dung d�ch � �c c! ��nh � giá tr� không. �i�n c"c chu)n hy�ro phi � �c s� d�ng c)n th�n vì nó r�t d� b� nhi1m b)n
và h h%ng, ��ng th#i vi�c cân b/ng nó �òi h%i nhi�u th#i gian.
Trong th"c nghi�m �!i v(i các phép �o thông th #ng ng #i ta dùng m�t �i�n c"c so sánh d� s� d�ng h$n và có su�t �i�n ��ng � �c xác ��nh chính xác, �ó là �i�n c"c calomel (h.1.41),sulfat th�y ngân ho�c clorua b�c.
�i�n c"c so sánh calomel g�m m�t thân chính b/ng th�y tinh �i�n ��y dung d�ch clorua kali bão hòa. Thân này � �c b�t � ��u phía d (i b/ng m�t viên g!m x!p cho phép tip xúc tr"c tip v(i dung d�ch nghiên c�u và thit l�p m!i liên h� v� �i�n.
Trong thân chính b/ng th�y tinh có ��t ph�n t� so sánh là th�y ngân tip xúc v(i clorua th�y ngân:
Hg / Hg2Cl2 / KCl bão hòa (6.23)
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 65� 12/8/2007
S" cân b/ng � �i�n c"c calomel d"a trên phn �ng:
2HgN + 2Cl- O Hg2Cl2N + 2e (6.24)
Và �i�n th c�a nó ch' ph� thu�c vào ho�t �� c�a các ion clo Cl-:
E = E0 – 0,058 log PCl-P (6.25)
Khi �i�n c"c � �c �i�n ��y clorua kali, �i�n th c�a nó b/ng 244,4 mV � 25 0C so v(i �i�n th c�a �i�n c"c chu)n hydro.
�i�n c"c so sánh dùng b�c-clorua b�c là m�t dây b�c ph� clorua b�c ��t trong dung
d�ch ch�a ion clo. Ho�t ��ng c�a �i�n c"c d"a trên phn �ng:
AgN + Cl- O AgClN + e (6.26)
Và �i�n th c�a nó b/ng:
E = E0 – 0,058 log PCl-P (6.27)
�i�n th này ph� thu�c vào ho�t �� c�a ion clo trong �i�n c"c.
b) i�n c�c �o th� oxy hóa – kh�
Khi �o th oxy hóa – kh� th #ng phi s� d�ng �i�n c"c không b� 4n mòn ho�t ��ng gi!ng nh v�t cho và nh�n �i�n t�. Nu �i�n c"c này � �c ��t trong m�t dung d�ch ch�a h� s! oxy hóa – kh� c�n nghiên c�u thì nó s3 có m�t �i�n th v(i giá tr� E xác ��nh b�i bi�u th�c (6.21). Nu n�ng �� ch�t oxy hóa và ch�t kh� thay ��i thì vi�c
Hình 1.41 �i�n c�c so sánh Calomel
viên g!m x!p tinh th� KCl d
nút
Calomel (Hg2Cl2)
th�y ngân
phích c7m �i�n
��u cách �i�n
l!i � a dung d�ch vào
nút
dung d�ch KCl bão hòa
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 66� 12/8/2007
�o �i�n th c�a �i�n c"c s3 cho phép theo dõi s" tin tri�n c�a các phn �ng có kèm theo s" thay ��i n�ng �� c�a m�t trong nh*ng thành ph�n tham gia phn �ng.
Vi�c �o hi�u �i�n th gi*a �i�n c"c ch' th� và �i�n c"c so sánh � �c th"c hi�n b/ng cách s� d�ng các milivôn k có tr� kháng vào l(n. Các �i�n c"c ch' th� hay s� d�ng là các �i�n c"c kim lo�i không b� 4n mòn (vàng, platin, th�y ngân, b�c), cacbon
th�y tinh hay graphit. Chúng có c�u t�o bao g�m m�t que b/ng platin (ho�c vàng, graphit…) n/m trong m�t !ng th�y tinh ho�c polyme bo v� sao cho ph�n d (i c�a que (g i là ph�n nh�y cm) không b� che ch7n �� có th� tip xúc v(i dung d�ch. �i�n c"c � �c n!i �i�n ra ngoài b/ng dây cáp d2n �i�n. Trên hình 1.42 bi�u di1n
m�t �i�n c"c kim lo�i dùng �� �o th oxy hóa kh�.
�i�n c"c platin s� d�ng �� �o �i�n th t� -0,1 �n 0,9 V, �i�n c"c vàng dùng cho tr #ng h�p khi �i�n th c�n �o n/m trong khong -1V÷ 0,3V. �i�n c"c b�c � �c s� d�ng �� th"c hi�n các phép �o trong dung d�ch mà b�c không tham gia vào các
phn �ng �i�n hóa, t�c là trong dung d�ch không ch�a ion Ag+.
c) i�n c�c �o �� pH
�� pH (logarit c�a ho�t �� c�a các ion H+) th� hi�n tính axit c�a dung d�ch. Trên th"c t, vi�c �o �� pH th #ng xuyên � �c tin hành trong nhi�u l+nh v"c khác nhau nh trong công nghi�p hóa h c, nông nghi�p, d �c, hóa d�u, sinh h c lâm sàng…
Ngay t� n4m 1909 Haber �ã nh�n th�y r/ng m�t s! lo�i th�y tinh (có thành ph�n xác ��nh) là ch�t d2n �i�n yu, �i�n th trên m�t phân cách c�a m�t màng th�y tinh d2n �i�n v(i dung d�ch n (c ph� thu�c vào �� pH c�a dung d�ch và tuân theo ��nh lu�t Nernst:
++′=H
aF
RTEE ln0 (6.28)
Hình 1.42 �i�n c�c kim lo�i.
cáp �i�n
thân th�y tinh
ph�n nh�y cm (platin, vàng, graphit)
��u
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 67� 12/8/2007
Trong �ó:
0E ′ là �i�n th chu)n c�a �i�n c"c (v(i m�t �i�n c"c so sánh cho tr (c);
aH là ho�t �� theo ion H+ c�a dung d�ch nghiên c�u.
�i�n c"c màng th�y tinh có thành ph�n chính là m�t màng m%ng d�ng hình c�u, hình tr� ho�c hình côn làm t� th�y tinh có thành ph�n ��c bi�t. Màng � �c hàn v(i
m�t !ng th�y tinh có �i�n tr� cao. Th� tích bên trong c�a �i�n c"c (màng hình c�u) ch�a dung d�ch có �� pH �ã bit tr (c (th #ng pH~7) trong �ó có ��t m�t ph�n t� so sánh n�i (1.43).
�� �o �� pH c�a m�t dung d�ch, ch' c�n �4t �i�n c"c màng th�y tinh vào trong dung d�ch và �o hi�u �i�n th xu�t hi�n gi*a ph�n t� so sánh n�i c�a nó v(i �i�n
c"c so sánh cùng n/m trong dung d�ch này. Mu!n v�y, �i�n c"c th�y tinh và �i�n c"c so sánh � �c n!i v(i m�t pH –met là m�t milivôn k có tr� kháng ��u vào r�t l(n (Ze Q 1012) kt h�p v(i m�t m�ch �i�n chuy�n ��i tín hi�u �i�n th thành ��i l �ng s! theo �$n v� pH.
1.4.7 C�m bin thành ph�n khí
Các cm bin �o n�ng �� c�a m�t thành ph�n trong h0n h�p khí phát tri�n r�t m�nh, ��c bi�t liên quan �n vi�c ki�m tra nhiên li�u v(i m�c �ích tit ki�m n4ng l �ng và
gim ô nhi1m môi tr #ng. R�t nhi�u cm bin thành ph�n khí lo�i m(i � �c nghiên c�u và ch t�o �� phát hi�n các phân t� khí tiêu th� ho�c sn sinh ra trong quá trình oxy hóa nhiên li�u nh O2, CO, CO2, H2O, SO2, SO3, NOX, CHX…
Hình 1.43 �i�n c�c màng th�y tinh.
phích c7m ��ng tr�c
cáp ��ng tr�c
��u cách �i�n
v% b c
ph�n t� so sánh n�i
ch�t l%ng �i�n ��y (PH = 7)
ph�n nh�y cm
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 68� 12/8/2007
Trong s! các cm bin thành ph�n khí, cm bin oxy chim v� trí ��c bi�t quan tr ng. Vi�c phân tích chính xác và nhanh chóng thành ph�n oxy �ã cho phép tri�n khai �ng
d�ng r�ng rãi các cm bin oxy, ��c bi�t các cm bin dùng ch�t �i�n phân r7n, trong các l+nh v"c khác nhau nh công nghi�p hóa ch�t, luy�n kim, công nghi�p ch bin th"c ph)m, l+nh v"c hóa sinh, ki�m tra môi tr #ng làm vi�c trong các phòng thí nghi�m… Các cm bin này dành � �c v� trí u tiên �áng k� b�i vì s" thành công v� m�t k8 thu�t và th $ng m�i c�a chúng có vai trò khích l� trong nghiên c�u các cm bin m(i, ��c bi�t cho các lo�i khí nh Cl2, SO2, HCl, H2S, H2…
Ho�t ��ng c�a các cm bin �o thành ph�n khí phi �áp �ng ��y �� các yêu c�u sau �ây:
Kh n4ng s� d�ng �� �o liên t�c (hay g�n nh liên t�c) tr"c tip trong môi tr #ng khí c�n phân tích ho�c �o gián tip trên m�t lu�n khí phân nhánh v(i m�c �ích thay ��i m�t s! thông s! v�t lý c�a nó (nh nhi�t ��, áp su�t, t!c �� l u thông, ho�c tránh b�i b)n…);
Không có các ch�t gây phn �ng hóa h c;
Không có s" can thi�p c�a con ng #i � t�ng l�n �o (chu)n b� m2u ho�c chu)n b� phép �o).
Xét trên nh*ng ch' tiêu này, ranh gi(i gi*a cm bin và máy phân tích trong l+nh v"c phân tích thành ph�n khí không còn t�n t�i n*a.
Các cm bin thành ph�n khí có th� phân thành các lo�i sau:
Cm bin �i�n hóa dùng ch�t �i�n phân r7n;
Cm bin �i�n;
Cm bin xúc tác;
Cm bin quang;
Cm bin thu�n t�.
1.4.7.1 C�m bin dùng ch�t �i�n phân r�n
Vi�c s� d�ng ch�t �i�n phân r7n trong m�t c�u trúc �i�n hóa �� �o thành ph�n khí �ã b7t ��u t� th k6 20, song nh*ng phát minh quan tr ng trong l+nh v"c phân tích khí ch' xu�t hi�n vào cu!i nh*ng n4m 50 và phi ��i �n th�p k8 70 m(i ra �#i các cm bin khí d (i d�ng sn ph)m công nghi�p. �ó là các cm bin dùng �� �o áp
su�t riêng ph�n c�a oxy trong kim lo�i nóng chy � �c s� d�ng r�ng rãi trong nghành công nghi�p luy�n kim. Trong nh*ng n4m cu!i th k6 20, vi�c tìm ra các v�t li�u m(i d2n �i�n b/ng ion O2- �ã m� ra nh*ng kh n4ng ��y tri�n v ng cho vi�c nghiên c�u và ch t�o các cm bin oxy v(i nh*ng tính n4ng u vi�t h$n.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 69� 12/8/2007
a) Nguyên lý v$t lý
� #nh lu$t Nernst
S$ �� nguyên lý c�a cm bin �i�n hóa dùng ch�t �i�n phân r7n d (i d�ng c�u trúc
X2(pss), �C`/�PR/�C``, X2(p) (7.1)
bi�u di1n trên hình 1.44.
Trong s$ �� này:
�C` và �C`` là hai �i�n c"c d2n �i�n b/ng �i�n t�, tr$ v� hóa h c và có cùng bn ch�t;
�PR (�i�n phân r7n) là v�t li�u không b� th)m th�u b�i ch�t khí, d2n �i�n b4ng ion và ch�a các ion X-n-;
X2 là ch�t khí phân tích, d (i d�ng nguyên ch�t ho�c hòa tan trong ch�t
l%ng ho�c � tr�ng thi cân b/ng v(i h� khí hóa h c, ch�t l%ng hay ch�t r7n;
P và pss là áp su�t c�a ch�t khí phân tích � hai phía c�a ch�t �i�n phân r7n.
A m0i �i�n c"c s3 xy ra phn �ng d�ng:
½ X2 (khí) + ne-(�C) = X-n-(�PR) (7.2)
Trong nh*ng �i�u ki�n ho�t ��ng lý t �ng, gi*a hai �i�n c"c c�a c�u trúc này xu�t hi�n m�t hi�u �i�n th ho�c su�t �i�n ��ng, Elt, tuân theo ��nh lu�t Nernst:
ss
ltp
p
nF
RTE ln
2= (7.3)
Trong �ó:
R là h/ng s! c�a ch�t khí lý t �ng (R = 8,32 J.mol-1. K-1);
F là h/ng s! Faraday (96500 c);
Hình 1.44 S� � nguyên lý c�a c�m bin dùng ch�t �i�n phân r�n.
CHRT �I�N PHÂN
RSN
(�
����������������
�C`` �C`
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 70� 12/8/2007
n là s! �i�n t� trao ��i trong phn �ng �i�n c"c;
T là nhi�t �� tuy�t �!i c�a c�u trúc.
Sau khi thay các h/ng s! vào công th�c, bi�u th�c c�a su�t �i�n ��ng lý thuyt có d�ng:
ss
ltp
p
n
TE log10.9926,0 4−= (7.4)
T� bi�u th�c c�a Elt, nu bit nhi�t �� T và áp su�t riêng ph�n pss � �i�n c"c so sánh có th� tính � �c áp su�t c�a khí c�n �o. Giá tr� c�a Elt n/m trong khong vài ch�c �n hàng tr4m milivôn.
b) Các ��c tr�ng
� Các ��c tr�ng �o l�%ng
Các cm bin dùng ch�t �i�n phân r7n �� phân tích thành ph�n khí là các cm bin
tích c"c. Trong quá trình cm bin làm vi�c � ch �� phân lu�ng ch' c�n ki�m tra nhi�t �� c�a cm bin. M!i quan h� c$ bn c�a các cm bin lo�i này là ��nh lu�t Nernst nh�n � �c t� lý thuyt. B�i v�y, m�t khi �ã bit tr (c m�t cách chính xác giá tr� c�a áp su�t so sánh thì không c�n phi chu)n cm bin.
Cm bin cho tr"c tip giá tr� c�a �i�n áp c= hàng tr4m milivôn. Vi�c �o �i�n áp này phi � �c th"c hi�n m�t cách chính xác (t(i ±0,1 mV), khi �ó có th� s� d�ng cm bin tr"c tip trong các h� th!ng �i�u ch'nh t" ��ng.
Cm bin có su�t �i�n ��ng thay ��i theo logarit c�a áp su�t c�a ch�t khí c�n phân
tích. Sai s! khi �o su�t �i�n ��ng s3 d2n �n sai s! c�a áp su�t không ph� thu�c vào giá tr� c�a áp su�t.
Th#i gian �áp �ng c�a cm bin ph� thu�c vào tính ch�t xúc tác c�a v�t li�u �i�n c"c
và c�a ch�t �i�n phân, vào thành ph�n c�a ch�t khí, nhi�t �� và �ôi khi vào hình h c c�a c�u trúc cm bin. Trong tr #ng h�p cm bin oxy, th#i gian �áp �ng c= vài giây nu áp su�t riêng ph�n c�a oxy trong khí phân tích l(n h$n 10-5 atm và c= vài phút nu áp su�t oxy nh% h$n 10-6 atm. Trong chân không th#i gian �áp �ng c�a cm bin
nh% h$n nhi�u so v(i tr #ng h�p c,ng áp su�t riêng ph�n �ó hòa tan trong khí tr$.
Su�t �i�n ��ng c�a cm bin thay ��i tuyn tính theo nhi�t ��, b�i v�y nhi�t �� phi �n ��nh và � �c �o v(i �� chính xác không kém h$n ± 1 0C.
� Các ��c tr�ng công ngh�
A nhi�t �� s� d�ng thông th #ng, cm bin có tr� kháng �áng k�. B�i v�y khi �o su�t �i�n ��ng c�a cm bin nh�t thit phi dùng các milivôn k có tr� kháng vào l(n (1010 ÷ 1012 I).Các ch�t �i�n phân r7n r�t nh�y cm v(i va ��p. Vi�c gim thi�u
kích th (c c�a cm bin cho phép lo�i b% nh �c �i�m �ó c�a ch�t �i�n phân.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 71� 12/8/2007
Các ch�t �i�n phân r7n quen dùng ch' có �� d2n l(n khi chúng � nhi�t �� cao, cho nên cm bin th #ng có nhi�t �� làm vi�c l(n h$n 500 0C. A nhi�t �� này d� dàng
xy ra các phn �ng oxy hóa, b�i v�y không th� � a oxy vào nu có m�t các ch�t khí kh�. Tuy nhiên, các cm bin oxy v2n � �c dùng �� �i�u ch'nh các ��ng c$ n�, m�c dù các khí thoát ra không � tr�ng thái cân b/ng. Trong nh*ng �i�u ki�n nh v�y, v2n t�n t�i m!i quan h� th"c nghi�m t $ng �!i ph�c t�p gi*a su�t �i�n ��ng c�a cm bin
và thành ph�n khí thoát ra cho phép hi�u ch'nh ��ng c$ m�t cách h�p lý.
Các cm bin oxy có th� s� d�ng �� phân tích khí oxy tan trong khí tr$, trong các bu�ng chân không (10-7 atm < p(O2) < 1 atm) ho�c �� phân tích các h0n h�p khí
CO/CO2 hay H2/H2O (10-27atm < p(O2) < 10-11 atm) mà không c�n có b�t c� s" thay ��i nào trong c�u trúc c�a nó.
c) C�u t�o c m bi�n
Trong bng 1.4 gi(i thi�u các cm bin �i�n th dùng �� xác ��nh thành ph�n khí và
nhi�t �� làm vi�c c�a chúng.
Hình d�ng và kích th (c c�a cm bin r�t khác nhau ph� thu�c vào ch�t �i�n phân. Các ch�t �i�n phân oxit th $ng m�i t�n t�i d (i d�ng !ng (có th� có m�t ��u b�t kín), �ó là các dung d�ch r7n trên c$ s� diôxit zirconi (thí d� nh ZrO2 –Y2O3 9% hay ZrO2 –CaO 15%). Trên hình 1.45 bi�u di1n d�ng �$n gin nh�t c�a cm bin oxy s� d�ng ch�t �i�n phân r7n là zirconi.
B�ng 1.4
Khí C�u trúc cm bin Nhi�t �� làm vi�c
(0C)
O2
H2O-H2
CO2-CO
Khí so sánh, Pt/ZrO2-Y2O3/Pt, O2
Khí so sánh: không khí, H2O/H2, CO2/CO, Ni/NiO
Pd/PdO, Co/CoO.
>500
Cl2 Ag/SrCl2 –KCl –AgCl/RuO2, Pt,Cl2
H� so sánh: Ag/Ag+ 100÷450
SO2
SO3
Ag/K2SO4 –AgSO4/Pt, SO2 + SO3 + O2
Không khí, Pt/ZrO2 –CaO/K2SO4/Pt, SO3 +O2 700÷800
SX Ag/AgI/Ag2S, S(h$i)
Ag/alumine – (Ag+)/Ag2S, S(h$i)
90÷400
90÷800
CO2 Ag/K2CO3 –Ag2SO4/Pt,CO2 700÷800
NO2 Ag/Ba(NO3)2, AgCl/Pt, NO2 ~500
I2 Ag/RbAg4I5/Pt, I2 ~50
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 72� 12/8/2007
1.4.7.2 C�m bin tr� kháng thay ��i
a) o �� d�n kh�i
A nhi�t �� cao các oxit c�a kim lo�i chuy�n tip (Fe, Co, Ni) là các h�p ch�t có thành ph�n ph� thu�c vào nhi�t �� và áp su�t c�a oxy. �� d2n c�a chúng � m�t nhi�t �� cho tr (c có d�ng:
npK
102
. ±=σ (7.6)
Trong �ó n là s! nguyên có giá tr� thay ��i t� 4 �n 6 ph� thu�c vào bn ch�t c�a oxit, nhi�t �� và vùng áp su�t c�a oxy.
Cm bin d"a trên nguyên lý �o �� d2n kh!i có c�u t�o g�m m�t dây d2n làm b/ng oxit coban. Áp su�t � �c �o b/ng cách xác ��nh s" bin thiên c�a �i�n tr� dây d2n. Cm bin có th� s� d�ng �� ��nh l �ng oxy trong di t� 1 vpm �n 100 % và � �c nghiên c�u �ng d�ng cho m�c �ích �i�u ch'nh ��ng c$ n�.
b) o �� d�n b� m�t
Cm bin lo�i này d"a trên nguyên lý thay ��i �� d2n �i�n c�a m�t màng m%ng bán d2n khi h�p th� ch�t khí trên b� m�t. Các nhà nghiên c�u �ã th� nghi�m d�ng oxit
titan TiO2 �� hi�u ch'nh ��ng c$ n�. A �i�m cân b/ng hóa h c, s" thay ��i c�a áp su�t oxy riêng ph�n trong lu�ng khí thi c�a ��ng c$ gây nên s" thay ��i �áng k� c�a �i�n tr� màng oxit.
Các cm bin trên c$ s� ZnO ho�c SnO2 �ã � �c tri�n khai r�ng rãi � m�c �� sn
xu�t công nghi�p. Trên hình 1.46 bi�u di1n d�ng cm bin thông d�ng hi�n nay.
Hình 1.45 C�m bin oxy dùng không khí làm khí so sánh.
c�p nhi�t
Pt
Pt
không khí
zircon
lò �i�n tr�
��u dán kín
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 73� 12/8/2007
Màng m%ng oxit thic � �c ch t�o trên � d�ng hình !ng làm b/ng Al2O3. Hai dây
d2n b/ng vàng � �c n!i v(i hai vòng b/ng kim lo�i trên b� m�t � �� d2n �i�n ra ngoài. S�i �!t ��t � phía trong c�a � hình !ng � �c dùng �� nung nóng cm bin �n nhi�t �� làm vi�c (350 0C). S" h�p th� khí trên b� m�t màng oxit bán d2n t�o nên �i�n tích không gian làm thay ��i m�t �� h�t d2n t $ng � $ng v(i s" thay ��i
�� d2n b� m�t.
Các cm bin này có tính l"a ch n th�p và �� d2n b� m�t là hàm c�a nhi�t �� môi tr #ng, �� )m và áp su�t riêng ph�n c�a oxy. �� ci thi�n tính l"a ch n c�a cm
bin ng #i ta phi l"a ch n nhi�t �� làm vi�c thích h�p và pha thêm vào l(p oxit m�t ch�t xúc tác nh Pd, Cu, Ni, Pt. Cm bin � �c s� d�ng �� phát hi�n CO, CH4, H2S, và NOx.
Th#i gian �áp �ng c�a cm bin n/m trong khong t� vài giây �n vài phút. Gi(i
h�n �o c= 1 ppm.
Nh �c �i�m c�a cm bin trên c$ s� các oxit bán d2n là �� �n ��nh theo th#i gian th�p, th #ng xuyên phi chu)n l�i ho�c thay th. &u �i�m c�a chúng là giá thành rC.
c) o �i�n dung
Các cm bin t� �i�n � �c s� d�ng ch� yu �� ��nh l �ng h$i n (c trong ch�t khí. Nguyên lý c�a cm bin t� �i�n d"a trên hi�n t �ng thay ��i h/ng s! �i�n môi c�a ch�t �i�n môi n/m gi*a hai bn c"c c�a t� khi nó b� h�p th� h$i n (c (tham kho
thêm cm bin �� )m).
Hình 1.46 C�m bin trên c� s� oxit bán d�n.
!ng �= b/ng s�
�i�n c"c �
�i�n tr� nung �
SnO2 thêu kt �
dây d2n �i�n �
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 74� 12/8/2007
1.4.7.3 C�m bin áp �i�n thch anh
Nguyên lý c�a cm bin áp �i�n th�ch anh dùng �� �o thành ph�n khí r�t �$n gin: t�n s! dao ��ng c�a tinh th� th�ch anh gim khi nó h�p ph� các ph�n t� khí trên b� m�t. S" bin thiên t�n s! dao ��ng F c�a th�ch anh là hàm c�a n�ng �� khí h�p ph�:
F = K.C (7.7)
Trong �ó C là n�ng �� ch�t khí phân tích và K là h/ng s! ��c tr ng c�a tinh th� th�ch anh. Cm bin có tính l"a ch n nh# vào vi�c s� d�ng v�t li�u thích h�p v(i ch�t khí
nghiên c�u �� ph� thành l(p m%ng trên hai m�t c�a tinh th� th�ch anh (h.1.47).
B� ph�n chính c�a thit b� là m�t cm bin áp �i�n � �c ch t�o t� m�t t�m tinh th� th�ch anh lo�i t�n s! 9 MHz kích th (c m0i chi�u t� 10 �n 16 mm, b� dày 0,19 mm. Các �i�n c"c hình tròn có � #ng kính n/m trong khong 3 ÷ 8 mm và
chi�u dày 0,3 ÷ 1 :m. Hai m�t c�a t�m th�ch anh � �c ph� hai l(p h�p th� ch n l c �!i v(i ch�t khí phân tích và có �� �n ��nh theo th#i gian. Cm bin � �c n!i v(i m�t b� dao ��ng t�n s! th�p và thit b� �m t�n.
Các cm bin lo�i này �ã � �c ch t�o � m�t m�c �� công nghi�p t� nh*ng n4m
1964. Chúng � �c s� d�ng r�ng rãi cho nhi�u m�c �ích trong các l+nh v"c khác nhau nh :
Xác ��nh �� )m (l(p ph� t�m th�ch anh làm t� v�t li�u polyme có kh
n4ng hút )m t!t làm cho cm bin có �� nh�y cao: 1ppm trong 30 s, tính ch n l c t!t và th#i gian làm vi�c liên t�c là 6 tháng);
Phân tích cacbua hydro;
Phát hi�n thu!c tr� sâu và các ch�t khí nh SO2, NO2, NH3, HCl và H2S.
Hình 1.47 S� � c�m bin �o thành ph�n khí b�ng dao �ng th�ch anh.
tinh th� th�ch anh
l(p ph�
b� dao ��ng
ngu�n nuôi
�m t�n s!
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 75� 12/8/2007
1.4.7.4 C�m bin xúc tác
Cm bin xúc tác � �c s� d�ng ch� yu trong công nghi�p �� phát hi�n các ch�t khí d� n� và d� cháy. Cm bin � �c ch t�o t� m�t dây platin � #ng kính 50 :m cu!n hình lò so ��t chìm bên trong oxit ch�u l�a có �� x!p nh%, th #ng là alumin (h.1.48).
Alumin � �c t)m trong các ch�t xúc tác nh Pt, Pd, Ir ho�c h0n h�p Pd –ThO2. Các ch�t xúc tác này có tác d�ng làm t4ng �� nh�y c�a cm bin.
Thông th #ng cm bin � �c l7p trong m�ch c�u Wheastone v(i ph�n t� khác không nh�y v(i ch�t khí phân tích. Hai ph)n t� này � �c nung nóng b/ng hi�u �ng
Joule �n nhi�t �� làm vi�c (450 0C). Khi có m�t ch�t khí d� cháy, nhi�t l �ng cháy làm t4ng nhi�t �� c�a cm bin (ph�n t� nh�y trong m�ch c�u) d2n �n s" gia t4ng �i�n tr� c�a nó. S" m�t cân b/ng c�a c�u s3 cung c�p tín hi�u ch' th� v� hàm l �ng ch�t khí d� cháy trong h0n h�p khí.
Các cm bin này không có tính ch n l c và phn �ng v(i nhi�u khí khác nhau nh CH4, butan, H2, CO … v(i n�ng �� th�p h$n 5%.
1.4.7.5 C�m bin thu�n t�
a) Nguyên lý ho�t ��ng
Khi m�t ch�t khí ��t trong gradient c�a m�t cm �ng t� B�
, nó ch�u tác ��ng c�a l"c song song v(i t� tr #ng có h (ng và c #ng �� ph� thu�c vào �� t� cm χ :
2
0
..2
BgraddVFdµ
χ=�
(7.8)
Trong �ó :0 là �� t� th)m c�a chân không và dV là vi phân c�a th� tích.
Ph�n l(n các ch�t khí là nh*ng ch�t ngh�ch t� ( χ âm). Tuy nhiên, m�t s! ch�t khí (nh O2, NO, NO2) có ít nh�t m�t �i�n t� t" do và là ch�t thu�n t� ( χ d $ng).
Chúng có kh n4ng t� hóa m�nh h$n nhi�u so v(i các ch�t khí khác (bng 1.5). Khi
Hình 1.48 S� � c�u t�o c�a c�m bin xúc tác.
ch�t xúc tác dây platin
dây d2n
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 76� 12/8/2007
m�t h0n h�p các ch�t khí khác nhau � �c ��t trong t� tr #ng, ch' có các ch�t khí thu�n t� b� t� tr #ng tác ��ng.
B�ng 1.5
Ch�t khí
O2 NO NO2 H2 N2 CO CO2 Ar CH4
χ 100 45 4 -0,12 -0,36 -0,35 -0,63 -0,58 -0,37
M�t tính ch�t ��c bi�t c�a các ch�t khí thu�n t� là �� t" cm c�a chúng ph� thu�c vào nhi�t ��: χ t6 l� ngh�ch v(i nhi�t �� tuy�t �!i. D"a trên tính ch�t thu�n t� và s" ph� thu�c c�a χ vào nhi�t �� ng #i ta �ã ch t�o ra các cm bin thu�n t� �� �o
thành ph�n ch�t khí.
b) C�u t�o
� C m bi�n t& ��ng
Các thit b� có bán trên th� tr #ng khác nhau � ph $ng pháp �o l"c do t� tr #ng tác ��ng. Trên hình 1.49 bi�u di1n s$ �� nguyên lý c�u t�o c�a cm bin t� ��ng.
Trong m�t bu�ng làm b/ng thép có ch�t khí phân tích th�i qua, các �i�n c"c có tit di�n hình tam giác t�o nên m�t t� tr #ng không ��ng d�ng. M�t c�u trúc ki�u qu
t� c�m tay g�m hai hình c�u r0ng � #ng kính 2 mm b/ng th�ch anh �i�n ��y khí nit$ � �c n!i c�ng v(i nhau và treo b/ng m�t s�i dây silic trên có g7n m�t chic g $ng nh%. V� trí c�a m0i qu c�u t $ng � $ng v(i m�t ��u vào c�a nam châm.
Nu trong h0n h�p khí có ch�a O2, oxy s3 b� hút v� phía t� tr #ng m�nh h$n làm
cho các qu c�u quay xung quanh s�i dây treo chúng cho �n khi l"c tác ��ng c�a t� tr #ng cân b/ng v(i ng2u l"c xo7n c�a s�i dây. Tia sáng phn chiu t� chic g $ng nh% s3 phn ánh v� trí góc c�a b� ph�n quay. Thang �o, n$i v�t sáng chuy�n ��ng theo góc quay c�a g $ng, � �c chia �� theo hàm l �ng oxy. Nh v�y, b/ng
cách � c tr"c tip v� trí c�a v�t sáng trên th (c �o có th� bit � �c hàm l �ng oxy trong h0n h�p khí.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 77� 12/8/2007
�� nh�y c�a cm bin có th� � �c ci thi�n b/ng ph $ng pháp “s! không”: các qu c�u � �c � a tr� l�i v� trí cân b/ng c�a chúng b/ng cách tác ��ng m�t �i�n tr #ng gi*a hai �i�n c"c. �o hi�u �i�n th gi*a hai �i�n c"c này s3 xác ��nh � �c hàm
l �ng oxy. Thit b� � �c chu)n v(i khí nit$ và m�t ch)t khí có hàm l �ng bit tr (c, th #ng là không khí khô.
�� tránh nh h �ng c�a s" ph� thu�c nhi�t �� c�a χ , các phép �o � �c tin hành
� nhi�t �� 50 0C.
&u �i�m c�a thit b�:
Ho�t ��ng � m i v� trí;
Có th� s� d�ng thit b� d�ng xách tay;
�� �n ��nh c�a �i�m không và c�a thang n�ng �� r�t t!t;
Không c�n dùng �n s�i dây �!t nóng.
Các nh �c �i�m chính là:
Th$i gian �áp �ng l(n (t� 10 s �n vài phút);
�� nh�y th�p (n�ng �� khí phi l(n h$n 100 vpm).
1.4.7.6 Máy phân tích quang
Nguyên lý ho�t ��ng
Hình 1.49 Nguyên lý c�u t�o c�a c�m bin t� �ng.
�
����
*�*�
�èn
g $ng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 78� 12/8/2007
S" h�p th� b�c x� �i�n t� c�a m�t phân t� khí xy ra không nh*ng do s" kích thích �i�n t� mà còn do bin thiên n4ng l �ng dao ��ng (dao ��ng t $ng �!i c�a các
nguyên t� trong các liên kt hóa h c). Nh*ng bin thiên c�a n4ng l �ng này ��u l �ng t� hóa. Ch' có m�t s! giá tr� ��c bi�t c�a mômen góc quay ho�c n4ng l �ng dao ��ng là có th, �ó là các m�c n4ng l �ng dao ��ng và n4ng l �ng quay. Tnh h �ng c�a ánh sáng có b (c sóng khác nhau �!i v(i các ��i l �ng này c,ng s3 khác
nhau. S" h�p th� b�c x� ánh sáng trông th�y, tia c"c tím và tia X gây nên s" bin thiên n4ng l �ng �i�n t� c�a phân t�. H�p th� tia h�ng ngo�i gây nên s" thay ��i các tr�ng thái dao ��ng và quay c�a phân t�.
Ph� h�p th� c�a m0i ch�t khí là ��c tr ng riêng c�a ch�t khí �ó. B�i v�y ph $ng pháp ph� h�p th� � �c s� d�ng �� xác ��nh bn ch�t c�a ch�t khí nghiên c�u. Vi�c �o c #ng �� b�c x� �i�n t� b� h�p th� b�i m�t h0n h�p khí s3 cho phép xác ��nh n�ng �� c�a ch�t khí trong h0n h�p. Theo ��nh lu�t Lambert-Beer, t6 l� I/I0 c�a
c #ng b�c x� b� h�p th� trong m�t th� tích ch�a h0n h�p ch�t khí ph� thu�c vào tích s! c�a kích th (c th� tích khí (kích th (c theo ph $ng chiu), c�a n�ng �� ch�t khí c�n phân tích trong h0n h�p khí và h� s! h�p th� theo hàm exponen, ngh+a là:
claI
I..log
0
= (7.9)
Trong �ó:
l là kích th (c c�a kh!i ch�t khí theo ph $ng chiu sáng;
c là n�ng �� c�a ch�t khí trong h0n h�p;
a là h� s! h�p th�.
Trên th"c t, khi áp d�ng ��nh lu�t Lambert-Beer c�n tính �n m�t s! �i�m sau �ây:
��nh lu�t Lambert-Beer ch' �úng khi b�c x� là �$n s7c;
H� s! h�p th� a thay ��i theo b� r�ng c�a di b (c sóng s� d�ng;
M�t s" thay ��i nh% c�a nhi�t �� c,ng s3 làm d�ch chuy�n di h�p th�;
��nh lu�t này không tính �n nh h �ng c�a ch�t khí không h�p th� có m�t trong h0n h�p và áp su�t t�ng c�ng c�a h0n h�p.
Các nguyên nhân v�a nêu trên d2n �n sai s! trong phép �o ph� h�p th� c�a các ch�t khí.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 79� 12/8/2007
CH��NG 2
%NG D&NG C'A CÁC C(M BI�N TRONG NGÀNH C� KHÍ ÔTÔ
2.1 C�m bin l�u l��ng A ��ng c$ s� d�ng b� ch hòa khí c� �i�n, l �ng x4ng � �c cung c�p qua các gicl$ tùy theo s" chênh l�ch áp su�t trong � #ng !ng n�p, t�c là tùy theo m�c �� “hút
khí” c�a ��ng c$. Vi�c ��nh l �ng nh th s3 không � �c hoàn ho. V(i HTPX, l u l �ng không khí th"c t n�p vào xylanh là m�t thông s! c4n bn c�n � �c �o liên t�c �� xác ��nh l �ng nhiên li�u t!i u c�n cung c�p cho ��ng c$.
2.1.1 H� th�ng phun x)ng v�i l�u l��ng k HTPX lo�i này � �c trang b� m�t thit b� �o l u l �ng cho phép �o tr"c tip th� tích hay kh!i l �ng không khí l u thông trong � #ng !ng n�p. Thông tin v� l u l �ng khí � �c cung c�p cho b� �i�u khi�n trung tâm d (i d�ng tín hi�u �i�n �� làm c$ s� tính toán th#i gian phun.
Hình 2.1 Mô hình h� th!ng phun x4ng �i�n t�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 80� 12/8/2007
2.1.1.1 L�u l��ng k� th� tích:
Thit b� này làm vi�c theo nguyên t7c �o l"c c�a dòng khí tác ��ng lên m�t c�a �o
quay quanh m�t tr�c l7p trên � #ng n�p. Góc quay c�a c�a ph� thu�c l u l �ng khí n�p và � �c xác ��nh b�i m�t �i�n th k. Nh v�y, thit b� s3 cung c�p m�t tín hi�u �i�n t6 l� v(i l u l �ng khí cho b� �i�u khi�n trung tâm. �� t4ng �� chính xác c�a phép �o, ng #i ta th #ng s� d�ng thêm m�t nhi�t k �� �o nhi�t �� không khí
trong quá trình n�p. Ví d�: Bosch L –Jetronic, Bosch Motronic.
Hình 2.2 L u l �ng k th� tích.
a) M�t bên phía l7p m�ch �i�n. 1- bánh r4ng cu!n lò xo. 2- lò xo h�i v� 3- khe d2n h (ng. 4- t�m s� g7n bin tr�. 5- c�n g�t. 6- ch�i tip xúc. 7- �+a công t7c cam.
b) M�t bên phía n�p. 1- cánh gim ch�n. 2- bu�ng gim ch�n. 3- v%. 4- cánh �o.
�
�
cm bin l u l �ng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 81� 12/8/2007
2.1.1.2 L�u l��ng k� kh�i l��ng ki�u dây ��t nóng: Ph�n t� �o là m�t dây platin � #ng kính 70 :m, � �c c4ng bên trong �o�n !ng �o
l7p phía sau b� l c khí. Thành !ng bên trong còn � �c l7p các �i�n tr� �o và cm bin nhi�t ��. Hai ��u !ng �o có l (i bo v�. Các linh ki�n �i�n t� c�a thit b� � �c l7p trong m�t h�p nh% g7n bên ngoài !ng �o. Hình 2.3 gi(i thi�u s$ �� m�ch �o dùng c�u �i�n tr�. Dây �!t nóng có �i�n tr� Rh là
m�t ph�n c�a c�u �o. C�u � �c gi* cân b/ng thông qua m�t m�ch �!t nóng dây nh/m duy trì nhi�t �� không ��i ( t�c là �i�n tr� c�a dây). Khi có l u l �ng không khí, dây �o s3 b� làm ngu�i b�i dòng khí, nhi�t �� và �i�n tr� s3 gim d2n �n s" m�t cân b/ng trong c�u �i�n tr�. Khi �ó m�ch �i�u ch'nh s3 t" thay ��i c #ng ��
dòng �i�n �!t nóng dây �� thit l�p l�i s" cân b/ng ban ��u. Nh v�y có m�t quan h� gi*a c #ng �� dòng �i�n �!t nóng dây �o và l u l �ng không khí. Quá trình �i�u ch'nh này � �c th"c hi�n khá nhanh (vài ms) do dây �o có kích th (c r�t nh%. T� �ó, l u l �ng k này có m�t u �i�m quan tr ng: các xung ��ng
áp su�t trên � #ng n�p, nh�t là ch �� toàn ti, t�n s! l(n h$n th#i gian �áp �ng c�a c�u �o và không gây nh h �ng �n phép �o l u l �ng. Nh# �ó, l u l �ng k lo�i này làm vi�c khá �n ��nh. �i�n áp �o Um � �c l�y t� �i�n tr� �o chính xác R3. Các giá tr� �i�n tr� c�a dây �o và R3
� �c ch n sao cho c #ng �� dòng �i�n �!t nóng dây n/m trong ph�m vi 500 – 1200 mA. Ví d�: Bosch LH –Jetronic.
Hình 2.3 Cm bin l u l �ng ki�u dây �!t nóng.
)��
)�� )�����
�iên tr� bù nhi�t
dây �!t
thành !ng n�p
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 82� 12/8/2007
2.1.1.3 L�u l��ng k� kh�i l��ng ki�u t�m ��t nóng:
Thit b� này ho�t ��ng theo cùng m�t nguyên lý nh lo�i dùng dây �!t. Tuy nhiên
ph�n t� �o � �c s� d�ng � �ây là các t�m có �i�n tr� ph� thu�c nhi�t ��, cho phép t4ng �� chính xác và tu�i th làm vi�c c�a l u l �ng k. Hình 2.4 trình bày s$ �� c�u t�o c�a l u l �ng k kh!i l �ng dùng trên HTPX �i�n t� Pierburg Ecojet M. M�t �o�n !ng �o có l (i bo v� hai ��u � �c ��t trong
� #ng n�p. Bên trong !ng này có m�t !ng nh% có d�ng tit l u nh h ng khuych tán c�a b� ch hòa khí, v(i hai t�m �o ch t�o t� h�p kim g!m. M�t t�m �o dùng �� xác ��nh l u l �ng, còn t�m th� hai cho phép xác ��nh nhi�t �� khí n�p. Hai t�m �o này � �c m7c v(i hai �i�n tr� khác ��t bên ngoài !ng trong h�p riêng.
M�ch �o nhi�t �� khí v(i t�m �o nhi�t �� s3 �i�u ch'nh dòng �i�n �!t nóng t�m �o l u l �ng sao cho nhi�t �� c�a t�m này luôn � �c gi* � khong 100 0C l(n h$n nhi�t �� không khí. C #ng �� dòng �i�n t6 l� v(i l u l �ng kh!i l �ng c�n �o.�� chính xác c�a thit b� này khá cao, khong 2%.
Hãng Bosch c,ng � a ra m�t l u l �ng k t $ng t", nh ng t�m �o � �c ��t � m�t khu v"c tit l u ph�. Kt c�u này cho phép bo v� thit b� �o tránh hi�n t �ng cháy ng �c lên � #ng n�p khi có tr�c tr�c v� góc �ánh l�a s(m. Ngoài ra, kh n4ng b�i bám b)n t�m �o � �c gim b(t vì ch' có m�t ph�n khí n�p �i qua khu v"c �o.
Hình 2.4 L u l �ng k kh!i l �ng ki�u tâm �!t nóng.
c�u �i�n tr�
!ng �o
thit b� �o nhi�t ��
t�m �o �!t nóng
dòng khí
l (i bo v�
m�ch r3
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 83� 12/8/2007
Các �i�m h�n ch c�a HTPX ki�u l u l �ng k là:
H� th!ng n�p phi th�t kín.
T4ng s�c cn trên � #ng n�p (v(i lo�i l u l �ng k th� tích).
Vi�c tính toán l u l �ng d� b� sai s! do tính ch�t dao ��ng áp su�t trên � #ng n�p, nh�t là ��ng c$ ít xylanh, làm vi�c � các ch �� ti nh%.
Giá thành ch t�o, �i�u ch'nh bo d =ng l u l �ng k cao.
2.1.2 H� th�ng phun x)ng v�i l�u l��ng k dùng hi�u �ng Karman.
����������u l��ng k� ki�u Karman – vortex (dùng sóng siêu âm)�
Nguyên t7c chung c�a lo�i thit b� �o này là t�o ra nh*ng vòng xoáy l!c c�a không khí trong � #ng n�p � khu v"c �o. T�n s! c�a các chuy�n ��ng xoáy l!c t6 l� v(i l u l �ng không khí và s3 � �c xác ��nh b�i m�t thit b� dùng sóng siêu âm ho�c
m�t cm bin áp su�t S$ �� nguyên lý làm vi�c c�a thit b� này � �c trình bày trên hình 2.5. Không khí n�p tr (c khi �i vào khu v"c �o � �c � a qua m�t b� ph�n d2n dòng d�ng t� ong, có tác d�ng làm ��ng nh�t dòng chy tránh các chuy�n ��ng r!i ho�c xoáy l!c ban
��u làm nh h �ng �n �� chính xác c�a phép �o. Tip �ó, dòng khí n�p s3 � �c chia thành hai lu�ng nh# m�t b� ph�n phân dòng có tit di�n tam giác ��t � gi*a !ng n�p. D (i tác d�ng c�a t�m phân dòng này, các vòng xoáy Karman s3 � �c luân phiên t�o ra � hai bên t�m, v(i chi�u xoáy ng �c nhau. S! l �ng các vòng
xoáy � �c t�o ra t6 l� v(i t!c �� dòng khí qua khu v"c �o. M�t máy phát ��t � thành !ng n�p s3 phát sóng siêu âm có t�n s! xác ��nh theo h (ng vuông góc v(i dòng khí (h (ng kính c�a !ng). M�t thit b� l7p � thành !ng �!i di�n s3 tip nh�n các sóng truy�n t(i và g�i tín hi�u �o �n b� x� lý �i�u khi�n trung tâm.
Khi ch a có dòng chy không khí, t�c là khi ch a có các chuy�n ��ng xoáy Karman, th#i gian lan truy�n c�a sóng siêu âm qua !ng là không ��i. Ng �c l�i s" có m�t c�a các vòng xoáy không khí s3 làm t4ng ho�c gim t!c �� lan truy�n c�a sóng qua !ng, tùy theo chi�u xoáy. Nh v�y th#i gian lan truy�n sóng t� máy phát
�n máy thu s3 có d�ng hình sin. M�ch �o s3 g�i m�t xung vuông �n b� x� lý �i�u khi�n trung tâm m0i khi tín hi�u hình sin �i qua m�t c"c ti�u. T�n s! các xung vuông t6 l� v(i l u l �ng khí n�p, s3 � �c x� lý �� xác ��nh th#i gian phun x4ng.
Hình 2.5 Karman –vortex.
b� h (ng dòng
b� phát sóng
b� thu sóng
phân dòng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 84� 12/8/2007
������� ��u l��ng k� ki�u Karman –quang
T $ng t" nh ki�u dùng sóng siêu âm, � �ây các dòng xoáy Karman �i theo rãnh
h (ng làm rung m�t g $ng m%ng � �c ph� nhôm làm thay ��i h (ng phn chiu t� �èn LED �n photo - transistor. Nh v�y, t�n s! �óng m� c�a transistor này s3 thay ��i theo l u l �ng khí n�p và � �c g�i v� ECU �� xác ��nh l �ng x4ng phun c�n thit.
� ��+�m bin m�c S� d�ng trong vi�c cnh báo:
M�c nhiên li�u s� d�ng cho ��ng c$.
M�c ch�t l%ng trong h� th!ng làm mát.
M�c d�u trong h� th!ng bôi tr$n.
M�t s! xe có �èn ch' báo m�c d�u th�p g�m: m�t b� cm bin m�c d�u n!i v(i �èn báo CHECK OIL LEVEL � bng �i�u khi�n. Khi b�n xoay chìa khóa �ánh l�a �n v� trí CRANK OR START, b� cm bin này s3 ki�m tra m�c d�u trong thùng. Nu d�u ��y, �èn ch' báo t7t khi chìa khóa �ánh l�a tr� v� RUN. Nu ��ng c$ thiu t�
m�t lít d�u tr� lên, b� cm bin s3 b�t sáng �èn CHECK OIL LEVEL. Thay vì s� d�ng tín hi�u ánh sáng, các xe có bng �i�u khi�n �i�n t� có th� hi�n th� thông báo CHECK OIL.
Hình 2.4 B� �o gió ki�u Karman quang
b� h (ng dòng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 85� 12/8/2007
2.3 C�m bin �o chân không C m bi�n áp su�t tuy�t ��i
� �c s� d�ng �� �o l u l �ng không khí trong vi�c �o gián tip trong h� th!ng
phun x4ng �i�n t� EFI. L �ng không khí �i vào ��ng c$ phi � �c �o m�t cách chính xác. ECM c�n thông tin này �� tính toán l �ng nhiên li�u. L u l �ng không khí n�p có th� � �c �o gián tip ho�c tr"c tip.
�o gián tip. Thông tin v� t!c �� và ti ��ng c$ báo cho ECM l �ng không khí �i vào ��ng c$, �ây là ki�u ��nh l �ng t!c �� - t6 tr ng. T!c �� là t!c �� ��ng c$, t6 tr ng là t6 tr ng c�a không khí ho�c h0n h�p không khí - nhiên li�u trong b� góp n�p. Trong ��nh l �ng t!c �� t6 tr ng, hai tín hi�u nh�p ch� yu �!i v(i ECM là v� trí tit l u ho�c t!c �� ��ng c$, và chân không b� góp n�p ho�c ti ��ng c$. Chân không m�t ph�n ho�c áp su�t tuy�t �!i � b� góp n�p � �c �o b/ng b� cm bin áp su�t tuy�t �!i b� góp n�p.
�o chân không b" góp và áp su�t tuy�t ��i. Chân không b� góp n�p có th� � �c �o b/ng áp k chân không ho�c áp k tuy�t ��i trong b� góp n�p. Hai áp k này có c�u trúc t $ng t" nhau, g�m m�t màng �àn h�i chia áp k thành hai bu�ng. M�t bu�ng n!i v(i b� góp n�p. Trong áp k chân không, bu�ng th� hai m� ra khí quy�n. Trong áp k tuy�t �!i bu�ng th� hai �óng kín.
Hình 2.5 Cm bin m�c nhiên li�u.
bin tr� tr �t
c�u phao
phao
Nhi�t �i�n tr�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 86� 12/8/2007
Áp k chân không so sánh áp su�t khí quy�n v(i chân không b� góp n�p, nh ng áp su�t khí quy�n luôn bin thiên. Áp k tuy�t �!i so sánh chân không ho�c áp su�t
tuy�t �!i trong b� góp n�p v(i bu�ng �óng kín có áp su�t không ��i, �i�u này làm cho áp k tuy�t �!i chính xác h$n so v(i áp k chân không. B" c�m bin áp su�t tuy�t ��i. Nhi�u h� th!ng phun nhiên li�u và �i�u khi�n ��ng c$ b/ng �i�n t� có b� cm bin
áp su�t tuy�t �!i � b� góp n�p, b� này có th� � �c l7p riêng lC trên ��ng c$ ho�c � bên trong ECM. B� cm bin áp su�t tuy�t �!i �o áp su�t tuy�t �!i trong b� góp n�p và g�i thông tin này d (i d�ng tín hi�u �i�n áp cho ECM. Hình 2.6 minh h a c�u t�o và s" v�n hành c�a b� cm bin áp su�t tuy�t �!i. Vi
m�ch � �c t�o hình �� làm kín ph�n chân không gi*a vi m�ch này và t�m �, cho phép vi m�ch bin d�ng �àn h�i khi áp su�t tuy�t �!i bin thiên. Hai linh ki�n bán d2n trên vi m�ch s3 cm bin m�c �� bin d�ng �àn h�i, b/ng cách thay ��i �i�n tr� t $ng �ng, s" thay ��i này � �c ECM s� d�ng �� xác ��nh áp su�t tuy�t �!i trong
b� góp n�p.
Hình 2.6 Cm bin áp su�t chân không tuy�t �!i.
áp su�t tuy�t �!i t� b� góp n�p
vi m�ch bu�ng chân không
a) không ti
b) toàn ti
�i�n tr� bán d2n
dây d2n
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 87� 12/8/2007
2.4 C�m bin �o áp su�t ch�t l�u 2.4.1 C�m bin áp su�t d�u bôi tr�n Dùng �� ki�m tra áp l"c d�u bôi tr$n trong h� th!ng. Khi áp l"c d�u thay ��i làm màng b� bin d�ng kéo theo v� trí con tr �t trên t�m �i�n tr� thay ��i, do �ó c #ng �� dòng �i�n �i qua cu�n dây thay ��i làm kim ��ng h� d�ch chuy�n ch' th� áp su�t t $ng �ng.
2.4.2 C�m bin áp su�t nhiên li�u Cm bin áp su�t nhiên li�u �o t�c th#i áp su�t trong !ng phân ph!i và báo v� ECU v(i �� chính xác thích h�p và t!c �� �� nhanh. Nhiên li�u chy vào cm bin thông qua m�t ��u m� và ph�n cu!i � �c b�t kín b�i
m�t màng cm bin. Thành ph�n chính c�a cm bin là m�t thit b� bán d2n � �c g7n trên màng cm bin, dùng �� chuy�n áp su�t thành tín hi�u �i�n. Tín hi�u do cm bin t�o ra � �c � a vào m�ch khuych ��i và � a �n ECU. Cm bin ho�t ��ng theo nguyên t7c:
Khi màng bin d�ng thì l(p �i�n tr� ��t trên màng s3 thay ��i giá tr�. S" bin d�ng là do áp su�t t4ng lên trong h� th!ng, s" thay ��i �i�n tr� gây nên s" thay ��i �i�n th c�a m�ch c�u �i�n tr�.
�i�n áp thay ��i trong khong 0 – 70 mV và � �c khuych ��i b�i m�ch khuych ��i �n 0,5 – 4,5 V.
030 60
Hình 2.7 Cm bin áp su�t d�u bôi tr$n.
con tr �t
�i�n tr�
màng
m�t ��ng h�
cu�n dây công t7c �ánh l�a
ngu�n
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 88� 12/8/2007
2.4.3 C�m bin áp su�t cho vi�c ch#n �oán �"ng c� Cho �n nay �� ch)n �oán các thông s! bên trong ��ng c$ n� ng #i ta nh�n th�y cm bin áp su�t áp �i�n th�ch anh là thích h�p. Vi�c �o áp su�t trong m�t bu�ng n� c�a ��ng c$ có nh*ng �òi h%i r�t cao : s" thay ��i nhi�t �� �n 1800 0C và nhi�t �� b�c x� lên �n 3000 0C. ��c bi�t khi ��ng c$ quay nhanh s" thay ��i l"c nén r�t
nhanh. S" �òi h%i s�c ch�u �"ng v� va ��p, rung ��ng r�t l(n. Áp su�t trong bu�ng n� thay ��i t� 5 bar �n áp su�t n� 140 bar. M�t cm bin áp su�t lý t �ng cho vi�c ch)n �oán ��ng c$ c�n phi �áp �ng các yêu c�u sau:
Tuyn tính và chính xác cao.
Có th� �o áp su�t t+nh và �n ��nh Zero cao.
�� nh�y v(i gia t!c bé.
Có �� nh�y v(i nhi�t �� cao (�i�u �ó có ngh+a v(i s" thay ��i nhi�t ��
�n 1800 0C không � �c có sai s!).
Có �#i s!ng dài dù phi ch�u �"ng s" thay ��i l"c nén cao.
Có kích th (c nh% và giá rC.
M�t cm bin nh th trong th"c t �n nay ch a n$i nào ch t�o � �c. Cho nh*ng �òi h%i nh trên ng #i ta phi dùng nhi�u bi�n pháp ��c bi�t v(i nhi�u cm bin khác nhau.
Hình 2.8 Cm bin áp su�t trên � #ng phân ph!i.
m�ch �i�n
màng so
màng c�a ph�n t� cm bin
� #ng d2n nhiên li�u
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 89� 12/8/2007
2.5 C�m bin thành ph�n khí C m bi�n Lambda
� �c ho�t ��ng theo nguyên t7c �o liên t�c n�ng �� khí x và hi�u ch'nh liên t�c l u l �ng x4ng phun ra theo kt qu �o, thông qua b� �i�u khi�n trung tâm c�a HTPX �i�n t�. Ph�n t� chính c�a h� th!ng là m�t cm bin h� s! d l �ng không khí, th #ng g i là cm bin Lambda, � �c l7p � trên � #ng x, sau ch� n!i các !ng
x t� xylanh t(i.
Hình 2.9 gi(i thi�u s$ �� c�u t�o c�a m�t cm bin Lambda. Ph�n t� �o là m�t !ng b/ng s� ��c bi�t m�t ��u b�t kín, v(i hai b� m�t là các �i�n c"c � �c t�o thành b�i m�t l(p platine r�t m%ng và có c�u trúc r�ng, cho phép khí có th� th)m th�u qua.
M�t �i�n c"c (m�t ngoài !ng) tip xúc v(i khí x t� ��ng c$, �i�n c"c kia (m�t
U+ -
Hình 2.9 S$ �� c�u t�o và l7p ��t c�a cm bin Lambda.
khí x
��m d2n �i�n
�i�n c"c ngoài
thân
�i�n c"c trong
ch�t �i�n phân khô
v� trí ��t cm bin Lambda trên ôtô
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 90� 12/8/2007
trong !ng) tip xúc v(i không khí. M�t !ng �o h (ng v� khí x � �c ph� m�t l(p s� r0ng nh/m bo v� l(p platine kh%i s" xói mòn do các ch�t c�n, mu�i trong khí
x. �ng bo v� có th� ch�u � �c nhi�t �� t(i 1000 0C, � �c s3 rnh so le nh/m tránh xung ��ng tr"c tip c�a dòng khí x vào ph�n t� �o. Nguyên lý �o d"a trên s" so sánh hàm l �ng oxy trong không khí và trong khí x. �ng s� tr� nên d2n �i�n khi � �c �!t nóng �n m�t nhi�t �� nh�t ��nh. Tín hi�u �o
s3 xu�t hi�n khi có s" khác bi�t v� n�ng �� oxy � hai �i�n c"c (m�t tip xúc v(i không khí và m�t tip xúc v(i khí x). Cm bin � �c thit k sao cho khi h� s! d l �ng không khí b/ng 1, �i�n áp s3 có m�t b (c nhy ��t ng�t, do hi�u �ng xúc tác c�a b� m�t !ng phía tip xúc v(i khí x.
Tín hi�u t� cm bin Lambda � �c � a �n b� x� lý �i�u khi�n trung tâm. M�ch hi�u ch'nh, � �c gi(i thi�u trên hình 2.10, ho�t ��ng theo nguyên t7c thích �ng, cho phép hi�u ch'nh l �ng x4ng phun ra so v(i l �ng x4ng � �c tính toán ban ��u, nh/m duy trì h0n h�p chu2n. �� làm vi�c này, m�t ng =ng �i�u ch'nh (�� 500 mV)
� �c l�p ch $ng trình trong b� �i�u khi�n trung tâm. Khi tín hi�u do cm bin Lambda cung c�p nh% h$n ng =ng này (h0n h�p quá nh�t), x4ng s3 � �c phun ra nhi�u h$n. Ng �c l�i nu tín hi�u v �t quá ng =ng �i�u ch'nh (h0n h�p ��m), b� �i�u ch'nh s3 gim l �ng x4ng cung c�p. Tuy nhiên, quá trình thay ��i này không
� �c quá ��t ng�t �� tránh hi�n t �ng làm vi�c “gi�t c�c” c�a ��ng c$.
Hình 2.9 S$ �� nguyên lý m�ch �i�u ch'nh Lambda. 1- l u l �ng k không khí; 2- ��ng c$; 3- bình xúc tác khí x;
4- cm bin Lambda; 5- vòi phun x4ng; 6- ECU.
1 �� ��
�
� !�
� "�
không khí n�p khí x
x4ng Ve
Ud
Uv
Us
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 91� 12/8/2007
Quá trình �i�u ch'nh Lambda � �c tin hành khi ��ng c$ ��t tr�ng thái làm vi�c bình th #ng, trong ph�m vi h� s! d l �ng không khí ban ��u 0,8 – 1,2 và cho phép
duy trì H = 1 ± 1%, không ph� thu�c vào tu�i th hay hao mòn c�a ��ng c$. M�t m�ch ki�m tra cho phép phát hi�n nh*ng s" c! c�a cm bin Lambda �� tránh nh*ng �i�u ch'nh sai l�c v� m�t phía (ch' làm ��m hay làm nh�t h0n h�p). Trong tr #ng h�p này, m�ch �i�u ch'nh s3 b� ng7t.
Trong quá trình kh�i ��ng và ch�y �m máy, nhi�t �� cm bin Lambda còn quá th�p, m�ch �i�u ch'nh Lambda ch a làm vi�c, và h0n h�p � �c làm ��m nh bình th #ng. Khi ch�y toàn ti hay gia t!c, ��ng c$ c�n h0n h�p ��m, và m�ch �i�u ch'nh Lambda s3 � �c ng7t t�m th#i �� cho quá trình � �c làm ��m bình th #ng.
Bng 2.1 trình bày các ��c tính c$ bn c�a 3 lo�i cm bin Lambda �ang � �c s� d�ng r�ng rãi hi�n nay.
B�ng 2.1 Ba loi c�m bin Lambda ch� yu
C�m bin không
��t nóng
C�m bin ���c ��t
nóng
C�m bin ��t nóng
dùng cho h*n h�p nht
Ph�m vi �i�u ch'nh H = 1 H = 1 H Q 1
Nhi�t �� làm vi�c 350 – 850 0C 200 – 850 0C 150 – 850 0C
Fng d�ng ��ng c$ x4ng
��ng c$ x4ng. Có th�
� �c l7p � khu v"c có
nhi�t �� khí x th�p
��ng c$ x4ng dùng h0n
h�p nh�t.
��ng c$ diezel và gas
X4ng s� d�ng Không pha chì Không pha chì T!i �a 0,4g Pd/lit
Tu�i th 80.000 km >160.000 km 80.000 km
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 92� 12/8/2007
CH��NG 3
KI+M TRA VÀ MÔ PH,NG
3.1 L�u ý khi ki�m tra ch#n �oán a) Phi �i�u ch'nh �úng ��ng c$. b) C�n l u ý khi s� d�ng các ��ng h� �o.
Phi n!i c"c d $ng c�a ��ng h� �o vòng quay vào c"c IG c�a gi7c ki�m tra.
Phi dùng bình �i�n làm ngu�n c�p �i�n cho �èn báo góc �ánh l�a và ��ng h� �o vòng quay …
c) Trong tr #ng h�p ��ng c$ b% l�a phi tuân th� các l u ý sau:
Bo �m các c c bình �i�n có tip xúc t!t.
C)n th�n khi tháo các dây cao áp.
Sau khi th"c hi�n xong các công vi�c s�a ch*a, phi bo �m các c"c c�a cu�n �ánh l�a và h� th!ng �ánh l�a � �c n!i �úng.
c) L u ý khi tháo l7p ��u cm bin �o n�ng �� oxy trong khí x.
Không �� ��u cm bin oxy b� r$i ho�c va ��p vào v�t r7n.
Không � �c �� n (c b7n vào cm bin oxy ho�c dùng n (c làm ngu�i
cm bin.
3.2 Ch#n �oán (EFI) H�p ECU phát hi�n các h%ng hóc theo các tín hi�u t� các ��u cm bin và b�t sáng
�èn báo “CHECK ENGINE” (phi ki�m tra ��ng c$) trên bng ��ng h� lái xe có th� phát hi�n h%ng hóc theo các tín hi�u �ã � �c ghi l�i trong h�p ECU d (i d�ng mã hóa. Các tín hi�u �ã � �c mã hóa này có th� � c � �c b/ng cách tính s! l�n nháy c�a �èn báo “ CHECK ENGINE” khi ta ��u t7t các c"c TE-1 và E-1 l�i. D"a
trên s! l�n nháy c�a �èn báo �em �!i chiu v(i bng mã ch)n �oán có th� xác ��nh � �c d�ng h%ng hóc. T�t c có 14 mã ch)n �oán, trong �ó có m�t mã báo ��ng c$ làm vi�c bình th #ng, không có s" c!.
3.2.1 Tín hi�u mã ch!n �oán
�� có tín hi�u mã ch)n �oán phi th"c hi�n nh sau: a) �i�u ki�n ban ��u:
�i�n áp bình �i�n l(n h$n 11V.
B (m ga �óng ht (tip �i�m IDL c�a cm bin v� trí b (m ga �óng).
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 93� 12/8/2007
C�n s! �� � v� trí trung gian.
Các ph� ti �ã t7t ht.
b) B�t chìa khóa �i�n không kh�i ��ng ��ng c$. c) Dùng dây nôi chuyên d�ng SST 09843-18020 n!i các c"c TE-1 và E-1 c�a
gi7c ki�m tra.
d) � c mã ch)n �oán b/ng cách tính �� l�n nháy c�a �èn báo “CHECK ENGINE” Mã ch)n �oán:
H� th!ng bình th #ng c� cách 0,25 giây �èn l�i nháy 1 l�n.
Mã báo h%ng hóc:
�èn báo s3 nháy v(i s! l�n theo bng mã báo h%ng hóc nh sau: � Khong cách gi*a xung th� nh�t và xung th� hai là 1,5 giây.
� Khong cách gi*a các d�ng mã báo h%ng hóc là 2,5 giây. � Khong cách gi*a các chu k> tín hi�u mã ch)n �oán là 4,5 giây.
Các tín hi�u mã ch)n �oán s3 � �c liên t�c l�p l�i m�t khi các c"c TE-1 và E-1 v2n còn � �c n!i t7t.
Khi có nhi�u d�ng h%ng hóc, các tín hi�u mã ch)n �oán s3 � �c l�n l �t thông báo theo th� t" l(n d�n.
e) Sau khi ki�m tra ch)n �oán xong, tháo dây n!i SST ra kh%i gi7c ki�m tra.
3.2.2 B ng mã ch!n �oán
S!
hi�u
mã
Lo�i tín hi�u Ch)n �oán Khu v"c có h%ng hóc
Tín hi�u c�a cm
bin �o n�ng �� ôxy
Trong quá trình �i�u ch'nh thành
ph�n c�a h0n h�p cháy, �i�n áp ra
c�a cm bin ôxy không v �t quá
m�t s! giá tr� nh�t ��nh.
- M�ch cm bin ôxy.
- Cm bin ôxy.
- H�p ECU.
21
Tín hi�u c�a m�ch
s�i �!t c�a cm bin
ôxy.
M�ch s�i �!t c�a cm bin oxy b�
h� ho�c ch�p (c"c HT-1)
- M�ch s�i �!t c�a cm bin
ôxy.
- S�i �!t c�a cm bin ôxy.
- H�p ECU.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 94� 12/8/2007
25
Tín hi�u c�a cm
bin ôxy khi h0n h�p
cháy nghèo quá.
- M�ch vòi phun.
- Vòi phun.
- Áp su�t � #ng !ng x4ng.
- M�ch cm bin ôxy.
- Cm bin ôxy.
- Cm bin chân không.
- H� th!ng d2n không khí
n�p.
- H�p ECU.
26
Tín hi�u c�a cm
bin ôxy khi h0n h�p
cháy giàu quá.
- Khi tín hi�u c�a cm bin ôxy
liên t�c � m�c cao (h0n h�p giàu)
ho�c m�c th�p (h0n h�p nghèo)
trong quá trình làm vi�c.
- Khi các tín hi�u bù và các tín
hi�u �i�u khi�n thích nghi c�a quá
trình tr�n h0n h�p liên t�c � m�c
cao (h0n h�p nghèo) ho�c m�c
th�p (h0n h�p giàu)
- Cm bin ôxy b� h� m�ch.
- M�ch vòi phun.
- Vòi phun.
- Áp su�t � #ng !ng x4ng.
- Cm bin chân không.
- Vòi phun kh�i ��ng l�nh.
- H�p ECU.
31 Tín hi�u c�a cm
bin chân không.
M� ho�c ch�p m�ch cm bin áp
su�t c�m !ng hút (PIM).
- M�ch cm bin chân
không.
- Cm bin chân không.
- H�p ECU.
3.3 Ki�m tra 3.3.1 C m bi�n áp su�t chân không
�cm bin chân không
ECU
+B (B1)
VCC
PIM
E2
E21
E1
E2 PIM
VCC
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 95� 12/8/2007
a) N�i c�cPIM – E2 v�i vôn k� (ki�m tra tín hi�u ra c�a cm bin chân không)
1. Không có �i�n áp t�i c"c PIM và c"c E2 (E21) h�p ECU (b�t chìa khóa v v� trí ON)
2. Ki�m tra xem có �i�n áp gi*a c"c +B (+B1) c�a hôp ECU v(i “mát” v% xe không” (b�t chìa khóa �i�n v ON)
3. Ki�m tra dây d2n gi*a c"c E1 và “mát” v% xe.
S�a ch*a ho�c thay th
Ki�m tra +B (+B1) v(i E1
Ki�m tra dây d2n gi*a cm bin chân không và h�p ECU
Th� dùng h�p ECU khác
S�a ch*a ho�c thay th
S�a ch*a ho�c thay th
không
có
không t!t
không t!t
không t!t
t!t
t!t
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 96� 12/8/2007
b) N�i c�c VCC – E2 (E21) v�i vôn k� (ki�m tra �i�n áp ngu�n c�a cm bin chân không)
3.3.1.1 Ki�m tra �i�n áp ngu�n c�a c m bi�n chân không
a. Tháo gi7c c7m c�a cm bin chân không. b. B�t khóa �i�n v� ON.
c. Dùng vôn k �o �i�n áp gi*a các c"c VCC và E2 t�i gi7c c7m c�a cm bin chân không.
�i�n áp : 4 – 6 V 3.3.1.2 Ki�m tra tín hi�u ra c�a c m bi�n chân không. a. B�t khóa �i�n v� ON. b. Tháo !ng chân không c�a c�m hút ra.
c. N!i vôn k vào các c"c PIM và E2 (E21) c�a h�p ECU và �o �i�n áp ra � �i�u ki�n áp su�t khí quy�n. d. � a chân không vào th� cm bin chân không, thay ��i �� chân không d�n d�n t�ng m�c t� 100 mmHg t(i 500 mmHg.
1. Không có �i�n áp t�i c"c VCC và c"c E2 (E21) h�p ECU (b�t chìa khóa v v� trí ON)
2. Ki�m tra xem có �i�n áp gi*a c"c +B (+B1) c�a hôp ECU v(i “mát” v% xe không” (b�t chìa khóa �i�n v ON)
3. Ki�m tra dây d2n gi*a c"c E1 và “mát” v% xe.
S�a ch*a ho�c thay th
Ki�m tra BATT v(i E1
Ki�m tra dây d2n gi*a cm bin chân không và h�p ECU
Th� dùng h�p ECU khác
S�a ch*a ho�c thay th
S�a ch*a ho�c thay th
không
có
không t!t
không t!t
không t!t
t!t
t!t
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 97� 12/8/2007
e. �o �� s�t �i�n áp t� b (c (c) � trên, t(i các b (c tip theo, theo t�ng m�c thay ��i �� chân không.
M�c chân không mmHg (Kpa)
100 (13,3)
200 (26,7)
300 (40,0)
400 (53,3)
500 (66,7)
�� s�t �i�n áp 0,3 ÷ 0,5 0,7÷ 0,9 1,1 ÷ 1,3 1,5 ÷ 1,7 1,9 ÷ 2,1
3.3.2 C m bi�n ôxy
3.3.2.1 Ki�m tra �i�n tr� nung c�a c m bi�n oxy
Dùng ôm k �o �i�n tr� gi*a các c"c +B và HT.
�i�n tr� 5,1 ÷ 6,3 ôm � 20 0C. Nu �i�n tr� �o � �c không n/m trong m�c quy ��nh, phi thay cm bin ôxy.
3.3.2.2 Ki�m tra �i�n áp ph n h�i (VF1)
a. Hâm nóng ��ng c$.
b. N!i vôn k vào các c"c VF1 và E1 c�a gi7c ki�m tra.
Làm nóng cm bin ôxy b/ng cách cho ��ng c$ n� máy ��t 2500 v/p trong khong 90 giây.
N!i các c"c TE1 và E1 c�a gi7c ki�m tra. Gi* s! vòng quay � m�c 2500 v/p
Ki�m tra s! l�n kim ��ng h� v�n n4ng dao ��ng trong 10 giây.
Làm nóng cm bin ôxy � vòng quay ��ng c$ 2500 v/p trong khong 90 tip. Gi* s! vòng quay � m�c 2500 v/p.
Ki�m tra s! l�n kim ��ng h� v�n n4ng dao ��ng trong 10 giây.
Tháo dây n!i các c"c TE1 và E1 c�a gi7c ki�m tra. Gi* s! vòng quay � m�c 2500 v/p.
�o �i�n áp gi*a các c"c VF1 và E1
Thay th ECU
sau khi thay cm bin ôxy
ít h$n 8 l�n 8 l�n ho�c h$n
không có l�n nào
bình th #ng
8 l�n ho�c h$n
không có l�n nào
1 0 2 3
ít h$n 8 l�n
cao h$n 0V 0V
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 98� 12/8/2007
0 1 2 3
� c và ghi l�i mã ch2n �oán
mã báo bình th #ng và 21
mã báo h%ng hóc (ngo�i tr� 21)
S�a ch�a theo mã �ã báo
� c và ghi l�i mã ch2n �oán
mã báo h%ng hóc (ngo�i tr� 21)
Tháo c"c TE1 và E1 c�a gi7c ki�m tra. Gi* s! vòng quay 2500 v/p.
�o �i�n áp gi*a các c"c VF1 và E1
mã báo bình th #ng và 21
0V 5V
Tháo !ng m�m thông gió cácte
�o �i�n áp gi*a các c"c VF1 và E1
0V l(n h$n 0V
S�a ch*a h0n h�p quá giàu
0 1 2 3
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 99� 12/8/2007
3.3.3 C m bi�n l�u l��ng khí
3.3.3.1 Ki�m tra �i�n áp ph n h�i
C"c ki�m
tra H h%ng �i�u ki�n
�i�n áp
chu)n
VC – E2 - 5.1 – 10.8V
Cánh �o gió �óng hoàn toàn 2.5 – 5.4 V Khóa �i�n ON
Cánh �o gió m� hoàn toàn 6.2 – 8.8 V VS – E2
Không có
�i�n áp
Không ti 3.9 – 5.8 V
Tháo gi7c c7m c�a cm bin nhi�t �� n (c và n!i b/ng �i�n tr� 4-8 kI ho�c phát m�t tín hi�u mô ph%ng t $ng � $ng.
N!i các c"c TE1 và E1 qua gi7c ki�m tra
Làm nóng cm bin ôxy b/ng cách cho ��ng c$ n� máy � 2500 v/p trong khong 90 giây. Gi* vòng quay ��ng c$ � 2500 v/p.
�o �i�n áp gi*a các c"c VF1 và E1.
Thay th cm bin ôxy S�a ch*a h0n h�p quá nghèo
0V 5V
0 1 2 3
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 100� 12/8/2007
� �
VB
VC
VS
E2
E1
+B (+B1)
VC
VS
E2
ECU
cm bin l u l �ng khí
Không có �i�n áp xác ��nh gi*a c"c VC ho�c VS c�a ECU và E2 (khóa �i�n On)
Ki�m tra có �i�n áp gi*a c"c +B ho�c +B1 c�a ECU và �i�m n!i mát. (khóa �i�n On)
Ki�m tra dây n!i gi*a c"c E1 c�a ECU và �i�m n!i mát.
Ki�m tra cm bin l u l �ng khí
Thay th cm bin l u l �ng khí
S�a ch*a ho�c thay th
Ki�m tra dây d2n gi*a ECU và AFM
Th� ECU khác S�a ho�c thay th
Ki�m tra +B1 ho�c +B và E1
t!t không t!t
t!t không t!t
t!t không t!t
t!t
không t!t
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 101� 12/8/2007
3.3.3.2 Ki�m tra �i�n tr�
Ki�m tra trên xe
C"c �o �i�n tr� I Nhi�t �� 00C
VS – E2 20-300 -
VC – E2 100-300 -
VB – E2 200-400 -
TA – E2
10.000-20.000
4000-7000 2000-3000 900-1300 400-700
-20
0 20 40 60
FC – E1 Không xác ��nh -
Ki�m tra c m bi�n l�u l��ng
Các c"c ki�m tra �i�n tr� I �� m� cánh �o gió
Không xác �inh �óng hoàn toàn FC – E1
0 Ngoài v� trí �óng
20 – 400 �óng hoàn toàn VS – E2
20 - 3000 M� hoàn toàn
3.4 Mô ph-ng 3.4.1 ��t v�n � và l.a ch/n ph��ng án. Trong vi�c tìm tòi nghiên c�u thì hình nh ch�a �"ng trong nó nh*ng thông tin quan tr ng, ��c bi�t là trong ngành k8 thu�t. Vi�c mô t, trình bày m�t chi tit, m�t h� th!ng không th� ch' nói suông mà c�n phi dùng �n hình nh �� minh h a, ��
xác ��nh v� trí c�a m�t chi tit trong m�t h� th!ng hay cách nó ho�t ��ng trong h� th!ng �ó và m�t h� th!ng � �c ho�t ��ng nh th nào. �i�u �ó có ngh+a là phi tìm ph $ng án �� � a hình nh lên m�t cách sinh ��ng, d� dàng và d� th"c hi�n. Qua �ó giúp ng #i tra c�u s� d�ng cách d� dàng và nhanh
chóng hi�u � �c. Hi�n có nhi�u ch $ng trình ph�n m�m �� mô ph%ng chi tit và �� trình di1n nh : Solidworks, Flash, Pro/Engineer, Autocad, Proshow Producer, SwiSHmax, GIF Animator, Kool Moves… M0i ch $ng trình có m�t th m�nh riêng và ph�c v� cho m�t m�c �ích riêng, nên c�n l"a ch n ch $ng trình v�a �áp �ng là
mô ph%ng chi tit d� dàng, sinh ��ng và còn � �c h� tr� b�i ch $ng trình khác. Riêng tôi �ã s� d�ng hai ph�n m�m chính là Flash MX và Solidworks vì:
Solidworks dùng �� mô ph%ng chi tit d� dàng, sinh ��ng.
Flash MX dùng �� trình chiu d� dàng, �Gp m7t, � �c nhi�u ng #i s�
d�ng và có dung l �ng nhG �� có th� � a lên m�ng � �c.
Hai ch $ng trình này có th� h� tr� cho nhau.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 102� 12/8/2007
3.3.2 Gi�i thi�u v Flash MX Giao di�n trong Flash
Thanh menu
TimeLine
TimeLine là n$i quan tr ng nh�t trong Flash, nó dùng �i�u khi�n và là n$i xây d"ng m i ho�t ��ng c�a các �!i t �ng trong ch $ng trình chúng ta c�n thit k.
B ng thu�c tính
Là n$i th� hi�n nh*ng thu�c tính c�a các �!i t �ng nh : tên �!i t �ng, kích th (c,
màu s7c… Chúng ta có th� tìm th�y thu�c tính c�a t�t c các �!i t �ng trong Flash nh : Movie, Graphic, Button… � bng thu�c tính này.
�
�
�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 103� 12/8/2007
3.3.3 Gi�i thi�u v Solidworks �ây là ch $ng trình mô ph%ng ph�c v� �7t l"c cho ngành k8 thu�t, bao g�m nh*ng
công c� cho phép t�o ra và ch'nh s�a mô hình m�t cách hi�u qu v(i nhi�u cách th�c khác nhau. Các v�t th� � �c mô ph%ng cách sinh ��ng, tr"c quan nh m�t mô hình th"c s".
C�a s� giao di�n chính � �c chia thành hai vùng chính: vùng qun lý và vùng ��
h a. Vùng qun lý bao g�m: Feature Manager Design Tree: li�t kê nh*ng c�u trúc c�a bn v3. Property Manager: hi�n th� nh*ng thông tin liên quan nh góc l �n, m!i liên h� c$ h c c�a các b� ph�n trong bn v3 l7p…
Configuration Manager: giúp ng #i s� d�ng t�o ra, l"a ch n và hi�n th� hình d�ng nh*ng chi tit �$n ho�c t�p h�p nh*ng chi tit trong bn v3 l7p. Vùng �� h a là vùng �� v3, ch'nh s�a và hi�n th� bn v3 chi tit, bn v3 l7p ho�c bn v3 k8 thu�t.
3.3.4 Mô ph-ng th0 nghi�m Vì dung l �ng báo cáo có h�n nên trong s! các cm bin ch' ch n cm bin l u l �ng không khí ki�u th� tích �� mô ph%ng th� nghi�m, v(i các nút l�nh � �c gii thích trên hình v3, nguyên lý ho�t ��ng c�a nó nh sau:
Vùng �� h a
Vùng qun lý
Chi tit � �c v3
Thanh công c�
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 104� 12/8/2007
Các h�t ch�m �% là không khí t� b�u l c khí vào s3 tác ��ng vào cánh �o và làm quay cánh �o quanh m�t tr�c. Tùy theo l u l �ng không khí vào nhi�u hay ít mà ��
nâng c�a cánh �o s3 m� t $ng t $ng �ng. Khi l u l �ng không ��i thì cánh �o s3 gi* nguyên v� trí, cánh �o � �c gi* �n ��nh b�i cánh gim ch�n và bu�ng gim ch�n. �ây là ki�u mô ph%ng kt h�p gi*a hai ph�n m�m Flash MX và Solidworks.
�
�
�
nút t(i nút lùi
nút trình chiu
nút d�ng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 105� 12/8/2007
K�T LU1N – �2 XU3T
1. K�T LU1N Sau khi �ã hoàn thành quá trình tìm hi�u và th"c hi�n �� tài “ phân tích c� s� lý thuyt và mô ph-ng hot �"ng m"t s� c�m bin s0 d�ng trong ngành c� khí ôtô” tôi rút ra m�t s! kt lu�n nh sau:
a) �� tài mang tính giáo khoa và � �c s� d�ng làm giáo trình ging d�y c�a tr #ng, nên �òi h%i tính lý thuyt không nh*ng r�ng mà phi sâu. Giáo trình � �c th"c hi�n b�i hai sinh viên làm vi�c ��c l�p, nh ng theo m�t h� th!ng
nh�t quán, �� có th� trình bày m�t cách h�p lý không ch' v� n�i dung và c hình th�c cùng nh*ng ph�n m�m ph�c v�. Qua �ó giáo trình tr� nên sinh ��ng, d� hi�u và d� s� d�ng trong sinh viên.
b) Cm bin ngày càng � �c s� d�ng r�ng rãi trên ôtô và tr� thành thit yu ��
có th� �áp �ng nh*ng yêu c�u ngày càng kh7c khe v� vi�c s� d�ng ngu�n nhiên li�u ngày m�t khan khim có hi�u qu h$n c,ng nh yêu c�u v� bo v� môi tr #ng.
c) Cm bin � �c phân chia thành r�t nhi�u lo�i, nhi�u hình d�ng, nhi�u ch�t li�u khác nhau �ng v(i nh*ng yêu c�u �o ��c c� th�, nh ng nó ��u có nh*ng quy lu�t chung c�a quá trình bin ��i ho�c tín hi�u kích thích. M�i cm bin l�i có tính l"a ch n, �� chính xác, �� �n ��nh theo th#i gian khác nhau. Vì
v�y khi ch n l"a c�n n7m rõ u nh �c �i�m, tính n4ng và �i�u ki�n c� th� trong s� d�ng �� cm bin làm vi�c hi�u qu và tit ki�m chi phí.
d) Vi�c ch t�o cm bin �òi h%i công ngh� k8 thu�t khá cao c,ng nh trình �� k8 thu�t �i kèm. Vì v�y vi�c ch t�o ch' có th� � �c th"c hi�n � nh*ng n (c
tiên tin v� khoa h c k8 thu�t và giá thành cm bin còn khá cao. Cho �n bây gi# m�t s! cm bin v2n ch a � �c sn xu�t v(i tính công nghi�p thì v2n ch a th� �n � �c v(i ng #i s� d�ng.
2. �2 XU3T M�c d�u ch' mang tính ch� quan c�a cá nhân tôi, nh ng vì hy v ng s3 ph�n nào �ó góp chung �� cho quá trình �ào t�o c�a tr #ng n$i nuôi d =ng tôi m�y n4m nay, nên tôi m�nh d�ng �� xu�t m�t s! ý kin sau:
a) Th�t may m7n cho các sinh viên khóa sau vì tr #ng hi�n nay �ã mua v� r�t nhi�u trang thit b� d�ng c� d�y h c và thí nghi�m. Nh ng c�n s(m hoàn thành các ch $ng trình ging d�y cho nh*ng tr�ng b� �ó �� nó có th� ph�c v� cách t!i �a cho sinh viên. Vì tôi th�y h� th!ng �ánh l�a �i�n t� EFI v� tr #ng
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 106� 12/8/2007
�ã lâu mà �n khi tôi ra tr #ng v2n ch a � �c th"c hành l�n nào và có bit bao sinh viên khác mu!n tìm hi�u k8 h$n mà v2n ch a có c$ h�i.
b) Gi# th"c hành th"c s" c�n thit, chúng tôi c�n nhi�u h$n th#i gian �� th"c hành và kin th�c ��y �� cho gi# th"c hành �ó �� chúng tôi có th� n7m r% h$n v� lý thuyt và th"c s" v*ng vàng t" tin khi b (c ra tr #ng.
c) Kin th�c chuyên môn th"c s" khó nh ng v2n ch a � �c quan tâm �úng m�c c,ng nh nh*ng công ngh� m(i thì sinh viên ch' � �c bit qua thôi. Tôi hy v ng tr #ng và b� môn s3 gii quyt s(m �� ch�t l �ng ��u ra cho sinh viên � �c cao h$n.
d) Vi�c trang b� kin th�c tin h c cho sinh viên th"c s" c�n thit, nh ng tôi ngh+ r/ng h$i mu�n. Nu � �c trang b� s(m h$n thì sinh viên có th� s� d�ng cách hi�u qu h$n trong �� án t!t nghi�p ra tr #ng và sau này.
�ó là nh*ng gì tôi có th� nh�n ra � �c và có th� mang nhi�u tính ch� quan.
Sau ht, tôi xin t% lòng bit $n sâu s7c �n th�y ThS V, Th4ng Long, các th�y cô �ã d�y bo tôi trong su!t quá trình h c t�p và các b�n �ã t�n tình góp ý giúp �= tôi r�t nhi�u trong quá trình th"c hi�n lu�n v4n này.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 107� 12/8/2007
TÀI LI4U THAM KH(O
1. Giáo Trình Cm Bin.
Phan Qu!c Phô – NXB Khoa H c Và K8 Thu�t – 2006.
2. Cm Bin Và Fng D�ng. D $ng Minh Trí – NXB Khoa H c Và K8 Thu�t – 2001.
3. HandBook Of Modern Sensors. Jacob Fraden – Advanced Monitors Corporation San Diego – Califonia.
4. Th"c Hành S�a Ch*a Và Bo Trì ��ng C$ X4ng. Tr�n Th San – �0 D,ng – �H S Ph�m K8 Thu�t Tp.Hcm – NXB �à NUng.
5. Trang B� �i�n Và �i�n T� Trên Ôtô Hi�n ��i. PGS – TS �0 V4n D,ng – NXB �HQG Tp. Hcm.
6. H� Th!ng Phun X4ng �i�n T� Dùng Trên Xe Du L�ch. Hoàng Xuân Qu!c – NXB Khoa H c Và K8 Thu�t.
7. H (ng D2n S�a Ch*a ��ng C$ TOYOTA 4A – F , 4A – GE. TOYOTA MOTOR VIET NAM – 1996.
7. H (ng D2n S�a Ch*a ��ng C$ 1Rz, 2Rz, 2Rz – e ToYoTa Hiace. Võ T�n �ông - NXB Khoa H c Và K8 Thu�t.
8. WORKSHOP MANUAL – ENGINE -4JA1-NA.4JA1-L MODELS ISUZU Vi�t Nam – 2000.
9. Thit K C$ Khí V(i SolidWorks 2004. Ph�m Quang Huy – NXB Giao Thông V�n Ti.
10. Thit K Web Và Làm Ho�t Hình V(i macromedia FLASH MX Phùng Th� Nguy�t - NXB Giao Thông V�n Ti.
GVHD: ThS V� TH�NG LONG �� ÁN T�T NGHI�P
SVTH: HU�NH H�U LONG� 108� 12/8/2007
M&C L&C Trang LVI NÓI �WU CH&XNG 1: PHÂN TÍCH CX SA LÝ THUYYT
1.1 Gi(i thi�u chung 1 1.2 M�c tiêu �� tài 2 1.3 Gi(i h�n �� tài 2 1.4 C$ s� lý thuyt các lo�i cm bin 2
1.4.1 Cm bin �o v�n t!c l u l �ng và m�c ch�t l u 2 1.4.2 Cm bin �o áp su�t ch�t l u 19 1.4.3 Cm bin �o chân không 32 1.4.4 Cm bin b�c x� h�t nhân 46
1.4.5 Cm bin �� )m 54 1.4.6 Cm bin �i�n hóa 61 1.4.7 Cm bin thành ph�n khí 67 CH&XNG 2 : FNG DZNG C[A CÁC CTM BIYN TRONG NGÀNH
CX KHÍ ÔTÔ 2.1 Cm bin l u l �ng 79 2.2 Cm bin m�c ch�t l u 84 2.3 Cm bin áp su�t chân không 85
2.4 Cm bin �o áp su�t ch�t l u 87 2.5 Cm bin thành ph�n khí 89 CH&XNG 3 : KI\M TRA VÀ MÔ PH]NG 3.1 L u ý khi ki�m tra ch)n �oán 92
3.2 Ch)n �oán 92 3.3 Ki�m tra 94 3.3.1 Cm bin áp su�t chân không 94 3.3.2 Cm bin ôxy 97
3.3.3 Cm bin l u l �ng khí 99 3.4 Mô ph%ng 101 KYT LU^N – �_ XURT 105 TÀI LI�U THAM KHTO 107
MZC LZC 108
�