Đề tài Cảm biến ô tô - Huỳnh Hữu Long

GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
1
12/8/2007 CH
NG 1 PHÂN TÍCH C S LÝ THUYT 1.1 Gii thiu chung Ngày nay, c m bi n là thi t b  c s dng rt ph bi n trong tt c các thi t b, t  dùng trong gia ình cho  n các thi t b tiên ti n và trong ó có c ngành công nghip ô tô. Vì vy nghiên cu v c m bi n  ng dng nó cách hiu qu là vn  ang  c quan tâm c bit. 1.1.1 Công dng cm bi n C m bi n là thi t b chu tác ng ca i l ng cn o không có tính cht in  u vào ký hiu là m và cho  u ra mt i l ng mang b n cht in có th o  c ký hiu là s. i l ng in s là hàm ca i l ng cn o m: s = F(m) 1.1.2 Phân lo i C m bi n  c phân loi theo nhiu cách: 1. Theo nguyên lý chuyn i Nguyên lý chuyn i vt lý; Nguyên lý chuyn i hóa h c; Nguyên lý chuyn i sinh h c. 2. Theo thông s! ca mô hình mch thay th C m bi n tích c"c: u ra là ngun áp hoc ngun dòng; C m bi n th ng: c tr ng bi các thông s! R,C,L…tuy n tính hay phi tuy n tính. 3. Theo tín hiu kích thích C m bi n quang in; C m bi n nhit in; C m bi n v trí, kho ng cách; C m bi n vn t!c, gia t!c; C m bi n o l #ng, th tích cht l u; C m bi n in hóa; C m bi n t; C m bi n l"c. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
2
12/8/2007 1.1.3 Yêu cu Phân tích c$ s lý thuy t và mô ph%ng hot ng mt s! c m bi n s dng trong ngành c$ khí ô tô. 1.2 Mc tiêu  tài Phân tích c$ s lý thuy t và nguyên lý hot ng ca các c m bi n. &ng dng ca các c m bi n trong ngành c$ khí. Mô ph%ng hot ng, kim tra các c m bi n ã ch n. K t lun –  xut. 1.3 Gii h n  tài Vì th#i gian  th"c hin  án không cho phép nên  án ch' gi(i hn trong các c m bi n sau: C m bi n vn t!c, l u l ng, áp sut và mc cht l u. C m bi n o chân không,  )m và in hoá. C m bi n o bc x ht nhân và thành phn khí. 1.4 C s lý thuy t các lo i cm bi n nghiên cu trong  tài 1.4.1 Cm bi n o vn tc, lu lng và mc cht lu Cht l u là các môi tr #ng vt cht  dng l%ng hoc khí tn ti d (i nh*ng iu kin nhit , áp sut và th tích  c xác nh bi các nh lut nhit ng h c. D (i tác dng ca l"c bên ngoài, thí d s" chênh lch áp sut, cht l u có th chuyn ng. Nghiên cu chuyn ng này là !i t ng ca c$ h c cht l u. L+nh v"c ng dng ca cht l u bao gm: hàng không, khí t ng h c, sinh lý h c.  áp ng các l+nh v"c ng dng a dng này, các c m bi n o vn t!c, l u l ng và mc cht l u ca cht l u c,ng rt a dng c v cu to và ph $ng pháp o. 1.4.1.1 c trng ca dòng chy Chuyn ng ca cht l u  c t tr ng bi dòng ch y. Trên th"c t mu!n mô t vt lý mt dòng ch y ca mt cht l u cn ph i o vn t!c, kh!i l ng riêng, áp sut và nhit   các im khác nhau ca cht l u ó. Nh*ng c tính khác ca cht l u nh  nh(t,  khuy ch tán nhit, nhit l ng riêng…  c coi là không i. Dòng ch y có th là mt pha hoc nhiu pha. Các dòng ch y nhiu pha th #ng có b n cht rt khác nhau: có th là t hp ca các pha h$i, khí, l%ng, thí d nh s" hình thành các lung khí do gió gây nên hoc tr #ng hp các lung khói b!c lên t nh*ng ám cháy. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
3
12/8/2007 Tính cht vt lý ca dòng ch y ti mt im có th thay i hoc không thay i theo th#i gian. Khi tính cht vt lý ca dòng ch y ti mt im không thay i thì ó là dòng ch y theo l(p, ng c li, n u chúng thay i thì ó là dòng ch y r!i.  thun li cho vic mô t và c bit là cho vic so sánh gi*a các dòng ch y khác nhau, trong c$ h c cht l u th òng s dng các i l ng không th nguyên, iu này cho phép gi m s! thông s! ca dòng ch y. Trng hp dòng chy không nén và ng nhit: Tr #ng hp này (kh!i l ng riêng và nhit  không i) thì ch' cn mt thông s! không th nguyên c,ng   xác nh dòng ch y, ó là thông s! Reynolds Re: Re = UD/- (1.1) V(i : U – vn t!c c tr ng ca dòng ch y, trong tr #ng hp !ng thì vn t!c trung bình ca dòng ch y U = Q/S; D – kích th (c c tr ng (trong tr #ng hp !ng, D là  #ng kính); Q – l u l ng th tích; S – ti t din !ng; --  nh(t ng h c. !i v(i nh*ng iu kin gi(i hn hoàn toàn gi!ng nhau v hình h c, hai dòng ch y không nén và .ng nhit  c coi là gi!ng nhau n u chúng có thông s! Reynolds b/ng nhau. Thí d: xét hai dòng ch y trong hai !ng có  nhám b mt phía trong thành !ng nh nhau và  #ng kính t $ng ng b/ng D1 và D2. Vn t!c dòng ch y (l u l ng) là U1, U2 và  nh(t là -1,-2.  tho mãn iu kin Re1 = Re2 thì: 2 22 1 11 νν DUDU = (1.2) Nh vy, n u bi t vn t!c u1  im cách thành !ng ca !ng th nht mt kho ng x1 thì có th xác nh vn t!c u2  thành !ng ca !ng th hai mt kho ng x2 = x1(D2/D1) t biu thc: 2 2 1 1 U u U u = (1.3) C,ng nh vy, có th coi u1/U1 là hàm ca s! Reynolds: ( )Re 1 1 f U u = (1.4) GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
4
12/8/2007 Ngh+a là mt cách tng quát, m0i i l ng không th nguyên liên quan  n dòng ch y u có th biu di1n d (i dng hàm s! ph thuc vào s! Reynolds ca dòng ch y ó. Dòng ch y mt pha có th là dòng ch y theo l(p hoc dòng r!i, iu này ph thuc vào s! Reynolds. Trong mt  #ng !ng d2n có ti t din tròn, dòng ch y tr thành dòng r!i n u có s! Reynolds l(n h$n 220. Trong tr #ng hp phc tp h$n khi nhit  và kh!i l ng riêng thay i, s! thông s! cn thi t  mô t mt i l ng A b sung s3 t4ng lên. Thí d, v(i cht khí có vn t!c l(n: A = f(Re,Ma) (1.5) Trong ó Ma = U1/c, c = 5rT là vn t!c âm v(i 5 = Cp/Cv (t6 s! gi*a nhit dung riêng  áp sut không i và th tích c! nh, trong không khí 5 =1,4). r là h/ng s! ca cht khí lý t ng và T là nhit  tuyt !i. Trên th"c t , các c m bi n d"a trên mt nguyên t7c hot ng nh ng v k8 thut thì không gi!ng nhau khi dùng cho dòng ch y là cht khí hoc cht l%ng. Trong b ng 1.1 gi(i thiu mt s! im khác nhau ca hai môi tr #ng này. Bng 1.1 Kh!i l ng riêng 9  nh(t : T!c  ch y Cht l%ng Không i t 800  n 1000 kg/m3 PI 4101÷≈ smU /2000 ≤≤ Cht khí Ph thuc vào T và P, !i v(i không khí  nhit  phòng 3/1 mkg≈ρ PI 510≈ PI: posieuille smU /2000 ≤≤ 1.4.1.2 Cm bi n và phng pháp o vn tc ca cht lu Vn t!c ca các cht l u th #ng  c o gián ti p thông qua nh h ng ca nó  n các c tr ng vt lý ca vt trung gian hoc  n hin t ng vt lý trong ó vn t!c là mt thông s! và vt trung gian là n$i x y ra hin t ng. Vt trung gian có th chính là cht l u hoc mt phn t cu thành ca c m bi n. Khi vt trung gian là b n thân cht l u, vn t!c ca nó xác nh áp sut ng 9U2/2, hiu ng Doppler tác ng bi laze hoc siêu âm và th#i gian truyn qua ca mt ng v phóng x. Trong tr #ng hp này ph i s dng các c m bi n thích hp v(i i l ng o là áp sut, ánh sáng, siêu âm, tia phóng x. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
5
12/8/2007 Khi vt trung gian là mt phn t ca c m bi n t trong cht l u, vn t!c ca cht l u s3 xác nh mt trong các c tr ng vt lý nh nhit  ca dây d2n t trong cht l u và nuôi b/ng dòng mt chiu, hoc t!c  quay ca mt chong chóng hoc bánh xe t trong cht l u. a) Phong k
dây và phong k
màng mng
Nguyên tc hot ng Khi t trong dòng ch y mt dây d2n hoc mt màng m%ng có nhit  cao h$n nhit  ca cht l u thì s3 x y ra s" trao i nhit !i l u. S" trao i nhit ph thuc vào tính cht vt lý ca dòng ch y, vn t!c ca cht l u và s" chênh lch nhit  gi*a phn t nóng và cht l u. Nhit  cân b/ng T0 ca dây hoc màng (c m bi n) xác nh b/ng cách o in tr R ca chúng. in tr này ph thuc vào nhit l ng Joule t%a ra và vn t!c ca cht l u. Trên hình 1.1 biu di1n các dng dây d2n và các loi màng m%ng th #ng s dng  o vn t!c dòng ch y. Các kim loi dùng cho mc ích này cn có h s! nhit in tr R cao. Thí d:  o vn t!c dòng ch y trong cht khí dùng dây platin và wonfram có  #ng kính 0,6µm< D < 10mµ, trong cht l%ng dùng màng m%ng platin. Công sut Pj t%a ra trên in tr  nhit  T s3 b/ng: Pj = R(T). 2Ι (1.6) Trong ó I là dòng mt chiu chy qua in tr R. Hình 1.1 Các d
ng dây dn và màng mng dùng  o vn tc dòng chy. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
6
12/8/2007 N u gi thi t s" trao i nhit ch' x y ra do hin t ng !i l u ca cht l u  nhit  Ta thì công sut trao i  c biu di1n bi biu thc: Pc = h.Sl.(T – Ta) (1.7) Trong ó h là h s! trao i nhit và Sl là din tích mt xung quanh ca c m bi n. !i v(i dây d2n Sl = ;Dl, D là  #ng kính và l là chiu dài. !i v(i màng m%ng Sl = 2;Dl, D là chiu rng và l là chiu dài. Khi có cân b/ng nhit, Pj = Pc , ngh+a là: ( ) ( )aL TTShITR −= ... 2 (1.8) Vn t!c U ca cht l u liên quan  n h s! trao i nhit. Nhiu công thc th"c nghim ã  c  a ra  ph n ánh m!i liên h này, thí d công thc ca King: Ubah += (1.9) Trong ó a,b là các h/ng s! ph thuc vào cht l u và c m bi n. N u s dng biu thc ca King ta s3 có: ( ) ( )( )aTTUBAITR −+= .. 2 (1.10) Trong ó A = a.Sl và B = b.Sl.
S  o 1. Ch  dòng không i Trong tr #ng hp này dòng chy qua dây d2n  c gi*  giá tr không i I = const (b/ng cách dùng ngun dòng). Vì công sut nhit trao i ph thuc vào vn t!c U nên n u U thay i thì nhit  c,ng thay i theo. Mc khác in tr R ph thuc vào nhit , ngh+a là in áp u ra c,ng ph thuc vào nhit . S$  nguyên lý mch o dùng dòng không i  c biu di1n trên hình 1.2. Hình 1.2 S  o trong ch  dòng không i. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
7
12/8/2007 Do dây d2n có nhit dung nht nh nên s3 phát sinh mt h/ng s! th#i gian. Trong mch này có ghép thêm mt phn t bù tr quán tính nhit  c i thin th#i gian áp ng. 2. Ch  nhit  không i Trong tr #ng hp này nhit  (và do ó in tr)  c gi* không i. S$  o biu di1n trên hình 1.3. Trong s$  nhit  không i, c m bi n óng vai trò là mt nhánh ca cu Wheatstone. Dòng in cn thi t  cân b/ng cu ph thuc vào vn t!c ca cht l u. Dùng s$  trên ây có u im là quán tính nhit nh% h$n tr #ng hp dùng dòng không i. b) Phong k
ion Có nhiu loi c m bi n o t!c  gió trên c$ s o dòng ion, chúng khác nhau ch y u v hình dng. Trên hình 1.4 biu di1n s$  nguyên lý ca mt c m bi n o t!c  gió b/ng cách o dòng ion. A4 A2(I2) A1(I1) A3 2A 0A 1I( u Hình 1.4 Phong k ion: a) nguyên lý cu t
o; b) m
ch o. 

Hình 1.3 S  o trong ch  nhit  không i. 





U I1 I2 GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
8
12/8/2007 u o gm mt dây d2n có in th cao, xung quanh nó là b!n in c"c góp. Dây d2n  c t sao cho h (ng ca nó vuông góc v(i h (ng ca dòng ch y. Trong không khí  gn si dây cao áp luôn có các ion, thí d ion (H2O)nH +. T!c  di chuyn ca các ion này gi*a các in c"c t6 l v(i  l(n ca in tr #ng. Khi không khí ng yên, dòng in o  các in c"c b/ng nhau. Khi không khí chuyn ng v(i vn t!c U, h tr nên bt !i xng. Hiu s! dòng in (I1 – I2) ca mt cp in c"c A1 và A2 liên quan  n hình chi u ca U trên  #ng th.ng A1 A2, trong khi ó tng (I1 + I2) hu nh không i.  nhy S ca c m bi n là hàm ca thông s! <: U S ∆ ∆ = σ (1.11) Trong ó < là thông s!  c vi t d (i dng: 21 21 II II + − =σ (1.12) Phong k ion  c s dng  o t!c  gió có giá tr n/m trong kho ng t 0  n 10 m/s. Trong vùng giá tr này ca t!c , áp ng ca c m bi n  c coi là tuy n tính. !i v(i dây  #ng kính 100 :m dài 2 cm  c bao quanh bi các in c"c góp  #ng kính 1,2cm và n/m cách dây mt kho ng b/ng 1 cm,  t  c  tuy n tính cao, cn t in áp kho ng 6000 V trên dây d2n. Dòng in trong in c"c góp t t(i 1,5 :A,  nhy c= 0,04 m/s. c) Phong k
dùng chén bán c u và cánh qut
Phong k
dùng chén bán c u Hình dng ca phong k dùng chén bán cu biu di1n trên hình 1.5. Phong k bán cu có cu to gm t 3  n 4 chén bán cu  c g7n vào cánh tay òn  có th quay quanh mt trc. Khi t máy o trong dòng ch y, các chén bán cu s3 quay quanh trc ca máy o bi vì h s! sc c n ca mt tr (c (mt lõm) và mt sau bán cu (mt li) khác nhau. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
9
12/8/2007  tìm ph $ng trình cân b/ng ta xét hai bán cu 1 và 3 t vuông góc v(i vn t!c U ca dòng ch y và coi l"c tác dng lên hai bán cu 2 và 4 là nh nhau. Các bán cu 1 và 3 có vn t!c th.ng v
và - v
,  th#i im ang xét chung cùng h (ng v(i vn t!c U
ca dòng ch y. L"c c n !i v(i các bán cu: ( )21 2 1 νρ −= USCF X (1.13) ( )23 2 1 νρ −′= USCF X (1.14) Trong ó 9 là kh!i l ng riêng ca cht l u, Cx và C ’ x là h s! l"c c n !i v(i hai mt cu, S là din tích ca mt c n chính ca bán cu (din tích hình chi u ca bán cu trên mt ph.ng vuông góc v(i vn t!c U
). T biu thc trên rút ra: ( ) ( )22 νν +′=− UCUC XX (1.15) Do ó: XX XX CC CC U ′− ′+ =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 cu: a) lo
i 3 chén bán cu; b) s  b trí ca lo
i 4 chén bán cu. 

GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
10
12/8/2007
u o gió dùng cánh qut (chong chóng) u o gió dùng cánh qut biu di1n trên hình 1.6. Trc ca u o  c t song song v(i h (ng ca t!c  dòng ch y. N u b% qua ma sát thì có th coi nh cánh qut (b/ng mt cách nào ó)  c g7n vào dòng ch y, khi ó: U = h. N (1.17) Trong ó U là vn t!c, N là s! vòng quay và h là h/ng s! ca u o. N u tính  n ma sát và ng =ng khi ng thì biu thc ca t!c  gió s3 là: U = a + bN (1.18) Các h/ng s! a và b c tr ng cho cánh qut và cht l u.   m  c s! vòng quay ca cánh qut ng #i ta dùng mt trong ba cách d (i ây: Dùng mt nam châm nh% g7n trên cánh qut, khi cánh qut quay nam châm i qua cun dây và gây nên xung in.  m s! xung theo th#i gian s3 tính  c t!c  quay ca cánh qut. Dùng c m bi n quang in: khi cánh qut quay nó s3 che ánh sáng, to nên xung in. Dùng mch o thích hp  o tng s! hoc in áp. Tr (c khi o ph i chu)n u o b/ng mt trong hai cách: t u o trong dòng ch y có vn t!c ã bi t tr (c hoc di chuyn u o v(i t!c  quy nh tr (c trong n (c ng yên. Phm vi o ca u o cánh qut khác nhau !i v(i các cht l u. Trong không khí d i o n/m trong kho ng t 0,1 ên 30 m/s, trong cht l%ng t 0,05  n 10 m/s. Hình 1.6 o tc  gió bng u o chong chóng. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
11
12/8/2007 1.4.1.3 o lu lng o l u l ng có tm quan tr ng c bit trong các mng l (i vn chuyn cht l u (!ng d2n khí, !ng d2n du) và trong m i thi t b công nghip khi cn kh!ng ch l ng cht l u tham gia vào các quá trình nh  lò ph n ng hoá h c, nhà máy s n xut n4ng l ng, ng c$ !t trong. a) Lu lng k in t
Nguyên lý Khi cho on dây M1M2 chiu dài l chuyn ng tnh ti n trong tr #ng c m ng t B
v(i vn t!c U
trong kho ng th#i gian dt, có th vi t biu thc cho các i l ng c$ b n sau ây: Din tích c7t: dSc = l.U sin.dt (1.19) Hoc d (i dng vect$: dtUlSd c


∧= (1.20) T thông b c7t : dtSdBd cc ..

=θ (1.21) Hình 1.7 S dch chuyn ca m t o
n dây dn trong trng cm ng t. 









GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
12
12/8/2007 Hình 1.8 Lu lng k in t. Sut in ng c m ng: lUB dt d e c


.∧= − = θ (1.22) Khi U
vuông góc v(i l
và B
vuông góc v(i mt ph.ng to bi l
và U
ta có: e = B. l. U (1.23) Công thc này có th tng quát hóa cho tr #ng hp cht l u d2n in ch y trong  #ng !ng  #ng kính D có vn t!c U

vuông góc v(i B
: sut in ng c m ng d c theo  #ng kính vuông góc v(i U

và B
có dng: e = BDU (1.24) Trên th"c t vn t!c thay i tu> v trí ca im trên bán kính !ng, nh ng nó phân b! !i xng quanh trc ca !ng, cho nên U o  c là vn t!c trung bình ca dòng ch y. Trong nh*ng iu kin nh vy, tín hiu e t' l v(i l u l ng.
Cu to ca c m bi
n T tr #ng 10-3÷ 10-2 T  c to ra b/ng cách dùng hai cun dây t  hai phía ca  #ng !ng.  #ng !ng d2n làm b/ng vt liu không t tính, mt bên trong !ng  c ph cht cách in. Hai in c"c ly tín hiu t  hai u  #ng kính vuông góc v(i  #ng sc ca t tr #ng. Các cun dây  c nuôi b/ng ngun xoay chiu tn s! 30 Hz. Tín hiu thu  c  u ra có dng: ( )θϖ += tUDBe cos0 (1.25) Trong ó B0 là tr c"c i ca c m ng t B0 = Bmax, ? là tn s! ca c m ng t. Biên  ca tín hiu t6 l v(i U và có tr c= mV. in c"c Khuy ch i vi sai Cun dây Cun dây GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
13
12/8/2007
Các c trng Các cht l u cn ph i có  d2n in không nh% h$n c= @ :Scm-1. Lý do là bi vì in tr trong ca c m bi n ph i nh% h$n rt nhiu so v(i in tr vào ca thi t b o. Phm vi o ca l u l ng k in t là hàm ca  #ng kính !ng d2n.  #ng kính càng rng thì gi(i hn thp và cao càng dch chuyn v phía l u l ng l(n. Thí d: D = 10 mm, l u l ng nh% nht Qmin = 0,28 m 3/h, l u l ng l(n nht Qmax = 2,8 m 3/h. D = 1 m, Qmin = 2800 m 3/h, Qmax = m 3/h, Qmax = 28000 m 3/h.  chính xác ca l u l ng k t c= @1%. &u im ca l u l ng k in t là  ch0 vic o c không ph thuc vào c tính vt lý ca cht l u (nh mt ,  nh(t,  d2n in v(i iu kin nó ph i l(n h$n mt vài @ :Scm-1). Ngoài ra, thi t b này có kh n4ng ch!ng 4n mòn b/ng cách ch n l(p ph và kim loi in c"c thích hp (Ti, Pt). b) Lu lng k c dùng chuyn i in
Lu lng k
phao ni L u l ng k loi này có cu to gm mt phao nh% t trong !ng th.ng ng hình nón. A trng thái cân b/ng phao chu tác dng ca ba l"c ch y u là l"c )y Archimede, l"c c n và tr ng l ng. Trng thái cân b/ng này  c biu di1n bi ph $ng trình: gV SU CgV x 0 2 2 . ρ ρ ρ =+ (1.26) Trong ó:    Hình 1.9 S  nguyên lý cu t
o ca lu lng k phao ni. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
14
12/8/2007 V là th tích và 90 là kh!i l #ng riêng ca phao. U là vn t!c và 9 là kh!i l ng riêng ca cht l u. Cx là h s! l"c c n và S là din tích ca hình chi u ca phao trên mt ph.ng vuông góc v(i vn t!c U
, S = BD2/4. g là gia t!c tr ng tr #ng. Mc ích ca vic o và phát hin mc cht l u là xác nh mc  hoc kh!i l ng cht l u trong các bình cha. Có hai dng o: o liên tc và xác nh theo ng =ng. Khi o liên tuc, biên  hoc tn s! ca tín hiu o cho bi t th tích cht l u còn li trong bình cha. Khi xác inh theo ng =ng, c m bi n  a ra tín hiu dng nh phân cho bi t thông tin v tình trng hin ti mc ng =ng có t hay không. V trí ca phao  c xác nh sao cho vn t!c ca U  c biu di1n bi biu thc (t iu kin cân b/ng ca các l"c tác dng lên phao) :

     −= 1 2 0 ρ ρ SC gV U x (1.27)  #ng kính D ca !ng d2n thay i tuy n tính theo chiu cao z: D = D0 + az (1.28) Cho nên biu thc ca l u l ng có dng: ( )[ ]20204 DazDQ −+= pi

     −1 2 0 ρ ρ SC gV x (1.29) Nên s" thay i ca  #ng kính !ng rt nh% thì trên th"c t biu thc ca Q s3 là: Kz C gV azQ x =

     −= 1 2 . 0 ρ ρ pi (1.30)  o l u l ng, cách $n gi n nht là chia  tr"c ti p trên !ng thy tinh.  tin x lý k t qu o, có th n!i phao v(i mt chi c cn nh% có liên h c$ v(i lõi ca bi n th vi sai  chuyn tín hiu c$ thành tín hiu in. Tín hiu in này s3 t6 l v(i l u l ng cn o.
Lu lng k
lá chn L u l ng k dùng lá ch7n biu di1n trên hình 1.10. Lá ch7n chu l"c tác ng ca dòng ch y, tr ng l ng và ph n l"c ca lò xo. V trí cân b/ng ca lá ch7n ph thuc vào l u l ng ca cht l u. Tín hiu c$ trong tr #ng hp này có th chuyn thành tín hiu in b/ng cách dùng in k có trc g7n lin v(i trc ca lá ch7n. &u im ca l u l ng k dùng lá ch7n là rC tin và ch7c ch7n. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
15
12/8/2007
Lu lng k
khi lng nhit L u l ng k kh!i l ng nhit có cu to gm mt !ng d2n b/ng kim loi m nh có  #ng kính nh%. Phía ngoài ca !ng kim loi  c cu!n mt si dây !t b/ng in tr  chính gi*a, hai c m bi n nhit   o T1  th ng ngun (u vào) và T2  h l u (u ra)  c t  hai phía ca si !t và !i xng v(i nhau qua si !t. Khi không có dòng ch y l u l ng b/ng không (Q = 0), s" truyn nhit ra hai phía ca si !t là nh nhau, hiu ng nung nóng s3 !i xng và trong tr #ng hp này T1 = T2. Khi l u l ng khác không, T1 gi m 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 biu di1n cu to ca l u l ng k kh!i l ng nhit. Các c m bi n nhit  có th là cp nhit hoc nhit k in tr. N u là hai in tr nhit Hình 1.10 Lu lng k dùng lá chn.    Hình 1.11 Lu lng k khi lng nhit: a) s  nguyên lý cu t
o; b) ng cong nhit  ; c) m
ch t nóng và m
ch o dùng chung hai in tr nhit không có dòng ch y có dòng ch y c m bi n 


lá ch7n lò xo GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
16
12/8/2007 thì chúng làm thành hai nhánh k nhau ca cu Wheatstone, hai nhánh khác là hai in tr có giá tr không i. in áp không cân b/ng trên cu s3 là tín hiu o. Tr #ng hp trên hình v3, chc n4ng nung nóng và o DT th"c hin b/ng hai in tr nhit có dòng in  l(n chy qua. 1.4.1.4 o và phát hin mc cht lu Mc ích ca vic o và phát hin mc cht l u là xác nh mc  hoc kh!i l ng cht l u trong các bình cha. Có hai dng o: o liên tc và xác nh theo ng =ng. Khi o liên tuc, biên  hoc tn s! ca tín hiu o cho bi t th tích cht l u còn li trong bình cha. Khi xác inh theo ng =ng, c m bi n  a ra tín hiu dng nh phân cho bi t thông tin v tình trng hin ti mc ng =ng có t hay không. Thí d, n u phát hin thy mc cao thì c m bi n s3 phát ra tín hiu  ngng vic  cht l u vào bình cha. Khi phát hin thy ng =ng thp, tín hiu s3 phát lnh ngng vic hút cht l u t bình cha   m b o mc d" tr* t!i thiu. Thông th #ng ng #i ta hay k t hp c hai loi u o phát hin ng =ng cao và ng =ng thp  t" ng hóa quy trình cung cp và hút cht l u t bình cha. Có ba ph $ng pháp hay dùng trong k8 thut o và phát hin mc: Ph $ng pháp thy t+nh dùng bi n i in; Ph $ng pháp in d"a trên tính cht in ca cht l u; Ph $ng pháp bc x d"a trên s" t $ng tác gi*a bc x và cht l u. a) Phng pháp thy tnh Trong ph $ng pháp này ch' s! do c m bi n cung cp là hàm liên tc ph thuc vào chiu cao ca cht l u trong bình cha. Nó không ph thuc vào tính cht in ca cht l u nh ng ph thuc vào kh!i l ng riêng ca cht l u. Trên hình 1.12 biu di1n ba cách khác nhau ca ph $ng pháp o thy t+nh. Cách th nht: mt phao ni trên mt cht l u  c g7n b/ng dây (qua mt ròng r c) v(i mt c m bi n v trí. C m bi n v trí s3 cho tín hiu t6 l v(i mc ca cht l u. Cách th hai: mt vt hình tr  c nhúng trong cht l u, chiu cao ca hình tr ph i b/ng hoc l(n h$n mc cao nht ca cht l u. Hình tr này  c treo trên mt c m bi n o l"c. Trong quá trình o c m bi n chu s" tác ng ca mt l"c F t6 l v(i chiu cao ca cht l%ng: F = p – 9gSh (1.31) Trong ó p, S và h là tr ng l ng, ti t din mt c7t ngang và chiu cao phn ngp trong cht l%ng ca hình tr, 9 là kh!i l ng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr #ng. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
17
12/8/2007 S! hng th hai 9gSh trong biu thc là l"c )y Archimede tác dng lên hình tr. Tín hiu do c m bi n cung cp s3 t6 l v(i h – mc cht l u còn li trong bình. Cách th ba: s dng c m bi n áp sut vi sai t  áy ca bình cha. Ti áy bình áp sut  c biu di1n bi biu thc: p = p0 + 9gh (1.32) trong ó p0 là áp sut  'nh ca bình cha, 9gh là áp sut thu6 l"c ti áy bình, 9 là kh!i l ng riêng ca cht l%ng, g là gia t!c tr ng tr #ng. C m bi n óng vai trò vt trung gian có dng mt màng m%ng. Mt mt ca màng chu tác ng ca áp sut p và mt kia chu tác ng ca áp sut p0. Do có s" chênh lch gi*a p và p0 nên hai mt ca màng chu hai l"c tác ng khác nhau làm cho nó b bi n dng. S" bi n dng này s3 cung cp tín hiu c$  c chuyn i thành tín hiu in có  l(n t6 l v(i chiu cao h ca cht l%ng trong bình cha. b) Phng pháp in ây là ph $ng pháp ph i s dng  n các c m bi n c thù. Các c m bi n này chuyn i tr"c ti p mc thành tín hiu in. Tuy th , yêu cu t ra là u o ph i có cu to $n gi n và d ch to.
C m bi
n  dn C m bi n loi này ch' dùng cho cht l u d2n in, không có tính 4n mòn và không l2n th v2n cách in, thí d du nh#n.     Hình 1.12 phng pháp thy tnh: a) phao; b) hình tr treo; c) cm bi n áp sut vi sai. c m bi n v trí c m bi n l"c c m bi n áp sut vi sai 


GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
18
12/8/2007 Cu to ca u o gm hai in c"c hình tr, n u bình cha b/ng kim loi thì bình là mt c"c và ch' cn thêm mt c"c hình tr. u o  c nuôi b/ng ngun in áp xoay chiu ~10V  tránh hin t ng phân c"c ca các in c"c. Trong ch  o liên tc, u o t theo v trí th.ng ng, chiu dài ca u o chi m c d i chiu cao ca mc cn o. Dòng in chy gi*a các in c"c có biên  t6 l v(i chiu dài ca in c"c b ngp trong cht l u.  l(n ca tín hiu c,ng ph thuc vào  d2n ca cht l u. Trong ch  phát hin theo ng =ng, in c"c ng7n và t theo ph $ng n/m ngang, v trí ca m0i in c"c t $ng  $ng v(i mt mc ng =ng. Khi mc cht l%ng t t(i in c"c, dòng in I có biên  không i.
C m bi
n t in Khi cht l%ng là cht cách in, có th to t in b/ng hai in c"c hình tr (hoc mt in c"c k t hp v(i thành bình kim loi ca bình cha). Cht in môi gi*a hai in c"c là cht l%ng  phn ngp và không khí  phn khô. Vic o mc cht l u  c chuyn thành o in dung ca t in. in dung này thay i theo mc cht l u trong bình cha. iu kin cn thi t  áp dng ph $ng pháp này là h/ng s! in môi ca cht l u ph i l(n h$n h/ng s! in môi ca không khí, thông th #ng là gp ôi. Trong tr #ng hp cht l u d2n in, ch' cn s dng mt in c"c bên ngoài có ph vt liu cách in, l(p ph óng vai trò l(p in môi ca t, còn in c"c th hai chính là cht l u.    Hình 1.13 Cm bi n  dn o mc cht lu: a) s  hai in cc; b) s  m t in cc; c) phát hin theo mc. h h GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
19
12/8/2007 c) Phng pháp dùng bc x &u im ca ph $ng pháp bc x là cho phép o mà không cn ti p xúc v(i cht l u. &u im này rt thích hp khi o mc cht l u  nh*ng iu kin kh7c nghit nh nhit  cao, áp sut cao hoc khi cht l u có tính 4n mòn mnh. 1.4.2 Cm bi n o áp sut cht lu Áp sut tác ng nh mt bi n s! trong các hin t ng liên quan  n cht l%ng hoc cht khí, do vy nó là thông s! quan tr ng trong nhiu l+nh v"c nh nhit ng h c, khí ng l"c h c, âm h c, c$ h c cht l%ng, c$ h c t, lý sinh… Trong s! các ngành công nghip khác nhau, các c m bi n áp sut  c ng dng nhiu nht trong l+nh v"c công nghip n4ng l ng. ó là vì trong các thi t b cung cp n4ng l ng thy l"c, nhit ht nhân, cn ph i o và theo dõi áp sut mt cách liên tc, n u áp sut v t quá gi(i hn ng =ng nó s3 làm h%ng bình cha và  #ng !ng d2n, thm chí có th gây n0 làm thit hi nghiêm tr ng  n c$ s vt cht và tính mng con ng #i. Áp sut là thông s! quang tr ng can thip vào vic kim tra và iu khin các b phn máy móc t" ng hoc do con ng #i iu khin. o áp sut c,ng óng vai tr áng k trong hot ng ca ng #i máy. Trong tr #ng hp này áp sut  c o mt cách tr"c ti p trong các b khiên ch hoc gián ti p  thay th cho xúc giác ca con ng #i (nh da nhân to) khi cn xác nh hình dng hay l"c cm n7m các vt. Tt c các hot ng nói trên u cn  n nhiu công c trong ó c m bi n áp sut là m7c xích u tiên. Các c m bi n này s3 cung cp d* liu liên quan  n áp sut Hình 1.14 o mc cht lu bng bc x
gama. Detector n b x lý GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
20
12/8/2007 ca khí nén, h$i n (c, du nh#n hoc ca các cht l%ng khác nh/m xác nh s" vn hành ca các c$ cu, h th!ng, máy móc. Trên th"c t , các nhu cu o áp sut rt a dng òi h%i các c m bi n o áp sut ph i áp ng mt cách t!t nht cho tng tr #ng hp c th. Chính vì vy các c m bi n o áp sut cht l u c,ng rt a dng. Mt nguyên nhân khác d2n  n s" a dng này là  l(n ca áp sut cn o n/m trong mt d i giá tr rt rng, t chân không siêu cao  n áp sut siêu cao.  l(n ca áp sut  c biu di1n b/ng giá tr tuyt !i (so v(i chân không) hoc giá tr t $ng !i (so v(i áp sut khí quyn). Nó c,ng có th  c biu di1n b/ng s" khác nhau gi*a hai áp sut. Trong mc này tr (c khi trình bày các c m bi n o áp sut cht l u s3 gi(i thiu v áp sut và $n v o áp sut. 1.4.2.1 Áp sut và n v o áp sut N u cho mt cht l%ng hoc cht khí (g i chung là cht l u) vào trong mt bình cha nó s3 gây nên l"c tác dng lên thành bình g i là áp sut. Áp sut này ph thuc vào b n cht ca cht l u, th tích mà nó chi m tr (c và sau khi  a vào bình và vào nhit . Áp sut p ca cht l u  c xác nh t l"c dF tác dng vuông góc lên din tích ds ca thành bình: ds dF =Ρ (2.1) Th $ng s! này không ph thuc vào nh h (ng ca b mt ds mà ch' ph thuc vào v trí ca nó trong cht l u. Nói chung các cht l u luôn chu tác ng ca tr ng l"c, bi vy trong tr #ng hp ct cht l u cha trong mt !ng h t th.ng ng, áp sut  im M cách b mt t" do mt kho ng b/ng h s3 b/ng áp sut khí quyn po cng v(i tr ng l ng ca ct cht l u có chiu cao h tác dng lên mt $n v din tích b mt, ngh+a là: P = po + 9gh (2.2) Trong ó 9 là kh!i l ng riêng ca cht l u, g là gia t!c tr ng tr #ng ti im o áp sut. N u cht l%ng chu s" tác ng ca mt gia t!c thì cn ph i tính  n nh h ng ca l"c quán tính  n áp sut cn o. Biu thc p = dF/ds c,ng ng th#i xác nh $n v ca gia t!c. Trong h SI, 1 pascal (Pa) t $ng  $ng v(i áp sut ng dng o l"c 1 newton (N) tác dng lên b mt ph.ng có din tích b/ng 1m2. Áp sut 1 Pa t $ng !i nh%, vì th trong o c công nghip ng #i ta th #ng s dng $n v áp sut là bar (1 bar = 105Pa). GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
21
12/8/2007 Áp sut khí quyn  iu kin bình th #ng t $ng  $ng v(i áp sut o mt ct thy ngân có chiu cao 760 mm gây nên  0 0C v(i gia t!c tr ng tr #ng g = 9,8066 m/s2. Áp sut này b/ng 101325 Pa và th #ng  c biu di1n b/ng mbar, 1 mbar @100 Pa. Trong b ng trình bày m!i quan h t $ng !i gi*a các $n v o áp sut th #ng s dng. Bng 1.2 1.4.2.2 Nguyên tc o a) Cht lu không chuyên ng Vic o áp sut ca cht l u không chuyn ng d2n  n phép o l"c F tác dng lên din tích s ca thành bình phân chia hai môi tr #ng, trong ó mt môi tr #ng cha cht l u là !i t ng cn o áp sut. Có th chia ra ba tr #ng hp chính: o áp sut ly qua mt l0 nh% có ti t din hình tròn  c khoan trên thành bình. o tr"c ti p s" bi n dng ca thành bình do áp sut gây nên. o b/ng mt c m bi n áp sut  chuyn i tín hiu u vào (là áp sut) thành tín hiu in u ra cha thông tin liên quan  n giá tr ca áp sut cn o và s" thay i ca nó theo th#i gian. Trong cách o trích ly áp sut qua mt l0 nh% ph i s dng mt c m bi n t gn sát thành bình. Sai s! ca phép o s3 nh% v(i iu kin là th tích ch t ca kênh d2n và ca c m bi n ph i không áng k so v(i th tích tng cng ca cht l u cn o áp sut. $n v o áp sut pascal (Pa) Bar (b) 2 cmkg atmosphe Cm ct n (c mm Hg mbar 1 pascal 1 10 -5 1,02 10-5 0,9869 10-5 1,02 10 -5 0,75 10 -5 10-2 1 bar 105 1 1,02 0,9869 1020 750 1000 1kg/cm2 98 103 0,980 1 0,986 1000 735 980 1 atmosphe 101325 1,013 1,033 1 1033 760 1013 1gam/cm2 98 98 10-5 10-5 0,968 10-3 1 0,735 0,98 1mmHg 133,3 13,33 10-4 1,36 10-3 1,315 10-3 136 10-3 1 1,333 1mbar 100 1 10-3 1,02 10-3 0,9869 10-3 1,02 0,750 1 GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
22
12/8/2007 Trong tr #ng hp o tr"c ti p, ng #i ta g7n lên thành bình các c m bi n o ng sut  o bi n dng ca thành bình. Bi n dng này là hàm ca áp sut. Ngoài ra c,ng có th dùng mt !ng c bit có kh n4ng bi n dng d (i tác dng ca áp sut  làm vt trung gian. Khi o áp sut trong mt  #ng !ng d2n cht l u, ng #i ta t mt áp k dng !ng n!i ti p v(i  #ng d2n kh o sát. B/ng cách ch n vt liu thích hp, có th s dng !ng trong tr #ng hp có bi n dng l(n và t4ng  nhy ca áp k . Trong tr #ng hp o b/ng c m bi n áp sut, vt trung gian th #ng là các phn t o l"c có mt thông s!, thí d thông s! hình h c, có kh n4ng thay i d (i tác dng ca l"c F = p.s. Trên hình 1.15 biu di1n mt !ng dng hình tr bt kín mt u dùng  o áp sut. Khi áp sut tác ng lên thành !ng nó s3 làm thay i kích th (c ca !ng theo h (ng ca trc và  #ng kính !ng. C m bi n áp sut có cu to bao gm mt !ng có trang b thêm b chuyn i in (thí d c m bi n ng l"c)  chuyn nh*ng thay i kích th (c ca !ng d (i tác dng ca áp sut cn o (i l ng c$ trung gian) thành tín hiu in. Kích th (c ca !ng  c xác nh theo ng l"c l(n nht có th chp nhn  c. C m bi n dng !ng bt kín có th tích ch t c= vài cm3 nh ng trên th"c t th tích này không thay i vì bi n dng ca !ng rt nh%. Ng #i ta c,ng có th s dng vt trung gian là màng m%ng  o áp sut. Khi ó s" khác nhau v áp sut gi*a hai mt ca màng s3 t $ng ng v(i l"c tng cng F tác ng lên màng và v(i bi n dng ca nó (xác nh  m i im theo  #ng kính, theo ti p tuy n hoc  im gi*a ca màng) nh biu di1n trên hình 1.16. Hình 1.15 Cm bi n o áp sut dùng ng bt kín m t u. c m bi n GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
23
12/8/2007 Ph $ng trình bi n dng : ( ) ( ) 22 2 2 3 3 1 16 R rp z y e υ − = − (2.3) Bi n dng ca tâm màng: (r = 0) ( ) 4 2 3 3 1 8 2 p R f y e υ= −


 
Bi n dng theo  #ng kính: ( ) 2 2 2 1 2 3 3 1 8 p R r y e ε υ − = −


 !
Bi n dng theo ti p tuy n: ( ) 2 2 2 2 2 3 1 8 p R r y e ε υ − = −


 "
Tn s! riêng: ( )0 2 2 0, 47 1 e y f R ρ υ = −




 #
: kh!i l ng riêng. !i v(i cùng mt áp sut p, bi n dng ca màng càng l(n thì bán kính r càng l(n và b dày càng nh%.  nhy ca màng c,ng t4ng khi bi n dng t4ng lên. Hin t ng tr do bi n dng không ph i là àn hi tuyt !i s3 nh h ng  n  tuy n tính ca màng. Mt khác, khi t6 s! R/e t4ng s3 làm cho tn s! riêng ca màng gi m i. Bi vy, thông th #ng t6 s! R/e  c ch n  dung hòa hai y u t!, mt mt là ng l"c mà màng có th chu "ng  c và mt khác  cho tn s! riêng ca màng càng l(n càng t!t. Trên th"c t s" l"a ch n này ph thuc vào c tính ca vt liu ch to màng và công ngh x lý nhit ã áp dng cho nó. Ngoài dng !ng hình tr và màng ph.ng, vt trung gian dùng  o áp sut cht l u có th là màng dng sóng, piston k t hp v(i lò so, áp k giãn n=, !ng xi phông Hình 1.16 Bi n d
ng ca màng hình tr c óng khung theo chu vi. $
E
p f e GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
24
12/8/2007 (dng x p thành n p), !ng hình cong bt mt u…Tùy tng tr #ng hp c th mà ng #i ta ch n vt trung gian cho thích hp v(i áp sut cn o. b) Cht lu chuyn ng Khi nghiên cu cht l u chuyn ng cn ph i tính  n ba dng áp sut cùng tn ti: áp sut t+nh (ps) ca cht l u không chuyn ng, áp sut ng (pd) do chuyn ng v(i vn t!c v ca cht l u gây nên và áp sut tng cng pt là tng ca hai áp sut trên: Pt = ps + pd (2.8) Áp sut t+nh ps  c o b/ng mt trong các ph $ng pháp va trình bày. Áp sut ng tác dng lên mt ph.ng t vuông góc v(i dòng ch y s3 làm t4ng áp sut t+nh và có giá tr t6 l v(i bình ph $ng vn t!c, ngh+a là: 2 2 v pd ρ = (2.9) Trong ó 9 là kh!i l ng riêng ca cht l u. Vic o các áp sut này trong cht l u chuyn ng có th  c th"c hin b/ng cách n!i v(i hai u ra ca ông Pitot hai c m bi n, mt c m bi n o áp sut tng cng và mt c m bi n o áp sut t+nh. Khi ó áp sut ng s3 là hiu ca áp sut tng cng và áp sut t+nh. Có th trang b tr"c ti p mt 4ng ten là !ng Pitot v(i hai c m bi n áp sut kích th (c nh%  o áp sut ng. Các màng ca hai c m bi n này  c t sao cho mt màng vuông góc v(i dòng ch y và màng th hai song song v(i trc ca !ng. Trong mt loi !ng $n gi n h$n áp sut t+nh  c o b/ng cách khác: ng #i ta t Hình 1.17 o áp sut  ng bng ng Pitot.
GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
25
12/8/2007 áp sut tng cng lên mt tr (c ca màng còn áp sut t+nh thì t lên mt sau ca màng. Nh vy tín hiu do c m bi n cung cp s3 là s" khác nhau gi*a áp sut tng cng và áp sut t+nh, b/ng cách này ng #i ta o  c áp sut ng ca cht l u. 1.4.2.3 Vt trung gian Vic l"a ch n vt trung gian  o áp sut cht l u ph thuc vào b n cht ca áp sut cn o,  l(n ca nó và ph $ng pháp chuyn i tín hiu (chuyn i  dch chuyn hay bi n dng thành tín hiu in). Vt trung gian  c t tr ng bi  cng (là t6 s! gi*a l"c tác dng và  dch chuyn) và tn s! riêng ca nó.  nhy t6 l nghch v(i  cng r trong khi tn s! riêng fo li t4ng khi  cng t4ng lên: M r f pi2 1 0 = (2.10) V(i M là kh!i l ng ca vt trung gian và các phn t khác (nh màng, thanh =…) liên k t cng v(i nó. Khi t4ng t6 s! r/M kh n4ng chu rung ng và gia t!c ca vt trung gian s3 t4ng lên. Ti p theo, b/ng cách nâng tn s! riêng ca vt trung gian, có th t4ng  nhanh ca áp ng. Ng c li,  nhy s3 gi m i bi vì  cng càng l(n thì vt bi n dng càng kém. S" gi m  nhy này  n mt mc  nào ó s3 làm cho tín hiu y u i so v(i nhi1u và làm sai lch k t qu o áp sut ca cht l u. !i v(i m0i loi vt trung gian tn ti mt m!i quan h bt bi n gi*a kh!i l ng M,  nhy S và tn s! riêng fo: MSfo = const. Thí d, trong các tr #ng hp 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 vt trung gian dng thanh dài c! nh  hai u. Trong m i tr #ng hp,  cng,  nhy và dch chuyn có liên quan  n ng l"c c"c i mà vt trung gian có th chu "ng  c. Fng l"c này ph thuc vào vt liu ch to vt trung gian. Vic l"a ch n vt liu ph i th%a mãn iu kin là tuân th các c tr ng o l #ng ca c m bi n. Hình 1.18 Cm bi n o áp sut  ng k t hp v!i b chuyn i áp in. áp sut tng cng màng thch anh Ps GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
26
12/8/2007 Hình 1.19 Cm bi n áp sut vi sai chuyn i tín hiu bng in th k . 1.4.2.4 Phng pháp chuyn i tín hiu a) Chuyn i bng bi
n thiên tr kháng
in th
k
C m bi n áp sut vi sai dùng in th k  chuyn i tín hiu  c biu di1n trên hình 1.19. Con chy ca in th k  c n!i v(i bung giãn n sao cho bi n dng ca vt trung gian này kéo theo dch chuyn x ca con chy. !i v(i in th k có in tr tng Rn  c nuôi b/ng sut in ng es, in th gi*a con chy và mt u ca in tr  c biu di1n b/ng biu thc: ( ) n sm R xR eV .= (2.11) Trong ó R(x) là in tr gi*a con chy và mt u ca in tr tng. N u có s" t6 l thun gi*a áp sut p cn o và biên dng ca vt trung gian, gi*a bi n dng ca vt trung gian v(i dch chuyn x ca con chy và gi*a dch chuyn ca con chy v(i in tr R(x) thì ta s3 có biu thc ca in th Vm nh sau: Vm = k.es.p (2.12) Trong ó k là h/ng s! c tr ng cho c m bi n. Các c tr ng o l #ng ca c m bi n dùng in th k  chuyn i tín hiu  c lit kê nh sau: in th k con chy lò xo bung giãn n= hp GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
27
12/8/2007  tuy n tính:± 0,5  n 1% ca d i o;  tr: ± 0,1  n ± 1% ca d i o;  phân gi i: t!t h$n 0,03 ca d i o;  nhanh: t!c  áp ng t 15  n 100 ms; Tín hiu u ra: c= mt vài vôn. &u im ca c m bi n loi này là tín hiu ra l(n, có th s dng k t hp v(i b khuy ch i và có kh n4ng thích ng v(i s" thay i không tuy n tính. Nh c m ca c m bi n là th#i gian s dng b hn ch và nhy v(i rung ng.
C m bi
n áp tr C m bi n  c ch to trên  silic loi N. &u im ca vt liu này là khi  dng $n tinh th nó có tính àn hi t!t nên hiu ng tr c$ h c rt nh% và có th b% qua. H$n n*a ây là vt liu bán d2n nên có th dùng làm   ch to c m biên b/ng k8 thut khuy ch tán planar. S$  nguyên lý ca c m bi n áp tr  c biu di1n trên hình 1.26. Trong c m bi n này,  silic loi N  m b o vic chuyn i áp sut tác ng lên nó thành ng sut ni. Các tp cht loi P  c khuy ch tán vào nh*ng vùng có nh h (ng so v(i trc tinh th sao cho  m b o  nhy t!t nht b/ng cách k t hp các ng l"c sinh ra do bi n dng  silic. Trên hình 1.20b là tr #ng hp màng nh h (ng (100) có g7n b!n c m bi n, trong ó hai c m bi n t  tâm theo h (ng (110) và hai c m bi n khác t  gn bên to thành v(i h (ng (100) mt góc b/ng 600. V(i cách t c m bi n nh vy, s" thay i ca in tr theo ng sut ni !i v(i hai cp c m bi n s3 b/ng nhau nh ng có du ng c nhau: RRRRR ∆=∆−=∆−=∆=∆ 4231 (2.13) Khi ó in áp Vm o  hai u  #ng chéo ca cu  c nuôi b/ng dòng mt chiu s3 là: ( ) RIRRRRIVm ∆=∆−∆+∆−∆= ..4 4321 (2.14) Hình 1.20 Cm bi n áp in: a) s  nguyên lý cu t
o, b) v trí "t cm bi n trên màng. dây d2n Au ti p xúc kim loi khuy ch tán tp cht loi P Si loi N JT R2 R3 R1 R4 GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
28
12/8/2007 S" thay i t $ng !i ca tr kháng ph thuc vào ng l"c <  c biu di1n b/ng biu thc: piσ= ∆ 0 R R (2.15) Trong ó B là h s! áp tr ca tinh th (~ 4.10-10 m2/N), và biu thc ca in áp  c vi t li d (i dng: Vm = .IR0< (2.16)  nhy ca c m bi n áp tr ph thuc vào  l(n ca áp sut cn o. !i v(i d i áp sut thp,  nhy ca c m bi n thay i trong kho ng t 0,1  n 3 mV/mbar ph thuc vào dng hình h c ca màng và c #ng  dòng in. Trong d i áp sut t hàng tr4m mbar  n hàng tr4m bar,  nhy thay i t trong kho ng 0,2  n 12,5 mV/bar (t $ng  $ng v(i tín hiu u ra t 100  n 300 mV). C m bi n áp tr loi khuy ch tán có th làm vic trong d i nhit  t -40 oC  n 125 oC ph thuc vào t6 l pha tp. Ng #i ta c,ng có th bù tr nh*ng thay i nhit ca in tr (ca c m bi n) b/ng cách  a thêm vào b iu hòa mt thi t b hiu ch'nh  c iu khin b/ng u o nhit  JT t trong màng (hình 1.20). C m bi n áp sut dùng áp tr khuy ch tán tr"c ti p trên vt trung gian có  tuy n tính và  tr n/m trong kho ng t ± 0,2  n ± 2% ca d i o,  phân gi i t!t h$n 0,1% và  chính xác t 0,1  n 0,5%.  nhanh ph thuc vào tn s! riêng ca màng. Tn s! này ph thuc vào  #ng kính và b dày ca màng và thay i trong kho ng t 50 kHz  n 1 MHz. &u im ca c m bi n loi này là tín hiu ra t $ng !i l(n, kích th (c nh% và kh!i l ng không áng k. Trên th"c t có th ch to các màng có  #ng kính c= mm, không nhy c m v(i rung ng và va chm mnh. b) Chuyn i bng hiu ng áp in Khi s dng vt trung gian là mt cu trúc áp in, ng #i ta có th chuyn i tr"c ti p ng l"c d (i tác ng ca l"c F (do áp sut cht l u gây nên) thành tín hiu in Q. Thí d, n u to in c"c kim loi trên mt phi n m%ng c7t t tinh th thch anh theo h (ng vuông góc v(i mt trong ba trc in ri tác dng lên nó mt l"c c$ h c (thí d l"c nén) thì s3 x y ra hin t ng phân c"c in: trên các b n c"c kim loi xut hin các in tích Q. in tích này t6 l v(i l"c tác dng: Q = kF (2.17) Trong ó k là h/ng s! áp in và F là l"c tác ng. Trong tr #ng hp thch anh, k = 2,32.10-12 culong/newton. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
29
12/8/2007 Cu trúc ca phn t áp in dng !ng cho phép t4ng in tích b/ng cách $n gi n hóa kiu k t hp các phn t. !i v(i cu trúc loi này, in tích trên các b n c"c  c tính t biu thc: 22 4 dD dh kFQ − = (2.18) Trong ó d và D là  #ng kính trong và ngoài ca !ng, h là chiu cao ca phn ph kim loi. ng  c làm b/ng cách k t hp hai phn t phân c"c ng c v(i mt !i xng. Các c m bi n áp in có th  c gi m thiu kích th (c mt cách d dàng. Trong tr #ng hp !ng dng hình tr có th gi m  #ng kính xu!ng vài milimet. D i áp sut o  c ca c m bi n áp in n/m trong kho ng t vài mbar  n hàng ngàn bar.  nhy ca c m bi n thay i trong kho ng t 0,05 pC/bar  n 1pC/bar ph thuc vào hình dng ca phn t áp in và d i o.  tuy n tính thay i trong phm vi t ÷0,1  n ÷1% ca d i o v(i  tr1 nh% h$n 0,0001% và  phân gi i 0,001%.  l(n ca tín hiu u ra thay i t 5  n 100mV. &u im ca c m bi n áp sut dùng chuyn i tín hiu b/ng áp in là áp ng tn s! rt t!t, thích hp  o áp sut thay i nhanh, kích th (c nh%, ít nhy c m v(i gia t!c và không cn ngun nuôi c m bi n. Nh c im ca c m bi n loi này là nhy c m v(i thay i ca nhit  và cn s dng cáp n!i c bit. c) Chuyn i bng dao ng c in Trong các c m bi n dùng chuyn i b/ng dao ng c$ in, b phn dao ng là mt phn t dao ng c$ có tn s! ph thuc vào l"c tác dng lên nó. L"c do áp sut Hình 1.21 Phn t áp in d
ng ng. trc in trc quang l(p ph kim loi bên ngoài l(p ph kim loi bên trong GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
30
12/8/2007 gây nên có th tác ng tr"c ti p hoc gián ti p lên phn t dao ng. Nó làm thay i tn s! dao ng c$ và do vy làm bi n thiên tn s! do b dao ng phát ra. Thông th #ng b dao ng bao gm mt vt trung gian chu tác ng ca áp sut cn o k t hp v(i mt phn t dao ng c$ h c. ây là tr #ng hp dây hoc lá thép dao ng  c c4ng gi*a mt im c! nh và mt im khác n/m trên màng hoc !ng xiphông (hình 1.28 a,b). Các dao ng  c duy trì nh# hai cun dây. Khi phn t dao ng b/ng thép dao ng v(i tn s! f, nó làm cho t tr ca mch bi n thiên tun hoàn và gây nên mt in th c m ng cùng tn s! trong cun o. in th này  c khuy ch i  nuôi cun kích to dao ng. Tn s! f ca dao ng c$ ph thuc vào ba y u t!: Hình dng và kích th (c (chiu dài l và ti t din s mt c7t ngang) ca phn t dao ng; Tính cht vt lý ca vt liu ch to phn t dao ng (kh!i l ng riêng 9); L"c tác dng lên phn t dao ng. Trong tr #ng hp dây dao ng  c c4ng gi*a mt im c! nh và mt im chu tác ng ca áp sut, biu thc ca tn s! dao ng có dng: s F l f .2 1 ρ = (2.19) Trong ó F là l"c c4ng dây. !i v(i tr #ng hp !ng dao ng, m!i quan h gi*a áp sut cn o và tn s! dao ng  c biu di1n b/ng biu thc: P = A(f – f0) + B (f – f0) 2 + C (f – f0) 3 (2.20) Trong ó f0 là tn s! dao ng khi ch a có s" tác ng ca áp sut và f là tn s! dao ng khi áp sut tác ng b/ng p; A,B,C là các h/ng s! ca c m bi n. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
31
12/8/2007 Trên hình 1.22a biu di1n c m bi n dng  o áp sut cht l u trong các khe hGp. Áp sut  c truyn qua phn t x!p làm cho kh!i àn hi b bi n dng d c và do vy làm thay i sc c4ng ca dây và tn s! dao ng ca nó. Các d i o có th thay i trong nh*ng kho ng giá tr khác nhau: 0 ÷ 2, 0÷ 5, 0 ÷ 10 và 0÷ 20 bar.  chính xác ca c m bi n c= 0,3% v(i  phân gi i b/ng 0,1%. Trên hình 1.22b biu di1n c m bi n o áp sut tuyt !i dùng phn t dao ng là lá thép. Nó  c ng dng nhiu trong k8 thut hàng không. Trong c m bi n này, !ng xiphông kín ã  c hút chân không ( làm áp sut so sánh gây nên l"c c4ng lá thép dao ng.Giá tr ca áp sut  c tính t giá tr ca tn s! và nhit . D i áp sut o ca c m bi n n/m trong kho ng t 0  n 3000 mbar.  chính xác thay i trong phm vi t ÷0,01  n ÷ 0,02% ph thuc vào giá tr ca áp sut o. Hình 1.22 Cm bi n áp sut dùng chuyn i dao  ng c in: a) dây dao  ng, b) lá dao  ng. cáp mm cun kích và cun o dây dao ng kh!i àn hi phn t x!p n (c cun kích cun o lá dao ng tín hiu nhit ô tín hiu áp sut áp sut !ng xi phông chân không nh dng tín hiu GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
32
12/8/2007 &u im ca c m bi n dùng dây, lá và !ng dao ng là o theo tn s!,  lp li,  phân gi i và  chính xác cao. Tuy vy nh c im ca loi c m bi n này là s" không tuy n tính, d i thông hGp và nhy v(i nhit , dao ng và va chm. d) Phng pháp tranzito áp in Trong các tranzito áp in NPN, khi dùng mt m,i nh n tác dng l"c F lên êmit$,  d2n ca vùng chuyn ti p emit$-baz$ có th b thay i. Ng #i ta ã ng dng hiu ng này  o áp sut cht l u: trong mch khuy ch i s dng mt trong nh*ng tranzito loi này, tín hiu in  u ra t6 l v(i l"c tác dng. Trên hình v3 biu di1n mt c m bi n áp sut cht l u trong ó s dng mt màng g7n v(i mt m,i nh n tác ng lên emit$ ca mt tranzito áp in. Các c m bi n dng tranzito áp in có th o áp sut cht l u có giá tr n/m trong kho ng t mt vài milibar  n 1,5 bar. !i v(i in áp nuôi b/ng 10 V,  nhy trung bình t 0,1 V/mbar. 1.4.3 Cm bi n o chân không 1.4.3.1 Di chân không và các lo i chân không k Theo truyn th!ng ng #i ta chia chân không thành b!n d i t $ng  $ng v(i b!n vùng áp sut. Trong m0i d i, mt s! c tr ng và tính cht ca cht khí có th thay i khác nhau. T $ng ng v(i m0i d i chân không có mt loi c m bi n d"a trên mt tính cht c bit ca cht khí trong d i ó. Trong b ng lit kê các d i áp sut chân không. Các c m bi n o chân không  c chia thành ba nhóm chính: C m bi n dùng hiu ng c$. Hình 1.23 Cm bi n o áp sut cht lu dùng tranzito áp in. tranzito npn m,i kim c $ng màng GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
33
12/8/2007 C m bi n dng hiu ng nhit. C m bi n d"a trên các c tr ng in ca cht khí. Bng 1.3 1.4.3.2 Chân không k àn h i a) Chân không k
dng ng Bourdon Vt trung gian trong tr #ng hp này là mt !ng tròn hoc dGt có thành m%ng, làm b/ng kim loi hoc thch anh và  c u!n dng lò so xo7n !c. Phn trong ca !ng  c n!i thông v(i th tích cn o áp sut, phía ngoài ca !ng là không khí hoc môi tr #ng khép kín có áp sut không i ã bi t tr (c (g i là áp sut chu)n hay áp sut so sánh). N u môi tr #ng bên ngoài là !ng chân không (~10-1 Pa) thì c m bi n  c g i là c m bi n áp sut tuyt !i. Nguyên lý o nh sau: s" chênh lch áp sut bên ngoài và bên trong !ng làm cho !ng b bi n dng; do mt u ca !ng xo7n !c  c gá c! nh nên bi n dng àn hi s3 làm cho u kia ca !ng dch chuyn, và  dch chuyn này t6 l v(i áp sut trong !ng. Dch chuyn ca u !ng có th o b/ng cách n!i nó v(i in th k hoc v(i c m ng t bi n thiên. b) C m bi
n dng màng mng Nguyên lý ca c m bi n dng màng m%ng d"a trên s" bi n dng ca màng m%ng kín và ph.ng hoc màng dng l n sóng d (i tác dng ca s" chênh lch áp sut gi*a hai th tích khí ng4n cách bi màng m%ng, mt mt ca màng chu tác dng ca áp sut cn o và mt kia n/m trong môi tr #ng so sánh có áp sut bi t tr (c. Chân không thp Chân không trung bình Chân không cao Chân không siêu cao D i áp sut Pa 105- 102 102- 10-4 10-4- 10-5 <10-5 mbar 103-1 1-10-3 10-3-10-7 <10-7 S! phân t trong 1 cm3 1019- 1016 1016-1013 1013-109 <109 Quãng  #ng t" do trung bình (cm) 10-6- 10-3 10-3- 1 1-104 >104
GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
34
12/8/2007 Màng m%ng th #ng là các lá làm b/ng thép không r' hoc hp kim inconel, Pd, hoc silic ã  c gia công  gi m  tr c$ h c ca chúng.
C m bi
n dùng  u o áp tr Trong c m bi n dng này, bi n dng ca màng  c chuyn thành dng tín hiu in b/ng mt u o bi n dng loi áp tr g7n trên b mt ca màng. Màng là lá m%ng b/ng thép không r'  #ng kính D = 12÷15 mm, chiu dày n/m trong kho ng 10-2÷10-4 mm, hoc b/ng mt phi n silic. N u là lá thép m%ng, c m bi n áp tr s3  c dán lên màng. N u là phi n silic, c m bi n áp tr s3  c ch to tr"c ti p trên b mt silic b/ng ph $ng pháp bay h$i trong chân không. Hai dng cu trúc này cho phép o phía áp sut cao (>105 Pa). Tuy nhiên c,ng tn ti nh*ng kiu khác cho phép o áp sut thp h$n, t 2.10-4 ÷ 2.105 Pa v(i  sai lch tuy n tính ~0,5% và  phân gi i 10-6, th#i gian áp ng n/m trong kho ng 20 ÷ 50 µs. &u im ca các u o chân không dùng c m bi n áp tr là có th s dng chúng trong môi tr #ng 4n mòn  o áp sut tuyt !i hoc áp sut t $ng !i. Th tích ch t và th tích ng ca chúng nh%, th tích ch t c= vài cm3 và th tích ng c= phn m #i mm3.
C m bi
n t in Cu to ca c m bi n t in gm mt màng M hình tròn làm b/ng kim loi ph.ng,  c c4ng theo chiu bán kính  gi m tr c$ h c. Màng này óng vai trò là mt in c"c và ng4n cách hai môi tr #ng (môi tr #ng cn o áp sut px và môi tr #ng có áp sut chu)n pr  so sánh), hai b n in c"c A1 và A2 t trong hai môi tr #ng khác nhau và !i xng nhau qua M (hình 1.24a). S" bi n dng ca màng d (i tác dng ca chênh lch áp sut p = px – pr t $ng  $ng v(i dch chuyn d ca tâm màng M. dch chuyn này t6 l v(i p. Bi n dng ca màng làm gi m in dung C1 gi*a A1 và M và t4ng in dung C2 gi*a M và A2 hoc ng c li ph thuc vào du ca p. C1 và C2 to thành t vi sai và  c kích Hình 1.24 Cm bi n t in: a) s  nguyên lý; b) m
ch o. A1 A2 M D0 D0 Pr Px es +e -e C1 C2 Vm a) b) GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
35
12/8/2007 thích b/ng mt bi n th có im gi*a n!i t d (i in áp xoay chiu tEe ωcos.±=± (thí d,E = 1,5 V, f = ω /2 = 10 kHz). Tín hiu ra Vm ly tr"c ti p t màng, theo s$  mch in  hình 11.2b  c biu di1n b/ng biu thc: 21 21. CC CC eVm + − = (3.1) Khi có bi n dng gây nên  dch chuyn d ca tâm màng so v(i v trí ban u, các in dung C1 và C2 t6 l (t $ng ng) v(i 1/(D0+d) và 1/(D0-d), cho nên tín hiu in s3 b/ng: t D d E D d eVm ωcos... 00 −=−= (3.2) Vm t6 l v(i  dch chuyn d ca tâm màng, do ó nó t6 l v(i áp sut vi sai. Phm vi o ca c m bi n t in n/m trong kho ng 10-2÷10-6 Pa. C m bi n này cho  chính xác cao (0,1÷0,3%), sai lch tuy n tính nh% (0,02%). Nh c im ca c m bi n !i xng là  ch0 trong tr #ng hp o áp sut ca môi tr #ng 4n mòn, in c"c có th b h%ng. Ngoài ra, hot ng ca c m bi n có th b sai lch n u nh trong môi tr #ng o xut hin cht khí có  d2n cao. Vì hai lý do trên, ng #i ta  a ra mt cu trúc khác trong ó c hai t C1 và C2 u n/m trong cùng mt môi tr #ng (hình 1.25). Trong tr #ng hp này, hai in dung C1 và C2 thay i cùng chiu, tuy nhiên s" thay i ca chúng không nh nhau vì các b n c"c A1 và A2  c b! trí không !i xng v(i trc ca màng. Tín hiu in t $ng ng v(i s" thay i khác nhau ca C1 và C2 không ph thuc vào h/ng s! in môi ca cht khí, ngay c trong iu kin áp sut cao,  )m l(n, hoc có h$i ca cht h*u c$, cht b ion hóa và phóng x. Hình 1.25 Cm bi n t in dùng hai bn cc không i xng. A2 A1 M Pr Px GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
36
12/8/2007 Mch o và in áp nuôi dùng cho c m bi n này gi!ng nh tr #ng hp t in !i xng. Các c tr ng c,ng t $ng t" nh tr #ng hp tr (c. Khi s dng  o áp sut tuyt !i, c m bi n  c óng kín  phía các t in. 1.4.3.3 Chân không k nhit Nguyên lý chung ca chân không k nhit dng dây nóng là d"a trên hin t ng thay i  d2n nhit ca cht khí khi áp sut thay i trong kho ng 103 ÷ 10-1 Pa. S truyn nhit trong cht khí Mt s! tính cht ca cht khí nh  nh(t,  d2n nhit có liên quan  n s" truyn n4ng l ng và s" vn chuyn kh!i. Do các quá trình truyn n4ng l ng di1n ra thông qua va chm gi*a các phân t cho nên các tính cht nêu trên s3 ph thuc vào giá tr t $ng !i ca quãng  #ng t" do ca các phân t, tc là ph thuc vào áp sut. N u trong cht khí xut hin graient nhit  theo mt h (ng nào ó (thí d h (ng Ox) thì s3 xut hin lung nhit Q theo h (ng ng c li sao cho dt dT KQ −= (3.3) Trong ó K là h s! d2n nhit ca cht khí. Khi quãng  #ng t" do trung bình rt nh% so v(i kho ng cách l t ngun phát nhit (thành nóng)  n n$i thu nhit (thành ngui) << l , h s! K không ph thuc vào áp sut. Khi quãng  #ng t" do t4ng ( )3 210 10 lλ − −≈ ÷ t $ng  $ng v$i áp sut 103 Pa, h s! d2n nhit b7t u ph thuc vào áp sut và gi m theo p. Khi H @ l, h s! K t6 l v(i áp sut. D"a vào tính cht trên ây ng #i ta ã ch to ra c m bi n chân không dng dây nóng hay còn quen g i là chân không k nhit. Nguyên tc hot ng ca chân không k
nhit là: Phn t c$ b n ca chân không k nhit là mt si dây kim loi  c !t nóng b/ng hiu ng Joule t trong mt !ng hình tr ng tâm, mt ngoài !ng ti p xúc v(i môi tr #ng và th tích bên trong ca !ng thông v(i áp sut cn o (hình 1.26). Nhit  ca si !t ph thuc ch y u vào s" mt nhit do d2n nhit trong cht khí. S" mt nhit này càng l(n khi áp sut càng cao. Trên th"c t , công sut cung cp cho si !t  c gi* không i, vì vy vic o nhit  ca dây cho phép xác nh áp sut ca cht khí. Nhit  ca dây  c o b/ng in tr (ph $ng pháp Pirni) hoc b/ng cp nhit g7n trên si !t. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
37
12/8/2007 Trong ch  t+nh, công sut Pj  c cung cp bi hiu ng Joule b chia thành: PC1: công sut tiêu hao do d2n nhit trong cht khí; PC2: công sut tiêu hao do d2n nhit  giá = si !t; Pr: công sut tiêu hao do bc x nhit. Vì vy: Pj = PC1+ PC2 + Pr: (3.4) Công sut mt mát do d2n nhit ca cht khí PC1 là hàm ca s" phân b! nhit theo  #ng kính !ng và ph thuc vào r0 ca v%, vào nhit dung và nhit  ca dây. Trong ch  t+nh, nhit  T0 ca !ng và nhit  Tf ca si !t không i, bi vy có th vi t biu thc cho PC1 : ( ) ( )001 ... TT M p aTTKaP ffC −′=−= (3.5) Trong ó: p và M là áp sut và kh!i l ng phân t ca cht khí; a’ là h/ng s! ph thuc vào din tích b mt ngoài ca si !t (ngh+a là ph thuc vào  #ng kính r và chiu dài L ca nó). Gi thi t nhit  ca giá = si !t là ng u và b/ng nhit  T0, ng th#i si !t là .ng nhit, gradient nhit  Tf - T0 theo chiu dài ca si !t không áng k so v(i toàn b chiu dài L ca nó. Khi ó s" tiêu hao công sut do d2n nhit ca giá = si !t  c biu di1n b/ng biu thc: PC2 = b.Kf (Tf – T0) (3.6) Trong ó Kf là  d2n nhit ca kim loi làm si !t, b là h/ng s! !i v(i mt si !t và giá = cho tr (c. Tiêu hao công sut do bc x  c xác nh bi nh lut Stefan- Boltzman: Hình 1.26 Chân không k nhit. giá = giá = si !t ro v% GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
38
12/8/2007 ( )4004 .... TTcP ffr εεσ −= (3.7) Trong ó: Ef và E0 là h s! phát x ca dây  nhit  Tf và ca v%  nhit  T0; < là h/ng s! Stefan ca vt en tuyt !i (< =5,7.10-8 w.m-2.K-2); c là h/ng s! ph thuc vào din tích mt ngoài ca si !t. Trong ba dng tiêu hao công sut nhit k trên, ch' có thành phn PC1 ph thuc vào áp sut ca cht khí. PC2 và Pr có th gi m thiu b/ng cách gi m r, Kf và f.  nhy ca c m bi n càng cao khi (Tf – T0) càng l(n. Tuy nhiên, do Pr c,ng nhy v(i hiu (Tf – T0) nên nhit  si !t ph i gi*  giá tr t $ng !i thp, t 100 0C  n 200 0C trong khi nhit  T0 ca !ng th #ng là nhit  phòng. a) Chân không k
Pirani Chân không k Pirani c in th #ng có mt si !t gm mt hoc nhiu phn dng  #ng th.ng t trong v% b c kim loi hoc thy tinh. C m bi n càng nhy khi si !t càng dài và m nh. Vì th trong các u o hin i si !t làm b/ng dây d2n có  #ng kính nh%, c= ~10µm,  c u!n hình xo7n !c hoc b/ng d i m nh. Vt liu làm dây là kim loi ít b oxy hóa, nh Pt, W, Ni (hình 1.27). Mch o dùng cho c m bi n Pirani là cu Wheatstone trong ó si !t ca u o là mt nhánh. Mch  c nuôi b/ng mt trong hai ch : Nuôi b/ng ngun in áp không i U = const. Khi ó tín hiu s3 là in áp không cân b/ng ca cu. Tr (c khi o cu  c cân b/ng  áp sut chu)n (áp sut so sánh). Áp sut so sánh có th là áp sut không khí trong phòng hoc mt áp sut bi t tr (c có giá tr nh% h$n áp sut làm vic ca c m bi n. Nuôi b/ng in áp bi n thiên sao cho nhit  ca dây không i. T = const. Lúc ó cu s3 t" iu ch'nh b/ng mt khuy ch i vi sai có  khuy ch i l(n. Trong s$  này tín hiu o Vm s3 là s" thay i ca in áp nuôi cu so v(i trng thái cân b/ng ã xác lp  chân không cao.  gi m nh h ng nhit  T0 ca v% b c, có th thay in tr Rt b/ng mt c m bi n bù tr gi!ng nh c m bi n chính nh ng ph i  c hàn kín  trong chân không cao. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
39
12/8/2007 &u im ca c m bi n dây nóng Pirani là ch7c ch7n và g n. Tuy nhiên,  s dng cn ph i chu)n c m bi n cho tng loi khí. C m bi n dây nóng Pirani dùng  o chân không s$ cp. Nh c im là không làm vic  c v(i nh*ng cht khí d b phân tích vì si !t có nhit  cao. 1.4.3.4 Chân không k ion Nguyên lý hot ng ca c m bi n loi này d"a trên hin t ng ion hóa các phân t hoc nguyên t ca cht khí khi chúng va chm v(i in t hoc các ion khác. S! ion  c to thành sau khi ion hóa ph thuc vào b n cht và áp sut ca cht khí. Dòng ion thu qua mt in c"c là i l ng o th cp ph n ánh  l(n ca áp sut. Có ba loi u o ion hóa: u o dùng catot ngui (u o penning) d"a trên hin t ng ion hóa t" phát và t" duy trì trong cht khí (hin t ng phóng in). u o catot nóng d"a trên hin t ng ion hóa x y ra do các in t phát x t si !t. u o dùng ngun phóng x, trong ó quá trình ion hóa x y ra d (i tác dng ca tia phóng x. Trong nh*ng mc ti p theo, tr (c khi kh o sát các loi c m bi n ion hóa o chân không, s3  cp  n hin t ng ion hóa cht khí do nh*ng nguyên nhân khác nhau và m!i quan h gi*a áp sut và s" ion hóa cht 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
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
40
12/8/2007 a) Ion hóa cht khí Khi cung cp n4ng l ng cho mt nguyên t trung hòa cô lp b/ng cách !t nóng, va chm hoc bc x, toàn b hoc mt phn n4ng l ng có th b nguyên t hp th làm chuyn mt in t ca nguyên t t mc n4ng l ng thp lên mc n4ng l ng cao h$n, k t qu là nguyên t  trng thái b kích thích. N u n4ng l ng  l(n, nguyên t có th b mt mt in t và tr thành ion d $ng. N4ng l ng t $ng ng Wi  làm cho nguyên t mt in t g i là n4ng l ng ion hóa (eV). Giá tr ca Wi ph thuc vào b n cht ca nguyên t và thay i trong kho ng t 24,5 eV (!i v(i heli)  n 3,9 eV (!i v(i cezi). Mt nguyên t, sau khi ã mt mt in t và tr thành ion d $ng, có th ti p tc mt thêm mt in t th hai, th ba và g i là nguyên t ion hóa hai, ba ln… N4ng l ng ion hóa nh*ng ln sau l(n h$n bi vì ph i làm bt ra các in t t nh*ng mc sâu h$n.
Ion hóa do va chm vi in t Khi có va chm àn hi gi*a in t n4ng l ng W v(i nguyên t cô lp gi thi t là bt ng và không  trng thái b kích thích, mt phn Wi ca n4ng l ng ó có th b hp th  ion hóa nguyên t, phn còn li tn ti d (i dng ng n4ng ca in t và ca cp in t-ion m(i hình thành. iu kin ion hóa là W >> Wi. Tuy nhiên không ph i tt c các va chm gi*a in t và nguyên t u gây ra hin t ng ion hóa. Ngay c khi iu kin nêu trên  c th"c hin, s" phân chia n4ng l ng sau khi va chm có th x y ra mt cách khác nhau, nguyên t ch' b  trng thái kích thích và phn n4ng l ng còn li tn ti  dng ng n4ng. Xác sut ion hóa ph thuc vào b n cht ca cht khí và n4ng l ng ca in t s$ cp. Trên th"c t ng #i ta xác nh h s! ion hóa Si ca mt cht khí là s! cp in t-ion to ra bi mt in t s$ cp có n4ng l ng cho tr (c trên mt $n v quãng  #ng  mt $n v áp sut. Hình 1.28 biu di1n  #ng cong thay i ca h s! ion hóa ph thuc vào n4ng l ng ca in t s$ cp và b n cht ca cht khí. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
41
12/8/2007 Khi áp sut l(n, p ≥ 1Pa, các ion và các in t th cp có th ti p tc ion hóa các nguyên t khác làm cho quan h gi*a dòng ion và áp sut tr nên không $n gi n. Khi áp sut thp, p ≤ 10-1 Pa, quãng  #ng t" do ca các in t l(n nên có th b% qua hin t ng ion hóa th cp, dòng ion là hàm tuy n tính ca áp sut.
Ion hóa do phóng x Bc x ca mt s! cht phóng x, thí d tia 5, có kh n4ng ion hóa phân t và nguyên t ca cht khí. N4ng l ng ca tia rt l(n (5,3 MeV !i v(i poloni và 4,8 MeV !i v(i rai), cho nên khi va chm àn hi v(i phân t ca cht khí, mt hat có th to nên rt nhiu cp in t-ion tr (c khi mt mt phn áng k n4ng l ng ca nó và b b7t gi* bi thành ca bình cha cht khí. S! cp in t-ion l(n gp 104 ln so v(i tr #ng hp ion hóa do va chm ca in t S! cp in t-ion sinh ra d (i tác dng ca bc x ph thuc vào hot tính ca ngun, quãng  #ng mà ht i qua trong cht khí và là hàm ca b n cht và áp sut ca cht khí. N u áp sut p ≤ 103 Pa, dòng ion t6 l v(i áp sut. V(i áp sut l(n h$n, hiu sut ion hóa gi m i do hin t ng trung hòa các ion khi chúng tái hp v(i in t. b) Chân không k
catot ngui – Chân không k
Penning Chân không k catot ngui có cu to bao gm mt !ng trong ó có catot và anot b/ng kim loi ph.ng  c t song song v(i nhau, gi*a chúng là hiu in th cao c= ~ 2000V. Ngoài ra còn có mt in tr c= MI m7c n!i ti p v(i u o  hn ch dòng. Nguyên lý cu to ca chân không k catot ngui biu di1n trên hình 1.29. Hình 1.28 H s ion hóa: a) S ph thu c ca h s ion hóa vào n#ng lng ca in t s cp; b) $nh hng ca bn cht cht khí. Wmin Wmax Si L’ L a) b) He H2 Ne Ar NO C2H2 W(eV) 10 4 103 102 10 Si 10-2 10-1 1 10 GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
42
12/8/2007 D (i áp sut p > 5.10-1 Pa và in tr #ng l(n, gi*a anot và catot x y ra phóng in kèm theo hin t ng phát quang t tr ng. S" phóng in này  c mi bi mt s! in t phát sinh do hin t ng quang ion hóa các phân t khí khi có bc x chi u qua !ng hoc do các in t phát sinh  nh*ng ch g gh rt nh% trên b mt catot n$i có in tr #ng cao h$n nh*ng ch0 khác. Nh*ng in t  c gi i phóng do ion hóa khi va chm và các in t phát ra khi các ion p vào catot s3 duy trì ch  phóng in này. Khi p < 5.10-1 Pa, s" phóng in chm dt và dòng ion rt nh% vì quãng  #ng t" do ca các in t trong cht khí xp x' b/ng kho ng cách gi*a hai in c"c nên chúng không to  cp in t-ion.  t4ng quãng  #ng t" do ca in t và do ó t4ng h s! ion hóa Si, Penning t xung quanh !ng phóng in mt nam châm v+nh cu to t tr #ng B ~ 0,1 tesla vuông góc v(i in c"c. D (i tác dng ca t tr #ng, các in t chuyn ng theo qu8 o xo7n !c và quãng  #ng i trong !ng ca chúng t4ng lên rt nhiu làm t4ng xác sut va chm v(i phân t và nguyên t khí do ó có th duy trì phóng in  n áp sut 10-5Pa. Trên hình 1.30 biu di1n nguyên lý ca chân không k Penning !i xng. Chân không k Penning !i xng có hai catot ph.ng dng +a, gi*a chúng t mt anot hình tr là n$i s3 x y ra phóng in. C m ng t B
h (ng theo trc ca h. Tín hiu in là dòng i trong mch gi*a anot và catot và là k t qu tng cng ca dòng in t thu ti anot và dòng ion thu  c ti catot. T6 s! gi*a dòng in i và áp sut khá phc tp và ph thuc nhiu vào cu trúc u o và b n cht ca cht khí. Tuy nhiên  nhy S =i/p t $ng !i n nh kho ng 3 bc ca áp sut và t giá tr ≈5.10-2 A/Pa. Th#i gian áp ng c= ~0,5 s (khi chân không k ã phóng in). Hình 1.29 Chân không k catot ngu i. % &
' &
( &
) &
GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
43
12/8/2007 c) Chân không k
catot nóng. u o catot nóng có 3 in c"c dng hình tr ng trc, trong ó: Mt c"c là catot  c !t nóng b/ng hiu ng Joule và phát x in t theo hiu ng nhit ion. Mt anot t d (i in áp d $ng so v(i catot  t4ng t!c in t và thu nhn in t. Mt c"c góp  thu các ion d $ng hình thành khi in t chuyn ng va p v(i phân t khí. Ng #i ta phân bit hai loi chân không k khác nhau ph thuc vào v trí t $ng !i gi*a các in c"c. Trong loi triot bình th #ng, l (i kim loi hình tr óng vai tr anot và bao quanh catot có dng mt si !t n/m d c theo trc ca hình tr, gi*a chúng là c"c góp, ngoài cùng là v% b/ng kim loi bao quanh toàn b cu trúc (h 1.31). Loi triot th hai, triot Bayard-Alpert, có cu trúc hình h c ng c li v(i loi th nht, trong ó v trí ca catot và c"c góp (t $ng ng v(i anot dng l (i) hoán v cho nhau: c"c góp là mt si dây kim loi n/m d c theo trc ca l (i (h.1.32). Loi th hai hot ng t!t h$n loi triot bình th #ng. Hình 1.30 Chân không k Penning i xng. K1 K2 A B GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
44
12/8/2007 Loi chân không k th nht thích hp  o áp sut p 510−≥ Pa, loi th hai m rng phm vi o v phía áp sut thp 10-9 ÷ 10-8 Pa. Ch  in áp trên in c"c ca chân không k nh sau: l (i óng vai trò anot  c t d (i in áp 150 ÷ 200 V so v(i c"c góp n!i t qua dng c o catot có in th 30÷ 50 V so v(i c"c góp. Các in t xut phát t catot  c t4ng t!c do hiu th gi*a l (i và catot, n4ng l ng ca chúng gi m dn và chúng s3 b b7t ti l (i. Phn khác có n4ng l ng l(n h$n chui vào kho ng không gian gi*a l (i và c"c góp, ion hóa cht khí ti ó và mt n4ng l ng. C,ng có mt s! in t không b va chm và có n4ng l ng c"c i không th i qua  #ng .ng th ng v(i in th catot và quay ng c li. Khi quay tr li nh vy chúng s3 ion hóa phân t cht khí và b b7t ti l (i. iu này làm cho quãng  #ng ca in t t4ng lên và s! cp in t- ion c,ng t4ng theo. Các ion hình thành gi*a l (i và c"c góp chy v c"c góp to thành dòng góp ii. Các in t b b7t ti l (i to thành dòng ic, dòng này b/ng dòng phát x ca catot. S! ion hình thành trong quá trình ion hóa t6 l v(i s! in t ã gây nên s" ion hóa và v(i s! phân t khí, do ó t6 l v(i áp sut ca môi tr #ng o: ii= S.ie.p (3.8) A Hình 1.31 Chân không k ion hóa catot nóng lo
i triot bình thng. anot c"c góp ion si !t (catot) GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
45
12/8/2007 T6 s! ii/ie g i là h s! chân không ca triot bình th #ng, nó luôn nh% h$n 1. H s! S là  nhy ca chân không k ( c o b/ng Pa-1 hoc mbar -1) ph thuc vào kích th (c hình h c c tr ng ca chân không k và b n cht ca cht khí (thông qua h s! ion hóa). Tr #ng hp triot bình th #ng, trong khí nit$, S≈102 ÷ 5.102 Pa-1 ph thuc vào các model khác nhau, v(i triot B-A S @103÷3.103 Pa. C hai loi chân không k u không cho giá tr tuyt !i và ph i chu)n tr (c khi s dng. d) Chân không k
ion hóa bng ngun phóng x Ngun phóng x th #ng là mu!i rai hoc poloni ch to d (i dng màng m%ng trên mt tm kim loi và  c ph b/ng mt l(p kim loi m%ng  ch!ng 4n mòn và ng4n c n s" khuy ch tán cht phóng x ra bung chân không. Tm kim loi có ngun phóng x  c g7n vào  ca mt hp kim loi hình tr chính là bung ion hóa. S$  nguyên lý cu to ca chân không k loi ion hóa b/ng ngun phóng x biu di1n trên hình 1.33. C"c góp ion có dng mt dây m nh  c n!i v(i c"c âm so v(i bình ion hóa (50 – 100 V). Nó ph i  c cách in t!t bi vì dòng ion rt nh%. Gi(i hn o ca chân không k ion dùng ngun phóng x n/m trong kho ng 10-3 ÷ 10-2 Pa. Gi(i hn trên ca d i o liên quan  n hin t ng tái hp in t-ion, còn gi(i hn d (i là do có s" tn ti ca dòng in d ca các in t th cp sinh ra khi các ht b7n phá c"c góp. Chân không k phóng x tuy $n gi n nh ng ít  c s dng vì lý do nguy him phóng x. A Hình 1.32 Chân không k ion hóa catot nóng lo
i triot Bayard-Alpert. l (i (anot) si !t (catot) c"c góp ion GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
46
12/8/2007 1.4.4 Cm bi n bc x h t nhân M0i nguyên t! phóng x là mt ngun bc x ht nhân. Nh*ng bc x này ph thuc vào b n cht ca ngun và  c to thành t các ht mang in tích (nh ht J, K) và không mang in tích (nh n$tron, photon). Nghiên cu s" t $ng tác ca các bc x v(i vt cht cho phép phát hin nh*ng bc x ó và xác nh môi tr #ng vt cht mà chúng i qua. Mt h nghiên cu bc x ht nhân bao gm mt ngun, mt detector là c m bi n phóng x và vt nghiên cu t  v trí thích hp. Mt phn ca chùm tia t(i vt nghiên cu  c truyn hoc tán x  n c m bi n phóng x ht nhân và do vy s3 ph n ánh mt s! thông s! vt lý ca môi tr #ng nh b dày, mt , mc vv… &u im ni bt ca các u o phóng x ht nhân là cho phép ti n hành phép o mt cách không tr"c ti p, o trên mt vt chuyn ng, o qua thành bình và o trong nh*ng môi tr #ng 4c bit khó ti p cn nh môi tr #ng có áp sut l(n, nhit  cao, có 4n mòn hóa h c… 1.4.4.1 u o b!ng ion hóa cht khí a) Nguyên lý chung Trong mt th tích cha cht khí có hai in c"c t d (i hiu in th không i. Bc x ht nhân chi u t(i làm ion hóa cht khí và gi i phóng ra các in tích  c thu li  các in c"c. Các in c"c này th #ng có dng hình tr: v% u o óng vai trò catot th #ng xuyên n!i t, trong khi ó anot là mt si dây m nh ng trc  c t d (i mt in áp nht nh. Hình 1.33 Chân không k dùng ngu n phóng x
. s cách in anot c"c góp ion bung ion hóa ngun phóng x P GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
47
12/8/2007 N4ng l ng trung bình Wl cn thi t  to cp in t-ion mt mt ph thuc vào b n cht ca cht khí, mt khác,  mc  thp h$n, ph thuc vào n4ng l ng và b n cht ca ht chi u t(i. Thí d:  to cp ion b/ng ht ca 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. N u ht mt mt n4ng l ng W khi i qua phn th tích ca u o thì nó to ra N0 cp in t- ion: lW W N =0 (4.1) Các ht in tích này chuyn ng trong in tr #ng E v(i t!c  ph thuc vào in tr #ng, vào b n cht và áp sut ca cht khí. T!c  ca in t l(n h$n rt nhiu so v(i t!c  ca ion, ve >> vi, cho nên in t t t(i anot tr (c khi ion di chuyn  c mt kho ng không áng k. N u cp in tr #ng  mnh, các in t thu  c n4ng l ng  l(n  to ra nh*ng cp in t- ion m(i (do va chm v(i phân t khí): N in t s3 gây ra dN cp in t- ion m(i trên quãng  #ng dx: dN = J.N.dx (4.2) Trong ó J là h s! ph thuc vào áp sut p, in tr #ng E và b n cht ca cht khí theo biu thc:
     −= E Bp A p exp. α (4.3) Trong ó A và B là các h/ng s!. Quá trình ion hóa th cp này x y ra trong không khí ngay t khi t6 s! E/p >22,5 mV/cm.Pa (t $ng  $ng 2300 V/cm  áp sut 1 atm). !i v(i N0 cp in t - ion to thành trong th tích khí có ích ca u o, s! in tích N thu  c  in c"c và biên  tín hiu ra ph thuc vào in áp trên in c"c. Tùy thuc vào giá tr ca V ng #i ta phân bit các ch  làm vic khác nhau ca u o (hình 1.34): Vùng I: E t $ng !i nh%, mt phn in t và ion tái hp tr (c khi  n  c in c"c, N < N0. Vùng II: tt c các in tích hình thành u  n  c in c"c và b thu gom  ó không ph thuc vào in th V, N = N0. Ch  này g i là ch  bung ion hóa. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
48
12/8/2007 Vùng III: trong vùng này có s" nhân ht t i do va chm, N = MN0, h s! nhân M không ph thuc vào N0 và có th t t(i 10 3. ây là ch   m t6 l. Vùng IV: trong vùng này h s! nhân M ph thuc vào N0, ây là ch  bán t6 l. Vùng V: tín hiu ra ca u o không ph thuc vào N0, ây là ch   m Geiger-Muller. Vùng VI: trong vùng này ch  hot ng không n nh, x y ra hin t ng phóng in khi in th t giá tr in th phóng in. b) Bung ion hóa Khi cht khí cha trong u o chu nh h ng ca lung ht bc x chi u liên tc, ti anot s3 thu  c dòng in I. Dòng này t6 l v(i s! ht bc x t(i th tích khí trong mt giây và v(i s! N0 cp in t-ion do mt ht to thành: I = qe.n.N0 (4.4) Trong ó qe = 1,6.10 -19 C. Trong tr #ng hp bc x tia X hoc tia J, dòng in I có th biu di1n d (i dng biu thc: 310. 08,1 ... −= Dpvk I (4.5) Trong ó: I o b/ng A; K là h/ng s! ca cht khí, k = 1 !i v(i không khí; N N0 V I II III IV V VI Hình 1.34 Các ch  làm vic ca u o bc x
h
t nhân bng ion hóa cht khí. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
49
12/8/2007 V là th tích h*u ích ca cu o (th tích cha cht khí); P là áp sut o b/ng atm; D là liu l ng bc x trong mt $n v th#i gian và  c o b/ng r$ghen/h. Dòng in I có giá tr n/m trong kho ng 10-15 ÷ 10-4 A và ph thuc vào D nh ng không ph thuc vào in th trong mt d i c= hàng tr4m vôn. Tín hiu o là tín hiu in áp Vm r$i trên in tr Rm khi dòng in này chy qua. in tr Rm ph i có giá tr rt l(n, Rm > 10 10I. Khi ch to bung ion hóa, tùy thuc vào b n cht ca bc x cn phát hin, ng #i ta ch n cht khí, áp sut và ca s chi u thích hp sao cho t hiu qu phát hin cao nht. Hiu qu phát hin  c xác nh nh là t6 s! gi*a s! xung phát ra và s! ht chi u t(i. D (i ây gi(i thiu các thông s! ch to bung ion hóa dùng cho mt s! loi khí: Bc x J và K : không khí d (i áp sut p nh% h$n hoc b/ng áp sut khí quyn, ca s m nh b/ng nhôm hoc beri; Bc x tia X: cht khí nng (Ar, Xe) v(i áp sut p nh% h$n hoc b/ng áp sut khí quyn, ca s m nh b/ng beri; Bc x tia 5: cht khí nng,(Ar,Xe) d (i áp sut p l(n h$n hoc b/ng áp sut khí quyn, thành bung có  dày c= quãng  #ng t" do trung bình ca in t.  có khái nim c th, sau ây là mt thí d th"c t : bung ion hóa CRGA11 dùng cho lung tia mnh (s n ph)m ca hãng R.T.C): Th tích có ích: 10 cm3; Khí in y bung: Nit$, áp sut 1,05 bar; in áp phân c"c: 600V;  nhy (tia ca 600Co): 1,5.10-12 A/R.h-1; Liu l ng c"c i: 1,08. R.h-1.  o dòng do bung ion hóa cung cp ng #i ta s dng mch chuyn i dòng - in áp (hình 1.35). GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
50
12/8/2007 iu kin cn thi t là dòng I ph i không quá nh%. Dng xung in u ra ph thuc vào: H/ng s! th#i gian RmC xác nh bi in tr t i Rm và tng in dung ca bung v(i in dung u vào ca thi t b o. Th#i gian gom in t  anot (t1≈10 -6s) và gom ion d $ng  catot (t2 ≈10 -3s). &u im ca bung ion hóa là th tích h*u ích l(n và  tuy n tính áp ng t!t. Hiu sut phát hin sp x' 1 !i v(i tia J, 0,8 ÷ 0,9 !i v(i tia K và 10-2 !i v(i tia 5. c) ng 
m t l Nguyên lý ca !ng  m t6 l d"a vào vic s dng hiu ng nhân (do va chm) s! ion N0 hình thành khi có chùm tia bc x chi u vào cht khí. H s! nhân M (n/m trong kho ng 102 ÷ 103) ph thuc vào b n cht ca cht khí và t4ng theo áp sut và in áp. Quá trình khuy ch i này có th  l(n  cho phép phát hin ch' mt bc x duy nht. Fng v(i N0 ion to thành, in tích thu  c Q = MN0qe và in áp Vm = MN0qe/C, trong ó C là in dung  u ra ca !ng  m. Thí d: M = 500, N0 = 200, C = 10 pF, Vm = 1,6 mV. Biên  xung ra t6 l v(i n4ng l ng mà ht mt i khi nó i qua th tích h*u ích ca u o. S" phân bit biên  ca xung ra cho phép l"a ch n ht trong s! các ht t(i khác nhau, thí d cho phép phát hin bc x J (N0 l(n) trong khí có mt các bc x K và 5 (N0 nh%). d) ng 
m Geiger-Muller Khi in tr #ng t vào  mnh, các ion s$ cp nhn  c n4ng l ng  l(n  kích thích to ra các ion th cp do va chm. Các ion này li phát ra photon (trong gi i ph c"c tím UV).  n l t mình, các photon UV này gây nên hiu ng ion hóa Hình 1.35 S  ghép ni v!i bu ng ion hóa. 500V ch'nh d i o ch'nh 0 Rm GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
51
12/8/2007 cht khí (hiu ng quang in và phát x in t t vt liu kim loi làm catot. K t qu là x y ra hin t ng thác l,, c bit d c theo dây anot, to nên tín hiu  u ra có biên  (t 1  n 10 V) không ph thuc vào s! ion s$ cp N0 to thành khi ht phóng x chi u t(i. ng  m G-M ch' dùng  phát hin ht ch không dùng  o n4ng l ng ca ht.  dng dòng thác l, có th p dng mt trong hai cách: Trn vào cht khí ca !ng  m (th #ng là khí hi m) mt loi khí khác, thí d khí halogen,  hp th bc x tia c"c tím và dng dòng thác l,, !ng  m s3 t" ng7t. M7c vào mch anot mt in tr Rl t $ng !i l(n, t 2  n 10 MI. Khi x y ra hin t ng thác l,, st th trên Rl s3 làm in áp gi*a catot và anot xu!ng thp h$n in áp ng =ng. Ph thuc vào in áp V t trên !ng  m, ch  G-M có th kéo dài hàng tr4m vôn, ng =ng d (i n/m trong kho ng ~300÷400 V và gi(i hn trên trong phm vi ~ 700÷900V. Trong d i in áp này, !i v(i mt bc x ht nhân cho tr (c, t6 l m n (s! xung trong mt giây) ít ph thuc vào in áp V: 1410 1 −−<= V dV dn n (4.6) Nguyên lý cu to ca !ng  m G-M biu di1n trên hình 1.36. in tr anot R1, ngoài tác dng  t7c hin t ng thác l, nh va gi(i thiu còn có tác dng b o v. in tr catot R2 là in tr o có giá tr ~0,1÷1 M. Biên  xung in áp V2 trên hai u in tr R2  c biu di1n b/ng biu thc: ( )SVEE RR R V − + = . 21 2 2 (4.7) Trong ó E là in áp nuôi anot và Vs là in áp ng =ng ca d i in áp làm vic. Hình 1.36 %ng  m Geiger-Muller: a) s  cu t
o; b) m
ch in. dây anot catot ca s mica u ra catot anot R1 R2 C1 C2 Cp2 Cp1 E GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
52
12/8/2007  tránh bi n dng xung ký sinh (CP1,CP2) ca in c"c và dây d2n gây nên, ng #i ta thêm vào mt mch bù tr gm hai in dung C1 và C2  c ch n sao cho: (CP1+ C1)R1 = (CP2+ C2)R2 (4.8) Xung ra  c t tr ng bi th#i gian xung lên ng7n (~µs), th#i gian xung xu!ng d i o cn dp t7t phóng in (~50 ÷150 µs). 1.4.4.2 u o nhp nháy u o nhp nháy là mt h bao gm b nhp nháy và b nhân quang (h. 1.37). B nhp nháy  c làm t mt vt liu cho phép chuyn i n4ng l ng ca ht t(i thành photon ánh sáng và có b (c sóng gi*a xanh và c"c tím. Các photon t(i photocatot ca b nhân quang làm phát x in t  ó, s! l ng ca chúng sau ó  c nhân lên do phát x th cp và  c thu li  anot  hình thành tín hiu in  u ra ca u o nhp nháy. S" phát sáng ca b nhp nháy là hin t ng phát quang: n4ng l ng t(i làm cho nguyên t hoc phân t chuyn sang trng thái kích thích, khi tr v trng thái c$ b n chúng phát ra photon. Trong mt s! cht h*u c$ (antraxen, toluen), phát quang là tính cht phân t và xut hin  c trng thái r7n và trng thái l%ng. Trong nh*ng cht vô c$ (sulphua k3m ZnS, NaI) phát quang là hin t ng ch' x y ra trong tinh th do có s" tn ti ca khuy t tt là các tâm kích hot (tp, bt !i xng…).  phát hin các ht tích in ph i dùng ZnS và các vt liu h*u c$ nhG nh antraxen. Các ht  c phát hin mt cách gián ti p b/ng hiu ng nhp nháy gây nên bi các in t  c gi i phóng do hiu ng quang in trong vt liu NaI và CsI. Ng #i ta c,ng phát hin các n$tron nhit nh# h0n hp ca bor (10B) và sulfua k3m (ZnS), hiu ng nhp nháy gây nên do các ht phát ra khi vt liu b ht n$tron nhit b7n phá. Hình 1.37 u o nhp nháy. ca s ch7n sáng ph n x ánh sáng !ng nhân quang v% ch7n sáng tín hiu C R GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
53
12/8/2007
K
t hp hiu ng nhp nháy và nhân quang Gi thi t mt ht t(i truyn n4ng l ng W cho b nhp nháy, ht s3 làm phát x ns photon: hv W r W W n ss . 1 == (4.9) Trong ó rs là hiu sut phát quang. Trong s! ns photon này, ch' có nk photon  n  c photocatot: 0r n n s k = (4.10) r0 g i là hiu sut chuyn i quang. N u có nk photon  n  c catot, chúng s3 gây ra ne in t phát x: ne = çk.nk (4.11) trong ó çk là hiu sut l ng t ca photocatot. Thông th #ng çk n/m trong kho ng ~10% ÷30% ph thuc vào thành phn cu to ca nó. S! in t thu  c ti anot  c tính b/ng biu thc: hv W rrMnMn skea ..... 0η== (4.12) Trong ó M là h s! khuy ch i ca b nhân quang. Thí d: !i v(i ht 5 MeV truyn n4ng l ng cho b nhp 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.  c i thin hiu sut chuyn i quang r0 ca u o nhp nháy (t(i 30 %) ph i k t hp hai bin pháp: Gi m s" mt mát ánh sáng b/ng cách t4ng ph n x ca b mt b nhp nháy;  m b o n!i v(i b nhân quang b/ng “m quang” có chi c sut n/m trong kho ng gi*a chi c sut ca b nhp nháy và chi c sut ca thy tinh làm v% b nhân quang. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
54
12/8/2007 &u im ca u o nhp nháy là t6 l  m cao và hiu sut phát hin l(n !i v(i tia gama. Nh c im ca u o loi này là có cu to phc tp vì ph i dùng b nhân quang. 1.4.5 Cm bi n " #m  )m cao ca không khí và ca cht khí nói chung có th có hu qu nghiêm tr ng !i v(i các quá trình lý hóa và sinh lý. Bi vy o  )m là iu b7t buc trong nhiu thi t b và môi tr #ng làm vic vì nh*ng lý do có th lit kê d (i ây. Trong #i s!ng,  )m t $ng !i cn ph i duy trì   m b o c m giác d chu cho con ng #i thay i trong mt kho ng t $ng !i rng: t 35%  n 70%. N u  )m t $ng !i thp h$n 35%, b máy tiêu hóa b kích thích, còn n u l(n h$n 70% thì s" ra m h$i s3 b gi m 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 iu kin môi tr #ng. Trong công nghip, các iu kin v  )m rt khác nhau ph thuc vào s n ph)m c th. Trong mt s! tr #ng hp, ph i duy trì  )m không i trong môi tr #ng làm vic, thí d, trong công nghip dt, bi vì s" thay i  )m làm thay i các c tính ca si (nh sc c4ng c$ h c). Trong công nghip th"c ph)m, iu kin b o qu n th"c ph)m t!i u ph thuc vào loi s n ph)m, th #ng là  nhit  T = 0 0C và  )m trong kho ng 85-90%.  )m cao quá làm cho th"c ph)m b h%ng, và thp quá làm gi m tr ng l ng do bay h$i n (c. Vn  phát hin v t h$i n (c: trong nhiu quá trình công nghip, vic tránh v t h$i n (c trong không khí hoc trong các cht khí (cacbon, etylen, khí t" nhiên…) là rt quang tr ng, bi vì s" có mt ca h$i n (c  mt l ng áng k có th gây nên nh*ng ph n ng ph hoc gây nên quá trình ng ng t. Nhu cu phát hin  )m rt nh% c phn triu th tích (ppm) c bit quan tr ng !i v(i mt s! ng dng công nghip nh n4ng l ng ht nhân, vi in t, luyn kim, gia công nhit, in áp cao. 1.4.5.2 Phân lo i #m k Có th phân chia )m k thành hai loi chính: Loi th nht d"a trên nguyên lý vt lý cho phép tr"c ti p xác nh  )m, thí d )m k ng ng t, )m k in ly. Loi th hai có nguyên lý d"a trên vic o tính cht ca vt có liên quan n  )m, thí d )m k bi n thiên tr kháng. Các loi )m k khác nhau này, tùy theo nguyên t7c hot ng, cho phép ti p cn v(i mt trong nh*ng thông s! ca không khí )m ã mô t  mc tr (c. Các thông s! ca không khí )m và loi )m k thích hp  o chúng  c lit kê nh sau: GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
55
12/8/2007 Nhit  hóa s $ng Td o b/ng )m k ng ng t, )m k hp th, )m k ôxit nhôm và )m k in ly; Nhit  )m Th o b/ng psychromet;  )m t $ng !i U o b/ng )m k bi n thiên in tr và )m k bi n thiên in dung. Nói chung rt khó so sánh các loi )m k khác nhau bi vì chúng o các thông s! khác nhau ca không khí )m. Tr (c khi ch n mt )m k cn ph i bi t thông s! chính mu!n o  ch n l"a thi t b cho phép o v(i  sai lch nh% nht. 1.4.5.3 $m k ngng t a) Nguyên lý hot ng và cu to !m k
Khi làm lnh mt vt có th o nhit  mt cách liên tc cho  n khi hình thành l(p s $ng hoc l(p b4ng trên b mt ca nó. Ti p theo, n nh quá trình làm lnh b/ng cách gi* trng thái cân b/ng gi*a không khí và l(p s $ng. Nhit  o  c chính là iêm s $ng Td (dew point) còn g i là im b4ng giá Tf (frost point). B7t u t im s $ng này ng #i ta o áp sut h$i trong không khí )m. Các )m k o im s ong ch' áng tin cy khi chúng  c t" ng hóa. Trên hình 1.38 biu di1n s$  nguyên lý và cu to ca mt )m k t" ng theo nguyên lý ng ng t. Các phn t ca )m k ng ng t bao gm: G $ng b/ng kim loi và h th!ng iu ch'nh nhit  ca g $ng; C m bi n o nhit  ca g $ng (in tr platin hoc cp nhit); Ngun phát chùm tia ánh sáng và u o quang. Khi không có ng ng t h$i n (c, ngun sáng chi u vào g $ng  sao cho tia ph n x không chi u  n u o. Lúc này h th!ng iu khin phát tín hiu  làm lnh g $ng (b/ng hiu ng Peltier hoc b/ng nit$ l%ng) cho  n khi xut hin s" ng ng t. Khi xut hin l(p s $ng trên b mt g $ng, ánh sáng b tán x  n u thu quang kích thích phát tín hiu nung nóng g $ng thông qua b iu khin. Khi nhit  g $ng t4ng, l(p s $ng bi n mt cùng v(i s" chm dt hin t ng tán x ánh sáng và mt chu k> làm lnh m(i li  c b7t u. B/ng cách hiu ch'nh thích hp có th nhn  c l(p ng ng t có b dày c! nh và to ra trng thái cân b/ng gi*a h$i n (c và l(p ng ng t. C m bi n nhit  t phía sau g $ng cho phép xác nh nhit  ca g $ng. GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
56
12/8/2007 b) Các y
u t nh hng. Graient nhit  và s" dò nhit nh h ng rt mnh  n  chính xác ca u o. Theo lý thuy t, nhit  hóa s $ng là nhit  ca b mt phân biên gi*a không khí và n (c. Tuy nhiên trên th"c t luôn luôn tn ti graient nhit  gi*a b mt này và c m bi n nhit  vì nó t sau g $ng. y là ch a k  n sai s! gây nên bi hiu ng d2n nhit ca dây d2n. Tuy vy, ây là sai s! h th!ng và có th loi b% b/ng cách chu)n )m k . Khi im hóa s $ng thp h$n 0 0C, n (c có th tn ti d (i dng b4ng hoc d (i dng cht l%ng chm ông. Do vy, v(i cùng t6 l trn r có th có hai im cân b/ng t $ng ng v(i các áp sut riêng phn khác nhau. Trong tr #ng hp này, v(i cùng t6 l trn r cho tr (c, nhit  hóa s $ng và nhit  b4ng giá có th khác nhau.  tránh hin t ng này có th áp dng bin pháp làm lnh  nhit  rt thp  ch7c ch7n là ã t  c trng thái r7n sau ó nâng lên nhit  óng b4ng. Hình 1.38 &m k ngng t. in tr !t làm ngui o nhit  khí g $ng ca s t bào quang d2n kh!i quang ngun nuôi ngun sáng g $ng c m bi n nhit  làm ngui nung nóng B iu khin GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
57
12/8/2007 Quá trình chuyn trng thái gi*a n (c và b4ng không nht thi t ph i x y ra xung quanh im 0 0C. Mt s! máy o có th làm vic  trong n (c chm ông  nhit  thp h$n -10 0C. Các thi t b t!t còn  c trang b thêm b phn quang sát quang h c làm vic bình th #ng ngay c  nhit  hóa s $ng. c) Các c trng ây là loi )m k duy nht có phm vi o rt rng, t -70 0C  n 100 0C, thm chí có th m rng gi(i hn trên cao h$n n*a cho nh*ng ng dng c bit. Thí d, mt s! )m k có th làm vic  180 0C  o nhit  hóa s $ng ca axit hoc  o d (i áp sut cao.  chính xác khi o im hóa s $ng Td ph thuc vào  chính xác khi o nhit  và vào sai s! h th!ng. Mt s! )m k có  chính xác  n ± 0,2 0C. !i v(i nh*ng cht có im hóa s $ng cao h$n 20 0C, th#i gian áp ng c= kho ng vài phút. A -80 0C ph i mt 3 gi# v(i l u l ng 10 l/h  hình thành mt l(p b4ng 0,3 µm, t $ng  $ng v(i th#i gian áp ng  iu kin này. &u im ni bt ca )m k ng ng t là có th làm vic trong môi tr #ng 4n mòn (thí d khí nhiên liu). Tuy vy, s" phc tp v cu to, giá thành cao, nhu cu hiu ch'nh th #ng xuyên là nh*ng nh c im chính làm cho )m k loi này ch'  c s dng trong phòng thí nghim. 1.4.5.5 $m k bi n thiên tr kháng Lm k bi n thiên tr kháng có phn t nhy là cht hút )m. Khi s dng ng #i ta o s" thay i ca mt tính cht vt lý ca nó (nh in tr hoc in dung) ph thuc vào  )m ca môi tr #ng. Các ph)n t nhy ca c m bi n có kích th (c rt nh% cho phép o gn nh theo im v(i th#i gian áp ng nh%. Các cht hút )m có kh n4ng cha l ng n (c thay i ph thuc vào  )m t $ng !i ca không khí. N u mu!n ch to c m bi n d"a trên nguyên t7c này c)n ph i s dng các cht có tính cht in là hàm ca l ng n (c (tc là  )m), hàm này ph i n nh theo th#i gian, có tính thun nghch và tuy n tính. "m k
t in Al2O3 Trong )m k loi này, l(p in môi là Al2O3  c ch to b/ng ph $ng pháp anot hóa tm nhôm, và b n thân tm nhôm óng vai trò là in c"c th nht ca t in. in c"c th hai là mt màng m%ng kim loi  c ch to trên mt kia ca l(p in môi (h.1.39a). GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
58
12/8/2007 Các k t qu nghiên cu cho thy, n u chiu dày l(p Al2O3 nh% h$n 0,3 µm thì thay i tr kháng ca t in ch' ph thuc vào áp sut riêng phn ca h$i n (c và không ph thuc vào nhit , do vy có th o  )m tuyt !i ca môi tr #ng. Quá trình anot hóa  to l(p in môi  c th"c hin b/ng cách in phân dung dch axit sunfuric H2SO4 trong n (c dùng nhôm làm anot. Oxy hình thành trên in c"c Al s3 oxy hóa b mt in c"c này thành Al2O3. Oxit nhôm là cht cách in nên s3 to thành nhiu im ánh thng làm cho l(p này có cu trúc x!p. Thí d: trong b cha axit H2SO4 nng  15%  nhit  10 0C in phân d (i in áp 15 V, s3 nhn  c l(p ôxít nhôm x!p cha 7,7.1010 l0 hng trên din tích 1 cm2,  #ng kính l0 hng thay i trong kho ng 100 ÷ 300 0 Α . Nh vy, t $ng ng v(i b mt ngoài b/ng 1 cm2 s3 có b mt hp th b/ng 0,2 cm2.  thay i hình dng và s" phân b! l0 hng (tc là thay i tính cht ca l(p in môi !i v(i  )m) có th tác ng b/ng nhiu cách nh : Thay i nhit  và nng  dung dch in phân cha trong b; Thay i in áp ngun; Thay i th#i gian oxy hóa anot; Thêm vào ion ph gia vào dung dch. Các )m k ch to theo ch  nêu  trên thích hp v(i  )m thp. !i v(i ch  ng dng này, yêu cu l(p in môi ph i càng m%ng càng t!t. Vì vy sau khi oxy hóa anot, l(p in môi  c mài c$ h c v(i mc ích gi m b dày  làm cho c m bi n ch' nhy  nhit  hóa s $ng ca môi tr #ng bao quanh. Hình 1.39 &m k t in Al2O3: a) s  cu t
o; b) m
ch tng ng. R1 R0 R2 C2 C0 in c"c trong in c"c ngoài 

GVHD: ThS V
THNG LONG  ÁN TT NGHIP SVTH: HUNH HU LONG
59
12/8/2007 in c"c th hai ph trên l(p in môi Al2O3 th #ng là mt trong các kim loi nh Al, Cu, Au, Pt, Pd hoc hp cht Ni-Cr. Các c tr ng o l #ng chính ca )m k t in s dng cht in môi là Al2O3 nh sau: Lm k cho phép o nhit  hóa s $ng Td trong phm vi thay i t -80 0C  n 70 0C; C m bi n  c ch to  s dng tr"c ti p ti im cn o  )m; Th#i gian áp ng c= vài giây. &u im ca c m bi n này là có th làm vic trong d i áp sut rt rng, t chân không  n hàng tr4m bar. Tuy nhiên, cn tránh s dng c m bi n trong môi tr #ng có cha các cht 4n mòn (nh NaCl, l u hu>nh) vì chúng có th 4n mòn nhôm và làm h h%ng phn t nhy c m ca )m k . 1.4.5.6 $m k in ly a) Nguyên lý hot ng và phng pháp ch
to Lm k in ly dùng  o l ng h$i n (c rt nh% trong không khí hoc trong cht khí. Phn t nhy c m ca )m k là mt chi c !ng dài 10 cm, bên trong !ng có l(p P2O5 (anhydride phosphoric)  c cu!n hai in c"c b/ng platin hoc roi. S$  nguyên lý cu to ca )m k in ly biu di1n trên hình 1.40. Khi cht khí nghiên cu chy qua !ng o, h$i n (c s3 b l(p anhydride photphoric hp th thành H2PO3. in áp mt chiu c= 70 V t gi*a hai in c"c s3 gây nên hin t ng in phân n (c gi i phóng O2, H2 và tái sinh P2O5. Theo nh lut Faraday v t6 s! gi*a in l ng chy qua các in c"c và l ng n (c b in phân, cn 96500 culong (c)  phân ly mt gam hóa tr (9g) ca n (c (1 phân t gam H2O hóa tr 2 cha 16g O2 và 2 g H2). N u g i dme/dt là kh!i l ng n (c