1. Khái niệm Áp Suất
Áp suất là một đại lượng vật lý được định nghĩa là lực tác động lên một đơn vị diện tích. Khi một lực tác dụng lên một bề mặt, lực đó sẽ được phân bổ đều trên diện tích bề mặt và sinh ra áp suất. Công thức cơ bản của áp suất là:
P=FSP = \frac{F}{S}P=SF
Trong đó:
- P là áp suất.
- F là lực tác động vuông góc lên bề mặt.
- S là diện tích của bề mặt chịu tác động.
Áp suất chỉ có thể xác định chính xác khi lực được phân bố đều trên toàn bộ diện tích. Trong trường hợp lực không được phân bố đều, áp suất tại mỗi điểm trên diện tích có thể khác nhau.
a. Điểm áp suất “0” và Áp suất tuyệt đối
Theo thuyết động học phân tử, áp suất sinh ra từ sự va chạm liên tục giữa các phân tử trong một chất lỏng hoặc chất khí. Những va chạm này tạo ra lực tác động lên bề mặt của vật chứa, và lực này được đo dưới dạng áp suất. Số lần va chạm giữa các phân tử trong một đơn vị thời gian càng lớn thì áp suất càng cao.
Áp suất bằng không xảy ra khi không còn phân tử khí nào tồn tại trong thể tích được xem xét. Điều này có nghĩa là không có va chạm nào xảy ra và do đó, không có lực tác động lên bề mặt của vật chứa. Khi đó, áp suất tại điểm này được gọi là “0” tuyệt đối, và giá trị áp suất được đo từ điểm “0” này gọi là áp suất tuyệt đối.
Trong điều kiện khí quyển thông thường, chúng ta đo được áp suất tuyệt đối là do sự tồn tại của các phân tử không khí xung quanh chúng ta. Áp suất khí quyển thực chất là một dạng áp suất tuyệt đối, và nó thay đổi theo độ cao so với mực nước biển và điều kiện thời tiết.
b. Điểm “0” quy ước hay Áp suất tương đối
Trong thực tế, việc đo lường áp suất thường không bắt đầu từ điểm “0” tuyệt đối mà từ một điểm áp suất được chọn làm mốc, đó là áp suất khí quyển. Điểm mốc này gọi là điểm “0” quy ước hay áp suất tương đối.
Khi đo lường, các giá trị áp suất có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn áp suất khí quyển. Nếu áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, nó được gọi là áp suất dư và được đo bằng các loại áp kế tiêu chuẩn. Ngược lại, nếu áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển, nó được gọi là áp suất âm và được đo bằng các loại chân không kế.
2. Đơn vị Đo Áp Suất
Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị chuẩn để đo áp suất là pascal (Pa), được định nghĩa là áp suất sinh ra trên một diện tích phẳng có diện tích 1 mét vuông khi một lực 1 newton phân bố đều trên diện tích đó:
1 Pa=1 N1 m21 \text{ Pa} = \frac{1 \text{ N}}{1 \text{ m}^2}1 Pa=1 m21 N
Do đơn vị pascal khá nhỏ, trong nhiều ứng dụng thực tế, người ta sử dụng các đơn vị lớn hơn như bar (bar), với quy đổi:
1 bar=100,000 Pa1 \text{ bar} = 100,000 \text{ Pa}1 bar=100,000 Pa
Ngoài ra, trong một số lĩnh vực công nghiệp hoặc khoa học, các đơn vị khác như torr hoặc atmosphere (atm) cũng được sử dụng.
3. Hệ thống Chuẩn Đo Áp Suất
Hệ thống chuẩn để xác định và duy trì đơn vị đo áp suất thường bao gồm nhiều loại thiết bị khác nhau, tùy thuộc vào mức độ chính xác và ứng dụng cụ thể. Các thiết bị đo lường áp suất chuẩn phổ biến bao gồm áp kế pittông, áp kế hiện số, và áp kế lò xo.
- Áp kế pittông là một thiết bị đo áp suất rất chính xác, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và trung tâm đo lường. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý rằng áp suất có thể được so sánh với lực tạo ra bởi trọng lượng của một pittông và các quả cân đặt lên nó.
- Áp kế hiện số là loại thiết bị đo áp suất sử dụng cảm biến điện tử để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu số, từ đó hiển thị kết quả trực tiếp. Loại thiết bị này thường có độ chính xác cao và tiện dụng trong việc ghi chép và phân tích dữ liệu.
- Áp kế lò xo là một trong những loại áp kế phổ biến nhất, hoạt động dựa trên sự biến dạng của lò xo dưới tác động của áp suất. Độ biến dạng này được khuếch đại và hiển thị bằng kim chỉ trên thang đo.
Các trung tâm đo lường thường sử dụng một sơ đồ liên kết chuẩn để đảm bảo sự chính xác và đồng nhất giữa các thiết bị đo. Sơ đồ này giúp kiểm soát và điều chỉnh độ chính xác của các thiết bị theo thời gian.
4. Phân loại Phương tiện Đo Áp Suất
Phương tiện đo áp suất có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như dạng áp suất, nguyên lý hoạt động, và cấp chính xác.
4.1 Theo Dạng Áp Suất
Áp suất có thể được phân thành nhiều loại dựa trên cách thức và điều kiện đo lường:
- Áp suất khí quyển: Loại áp suất này đo lường lực tác động của không khí lên bề mặt trái đất. Khí áp kế (barômét) là thiết bị tiêu chuẩn để đo áp suất khí quyển.
- Áp suất dư: Đây là áp suất lớn hơn áp suất khí quyển. Các thiết bị đo áp suất dư như áp kế hoặc áp – chân kế được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.
- Áp suất âm: Loại áp suất này nhỏ hơn áp suất khí quyển và được đo bằng các thiết bị như chân không kế, áp – chân không kế, hoặc khí áp kế chân không.
- Áp suất hiệu: Áp suất này là sự khác biệt giữa hai giá trị áp suất được đo lường và thường được đo bằng áp kế hiệu số.
- Áp suất tuyệt đối: Để đo áp suất tuyệt đối, cần sử dụng kết hợp giữa áp kế và khí áp kế, hoặc giữa khí áp kế và chân không kế, tùy thuộc vào giá trị áp suất tuyệt đối so với áp suất khí quyển.
4.2 Theo Nguyên lý Hoạt động
Phương tiện đo áp suất cũng có thể được phân loại theo nguyên lý hoạt động của chúng:
- Áp kế kiểu lò xo: Thiết bị này hoạt động dựa trên sự biến dạng đàn hồi của phần tử lò xo khi chịu áp suất. Biến dạng này thường được khuếch đại để hiển thị trên thang đo hoặc chuyển đổi thành tín hiệu điện tử.
- Áp kế pittông: Đây là loại áp kế đo áp suất dựa trên nguyên lý tải trọng trực tiếp. Áp suất đo được so sánh với áp suất do trọng lượng của pittông và quả cân tạo ra trên diện tích của pittông đó.
- Áp kế kiểu chất lỏng: Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý thủy tĩnh, so sánh áp suất với áp lực của cột chất lỏng có chiều cao tương ứng. Ví dụ về loại này bao gồm áp kế thủy ngân, áp kế chữ U, và áp kế bình.
- Áp kế điện: Thiết bị này hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu dưới tác dụng của áp suất. Ví dụ như áp kế điện trở, trong đó điện trở của vật liệu thay đổi theo áp suất, hoặc áp kế sử dụng hiệu ứng áp điện.
- Áp kế liên hợp: Đây là loại thiết bị kết hợp nhiều nguyên lý hoạt động khác nhau, như cơ học và điện tử, để đo lường và hiển thị áp suất.
4.3 Theo Cấp Chính xác
Tất cả các phương tiện đo áp suất đều được phân loại theo cấp chính xác, nhằm đảm bảo độ chính xác cần thiết cho từng ứng dụng cụ thể. Cấp chính xác của thiết bị đo áp suất được ký hiệu bằng một chữ số thập phân, biểu thị sai số cho phép dưới dạng phần trăm của giá trị đo lớn nhất.
Ví dụ, một áp kế lò xo có cấp chính xác 2,5 với phạm vi đo 100 bar sẽ có sai số cho phép là 2,5 bar. Đối với các thiết bị như áp kế pittông hoặc chất lỏng, sai số được tính theo phần trăm giá trị tại điểm đo cụ thể. Chẳng hạn, một áp kế pittông có phạm vi đo từ 1 đến 50 bar và cấp chính xác 0,1 sẽ có sai số cho phép là 0,015 bar tại 15 bar và 0,05 bar tại 50 bar.
Cấp chính xác của các phương tiện đo áp suất được chia thành hai dãy cấp sau:
- Dãy 1: 0,0005; 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,16; 0,20; 0,25; 0,4; 0,5; 1; 1,6; 2,5; 4; 6.
- Dãy 2: 0,0005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,6; 1; 1,6; 2; 2,5; 4; 6.
Những tiêu chuẩn này giúp đảm bảo rằng các thiết bị đo áp suất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và đáp ứng được các yêu cầu chính xác trong ứng dụng thực tế.
Tony Thái Tổng Hợp
