Cảm biến áp suất là một thiết bị điện tử quan trọng, có mặt trong hầu hết các hệ thống công nghiệp và tự động hóa, từ nhà máy sản xuất, hệ thống HVAC, đến các thiết bị y tế và ô tô. Cảm biến áp suất có khả năng đo áp lực của chất lỏng, khí hoặc hơi, và chuyển đổi thành tín hiệu điện để giám sát, điều khiển và bảo vệ các hệ thống. Cùng tìm hiểu về cảm biến áp suất trong bài viết này nhé!
1. Cảm biến áp suất là gì?
Cảm biến áp suất còn được gọi là cảm biến áp lực, là một thiết bị điện tử có khả năng đo áp suất của chất lỏng hoặc chất khí và chuyển đổi giá trị áp suất đó thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này thường là tín hiệu tương tự (ví dụ: 4-20mA, 0-10V) hoặc tín hiệu số (ví dụ: RS485, Modbus, Profibus,…), có thể được truyền đến các thiết bị hiển thị, bộ điều khiển, hoặc hệ thống máy tính để xử lý và sử dụng.
2. Cấu tạo của cảm biến áp suất
Cấu tạo của cảm biến áp suất có thể khác nhau tùy thuộc vào loại cảm biến và công nghệ sử dụng, nhưng nhìn chung, các bộ phận thường gặp bao gồm:
- Chân ren kết nối: Đây là bộ phận kết nối cảm biến với đường ống, bồn chứa, hoặc hệ thống cần đo áp suất. Chân ren thường được làm bằng thép không gỉ hoặc các vật liu chịu được áp suất và hóa chất. Có nhiều loại chân ren khác nhau, với các kích thước và tiêu chuẩn khác nhau (ví dụ: G1/4″, G1/2″, NPT1/4″, NPT1/2″,…).
- Màng cảm biến áp suất: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến áp suất, trực tiếp cảm nhận áp suất của chất lỏng hoặc chất khí. Màng cảm biến thường được làm bằng kim loại (ví dụ: thép không gỉ, hợp kim niken,…), ceramic, hoặc silicon, có độ đàn hồi cao và có thể biến dạng (deform) khi có áp suất tác động. Mức độ biến dạng của màng cảm biến tỷ lệ với áp suất.
- Mạch chuyển đổi: Bộ phận này có nhiệm vụ chuyển đổi sự biến dạng của màng cảm biến thành tín hiệu điện. Mạch chuyển đổi cũng có thể bao gồm các chức năng khác như khuếch đại tín hiệu, lọc nhiễu, bù nhiệt độ và chuyển đổi tín hiệu thành dạng chuẩn (ví dụ: 4-20mA, 0-10V).
- Đầu nối dây điện: Bộ phận này cung cấp giao diện để kết nối cảm biến với các thiết bị khác. Đầu nối có thể là dạng dây cáp (cable) hoặc dạng đầu nối (connector) (ví dụ: M12, DIN 43650,…).
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử có khả năng đo áp lực và chuyển đổi giá trị áp suất đó thành tín hiệu điện tương ứng. Tín hiệu điện này sau đó có thể được truyền đến các thiết bị hiển thị, bộ điều khiển hoặc hệ thống giám sát. Hai dạng tín hiệu đầu ra analog phổ biến là: Tín hiệu dòng điện 4-20mA và tín hiệu điện áp 0-5V (hoặc 0-10V, 1-5V tùy loại). Ngoài ra, còn có các loại cảm biến áp suất cho tín hiệu đầu ra số.
Phần lớn cảm biến áp suất hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện. Vật liệu áp điện có đặc tính tạo ra điện tích khi bị biến dạng bởi áp lực. Khi áp suất tác động lên bề mặt màng cảm biến, màng này sẽ bị biến dạng. Mức độ biến dạng tỷ lệ thuận với áp suất tác động. Bộ xử lý tín hiệu bên trong cảm biến sẽ đo sự thay đổi điện tích này, tính toán ra giá trị áp suất tương ứng và chuyển đổi thành tín hiệu điện đầu ra (4-20mA hoặc 0-5V).
4. Các loại cảm biến áp suất
4.1. Cảm biến áp suất nước
Cảm biến áp suất nước là một loại cảm biến áp suất chuyên dụng, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cấp nước, xử lý nước, và các nhà máy nước để đo áp suất, mức nước, hoặc sự thay đổi của mức nước.
Khi mực nước trong bể dâng lên, không khí phía trên mặt nước trong ống hở bị nén lại. Áp suất của khối không khí bị nén này tăng lên tỉ lệ thuận với độ cao của cột nước. Cảm biến áp suất sẽ đo sự thay đổi áp suất này. Tín hiệu từ cảm biến được truyền đến bộ chuyển đổi hoặc bộ xử lý để hiển thị giá trị áp suất hoặc mức nước tương ứng.
4.2. Cảm biến áp suất khí nén
Cảm biến áp suất khí nén (hay còn gọi là cảm biến áp suất khí, cảm biến áp suất khí gas) là một loại cảm biến áp suất được thiết kế đặc biệt để đo và theo dõi áp suất của khí nén, khí gas, hoặc các loại khí khác trong các hệ thống và ứng dụng công nghiệp.
Cảm biến áp suất khí nén được sử dụng phổ biến trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm:
- Nhà máy sản xuất: Giám sát áp suất khí nén cung cấp cho các máy móc, thiết bị, dây chuyền sản xuất.
- Hệ thống HVAC: Kiểm soát áp suất trong các hệ thống điều hòa không khí, thông gió.
- Phòng thí nghiệm: Đo áp suất trong các thí nghiệm liên quan đến khí.
- Trường học: Sử dụng trong các bộ thí nghiệm về khí nén, thủy lực.
- Các ứng dụng khác: Hệ thống thủy lực, trục cẩu, thiết bị nâng hạ sử dụng khí nén, hệ thống khí gas, máy nén khí,…
4.3. Cảm biến áp suất dầu
Cảm biến áp suất dầu là một loại cảm biến áp suất chuyên dụng, được thiết kế để đo và theo dõi áp suất của dầu thủy lực trong các hệ thống thủy lực. Hệ thống thủy lực hoạt động dựa trên nguyên lý truyền lực bằng chất lỏng dưới áp suất cao, và cảm biến áp suất dầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.
Các ứng dụng phổ biến của cảm biến áp suất thường là:
- Đo áp suất dầu thủy lực: Cảm biến đo áp suất dầu trong các đường ống, bơm, van, xi lanh và các bộ phận khác của hệ thống thủy lực.
- Kiểm soát lực: Trong các ứng dụng như máy ép thủy lực, máy nâng thủy lực, và các hệ thống truyền động thủy lực khác, áp suất dầu quyết định lực tác động của xi lanh hoặc động cơ thủy lực. Cảm biến áp suất dầu giúp kiểm soát chính xác lực này.
- Phát hiện vấn đề: Sự thay đổi áp suất bất thường có thể là dấu hiệu của các vấn đề như: Rò rỉ dầu, tắc nghẽn đường ống, hỏng bơm, hỏng van, quá tải,…
4.4. Cảm biến áp suất dầu phòng nổ
Cảm biến áp suất phòng nổ là loại cảm biến áp suất được thiết kế đặc biệt để hoạt động an toàn trong các môi trường có nguy cơ cháy nổ cao, chẳng hạn như:
- Hệ thống thủy lực sử dụng dầu: Cần thiết cho các máy ép, máy nâng, và các thiết bị công nghiệp khác sử dụng dầu thủy lực.
- Lò hơi và các hệ thống liên quan: Đo áp suất hơi, áp suất buồng đốt, áp suất quạt, áp suất đường ống dẫn nhiên liệu (nếu là nhiên liệu dễ cháy).
- Các ngành công nghiệp khác: Hóa chất, dầu khí, khai thác mỏ, nơi có thể có khí, hơi, hoặc bụi dễ cháy.
4.5. Cảm biến áp suất màng
Cảm biến áp suất màng là một loại cảm biến áp suất đặc biệt, được thiết kế với một màng ngăn cách ly giữa môi chất cần đo và bộ phận cảm biến bên trong. Thiết kế này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu cao về vệ sinh, chống ăn mòn và chống bám dính, chẳng hạn như trong ngành thực phẩm, đồ uống, dược phẩm và hóa chất.
4.6. Cảm biến áp suất chân không
Cảm biến áp suất chân không là một loại cảm biến áp suất được thiết kế đặc biệt để đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất âm, hay còn gọi là độ chân không). Nói cách khác, chúng đo độ hút hoặc độ loãng của không khí hoặc chất khí trong một hệ thống kín. Cảm biến áp suất chân không được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu khoa học, nơi cần tạo ra, duy trì và kiểm soát môi trường chân không,
4.7. Cảm biến đo chênh áp
Cảm biến này được sử dụng trong công nghiệp nhiều nhất vượt trội hai loại cảm biến kể trên. Đúng như tên gọi nó đo sự khác biệt giữa hai áp suất, một áp suất được đo và một áp suất tham chiếu trong công nghiệp.
4.8. Cảm biến áp suất tuyệt đối
Nói một cách đơn giản đây là áp suất được đo so với chân không tuyệt đối. Chân không hoàn toàn sẽ có áp suất tuyệt đối là 0 PSIa (Vacuum Absolute Pressure) và từ đó tăng lên. Nếu bạn cần đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
4.9. Cảm biến áp suất tương đối
Đây là cảm biến dùng để đo đo tham chiếu đến áp suất khí quyển, thường là 14,7 PSI. Nó sẽ hiển thị áp suất dương khi chỉ số ở trên áp suất khí quyển (>14,7 PSI) và âm khi nó ở dưới áp suất khí quyển (<14,7 PSI).
5. Các thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất
5.1. Dải đo
Khoảng áp suất mà cảm biến có thể đo được một cách chính xác (ví dụ: 0-10 bar, -1 đến 1 bar, 0-100 psi).
- Áp suất làm việc tối đa: Áp suất lớn nhất mà cảm biến có thể chịu được trong thời gian ngắn mà không bị hư hỏng (thường cao hơn dải đo).
- Áp suất phá hủy: Áp suất mà tại đó cảm biến bị hỏng vĩnh viễn.
5.2. Loại áp suất
- Áp suất tuyệt đối: Đo so với chân không tuyệt đối (0 absolute). Ký hiệu: Pabs
- Áp suất tương đối/áp kế: Đo so với áp suất khí quyển. Ký hiệu: Pgauge
- Áp suất chênh lệch: Đo sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm.
- Áp suất chân không: Đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất âm).
5.3. Tín hiệu đầu ra
- Analog:
- 4-20 mA: Tín hiệu dòng điện, phổ biến nhất trong công nghiệp, ít bị nhiễu khi truyền đi xa.
- 0-10 VDC: Tín hiệu điện áp.
- 0-5 VDC: Tín hiệu điện áp.
- 1-5 VDC: Tín hiệu điện áp
- 0.5-4.5 VDC: Tín hiệu điện áp, thường dùng trong các ứng dụng di động hoặc dùng pin.
- Digital:
- RS-485 (Modbus RTU): Giao tiếp nối tiếp.
- HART: Giao thức truyền thông công nghiệp, cho phép truyền cả tín hiệu analog (4-20mA) và dữ liệu số.
- Profibus: Giao thức truyền thông công nghiệp.
- CANopen: Giao thức truyền thông dựa trên CAN bus.
- IO-Link: Giao thức truyền thông điểm-điểm, cho phép truyền dữ liệu và cấu hình cảm biến.
5.4. Một số thông số khác
- Độ chính xác: Mức độ sai lệch tối đa giữa giá trị đo được của cảm biến và giá trị áp suất thực tế.
- Độ phân giải: Thay đổi áp suất nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.
- Thời gian đáp ứng: Thời gian cần thiết để cảm biến phản hồi với sự thay đổi áp suất (thường tính bằng mili giây).
- Nhiệt độ làm việc: Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh mà cảm biến có thể hoạt động chính xác.
- Nhiệt độ môi chất: Phạm vi nhiệt độ của chất lỏng/khí mà cảm biến tiếp xúc trực tiếp.
- Cấp bảo vệ: Mức độ bảo vệ của vỏ cảm biến chống lại sự xâm nhập của bụi và nước (ví dụ: IP65, IP67, IP68).
- Nguồn cấp: Thường là 12VDC, 24VDC, hoặc dải điện áp rộng (ví dụ: 10-30VDC).
6. Ứng dụng trong công nghiệp
Cảm biến áp suất là một thiết bị quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm:
Hệ thống thủy lực và khí nén:
- Giám sát áp suất dầu trong hệ thống thủy lực,
- Điều khiển hoạt động của bơm, van, xi lanh thủy lực.
- Đo áp suất khí nén trong bình chứa, đường ống, máy nén khí.
- Điều khiển hoạt động của van khí nén, bộ lọc khí nén.
Ngành dầu khí:
- Đo áp suất trong giếng dầu, đường ống dẫn dầu/khí.
- Giám sát áp suất trong các thiết bị khoan, khai thác, và chế biến dầu khí.
- Đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển và lưu trữ dầu khí.
Ngành hóa chất:
- Đo áp suất trong các bồn chứa hóa chất, đường ống dẫn hóa chất.
- Kiểm soát áp suất trong các phản ứng hóa học.
- Đảm bảo an toàn trong quá trình sản xuất và vận chuyển hóa chất.
Ngành thực phẩm và đồ uống:
- Đo áp suất trong các nồi hơi, thiết bị tiệt trùng, hệ thống CIP (Clean-in-Place).
- Kiểm soát áp suất trong quá trình đóng gói, bảo quản thực phẩm.
- Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm.
HVAC (sưởi, thông gió và điều hòa)
- Đo chênh áp để điều khiển quạt gió
- Đo áp suất gas lạnh
Ngành dược phẩm:
- Đo áp suất trong các thiết bị sản xuất thuốc, hệ thống lọc khí.
- Kiểm soát áp suất trong quá trình đóng gói, bảo quản thuốc.
- Đảm bảo chất lượng và an toàn của sản phẩm dược phẩm.
Ngành sản xuất giấy: Đo áp suất trong các lô ép, máy sấy, hệ thống hơi. Kiểm soát áp suất trong quá trình sản xuất giấy.
Ngành sản xuất xi măng: Đo áp suất trong lò nung, máy nghiền, hệ thống vận chuyển nguyên liệu.
Ngành xử lý nước và nước thải:
- Đo áp suất trong đường ống nước, bồn chứa nước, trạm bơm.
- Kiểm soát áp suất trong hệ thống xử lý nước.
Ngành ô tô: Đo áp suất lốp xe, áp suất dầu động cơ, áp suất nhiên liệu, áp suất trong hệ thống phanh, hệ thống lái.
Ngành hàng không vũ trụ: Đo áp suất trong buồng lái máy bay, động cơ máy bay; đo độ cao.
7. Những điều lưu ý khi chọn mua cảm biến áp suất
Xác định dải đo áp suất:
- Xác định áp suất làm việc bình thường của hệ thống.
- Xác định áp suất tối đa và tối thiểu mà hệ thống có thể đạt tới.
- Chọn cảm biến có dải đo lớn hơn áp suất tối đa của hệ thống một khoảng an toàn (thường là 20-50%).
Xác định loại áp suất cần đo:
- Áp suất tương đối: Đo so với áp suất khí quyển.
- Áp suất tuyệt đối: Đo so với chân không tuyệt đối.
- Chênh áp: Đo sự khác biệt áp suất giữa hai điểm.
- Áp suất chân không: Đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
Chọn loại tín hiệu đầu ra:
- 4-20mA: Tín hiệu dòng điện, ít bị nhiễu, truyền được xa, phổ biến trong công nghiệp.
- 0-10V, 0-5V: Tín hiệu điện áp, dễ sử dụng với các bộ điều khiển đơn giản.
- RS485, Modbus, Profibus,…: Tín hiệu số, cho phép truyền dữ liệu và điều khiển từ xa, thường dùng trong các hệ thống tự động hóa phức tạp.
Xem xét môi trường làm việc:
- Nhiệt độ: Chọn cảm biến có phạm vi nhiệt độ hoạt động phù hợp với nhiệt độ của môi trường.
- Độ ẩm: Chọn cảm biến có cấp bảo vệ (IP) phù hợp nếu môi trường có độ ẩm cao hoặc có nước.
- Hóa chất: Chọn cảm biến có vật liệu tương thích nếu môi trường có hóa chất ăn mòn.
- Rung động: Chọn cảm biến có khả năng chống rung tốt nếu môi trường có rung động mạnh.
- Cháy nổ: Nếu môi trường có nguy cơ cháy nổ, chọn cảm biến phòng nổ (explosion-proof sensor) có chứng chỉ ATEX hoặc IECEx.
Chọn vật liệu cảm biến phù hợp: Thép không gỉ, Ceramic, Silicon, các vật liệu khác.
Chọn kiểu kết nối: Chọn loại và kích thước chân ren phù hợp với đường ống hoặc bồn chứa và chọn loại đầu nối phù hợp với hệ thống.
Xem xét độ chính xác: Chọn cảm biến có độ chính xác phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Độ chính xác càng cao, cảm biến thường càng đắt tiền.
Chọn thương hiệu và nhà cung cấp: Ưu tiên chọn cảm biến của các thương hiệu uy tín, có chất lượng đảm bảo và dịch vụ hỗ trợ tốt.
Xem thêm:
Như vậy, chúng ta đã thấy rõ tầm quan trọng của cảm biến áp suất trong việc giám sát, điều khiển và bảo vệ các hệ thống hoạt động dưới áp lực. Nếu cần được tư vấn về các sản phẩm cảm biến, liên hệ với Thanh Thiên Phú theo hotline 08.12.77.88.99 để được hỗ trợ nhé!
Trang chủ