Tổng quan Cảm Biến Áp Suất

Cảm biến áp suất là một trong các loại cảm biến được dùng nhiều nhất trong các nhà máy với các ứng dụng như : cảm biến áp suất nước, cảm biến áp suất chân không,cảm biến đo mức nước.Phần lớn các loại cảm biến áp suất đều truyền về tín hiệu Analog 4-20mA hay còn được gọi là cảm biến áp suất 4-20mA. Nguồn cấp là 24VDC.

Các hãng sản xuất cảm biến áp suất nổi tiếng là: Cảm biến áp suất Wika, Yokogawa, Rosemount, Autrol, Wise.

Cảm Biến Áp Suất

Áp suất là gì ? Áp lực là gì ?

Giá Trị Áp suất hay còn gọi là áp lực. Áp suất là độ lớn của áp lực, được tính trên một đơn vị diện tích bị ép.
p=F/S 
trong đó : 
p (thường) : áp suất 
F : áp lực 
S : diện tích

Nếu lực nén F phân bố đều trên bề mặt S. Trong hệ đơn vị SI, Áp suất đo bằng pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m^2.

Đơn vị ngoài hệ của AS là bar, atmotphe, milimét thuỷ ngân (mmHg), kgl/cm2 ,1 bar = 10^5 Pa, 1 atm = 101,325 Pa, 1 mmHg = 133,322 Pa, 1 mm H2O = 9,80665 Pa. Chúng ta có thể tìm hiểu thêm các đơn vị áp suất  khá chi tiết với các cách đổi đơn vị áp suất.

Cảm biến áp suất là gì ?

Cảm biến áp suất là một loại cảm biến có khả năng đo được sự thay đổi của áp suất tại một vị trí cụ thể. Sự thay đổi áp suất này có thể là từ không ( 0 ) cho tới một giá trị cực đại nào đó.

Vd : 10 bar hay 20Mpa …

Nhiệm vụ của cảm biến áp suất là chuyển đổi áp giá trị áp suất thành giá trị dòng điện chính vì thế mà cảm biến áp suất còn được gọi là bộ chuyển đổi áp suất. Áp suất thể hiện độ lớn của áp lực chính vì thế một số người còn gọi cảm biến áp suất là cảm biến áp lực.

Hai khái niệm này là như nhau cùng nói về một thiết bị dùng để đo áp suất và có thể truyền tín hiệu về trung tâm để xử lý tín hiệu một cách chính xác nhất. 

cách cảm biến áp suất hoạt động

Cảm biến đo áp suất chuyển đổi giá trị áp suất thành giá trị dòng điện 4-20mA

Tóm lại, cảm biến áp suất là thiết bị dùng để đo giá trị áp suất và biến đổi giá trị áp suất đo được thành giá trị điện năng. Các thiết bị điều khiển sẽ đọc giá trị điện năng này và điều khiển các cơ cấuu chấp hành.

Cấu tạo cảm biến áp suất | Nguyên lý hoạt động cảm biến đo áp suất

Tôi sẽ lấy cấu tạo của cảm biến chênh áp để mô tả cho cảm biến đo áp suất để mọi người vừa hiểu cấu tạo của cảm biến đo áp suất – vừa biết luôn cấu tạo cảm biến chênh áp. Sự khác nhau cơ bản :

  • Đo chênh áp : có hai đầu vào
  • Đo áp suất : chỉ có một đầu vào
cấu tạo cảm biến áp suất

Cấu tạo cảm biến chênh áp / áp suất – nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất

Có 3 vị trí cần quan tâm nhất đó chính là :

  • Màng cảm biến : nhận áp suất trực tiếp tác động lên cảm biến
  • Bộ xử lý trung tâm :  xử lý và chuyển đổi giá trị áp suất từ màng cảm biến thành giá trị điện
  • Màn hình hiển thị – cài đặt ( nếu có )

Ngoài ra, cảm biến áp suất còn có các thành phần khác :

  • Kết nối cơ khí dùng để nhận giá trị áp suất
  • Kết nối điện để truyền tín hiệu từ áp suất về trung tâm xử lý
  • Thân cảm biến

Cảm biến nhận giá trị áp suất vào tới màng cảm biến. Màng cảm biến có rất nhiều điện cực với độ nhạy cao,sự biến thiên của màng cảm biến tương ứng với giá trị áp suất nhận vào.

Bộ xử lý trung tâm sẽ phân tích sự biến dạng của màng cảm biến để biến đổi thành giá trị điện tương ứng với áp suất đầu vào. Bộ xử lý trung tâm quyết định độ chính xác của cảm biến.

Như vậy,cảm biến đo áp suất quan trọng nhất là màng của cảm biến và bộ xử lý trung tâm. Các hành phần khác chỉ là thành phần phụ.

Các loại cảm biến áp suất

Có khá nhiều loại cảm biến khác nhau tuỳ theo ứng dụng và cấu tạo :

  • Nếu phân chia theo công năng của cảm biến áp suất thì chúng ta có hai loại cảm biến áp suất : cảm biến đo áp suất tuyệt đối và cảm biến đo áp suất tương đối.
  • Nếu phân chia theo nguyên lý đo thì chúng ta có hai loại đo áp suất : cảm biến đo áp suất và cảm biến đo chênh áp.

Cảm biến áp suất tuyệt đối | Absolute Pressure Transmitter

Cảm biến đo áp suất tuyệt đối rất hiếm khi sử dụng bởi áp suất của chúng ta trên trái đất là 1 atm ( atmosphere ). Áp suất tuyệt đối chính là tính luôn cả giá trị áp suất của khí quyển. Như vậy,cảm biến áp suất tuyệt đối sẽ bắt đầu bằng 1 bar khi để trong không khí.

Tôi ví dụ : 

Cảm biến áp suất tuyệt đối 0-3 bar sẽ đo gía trị của áp suất tuyệt đối từ 0 bar cho tới 3 bar. Điều này có nghĩa là “khi để ngoài không khí cảm biến áp suất sẽ đo được giá trị là 1 bar tương ứng với 9.33mA “.

Khi hút áp suất xuống giá trị -1 bar trong thực tế thì cảm biến áp suất có giá trị 0 bar. Tín hiệu của cảm biến đo áp tuyệt đối sẽ có giá trị 4mA. Tương tự khi chúng ta đẩy áp suất lên 2 bar thì cảm biến sẽ đo được 3 bar vì nó bắt đầu từ 0 bar tuyệt đối và 2 bar tăng thêm.

tín hiệu cảm biến áp suất tuyệt đối

Tìm hiểu về cảm biến áp suất tuyệt đối- tín hiệu ngõ ra thực tế cảm biến áp suất tuyệt đối

Về thiết kế bên ngoài thì cảm biến đo áp suất tuyệt đối giống hoàn toàn các loại cảm biến áp suất tương đối chỉ khác nhau bên trong cảm biến sẽ có ghi chữ Absolute hoặc Abs. Thì đây chính là cảm biến đo áp suất tuyệt đối.

Cảm biến áp suất tương đối | Pressure Transmitter

Khác với cảm biến đo áp suất tuyệt đối thì cam bien ap suat tương đối sẽ đo giá trị áp suất từ 1 atm tương đương với áp suất khí quyển trở lên. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến sẽ được thay đổi do sự biến thiên thực tế của cảm biến.

Tôi ví dụ cam bien ap suat có giá trị đo 0-3 bar thì cảm biến đo áp suất sẽ đo áp suất thay đổi từ 0-3 bar mà không tính áp suất 1 bar của khí quyển. Tức là ” Khi đo để ngoài không khí thì giá trị sẽ là 0 bar tương ứng với 4mA “.

cảm biến áp suất tương đối được dùng nhiều nhất trong thực tế

Cảm biến áp suất tương đối được dùng nhiều nhất trong thực tế

Đối với cảm biến dùng để đo áp suất tương đối thì không có một dấu hiệu nào nhận biết nó là tương đối bởi hầu như 95% các cảm biến dùng đo áp suất là tương đối. Nên các nhà sản xuất sẽ mặc định các cảm biến sẽ là tương đối, nếu có ghi chú thì chỉ ghi chú cho cảm biến đo áp suất tuyệt đối.

Để đo được áp suất chân không thì cảm biến phải có giá trị âm tức là nhỏ hơn áp suất không khí.Lúc này cảm biến thường được gọi là cảm biến áp suất chân không.

Tôi ví dụ : 

Cảm biến đo áp có giá trị -1…3 bar tương ứng với 4-20mA thì khi áp suất xuống -1 bar tức bằng áp suất chân không thì cảm biến sẽ có giá trị 4mA. Điều này tương đương với chúng ta dùng cảm biến đo áp tuyệt đối từ 0…4 bar.

Các thang đo của cảm biến áp suất thông dụng 

Thang đo áp suất chuẩn của cảm biến áp suất :

  • 0-1 bar
  • 0-1.6 bar
  • 0-2.5 bar
  • 0-4 bar
  • 0-6 bar
  • 0-10 bar
  • 0-16 bar
  • 0-25 bar
  • 0-40 bar
  • 0-60 bar
  • 0-100 bar
  • 0-160 bar
  • 0-250 bar
  • 0-400 bar
  • 0-600 bar

Các thang đo đặc biệt trong thang chuẩn của cảm biến áp suất :

  • 0-100 mbar = 0.1 bar
  • 0-160 mbar  = 0.16 bar
  • 0-250 mbar = 0.25 bar
  • 0-400 mbar = 0.4 bar
  • 0-600 mbar = 0.6 bar
  • Âm (-)1 … 0 bar
  • Âm (-)1 …(+)0.6 bar
  • Âm (-) 1 … (+) 1bar
  • Âm (-) 1 … (+)3 bar
  • Âm (-)1 … (+)5 bar
  • Âm (-)1 … (+)9 bar
  • Âm (-)1. … (+)15 bar
  • Âm (-)1 … (+)24 bar

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất

Có 03 loại tín hiệu ngõ ra được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp :

  • 4-20mA / 4-20mA – Hart
  • 0-10V 
  • 0-5V / 0.5-4.5V

Ứng dụng cảm biến áp suất

Về ứng dụng thì cảm biến áp suất có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong thực tế. Trong đó,tôi chia làm ba loại theo ứng chức năng của cảm biến áp suất.

Cảm biến dùng để đo áp suất

Tại sao cảm biến đo áp suất mà không phải dùng để đo áp suất đúng không ? Yes , mục đích chính là đo áp suất tại một khu vực nào đó.

cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất được dùng để đo áp suất thự tế của hệ thống

Các loại cảm biến dùng để đo áp suất có hai loại chính : loại cảm biến không có hiển thị và cảm biến có hiển thị. Loại cảm biến không có hiển thị cũng có nhiều loại với nhiều độ sai số khác nhau. Các loại cảm biến này thường là loại không thể điều chỉnh được thang đo, các giá trị sẽ được chọn sẵn theo thang đo của nhà sản xuất đưa ra.

cảm biến áp suất SR1 4-20mA

Cảm biến áp suất SR1 4-20mA

Cảm biến đo áp suất loại công nghiệp này còn được gọi là cảm biến áp suất giá rẻ vì nó được sản xuất theo dạng OEM. Có nghĩa là, các loại này được sản xuất hàng loạt theo thông số chung như thang đo áp suất , tín hiệu ngõ ra.

Điểm chung của các loại cảm biến này chính là sai số lớn từ 0.5% – 1%. Ngõ ra thường là dạng 4-20mA với thiết kế nhỏ gọn được dùng cho các ứng dụng cơ bản :

  • Cảm biến áp suất nước : đo áp suất nước của các Motor bơm
  • Cảm biến áp suất chân không : đo áp suất âm
  • Đo áp suất thuỷ lực : cảm biến đo áp suất tại các bơm thuỷ lực
  • Cảm biến áp suất lò hơi : đo áp suất hơi của các lò hơi
  • Cảm biến áp suất không khí : đo áp suất không khí hoặc áp suất khí nén
cách điều chỉnh ngõ ra cảm biến TR

Biến trở giúp cảm biến giúp chỉnh Zero / Span

Cảm biến áp suất dùng để đo mức

Đo mức bằng áp suất là dùng cảm biến có độ chính xác cao để quy đổi giá trị áp suất thành mức chất lỏng. Đối với chất lỏng có Density là 1 như nước thì 1 bar sẽ tương ứng với 10 mét nước ( mH20 ).

Độ chính xác cần thiết của cảm biến báo mức bằng áp suất thường là 0.125% sai số hoặc cao hơn. Tất nhiên là cảm biến phải điều chỉnh được thang đo tuỳ ý bởi ngoài chất lỏng là nước thì chúng ta có thể dùng để đo nhiều loại chất lỏng khác.

cảm biến áp suất dùng để đo mức chất lỏng

Cảm biến đo áp suất ứng dụng để đo mức chất lỏng trong các tank chứa chính xác cao

Phương pháp đo mức chất lỏng bằng áp suất thay thế các cảm biến như : cảm biến siêu âm, cảm biến radar, đo mức bằng điện dung … khi có áp suất cao, nhiệt độ cao hoặc có cánh khuấy.

Với thiết kế cảm biến dạng màng phù hợp với các chất lỏng cần tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm như CIP / SIP. Đây là giải pháp duy nhất dùng để đo mức khi các phương pháp đo mức chất lỏng khác không thể đáp ứng.

Cảm biến áp suất dùng để đo sự chênh áp

Cảm biến chênh áp chính là sự kết hợp của của hai cảm biến áp suất. Giá trị chênh áp chính là ” Hiệu “của hai cảm biến áp suất .

Vd : hai cảm biến áp suất A và B đo tại hai vị trí khác nhau . Chúng ta cần biết cảm biến A lớn hơn cảm biến B bao nhiêu Bar thì phải dùng tới PLC hay bộ đọc để lấy tín hiệu từ cảm biến A trừ tín hiệu cảm biến B ( A-B ).

Trường hợp này chúng ta chỉ cần một cảm biến chênh áp là để thay thế cho hai cảm biến áp suất A và cảm biến áp suất B .

cảm biến áp suất dạng chênh áp

Cảm biến đo chênh áp được dùng để đo sự chênh áp của lọc để vệ sinh, dùng làm để đo lưu lượng

Một trong các ứng dụng dùng cảm biến áp suất dạng chênh áp là để phát hiện mức chênh áp trước và sau lọc. Sau một thời gian hoạt động các chất lỏng sẽ có cặn hoặc không khí trong đường ống có .

Các lọc sẽ được lắp vào đường ống để làm sạch chất lỏng hoặc không khí nhưng sau một thời gian các lọc này sẽ bị bẩn làm giảm lưu lượng đi qua dẩn tới giảm công suất của hệ thống.

Cảm biến chênh áp được thiết kế dựa trên đo áp suất với hai đầu vào dùng để đo áp suất trước và sau lọc để biết được giá trị chênh áp.Từ đây, chúng ta sẽ xác định được lọc cần vệ sinh hay thay đổi lọc mới.

Cảm biến áp suất thả chìm dùng để đo mức nước sông , bể , giếng

Để đo mức nước giếng , nước sông , nước trong bể chứa dạng hở thì chúng ta có một giải pháp là dùng một loại cảm biến áp suất thả chìm. Cảm biến sẽ được thả chìm trong khu vực có nước cần đo & cảm biến phải đặt tiêu chuẩn IP68 để không làm hư cảm biến.

cảm biến áp suất thuỷ tĩnh

Cảm biến áp suất thuỷ tĩnh dùng để đo mức nước

Hydrotatics level – cảm biến đo áp suất thuỷ tĩnh còn được gọi với một tên gọi khác là cảm biến đo mức thả chìm được dùng để đo mức nước có độ sâu cao với giá thành thấp.

Ưu điểm của cảm biến đo mức thả chìm có thể đo mức nước lên tới 100m với độ chính xác cao bởi nguyên lý đo theo nguyên lý chênh áp với áp suất bề mặt chất lỏng.

Cảm biến thuỷ tĩnh được xem là một cảm biến mực nước thực thụ khác hẳn với các loại cảm biến khác. Tuỳ điều kiện thực tế chúng ta có thể tham khảo loại này để giảm chi phí vì cảm biến thả chìm có giá khá thấp so với các loại khác

Chọn cảm biến đo áp suất cần thông tin gì ?

Để chọn cảm biến đo áp suất phù hợp với nhu cầu thực tế chúng ta cần phải biết ứng dụng thực tế của cảm biến dùng để làm gì : đo áp suất, đo mức, đo chênh áp …

Vì thế khi chọn cảm biến áp suất chúng ta cần lưu ý :

  • Cảm biến đo áp cho ứng dụng gì
  • Thang đ0 áp suất cần đo
  • Tín hiệu ngõ ra của cảm biến : 4-20mA , 0-10v hay 0-5V
  • Kiểu kết nối của cảm biến
  • Môi chất đo của cảm biến ( rất quan trọng ), dựa vào môi chất đo mới chọn được loại màng của cảm biến
  • Sai số của cảm biến
  • Thời gian đáp ứng
  • Độ trôi của tín hiệu
  • Nguồn cấp cho cảm biến ( khá quan trọng nếu dùng tín hiệu 4-20mA mà cần truyền đi xa )
  • Cảm biến có hiển thị hay không
  • Cần điều chỉnh thang đo hay không
  • Xuất xứ của cảm biến đo áp suất
  • Giá thành của cảm biến đo

Hy vọng rằng bài viết này sẽ giúp ích cho các bạn đang tìm hiểu về cam bien ap suat cũng như các khái niệm :

  • Cảm biến áp suất là gì ?
  • Các loại cảm biến áp suất
  • Cảm biến áp lực 
  • Áp lực là gì
  • Cảm biến áp suất nước 
  • Áp suất chân không
  • Cảm biến mực nước

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *