Ứng Dụng Cảm Biến Áp Suất

Chúng ta thường nghe các thuật ngữ liên quan tới áp suất. Hầu hết các lĩnh vực đều nhắc tới áp suất từ trường học, y tế, thiết bị công nghiệp, các thiết bị đo lường… Nhưng tôi chắc rằng ít có ai hiểu áp suất là gì, công thức tính áp suất ra sao, nguyên lý đo áp suất như thế nào, cảm biến áp suất là gì, cấu tạo của cảm biến áp suất …

Áp suất là gì?

Ai đã từng ngồi ghế nhà trường thì đều nghe rất nhiều về “áp suất “. Vậy áp suất là gì ?

Áp suất là một lực tác dụng trên một bề mặt diện tích được tác dụng thẳng đứng theo hướng vuông góc. Áp suất trong tiếng anh anh là Pressure được viết tắt là P với đơn vị N/m2 và được gọi là Pascal ( Pa ).

Điều này có nghĩa rằng : 1 N/m2 = 1 Pa

Cách Tính Áp Suất

P = F/ S

Trong đó,

• F là lực tác dụng lên bề mặt bị ép
• S là diện tích tiếp xúc

Mặc dù áp suất được định nghĩa khá đơn giản nhưng để đo áp suất chúng ta có tới 3 cách tương ứng với 3 loại áp suất trong thực tế. Chúng ta cùng tìm hiểu xem nó gồm những loại nào nhé.

Đơn vị áp suất Bar – Psi – Kpa – Mpa – Kg/cm2

Một đơn vị áp suất được tính bằng N/m2 = 1 Pascal ( Pa ). Tuy nhiên, giá trị này là rất rất nhỏ tới mức con người khó mà cảm nhận được. Chúng ta hãy tưởng tượng rằng : lấy một tờ tiền Polyme thả từ trên xuống và chạm vào tay mình. Thì lực tác động của tờ tiền lên tay tương đương 1 Pa = 1 N/m2.

Vì thế, trong thực thế ít có ai sử dụng đơn vị Pa dùng để tính lực do nó quá nhỏ mà người ta dùng sang các đơn vị khác lơn hơn & phổ biến hơn như : Bar – Kg/cm2 – Kpa – Mpa – Psi – at – atm …

Để quy đổi chúng ta lấy 1 đơn vị làm cột mốc như :

• 1 bar = 100.000 Pa = 10^5 Pa
• 1 bar = 1.0197 at
• 1 bar = 0.98692 atm
• 1 bar = 750 torr
• 1 bar = 14.504 psi

Tương tự với các đơn vị khác chúng ta lấy cột mốc bên trái ( đầu tiên ) tương ứng với đơn vị đó và so với các cột bên phải.

Chúng ta thấy rằng có khá nhiều đơn vị đo áp suất khác nhau. Psi được dùng nhiều tại Mỹ, Mpa & Kpa lại được dùng nhiều ở Nhật và các nước Châu Á. Trong khi bar, kg/cm2 lại được sử dụng phổ biến tại Châu Âu.

Bạn biết tại sao không ?

Bởi,

Các nền công nghiệp lớn họ muốn dùng đơn vị riêng của họ để chứng minh sự phát triển của quốc gia đó. Chính vì thế mà sinh ra nhiều loại đơn vị đo áp suất khác nhau.

Cảm biến áp suất là gì?

Trả lời luôn :

Cảm biến áp suất là thiết bị dùng để đo áp suất & biến đổi áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu được truyền về các bộ hiển thị hay bộ điều khiển, PLC bằng dây cáp điện. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất là tín hiệu Analog với các loại tín hiệu : 0-5V , 0-10V, 2-10V, 0,5-4.5V, 4-20mA, 0-20mA  … Trước kia chúng ta thường dùng tín hiệu ngõ ra 0-10V do các mạch điều khiển dạng vi xử lý hoặc có main board từ Nhật chỉ nhận 0-10V . Ngày nay theo xu hướng chung của thế giới tất cả các cảm biến áp suất đang chuẩn hoá dùng tín hiệu 4-20mA .

Mọi người có thể đọc tìm hiểu thêm tại sao dùng tín hiệu 4-20mA

Nguyên Lý Cảm Biến Áp Suất

Đo áp suất chúng ta sẽ có cảm biến áp suất và đồng hồ đo áp suất. Ba loại áp suất cần đo : áp suất tương đối ( gauge ), áp suất tuyệt đối ( absolute ) và chênh áp ( differential ).

Tương ứng với một loại đo áp suất sẽ có một ứng dụng khác nhau. Trong đó, áp suất tương đối được sử dụng tới 70% so với áp suất tuyệt đối và áp suất chênh áp. Chúng ta cùng tìm hiểu tại sao nhé.

Áp suất Tuyệt Đối

Áp suất tuyệt đối tên tiếng anh là Absolute Pressure hoạt động dựa vào nguyên tắc nén 1 bar bên trong cảm biến. Nên khi đặt trong khí quyển thiết bị đo sẽ có giá trị là 1 bar hay 1 atm. Khi lực tác dụng một lực lên bề mặt làm lớp màng sẽ biến dạng nhưng áp suất không thể thoát ra được.

Lớp màng của cảm biến khi chưa có lực tác động sẽ phẳng và có giá trị 1 bar. Khi có lực tác động Dương thì màng cảm biến sẽ bị biến dạng theo chiều lực tác động, áp suất sẽ tăng 1+ bar. Khi có lực hút thì áp suất sẽ giảm từ +1 bar xuống tới 0 bar tại giá trị chân không.

Áp suất Khí Quyển

Áp suất khí quyển còn được gọi là áp suất tương đối do cảm biến hoạt động dựa vào nguyên tắc so sánh với áp suất không khí. Khi đặt cảm biến trong khí quyển sẽ hiển thị là 0 bar hay 0 Atm. Thiết bị đo áp suất khí quyển có một lỗ thông hơi bên trong giúp đẩy không khí ra ngoài khi có lực tác động lên bề mặt cảm biến.

Lớp màng của cảm biến ban đầu phẳng khi chưa có lực tác động. Lúc này giá trị của cảm biến là 0 bar. Khi có lực tác động Dương thì áp suất sẽ tăng 0+ bar. Ngược lại khi có lực hút tác động thì áp suất sẽ giảm -0 bar cho tới -1 bar tại giá trị chân không.

Áp suất chênh áp

Nếu như áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển chỉ là sự tác động một chiều của áp lực lên bề mặt cảm biến thì áp suất chênh áp là sự so sánh áp suất giữa hai đầu áp suất.

Delta P  = P1 – P2

Điều này có nghĩa rằng áp suất chênh áp biểu thị cho sự lớn – nhỏ của hai đầu áp suất nên có thể là Dương hoặc Âm tuỳ theo P1 hay P2 lớn hơn. Khi P1 > P2 thì áp suất dương, ngược lại P1< P2 thì áp suất âm.

Tóm lại, tất cả các loại cảm biến áp suất đều hoạt động dựa trên nguyên lý áp suất : áp suất truyệt đối, áp suất khí quyển, áp suất chênh áp. Chúng ta cùng tìm hiểu xem cấu tạo của cảm biến áp suất như thế nào nhé.

Cấu tạo cảm biến áp suất

Tôi lên google và tìm kiếm về cấu tạo – nguyên lý cảm biến áp suất nhưng các biết nằm ở TOP tìm kiếm lại có nội dung không hề liên quan tới cái mà tôi mong muốn. Chính vì thế tôi sẽ chia sẻ cho mọi người chi tiết nhất về cấu tạo của cảm biến áp suất.

Kết Nối Cơ Khí

Bất kỳ một cảm biến áp suất nào cũng phải có phần kết nối cơ khí để kết nối với đường ống hoặc tank chứa cần đo áp. Có nhiều loại kết nối cơ khí khác nhau từ ren, clamp, SMS, mặt bích … nhưng chỉ kết nối dạng ren được sử dụng phổ biến nhất & dùng được trong hầu hết các ứng dụng.

Ren kết nối dạng gì thật sự không quan trọng miễn sao có thể kết nối được vào vị trí cần đo áp suất. Nếu cảm biến áp suất có ren kết nối G1/4 ( ren 13mm ) trong khi đường ống có ren kết nối G1/2 ( ren 21 ). Bạn đừng quá lo lắng bởi các adaptor chuyển đổi ren từ G1/4” sang G1/2 “có giá thành khá rẻ & được bán sẵn trong cửa hàng điện nước.

Cảm biến áp suất 0-10 bar / Sensor Áp Suất

Cảm biến áp suất 0-10 bar điều đó có nghĩa là sensor áp suất đo được trong ngưỡng 0-10 bar. Sensor áp suất được nằm bên trong thân cảm biến là môt bộ phận đóng vai trò quyết định tới chất lượng của cảm biến.

Bởi các loại màng khác nhau chỉ phù hợp cho một loại số loại môi trường nhất định. Có bốn loại màng chính được sử dụng cho cảm biến áp suất là : màng silicon, màng inox 316L, màng Ceramics và màng Inox 316L kết hợp Ceramics.

• Màng silicon thường chỉ được dùng cho chất khí & chịu được áp lực thấp
• Màng Inox 316L sử dụng được trong hầu hết các môi trường, nhưng sử dụng không tốt trong một số môi trường có tính ăn mòn nhẹ.
• Loại màng Ceramics sử dụng tương tự như Inox 316L nhưng cho khả năng chịu được các môi trường khắc nghiệt hơn kể cả hoá chất ăn mòn nhẹ.
• Màng Inox 316L kết hợp Ceramics chịu được các loại hoá chất ăn mòn trung bình

Mặc dù loại cảm biến áp suất này có thể dùng hầu hết trong các môi trường : nước, khí nén, dầu, thuỷ lực, hoá chất nhẹ … nhưng độ chính xác lại không cao do lớp màng có độ nhạy thấp nên có độ chính xác không cao.

Do được thiết kế nằm bên trong cảm biến nên chúng ta không thể nhìn thấy lớp màng này qua hình dáng bên ngoài. Các loại cảm biến cao cấp hơn sẽ được sử dụng loại màng 316L có độ nhạy cao hoặc Hasteloy C hay mạ vàng cho các ứng dụng đặc biệt.

Cảm Biến Áp Suất 4-20mA / Bo Mạch Cảm Biến Áp Suất

Nếu bạn nghe ai đó nói tới cảm biến áp suất 4-20mA, có nghĩa là họ đang nói tới tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất. Một bo mạch nhỏ nằm bên trong cảm biến đóng vai trò quyết định cho loại tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất. Dù bạn chỉ gặp tín hiệu analog 4-20mA hay 0-10V nhưng các loại tín hiệu khác vẫn được dùng trên cảm biến áp suất :

• Tất nhiên sẽ có 0-5V
• Tín hiệu 0.5-4.5V
• Loại tín hiệu 0-20ma cũng được sử dụng trước kia
• Tín hiệu 4-20mA / HART
• Tín hiệu Modbus được tích hợp gần đây

Dù có khá nhiều loại tín hiệu khác nhau được sử dụng cho cảm biến áp suất nhưng tới 90% tín hiệu 4-20mA được sử dụng.

Bởi,

• 4-20mA giảm thiểu độ sai số khi kéo đi xa do không bị sụt áp như 0-10v
• Khả năng khử nhiễu cao trên 2 dây 4-20mA vừa nguồn vừa tín hiệu

Nếu được lựa chọn về tín hiệu ngõ ra tôi khuyên các bạn nên sử dụng loại 4-20mA không chỉ vì các ưu điểm trên mà còn vì nó tương thích với hầu hết các thiết bị đầu cuối ngày nay. Hầu như tất cả các thiết bị đều xem tín hiệu 4-20mA là tiêu chuẩn để kết nối.

Kết nối điện ngõ ra

Kết nối điện đóng vai trò không quá quan trọng nhưng phải tương thích với loại dây dẩn với cảm biến thì mới sử dụng lắp đặt được. Có ba loại kết nối điện cho cảm biến áp suất :

• Kết nối dạng cable gland
• Kết nối dạng Plug – 4 pin
• Cuối cùng là chuẩn kết nối ISO4400/DIN43650B

Trong ba chuẩn kết nối này thì loại kết nối ISO 4400 được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất với khả năng lắp lẫn giữa các loại cảm biến với nhau. Chúng ta chỉ cần tháo Jack cảm biến ra là có thể lắp lẫn qua các loại cảm biến khác cùng chuẩn ISO 4400.

Cảm biến áp suất nước

Trong các nhà máy sản xuất, nước là một thành phần không thể thiếu. Dù dùng ít hay nhiều thì nước luôn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất như :
– Nước làm mát hệ thống chiler
– Nước làm sạch máy móc
– Vệ sinh nhà xưởng không thể thiếu nước
– Nước thành phần không thể thiếu của lò hơi
….
Hệ thống bơm nước được thiết kế để đưa nước tới nơi cần sử dụng. Cảm biến áp suất nước đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo áp suất nước đủ mạnh cung cấp cho sản suất.
Các thang đo áp suất nước thông dụng : 0-4 bar, 0-6 bar , 0-10 bar, 0-16 bar và 0-25 bar. Với tín hiệu ngõ ra 4-20mA được được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất.
Chúng ta cùng xem các ứng dụng của cảm biến áp suất nước trong công nghiệp nhé.

Bộ Điều Khiển Cảm Biến Áp Suất

Cảm biến áp suất nước kết hợp với bộ điều khiển vừa hiển thị được giá trị áp suất vừa có thể đóng – ngắt bơm theo cài đặt một cách chính xác. Bộ điều khiển ART144 hiển thị 02 dòng :

• Dòng trên hiển thị áp suất thực tế trên đường ống
• Dòng dưới cho phép cài đặt giá trị áp suất để đóng ngắt bơm

VD : chúng ta muốn khống chế áp suất nước từ 2 – 8 bar. Dưới 2 bar thì bơm khởi động & quá 8 bar thì bơm ngắt. Chúng ta chỉ cần lựa chọn một cảm biến áp suất 0-10 bar và một bộ điều khiển ATR144.

Cảm biến áp suất nước điều khiển biến tần

Chúng ta đã biết rằng biến tần có 02 chế độ làm việc : làm việc bằng tay và làm việc tự động.

Chế độ chạy bằng tay tức là sử dụng biến trở để điều chỉnh tốc độ của Motor thông qua biến tần. Muốn điều chỉnh motor chạy nhanh hay chậm chỉ việc xoay biến trở từ min tới max.

Tại chế độ tự động khi sử dụng cảm biến áp suất. Cảm biến truyền tín hiệu 4-20mA vào biến tần, biến tần sẽ chuyển đổi thành tín hiệu tần số từ 0-50Hz để điều khiển tốc độ động cơ.
Việc kết hợp cảm biến áp suất và biến tần để điều khiển động cơ mang lại nhiều lợi ích :

• Tiết kiệm điện
• Khởi động Motor êm hơn
• Động cơ tăng giảm tốc độ nhẹ nhàng
• Hệ thống hoạt động an toàn – tự động mà không cần can thiệp
• Cài đặt, hiệu chỉnh đơn giản

Việc sử dụng cảm biến áp suất nước để điều khiển biến tần gần như được sử dụng rộng rãi và bắt buộc trong hệ thống bơm nước.

Ứng dụng cảm biến áp suất?

Cảm biến áp suất nước được dùng để đo áp suất nước trực tiếp từ các trạm bơm hay cảm biến áp suất thuỷ lực dùng để đo áp suất thuỷ lực của các cẩu trục hoặc cảm biến áp suất khí nén dùng để đo áp lực của máy nén khí .

Đó là các ứng dụng chúng ta thường thấy của cảm biến áp suất . Ngoài ra cảm biến áp suất còn được dùng để đo mức nước trong tank chứa nước …

Bộ hiển thị áp suất

Một trong những yêu cầu đơn giản nhất của việc đo áp suất là hiển thị được giá trị áp suất chính xác tại phòng điều khiển. Thông quan màn hình hiển thị áp suất chúng ta dể dàng biết được áp suất tại đường ống là bao nhiêu bar.

Để hiển thị được giá trị áp suất chúng ta cần có các vật tư như sau :

• Cảm biến áp suất
• Bộ hiển thị áp suất hoặc bộ điều khiển / PLC …
• Dây tín hiệu kết nối

Với các vật tư trên chúng ta có thể đo áp suất một cách chính xác mà rất đơn giản phải không ?

Cảm Biến Áp suất Khí

Để quạt hút hoặc quạt thổi đạt được lưu lượng gió theo mong muốn thì cảm biến áp suất phải đo được áp suất thật chính xác. Motor của quạt sẽ được điều khiển bởi biến tần để tiết kiệm điện năng. Lúc này, cảm biến áp suất điều khiển biến tần bằng tín hiệu 4-20mA.

Biến tần truyền tín hiệu 0-50/60Hz xuống điều khiển motor quạt. Giá trị 0Hz tương ứng với 4mA ( tức 0% hay Motor dừng hẳn ), tại 25Hz ( max 50 Hz ) sẽ tương ứng với 12mA của cảm biến áp suất. Tín hiệu của cảm biến áp suất điều khiển biến tần 4-20mA tương ứng 0-50Hz hay ngược lại 4-20mA tương ứng với 50-0Hz là tuỳ vào đây là quạt hút hay quạt thổi.

Cách Đấu Dây Cảm Biến Áp Suất

Cách đấu dây cảm biến áp suất 4 dây

Cảm biến áp suất 4 dây thì việc kết nối khá đơn giản với nguồn riêng và tín hiệu riêng. Trong đó, 2 dây nguồn cấp cho cảm biến và 2 dây là tín hiệu ngõ ra. Điều quan trọng là xác định đúng 2 dây nào là nguồn cấp và dây nào là dây tín hiệu.

Nguồn cấp cho cảm biến thông thường từ 9-32Vdc được in ngay trên thân cảm biến. Việc dùng nguồn 12Vdc hay 24Vdc đều phù hợp vì nằm trong khoản cho phép của cảm biến. Lưu ý là không được cấp cao hơn nguồn định mức của cảm biến để tránh gây hư hỏng.

Cách đấu cảm biến áp suất 3 dây

Sự khác biệt của cảm biến áp suất 3 dây với cảm biến áp suất 4 dây chính là thiếu mất một dây Âm ( – ) hay còn gọi là dây Mass. Thật ra dây Mass ( 0 V ) này được nối chung với nhau.

Việc đấu dây cảm biến áp suất 3 dây khá đơn giản. Trong đó, 2 dây là nguồn cấp cho cảm biến và dây ( + ) còn lại là dây tín hiệu truyền về. Như vậy, nguồn cấp sẽ là 9 ( + ) và 11 ( – ), còn tín hiệu ngõ ra sẽ là 12 ( + ).

Cách đấu cảm biến áp suất 4-20mA – 2 dây

Tôi thấy rằng cảm biến áp suất 4-20mA 2 dây lại được sử dụng hơn 90% so với các loại khác nó lại làm nhiều người sử dụng mới bối rối bởi cảm biến chỉ có 2 dây. Làm sao kết nối đây ?
Loại cảm biến 4-20mA 2 dây sử dụng nguồn và tín hiệu chung trên 2 dây ?
Tôi nghĩ là SAI. Cùng xem nhé.

Thật ra, cảm biến áp suất 2 dây chỉ có tín hiệu ngõ ra 4-20mA lại dể sử dụng nhất trong các loại cảm biến áp suất 2 dây, 3 dây, 4 dây.
Tại sao ư ?
Cảm biến áp suất 2 dây mặc định chân 1 ( + ) và chân 2 ( – ). Việc kết hết hết sức đơn giản là cấp nguồn 9-32Vdc vào chân 1 ( + ), còn chân 2 ( – ) chính là ngõ ra Output 4-20mA của cảm biến áp suất.
Thật đơn giản phải không ?

Truyền tín hiệu áp suất về hai nơi khác nhau

[Trường hợp] : đo áp suất chính xác cao truyền tín hiệu về hiển thị tại phòng điều khiển & truyền thêm một tín hiệu tới hệ thống PLC .

Chúng ta phải cần : hai cảm biến áp suất chính xác cao đặt tại cùng một vị trí. Điều này thật là vô lý khi cần đo tại một điểm áp suất mà cần phải có hai cảm biến áp suất.

[Giải pháp] : Với bộ chia tín hiệu Z170REG-1 chúng ta có thể chia hai tín hiệu 4-20mA về độc lập nhau đưa về PLC và đưa về màn hình hiển thị để giám sát tại chổ. Giá thành của bộ chia tín hiệu 4-20mA Z170REG-1 thì lại rất thấp so với việc mua một con cảm biến áp suất chính xác cao có thể lên tới hơn 1000 Euro.

Thật đơn giản với chỉ có một bộ chia tín hiệu lắp tại tủ điều khiển chúng ta có thể vừa hiển thị giá trị áp suất vừa điều khiển chính xác áp suất theo yêu cầu.

Những lưu ý khi sử dụng cảm biến áp suất 

Sử dụng cảm biến áp suất mà không biết những thông số của cảm biến áp suất sẽ dẩn đến giảm độ bền cũng như hư hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng. Chúng ta nên biết các yếu tố ảnh hưởng tới tuổi thọ của cảm biến áp suất.

Quá áp của cảm biến áp suất

Bất kỳ một cảm biến áp suất nào cũng có giới hạn chịu quá áp. Thông thường khả năng quá áp là gấp 2 lần thang đo của cảm biến áp suất.

Chúng ta chú ý tới 2 thông số : Pressure và Max Pressure

• Pressure : chính là thang đo của cảm biến áp suất . VD : 0-10 bar
• Max pressure : đây chính là khả năng chịu quá áp của cảm biến áp suất . Tại 0-10bar thì khả năng chịu quá áp chính là 20 bar

Như vậy với áp suất 190 bar thì khả năng quá áp của cảm biến áp suất SR1 của Georgin chịu được 200% tương đương gấp 2 lần so với thang đo của cảm biến áp suất.

Chúng ta lưu ý rằng áp suất chịu được tối đa là không cố định cho từng thang đo hoặc từng hãng sản xuất. Tại thang đo 0-1 bar thì áp suất chịu quá áp là 5 bar tức gấp 5 lần so với dải đo áp suất. Tuy nhiên, tại thang đo áp suất 0-600 bar thì khả năng chịu quá áp chỉ 800 bar tương đương với 200 bar quá áp.

Sai số của cảm biến áp suất

Các cảm biến loại thường sẽ có sai số <1% hoặc 0.5% tuy nhiên đối với các cảm biến áp suất có độ chính xác cao thì sai số sẽ là 0.125% hoặc 0.1% như cảm biến áp suất FKP.

Sai số ảnh hưởng rất lớn đến tín hiệu đưa về của cảm biến áp suất. Ví dụ : cảm biến áp suất 0-10bar có sai số 1% thì tại 10bar giá trị sai số là 100mbar ~0.1 bar

Sử dụng cảm biến áp suất nước để điều khiển bơm là một trong các ứng dụng được dùng phổ biến nhất do đơn giản , luôn giữ được áp suất theo yêu cầu .

Môi trường sử dụng cảm biến áp suất

Điều quan trọng nhất của việc chọn cảm biến áp suất chính là sử dụng đúng môi trường sử dụng của cảm biến áp suất. Bởi một số loại cảm biến áp suất chỉ sử dụng được trong môi trường đo áp suất không khí mà không thể sử dụng trong môi trường nước hoặc các môi trường khác.

Các môi trường hoá chất có tính làm ăn mòn phải chọn loại cảm biến áp suất phù hợp. Vật liệu màng cảm biến với tiêu chuẩn Inox 316L vẫn bị ăn mòn bởi các hoá chất như acid (axit) hoặc môi trường nước thải.

Cần tư vấn về cảm biến áp suất và các vấn đề liên quan cam bien ap suat hãy liên hệ trực tiếp với tôi để được tư vấn. Chúng tôi mong rằng sẽ giúp cho mọi người chọn đúng loại cảm biến áp suất cần dùng.

Tham khảo thêm  : ứng dụng cảm biến áp suất 4-20mA

Chúc mọi người thành công !

Chịu trách nhiệm nội dung .

Kỹ Sư Cơ Điện Tử
Nguyễn Minh Hòa
Mobi : 0937.27.55.66
Mail : hoa.nguyen@huphaco.vn