Cảm biến áp suất màng có thiết kế đặc biệt hơn hẳn so với các loại cảm biến áp suất tiêu chuẩn ngay từ thiết kế bên ngoài bởi lớp màng nằm ngay vị trí kết nối cơ khí. Điều này đồng nghĩa với việc giá thành cũng là một rào cản khi cần sử dụng cho các ứng dụng phổ thông.
Cảm biến áp suất màng có giá thành cao hơn khá nhiều so với cảm biến áp suất công nghiệp tiêu chuẩn do bên ngoài được bọc một lớp màng 316L hoặc có thể là một lớp mạ vàng tùy theo ứng dụng chuyên dụng. Đây là một thiết bị không thể thiếu khi đo áp suất trong ngành thực phẩm, bia rượu cũng như ngành dược phẩm.
Vậy cảm biến áp suất dạng màng có thiết kế gì đặc biệt. Tại sao chúng ta phải dùng cảm biến áp suất màng mà không dùng các loại khác. Cùng xem nhé.
Cảm biến áp suất màng là gì?
Cảm biến áp suất màng là một loại cảm biến được sử dụng để đo áp suất bằng cách sử dụng một màng rất mỏng & nhạy cảm đến mức có thể cảm nhận sự thay đổi của áp suất khi tác động vào lớp màng này.
Khi áp suất tăng hoặc giảm thì lớp màng này sẽ uốn cong hoặc căng ra tùy theo áp suất dương hay áp suất âm. Khi đó, các linh kiện điện tử siêu nhỏ bên dưới lớp màng sẽ cảm nhận sự thay đổi của lớp màng của cảm biến áp suất, từ đó sẽ chuyển đổi thành một tín hiệu điện tương ứng.
Tín hiệu điện của cảm biến áp suất là Analog 4-20mA, 0-10V hoặc tiếp điểm relay nếu cảm biến là một dạng công tắc áp suất điện tử. Tín hiệu Analog 4-20mA hoặc 0-10V sẽ tương ứng với áp suất làm việc của cảm biến.
Nếu cảm biến áp suất có áp suất làm việc là 0-10 bar thì tín hiệu ngõ ra sẽ là 4-20mA tương ứng từ 0 bar cho đến 10 bar. Khi áp suất thay đổi tín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo tương ứng với đầu vào.
Độ chính xác của cảm biến áp suất là tương đối cao, khoảng 0,5% cho các loại cảm biến áp suất thường và 0,1% cho các loại cảm biến áp suất chuyên dụng. Chính vì thế chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng vào kết quả truyền về của cảm biến áp suất. Tất nhiên, đối với một ứng dụng chúng ta sẽ có một tiêu chuẩn khác nhau để lựa chọn các thông số kỹ thuât của cảm biến áp suất cho phù hợp.
Sự khác biệt của cảm biến áp suất màng và cảm biến áp suất khác là gì?
Sự khác biệt giữa cảm biến áp suất màng và cảm biến áp suất thường không có quá nhiều khác biệt từ bên ngoài lẫn bên trong. Điểm khác biệt rõ ràng và dễ nhận biết nhất chính là lớp màng mỏng ở bên ngoài ngay vị trí kết nối cơ khí của cảm biến.
Chính vì lớp màng mỏng này mà chúng ta gọi là cảm biến áp suất màng để phân biệt với các loại cảm biến áp suất khác. Về bên trong thì các linh kiện điện tử cũng có đôi chút khác biệt so với cảm biến áp suất công nghiệp thường gặp. Trong bài chia sẻ này mình sẽ không nói chuyên sâu về cấu tạo của cảm biến áp suất.
Có thể dùng cảm biến áp suất thường thay thế cảm biến áp suất thường hay không?
Câu trả lời là “ Có “ và cũng là “Không”
Tại sao ư ?
Điều này hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng của vị trí cần đo áp suất. Trong một số trường hợp thì bắt buộc phải dùng cảm biến áp suất màng mà không có một thiết bị nào khác có thể thay thế được. Trong một vài ứng dụng khác không cần thiết thì chúng ta có thể thay thế cảm biến áp suất màng bằng một loại cảm biến áp suất khác.
Tôi sẽ lấy một vài ứng dụng cụ thể để các bạn hình dung.
Nếu bạn sử dụng cảm biến áp suất màng để đo dịch cà phê hay chiết rót bia, sữa, nước giải khát … tức các môi chất tiếp xúc với cảm biến cần được tẩy rửa thường xuyên & đạt chuẩn an toàn thực phẩm thì các phải sử dụng các loại cảm biến có màng Inox 316L phủ bên ngoài.
Còn nếu bạn sử dụng cảm biến áp suất cho các môi trường như hơi nóng, khí nén, hay nước sạch mà không đòi hỏi phải có chuẩn CIP / SIP trong quá trình sản suất thì chúng ta có thể thay thế cảm biến áp suất màng bằng cảm biến áp suất thường. Việc thay thế chỉ cần đảm bảo các thông số quan trọng như : thang đo áp suất, tín hiệu ngõ ra, ren kết nối cơ khí và kiểu kết nối điện có tương thích hay không.
Thiết kế của cảm biến áp suất màng có gì đặc biệt
So với cảm biến áp suất thường sử dụng thì cảm biến áp suất dạng màng sẽ có một lớp màng khá mỏng phủ bên ngoài ngay vị trí kết nối cơ khí. Lớp màng này khá mỏng nên rất dễ bị hư hỏng khi có vật nhọn hay lực tác động lớn từ bên ngoài vào. Tất nhiên rằng, áp suất cũng là lực tác động nhưng áp suất sẽ phải nhỏ hơn áp suất làm việc của cảm biến & không tác động tại một điểm của thiết bị.
Nhìn từ bên ngoài chúng ta dễ dàng nhận thấy sự khác biệt giữa hai cảm biến màng và cảm biến thường. Ngay vị trí ngoài cùng của phần kết nối sẽ có một lớp màng đối với cảm biến áp lực màng, còn cảm biến áp lực thường thì sẽ có một lỗ thông nhỏ để áp suất vào bên trong thân cảm biến.
Thực ra thì bên trong cảm biến khác cũng là một lớp màng nhưng được cấu tao theo một dạng khác. Về cách sử dụng, chức năng, tín hiệu ngõ ra gần như là không có sự khác biệt. Điểm khác biệt duy nhất ở đây chính là ứng dụng của cảm biến dùng vào việc gì mà thôi.
Ứng dụng nào cần sử dụng cảm biến áp suất màng?
Như tôi đã đề cập một vài ứng dụng ở trên thì một vài ứng dụng cụ thể bắt buộc phải sử dụng cảm biến áp suất màng mà không thể dùng loại cảm biến áp suất thường. Sau đây là các ứng dụng đo áp suất cần tới cảm biến áp suất có lớp màng phủ bên ngoài.
Cảm biến áp suất dùng trong ngành giấy
Ngành giấy, đúng vậy các bạn. Trong ngành sản xuất giấy thì bột giấy sẽ bít kín lỗ thông của cảm biến áp suất thường & không thể đo được áp suất trong đường ống hay trong các bồn chứa. Lúc này cảm biến áp suất màng sẽ phải được sử dụng để không bị nghẹt trong quá trình đo lường áp suất.
Một số nhà máy giấy công nghệ cũ thường ít sử dụng cảm biến áp suất hay đồng hồ áp suất màng bởi giá thành của các loại thiết bị đo áp suất này khác đắt đỏ. Ngày nay, nhu cầu đo áp suất ngày càng được xem trọng & giá thành các loại cảm biến áp suất màng cũng tương đối cạnh tranh.
Chính vì thế ngành giấy đang thay thế hoặc trang bị các cảm biến áp suất màng cho các vị trí cần thiết để giám sát áp suất hay được dùng để đo mức cho các bồn chứa giấy.
Ngành dược phẩm sử dụng cảm biến áp suất nào ?
Việc đo áp suất trong ngành dược phẩm phải nói rằng cực kỳ nhiều trên các dây chuyền sản xuất. Thậm chí việc đo áp suất của lọc khí cũng được chú trọng. Trên dây chuyền sản xuất ngành dược thì cảm biến áp suất thường và cảm biến áp suất màng đều được sử dụng tùy theo vị trí & ứng dụng.
Các khu vực sản xuất nước cất hay còn gọi là nước RO thì bắt buộc phải sử dụng cảm biến áp suất dạng màng để đảm bảo nước luôn đạt mức siêu tinh khiết. Chúng ta đều biết rằng ngành dược có tiêu chuẩn rất cao về an toàn, cũng như mức độ tinh khiết trong quá trình sản xuất. Chính vì thế mà cảm biến áp suất dạng màng là một thiết bị không thể thiếu được dùng trong quá trình sản xuất của các nhà máy dược.
Cảm biến áp suất màng được dùng trong ngành nước giải khát, thực phẩm nói chung
Các ngành sản xuất liên quan tới nước uống như nước suối, nước đóng chai, bia – rượu, cà phê, nước lên men, nước ngọt … đều có sự hiện diện của cảm biến áp suất màng.
Cảm biến áp suất sẽ được dùng để đo mức nước cho các bồn chứa nước hoặc dung dịch phối trộn trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, các loại cảm biến áp suất dạng màng này chỉ dùng được cho các bồn hở – không có áp suất nén bên trong.
Đối với các bồn kín có áp suất nén bên trong thường dùng cảm biến đo mức radar hoặc cảm biến chênh áp dạng màng để đo mức bên trong các bồn chứa này. Tùy các trường hợp cụ thể chúng ta sẽ sử dụng các loại cảm biến khác nhau.
Cảm biến áp suất màng được dùng trong ngành hóa chất
Tất nhiên rồi, trong ngành hóa chất rất nhiều cảm biến áp suất dạng màng được sử dụng bên cạnh đồng hồ áp suất màng. Bởi môi trường làm việc của các nhà máy hóa chất cực kỳ khắc nghiệt và độc hại. Các cảm biến đều phải làm bằng Ceramic hoặc màng 316L hay màng mạ vàng để đảm bảo cảm biến hoạt động tốt trong môi trường hóa chất ăn mòn.
Mình từng gặp rất nhiều loại cảm biến sử dụng các loại màng như Hastelloy C, Titanium hoặc lót một lớp PTFE để đảm bảo hoạt động tốt trong môi trường hóa chất.
Các lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất màng
Cảm biến áp suất dạng màng có thiết kế có đôi chút khác biệt so với cảm biến áp suất thông thường. Chính vì thế đối với cảm biến áp suất màng chúng ta cũng cần có một vài sự lưu ý trước khi sử dụng.
Lựa chọn dãy đo áp suất hợp lý
Việc lựa chọn dãy đo của bất kỳ một cảm biến áp suất nào cũng quan trọng cả. Bởi việc lựa chọn áp suất của cảm biến áp suất quá cao so với áp suất làm việc sẽ ảnh hưởng tới độ phân giải của tín hiệu ngõ ra. Ngược lại nếu áp suất làm việc của cảm biến quá thấp so với áp suất thực thế thì cảm biến sẽ bị hỏng.
Chính vì điều này mà một số cảm biến có thể tùy biến áp suất làm việc thông qua màn hình hiển thị ngay trên cảm biến để tăng độ phân giải & không ảnh hưởng tới sai số của cảm biến khi làm việc. Đối với các cảm biến tiêu chuẩn tức là không thể thay thế thang đo áp suất của cảm biến chúng ta cần chọn áp suất làm việc cho hợp lý.
Việc lựa chọn thang đo áp suất của cảm biến phải lớn hơn ít nhất 10-20% so với áp suất làm việc để đảm bảo độ chính xác. Nếu bạn cần đo áp suất 7-8 bar thì thang đo áp suất bạn cần lựa chọn là 0-10 bar.
Tại sao không chọn quá cao?
Khi chọn quá cao thì độ phân giải của tín hiệu ngõ ra sẽ giảm rõ rệt và ảnh hưởng tới kết quả đo lường. Nếu bạn chỉ đo khoảng 10-12 bar thì bạn nên chọn áp suất làm việc của cảm biến là 0-16 bar thay vì chọn 0-25 bar. Đó là sự lựa chọn tối ưu nhất.
Điều gì sẽ xảy ra khi sử dụng thang đo của cảm biến áp suất nhỏ hơn áp suất thực tế làm việc. Tôi ví dụ áp suất làm việc là 11 bar và bạn chọn cảm biến áp suất là 10 bar. Lúc này lớp màng của cảm biến áp suất sẽ bị thủng. Tất nhiên, cảm biến sẽ hỏng và không thể tiếp tục làm việc.
Ah, các bạn cần lưu ý rằng cảm biến áp suất sẽ có các dãy đo chuẩn:
- 0-1 bar
- 0-2,5 bar
- 0-4 bar
- 0-6 bar
- 0-10 bar
- 0-16 bar
- 0-25 bar
- …..0-100 bar
Tất nhiên, việc lựa chọn thang đo suất cần phù hợp với áp suất làm việc thực tế của hệ thống. Người sử dụng cần phải biết rõ áp suất làm việc trước khi chọn cảm biến áp suất.
Lựa chọn tín hiệu ngõ ra phù hợp 4-20mA hay 0-10V
Đối với cảm biến áp suất thì thường gặp nhất là tín hiệu ngõ ra dạng Analog 4-20mA và 0-10V. Đối với một số cảm biến áp suất dạng thông minh ( Smart ) thì sẽ có thêm tùy chọn HART. Protocol HART giúp bạn cài đặt bằng dụng cụ cầm tay chuẩn HART thay vì sử dụng các phím bấm trên thiết bị.
Tôi khuyên bạn rằng, nếu được lựa chọn thì hãy chọn cảm biến áp suất có tín hiệu ngõ ra 4-20mA hay vì 0-10V bởi đa phần các thiết bị đọc và kể cả PLC đều thiết kế đầu vào là 4-20mA tiêu chuẩn. Một lý do khác quan trọng hơn đó chính là tín hiệu 4-20mA sẽ không bị sụt áp như 0-10V.
Cảm biến áp suất có thang đo 0-10 bar và có tín hiệu ngõ ra 4-20mA thì lúc này khi áp suất 0 bar sẽ tương ứng 4mA và áp suất 10 bar sẽ có tín hiệu 20mA. Tín hiệu này là tuyến tính tức là áp suất tăng dần thì ngõ ra mA sẽ tăng dần từ 4mA cho tới 20mA.
Kích thước của kết nối cơ khí
Cảm biến áp suất màng sẽ có một lớp màng mỏng nằm bên ngoài cùng ngay vị trí kết nối cơ khí của cảm biến. Chính vì thế lựa chọn loại kết nối cơ và kích thước của kết nối là một điều quan trọng.
Đối với cảm biến áp suất màng PPM-35 chúng ta chỉ có hai sự lựa chọn khi chọn cảm biến áp suất là dạng màng :
- Kết nối G1/2 flush membrane
- Kết nối Tri-Clamp DN38 – 1 1/2 inch flush membrane
Tại sao lại không có tiêu chuẩn khác ?
Thứ 1 : cảm biến áp suất dạng màng không thể có kết nối cơ khí nhỏ hơn vì lớp màng càng nhỏ thì càng cứng tương ứng với áp suất lớn. Đa phần các ứng dụng chúng ta cần sử dụng là áp suất nhỏ.
Thứ 2 : các kích thước G1/2 và DN51 thường sử dụng nhất và phổ biến nhất trong ngành thực phẩm và dược phẩm.
Thứ 3 : dễ dàng thay thế và lắp đặt.
Cảm biến dạng tuyệt đối hay tương đối
Với hai khái niệm tuyệt đối và tương đối thì khá là mơ hồ đối với các bạn không rành về cảm biến áp suất. Tuy nhiên, đối với các chuyên gia cung cấp thiết bị đo áp suất nó rất phổ biến.
Cảm biến áp suất tuyệt đối tức là cảm biến sẽ đo từ áp suất chân không cho tới áp suất thực tế làm việc.
Cảm biến áp suất tương đối tức là cảm biến sẽ lấy cột mốc từ áp suất khí quyển cho tới áp suất thực tế làm việc.
Áp suất chân không so với áp suất khí quyển lệch 1 bar. Áp suất trên bề mặt trái đất ( áp suất khí quyển ) mà con người đang tiếp xúc là 1 bar so với áp suất chân không. Như vậy cảm biến áp suất tương đối tức là đo áp suất từ 1 bar trở lên khi so với áp suất tuyệt đối.
Nếu bạn thấy khó hiểu phần này thì bạn không cần quá quan tâm chuyên sâu vấn đề này mà hãy để các chúng tôi làm giúp bạn. Bởi chúng tôi có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực đo áp suất.
Như vậy, để chọn và sử dụng cảm biến áp suất màng bạn cần phải biết một vài thông tin như :
- Thang đo áp suất
- Loại tín hiệu ngõ ra
- Môi trường làm việc
- Nhiệt độ làm việc
- Cuối cùng là kiểu kết nối
Bạn cần chuẩn bị trước các thông tin này để gửi cho chúng tôi để chọn cảm biến áp suất màng phù hợp với môi trường làm việc thực tế. Sẽ là một sự tuyệt vời nếu bạn làm việc với một chuyên gia trong một lĩnh vực vì họ sẽ có nhiều giải pháp khác nhau cho một yêu cầu hoặc khó khăn.
Chúc các bạn thành công !
Kỹ Sư Cơ – Điện Tử
Nguyễn Minh Hòa
Mobi : 0937.27.55.66
Mail : hoa.nguyen@huphaco.vn
