CÔNG TY TNHH TM & DỊCH VỤ THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP SÀI GÒN

Cảm Biến Áp Suất Nguyên Lý Và Hoạt Động.

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 .
 

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.