Hướng dẫn lựa chọn cảm biến áp suất đơn giản và hiệu quả nhất

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, cảm biến áp suất đóng vai trò then chốt trong việc giám sát và điều khiển hệ thống. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến áp suất được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Tùy vào từng ứng dụng cụ thể, người dùng sẽ đưa ra các tiêu chí và phương pháp lựa chọn cảm biến phù hợp để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.

Trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ cùng Bảo An tìm hiểu chi tiết về định nghĩa, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất. Bên cạnh đó, bạn sẽ được khám phá các ứng dụng đa dạng của cảm biến áp suất và học cách lựa chọn loại cảm biến đo áp suất phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng. Hãy cùng bắt đầu hành trình tìm hiểu để đưa ra quyết định thông minh cho hệ thống của bạn ngay hôm nay!

1. Tổng quan về cảm biến áp suất

1.1. Cảm biến áp suất là gì?

Trước tiên, chúng ta biết áp suất là lực tác động lên một đơn vị diện tích, thường được đo bằng các đơn vị như Pa (Pascal), bar, psi (pounds per square inch) hoặc mmHg (milimet thủy ngân)

Cảm biến áp suất, hay còn gọi là bộ chuyển đổi áp suất (Pressure Transmitter hoặc Pressure Sensor), là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện. Thiết bị này thường được dùng để đo lường và giám sát áp suất trong các ứng dụng dân dụng, công nghiệp, y tế và nghiên cứu.

Cảm biến áp suất là gì?

Nếu PLC là bộ não của hệ thống tự động hóa, thì cảm biến áp suất chính là da của máy móc. Nó "cảm nhận" áp suất và truyền tải thông tin về hệ thống điều khiển, giúp điều chỉnh quá trình hoạt động một cách an toàn và hiệu quả. Giống như da giúp con người cảm nhận áp lực, cảm biến áp suất cho máy móc khả năng nhận biết và phản ứng với những thay đổi trong môi trường.

1.2. Các ứng dụng phổ biến của cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, giúp đo lường và kiểm soát áp suất trong môi trường chất lỏng, khí và hơi. Chúng được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực của dân dụng, công nghiệp, y tế và nghiên cứu,... Các ứng dụng thường thấy của cảm biến áp suất có thể kể đến như sau:

Ứng dụng trong dân dụng:

• Giám sát và kiểm soát áp suất bên trong nồi áp suất, máy rửa bát... để đảm bảo hoạt động an toàn, tiết kiệm năng lượng và tối ưu hiệu suất. 

Ứng dụng trong ngành công nghiệp:

• Giám sát và kiểm soát áp suất trong hệ thống thủy lực, khí nén.

• Ứng dụng trong lò hơi, hệ thống HVAC để đảm bảo an toàn vận hành.

• Dùng trong các quy trình sản xuất để duy trì áp suất ổn định.

Ứng dụng trong ngành y tế:

• Được sử dụng trong máy đo huyết áp để kiểm tra sức khỏe.

• Ứng dụng trong máy trợ thở để theo dõi áp suất khí trong cơ thể.

• Dùng trong các thiết bị y tế khác như hệ thống cung cấp oxy.

Ứng dụng trong ngành ô tô:

• Cảm biến áp suất lốp giúp giám sát và cảnh báo khi áp suất quá thấp.

• Kiểm soát áp suất nhiên liệu để tối ưu hiệu suất động cơ.

• Được dùng trong hệ thống dầu nhớt để bảo vệ động cơ.
  

Hệ thống cấp nước và xử lý nước thải:

• Theo dõi áp suất trong hệ thống ống dẫn và máy bơm.

• Hỗ trợ kiểm soát lưu lượng và tiết kiệm năng lượng.

Ứng dụng trong hệ thống điện - tự động hóa:

• Đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất thông minh.

• Tích hợp trong các thiết bị như máy rửa bát, máy giặt, và hệ thống điều hòa không khí để điều chỉnh hoạt động dựa trên áp suất.

• Hỗ trợ kiểm soát áp suất trong các hệ thống robot công nghiệp.

• Giúp tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị đo lường và điều khiển.

Nghiên cứu và kiểm tra:

• Sử dụng trong các thí nghiệm và quá trình kiểm tra, đo lường các điều kiện áp suất trong phòng thí nghiệm

Kết luận: Cảm biến áp suất đã và đang chứng minh vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến đời sống hàng ngày. Nhờ khả năng đo lường chính xác và phản ứng nhanh, cảm biến áp suất giúp tối ưu hoá các hệ thống, nâng cao hiệu suất và đảm bảo an toàn cho con người.

2. Cấu tạo của cảm biến áp suất

Cấu tạo của cảm biến áp suất gồm 2 phần chính: Phần cảm biến và khối xử lý.

• Cảm biến (Sensor): là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện… về khối xử lý.

• Khối xử lý (Ampifier): có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA( tín hiệu thường được sử dụng nhất), 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC…

• Vỏ bọc bảo vệ: Bảo vệ các thành phần bên trong khỏi tác động của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, ăn mòn và va đập.

• Cổng kết nối (Electrical connection): Đầu ra tín hiệu được kết nối với các hệ thống điều khiển hoặc giám sát để đưa ra các phản hồi cần thiết.

• Tùy vào từng loại cảm biến là cách thức hoạt động cũng khác nhau, có loại hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để làm sự thay đổi điện trở, loại thì thay đổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện, trong đó dạng áp điện trở và kiểu điện dung là được sử dụng nhiều nhất

Cấu tạo của cảm biến áp suất

3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

• Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra.

• Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng…

Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

• Theo như hình trên, giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căng ngược lại. Tùy theo độ biến dạng của lớp màng mà bộ xử lý bên trong sẽ biết được giá trị áp suất đang là bao nhiêu. Chính nhờ sự thay đổi này tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra tín hiệu để biết áp suất là bao nhiêu.

• Lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến rất nhỏ để phát hiện được sự thay đổi. Khi có một lực tác động vào thì lớp màng sẽ bị thay đổi theo chiều tương ứng với chiều của lực tác động. Sau đó các cảm biến sẽ so sánh sự thay đổi đó với lúc ban đầu để biết được nó đã biến dạng bao nhiêu %.

• Từ đó, sẽ xuất ra tín hiệu ngõ ra tương ứng. Các tín hiệu ngõ ra có thể là 4-20ma hoặc 0-10V tương ứng với áp suất ngõ vào.

4. Các loại cảm biến áp suất

Hiện nay trên thị trường, có rất nhiều loại cảm biến áp suất khác nhau, được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Dưới đây là một số cách phân loại cảm biến áp suất phổ biến:

4.1. Theo nguyên lý hoạt động

Theo nguyên lý hoạt động, cảm biến áp suất có thể được phân loại thành các loại chính sau:

• Nguyên lý hoạt động: Khi áp suất tác động, các bộ strain gauge gắn trên phần cấu tạo (thường là màng cảm biến) sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi điện trở.

• Đặc điểm: Độ chính xác cao, phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp.

• Nguyên lý hoạt động: Áp suất làm biến dạng màng cảm biến, thay đổi khoảng cách giữa các bản cực của tụ điện, từ đó làm thay đổi điện dung.

• Đặc điểm: Độ nhạy cao, tiêu thụ năng lượng thấp, thích hợp với các ứng dụng cần đo lường chính xác.

• Nguyên lý hoạt động: Khi vật liệu piezoelectric chịu tác động của áp suất, nó tạo ra điện thế theo tỷ lệ với cường độ áp suất tác động.

• Đặc điểm: Phản hồi nhanh, phù hợp với việc đo lường áp suất động và các ứng dụng cần tần số cao.

• Nguyên lý hoạt động: Sử dụng hiện tượng biến dạng của vật liệu từ tính dưới tác động của áp suất kết hợp với cảm biến từ để xác định vị trí biến dạng.

• Đặc điểm: Độ chính xác cao, ổn định theo thời gian, thường được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy lâu dài.

4.2. Phân loại theo lưu chất cảm ứng

Phân loại theo ứng dụng, có các loại cảm biến áp suất phổ biến như sau: cảm biến áp suất nước, cảm biến áp suất dầu và cảm biến áp suất khí. Cụ thể như sau:

Cảm biến áp suất nước:

• Cảm biến áp suất nước được sử dụng để đo áp suất trong các hệ thống chứa nước như đường ống, bể chứa, máy bơm và hệ thống cấp thoát nước. Cảm biến áp suất nước được ứng dụng trong các hệ thống cấp nước đô thị công nghiệp hay giám sát áp suất trong các hệ thống trạm bơm, hệ thống PCCC hoặc dùng trong ngành thủy lợi để đo áp suất của kênh nước hoặc hồ chứa.

• Cảm biến này có các ưu điểm nổi bật như chịu được môi trường ẩm ướt, chống ăn mòn tốt; có khả năng hoạt động ổn định với hiệu suất cao và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau do có dải đo rộng.

Cảm biến áp suất dầu:

• Cảm biến áp suất dầu được thiết kế để đo áp suất trong hệ thống dầu bôi trơn, dầu thủy lực hoặc dầu nhiên liệu trong các thiết bị công nghiệp và động cơ ô tô.

• Ưu điểm của cảm biến này có khả năng chịu được áp suất cao, chống rò rỉ tốt, hoạt động tốt trong môi trường có độ nhớt cao.

Cảm biến áp suất khí:

• Cảm biến áp suất khí được sử dụng để đo áp suất của các loại khí như không khí, khí nén, khí gas trong nhiều ngành công nghiệp. Cảm biến áp suất khí được ứng dụng trong các hệ thống khí nén, máy nén khí, hệ thống HVAC,...

• Cảm biến này có các ưu điểm nổi bật như: có độ nhạy cao, phản ứng nhanh với sự thay đổi áp suất, đa dạng các ứng dụng và dễ dàng tích hợp trong hệ thống tự động hóa.
  

Khi phân loại cảm biến áp suất theo đối tượng đo, chúng ta có thể chia thành các nhóm chính dựa trên cách đo áp suất so với một tham chiếu nhất định:

• Đo áp suất dựa trên mức chân không tuyệt đối (0 Pa) làm điểm chuẩn.

• Ứng dụng: Giám sát áp suất trong các hệ thống cần xác định áp suất tuyệt đối, ví dụ như trong máy bay, các hệ thống đo lường trong phòng thí nghiệm.

• Đo áp suất so với áp suất môi trường (thường là áp suất khí quyển).

• Ứng dụng: Đo áp suất trong các hệ thống dân dụng như áp suất lốp xe, hệ thống cấp nước, máy móc gia dụng.

• Đo hiệu số giữa hai điểm áp suất khác nhau trong cùng một hệ thống.

• Ứng dụng: Kiểm soát quá trình sản xuất, đo lưu lượng chất lỏng, giám sát bộ lọc và các ứng dụng công nghiệp khác.

• Đo áp suất trong môi trường có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.

• Ứng dụng: Các hệ thống tạo chân không, quá trình sản xuất yêu cầu môi trường chân không, công nghệ chế tạo và nghiên cứu khoa học.
  

Kết luận: Mỗi loại cảm biến áp suất đều có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau tùy theo yêu cầu về độ chính xác, phản hồi và môi trường hoạt động trong từng lĩnh vực, giúp tối ưu hóa vận hành, đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

5. Cách lựa chọn và lắp đặt cảm biến áp suất