Cảm biến áp suất, những điều cần biết

Cảm biến đo áp suất

Áp suất là gì?

Áp suất được định nghĩa là lực tác động của chất lỏng hay khí tác động trên một đơn vị diện tích, với công thức:

P=F/A, trong đó F là lực tác động với đơn vi là Newton (N), A là điện tích với đơn vị là m2. Vây P sẽ có đơn vị là N/m2 hay còn gọi là đơn vị Pascal.

Trong thực tế thì áp suất thường dùng các đơn vị áp suất là Bars (Kg/cm2), PSI (P/inch2), mm Hg, In.Hg…

Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất, cảm biến áp suất Siemens sản xuất tại Đức, cảm biến áp suất 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4bar, 10 bar, 16bar, 25 bar, 40bar, 60 bar, 100 bar, 400 bar…

Cảm biến áp suất với kết cấu cảm biến dạng Ceramic sử dụng trong việc đo áp suất không khí, áp suất ga, áp suất nước và áp suất dầu, đo áp suất hơi, lò hơi. Được thiết kế trong hệ thống phân phối ga, trong các chai, tủ lạnh, máy nén khí, máy bơm chân không và hệ thống thủy lực, hệ thống bơm nước với áp suất cao.

Cảm biến đo áp suất sử dụng trong đo và điều khiển áp suất trong đường ống, lò hơi thông qua van điều khiển tuyến tính. Đo mức nước, báo mức dầu, báo mức chất lỏng thông qua sự thay đổi áp suất.

Cảm biến áp suất hoạt động như thế nào?

Các điều kiện khác nhau, phạm vi đo, và vật liệu sử dụng trong cấu trúc cảm biến sẽ có nhiều kiểu thiết kế cảm biến khác nhau, thường thì chúng ta có thể chuyển đổi tín hiệu áp suất sang các dạng trung gian, chẳng hạng như sự dịch chuyển của màng áp sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dạng áp hay dòng, từ diện tích mặt màng áp có thể tính ra áp lực.

Cấu tạo bên trong của cảm biến đo áp suất.

Có ba loại cảm biến áp suất phổ biến nhất là dạng cầu (strain gage based),  biến dung (variable capacitance), và áp biến (piezoelectric). Trong đó dạng cầu là phổ biến nhất (cầu Wheatstone) vì có độ chính xác, tổi thọ cao và chi phí thấp, dựa trên nguyên lý này ta có thể đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và chênh áp. Khi có áp lực tác động lên cầu Wheatstone, làm thay đổi điện trở dẫn đến điện áp thay đổi dạng mV, có nhiều loại cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu mV này để sử dụng, có loại sẽ chuyển đổi tín  hiệu này sang 4-20mA hoặc 0-10VDC thông qua bộ khuếch đại tích hợp.

Để hiểu rỏ thêm về cầu Wheatstone ta xem hình sau.

Khi có áp suất tác động lên màn áp, sự biến dạng làm thay đổi chiều dài, khi chiều dài thay đổi điện trở sẽ thay đổi theo. Nguyên lý này được dựa trên công thức:

R = p x l/s    trong đó p là hằng số biến trở tùy thuộc vật liệu, S là tiết diện, l là chiều dài.

Thông thường Cảm biến áp suất có ngõ ra là  4-20mA thì có hai dây ra, phải mắc nối tiếp với bộ nguồn qua thiết bị đo mới sử dụng được, tham khảo sơ đồ đấu nối bên dưới

Nguyên lý hoạt động 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.

Áp suất: ngồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …

Cảm biến: 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: 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 …

Cảm biến áp suất Siemens

Thông số chung cảm biến áp suất Keller và Siemens

– Dãy đo áp suất 0-10bar, 0-16bar, 0-6bar, 0-250bar, 0-400bar…

– Tín hiệu ngõ ra 4-20ma 2 dây

– Nhiệt độ chịu đựng 100oC – 120oC

– Nguồn cấp cảm biến 24VDC

– Kết nối ren ¼ inch hoặc ½ inch

Tùy vào từng loại cảm biến là cách thức hoạt động cũng khác nhau có đến hàng chục loại cảm biến, 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, … dạng phổ biến là dạng áp điện trở và kiểu điện dung

Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở

 

Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến dạng của cấu trúc màng ( khi có áp suất tác động đến) được chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó các phần tử áp điện trở.

Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị. Độ nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc, vị trí các áp điện trở trên màng.

Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với tác động của áp suất. Bốn điện trở được đặt tại 4 trung diểm của các cạnh màng, 2 cặp điện trở song song với màng và 2 cặp điện trở vuông góc với màng ( để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện trở này có chiều biến dạng trái ngược nhau ). Bốn điện trở trên được ghép lại tạo thành cầu Wheatsone.

Khi không có áp suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng, điện áp ngõ ra bằng 0. Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng , các giá trị điện trở thay đổi, cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc và độ biến dạng của màng, vì vậy bằng cách kiểm tra điện áp ngõ ra đó ta có thể tính toán được áp suất cần đo.

Cảm biến áp suất kiểu tụ

Loại này có nguyên lý hoạt động đơn giản hơn dự vào giá trị của điện dung để xác định áp suất. Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách của cực tụ.

Khi có áp suất tác động vào lớp màng làm lớp màng bị biến dạng đẩy bản cực lại gần với nhau hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thay đổi, dựa vào sự thay đổi điện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác định được áp suất cần đo.

Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất Kobold.

Cảm biến áp suất được thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu, thương hiệu tốt, độ chính xác và tuổi thọ cao, hoạt động ổn định, giá thành cạnh tranh, đó là những tiêu chí mà cảm biến có thể đạt được.

Thông số kỹ thuật cảm biến đo áp suất.

– Phạm vi lựa chọn: Áp suất âm (-1~1 bar), áp suất thường bao gồm nhiều phạm vi từ 0-600bar.

– Sai số chính xác: 1% F.S.

– Thời gian đáp ứng: <4ms.

– Nhiệt độ hoạt động: -20~80 độ C.

– Sensor element: Ceramic in AL2O3.

– Ngõ ra: hai dây 4-20mA, ba dây 0-10VDC, 0-5VDC, 1-5VDC.

– Nguồn cấp cho cảm biến: 8-30VDC.

– Vật liệu thân của cảm biến: inox 316 chịu áp lực 16 bar.

– Cấp độ bảo vệ chống kín nước và bụi: IP65

– Khối lượng cảm biến: 0.12kg.

– Kết nối cảm biến với ống: ren 1/4 hoặc ren 1/2 (NPT male).

Có sẵn cảm biến áp suất âm và các áp suất cao lên đến 600 bar. Ren kết nối  với ống là 1/2” – 21mm.

Nếu có sẵn lỗ ren nhỏ hơn hoặc thấp hơn thì ta có thể mua bộ chuyển ren, hiện nay trên thị trường có rất nhiều và dễ dàng tìm mua tại các tiệm ống nước.

Bảng lựa chọn phạm vi hoạt động.

Thông qua bộ điều khiển và hiển thị Shihlin mà chúng tôi đang cung cấp, chúng ta có thể điều khiển áp suất một cách chính xác thông qua chế độ PID, với chế độ On Off và HYS, chúng ta có thể cài đặt điều khiển máy nén khí tự động  bật khi áp suất thiếu và tự ngắt khi áp suất đủ.

Dễ dàng thay đổi các thông số qua các phím chức năng, tích hợp lên đến 2 alarm để cảnh báo và ngắt hệ thống khi áp suất quá cao hoặc quá thấp.

Sơ đồ kết nối Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất.

Cảm biến áp suất với hai loại ngõ ra analog áp Vdc và dòng mA.

Ngõ ra dòng 4-20mA (hai dây) hoặc ngõ ra áp (ba dây) 0-10VDC, 0-5vdc, 1-5vdc.

Nguồn cấp cực kỳ rộng và phổ thông:  8 đến 30VDC.

Hai dạng sơ đồ đấu nối với ngõ ra 0-10vdc hoặc 4-20mA.

Bảng thông số kỹ thuật ngõ ra của cảm biến.

Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất được trang bị bảo vệ ngược cực và chống ngắn mạch tạm thời, giúp cam bien do ap suat an toàn hơn trong quá trình đấu nối.

Thông số kích thước và dạng kết nối Cảm biến áp suất.

 

Nối dây dạng cắm vuông với ron kín nước viền xung quanh, giúp cảm biến đạt chống nước IP65 và nối ống ren 13 hoặc 21mm.

Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất có nhiệt độ hoạt động tối đa là 85 độ C. Thông thường khi sử dùng trong các đường ống hơi với nhiệt độ cao ta sử dụng ống xi phông để tản nhiệt, ngoài ra nhờ thiết kế dạng cong của ống, bảo vệ cho cảm biến không bị sóc áp khi sử dụng áp cao.

Phụ kiện giải nhiệt cho Cảm biến áp suất.

Được chúng tôi làm bằng tay, tích hợp những lá thép tản nhiệt trên một đường ống cong và dài, đảm bảo nhiệt độ khi đến Cảm biến áp suất là 50-60 độ C, với phụ kiện này ta có thể đo áp suất ở những nơi có nhiệt độ cao lên đến 200 độ C, sử dụng trong các lò hơi, hệ thống sấy thủy lực.

 

THIẾT BỊ ĐO ÁP SUẤT SIEMENS

Trong mọi điều kiện xử lí và môi trường làm việc, Siemens đều có các sản phẩm đo áp suất tương thích. Với độ chính xác cao, dãy đo tùy chọn rộng và đặc biệt có nhiều dòng sản phẩm để tương thích với các ứng dụng khác nhau. Siemens có các dòng thiết bị đo áp suất bảng giá tốt như sau:

Sitran P, series Z & ZD

Với thiết kế nhỏ gọn, toàn bộ thân cảm biến bằng thép không rỉ 316, độ chính xác cao 0.25%, nhiều dãy đo tùy chọn theo ứng dụng, tín hiệu ra 4-20 mA hoặc 0-10 V tuyến tính với dãy đo (cố định không hiệu chỉnh được dãy đo đối với Z và hiệu chỉnh được đối với ZD), dòng Sitran P Z & ZD có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Sitran P MPS.

MPS là thiết bị đo mức thả chìm, nó được ứng dụng đo mức của các bồn và bể chứa hay các giếng ngầm chứa các chất lỏng ăn mòn hoặc không ăn mòn.

Sitran P Compact

Sitran P Compact được thiết kế nhỏ gọn nó có các chức năng giốn Sitran P Z nhưng được thiết kế cho các ứng dụng trong ngành thực phẩm.

Sitran P P300

Sitran P P300 là dòng sản phẩm chất lượng cao. Với độ chính xác 0.075% và các chuẩn kết nối vệ sinh cũng như toàn bộ thân cảm biến bằng thép không rỉ, P 300 được thiết kế cho các ứng dụng đo áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối trong các ngành công nghiệp giấy, rượu bia & nước giải khát, ngành công nghiệp thực phẩm và ngành dược phẩm…

Sitran P DS III

Dòng sản phẩm DS III có thể sử dụng trong mọi ứng dụng công nghiệp từ đơn giản đến phức tạp nhất. Dòng DS III có các thiết bị đo áp suất tuyệt đối & tương đối, các thiết bị đo chênh lệch áp suất (chênh áp), các thiết bị đo mức bồn bằng nguyên lý áp suất và các thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý Orifice hay Venturi.

 

Xem thêm: Thiết bị H3

Xem thêm: Omron

Xem thêm: Mitsubishi

Xem thêm: Pro-Face

Xem thêm: Siemens

Xem thêm: Keyence