Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất là một thiết bị cảm nhận và đo lượng lực được tác dụng lên một bề mặt phẳng. Chúng cung cấp dữ liệu theo thời gian thực về trạng thái của thiết bị và hỗ trợ dự đoán hư hỏng thiết bị. Cảm biến áp suất đo các thay đổi vật lý được chuyển đổi thành tín hiệu điện, được truyền dưới dạng đầu ra analog hoặc kỹ thuật số.

Loại cảm biến áp suất phổ biến nhất là cảm biến biến dạng (strain gauge) đo áp suất bằng sự biến dạng hoặc dịch chuyển của vật liệu do ứng suất tác dụng. Cũng như tất cả các loại cảm biến áp suất, các giá trị đo từ sự biến dạng được chuyển đổi thành điện áp hoặc tín hiệu điện. Cường độ tín hiệu tăng hoặc giảm tùy thuộc vào áp suất được tác dụng.

Cảm biến áp suất được phân loại theo dải áp suất đo được, dải nhiệt độ hoặc loại áp suất. Các loại áp suất khác nhau bao gồm áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối (gauge), áp suất tương đối kín (sealed gauge) và áp suất chênh lệch. Giá trị hiển thị của đồng hồ áp suất được thể hiện dựa trên sự so sánh với một áp suất cố định, áp suất buồng, áp suất khí quyển hoặc sự chênh lệch giữa hai áp suất.

Các thiết bị tạo ra cùng loại giá trị đo như cảm biến áp suất bao gồm bộ chuyển đổi áp suất (pressure transducers), bộ hiển thị áp suất (pressure indicators) và bộ truyền áp suất (pressure transmitters), là những thuật ngữ thường được sử dụng cho cảm biến áp suất. Mỗi loại cảm biến áp suất đều phục vụ cùng một chức năng nhưng khác nhau về tín hiệu đầu ra, trong đó cảm biến áp suất tạo tín hiệu tương ứng với độ lớn áp suất. Bộ chuyển đổi áp suất chuyển đổi lực phát hiện được thành điện áp, trong khi bộ truyền áp suất chuyển đổi lực phát hiện được thành tín hiệu dòng điện tính bằng miliampe (mA) và bộ hiển thị áp suất hiển thị áp suất theo đơn vị pound trên inch vuông (psi).

Các loại đo áp suất

Mục đích của cảm biến áp suất là thông báo cho nhân viên về bất kỳ rủi ro nào liên quan đến một quá trình trước khi quá trình đó bị lỗi, để có thể thực hiện các biện pháp khắc phục. Có nhiều loại cảm biến áp suất dành cho sử dụng công nghiệp và y tế, cho phép người dùng lựa chọn cảm biến phù hợp với ứng dụng của họ.

Khi xem xét nhiều loại cảm biến áp suất, có thể khó tìm được loại lý tưởng cho một quy trình hoặc ứng dụng. Các nhà sản xuất cảm biến áp suất làm việc với khách hàng của họ bằng cách cung cấp hướng dẫn, tài liệu và chuyên môn để hỗ trợ quá trình lựa chọn. Bảy loại cảm biến áp suất được sử dụng phổ biến nhất là cảm biến áp suất áp kế aneroid, cảm biến áp suất manometer, cảm biến áp suất ống Bourdon, cảm biến áp suất chân không hoặc Pirani, cảm biến áp suất kín, cảm biến áp suất áp điện và cảm biến áp suất biến dạng (strain gauge).

Cảm biến áp suất là một phần quan trọng của hoạt động sản xuất. Chúng điều khiển và giám sát lưu lượng và tốc độ của khí và chất lỏng cũng như cung cấp phép đo độ cao và mức nước. Nhiều ứng dụng của cảm biến áp suất đã dẫn đến sự phát triển của nhiều loại khác nhau, khác biệt về công nghệ, thiết kế, hiệu suất, độ bền và chi phí.

Việc giám sát áp suất liên quan đến việc đo lượng lực mà khí hoặc chất lỏng tác dụng lên một bề mặt. Cảm biến áp suất là công cụ chuyên dụng được thiết kế để cung cấp dữ liệu về mức áp suất đang được tác dụng. Chúng được sử dụng để dự đoán khi nào một ứng dụng có thể bị lỗi bằng cách sử dụng dữ liệu theo thời gian thực.

Để hiểu các loại cảm biến áp suất khác nhau, điều quan trọng là phải biết các loại áp suất được đo. Các chế độ đo áp suất được phân loại thành áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối, áp suất chênh lệch, chân không và áp suất hỗn hợp, được phân loại theo áp suất so sánh hoặc áp suất tham chiếu.

Áp suất tuyệt đối

Phép đo áp suất tuyệt đối được thực hiện bằng cách so sánh áp suất mục tiêu với áp suất đã biết của chân không tuyệt đối. Việc sử dụng chân không làm cho tất cả các giá trị đo lớn hơn giá trị tham chiếu. Định luật Boyle phát biểu rằng áp suất của một chất khí tỷ lệ nghịch với thể tích của nó khi nhiệt độ không đổi. Do đó, phép đo của cảm biến áp suất tuyệt đối thay đổi theo nhiệt độ.

Các phép đo áp suất tuyệt đối độc lập với điều kiện khí quyển và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hoặc độ cao, và được ký hiệu là P_abs. Áp suất khí quyển là một ví dụ của áp suất tuyệt đối. Việc chế tạo cảm biến áp suất tuyệt đối yêu cầu phải làm kín chân không phía sau một màng cảm biến.

Áp suất chênh lệch

Cảm biến áp suất chênh lệch sử dụng hai điểm trong hệ thống để cung cấp giá trị đo. Chúng cung cấp các phép đo so sánh, chẳng hạn như trước và sau một van khi van đóng. Mục đích của cảm biến áp suất chênh lệch không phải là cung cấp giá trị áp suất mà là xác định xem có sự cố trong van, đường ống hoặc hệ thống hay không. Chúng có hai cổng được lắp vào hệ thống. Các giá trị đo từ cảm biến áp suất chênh lệch không liên quan đến áp suất khí quyển hoặc các yếu tố khác. Áp suất được đo xảy ra ở hai phía của một màng, nơi sự biến dạng của màng, dương hoặc âm, tạo ra sự chênh lệch áp suất. Chúng thường được sử dụng để bảo vệ bộ lọc khỏi hỏng hóc.

Áp suất tương đối

Áp suất tương đối, hay áp suất dư, là áp suất trong hệ thống cao hơn áp suất khí quyển và được lấy mốc bằng không so với áp suất không khí môi trường xung quanh. Giá trị đọc từ đồng hồ áp suất tương đối là áp suất do trọng lượng của khí quyển. Các phép đo áp suất tương đối thay đổi theo vị trí so với mực nước biển và điều kiện thời tiết. Áp suất tuyệt đối, sử dụng áp suất bằng không làm mốc tham chiếu, bằng áp suất khí quyển cộng với áp suất tương đối, hoặc áp suất tương đối bằng áp suất tuyệt đối trừ áp suất khí quyển.

Áp suất dư có hai dạng, bao gồm áp suất dư dương và áp suất dư âm. Áp suất dư dương xảy ra khi áp suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển. Khi điều ngược lại xảy ra, tức áp suất tuyệt đối thấp hơn áp suất khí quyển, thì được gọi là áp suất dư âm. Áp suất tương đối được đo bằng đơn vị pound trên inch vuông.

Áp suất chân không

Áp suất chân không thấp hơn áp suất khí quyển và được định nghĩa là không gian không chứa bất kỳ vật chất nào. Việc đo áp suất chân không liên quan đến việc xem xét lực tác dụng bởi chân không, nơi sự vắng mặt của không khí hoặc khí tạo ra điều kiện áp suất thấp. Các đồng hồ áp suất đo chân không đo sự chênh lệch giữa áp suất trên cảm biến và áp suất khí quyển. Bất kể độ chính xác và tính hữu ích của chúng, cảm biến áp suất chân không rất khó chế tạo do các vấn đề liên quan đến việc tạo ra môi trường chân không.

Các phép đo áp suất chân không có giá trị âm và thấp hơn giá trị áp suất khí quyển hoặc áp suất khí áp. Việc hiệu chuẩn ban đầu của cảm biến áp suất chân không dựa trên áp suất khí quyển. Các đơn vị được sử dụng để đo áp suất chân không bao gồm torr, Pascal (Pa), Bar và atmosphere (atm). Cảm biến áp suất chân không đo lực theo đơn vị inch.

Áp suất hỗn hợp

Áp suất hỗn hợp đo cả áp suất dương và áp suất âm hoặc chân không. Các đồng hồ đo áp suất hỗn hợp là sự kết hợp giữa cảm biến áp suất tương đối và cảm biến áp suất chân không. Mặt hiển thị của cảm biến áp suất hỗn hợp có các giá trị số dương và âm, với một dãy ở bên trái và một dãy ở bên phải, trong đó áp suất khí quyển được biểu thị bằng giá trị không. Việc sử dụng các cảm biến áp suất chuyên biệt cho các ứng dụng áp suất hỗn hợp có thể làm hỏng vĩnh viễn cảm biến. Cảm biến áp suất hỗn hợp kết hợp đơn vị psi và inch trong cùng một đồng hồ đo áp suất.

Đo áp suất

Các chuyên gia, kỹ sư, nhà vật lý và nhà thiết kế cảm biến áp suất có kiến thức toàn diện và đầy đủ về áp suất cũng như tầm quan trọng của việc kiểm soát áp suất đối với việc bảo vệ thiết bị và con người. Định nghĩa chung của áp suất là lực trên một đơn vị diện tích được tác dụng lên một bề mặt bởi khí, chất lỏng, hơi và nhiều loại môi chất khác, và được đo dưới dạng áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối hoặc áp suất chênh lệch.

Trước khi phát minh ra nhiều loại thiết bị cảm biến áp suất, áp suất được đo bằng cách sử dụng chất lỏng, như thủy ngân hoặc nước, được chứa trong các áp kế dạng ống chứa chất lỏng (manometer). Trong vật lý, ký hiệu của áp suất là chữ p, và đơn vị đo áp suất trong Hệ đo lường quốc tế (SI) là pascal (Pa), trong đó một pascal bằng một newton trên mét vuông. Các đơn vị đo khác bao gồm pound trên inch vuông (psi), torr và bar.

• Pound trên inch vuông (psi) – Psi biểu thị lượng lực tác dụng lên một inch vuông của vật liệu hoặc bề mặt. Nó thường được sử dụng tại Hoa Kỳ để đo khí, chất lỏng và độ bền của nhiều loại vật liệu. Một psi có thể được định nghĩa là một pound lực tác dụng lên một inch vuông.
• Bar – Bar là một phần của hệ mét và được sử dụng rộng rãi tại châu Âu để đo áp suất, trong đó một bar bằng 100.000 pascal. Một bar gần tương đương với áp suất khí quyển, với 1 bar thường được sử dụng để biểu thị áp suất khí quyển thay vì dùng 101.325 pascal là giá trị chính xác. Giá trị bar có thể được chuyển đổi sang các hệ đo áp suất khác bằng nhiều công thức khác nhau.
• Torr – Torr là một đơn vị áp suất không thuộc SI. Nó bằng 1/760 áp suất khí quyển, tương đương 1 milimét thủy ngân (mmHg) trên áp kế và 133,3223 pascal. Việc sử dụng torr lần đầu liên quan đến sự ra đời của áp kế thủy ngân đầu tiên.

Trong hầu hết các trường hợp, khách hàng lựa chọn cảm biến áp suất đều có chuyên gia hiểu rõ các loại đơn vị đo áp suất khác nhau. Điều quan trọng là khi làm việc với các nhà sản xuất cảm biến áp suất cần có kiến thức cơ bản về các đơn vị áp suất để họ có thể cung cấp thiết bị đo áp suất phù hợp cho ứng dụng.

System of Units
SI	MKSA	English
bar	kg/cm²	lbf/in² = psi
mbar	m H₂0	psia
Pa	cm H₂0	psid
kPa	mm Hg	psis
Mpa	torr	in H₂0
N/m²		ft H₂0
		in Hg

Nguyên lý cảm biến áp suất

Nguyên lý cảm biến của một cảm biến áp suất ảnh hưởng đến độ chính xác, hiệu suất, độ tin cậy, dải đo và khả năng tương thích với môi trường làm việc. Sự dịch chuyển cơ học bên trong cảm biến áp suất cung cấp giá trị đo áp suất cho thiết bị bên ngoài thông qua việc chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các loại cảm biến áp suất được phân biệt theo nguyên lý đo, bao gồm điện trở, áp điện, điện dung, cảm ứng, phần tử Hall và MEMS.

• Cảm biến áp suất điện trở (Resistive) – Cảm biến áp suất điện trở dựa trên điện trở của cảm biến biến dạng (strain gauge) gắn trên màng của cảm biến để tạo ra giá trị đo.
• Cảm biến áp suất điện dung (Capacitive) – Cảm biến áp suất điện dung thể hiện sự thay đổi điện dung khi một bản trong cảm biến bị lệch khi áp suất được tác dụng. Đây là loại cảm biến có độ nhạy cao có thể đo áp suất dưới 10 mbar và chịu được quá tải.
• Cảm biến áp suất áp điện (Piezoelectric) – Cảm biến áp suất áp điện sử dụng vật liệu tinh thể tạo ra điện tích trên bề mặt tỷ lệ với lực tác dụng. Điện tích sinh ra thay đổi nhanh cho phép cảm biến áp điện đo áp suất động.
• Cảm biến áp suất quang học (Optical) – Cảm biến áp suất quang học sử dụng giao thoa kế, sự giao thoa của sóng, để thực hiện phép đo khi áp suất gây ra thay đổi trong sợi quang. Giá trị đo từ cảm biến áp suất quang học không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trong môi trường nhiễu hoặc thiết bị chụp X-quang.
• Công nghệ hệ vi cơ điện tử (MEMS) – Cảm biến MEMS sử dụng hệ thống cảm biến áp suất áp điện hoặc điện dung được chế tạo từ silicon. Các mạch điện tử chuyển đổi tín hiệu điện MEMS có biên độ nhỏ thành tín hiệu đầu ra.

Các loại cảm biến áp suất

Có một danh sách rất dài các dạng, hình dạng, loại, thiết kế và chủng loại cảm biến áp suất khác nhau, trong đó một số phiên bản được phát triển để phục vụ cho một ngành công nghiệp hoặc ứng dụng cụ thể. Các nhà sản xuất làm việc chặt chẽ với khách hàng để tìm ra cảm biến áp suất đáp ứng hoàn hảo nhu cầu của họ. Điều này đặc biệt đúng trong các tình huống quan trọng, nơi việc giám sát áp suất chính xác quyết định chất lượng sản phẩm hoặc sự thành công của một ứng dụng.

Tất cả cảm biến áp suất đều dựa trên cùng một nguyên lý hoạt động cơ bản để đo sự thay đổi áp suất. Khi một cảm biến áp suất đo được bất kỳ thay đổi vật lý nào, nó sẽ chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu điện được hiển thị dưới dạng thông tin số.

Cảm biến áp suất là một trong ba loại thiết bị đo áp suất. Bộ chuyển đổi áp suất (pressure transducers) và bộ truyền áp suất (pressure transmitters) là hai loại còn lại, khác nhau ở cách chúng truyền dữ liệu và phương pháp hiển thị dữ liệu. Cả ba loại đều rất cần thiết cho hoạt động công nghiệp liên quan đến việc giám sát và báo cáo giá trị áp suất.

Các loại cảm biến áp suất được phân loại theo áp suất mà chúng đo và cơ chế cảm biến của chúng. Một yếu tố quan trọng trong quá trình lựa chọn loại cảm biến áp suất là loại môi chất cần giám sát. Cảm biến áp suất cho các quy trình hóa học cần có khả năng chịu được tác động của việc tiếp xúc với môi chất ăn mòn, chẳng hạn như axit hoặc kiềm. Tất cả các dạng cảm biến áp suất đều có thể được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu làm việc với các chất ăn mòn.

Cảm biến áp suất ống Bourdon

Cảm biến áp suất ống Bourdon là một dạng cảm biến áp suất cơ khí sử dụng ống xoắn hình chữ C làm phần tử cảm biến. Chuyển động vật lý của ống làm kim chỉ di chuyển dọc theo thang đo được gắn ở đầu kín của ống. Các giá trị số được kim chỉ ra là mức áp suất đang được tác dụng. Áp suất cần đo đi vào ống tại đầu mở của nó. Khi mức áp suất tăng lên, ống sẽ giãn ra và bắt đầu duỗi thẳng cho đến khi áp suất đạt đến mức giới hạn đàn hồi của ống.

Các loại áp suất mà ống Bourdon đo bao gồm áp suất tương đối và áp suất chênh lệch. Cảm biến áp suất ống Bourdon có độ bền cao, chắc chắn, chi phí thấp và tuổi thọ tốt. Chúng có khả năng cung cấp giá trị đo chính xác cho các ứng dụng áp suất cao. Nhược điểm của cảm biến áp suất ống Bourdon là dễ bị ảnh hưởng bởi va đập và rung động do cơ cấu cơ khí đơn giản. Yếu tố này hạn chế việc sử dụng và độ chính xác của chúng trong các ứng dụng áp suất thấp.

Cảm biến áp suất Pirani

Cảm biến áp suất Pirani được sử dụng để đo dải áp suất chân không thấp. Còn được gọi là đồng hồ hoặc cảm biến truyền nhiệt, cảm biến áp suất Pirani là một loại cảm biến dẫn nhiệt đo tốc độ truyền nhiệt như một hàm của số lượng phân tử khí trong hệ thống chân không. Chúng có một dây nung nóng hoặc màng mỏng được gia nhiệt bằng mạch cầu. Khi nhiệt độ tăng lên, mật độ phân tử khí trong cảm biến thay đổi, ảnh hưởng đến phần tử gia nhiệt. Lượng nhiệt hoặc năng lượng mất đi của phần tử gia nhiệt phụ thuộc vào áp suất chân không, có thể được chuyển đổi thành giá trị áp suất.

Độ chính xác của mạch cầu trong việc duy trì kiểm soát nhiệt độ của cảm biến đảm bảo độ chính xác của phép đo áp suất. Loại mạch cầu phổ biến nhất được sử dụng với cảm biến áp suất Pirani là mạch cầu Wheatstone. Cảm biến áp suất Pirani đáng tin cậy và ít gặp sự cố. Chúng có thể cung cấp nhiều năm đo chính xác nhờ cấu trúc không có bộ phận chuyển động. Hiển thị đầu ra bao gồm giá trị analog và kỹ thuật số, được cung cấp nhanh chóng và phản hồi rất nhạy với sự thay đổi áp suất trong hệ thống chân không.

Cảm biến áp suất áp điện

Cảm biến áp suất áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện để đo sự thay đổi áp suất, gia tốc, nhiệt độ, biến dạng và lực. Hiệu ứng áp điện được tạo ra khi ứng suất cơ học được tác dụng lên các vật liệu cụ thể. Khi hoạt động như cảm biến áp suất, cảm biến áp suất áp điện đo điện áp được tạo ra trên phần tử áp điện khi áp suất được tác dụng lên nó.

Phần tử đo của cảm biến áp suất áp điện là một tinh thể, khi chịu hiệu ứng áp điện sẽ tạo ra điện tích tỷ lệ với áp suất được tác dụng. Điện tích được tạo ra sẽ gửi tín hiệu điện áp được xử lý bởi một dạng hệ thống dữ liệu.

Mạch điện tử của cảm biến áp suất áp điện khác nhau tùy theo cách chúng được kết nối với cảm biến. Các điện tích được cấp bởi thiết bị bên ngoài hoặc bộ khuếch đại điện tích được gọi là cảm biến áp suất áp điện đầu ra điện tích. Khi mạch điện tử được tích hợp bên trong vỏ cảm biến, chúng được gọi là cảm biến áp suất áp điện đầu ra điện áp.

Cảm biến áp suất áp điện được sử dụng để đo áp suất động trong các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh và độ bền cao. Do cảm biến áp suất áp điện rất nhạy, chúng lý tưởng cho các ứng dụng y tế yêu cầu độ nhạy và độ chính xác cao. Độ bền của cảm biến áp suất áp điện cho phép chúng được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt và yêu cầu cao.

Cảm biến áp suất biến dạng (Strain Gauge)

Cảm biến áp suất biến dạng là một trong những dạng thiết bị đo áp suất phổ biến nhất. Chúng cung cấp dữ liệu áp suất bằng cách sử dụng sự giãn nở hoặc co lại của một lò xo được gắn trên lá điện trở. Khi lực được tác dụng, phần tử lò xo sẽ biến dạng. Khi có sự thay đổi áp suất, điện trở dao động tạo ra giá trị điện áp được ghi nhận dưới dạng tín hiệu điện, sau đó được chuyển đổi thành giá trị áp suất.

Nguyên lý cơ bản của strain gauge dựa trên định nghĩa của biến dạng, là phản ứng khi có lực tác dụng. Khi một vật liệu cố định chịu lực, kết quả là ứng suất và biến dạng, trong đó ứng suất là lực chống lại bên trong còn biến dạng là sự dịch chuyển và biến dạng hình học. Một đặc điểm riêng của strain gauge là khả năng phát hiện sự giãn nở và co lại, đây là một trong những lý do cho việc sử dụng rộng rãi của chúng.

Cảm biến áp suất strain gauge dạng lá điện trở là loại phổ biến nhất và được gọi là loại truyền thống. Mặc dù cảm biến strain gauge dạng lá được sử dụng rộng rãi, vẫn có nhiều loại strain gauge khác. Tất cả các dạng đều sử dụng mạch cầu Wheatstone để tính toán sự thay đổi điện trở. Các loại cảm biến áp suất strain gauge khác bao gồm cầu một phần tư (quarter bridge), rosette strain gauge và điện trở áp (piezoresistor), mỗi loại có phương pháp đo biến dạng riêng biệt.

Cảm biến áp suất Manometer

Cảm biến áp suất manometer hoạt động dựa trên nguyên lý dịch chuyển chất lỏng sử dụng ống hình chữ U. Khi áp suất được tác dụng vào một đầu của ống, chất lỏng ở đầu còn lại sẽ di chuyển. Sự chênh lệch giữa mức chất lỏng ở hai đầu là giá trị đo của áp suất được tác dụng. Cảm biến áp suất manometer là một trong những dạng thiết bị đo áp suất lâu đời nhất. Chúng là dạng cảm biến áp suất đơn giản và cung cấp giá trị đo có độ chính xác trung bình, bị ảnh hưởng bởi sự dao động nhiệt độ, khả năng đọc thang đo và loại chất lỏng trong ống. Cảm biến áp suất manometer được sử dụng trong các ứng dụng áp suất thấp đến trung bình.

Mặc dù cảm biến áp suất manometer bền và đáng tin cậy, chúng dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết khắc nghiệt và các yếu tố môi trường khác. Sự đơn giản của manometer giúp chúng có chi phí thấp và ít bảo trì. Manometer cần được hiệu chuẩn lại định kỳ, điều này giúp kéo dài thời gian sử dụng. Việc đo của cảm biến áp suất manometer là hàm của trọng lực và mật độ chất lỏng.

Cảm biến áp suất khí áp kế aneroid

Cảm biến áp suất khí áp kế aneroid sử dụng sự biến dạng của một buồng kim loại chân không một phần để đo áp suất. Khi áp suất khí quyển tác dụng lên buồng chân không, nó sẽ bị nén lại. Khi áp suất khí quyển giảm, buồng chân không sẽ giãn ra. Buồng chân không được kết nối với các đòn bẩy và cơ cấu lò xo gắn với kim chỉ.

Khi buồng chân không giãn ra hoặc co lại, nó làm dịch chuyển đòn bẩy quay lò xo gắn với kim để hiển thị giá trị áp suất. Độ chính xác của giá trị đo phụ thuộc vào kích thước buồng, trong đó buồng lớn hơn sẽ cung cấp độ chính xác cao hơn.

Các khí áp kế ban đầu sử dụng chất lỏng để ghi nhận sự thay đổi áp suất. Cảm biến áp suất khí áp kế aneroid, không sử dụng chất lỏng, được giới thiệu vào năm 1844 và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hiện đại. Hình dạng và cấu tạo của cảm biến áp suất khí áp kế aneroid tương tự các phiên bản cũ hơn nhưng có tích hợp công nghệ hệ vi cơ điện tử (MEMS). Các cảm biến áp suất khí áp kế aneroid hiện đại nhỏ hơn, gọn hơn và có thể tích hợp vào bất kỳ hệ thống nào.

Cảm biến áp suất kín

Cảm biến áp suất kín đo áp suất bằng cách sử dụng áp suất khí quyển làm áp suất tham chiếu. Chúng kết hợp áp suất tương đối với các phần tử cảm biến được làm kín. Áp suất tham chiếu cho cảm biến áp suất kín là áp suất khí quyển được giữ lại phía sau màng cảm biến, ở mức 14,7 psi hoặc áp suất mực nước biển. Cảm biến áp suất kín được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu dải áp suất cao và nhiệt độ ổn định, nơi không có đường thông hơi.

Một số ứng dụng của cảm biến áp suất không thể cung cấp đường thông hơi, chẳng hạn như thiết bị ngâm nước. Các điều kiện không có đường thông hơi phụ thuộc vào cảm biến áp suất kín để cung cấp giá trị đo chính xác. Mặc dù cảm biến áp suất kín có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chúng chủ yếu được sử dụng cho dải áp suất cao với tham chiếu áp suất kín. Việc sử dụng chúng cho dải thấp bị hạn chế trong thời gian ngắn khi có sự thay đổi áp suất tối thiểu.

Câu hỏi thường gặp

Cảm biến áp suất là gì và hoạt động như thế nào?
Cảm biến áp suất là một thiết bị phát hiện và đo lực tác dụng lên một bề mặt. Nó chuyển đổi các thay đổi vật lý này thành tín hiệu điện, cung cấp đầu ra analog hoặc kỹ thuật số biểu thị độ lớn của áp suất được tác dụng.

Các loại đo áp suất chính là gì?
Các loại áp suất chính được đo bao gồm áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối, áp suất chênh lệch, áp suất chân không và áp suất hỗn hợp. Mỗi loại sử dụng một điểm tham chiếu riêng, chẳng hạn như áp suất khí quyển, chân không tuyệt đối hoặc áp suất so sánh trong hệ thống.

Những nguyên lý cảm biến nào được sử dụng trong cảm biến áp suất?
Cảm biến áp suất sử dụng nhiều nguyên lý đo khác nhau: điện trở, điện dung, áp điện, quang học, cảm ứng, phần tử Hall và MEMS. Mỗi nguyên lý ảnh hưởng đến độ chính xác, dải đo và mức độ phù hợp của cảm biến với các môi trường cụ thể.

Các ứng dụng chính cho các loại cảm biến áp suất khác nhau là gì?
Cảm biến áp suất rất quan trọng đối với các quy trình sản xuất, y tế và công nghiệp. Chúng giám sát lưu lượng khí và chất lỏng, cung cấp phép đo độ cao và mức nước, đồng thời đóng vai trò thiết yếu trong việc dự đoán hư hỏng thiết bị và duy trì vận hành an toàn.

Những đơn vị nào thường được sử dụng để đo áp suất tại Hoa Kỳ và quốc tế?
Tại Hoa Kỳ, áp suất thường được đo bằng psi, bar hoặc millibar. Các tiêu chuẩn quốc tế sử dụng các đơn vị như Pascal (Pa), bar, torr và atmosphere (atm), tùy thuộc vào ứng dụng và quy ước khu vực.

Cảm biến áp suất kín là gì và khi nào nên sử dụng?
Cảm biến áp suất kín sử dụng áp suất khí quyển được giữ lại làm áp suất tham chiếu và phù hợp cho các ứng dụng áp suất cao hoặc môi trường không thể thông hơi, chẳng hạn như thiết bị ngâm nước hoặc hệ thống không có lỗ thông hơi.

Vật liệu mà cảm biến áp suất giám sát

Với sự phát triển của công nghệ, cảm biến áp suất đã được sử dụng rộng rãi hơn trong nhiều ngành công nghiệp. Được sử dụng như thiết bị giám sát, biện pháp an toàn và kiểm soát quy trình, cảm biến áp suất cung cấp thông tin đáng tin cậy và chính xác về đặc tính của các vật liệu khác nhau. Loại cảm biến áp suất được sử dụng cho một ứng dụng phụ thuộc một phần vào vật liệu cần được giám sát.

Áp suất không khí

Không khí nén có nhiều mục đích từ việc duy trì áp suất lốp đến các bình chứa của máy nén. Cảm biến áp suất không khí hỗ trợ trong việc áp dụng không khí cho các quy trình khác nhau. Chúng cho biết mức áp suất không khí đã được áp dụng. Việc hiểu áp suất không khí giúp xác định lưu lượng khí cho dụng cụ, hỗ trợ hô hấp, phun cát và van. Các loại cảm biến áp suất không khí bao gồm áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất chênh lệch.

Áp suất khí

Cảm biến áp suất khí được thiết kế để đo sự thay đổi áp suất nhanh bằng cách sử dụng dòng điện để cung cấp tín hiệu phản hồi. Các loại cảm biến áp suất khí bao gồm đầy đủ các dạng cảm biến áp suất từ cảm biến áp suất tương đối và cảm biến áp suất kín đến cảm biến áp suất chân không và cảm biến áp suất chênh lệch. Sự khác biệt giữa các loại cảm biến khí nằm ở mức độ phù hợp với ứng dụng, chi phí, tiến bộ công nghệ, kích thước vật lý, đầu nối và loại kết nối quá trình.

Phạm vi làm việc của cảm biến áp suất khí được xác định bằng kilopascal, atmosphere hoặc milimét thủy ngân. Ngoài ra, chúng có thời gian phản hồi khác nhau và hoạt động ở các mức nhiệt độ khác nhau.

Áp suất nước

Cảm biến áp suất nước được sử dụng để đo mức nước trong bồn và tốc độ thay đổi mức nước. Chúng được đặt trên một ống đầu hở được nhúng trong bồn. Khi mức nước thay đổi, không khí trong ống bị nén, làm tăng áp suất lên cảm biến. Bộ chuyển đổi analog chuyển tín hiệu từ cảm biến thành giá trị kỹ thuật số. Cảm biến áp suất nước cũng được sử dụng để giám sát áp suất trong đường ống của hệ thống phân phối nước.

Cảm biến áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất chênh lệch được sử dụng để đo áp suất nước. Hầu hết cảm biến nước có màng làm bằng silicon và sử dụng strain gauge để đo điện trở từ lực tác dụng của nước. Các đặc điểm chính của cảm biến áp suất nước là khả năng chống rung và chống ẩm.

Áp suất chất lỏng nhớt

Hầu hết các cảm biến áp suất có khả năng đo nhiều loại chất lỏng, khí, nước và không khí. Chất lỏng nhớt yêu cầu một loại cảm biến đặc biệt có thể đo nhựa nóng chảy, bột giấy, bitum, cao su, nhựa đường, dầu thô và bùn. Hai phương pháp đo áp suất chất lỏng nhớt là áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối. Cảm biến áp suất tuyệt đối được sử dụng vì đo áp suất so với giá trị tham chiếu cố định. Cảm biến áp suất tương đối sử dụng áp suất khí quyển xung quanh làm tham chiếu.

Hầu hết cảm biến áp suất có một lỗ thông nhỏ cho phép chất lỏng đi vào và tác động lên màng. Cấu trúc như vậy không phù hợp với chất lỏng nhớt do tốc độ dòng chảy thấp và xu hướng đông đặc. Để khắc phục khó khăn này, cảm biến áp suất chất lỏng nhớt có thiết kế mở phẳng hơn với màng phẳng (flush diaphragm) để cho phép chất lỏng chảy tự do. Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến áp suất chất lỏng nhớt có thiết kế mở, giúp việc vệ sinh dễ dàng hơn.

Chất lỏng ăn mòn

Giống như cảm biến áp suất cho chất lỏng nhớt, cảm biến áp suất cho vật liệu ăn mòn phải được thiết kế đặc biệt để chịu được tác động của các chất lỏng này. Các chất ăn mòn có khả năng phá hủy các vật liệu khác, kim loại và hợp chất hữu cơ. Cũng như đối với chất lỏng nhớt, cảm biến áp suất cho chất lỏng ăn mòn là cảm biến áp suất tuyệt đối và cảm biến áp suất tương đối. Màng cho chất lỏng ăn mòn được làm từ vật liệu gốm đàn hồi, hoạt động như một cảm biến biến dạng bán dẫn. Khi vật liệu ăn mòn làm thay đổi hình dạng của màng gốm, cấu trúc tinh thể áp điện bị biến dạng do điện trở thay đổi.

Vỏ của cảm biến áp suất chất lỏng ăn mòn được làm từ thép không gỉ hoặc nhựa có độ bền cao như PVC hoặc PPS. Nhiều cảm biến áp suất cho chất lỏng ăn mòn được bù nhiệt để ngăn giá trị đo bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi chất.

Áp suất thủy lực và khí nén

Một ứng dụng phổ biến và cần thiết của cảm biến áp suất là giám sát chất lỏng khí nén và thủy lực, vốn rất quan trọng đối với hoạt động của thiết bị sản xuất. Cảm biến áp suất cho chất lỏng thủy lực và khí nén là cảm biến áp suất chênh lệch hoặc áp suất tuyệt đối. Màng của cảm biến áp suất khí nén và thủy lực được làm từ silicon và gắn với strain gauge.

Bộ chuyển đổi áp suất, bộ truyền áp suất và cảm biến áp suất

Các thuật ngữ cảm biến áp suất (pressure sensor), bộ chuyển đổi áp suất (pressure transducer) và bộ truyền áp suất (pressure transmitter) thường được sử dụng thay thế cho nhau. Mặc dù chúng có chức năng tương tự, chúng có những khác biệt nhỏ. Yếu tố phân biệt ba loại này là tín hiệu đầu ra của chúng. Cả ba loại đều đo lực được phát hiện và chuyển đổi tín hiệu ghi nhận thành dữ liệu có thể đọc được.

Bộ chuyển đổi áp suất (Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất là thiết bị điện cơ đo áp suất tác dụng và tạo ra tín hiệu điện bằng cách sử dụng các thành phần cơ khí và điện. Chúng chuyển đổi lực phát hiện được thành tín hiệu điện áp liên tục. Ba loại đầu ra của bộ chuyển đổi áp suất là millivolt, điện áp khuếch đại và 4-20mA, trong đó đầu ra phổ biến nhất là điện áp và miliampe.

Đầu ra của bộ chuyển đổi áp suất có mối quan hệ cụ thể với đại lượng đầu vào. Chúng có phản ứng vật lý bên trong phần tử cảm biến. Bộ chuyển đổi áp suất có khả năng xử lý điều hòa tín hiệu, cho phép truyền dữ liệu đi khoảng cách xa.

Bộ truyền áp suất (Pressure Transmitter)

Bộ truyền áp suất hoạt động tương tự như bộ chuyển đổi áp suất. Sự khác biệt giữa chúng là loại đầu ra. Bộ chuyển đổi áp suất xuất tín hiệu điện áp trong khi bộ truyền áp suất xuất tín hiệu dòng điện tính bằng miliampe qua tải có trở kháng thấp. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng xử lý quy mô lớn như nhà máy hóa chất, sản xuất thực phẩm và đồ uống, và phát điện. Bộ truyền áp suất là lựa chọn ưu tiên để truyền tín hiệu đi khoảng cách xa.

Cảm biến áp suất (Pressure Sensors)

Trong nhiều trường hợp, cảm biến áp suất được sử dụng như thuật ngữ chung để mô tả bộ chuyển đổi áp suất và bộ truyền áp suất. Quá trình được sử dụng bởi bộ chuyển đổi áp suất và bộ truyền áp suất chuyển đổi lực phát hiện được thành các mức điện áp khác nhau. Cảm biến áp suất cảm nhận lực và tạo ra tín hiệu đầu ra millivolt tương ứng với độ lớn của lực tác dụng. Chúng tạo ra phản ứng vật lý với áp suất bằng cách sử dụng mô-đun cảm biến.

Cảm biến áp suất có đầu ra millivolt và có thể được sử dụng cách thiết bị điện tử từ mười đến hai mươi feet mà không bị mất tín hiệu. Tín hiệu millivolt mang lại cho các nhà thiết kế sự linh hoạt hơn.

Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn cảm biến áp suất

Cách tốt nhất để lựa chọn cảm biến áp suất là trao đổi với chuyên gia về cảm biến áp suất, người có thể trình bày các loại cảm biến khác nhau và đặc điểm của chúng. Trong nhiều trường hợp, quá trình lựa chọn bao gồm thảo luận về môi chất, ứng dụng và môi trường nơi cảm biến áp suất sẽ được sử dụng. Đại diện nhà sản xuất sử dụng dữ liệu thu thập được để chọn cảm biến phù hợp cho ứng dụng và giúp tránh các quyết định mua sai hoặc không cần thiết.

Ứng dụng
Trong các câu hỏi được xem xét khi thảo luận về cảm biến áp suất, quan trọng nhất là ứng dụng mà cảm biến sẽ được sử dụng. Việc hiểu đầy đủ ứng dụng giúp xác định các yêu cầu sẽ đặt lên cảm biến áp suất. Yếu tố chính cần xem xét là mức độ chuyên biệt của ứng dụng, chẳng hạn như phòng sạch và điều kiện vệ sinh cực cao.

Môi chất
Mỗi loại môi chất yêu cầu một loại cảm biến áp suất nhất định. Trong ngành thực phẩm và đồ uống, yêu cầu về độ sạch và điều kiện vệ sinh là bắt buộc. Chất lỏng nhớt và ăn mòn là những môi chất có thể làm tắc cảm biến áp suất thông thường. Các nhà sản xuất cung cấp nhiều giải pháp cảm biến áp suất có thể đáp ứng yêu cầu của mọi loại môi chất. Làm việc với nhà sản xuất và xác định loại môi chất giúp đảm bảo lựa chọn đúng cảm biến cho quy trình.

Độ chính xác
Một yếu tố rõ ràng khi lựa chọn cảm biến áp suất là độ chính xác, điều có vẻ rất quan trọng đối với thiết bị công nghiệp. Mặc dù độ chính xác quan trọng, nhưng không phải ứng dụng nào cũng yêu cầu mức độ chính xác cao. Các ứng dụng khác nhau cần các mức độ chính xác khác nhau. Hệ thống lạnh và HVAC không yêu cầu mức độ chính xác như bệ thử nghiệm, hiệu chuẩn và phòng thí nghiệm. Độ nhạy có liên quan đến độ chính xác về khả năng phát hiện các thay đổi nhỏ, là yếu tố quan trọng trong cảm biến áp suất y tế.

Môi trường
Mức độ khắc nghiệt của môi trường công nghiệp có thể đóng vai trò lớn trong độ tin cậy của cảm biến áp suất. Nhiệt độ môi trường làm việc ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến. Môi trường khắc nghiệt yêu cầu cảm biến phải tương thích hóa học và chịu được thay đổi nhiệt độ. Các cảm biến cần chịu được môi trường cực đoan về nhiệt độ, rung động, va đập và môi chất được thiết kế đặc biệt và có chi phí cao. Các điều kiện ảnh hưởng đến cảm biến bao gồm độ ẩm và tính axit, môi trường dễ cháy nổ, bụi bẩn và trường điện từ.

Chi phí
Trong bất kỳ doanh nghiệp hoặc ngành công nghiệp nào, yếu tố đầu tiên được xem xét khi mua thiết bị mới là chi phí. Mặc dù điều này cũng quan trọng đối với cảm biến áp suất, các yếu tố nêu trên thường được ưu tiên hơn do tầm quan trọng của việc đo áp suất chính xác. Cảm biến áp suất cho các ứng dụng đặc biệt và khắc nghiệt có chi phí cao hơn cảm biến truyền thống. Khi các tiến bộ công nghệ được tích hợp vào cảm biến, chi phí sẽ tăng cùng với độ bền và độ chính xác được cải thiện.

Năm yếu tố nêu trên là một số xem xét cơ bản mà khách hàng cần đánh giá khi mua cảm biến áp suất. Các nhà sản xuất và chuyên gia khác nhau có quan điểm riêng về các yếu tố cần xem xét, chẳng hạn như dải áp suất, tính di động, khả năng cấu hình, độ ổn định, cấu trúc của cảm biến và vật liệu, cũng như áp suất tham chiếu. Trong số nhiều yếu tố cần cân nhắc khi chọn cảm biến áp suất, lựa chọn tốt nhất là tìm kiếm sự tư vấn từ nhà sản xuất cảm biến có kinh nghiệm, người có thể sử dụng chuyên môn của họ để cung cấp cảm biến phù hợp với chi phí hợp lý.

Kết luận

Cảm biến áp suất đo lượng lực tác dụng lên một khu vực hoặc bề mặt cụ thể. Chúng được sử dụng cho mục đích bảo trì và giám sát ứng dụng.
Mục đích của cảm biến áp suất là đo sự thay đổi xảy ra khi áp suất được tác dụng. Lượng thay đổi vật lý được chuyển đổi thành tín hiệu điện hiển thị trên đồng hồ hoặc màn hình.
Việc giám sát áp suất là một khía cạnh thiết yếu của công nghệ hiện đại. Các loại áp suất khác nhau bao gồm áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối, áp suất kín và áp suất chênh lệch, được đo bằng các loại cảm biến áp suất cụ thể.
Ngoài việc thu thập và hiển thị dữ liệu áp suất, cảm biến áp suất có thể được tích hợp vào hệ thống để gửi giá trị áp suất đến hệ thống quản lý bảo trì bằng máy tính (CMMS), sử dụng phần mềm để hỗ trợ tổ chức và bảo trì thiết bị, tài sản và cơ sở hạ tầng.
Cảm biến áp suất được sử dụng trong dự báo thời tiết, kiểm tra khí thải, kiểm soát ô nhiễm và hệ thống quản lý gió. Các phép đo nhạy do cảm biến áp suất cung cấp giúp duy trì quy trình sản xuất và cung cấp quản lý lưu lượng không khí chính xác cho phòng sạch.