Bộ chuyển đổi áp suất: Các loại, Ứng dụng, Nguyên lý hoạt động và Lợi ích

Hiểu về Bộ Chuyển Đổi Áp Suất

Bộ chuyển đổi áp suất là một thiết bị chuyên dụng chuyển đổi áp suất tác động — một đại lượng có thể đo được — thành tín hiệu điện có thể được chuẩn hóa và đo lường chính xác cho các ứng dụng công nghiệp. Tín hiệu điện này tỷ lệ thuận trực tiếp với áp suất mà bộ chuyển đổi chịu tác động.

Các Thành Phần Chính của Bộ Chuyển Đổi Áp Suất

Có hai phần thiết yếu của một bộ chuyển đổi áp suất: vật liệu đàn hồi và cơ cấu điện. Dưới đây là tổng quan ngắn gọn về chức năng của từng phần.

Vật Liệu Đàn Hồi

Độ đàn hồi được sử dụng trong các bộ chuyển đổi áp suất có thể khác nhau về hình dạng và kích thước, được lựa chọn dựa trên loại áp suất và kỹ thuật cảm biến. Chức năng chính của vật liệu này là biến dạng dưới tác động của áp suất, cho phép thiết bị điện gắn kèm đo được sự biến dạng đó.

Thông thường, phần đàn hồi của bộ chuyển đổi áp suất được thiết kế dưới dạng màng (diaphragm), được chế tạo từ các vật liệu như đĩa kim loại tròn, cao su, nhựa hoặc da. Màng có thể có dạng tròn, phẳng hoặc dạng gân sóng. Các phần tử này đặc biệt có lợi trong môi trường ăn mòn khắc nghiệt hoặc trong các hệ thống thường xuyên xảy ra tình trạng quá áp.

Thiết Bị Điện

Cơ cấu điện trong bộ chuyển đổi áp suất phát hiện sự biến dạng của vật liệu đàn hồi và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Quá trình này có thể sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau, chẳng hạn như phương pháp điện trở, điện dung hoặc cảm ứng.

Hiệu chuẩn đúng cách là yếu tố then chốt để đạt được đầu ra chính xác từ các bộ chuyển đổi áp suất. Các thiết bị này nên được sử dụng một cách phù hợp với các yếu tố sau:

• Nhiệt độ làm việc của bộ chuyển đổi áp suất
• Áp suất tham chiếu của bộ chuyển đổi
• Các trường điện và từ hiện có
• Sự hiện diện của rung động cơ học

Khi lựa chọn bộ chuyển đổi áp suất phù hợp nhất cho ứng dụng của bạn, hãy xem xét các thông số sau:

• Độ nhạy áp suất
• Dải đo
• Đáp ứng tần số hoặc tần số cộng hưởng
• Độ nhạy đối với gia tốc

Các loại áp suất tham chiếu khác nhau ảnh hưởng đến bộ chuyển đổi áp suất như thế nào?

Áp suất có thể được đo và tham chiếu theo nhiều cách khác nhau. Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, HVAC, điều khiển quá trình, thủy lực và nhiều ngành công nghiệp khác, việc lựa chọn đúng kỹ thuật đo áp suất là yếu tố then chốt để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy. Để đảm bảo các giá trị đo áp suất đáng tin cậy và báo cáo dữ liệu chính xác, điều quan trọng là phải hiểu các loại tham chiếu khác nhau được sử dụng bởi các thiết bị đo áp suất, chẳng hạn như bộ chuyển đổi áp suất và cảm biến áp suất:

Áp Suất Tuyệt Đối (Absolute Pressure)

Áp suất tuyệt đối được đo so với chân không hoàn hảo (0 Pa hoặc 0 psi tuyệt đối). Loại tham chiếu áp suất này bao gồm cả áp suất khí quyển tự nhiên và áp suất thực tế do môi chất (khí, chất lỏng hoặc lưu chất) tác động trong hệ thống kín hoặc hở. Vì cảm biến áp suất tuyệt đối tham chiếu đến một giá trị cố định — sự vắng mặt hoàn toàn của vật chất — nên áp suất tuyệt đối cung cấp phép đo ổn định, không bị ảnh hưởng bởi độ cao, thời tiết hoặc các dao động áp suất khí quyển theo vị trí địa lý. Điều này làm cho bộ chuyển đổi áp suất tuyệt đối trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như đo khí áp, hệ thống chân không và nghiên cứu khoa học, nơi yêu cầu độ chính xác và hiệu chuẩn ổn định. Các đơn vị đo phổ biến bao gồm PSIA (pound trên inch vuông tuyệt đối) và kPaA (kilopascal tuyệt đối).

Áp Suất Tương Đối (Gauge Pressure)

Áp suất tương đối đo áp suất so với áp suất khí quyển hiện tại, đóng vai trò là điểm tham chiếu bằng không. Là dạng hiển thị áp suất quen thuộc nhất, áp suất tương đối được sử dụng trong các thiết bị hàng ngày như đồng hồ đo áp suất lốp xe và máy đo huyết áp. Các thiết bị hiển thị áp suất tương đối thường sử dụng đơn vị như PSIG (pound trên inch vuông tương đối), BARG (bar tương đối) hoặc kPaG (kilopascal tương đối). Các bộ chuyển đổi và cảm biến này thường được trang bị lỗ thông hơi mở ra môi trường khí quyển xung quanh, cho phép bù trừ theo thời gian thực đối với các biến động áp suất khí quyển. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là phép đo áp suất tương đối bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điều kiện khí quyển và độ cao, khiến vị trí lắp đặt cảm biến trở nên quan trọng để hiệu chuẩn chính xác. Cảm biến áp suất tương đối thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp và thương mại, bao gồm bơm, máy nén và hệ thống thủy lực, để giám sát mức vận hành an toàn.

Áp Suất Chênh Lệch (Differential Pressure)

Áp suất chênh lệch là phép đo sự khác biệt áp suất giữa hai điểm riêng biệt trong một quá trình hoặc hệ thống. Đây là một thông số quan trọng trong đo lưu lượng, giám sát bộ lọc, phát hiện rò rỉ và cân bằng hệ thống HVAC. Ví dụ, cảm biến áp suất chênh lệch có thể phát hiện sụt áp qua bộ lọc trong đường ống nước hoặc qua tấm orifice trong lưu lượng kế. Bằng cách cung cấp dữ liệu thời gian thực chính xác về sự chênh lệch áp suất, các bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch giúp cải thiện hiệu suất quá trình, bảo vệ thiết bị và tối ưu lịch bảo trì bộ lọc. Các ứng dụng điển hình bao gồm giám sát chất lượng không khí phòng sạch, điều khiển quá trình hóa chất và đo mức chất lỏng trong bồn chứa.

Áp Suất Kín (Sealed Pressure)

Cảm biến áp suất kín sử dụng một điểm tham chiếu được xác định trước, thường là một giá trị cố định như áp suất khí quyển tiêu chuẩn (thường 1 atm, 14.7 psi), thay vì chân không thực sự. Tương tự như áp suất tương đối, áp suất kín cho phép đo áp suất duy trì tính ổn định bất kể sự thay đổi của điều kiện khí quyển. Không giống cảm biến áp suất tương đối thông thường, cảm biến áp suất kín không cần lỗ thông hơi và có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt hoặc độ ẩm cao, nơi việc tiếp xúc với khí quyển có thể gây vấn đề. Chúng thường được lựa chọn cho các ứng dụng trong hệ thống ô tô, làm lạnh và hàng không vũ trụ, nơi cần giám sát áp suất đáng tin cậy mặc dù có sự thay đổi môi trường đáng kể.

Cảm Biến Áp Suất, Bộ Truyền Áp Suất, Bộ Chuyển Đổi Áp Suất: Sự Khác Biệt Là Gì?

Khi nghiên cứu hoặc lựa chọn các thiết bị đo áp suất công nghiệp, bạn sẽ thường xuyên gặp các thuật ngữ quan trọng như cảm biến áp suất (pressure sensor), bộ truyền áp suất (pressure transmitter) và bộ chuyển đổi áp suất (pressure transducer). Mặc dù các tên gọi này đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau trong nhiều ứng dụng công nghiệp, nhưng mỗi loại đại diện cho một công nghệ riêng biệt với các đặc điểm và chức năng khác nhau. Để hiểu đầy đủ vai trò của các thiết bị này trong hệ thống đo áp suất và đưa ra quyết định mua sắm phù hợp, việc làm rõ sự khác biệt giữa bộ chuyển đổi áp suất, cảm biến áp suất và bộ truyền áp suất là rất cần thiết.

Sự khác biệt chính nằm ở chức năng và mục đích của chúng: cảm biến phát hiện sự thay đổi của các thông số vật lý — chẳng hạn như áp suất khí hoặc chất lỏng — trong môi trường xung quanh, trong khi bộ chuyển đổi chuyển đổi những thay đổi được phát hiện này sang một dạng năng lượng khác, thường là tín hiệu điện. Bộ chuyển đổi áp suất bao gồm một phần tử cảm biến (cảm biến áp suất) để nhận biết sự thay đổi áp suất và sau đó tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng, có thể là điện hoặc cơ. Quá trình chuyển đổi này được gọi là quá trình chuyển đổi năng lượng (transduction) và là yếu tố cốt lõi để đảm bảo việc giám sát áp suất chính xác và đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp, điều khiển quá trình và tự động hóa.

Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu các chức năng chính, tín hiệu đầu ra, ứng dụng điển hình, ưu điểm và hạn chế của từng thiết bị đo áp suất nhằm giúp người dùng, kỹ sư và bộ phận mua sắm so sánh các giải pháp khi thiết kế hoặc nâng cấp hệ thống đo áp suất trong sản xuất, xử lý nước, dầu khí, HVAC và các ngành công nghiệp quá trình khác.

Cảm Biến Áp Suất (Pressure Sensor)

Cảm biến áp suất là thành phần cơ bản trực tiếp đo lực do lưu chất (khí hoặc chất lỏng) tạo ra dưới dạng áp suất tuyệt đối, tương đối hoặc chênh lệch. Ví dụ, trong một bộ chuyển đổi áp suất kiểu biến trở, áp suất môi chất làm biến dạng một khoang cảm biến, sau đó làm dịch chuyển cần gạt dọc theo biến trở để tạo ra tín hiệu đầu ra.

Cảm biến áp suất có nhiều loại khác nhau, bao gồm cảm biến áp điện trở (piezoresistive), điện dung (capacitive), áp điện (piezoelectric) và quang học (optical). Việc lựa chọn phụ thuộc vào các yếu tố như độ chính xác yêu cầu, môi trường làm việc và loại tín hiệu đầu ra mong muốn. Trong mọi trường hợp, cảm biến áp suất đóng vai trò là thiết bị chính phản ứng với biến dạng cơ học và cho phép xử lý tín hiệu số hoặc tương tự phục vụ mục đích giám sát và điều khiển.

Chúng là nền tảng của tự động hóa quá trình, hệ thống an toàn công nghiệp và thiết bị điều khiển lưu chất, cung cấp phản hồi quan trọng cho cảnh báo, ghi dữ liệu và các chiến lược bảo trì dự đoán.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất (Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất chuyển đổi áp suất vật lý được phát hiện thành tín hiệu điện tiêu chuẩn — phổ biến nhất là tín hiệu điện áp. Tùy theo công nghệ và ứng dụng, bộ chuyển đổi có thể tạo ra nhiều mức tín hiệu đầu ra khác nhau, từ vài millivolt đến vài volt, giúp chúng linh hoạt trong việc tích hợp với thiết bị tự động hóa công nghiệp và điều khiển quá trình.

Bộ chuyển đổi áp suất được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị mà giá trị áp suất cần được chuyển thành tín hiệu điện tử tương thích với các hệ thống như PLC, module thu thập dữ liệu và bộ đầu cuối từ xa (RTU). Chúng cung cấp độ chính xác cao, giao diện kết nối đơn giản và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thủy lực, khí nén và giám sát môi trường.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Đầu Ra Millivolt

Các bộ chuyển đổi áp suất đầu ra millivolt được phân biệt bởi tín hiệu đầu ra nằm trong dải millivolt. Giá trị tín hiệu điện này tỷ lệ thuận trực tiếp với cả áp suất tác động và điện áp cấp nguồn. Ví dụ, một loại phổ biến có thể tạo ra tín hiệu 0 đến 50 mV khi cấp nguồn 5V DC, tương đương đầu ra 10 mV/V.

Các cảm biến MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử) hiện đại thường tạo ra 20 mV/V, cung cấp độ nhạy cao hơn và khả năng thu nhỏ kích thước, thường được sử dụng trong thiết bị nhỏ gọn hoặc chạy bằng pin. Các cảm biến strain gauge thế hệ cũ cho tín hiệu thấp hơn (khoảng 2–3 mV/V), cần khuếch đại nhưng có độ bền rất tốt trong môi trường khắc nghiệt.

Các bộ chuyển đổi millivolt này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu giải pháp tiết kiệm chi phí, chiều dài dây dẫn tối thiểu và nơi nhiễu không phải là yếu tố đáng kể — ví dụ như thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, phát hiện rò rỉ hoặc thiết bị hiệu chuẩn di động.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Đầu Ra Điện Áp

Các bộ chuyển đổi áp suất đầu ra điện áp được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu tín hiệu điện mạnh và ổn định hơn mà không cần khuếch đại quá mức. Các thiết kế dựa trên MEMS cung cấp đầu ra 20 mV/V, trong khi các mẫu truyền thống cho đầu ra từ 2 đến 3 mV/V.

Các thiết bị này tối ưu cho việc tích hợp với các hệ thống đo lường hiện đại nhờ tiêu thụ điện năng thấp và khả năng tương thích với thiết bị chạy bằng pin hoặc thiết bị hiện trường từ xa. Điện áp hoạt động điển hình nằm trong khoảng từ 8V đến 28V DC, và các thiết kế cải tiến cung cấp mức “live zero”, cho phép phân biệt giữa áp suất bằng không và cảm biến bị lỗi hoặc ngắt kết nối.

Các ứng dụng phổ biến bao gồm điều khiển HVAC, chẩn đoán trên xe, thiết bị đo lường quá trình và ghi dữ liệu hiện trường, nơi yêu cầu tín hiệu ổn định khi nguồn cấp thay đổi.

Bộ Truyền Áp Suất (Pressure Transmitter)

Bộ truyền áp suất khuếch đại và xử lý tín hiệu do cảm biến áp suất tạo ra, cung cấp tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn có trở kháng thấp — phổ biến nhất là tín hiệu công nghiệp 4–20 mA. Các bộ truyền này rất quan trọng trong ngành công nghiệp quá trình đối với việc truyền tín hiệu khoảng cách xa với khả năng chống nhiễu điện cao, đảm bảo hoạt động tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.

Bộ truyền áp suất là tiêu chuẩn công nghiệp cho các hệ thống giám sát từ xa và điều khiển phản hồi, bao gồm SCADA, hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và tự động hóa tòa nhà. Chúng được ưa chuộng trong các ứng dụng dầu khí, hóa chất và xử lý nước, nơi việc duy trì tính toàn vẹn tín hiệu trên đường cáp dài là yếu tố quan trọng.

Lựa Chọn Giải Pháp Phù Hợp: Tóm Tắt So Sánh

Để lựa chọn thiết bị tốt nhất cho nhu cầu đo áp suất của bạn, hãy xem xét những lợi ích và sự đánh đổi riêng giữa bộ chuyển đổi áp suất đầu ra millivolt, bộ chuyển đổi đầu ra điện áp và bộ truyền áp suất đầu ra dòng điện. Mỗi loại phù hợp với các kịch bản khác nhau trong tự động hóa công nghiệp, an toàn máy móc, quản lý lưu chất và điều khiển quá trình.

Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra millivolt
Giải pháp tiết kiệm chi phí cho các nhu cầu đo lường cơ bản
Phù hợp nhất cho hệ thống có chiều dài cáp ngắn (nguy cơ suy giảm tín hiệu tăng theo khoảng cách)
Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện trong các hệ thống bố trí gần nhau
Yêu cầu nguồn kích thích cầu đo ổn định và được điều chỉnh tốt

Bộ chuyển đổi điện áp
Có mức tiêu thụ điện năng thấp, lý tưởng cho các ứng dụng di động và không dây
Giảm ảnh hưởng từ nhiễu điện từ hoặc nhiễu tần số vô tuyến
Khuyến nghị cho khoảng cách dây dẫn trung bình và các lắp đặt không có bộ khuếch đại mạnh
Tiêu thụ ít năng lượng hơn so với hầu hết các bộ truyền áp suất
Có thể hoạt động với nguồn kích thích cầu đo không ổn định, tăng tính linh hoạt khi lắp đặt hiện trường

Bộ truyền áp suất
Được thiết kế tuân thủ tiêu chuẩn vòng dòng điện công nghiệp 4–20 mA
Hỗ trợ khoảng cách cáp dài — hoạt động rất tốt trong các hệ thống phân tán và từ xa
Khả năng chống nhiễu điện và nhiễu tín hiệu cao
Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với các bộ chuyển đổi millivolt và điện áp, nhưng đảm bảo độ toàn vẹn tín hiệu mạnh mẽ

Điểm Chính Cần Ghi Nhớ: Khi xác định thiết bị đo áp suất hoặc nâng cấp hệ thống điều khiển áp suất hiện có, hãy cân nhắc các yếu tố môi trường, khả năng tương thích giao diện tín hiệu đầu ra và yêu cầu truyền tín hiệu. Bằng cách hiểu rõ những khác biệt này, bạn có thể lựa chọn sản phẩm phù hợp nhất — dù là cảm biến, bộ chuyển đổi hay bộ truyền — để đạt được giải pháp giám sát áp suất và tự động hóa công nghiệp chính xác, tin cậy và hiệu quả.

Câu Hỏi Thường Gặp

Bộ chuyển đổi áp suất làm gì?
Bộ chuyển đổi áp suất chuyển đổi áp suất tác động thành tín hiệu điện tỷ lệ tương ứng. Điều này cho phép thực hiện các phép đo được chuẩn hóa và chính xác, cần thiết cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Các thành phần chính của bộ chuyển đổi áp suất là gì?
Một bộ chuyển đổi áp suất bao gồm hai phần chính: vật liệu đàn hồi, thường là màng (diaphragm), sẽ biến dạng dưới áp suất, và một thiết bị điện chuyển đổi sự biến dạng đó thành tín hiệu điện.

Áp suất tuyệt đối, tương đối, chênh lệch và kín khác nhau như thế nào?
Tham chiếu tuyệt đối sử dụng chân không, tham chiếu tương đối sử dụng áp suất khí quyển tại chỗ, tham chiếu chênh lệch so sánh hai điểm trong hệ thống, và tham chiếu kín sử dụng một giá trị khí quyển cố định. Mỗi loại phù hợp với các nhu cầu công nghiệp cụ thể để đo lường chính xác.

Sự khác biệt chính giữa cảm biến áp suất, bộ chuyển đổi và bộ truyền là gì?
Cảm biến áp suất phát hiện sự thay đổi áp suất, bộ chuyển đổi chuyển các thay đổi này thành tín hiệu điện tử, và bộ truyền khuếch đại cũng như xử lý tín hiệu để truyền đi xa với khả năng chống nhiễu cao.

Khi nào nên sử dụng thiết bị áp suất đầu ra millivolt, điện áp hoặc dòng điện?
Bộ chuyển đổi đầu ra millivolt phù hợp với cáp ngắn và môi trường ít nhiễu; thiết bị đầu ra điện áp phù hợp với khoảng cách trung bình và ứng dụng dùng pin; bộ truyền đầu ra dòng điện (4–20 mA) phù hợp cho khoảng cách xa và môi trường công nghiệp có nhiều nhiễu.

Tại sao việc lựa chọn tham chiếu áp suất lại quan trọng đối với lắp đặt tại chỗ?
Cảm biến áp suất tương đối phụ thuộc vào điều kiện khí quyển tại chỗ, vì vậy vị trí lắp đặt và hiệu chuẩn là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác. Độ cao và môi trường có thể ảnh hưởng đến kết quả đo, do đó cần xem xét các yếu tố địa lý.

Các chế độ hoạt động khác nhau của cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất hoạt động theo ba chế độ: đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối hoặc áp suất chênh lệch.

Cảm Biến Áp Suất Tuyệt Đối (Absolute Pressure Sensors)

Cảm biến áp suất tuyệt đối đo áp suất bằng cách cho phép lưu chất tác động lực lên phần tử cảm biến thông qua một cổng duy nhất. Giá trị áp suất đầu ra luôn dương và tỷ lệ thuận trực tiếp với áp suất của môi chất.

Cảm Biến Áp Suất Tương Đối (Gauge Pressure Sensors)

Cảm biến áp suất tương đối có hai cổng, cho phép lưu chất ở áp suất khí quyển (áp suất tham chiếu) và lưu chất cần đo đi vào. Áp suất đo được là giá trị tương đối so với áp suất tham chiếu này.

Cảm Biến Áp Suất Chênh Lệch (Differential Pressure Sensors)

Cảm biến áp suất chênh lệch, tương tự cảm biến áp suất tương đối, có hai cổng để lưu chất đi vào từ hai điểm khác nhau trong hệ thống. Tín hiệu đầu ra chênh lệch có thể là dương hoặc âm và tỷ lệ thuận với độ lớn của sự thay đổi áp suất giữa hai điểm.

Các loại phần tử cảm biến áp suất khác nhau là gì?

Áp suất của khí hoặc chất lỏng thường được chuyển đổi thành sự dịch chuyển cơ học của phần tử cảm biến áp suất. Sự chuyển động này sau đó được biến đổi thành tín hiệu điện có thể đo được, chẳng hạn như sự thay đổi điện trở hoặc điện dung, tỷ lệ thuận với áp suất của môi chất.

Hiện nay có bốn loại phần tử cảm biến áp suất được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, mỗi loại sẽ được trình bày dưới đây:

Màng Cảm Biến Áp Suất (Pressure Sensing Diaphragms)

Như đã đề cập trong Chương 1, loại phần tử đàn hồi phổ biến nhất trong bộ chuyển đổi áp suất là màng (diaphragm). Phần tử cảm biến áp suất này thường chỉ tiếp xúc với môi chất áp suất ở một phía. Phía còn lại có thể là một buồng kín hoặc được thông khí, tùy thuộc vào loại cảm biến áp suất. Một cảm biến áp suất tuyệt đối có buồng kín ở phía bên kia của màng, trong khi cảm biến áp suất tương đối hoặc chênh lệch có màng được thông khí ở một phía.

Áp suất của môi chất làm cho màng bị biến dạng. Sự dịch chuyển cơ học này, tỷ lệ thuận với độ lớn áp suất, dẫn đến sự thay đổi điện trở hoặc điện dung của một linh kiện điện.

Màng cảm biến áp suất có thể được chế tạo từ:

Kim loại – thép không gỉ hoặc titan thường được sử dụng cho màng kim loại. Các màng này có thể dùng cho dải áp suất rộng. Chúng có khả năng chịu áp thử (proof pressure) và áp suất phá hủy (burst pressure) cao.

Gốm (Ceramic) – màng gốm thường có dải đo hẹp hơn và khả năng chịu áp thử, áp suất phá hủy thấp hơn. Mặc dù có những hạn chế này, màng gốm có khả năng chống ăn mòn tốt với chi phí tương đối thấp. Ngoài ra, chúng tương thích với nhiều loại môi chất áp suất khác nhau.

Màng cảm biến áp suất thường được sử dụng trong các ngành như thực phẩm và dược phẩm. Chúng có thiết kế và cấu tạo đơn giản, ngay cả khi kích thước nhỏ.

Khoang Cảm Biến Áp Suất (Pressure Sensing Capsules)

Khoang cảm biến áp suất bao gồm hai màng được hàn ở mép, cho phép cả hai phía cùng tiếp xúc với môi chất áp suất. So với màng cảm biến áp suất đơn, khoang cảm biến có độ biến dạng gấp đôi so với áp suất tác động.

Có ba loại khoang cảm biến áp suất: khoang đơn (single capsule), khoang xếp chồng (stacked capsule) và khoang định hình (profiled capsule).

Các cảm biến áp suất này được sử dụng trong các hệ thống khí áp suất thấp. Do không có khả năng tự thoát chất lỏng, các khoang cảm biến không phù hợp để sử dụng với môi chất dạng lỏng.

Các ưu điểm chính của khoang cảm biến bao gồm:

• Ổn định
• Đơn giản
• Kích thước nhỏ

Ống Xếp Giãn Nở (Expanding Bellows)

Một loại phần tử cảm biến áp suất khác là ống xếp giãn nở. Các vật liệu điển hình được sử dụng cho ống xếp giãn nở bao gồm:

• Đồng phosphor (phosphor bronze)
• Đồng thau (brass)
• Đồng berili (beryllium copper)
• Thép không gỉ (stainless steel)

Ống xếp phản ứng với áp suất tác động bằng cách giãn ra hoặc co lại. Thông thường, một ống xếp được kết nối với một kim chỉ thị, kim này liên kết với một lò xo. Khi ống xếp giãn và co, nó sẽ làm di chuyển kim chỉ thị. Cả đặc tính cơ học của ống xếp và lò xo đều ảnh hưởng đến đặc tính biến dạng. Độ lệch của kim chỉ thị tỷ lệ thuận với áp suất tác động. Ngoài ra, tín hiệu điện tương tự với áp suất tác động có thể thu được bằng cách kết nối chuyển động này với một biến trở (potentiometer).

Các ưu điểm của ống xếp giãn nở bao gồm:

• Đơn giản
• Chi phí thấp
• Có thể kết nối với kim chỉ thị

Tuy nhiên, các nhược điểm bao gồm:

• Phải hoạt động trong giới hạn đàn hồi
• Dễ bị mỏi vật liệu
• Vấn đề thoát chất lỏng

Các loại bộ chuyển đổi áp suất khác nhau là gì?

Hiện nay, các nhà sản xuất thiết bị có nhiều loại bộ chuyển đổi áp suất thương mại khác nhau. Các bộ chuyển đổi này chủ yếu được phân loại thành hai nhóm chính:

• Thiết bị chủ động (Active Devices) – áp suất tác động sẽ tạo ra một đại lượng điện, ví dụ như điện áp. Một số bộ chuyển đổi áp suất được phân loại là thiết bị chủ động bao gồm bộ chuyển đổi áp suất áp điện (piezoelectric pressure transducers) và cặp nhiệt điện (thermocouples).
• Thiết bị thụ động (Passive Devices) – không giống thiết bị chủ động, thiết bị thụ động phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài để có thể hoạt động. Một ví dụ của thiết bị thụ động là bộ chuyển đổi áp suất áp điện trở (piezoresistive pressure transducer).

Dưới đây là danh sách các loại bộ chuyển đổi áp suất khác nhau và nguyên lý hoạt động tương ứng của chúng:

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Điện Trở (Strain Gauge)

Loại bộ chuyển đổi áp suất này sử dụng một strain gauge bằng lá kim loại hoặc silicon, được bố trí theo cầu Wheatstone, gắn trên bề mặt của màng ở phía đối diện với môi chất. Khi áp suất thay đổi, nó làm biến dạng vật liệu đàn hồi, từ đó làm thay đổi điện trở của strain gauge. Sự thay đổi điện trở này được chuyển thành tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại và xử lý để tạo ra điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi hoặc dòng điện đầu ra của bộ truyền.

Các bộ chuyển đổi strain gauge được phân loại thành nhiều dạng, bao gồm bộ chuyển đổi áp suất màng có gắn strain gauge, bộ chuyển đổi kiểu dầm công xôn (cantilever), bộ chuyển đổi strain gauge nhúng (embedded) và bộ chuyển đổi áp suất strain gauge không liên kết (unbonded).

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Điện Dung (Capacitance Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất điện dung bao gồm hai bản tụ song song: một màng (diaphragm) và một điện cực. Điện cực được cố định trên bề mặt không chịu áp suất và được đặt cách màng một khoảng xác định, tạo ra điện dung ban đầu. Khi áp suất thay đổi, khoảng cách giữa hai bản tụ sẽ thu hẹp hoặc giãn ra, làm thay đổi điện dung (ΔC). Sự thay đổi điện dung này sau đó được sử dụng để tạo ra tín hiệu có thể sử dụng được.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Cảm Ứng (Inductive Pressure Transducer)

Có hai loại bộ chuyển đổi áp suất cảm ứng:

Một bộ chuyển đổi áp suất cảm ứng cơ bản bao gồm một cuộn dây, một lõi sắt từ di động và một màng (hoặc phần tử cảm biến áp suất khác). Màng và lõi sắt từ được liên kết với nhau. Khi màng bị biến dạng do sự thay đổi áp suất của môi chất, lõi sắt từ sẽ di chuyển theo. Cuộn dây được cấp điện áp xoay chiều (AC) sẽ có sự thay đổi độ tự cảm khi lõi di chuyển, dẫn đến sự thay đổi tương ứng của tín hiệu đầu ra.

Một bộ chuyển đổi áp suất cảm ứng hỗ cảm hai cuộn dây bao gồm một lõi sắt từ gắn với màng, cùng với một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC sẽ tạo ra dòng cảm ứng trong các cuộn thu thứ cấp. Khi lõi ở vị trí trung tâm, điện áp cảm ứng trong hai cuộn thứ cấp bằng nhau. Khi áp suất thay đổi làm biến dạng màng và dịch chuyển lõi sắt từ, tỷ lệ điện áp giữa hai cuộn thứ cấp sẽ thay đổi. Sự thay đổi điện áp này tỷ lệ thuận với sự thay đổi áp suất.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Biến Trở (Potentiometric Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất biến trở bao gồm ba thành phần chính: một khoang cảm biến (capsule), một tiếp điểm trượt (wiper) và dây điện trở quấn. Khoang cảm biến được liên kết với tiếp điểm trượt thông qua một thanh truyền. Khi áp suất tác động lên khoang, nó làm di chuyển tiếp điểm trượt dọc theo biến trở, từ đó làm thay đổi điện trở giữa tiếp điểm và biến trở. Do đó, sự biến dạng cơ học được chuyển đổi thành giá trị điện trở có thể đo được.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Dây Cộng Hưởng (Resonant Wire Pressure Transducer)

Một bộ chuyển đổi áp suất dây cộng hưởng điển hình bao gồm nhiều thành phần như:

• Dây cộng hưởng
• Màng áp suất cao
• Màng áp suất thấp
• Nam châm
• Ống kim loại
• Tấm đỡ phía áp suất cao
• Tấm đỡ phía áp suất thấp
• Chất cách điện
• Lò xo tiền tải
• Cổng truyền lưu chất
• Mạch dao động

Trong loại bộ chuyển đổi áp suất này, một sợi dây được cố định một đầu bởi phần tử tĩnh và đầu còn lại bởi một màng. Sợi dây dao động trong từ trường, và mạch dao động làm cho nó rung ở tần số cộng hưởng của nó. Các màng ở hai phía của thiết bị cảm nhận sự thay đổi áp suất. Sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến lực căng của dây, từ đó làm thay đổi tần số cộng hưởng. Sự thay đổi tần số này được phát hiện bởi mạch đếm số.

Các bộ chuyển đổi áp suất dây cộng hưởng có thể đo cả áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối, và đặc biệt có lợi cho các hệ thống áp suất chênh lệch thấp.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Áp Điện (Piezoelectric Pressure Transducer)

Không giống các bộ chuyển đổi áp suất điện dung và áp điện trở, bộ chuyển đổi áp suất áp điện không cần nguồn điện áp hoặc dòng điện bên ngoài để hoạt động.

Một số vật liệu sẽ tạo ra điện tích, gọi là hiệu ứng áp điện (piezoelectricity), khi chịu ứng suất cơ học. Thạch anh và tourmaline thường được sử dụng trong các bộ chuyển đổi áp suất áp điện. Khi áp suất tác động lên các vật liệu này, chúng tạo ra điện tích có độ lớn tỷ lệ thuận trực tiếp với áp suất tác động.

Bộ chuyển đổi áp suất áp điện rất phù hợp cho các hệ thống có áp suất động thay đổi nhanh. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn là chúng nhạy với rung động và va đập.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Áp Điện Trở (Piezoresistive Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất áp điện trở bao gồm một vật liệu bán dẫn và một màng. Nó đo áp suất tác động bằng cách phát hiện sự thay đổi điện trở của vật liệu bán dẫn khi bị kéo giãn do sự biến dạng của màng. Loại bộ chuyển đổi này rất phù hợp cho các hệ thống có sự thay đổi áp suất nhỏ. Bộ chuyển đổi áp suất áp điện trở có cấu tạo đơn giản, bền chắc và có khả năng đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối, áp suất liên quan và áp suất chênh lệch.

Bộ chuyển đổi áp suất cũng có thể được phân loại theo loại phép đo áp suất mà chúng cung cấp:

• Bộ chuyển đổi áp suất tuyệt đối (Absolute Pressure Transducer) – đo áp suất so với 0 Pa.
• Bộ chuyển đổi áp suất tương đối (Gauge Pressure Transducer) – đo áp suất với áp suất khí quyển làm điểm tham chiếu.
• Bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch (Differential Pressure Transducer) – đo sự chênh lệch giữa áp suất tại hai điểm khác nhau.
• Bộ chuyển đổi áp suất kín (Sealed Pressure Transducer) – đo áp suất so với một điểm tham chiếu được xác định trước.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Đầu Ra Số (Digital Output Pressure Transducer)

Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra số có màn hình LCD có đèn nền hiển thị giá trị áp suất theo thời gian thực và được cấp nguồn DC. Thiết bị có kích thước nhỏ, nhẹ và gọn.

Đây là loại bộ chuyển đổi áp suất có tính năng chống rung và chống va đập. Giống như các thiết bị cùng loại, nó đảm bảo độ bền và độ tin cậy trong nhiều điều kiện khác nhau.

Tương tự các bộ chuyển đổi áp suất khác, bộ chuyển đổi áp suất đầu ra số có thể đo áp suất với độ chính xác cao và hiển thị theo thời gian thực.

Thiết bị có thể đo áp suất của khí, không khí, hơi nước, hệ thống thủy lực và các chất lỏng nhiệt độ cao.

Một lợi ích của bộ chuyển đổi áp suất đầu ra số là tránh được suy hao hoặc nhiễu tín hiệu. Vì nó giao tiếp trực tiếp với máy tính thông qua kết nối số, nên không cần chuyển đổi tín hiệu analog sang số. Bộ vi xử lý bên trong bộ chuyển đổi biểu diễn giá trị áp suất dưới dạng số, từ đó loại bỏ sai số tuyến tính.

Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra số cung cấp tín hiệu chính xác nhất nhưng yêu cầu công nghệ cảm biến ổn định, vì độ lặp lại và độ trễ có thể khó dự đoán. Để đạt hiệu suất tối ưu, các bộ chuyển đổi này nên được sử dụng trong các ứng dụng có độ trễ thấp và độ lặp lại cao.

Các chế độ điều chế của bộ chuyển đổi áp suất điện là gì?

Sau khi phần tử cảm biến phát hiện áp suất tác động, bộ chuyển đổi áp suất sẽ chuyển đổi dữ liệu này thành tín hiệu điện phù hợp để truyền đi. Bộ chuyển đổi áp suất điện hoạt động theo ba chế độ điều chế:

Chế độ liên tục (Continuous Mode – DC)
Tín hiệu đầu ra tương tự là tín hiệu DC tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào.

Điều chế biên độ (Amplitude Modulation – AM)
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu AC trong đó biên độ thay đổi theo đại lượng đo, trong khi tần số giữ nguyên không đổi.

Điều chế tần số (Frequency Modulation – FM)
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu AC trong đó tần số thay đổi theo đại lượng đo, trong khi biên độ giữ nguyên không đổi.

Các ứng dụng thực tế của bộ chuyển đổi áp suất là gì?

Bộ chuyển đổi áp suất được sử dụng trong hầu hết, nếu không muốn nói là tất cả, các ngành công nghiệp có liên quan đến việc giám sát áp suất của môi chất lỏng hoặc khí bên trong bồn chứa, đường ống, bể lưu trữ, v.v. Một số ngành sử dụng bộ chuyển đổi áp suất bao gồm:

• Dầu khí
• Hóa dầu
• Nhà máy điện
• Thực phẩm
• Dược phẩm
• Sản xuất
• HVAC
• Y tế
• Ô tô
• Và nhiều ngành khác…

Cụ thể hơn, bộ chuyển đổi áp suất được sử dụng trong các ứng dụng sau:

Đo Mức Chất Lỏng Trong Bồn

Giám sát mức chất lỏng trong bồn là một thông số phổ biến trong các quá trình công nghiệp. Mức này liên quan trực tiếp đến áp suất tại đáy bồn. Trong khi ống thủy (sight glass) cung cấp phép đo trực tiếp mức chất lỏng, bộ chuyển đổi áp suất đo áp suất do cột chất lỏng tạo ra và liên hệ áp suất này với mức chất lỏng.

Có ba phương pháp khác nhau để đo mức chất lỏng trong bồn:

• Bộ chuyển đổi áp suất nhúng (Submersible Pressure Transducer) – có cáp nhúng và thường được đặt gần đáy bồn để xác định chiều cao cột chất lỏng phía trên.
• Bộ chuyển đổi áp suất tương đối (Gauge Pressure Transducer) – thường dùng trong hệ thống hở bên dưới đáy bồn để đo áp suất nước đến đỉnh bồn.
• Bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch (Differential Pressure Transducer) – thường dùng trong hệ thống kín để đo chênh lệch áp suất giữa chất lỏng và phần trên của bồn.

Nếu có bất kỳ điều kiện nào sau đây, cần áp dụng hệ số hiệu chỉnh để đo chính xác mức trong bồn:

Bộ chuyển đổi áp suất được đặt thấp hơn nhiều so với đáy bồn – cần hiệu chỉnh áp suất cột chất lỏng trong ống nối đến cảm biến và cổng đo.
Bồn chứa chất lỏng không phải nước – cần hiệu chỉnh theo tỷ trọng riêng vì bộ chuyển đổi áp suất thường được hiệu chuẩn theo đơn vị inch cột nước (inH₂O).

Phát Hiện Rò Rỉ Đường Ống Nước

Bộ chuyển đổi áp suất có thể phát hiện vị trí rò rỉ nước bằng cách xác định sự sụt áp đáng kể dọc theo đường ống. Nếu hai bộ chuyển đổi được đặt liên tiếp và quan sát thấy sự chênh lệch lớn giữa các giá trị đo mà không có nguyên nhân cản trở nào khác, thì rò rỉ nước có thể là nguyên nhân.

Đo Áp Suất Khí

Ngoài môi chất lỏng, bộ chuyển đổi áp suất được sử dụng cho nhiều loại khí khác nhau, bao gồm khí không cháy, khí cháy, khí ăn mòn và không ăn mòn. Việc lựa chọn bộ chuyển đổi phải phù hợp với loại khí cần đo.

Một số bộ chuyển đổi được thiết kế đặc biệt để xử lý các khí ăn mòn như amoniac, hydro clorua và methylamine. Đối với ứng dụng liên quan khí cháy, cần sử dụng bộ chuyển đổi áp suất chống cháy nổ hoặc được chứng nhận an toàn cho môi trường này.

Giám Sát Áp Suất Bơm

Áp suất hút và áp suất xả là các thông số quan trọng của bơm. Chúng có thể được sử dụng để tính toán cột áp tổng của bơm. Trong các quá trình công nghiệp, các áp suất này thường được đo và giám sát. Bộ chuyển đổi áp suất vi sai được dùng cho bơm rất nhỏ, trong khi bộ chuyển đổi tiêu chuẩn phù hợp với bơm lớn hơn. Với hệ thống bơm lớn, bộ chuyển đổi nên lắp hơi lệch phía sau điểm xả bơm để tránh hư hỏng do hiện tượng búa nước.

Đo Áp Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Trong các hệ thống có khí hoặc chất lỏng nhiệt độ rất cao, hiệu ứng siphon có thể được sử dụng để bảo vệ bộ chuyển đổi áp suất khỏi nhiệt độ cao. Phương pháp này giúp ngăn môi chất nóng làm hỏng trực tiếp thiết bị.

Siphon là một thiết bị đơn giản, thường là ống kim loại, được thiết kế để tản nhiệt từ môi chất trước khi đến bộ chuyển đổi áp suất. Bằng cách sử dụng hiệu ứng siphon, một bộ chuyển đổi có giới hạn nhiệt độ thấp vẫn có thể hoạt động hiệu quả trong hệ thống nhiệt độ cao.

Các cấu hình siphon bao gồm:

• Siphon dạng cuộn – cho lắp đặt thẳng đứng
• Siphon dạng chữ U – cho lắp đặt ngang
• Ống thẳng và co 90° – ống thẳng dùng cho lắp đặt đứng, co 90° dùng cho lắp đặt ngang
• Siphon nhỏ gọn – cũng có thể dùng cho lắp đặt đứng

Một siphon điển hình được chế tạo từ vật liệu như gang, đồng thau, thép, thép không gỉ hoặc thép carbon.

Đo Lưu Lượng

Tấm orifice và ống venturi là các thiết bị đơn giản dùng để đo lưu lượng. Các thiết bị này tạo ra sự cản trở trong đường ống dẫn đến sụt áp liên quan đến lưu lượng trong ống. Bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch được sử dụng để suy ra lưu lượng chất lỏng bằng cách đo sụt áp.

Đo Sụt Áp Qua Bộ Lọc

Bộ chuyển đổi áp suất chênh lệch được dùng để đo sụt áp qua bộ lọc. Sụt áp lớn cho thấy bộ lọc đang bị tắc do tạp chất và cần thay thế. Khi bộ lọc tích tụ bụi bẩn, sụt áp tăng vì ít lưu chất đi qua hơn, dẫn đến áp suất phía sau bộ lọc thấp hơn tương đối.

Bộ Chuyển Đổi Áp Suất Nhiệt Độ Cao

Một số bộ chuyển đổi áp suất, được trang bị lõi áp điện để đo áp suất, có thể chịu được nhiệt độ lên đến 1832 °F (1000 °C) nhưng chỉ trong thời gian ngắn để cảm biến có thể nguội lại.

Các bộ chuyển đổi áp suất thông thường không phù hợp cho ứng dụng này vì sự giãn nở của các bộ phận kim loại có thể làm hỏng thiết bị và gây sai số đầu ra.

Kết Luận

Thiết bị đo áp suất là dụng cụ chuyển đổi áp suất môi chất thành tín hiệu điện có thể sử dụng, tỷ lệ thuận với áp suất đó.
Có hai thành phần chính của bộ chuyển đổi áp suất: vật liệu đàn hồi và thiết bị điện.
Bộ chuyển đổi áp suất cần được sử dụng cẩn thận liên quan đến nhiệt độ làm việc, áp suất tham chiếu, các trường điện và từ hiện có hoặc rung động cơ học.
Độ nhạy áp suất, dải đo, đáp ứng tần số hoặc tần số cộng hưởng và độ nhạy với gia tốc cần được xem xét trước khi lựa chọn bộ chuyển đổi áp suất cho ứng dụng.
Cảm biến áp suất, bộ truyền áp suất và bộ chuyển đổi áp suất là ba thiết bị đo áp suất thường gặp trong các quá trình công nghiệp.
Cảm biến áp suất là phần tử trực tiếp nhận áp suất do lưu chất tác động.
Bộ chuyển đổi áp suất có đầu ra là điện áp, có thể ở mức millivolt hoặc điện áp cao hơn.
Bộ truyền áp suất có đầu ra là dòng điện trở kháng thấp.
Áp suất có thể được đo và tham chiếu theo nhiều cách khác nhau. Bốn loại tham chiếu áp suất là áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối, áp suất chênh lệch và áp suất kín.
Ba chế độ hoạt động của cảm biến áp suất bao gồm đo áp suất tuyệt đối, tương đối hoặc chênh lệch.
Phần tử cảm biến áp suất chuyển đổi áp suất thành sự dịch chuyển cơ học.
Các phần tử cảm biến phổ biến nhất là màng, khoang cảm biến và ống xếp giãn nở.
Thiết bị chủ động và thiết bị thụ động là hai nhóm chính của bộ chuyển đổi áp suất.
Có nhiều loại bộ chuyển đổi áp suất như điện trở (strain gauge), điện dung, cảm ứng, biến trở, dây cộng hưởng, áp điện và áp điện trở.
Bộ chuyển đổi áp suất điện có ba chế độ điều chế: liên tục (DC), điều chế biên độ (AM) và điều chế tần số (FM).
Các ngành như dầu khí, hóa dầu, nhà máy điện, thực phẩm, dược phẩm, sản xuất, HVAC, y tế, ô tô… đều sử dụng bộ chuyển đổi áp suất.
Cụ thể, bộ chuyển đổi áp suất được dùng trong các ứng dụng: đo mức chất lỏng, phát hiện rò rỉ đường ống nước, đo áp suất khí, giám sát áp suất bơm, đo áp suất trong môi trường nhiệt độ cao hoặc rất cao, đo lưu lượng và đo sụt áp qua bộ lọc.