Cảm biến áp suất là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là gì? Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất là gì và nó hoạt động như thế nào? Cảm biến áp suất được sử dụng để thực hiện những nhiệm vụ gì? Và khi chọn cảm biến áp suất, có những thông số nào cần được lưu ý? Hãy cùng Dubai Electric tìm hiểu về cảm biến áp suất qua bài viết dưới đây.

Tổng quan về áp suất

Để tìm hiểu rõ hơn về cảm biến áp suất thì đầu tiên chúng ta cùng tìm hiểu về áp suất và cách tính áp suất nhé!

Áp suất là gì?

Người nào đã từng ngồi ghế nhà trường thì đều nghe rất nhiều về “áp suất”. Vậy áp suất là gì? Áp suất là một lực chức năng tác động lên một diện tích bề mặt theo phương vuông góc. Trong tiếng Anh, áp suất được gọi là Pressure và ký hiệu là P với đơn vị tính là N/m2, hay còn được gọi là Pascal (Pa). Có nghĩa là: 1 N/m2 = 1 Pa.

Cách tính áp suất

P = F / S

Trong đó:

• F là lực tác động lên bề mặt
• S là diện tích tiếp xúc

Mặc dù khái niệm về áp suất dễ hiểu, để đo áp suất, chúng ta có ba phương pháp tương ứng với ba loại áp suất trong thực tế. Hãy cùng tìm hiểu về những loại áp suất này.

Đơn vị áp suất: Bar – Psi – Kpa – Mpa – Kg/cm2

Một đơn vị áp suất được tính bằng N/m2 (Pascal – Pa). Tuy nhiên, giá trị này rất nhỏ đến mức khó có thể cảm nhận được. Hãy tưởng tượng: thả một tờ tiền polymer từ trên cao và chạm vào tay. Lực tác động của tờ tiền lên tay tương đương với 1 Pa = 1 N/m2.

Do đó, trong thực tế, ít ai sử dụng đơn vị Pa để đo lực, mà thường chuyển sang các đơn vị lớn hơn và thông dụng hơn như: Bar – Kg/cm2 – Kpa – Mpa – Psi – at – atm…

Để chuyển đổi giữa các đơn vị, chúng ta sử dụng một đơn vị cơ sở, ví dụ:

• 1 bar = 100.000 Pa = 10^5 Pa
• 1 bar = 1.0197 at
• 1 bar = 0.98692 atm
• 1 bar = 750 torr
• 1 bar = 14.504 psi

Các đơn vị khác tương tự, ta lấy đơn vị cơ sở bên trái (đầu tiên) so sánh với các đơn vị bên phải.

Chúng ta thấy có nhiều đơn vị đo áp suất không giống nhau. Psi thường được sử dụng tại Mỹ, trong khi Mpa và Kpa được sử dụng phổ biến ở Nhật và các nước Châu Á. Bar và kg/cm2 thì thường được sử dụng tại Châu Âu.

Cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất là một thiết bị được sử dụng để đo áp suất và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được truyền đến các thiết bị hiển thị hoặc điều khiển, PLC thông qua cáp điện. Tín hiệu đầu ra của cảm biến áp suất thường là tín hiệu analog với các phạm vi giá trị sau: 0-5V, 0-10V, 2-10V, 0.5-4.5V, 4-20mA, 0-20mA…

Trước đây, chúng ta thường sử dụng tín hiệu đầu ra 0-10V do các mạch điều khiển dạng vi xử lý hoặc main board từ Nhật chỉ hỗ trợ tín hiệu này. Tuy nhiên, hiện nay theo xu hướng toàn cầu, tất cả các cảm biến áp suất đều đang chuẩn hóa sử dụng tín hiệu 4-20mA.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

Các cảm biến áp suất hoạt động theo nguyên lý tương tự như các loại cảm biến khác. Chúng yêu cầu một nguồn tác động (như nguồn áp suất, nguồn nhiệt, hoặc nguồn tương ứng với loại áp suất cần đo) tác động lên cảm biến. Cảm biến thu nhận giá trị này và truyền nó đến vi xử lý, nơi xử lý tín hiệu được thực hiện. Sau đó, tín hiệu được đưa ra để sử dụng.

Sơ đồ khối của cảm biến áp suất cho thấy rõ quá trình này. Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng hoặc các nguồn áp suất khác. Các cảm biến áp suất tiếp nhận và đáp ứng với nguồn áp suất này. Sau đó, giá trị áp suất được chuyển đến vi xử lý, nơi xử lý tín hiệu áp suất diễn ra. Cuối cùng, tín hiệu áp suất được đưa ra để sử dụng trong các ứng dụng tương ứng.

Tóm lại, cảm biến áp suất hoạt động bằng cách tác động nguồn áp suất cần đo lên cảm biến, thu nhận và chuyển đổi giá trị áp suất đó thông qua vi xử lý, và cuối cùng đưa ra tín hiệu áp suất để sử dụng

Phân loại cảm biến áp suất

Áp suất tuyệt đối

Áp suất tuyệt đối, còn được gọi là Absolute Pressure, hoạt động dựa trên nguyên lý nén một thanh bên trong cảm biến. Khi đặt trong không khí, thiết bị đo sẽ có giá trị áp suất là 1 bar hoặc 1 atm. Khi có lực tác động lên bề mặt của thanh, cảm biến sẽ bị biến dạng theo hướng tác động và áp suất sẽ tăng lên 1+ bar. Khi có sức hút, áp suất sẽ giảm từ +1 bar xuống đến 0 bar tại giá trị không.

Áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển, còn được gọi là áp suất kha khá, hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh với áp suất không khí. Khi đặt cảm biến trong không khí, giá trị đo sẽ hiển thị là 0 bar hoặc 0 atm. Cảm biến áp suất khí quyển có một lỗ thông hơi bên trong giúp thoát khí ra khi có lực tác động lên bề mặt cảm biến.

Lúc chưa có lực tác động, màng cảm biến sẽ phẳng và giá trị của cảm biến là 0 bar. Khi có lực tác động dương, áp suất sẽ tăng lên 0+ bar. Ngược lại, khi có lực tác động âm, áp suất sẽ giảm từ 0 bar xuống đến -1 bar tại giá trị không.

Áp suất chênh áp

Nếu áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển chỉ là tác động một chiều lên bề mặt cảm biến, thì áp suất chênh áp là sự so sánh giữa hai giá trị áp suất.

Delta P = P1 – P2

Điều này có nghĩa là áp suất chênh áp thể hiện sự khác biệt giữa hai đầu áp suất và có thể là dương hoặc âm tùy thuộc vào giá trị P1 và P2. Khi P1 > P2, áp suất là dương và ngược lại, khi P1 < P2, áp suất là âm.

Tóm lại, tất cả các loại cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên tắc áp suất, bao gồm áp suất tuyệt đối, áp suất khí quyển và áp suất chênh áp. Hãy cùng khám phá cấu tạo của cảm biến áp suất như thế nào.

Cấu tạo cảm biến áp suất

Cấu tạo của cảm biến áp suất bao gồm hai phần chính:

1. Cảm biến: Đây là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến, nó có thể chuyển đổi tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, hoặc dòng điện để truyền về khối xử lý.
2. Khối xử lý: Khối xử lý có chức năng nhận các tín hiệu từ cảm biến và thực hiện các xử lý để chuyển đổi tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất. Các dạng tín hiệu tiêu chuẩn phổ biến bao gồm tín hiệu ngõ ra điện áp 4-20 mA (thường được sử dụng nhất), 0-5 VDC, 0-10 VDC, và 1-5 VDC.

Tùy vào từng loại cảm biến, cách thức hoạt động cũng khác nhau. Có loại cảm biến hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để tạo ra sự thay đổi điện trở, loại khác thay đổi điện dung, và còn loại sử dụng vật liệu áp điện. Trong số đó, dạng áp điện trở và kiểu điện dung là được sử dụng nhiều nhất.

Ứng dụng cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các nhà máy công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của cảm biến áp suất:

• Đo áp suất nước, áp suất khí nén, áp suất thuỷ lực, áp suất khí gas, áp suất của các chất lỏng khác.
• Trong hệ thống lò hơi, cảm biến áp suất được sử dụng để đo áp suất trực tiếp trong lò hơi. Vì khu vực này đòi hỏi độ chính xác cao và phải chịu nhiệt độ cao.
• Máy nén khí sử dụng cảm biến áp suất để giới hạn áp suất đầu ra, từ đó tránh các vấn đề hư hỏng và nguy hiểm như cháy nổ.
• Trạm bơm nước sử dụng cảm biến áp suất để giám sát áp suất và truyền tín hiệu về PLC hoặc biến tần để điều khiển hoạt động của bơm nước.
• Trong việc điều áp hoặc điều khiển áp suất sau van điều khiển, cảm biến áp suất đóng vai trò quan trọng để đảm bảo áp suất đầu ra sau van điều khiển.
• Trên các xe cẩu thường có các hệ thống thuỷ lực, và việc giám sát áp suất trong các hệ thống này rất quan trọng để đảm bảo lực kéo của cẩu. Do đó, cảm biến áp suất thường được lắp đặt để giám sát áp suất trên các hệ thống thuỷ lực này.
• Các bể chứa nước hoặc nguyên liệu thường sử dụng cảm biến áp suất để đo mức độ trong các bể chứa này.
• Trong các dây chuyền xử lý tự động và sản xuất linh kiện điện tử, linh kiện ô tô, cảm biến áp suất đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất và kiểm tra chất lượng.
• Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng khác mà cảm biến áp suất được sử dụng.

Cảm biến áp suất đóng góp đáng kể trong việc đo lường và kiểm soát áp suất trong các quy trình công nghiệp và ứng dụng khác nhau.