Cảm biến áp suất-Giải pháp hoàn hảo cho điều khiển đo lường áp suất

07-08-2021

Cảm biến áp suất-Ý Nghĩa của cảm biến áp suất trong điều khiển đo đường.

Cảm biến áp suất là thiết bị dùng để đo áp suất & biến đổi áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu được truyền về các bộ hiển thị hay bộ điều khiển, PLC bằng dây cáp điện. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất là tín hiệu Analog với các loại tín hiệu: 0-5V, 0-10V, 2-10V, 0,5-4.5V, 4-20mA, 0-20mA…

Trước kia chúng ta thường dùng tín hiệu ngõ ra 0-10V do các mạch điều khiển dạng vi xử lý hoặc có main board từ Nhật chỉ nhận 0-10V. Ngày nay theo xu hướng chung của thế giới tất cả các cảm biến áp suất đang chuẩn hoá dùng tín hiệu 4-20mA.

Nguyên lý của cảm biến áp suất.

Để đo áp suất chúng ta thường thấy có 02 loại: đồng hồ và cảm biến dựa trên nguyên lý chung: áp suất tuyệt đối, áp suất khí quyển (tương đối) và áp suất chênh áp.

Tương ứng với một loại đo áp suất sẽ có một ứng dụng khác nhau. Trong đó, áp suất tương đối được sử dụng tới 70% so với áp suất tuyệt đối và áp suất chênh áp. Chúng ta cùng tìm hiểu tại sao nhé.

Áp suất Tuyệt Đối

Áp suất tuyệt đối tên tiếng anh là Absolute Pressure hoạt động dựa vào nguyên tắc nén 1 bar bên trong cảm biến. Nên khi đặt trong khí quyển thiết bị đo sẽ có giá trị là 1 bar hay 1 atm. Khi lực tác dụng một lực lên bề mặt làm lớp màng sẽ biến dạng nhưng áp suất không thể thoát ra được.

Lớp màng của cảm biến khi chưa có lực tác động sẽ phẳng và có giá trị 1 bar. Khi có lực tác động Dương thì màng cảm biến sẽ bị biến dạng theo chiều lực tác động, áp suất sẽ tăng 1+ bar. Khi có lực hút thì áp suất sẽ giảm từ +1 bar xuống tới 0 bar tại giá trị chân không.

Áp suất Khí Quyển

Áp suất khí quyển còn được gọi là áp suất tương đối do cảm biến hoạt động dựa vào nguyên tắc so sánh với áp suất không khí. Khi đặt cảm biến trong khí quyển sẽ hiển thị là 0 bar hay 0 Atm. Thiết bị đo áp suất khí quyển có một lỗ thông hơi bên trong giúp đẩy không khí ra ngoài khi có lực tác động lên bề mặt cảm biến.

Lớp màng của cảm biến ban đầu phẳng khi chưa có lực tác động. Lúc này giá trị của cảm biến là 0 bar. Khi có lực tác động Dương thì áp suất sẽ tăng 0+ bar. Ngược lại khi có lực hút tác động thì áp suất sẽ giảm -0 bar cho tới -1 bar tại giá trị chân không.

Áp suất Chênh Áp

Nếu như áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển chỉ là sự tác động một chiều của áp lực lên bề mặt cảm biến thì áp suất chênh áp là sự so sánh áp suất giữa hai đầu áp suất.

Delta P =P1 – P2

Điều này có nghĩa rằng áp suất chênh áp biểu thị cho sự lớn – nhỏ của hai đầu áp suất nên có thể là Dương hoặc Âm tuỳ theo P1 hay P2 lớn hơn. Khi P1 > P2 thì áp suất dương, ngược lại P1< P2 thì áp suất âm.

Tóm lại, tất cả các loại cảm biến áp suất đều hoạt động dựa trên nguyên lý áp suất: áp suất tuyệt đối, áp suất khí quyển, áp suất chênh áp. Chúng ta cùng tìm hiểu xem cấu tạo của cảm biến áp suất như thế nào nhé.

Cấu tạo cảm biến áp suất:

Cấu tạo bên ngoài của cảm biến áp suất thường làm bằng Inox 304 không gỉ. Khả năng chống va đập cao:

Cấu tạo cảm biến áp suất

Electric connection: Kết nối điện

Amplifier: Bộ khuếch đại tín hiệu

Sensor: Màng cảm biến xuất ra tín hiệu

Process Connection: Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất)

Cảm biến áp suất 0-10 bar / Sensor Áp Suất

Cảm biến áp suất 0-10 bar điều đó có nghĩa là sensor áp suất đo được trong ngưỡng 0-10 bar. Sensor áp suất được nằm bên trong thân cảm biến là một bộ phận đóng vai trò quyết định tới chất lượng của cảm biến.

Bởi các loại màng khác nhau chỉ phù hợp cho một loại số loại môi trường nhất định. Có bốn loại màng chính được sử dụng cho cảm biến áp suất là: màng silicon, màng inox 316L, màng Ceramics và màng Inox 316L kết hợp Ceramics.

Màng silicon thường chỉ được dùng cho chất khí & chịu được áp lực thấp

Màng Inox 316L sử dụng được trong hầu hết các môi trường, nhưng sử dụng không tốt trong một số môi trường có tính ăn mòn nhẹ.

Loại màng Ceramics sử dụng tương tự như Inox 316L nhưng cho khả năng chịu được các môi trường khắc nghiệt hơn kể cả hoá chất ăn mòn nhẹ.

Màng Inox 316L kết hợp Ceramics chịu được các loại hoá chất ăn mòn trung bình

Mặc dù loại cảm biến áp suất này có thể dùng hầu hết trong các môi trường: nước, khí nén, dầu, thuỷ lực, hoá chất nhẹ … nhưng độ chính xác lại không cao do lớp màng có độ nhạy thấp nên có độ chính xác không cao.

Do được thiết kế nằm bên trong cảm biến nên chúng ta không thể nhìn thấy lớp màng này qua hình dáng bên ngoài. Các loại cảm biến cao cấp hơn sẽ được sử dụng loại màng 316L có độ nhạy cao hay mạ vàng cho các ứng dụng đặc biệt.

Cảm Biến Áp Suất 4-20mA / Bo Mạch Cảm Biến Áp Suất

Nếu bạn nghe ai đó nói tới cảm biến áp suất 4-20mA, có nghĩa là họ đang nói tới tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất. Một bo mạch nhỏ nằm bên trong cảm biến đóng vai trò quyết định cho loại tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất. Dù bạn chỉ gặp tín hiệu analog 4-20mA hay 0-10V nhưng các loại tín hiệu khác vẫn được dùng trên cảm biến áp suất:

- Tất nhiên sẽ có 0-5V

- Tín hiệu 0.5-4.5V

- Loại tín hiệu 0-20ma cũng được sử dụng trước kia

- Tín hiệu 4-20mA / HART

- Tín hiệu Modbus được tích hợp gần đây

Dù có khá nhiều loại tín hiệu khác nhau được sử dụng cho cảm biến áp suất nhưng tới 90% tín hiệu 4-20mA được sử dụng.

- 4-20mA giảm thiểu độ sai số khi kéo đi xa do không bị sụt áp như 0-10v

- Khả năng khử nhiễu cao trên 2 dây 4-20mA vừa nguồn vừa tín hiệu

Nếu được lựa chọn về tín hiệu ngõ ra tôi khuyên các bạn nên sử dụng loại 4-20mA không chỉ vì các ưu điểm trên mà còn vì nó tương thích với hầu hết các thiết bị đầu cuối ngày nay. Hầu như tất cả các thiết bị đều xem tín hiệu 4-20mA là tiêu chuẩn để kết nối.

Cảm biến áp suất nước

Trong các nhà máy sản xuất, nước là một thành phần không thể thiếu. Dù dùng ít hay nhiều thì nước luôn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất như:

- Nước làm mát hệ thống chiller

- Nước làm sạch máy móc

- Vệ sinh nhà xưởng không thể thiếu nước

- Nước thành phần không thể thiếu của lò hơi ….

Hệ thống bơm nước được thiết kế để đưa nước tới nơi cần sử dụng. Cảm biến áp suất nước đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo áp suất nước đủ mạnh cung cấp cho sản suất.

Các thang đo áp suất nước thông dụng: 0-4 bar, 0-6 bar, 0-10 bar, 0-16 bar và 0-25 bar. Với tín hiệu ngõ ra 4-20mA được được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất.

Ứng dụng cảm biến áp suất?

Cảm biến áp suất nước được dùng để đo áp suất nước trực tiếp từ các trạm bơm hay cảm biến áp suất thuỷ lực dùng để đo áp suất thuỷ lực của các cẩu trục hoặc cảm biến áp suất khí nén dùng để đo áp lực của máy nén khí.

Đó là các ứng dụng chúng ta thường thấy của cảm biến áp suất. Ngoài ra cảm biến áp suất còn được dùng để đo mức nước trong tank chứa nước …

Bộ hiển thị áp suất

Một trong những yêu cầu đơn giản nhất của việc đo áp suất là hiển thị được giá trị áp suất chính xác tại phòng điều khiển. Thông quan màn hình hiển thị áp suất chúng ta dễ dàng biết được áp suất tại đường ống là bao nhiêu bar.

Đồng hồ hiển thị áp suất giúp chúng ta đọc được giá trị áp suất từ cảm biến

Để hiển thị được giá trị áp suất chúng ta cần có các vật tư như sau:

- Cảm biến áp suất

- Bộ hiển thị áp suất hoặc bộ điều khiển / PLC …

- Dây tín hiệu kết nối

Cảm Biến Áp suất Khí

Để quạt hút hoặc quạt thổi đạt được lưu lượng gió theo mong muốn thì cảm biến áp suất phải đo được áp suất thật chính xác. Motor của quạt sẽ được điều khiển bởi biến tần để tiết kiệm điện năng. Lúc này, cảm biến áp suất điều khiển biến tần bằng tín hiệu 4-20mA.

Cảm biến áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển lưu lượng gió

Biến tần truyền tín hiệu 0-50/60Hz xuống điều khiển motor quạt. Giá trị 0Hz tương ứng với 4mA (tức 0% hay Motor dừng hẳn), tại 25Hz (max 50 Hz) sẽ tương ứng với 12mA của cảm biến áp suất. Tín hiệu của cảm biến áp suất điều khiển biến tần 4-20mA tương ứng 0-50Hz hay ngược lại 4-20mA tương ứng với 50-0Hz là tuỳ vào đây là quạt hút hay quạt thổi.

Các loại sensor cảm biến áp suất:

Cảm biến áp suất dạng điện trở

Cảm biến áp suất dạng điện trở kết nối ren thường được dùng cho các lưu chất nước, dầu, khí nén, hơi nóng… không có cáu cặn. Tùy theo yêu cầu thực tiễn khách hàng có thể lựa chọn cảm biến áp suất chỉ với tín hiệu analog ngõ ra 4-20Ma/0-5vdc/0-10vdc hoặc vừa có tín hiệu analog ngõ ra , vừa hiển thị tại chỗ, ngõ ra truyền thông HART…

Cảm biến áp suất nước

Cảm biến áp suất nước hay còn gọi cảm biến áp lực nước là một dòng cảm biến áp suất được sử dụng khá nhiều hiện nay. Các nhà máy như: nhà máy nước, xi măng, bia, thuốc lá, phân bón… đều cần dùng loại cảm biến này.

Cảm biến áp suất hơi

Cảm biến áp suất hơi hay cảm biến áp suất lò hơi là loại cảm biến được sử dụng để đo áp suất quạt hút, quạt đẩy của lò hơi. Tùy thuộc vào công suất của nồi hơi mà ta sẽ chọn loại phù hợp, thông thường ta sẽ chọn giá trị sensor áp suất cao hơn áp suất thực tế của lò hơi.

Các loại cảm biến đo áp suất này thường chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là 125oC. Nhưng thực tế khi đến ngưỡng 110oC trở lên thì cảm biến đã có hiện tượng nhiễu tín hiệu và không ổn định; cảm biến báo không chính xác vì loại cảm biến đo áp suất này không phải loại chuyên dụng đo áp suất cao. Cảm biến áp suất lò hơi muốn hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao thì phải chọn một loại khác.

Cảm biến áp suất khí nén

Cảm biến áp suất khí nén hay cảm biến đo áp suất khí nén dùng để đo áp lực đầu ra của máy nén khí nhằm đảm bảo áp suất trong mức cho phép. Cảm biến áp suất khí nén giữ vai trò quan trọng là đo áp suất của máy nén khí ở từng vị trí để bảo máy nén khí hoạt động đúng yêu cầu. Ngoài ra, cảm biến còn dùng để đo áp suất trên đường ống khí nén nhằm giám sát từng đường ống khí nén có đủ áp suất hay không.

Bên cạnh đó, cảm biến đo áp suất khí nén sử dụng để đo áp suất khí nén thay thế cho công tắc áp suất giúp bảo vệ hệ thống máy nén khí một cách tuyệt đối. Cảm biến áp suất khí nén là một trong những thiết bị tối ưu nhất trong việc giám sát và cảnh báo tình trạng khí nén (thiếu hoặc dư) chính xác nhất thông qua bộ điều khiển.

Cảm biến áp suất chân không

Cảm biến áp suất chân không hay còn gọi là cảm biến áp suất âm là một loại cảm biến khác biệt hoàn toàn so với các loại cảm biến áp lực khác với ngõ ra là tín hiệu 4-20mA. Khi không hoạt động thì giá trị ngõ ra tín hiệu của cảm biến áp suất chân không có giá trị cao nhất là 20mA ( 4-20mA ) hoặc 10v ( 0-10V ).

Cảm biến áp suất chân không được dùng nhiều trong các ứng dụng như: quạt hút và những khu vực bơm hút nước. Các cảm biến áp lực này được thiết kế giống như các cảm biến đo áp suất thông thường khác nhưng chỉ có điều là dãy đo bắt đầu từ 0 và tăng dần về âm thay vì dương như bình thường.

Cảm biến áp suất dầu thuỷ lực

Cảm biến áp suất dầu thuỷ lực được dùng nhiều trong các ứng dụng có áp lực lớn như: các ben thuỷ lực hoặc các máy ép cao su, các piston dầu thuỷ lực hay các cẩu trục.

Cảm biến áp suất dầu thủy lực được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như: hệ thống bơm điều áp, lò hơi – nồi hơi, máy nén khí… với mục đích chuyển đổi tín hiệu từ dạng áp (Hơi, khí, nước…) sang dạng dòng điện 4 – 20mA đưa về các thiết bị điều khiển khác

Cách Đấu Dây Cảm Biến Áp Suất:

Cách đấu dây cảm biến áp suất 4 dây

Cảm biến áp suất 4 dây thì việc kết nối khá đơn giản với nguồn riêng và tín hiệu riêng. Trong đó, 2 dây nguồn cấp cho cảm biến và 2 dây là tín hiệu ngõ ra. Điều quan trọng là xác định đúng 2 dây nào là nguồn cấp và dây nào là dây tín hiệu.

Cách đấu dây cảm biến áp suất 4 dây

Nguồn cấp cho cảm biến thông thường từ 9-32Vdc được in ngay trên thân cảm biến. Việc dùng nguồn 12Vdc hay 24Vdc đều phù hợp vì nằm trong khoản cho phép của cảm biến. Lưu ý là không được cấp cao hơn nguồn định mức của cảm biến để tránh gây hư hỏng.

Cách đấu cảm biến áp suất 3 dây

Sự khác biệt của cảm biến áp suất 3 dây với cảm biến áp suất 4 dây chính là thiếu mất một dây Âm (-) hay còn gọi là dây Mass. Thật ra dây Mass (0V) này được nối chung với nhau.

Cách đấu cảm biến áp suất 3 dây

Việc đấu dây cảm biến áp suất 3 dây khá đơn giản. Trong đó, 2 dây là nguồn cấp cho cảm biến và dây (+) còn lại là dây tín hiệu truyền về. Như vậy, nguồn cấp sẽ là 9 (+) và 11 (–), còn tín hiệu ngõ ra sẽ là 12 (+).

Cách đấu cảm biến áp suất 4-20mA – 2 dây

Cảm biến áp suất 4-20mA 2 dây được sử dụng phổ biến so với các loại

Cách đấu dây cảm biến áp suất 4-20mA 2 dây:

Thật ra, cảm biến áp suất 2 dây chỉ có tín hiệu ngõ ra 4-20mA lại dể sử dụng nhất trong các loại cảm biến áp suất 2 dây, 3 dây, 4 dây.

Cảm biến áp suất 2 dây mặc định chân 1 (+) và chân 2 (–). Việc kết hết hết sức đơn giản là cấp nguồn 9-32Vdc vào chân 1 (+), còn chân 2 (–) chính là ngõ ra Output 4-20mA của cảm biến áp suất.

Cách đấu dây cho các biến tần : YASKAWA, ABB, FUJI, DELTA, KCLY, INVT, MITSUBISHI

Giả sử biến tần Yaskawa có tích hợp chân phát nguồn 24Vdc tại chân số 9 (+) và 10 (–). Tín hiệu biến tần nhận vào là 4-20mA tại AI2. Như vậy, chúng ta sẽ sử dụng chân nguồn tích hợp trên biến tần để đưa tín hiệu cảm biến áp suất vào Input của biến tần. Cách kết nối như sau:

Bước 1: đấu chân 9 (+) của biến tần với chân số 1 (+) của cảm biến áp suất

Bước 2: đấu chân số 2 (–) của cảm biến áp suất với chân số 5 (+) là chân AI của biến tần

Cuối cùng: đấu chân số 6 GND (–) với chân số 10 GND (–) của biến tần với nhau

Lý giải cách đấu dây dùng nguồn 24Vdc có sẵn trên biến tần: Chân số 9 của biến tần phát nguồn cho cảm biến áp suất tại chân 1 (+). Chân số 2 (–) của cảm biến áp suất đóng vai trò là chân truyền tín hiệu 4-20mA về AI của biến tần. Hai chân 6 & 10 là chân GND đóng vai trò Mass để tạo sự chênh lệch điện áp cho cảm biến truyền tín hiệu về.

Trên thực tế các hãng sản xuất biến tần không phải lúc nào cũng tích hợp nguồn phát 24Vdc ngay trên biến tần. Chính vì thế việc kết nối các tín hiệu 4-20mA từ cảm biến áp suất hay các loại cảm biến khác tới biến tần phải thông qua bộ nguồn ngoài. Việc kết nối cảm biến áp suất với biến tần trong trường hợp này như sau:

Bước 1: Cần phải có một bộ nguồn 24vdc. Ví dụ bộ nguồn Omzon

Bước 2: Từ chân + của bộ nguồn kết nối với chân 1 (+) của cảm biến áp suất

Bước 3: chúng ta kết nối chân 2 (-2) của cảm biến với chân 5 (+) chân AI của biến tần

Bước 4: kết nối chân (–) GND của bộ nguồn với chân 6 (–) GND của biến tần

Lý giải cách đấu dây này: bộ nguồn cung cấp nguồn vào chân 1 (+) của cảm biến áp suất, chân 2 (–) của cảm biến áp suất làm chân truyền tín hiệu về biến tần. Chân âm (–) của bộ nguồn kết nối với chân âm (–) của AI (–) để tạo thành nguồn loop vòng kín.

Môi trường sử dụng cảm biến áp suất

Điều quan trọng nhất của việc chọn cảm biến áp suất chính là sử dụng đúng môi trường sử dụng của cảm biến áp suất. Bởi một số loại cảm biến áp suất chỉ sử dụng được trong môi trường đo áp suất không khí mà không thể sử dụng trong môi trường nước hoặc các môi trường khác.

Các môi trường hoá chất có tính làm ăn mòn phải chọn loại cảm biến áp suất phù hợp. Vật liệu màng cảm biến với tiêu chuẩn Inox 316L vẫn bị ăn mòn bởi các hoá chất như acid (axit) hoặc môi trường nước thải.

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HUY HOÀNG

Địa chỉ: Số 66, Ngõ 164 Đường Ỷ La, Phường Dương Nội, Q.Hà Đông, TP.Hà Nội

Hotline:0979 689 904

Email: thucnguyen.ip@gmail.com

Web: www.tudonghoahuyhoang.com