Cảm biến áp suất là thiết bị biến áp suất của khí hoặc chất lỏng thành tín hiệu điện chuẩn, thường là dòng 4–20 mA hoặc điện áp 0–10 V, để PLC, biến tần hoặc bộ hiển thị đọc được. Nhờ cảm biến áp suất, áp suất trong đường ống, bình chứa, máy nén được giám sát liên tục và đưa vào vòng điều khiển tự động, thay vì phải có người đọc đồng hồ cơ tại chỗ.
Bài này trình bày cấu tạo, bốn nguyên lý đo, tín hiệu ra, thông số datasheet và cách chọn, lắp đặt. Giá trị ghi “(tham khảo)” cần đối chiếu catalogue của model cụ thể.
Cảm biến áp suất là gì?
Cảm biến áp suất (pressure sensor, pressure transducer) là thiết bị có phần tử nhạy với áp suất, biến dạng cơ học rất nhỏ của màng đo thành tín hiệu điện tỷ lệ với áp suất. Trong thực tế, người ta còn gọi là cảm biến đo áp suất, bộ chuyển đổi áp suất hoặc pressure transmitter.
Về thuật ngữ, transducer thường xuất ra tín hiệu thô (mV/V hoặc 0–5 V), còn transmitter có mạch khuếch đại và bù nhiệt, xuất ra 4–20 mA chuẩn công nghiệp để truyền đi xa. Ở Việt Nam hai tên này dùng lẫn, nên cần xem tín hiệu ra trên datasheet.
Khác đồng hồ áp suất ở đâu
Đồng hồ áp suất cơ dùng ống Bourdon kéo kim quay, chỉ cho người đứng trước mặt đồng hồ đọc, không có tín hiệu điện. Cảm biến áp suất không bắt buộc có màn hình; giá trị được truyền về phòng điều khiển. Loại có thêm màn hình LCD tại chỗ vẫn là cảm biến, vì đầu ra điện là chức năng chính.
Cấu tạo cảm biến áp suất
Cấu tạo của một cảm biến áp suất công nghiệp gồm bốn khối: cổng áp suất kèm màng cảm biến, phần tử biến đổi, mạch khuếch đại và bù nhiệt, vỏ kèm đầu ra điện. Mỗi khối quyết định một nhóm thông số trên datasheet.
- Cổng áp suất và màng cảm biến: môi chất tác động lên màng kim loại hoặc gốm. Màng chỉ biến dạng vài micromet đến vài chục micromet trong dải đo, nên vật liệu màng phải đàn hồi tuyến tính và không bị mỏi. Cổng ren phổ biến là G1/4, 1/4″ NPT, M12×1,5, cũng có kiểu kẹp vệ sinh (tri-clamp) cho thực phẩm, dược.
- Phần tử biến đổi: chuyển biến dạng của màng thành đại lượng điện (điện trở, điện dung hoặc điện tích). Nguyên lý khác nhau cho ra đặc tính khác nhau, xem phần sau.
- Mạch khuếch đại, bù nhiệt: tín hiệu từ phần tử rất nhỏ (cỡ vài mV với cầu điện trở) và trôi theo nhiệt độ. Mạch ASIC khuếch đại, bù lệch không và độ nhạy theo nhiệt độ, rồi đổi ra 4–20 mA hoặc 0–10 V.
- Vỏ và đầu ra điện: vỏ inox 304/316L chịu môi trường, cấp bảo vệ IP65 hoặc IP67. Đầu nối là giắc DIN 43650 (Hirschmann), M12 4 chân hoặc cáp ra trực tiếp.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Bốn nguyên lý đang dùng là áp trở silicon, màng mỏng trên thép, điện dung gốm và áp điện. Ba nguyên lý đầu đo được áp tĩnh; áp điện chỉ đo áp động. Chọn sai nguyên lý cảm biến áp suất so với môi chất và dải đo là nguyên nhân thường gặp của cảm biến trôi hoặc hỏng sớm.
Áp trở (piezoresistive) silicon
Bốn điện trở khuếch tán trên màng silicon nối thành cầu Wheatstone. Khi màng cong, hai điện trở bị kéo (tăng điện trở), hai điện trở bị nén (giảm điện trở), làm cầu mất cân bằng và sinh điện áp ra tỷ lệ với áp suất. Hệ số gauge của silicon cao hơn nhiều so với lá kim loại, nên độ nhạy lớn.
Ưu điểm là nhạy, giá thấp, dải đo từ vài kPa đến vài trăm bar. Nhược điểm là chip silicon nhạy với nhiệt độ nên bắt buộc bù nhiệt, và không tiếp xúc trực tiếp với môi chất ăn mòn; chip thường được đặt sau màng inox và dầu silicone. Hợp với khí, nước, dầu thủy lực, khí nén.
Màng mỏng (thin-film) trên thép
Lớp điện trở dày vài micromet được phún xạ trực tiếp lên màng thép không gỉ, không dùng keo hay dầu truyền áp. Vì không có lớp dầu, loại này chịu được áp cao (hàng trăm đến hơn một nghìn bar, tham khảo), chịu va đập, rung và có độ ổn định dài hạn tốt.
Nhược điểm là giá cao hơn silicon ở dải thấp, không phù hợp để đo vài chục mbar. Loại này thường dùng cho thủy lực, máy ép, máy công trình, hệ thống có xung áp và rung mạnh.
Điện dung (ceramic capacitive)
Màng gốm alumina (Al2O3) tạo thành một bản cực của tụ, bản cực còn lại cố định phía sau. Áp suất làm màng cong, khoảng cách hai bản cực đổi và điện dung thay đổi theo. Mạch đo điện dung rồi đổi thành tín hiệu chuẩn.
Gốm trơ hóa học, nên chịu được nhiều axit, kiềm loãng và nước thải mà inox 316L không chịu được. Màng gốm còn chịu quá áp tốt và gần như không bị rão. Nhược điểm: gốm giòn, sốc nhiệt hoặc va đập có thể làm nứt.
Áp điện (piezoelectric)
Tinh thể thạch anh hoặc gốm áp điện sinh ra điện tích khi bị nén. Điện tích này rò dần qua điện trở cách điện của mạch, nên loại này không giữ được giá trị áp tĩnh và chỉ đo áp suất động: nổ, xung, rung, áp buồng đốt. Ưu điểm là đáp ứng tần số rất cao, đến hàng trăm kHz tùy model.
Phân loại cảm biến áp suất theo kiểu áp suất đo
Ngoài nguyên lý, cảm biến áp suất được phân loại theo áp chuẩn mà nó so sánh. Điều này quyết định giá trị 0 bar nằm ở đâu, và là lỗi chọn nhầm hay gặp nhất khi mua thay thế. Để hiểu rõ hai thang đo, xem thêm bài về áp suất tuyệt đối và áp suất dư.
| Kiểu | Áp chuẩn | Số 0 khi nào | Dùng cho |
|---|---|---|---|
| Gauge (áp suất dư) | Khí quyển, qua lỗ thông hơi | Hở với khí quyển | Đường ống, bơm, máy nén |
| Absolute (tuyệt đối) | Buồng chân không kín bên trong | Chân không tuyệt đối | Chân không, đo khí áp, tách khí |
| Sealed gauge | Buồng kín chứa khoảng 1 atm | Gần như áp suất khí quyển lúc chế tạo | Dải cao, nơi không cho hơi ẩm vào lỗ thông hơi |
| Differential (chênh áp) | Cổng áp thứ hai | Hai cổng bằng nhau | Lọc, lưu lượng, mức bình kín |
Cảm biến áp suất kiểu gauge có lỗ thông hơi nên số đọc không đổi theo thời tiết; ở dải thấp dưới 1 bar cần đảm bảo lỗ này không bị bịt hoặc ngập nước. Sealed gauge dùng cho dải cao vì dao động khí áp (khoảng ±20–30 mbar) đã nhỏ so với sai số cho phép của dải hàng chục bar.
Tín hiệu đầu ra: 4–20 mA, 0–10 V và truyền thông
Ba nhóm tín hiệu ra là dòng 4–20 mA, điện áp 0–10 V (hoặc 0–5 V) và truyền thông số. Chuẩn 4–20 mA phổ biến nhất vì truyền xa, chống nhiễu và tự phát hiện đứt dây.
Vì sao 4 mA chứ không phải 0 mA
Mức 4 mA là “live zero”: áp suất bằng 0 vẫn có dòng 4 mA. Nếu dây đứt hoặc cảm biến mất nguồn, dòng về 0 mA, PLC nhận ra giá trị nằm ngoài dải hợp lệ và báo lỗi. Với tín hiệu 0–10 V, mất tín hiệu và áp suất bằng 0 cho cùng kết quả 0 V nên không phân biệt được. Theo khuyến nghị NAMUR NE 43, dải đo hợp lệ là 3,8–20,5 mA; dòng ≤ 3,6 mA hoặc ≥ 21 mA được hiểu là báo lỗi.
Công thức đổi dòng ra áp suất cho dải Pmin đến Pmax:
P = Pmin + (I − 4) / 16 × (Pmax − Pmin)
Ví dụ cảm biến dải 0–10 bar, dòng đo được 12 mA thì P = 0 + (12 − 4)/16 × 10 = 5 bar. Dòng 13,6 mA tương ứng 6 bar. Với tín hiệu 0–10 V, áp suất bằng V/10 nhân với dải đo.
2 dây, 3 dây và cấp nguồn
Cảm biến áp suất 2 dây lấy nguồn ngay trên vòng dòng: hai dây vừa cấp nguồn vừa truyền tín hiệu, rẻ và ít nhiễu. Vòng này thường cấp bằng điện áp nguồn 24 VDC, và điện áp tối thiểu tại cảm biến khoảng 10–12 V (tham khảo). Điện trở tải tối đa tính theo R = (Vnguồn − Vmin)/0,02 A; với 24 V và Vmin 10 V, R tối đa 700 Ω. Tính theo dòng báo lỗi 21–22 mA thì tải tối đa còn khoảng 640–660 Ω.
Cảm biến áp suất 3 dây có thêm dây nguồn riêng, dòng hoặc áp ra tách khỏi vòng cấp. Loại 0–10 V thường 3 dây, và vì đo điện áp nên sụt áp trên cáp dài làm sai số; nên chỉ dùng khi cáp ngắn trong tủ.
Chuẩn 4–20 mA này dùng chung cho nhiều loại đầu đo, ví dụ cảm biến nhiệt độ, nên một module analog input của PLC có thể đọc nhiều loại thiết bị trên cùng một kiểu card.
HART và Modbus RTU
HART chồng tín hiệu số (điều chế FSK, 1200 bps) lên vòng 4–20 mA, cho phép cài dải đo, đọc chẩn đoán qua cùng đôi dây mà không ảnh hưởng giá trị analog. Modbus RTU trên RS485 dùng cho cảm biến đầu ra số, nối nhiều thiết bị trên một đôi dây xoắn, chiều dài tối đa khoảng 1200 m (tham khảo).
Thông số kỹ thuật cần đọc trên datasheet
Sáu nhóm thông số cần kiểm tra trước khi đặt hàng cảm biến áp suất là dải đo, độ chính xác, áp quá tải, nhiệt độ, vật liệu tiếp xúc và cấp bảo vệ kèm ren.
- Dải đo: ghi bằng bar, kPa, MPa hoặc psi. Hiểu rõ từng đơn vị đo áp suất để tránh nhầm giữa 10 bar và 10 psi (khác nhau khoảng 14,5 lần). Nhớ 1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa = 14,5038 psi.
- Độ chính xác: thường 0,25–0,5 %FS cho cảm biến công nghiệp (tham khảo). %FS tính trên toàn thang, trong khi %span tính trên khoảng đo đã cài. BFSL (best fit straight line) cho sai số nhỏ hơn cách tính theo điểm cuối vì bù được độ lệch đường đặc tính, nên so sánh hai hãng phải cùng cách tính.
- Áp quá tải và áp phá hủy: quá tải là áp tối đa không làm lệch đặc tính, nhiều model khoảng 2 lần dải đo; phá hủy là mức làm vỡ màng, thường khoảng 3–5 lần (tham khảo, khác nhau theo dải đo và hãng).
- Nhiệt độ: nhiệt độ môi chất và nhiệt độ môi trường, kèm sai số nhiệt (%FS/10 K). Nhiệt độ cao làm chip silicon trôi và hỏng gioăng.
- Vật liệu tiếp xúc: inox 316L cho nước, dầu, hóa chất nhẹ; gốm alumina cho môi chất ăn mòn; gioăng NBR, FKM, EPDM chọn theo môi chất.
- Cấp bảo vệ và ren: IP65 chịu tia nước, IP67 chịu ngâm tạm thời. Ren G1/4, 1/4″ NPT, M20×1,5; không lẫn ren hệ mét với ren inch.
Cách chọn cảm biến áp suất
Chọn cảm biến áp suất theo thứ tự: môi chất, áp làm việc, nhiệt độ, tín hiệu ra, rồi mới tới hãng và giá. Bỏ qua bước đầu dễ làm cảm biến hỏng sớm.
Chọn dải đo cảm biến áp suất
Dải đo nên bằng 1,5–2 lần áp làm việc, để áp làm việc nằm khoảng 50–70 % thang. Với áp làm việc 6 bar chọn dải 10 bar. Dải quá lớn làm mất độ chính xác: sai số 0,5 %FS trên dải 100 bar là ±0,5 bar, tức khoảng ±8 % tại điểm làm việc 6 bar.
Cần tính đến áp đỉnh. Khi van đóng nhanh, áp búa nước có thể vượt áp làm việc nhiều lần; theo công thức Joukowsky, Δp = ρ·a·Δv, nước với vận tốc thay đổi 1 m/s và tốc độ sóng khoảng 1000–1400 m/s cho Δp cỡ 10–14 bar. Đường ống như vậy cần dải đo và áp quá tải cao hơn, hoặc lắp bộ giảm chấn (snubber).
Chọn cảm biến áp suất theo môi chất
- Hơi nóng: không cho hơi tiếp xúc trực tiếp với cảm biến. Dùng ống siphon (loại cuộn) để hơi ngưng thành nước, lớp nước đệm giữ nhiệt độ tại màng dưới giới hạn nhiệt độ môi chất của cảm biến, với nhiều model chỉ khoảng 80–100 °C (tham khảo datasheet).
- Môi chất ăn mòn, đặc, dễ kết tinh hoặc sệt: dùng màng cách ly (diaphragm seal) kèm dầu truyền áp, hoặc cảm biến màng gốm. Màng cách ly cũng dùng cho thực phẩm, dược vì không có khe đọng.
- Nước, khí nén, dầu: inox 316L hoặc silicon là đủ cho đa số trường hợp.
Về mặt cơ khí, áp quá tải của cảm biến nên bằng hoặc lớn hơn áp thử của đường ống. Áp thử thủy lực thường lấy khoảng 1,5 lần cấp PN (tham khảo), xem thêm cấp áp suất PN của đường ống để đối chiếu với áp làm việc.
Chọn xong nguyên lý và dải đo, bạn có thể so sánh thêm giữa các dòng cảm biến theo đại lượng đo khác như nhiệt độ, mức, lưu lượng khi cần lắp trọn một cụm đo.
Một số hãng tham khảo
Trên thị trường có Wika, Endress+Hauser, Siemens, Honeywell, Keller, Yokogawa và nhiều hãng khác, mỗi hãng mạnh ở một phân khúc: dòng gọn cho OEM, dòng công nghiệp tiêu chuẩn, dòng transmitter có HART và chẩn đoán. Cần xem datasheet theo mã chính xác thay vì chọn theo tên hãng.
Cảm biến áp suất khác công tắc áp suất thế nào
Cảm biến áp suất cho tín hiệu liên tục theo áp suất thực, còn công tắc áp suất chỉ có tiếp điểm on/off, đổi trạng thái khi áp đạt ngưỡng. Cảm biến áp suất cho biết đang ở 4,2 bar hay 5,8 bar; công tắc chỉ biết đã qua 5 bar hay chưa.
Với cảm biến áp suất, ngưỡng báo động và điểm đóng cắt được đặt bằng phần mềm trong PLC, đổi lúc nào cũng được mà không cần tới hiện trường. Công tắc cơ phải chỉnh điểm đặt trên công tắc cơ bằng vít range và vít diff ngay tại thiết bị.
Đổi lại, công tắc cơ không cần nguồn cấp, bền, rẻ và là lớp bảo vệ độc lập khi hệ điều khiển hỏng. Với hệ thống an toàn như máy nén khí, nồi hơi thường giữ cả hai: cảm biến áp suất để điều khiển, công tắc để cắt khi quá áp.
Lắp đặt và bảo trì cảm biến áp suất
Lắp đúng vị trí và siết đúng mô men giúp cảm biến áp suất giữ được độ chính xác nhiều năm. Quy tắc cơ bản như sau.
- Van kim cách ly: lắp van kim (hoặc van 3 ngả) giữa đường ống và cảm biến để tháo, hiệu chuẩn mà không dừng hệ thống.
- Hơi nóng: lắp siphon giữa van và cảm biến, đổ đầy nước vào siphon trước khi cấp áp lần đầu.
- Hướng lắp: với khí, lấy áp phía trên đường ống để nước ngưng không đọng ở màng; với chất lỏng, lấy áp từ cạnh hoặc phía dưới ống để bọt khí không tích tụ, nhưng tránh đáy ống vì cặn.
- Mô men siết ren: ren G1/4 có gioăng thường siết cỡ 15–20 N·m (tham khảo, theo hướng dẫn lắp đặt của hãng). Siết quá làm méo thân và lệch điểm 0; tra mô men siết ren theo catalogue hãng, quy đổi 1 N·m = 0,738 lbf·ft nếu tài liệu ghi theo hệ inch.
- Đi dây: dây tín hiệu 4–20 mA dùng cáp xoắn đôi có bọc chống nhiễu, nối đất một đầu, tách khỏi cáp động lực.
Hiệu chuẩn định kỳ cảm biến áp suất khoảng 12 tháng một lần (tham khảo), hoặc ngắn hơn với ứng dụng quan trọng. So sánh với đồng hồ chuẩn ở ít nhất 0, 50 và 100 % dải. Bài tham khảo bên ngoài về nguyên lý: Pressure sensor (Wikipedia).
Nếu cần chọn cảm biến áp suất theo áp làm việc, môi chất, nhiệt độ và tín hiệu ra của hệ thống, Viva hỗ trợ đối chiếu thông số với catalogue hãng. Bạn có thể đến Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để xem mẫu thực tế và trao đổi trực tiếp với kỹ thuật.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất 4–20 mA đọc ra bar như thế nào?
Lấy dòng đo được trừ 4, chia 16, nhân với dải đo rồi cộng áp thấp nhất: P = Pmin + (I − 4)/16 × (Pmax − Pmin). Ví dụ cảm biến 0–10 bar cho 12 mA nghĩa là 5 bar, còn 20 mA là 10 bar. Dòng ≤ 3,6 mA theo NAMUR NE 43 thường là dấu hiệu đứt dây hoặc lỗi cảm biến.
Cảm biến áp suất khác pressure transmitter ở điểm nào?
Trong công nghiệp hai tên này hay dùng lẫn. Nói chặt chẽ, cảm biến hay transducer có thể xuất tín hiệu thô như mV/V hoặc 0–5 V, còn transmitter có mạch khuếch đại, bù nhiệt và xuất 4–20 mA để truyền xa. Khi mua cần xem tín hiệu ra ghi trên datasheet thay vì dựa vào tên gọi.
Nên chọn dải đo cảm biến áp suất bằng bao nhiêu lần áp làm việc?
Khoảng 1,5 đến 2 lần áp làm việc, để áp thường dùng nằm ở 50–70 % thang đo và vẫn còn dư cho áp đỉnh. Chọn dải lớn hơn nữa làm mất độ chính xác vì sai số tính theo %FS. Nếu hệ có búa nước, nên kiểm tra thêm áp quá tải của model.
Cảm biến áp suất đo hơi nóng có cần ống siphon không?
Có. Nhiệt độ hơi vượt giới hạn nhiệt độ môi chất của nhiều cảm biến, chỉ khoảng 80–100 °C (tham khảo datasheet). Ống siphon cho hơi ngưng thành nước, lớp nước này ngăn hơi tiếp xúc trực tiếp với màng. Cần đổ đầy nước vào siphon trước khi cấp áp lần đầu để tránh sốc nhiệt.
Bao lâu thì hiệu chuẩn cảm biến áp suất một lần?
Thông thường khoảng 12 tháng một lần (tham khảo), có thể ngắn hơn với ứng dụng cần độ chính xác cao, rung mạnh hoặc nhiệt độ thay đổi nhiều. Hiệu chuẩn bằng cách so sánh với thiết bị chuẩn ở ít nhất ba điểm 0, 50 và 100 % dải, rồi ghi lại độ lệch để xem xu hướng trôi.
