Công tắc áp suất là gì? Nguyên lý, các loại và cách chọn

Công tắc áp suất (còn gọi là rơ le áp suất, pressure switch, presostat) là thiết bị đóng hoặc ngắt tiếp điểm điện khi áp suất của khí hoặc chất lỏng đạt tới giá trị đặt trước. Tiếp điểm này điều khiển trực tiếp contactor bơm, máy nén, van điện từ hoặc đưa tín hiệu báo động về tủ điều khiển, không cần bộ xử lý trung gian.

Bài này giải thích nguyên lý, điểm đặt và độ chênh, cấu tạo của công tắc cơ, các kiểu màng, piston, Bourdon, điện tử, cách đọc thông số, ứng dụng thực tế và cách lắp đặt, cài đặt ban đầu. Giá trị phụ thuộc hãng được ghi “(tham khảo)”.

Công tắc áp suất là gì?

Công tắc áp suất là thiết bị cảm nhận áp suất bằng phần tử cơ (màng, piston, ống Bourdon) hoặc cảm biến điện tử, rồi chuyển trạng thái tiếp điểm khi áp qua ngưỡng. Đầu ra chỉ có hai trạng thái đóng và mở, khác với bộ chuyển đổi cho tín hiệu liên tục.

Tên gọi thay đổi theo ngành: rơ le áp suất ở các xưởng cơ khí, presostat trong ngành lạnh và nồi hơi, pressure switch trong tài liệu tiếng Anh. Đều là cùng một thiết bị. Nguyên lý tương tự công tắc nhiệt độ: một đại lượng vật lý làm chuyển động cơ cấu và đổi trạng thái tiếp điểm, chỉ khác phần tử cảm nhận.

Nguyên lý hoạt động và khái niệm điểm đặt, độ chênh

Áp suất tác dụng lên phần tử cảm biến tạo ra lực F = P × A. Lực này đối kháng với lực lò xo điểm đặt. Khi lực áp thắng lực lò xo, cơ cấu lật tiếp điểm. Chỉnh độ nén lò xo là chỉnh điểm đặt.

Điểm cắt, điểm đóng lại và độ chênh

Công tắc không đổi trạng thái ở đúng một giá trị mà có hai. Với bơm tăng áp hay máy nén, đó là điểm cắt (cut-out) khi áp tăng và điểm đóng lại (cut-in) khi áp giảm. Khoảng cách giữa hai điểm là độ chênh, còn gọi là vi sai (differential, hysteresis). Ví dụ bơm cắt ở 3 bar và đóng lại ở 2 bar thì độ chênh là 1 bar.

Cần độ chênh để tránh đóng cắt liên tục. Nếu hai điểm trùng nhau, áp dao động nhẹ quanh ngưỡng sẽ làm tiếp điểm đóng ngắt hàng chục lần mỗi phút. Mỗi lần đóng, động cơ bơm hút dòng khởi động gấp 5–7 lần dòng định mức, nên cuộn dây nóng, tiếp điểm contactor mòn, bơm hỏng sớm. Độ chênh nhỏ đồng nghĩa với đóng cắt dày.

Độ chênh có hai kiểu: cố định theo thiết kế cơ cấu, hoặc chỉnh được bằng vít diff. Quan hệ giữa vít range và vít diff tùy hãng và model: có loại vít range đặt điểm trên và tăng diff làm điểm dưới hạ xuống; có loại vít range đặt điểm dưới và tăng diff làm điểm trên tăng lên. Trước khi chỉnh phải đọc hướng dẫn của đúng model.

Tiếp điểm NO, NC và SPDT

• NO (thường hở): tiếp điểm hở khi không đủ áp, đóng khi áp đạt ngưỡng.
• NC (thường đóng): ngược lại, đóng khi áp thấp, mở khi áp đạt ngưỡng.
• SPDT (một cực, hai tiếp điểm): có chân chung C, một chân NO, một chân NC. Một thiết bị dùng được cho cả hai kiểu đấu nối.

Mạch bảo vệ nên đấu theo nguyên tắc an toàn khi hỏng (fail-safe): dùng tiếp điểm ở trạng thái đóng khi áp bình thường, để đứt dây hay mất áp đều làm mạch hở và hệ thống dừng. Với bảo vệ thiếu áp đó là tiếp điểm NO (đóng khi áp đã vượt ngưỡng), với bảo vệ quá áp là tiếp điểm NC.

Cấu tạo công tắc áp suất cơ

Loại cơ có bốn bộ phận chính: phần tử cảm biến, lò xo điểm đặt, cơ cấu bật nhanh và tiếp điểm điện.

• Phần tử cảm biến: màng, piston hoặc ống Bourdon nhận áp suất từ cổng ren và đổi thành lực hoặc chuyển vị.
• Lò xo điểm đặt và vít range: vặn vít range nén lò xo, qua đó đặt điểm cắt (hoặc điểm đóng, tùy hãng) trong dải chỉnh.
• Vít diff: điều chỉnh độ chênh trên các model có tính năng này.
• Cơ cấu bật nhanh (snap-action): microswitch có lò xo lưỡng ổn, bật tiếp điểm trong thời gian rất ngắn khi vượt điểm tới hạn. Nếu tiếp điểm nhích chậm, hồ quang kéo dài và tiếp điểm bị cháy.
• Tiếp điểm: thường là bạc hoặc hợp kim bạc, nối ra domino hoặc giắc DIN.

Các loại công tắc áp suất

Công tắc áp suất được chia theo phần tử cảm biến: màng, piston, ống Bourdon và điện tử, ngoài ra có loại công tắc chân không và công tắc chênh áp. Mỗi kiểu phù hợp một dải áp và loại môi chất khác nhau.

Công tắc áp suất kiểu màng

Màng đàn hồi (cao su hoặc kim loại) có diện tích lớn nên một áp suất nhỏ vẫn sinh lực đủ lớn. Nhờ vậy kiểu màng nhạy với áp thấp, từ vài chục mbar; màng cao su thường dùng đến vài bar, màng kim loại cao hơn (tham khảo). Kiểu này hợp với khí, nước, gió. Giới hạn là áp tối đa thấp hơn piston, và màng cao su bị lão hóa theo nhiệt độ, môi chất.

Công tắc áp suất kiểu piston

Piston có diện tích nhỏ nên cần áp cao mới thắng lò xo. Kiểu này chịu được áp từ vài chục đến vài trăm bar (tham khảo), phù hợp hệ thủy lực, bơm cao áp. Đổi lại, ma sát gioăng làm độ chênh lớn hơn và độ nhạy kém hơn kiểu màng, gioăng piston cũng mòn theo thời gian.

Công tắc áp suất kiểu ống Bourdon

Ống Bourdon có xu hướng duỗi thẳng khi có áp, đầu ống kéo cần gạt tác động microswitch. Kiểu này cho dải trung bình, chuyển vị lớn nên ổn định điểm đặt, và thường dùng làm công tắc tiếp điểm gắn trên đồng hồ. Nhược điểm là chịu rung và áp quá tải kém hơn piston.

Công tắc áp suất điện tử

Công tắc áp suất điện tử có cảm biến (thường silicon hoặc màng mỏng), mạch so sánh và ngõ ra rơ le hoặc transistor PNP/NPN. Điểm đặt và độ chênh cài bằng phím trên màn hình, độ chính xác tốt hơn công tắc cơ; với ngõ ra transistor không có tiếp điểm cơ nên tuổi thọ đóng cắt cao. Nhiều model có thêm ngõ ra analog 4–20 mA. Cần nguồn cấp, thường 12–24 VDC, và giá cao hơn loại cơ.

Công tắc chân không và công tắc chênh áp

Công tắc chân không có dải chỉnh âm, đặt theo áp suất dưới khí quyển, dùng bảo vệ bơm chân không và hút giữ. Muốn hiểu số đọc âm cần phân biệt áp suất chân không với áp tuyệt đối và áp dư.

Công tắc chênh áp có hai cổng, so sánh hai áp suất và đổi trạng thái theo hiệu của chúng. Ứng dụng điển hình là báo nghẽn lọc dầu, lọc gió, hoặc bảo vệ mất lưu lượng bơm (áp đầu đẩy trừ áp đầu hút).

Thông số khi chọn công tắc áp suất

Sáu nhóm thông số cần kiểm tra khi chọn công tắc áp suất: dải chỉnh, độ chênh, tải tiếp điểm, môi chất và vật liệu, kết nối ren, cấp IP, kèm áp tối đa chịu được.

• Dải chỉnh: điểm cắt dự kiến nên nằm khoảng giữa dải để đặt chính xác nhất. Dải ghi bằng bar, psi hoặc MPa; nếu chưa nắm chắc đơn vị áp suất, nên quy đổi hết về bar trước khi so sánh (1 bar = 14,5038 psi = 0,1 MPa).
• Độ chênh: chọn model có độ chênh đủ rộng cho bơm, máy nén; độ chênh nhỏ làm đóng cắt dày.
• Tải tiếp điểm: ghi theo AC và DC riêng. Tải DC thấp hơn nhiều so với AC ở cùng điện áp. Dòng AC qua điểm 0 hai lần mỗi chu kỳ nên hồ quang tự tắt, còn dòng DC không có điểm 0, hồ quang duy trì và đốt tiếp điểm. Ví dụ ghi 10 A/250 VAC nhưng chỉ vài ampe ở 24 VDC (tham khảo). Tải cảm (cuộn contactor, van điện từ) còn nặng hơn tải trở.
• Môi chất và vật liệu màng: NBR cho nước, dầu khoáng, khí nén; EPDM cho nước nóng, hơi thấp áp, glycol nhưng không hợp dầu khoáng; FKM cho dầu nhiên liệu, hóa chất; thân và cổng inox cho môi chất ăn mòn.
• Kết nối ren: G1/4, 1/4″ NPT hoặc 1/8″; kiểm tra ren hệ mét hay hệ inch trước khi mua.
• Cấp IP: IP54 cho tủ điện, IP65 trở lên cho môi trường ngoài trời, nhiều bụi nước.
• Áp tối đa chịu được: áp quá tải của phần tử cảm biến, luôn cao hơn dải chỉnh; áp cao hơn mức này làm vỡ màng.

Tại điểm này cần kiểm tra điện áp và loại tải để chọn đúng điện áp tiếp điểm (220 VAC hoặc 24 VDC), không áp dụng thông số AC cho mạch DC.

Một số hãng tham khảo

Các hãng phổ biến gồm Danfoss, SMC, Parker, Honeywell, WIKA. Danfoss và Saginomiya mạnh ở ngành lạnh, SMC và Parker ở khí nén và thủy lực, WIKA ở dòng công nghiệp. Chọn theo mã cụ thể và datasheet, không chọn theo thương hiệu.

Để xem các mã cụ thể trong ngành lạnh và công nghiệp, tham khảo danh mục công tắc áp suất Danfoss, Saginomiya kèm dải chỉnh và độ chênh từng model.

Ứng dụng của công tắc áp suất

Thiết bị này xuất hiện ở mọi hệ thống có bơm, máy nén hoặc cần bảo vệ quá áp. Bảng dưới là dải chỉnh gợi ý, chỉ để tham khảo ban đầu; điểm đặt thật phải theo áp làm việc và thiết kế của từng hệ.

Với nồi hơi, công tắc áp suất là thiết bị điều khiển và bảo vệ phụ, không thay cho van an toàn. Với PCCC, điểm đặt phải theo hồ sơ thiết kế và quy định của cơ quan thẩm duyệt.

Công tắc áp suất và cảm biến áp suất

Công tắc áp suất chỉ báo trạng thái trên hoặc dưới ngưỡng, còn cảm biến áp suất 4–20 mA cho giá trị áp liên tục, truyền về PLC để hiển thị, ghi dữ liệu và điều khiển PID. Bảng sau so sánh hai loại.

Hai thiết bị bổ sung cho nhau. Máy nén khí dùng cảm biến để điều tốc và ghi áp, đồng thời giữ công tắc cơ làm lớp cắt quá áp độc lập, hoạt động ngay cả khi PLC mất nguồn.

Lắp đặt và cài đặt ban đầu công tắc áp suất

Lắp công tắc ở vị trí áp ổn định, ít rung, dễ tiếp cận để chỉnh và kiểm tra.

• Vị trí: lấy áp ở đoạn ống thẳng, xa đầu đẩy bơm và van đóng nhanh vì tại đó có xung áp, dễ làm công tắc nhảy sai.
• Chống rung: không bắt trực tiếp lên thân bơm hoặc máy nén rung mạnh; nối qua ống mềm hoặc ống đồng cong. Nếu xung áp lớn, thêm van kim hoặc cuộn giảm chấn để giảm tốc độ truyền áp tới màng.
• Siphon cho hơi: với hơi nóng lắp ống siphon để hơi ngưng thành nước, tránh nhiệt độ cao làm hỏng màng và gioăng.
• Hướng lắp: theo catalogue; nhiều model đặt đứng, cổng ren hướng xuống để nước ngưng không đọng.
• Đấu dây: kiểm tra đúng chân C, NO, NC; tải cảm cần mạch dập hồ quang (RC hoặc diode với tải DC).

Cài đặt ban đầu

Công tắc xuất xưởng thường có điểm đặt sẵn, thường chưa khớp với hệ của bạn. Cài lần đầu theo trình tự: đặt điểm cắt trước, sau đó chỉnh độ chênh để có điểm đóng lại phù hợp, cuối cùng chạy thử. Cách thực hiện từng bước có trong hướng dẫn cách chỉnh công tắc áp suất, gồm cả lưu ý với từng vít range và vít diff.

Nên lắp thêm đồng hồ áp suất đối chứng cạnh công tắc: đọc áp thực khi tiếp điểm nhảy và so sánh với điểm đặt trên vít, vì thang vít chỉ là gần đúng. Kiểm tra lại định kỳ vì lò xo bị chùng, điểm đặt có thể trôi theo thời gian. Xem thêm tài liệu về Pressure switch (Wikipedia).

Nếu cần chọn công tắc áp suất theo áp làm việc, tải tiếp điểm và môi chất, 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 và trao đổi trực tiếp với kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp về công tắc áp suất