Cảm biến áp suất là gì?
Cảm biến áp suất (pressure sensor / pressure transmitter) là thiết bị đo áp suất của chất lỏng hoặc khí và chuyển đổi thành tín hiệu điện để hệ thống điều khiển xử lý. Đây là một trong những loại cảm biến được dùng nhiều nhất trong công nghiệp — hệ thống lạnh, đường ống hơi, máy nén khí, lọc nước, dầu khí, hóa chất.
Phân loại theo kiểu đo
1. Gauge pressure (áp suất dư)
Đo áp suất so với áp suất khí quyển tại điểm đặt cảm biến. Đây là kiểu phổ biến nhất trong công nghiệp.
- Ví dụ: đường ống nước 3 bar gauge = 3 bar cao hơn khí quyển = ~4 bar absolute
- Ký hiệu: barg, psig
- Dùng cho: đường ống nước, khí nén, hơi nước, dầu thủy lực
2. Absolute pressure (áp suất tuyệt đối)
Đo áp suất so với chân không tuyệt đối (0 Pa). Áp suất khí quyển ≈ 101,325 kPa absolute.
- Dùng cho: thiết bị bay, chưng cất chân không, đo độ cao, khí tượng
- Ký hiệu: bara, psia
3. Differential pressure (áp suất vi sai)
Đo hiệu áp suất giữa 2 điểm. Có 2 cổng vào (high và low pressure).
- Ứng dụng: đo lưu lượng qua orifice plate, đo mức bồn chứa, theo dõi tắc nghẽn bộ lọc
- Dải đo thường rất nhỏ: 0–100 mbar, 0–1 bar differential
Nguyên lý hoạt động
Hầu hết cảm biến áp suất hiện đại dùng một trong hai nguyên lý:
- Piezoresistive (strain gauge trên màng silicon): áp suất làm biến dạng màng mỏng, strain gauge dán trên màng thay đổi điện trở. Mạch Wheatstone bridge khuếch đại tín hiệu. Chính xác, ổn định, giá hợp lý.
- Piezoelectric: áp suất biến thiên nhanh (va đập, âm thanh) tạo ra điện áp tức thì. Không đo được áp suất tĩnh. Dùng cho đo áp suất động trong xilanh động cơ, thủy lực động.
Tín hiệu đầu ra 4–20 mA
Chuẩn 4–20 mA là tín hiệu chuẩn công nghiệp cho cảm biến áp suất. Ví dụ với cảm biến 0–10 barg → 4–20 mA:
| Áp suất (bar) | Dòng điện (mA) | Tính toán |
|---|---|---|
| 0 | 4 mA | Điểm “live zero” — dây không đứt |
| 2,5 | 8 mA | 25% dải đo |
| 5 | 12 mA | 50% dải đo |
| 7,5 | 16 mA | 75% dải đo |
| 10 | 20 mA | 100% dải đo |
| — | <3,6 mA | Báo lỗi cảm biến hoặc đứt dây |
Công thức quy đổi: P = (I − 4) × (P_max − P_min) / 16 + P_min
Trong PLC, module AI đọc tín hiệu 4–20 mA và quy đổi thành số nguyên (raw value). Ví dụ Mitsubishi Q68AD: 4 mA = 0, 20 mA = 4000 raw units. Cần lập trình tỉ lệ để ra giá trị áp suất thực.
Kết nối 2 dây và 4 dây
- 2 dây (loop-powered): phổ biến nhất — cảm biến lấy nguồn từ chính vòng dòng điện 4–20 mA. Chỉ cần 2 dây từ nguồn 24 V qua cảm biến vào module AI. Nguồn tối thiểu 12 V để cảm biến hoạt động.
- 4 dây: cấp nguồn riêng (2 dây) và tín hiệu riêng (2 dây). Dùng khi cần cấp điện áp cao hơn hoặc khi cảm biến cần công suất lớn hơn mức 4–20 mA cung cấp được.
Lựa chọn cảm biến áp suất
- Chọn dải đo: áp suất làm việc tối đa phải nằm trong 60–80% dải cảm biến (tránh đầu thang)
- Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ chất đo: cảm biến silicon bị drift khi nhiệt độ chất đo >120°C
- Vật liệu tiếp xúc: inox 316L cho hóa chất, thực phẩm; inox 304 cho khí nén, nước thông thường
- Kết nối ren: G1/4″, G1/2″, NPT 1/4″ — phổ biến nhất là G1/4″ trong công nghiệp nhẹ