Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là thiết bị chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, giúp giám sát và điều khiển chính xác. Việc hiểu và lựa chọn đúng là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hệ thống.

Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ tác dụng, nguyên lý hoạt động, phân loại, ứng dụng, cách lựa chọn cụ thể và những thương hiệu phổ biến trên thị trường hiện nay.

1. Cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất (Pressure Sensor/Transducer/Transmitter) là thiết bị điện tử chuyển đổi áp suất vật lý (khí, lỏng) thành tín hiệu điện (4-20mA, 0-10V) tỷ lệ, phục vụ đo lường và điều khiển. Theo báo cáo của MarketsandMarkets, thị trường cảm biến áp suất toàn cầu đạt 12,4 tỷ USD năm 2023, chứng minh vai trò quan trọng trong công nghiệp hiện nay.

Phân biệt với các thiết bị liên quan:

• Đồng hồ đo áp suất (Pressure Gauge): Cơ học, chỉ hiển thị giá trị, không truyền tín hiệu, phù hợp cho kiểm tra thủ công.
• Công tắc áp suất (Pressure Switch): Chỉ đóng/ngắt tại ngưỡng cài đặt, không đo liên tục như cảm biến.

Bảng so sánh nhanh:

2. Tác dụng của cảm biến áp suất

Sensor này mang đến những tác dụng như sau:

1. Giám sát và đo lường áp suất chính xác: Cảm biến áp suất cung cấp dữ liệu thời gian thực với độ chính xác cao (lên đến ±0,5% FS). Ví dụ: Trong nhà máy lọc dầu, cảm biến Autonics PSAN giám sát áp suất đường ống, đảm bảo vận hành ổn định.
2. Kiểm soát quy trình tự động: Tích hợp với PLC/HMI, cảm biến điều khiển bơm, van, máy nén theo áp suất cài đặt. Ví dụ: Trong hệ thống bơm tăng áp, cảm biến duy trì áp lực nước ổn định, tránh gián đoạn cung cấp.
3. Đảm bảo an toàn hệ thống: Phát hiện kịp thời quá áp, sụt áp, rò rỉ, bảo vệ thiết bị và con người. Ví dụ: Trong nồi hơi, cảm biến phát hiện áp suất vượt 10 bar, kích hoạt van xả, ngăn nổ.
4. Tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng: Duy trì áp suất ổn định, giảm lãng phí năng lượng. Ví dụ: Trong máy nén khí, cảm biến giúp điều chỉnh công suất, tiết kiệm đến 20% điện năng (theo Energy Star).
5. Thu thập dữ liệu và phân tích: Hỗ trợ bảo trì dự đoán và cải tiến quy trình nhờ kết nối IIoT. Ví dụ: Trong nhà máy thép, cảm biến ghi dữ liệu áp suất lò, giúp dự đoán thời điểm bảo trì, giảm 15% chi phí downtime (theo McKinsey).

3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

3.1 Nguyên tắc chung của nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp suất hoạt động bằng cách: áp suất tác động lên bộ phận cảm biến, gây biến dạng hoặc thay đổi vật lý (điện trở, điện dung); thay đổi này được chuyển thành tín hiệu điện thô, sau đó mạch xử lý khuếch đại và chuẩn hóa thành tín hiệu đầu ra (4-20mA, 0-10V). Quy trình đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp với tự động hóa công nghiệp.

3.2 Các công nghệ cảm biến phổ biến

3.2.1 Công nghệ Strain Gauge (Áp Trở - Piezoresistive)

Đây là công nghệ phổ biến nhất, sử dụng màng gắn cảm biến áp trở kết nối qua cầu Wheatstone. Khi áp suất khiến màng biến dạng, điện trở thay đổi, tạo tín hiệu điện tỷ lệ. Autonics PSAN/PSB ứng dụng công nghệ này, đạt độ chính xác ±0,5% FS, phù hợp cho đo lường khí và chất lỏng.

3.2.2 Công nghệ Điện Dung (Capacitive)

Áp suất làm màng ngăn di chuyển, thay đổi khoảng cách giữa các bản cực, dẫn đến thay đổi điện dung. Công nghệ này ổn định, chịu quá áp tốt, thường dùng trong môi trường khắc nghiệt. Theo Honeywell, cảm biến điện dung có độ bền gấp 2 lần so với Strain Gauge trong ứng dụng dầu khí.

3.2.3 Công nghệ Áp Điện (Piezoelectric)

Vật liệu áp điện (như thạch anh) sinh điện tích khi chịu áp suất, phù hợp đo áp suất động (rung động, sóng áp suất). Công nghệ này ít dùng trong đo tĩnh nhưng lý tưởng cho thử nghiệm nổ. Omega báo cáo ứng dụng áp điện chiếm 10% thị trường cảm biến áp suất.

3.2.4 Công nghệ Màng (Diaphragm-Based)

Màng ngăn (thường bằng inox 316L hoặc ceramic) cách ly môi chất và truyền áp suất đến bộ phận cảm biến. Vật liệu màng quyết định khả năng chống ăn mòn; ví dụ, ceramic phù hợp với hóa chất. Autonics sử dụng màng inox cho dòng PSAN, đảm bảo độ bền trong môi trường công nghiệp.

3.2.5 Công nghệ MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

MEMS tích hợp cảm biến siêu nhỏ trên chip silicon, cho kích thước gọn, độ chính xác cao (±0,1% FS). Dùng trong y tế, ô tô và IIoT. Theo Statista, MEMS dự kiến chiếm 30% thị trường cảm biến áp suất vào 2030 nhờ xu hướng thu nhỏ hóa.

3.3 Giải mã tín hiệu ngõ ra

Analog:

• 4-20mA: Phổ biến nhất, chống nhiễu tốt, truyền xa đến 1km, dùng trong PLC (đấu nối: 2 dây, vòng lặp dòng).
• 0-10V/0-5V/1-5V: Phù hợp hệ thống gần, ít nhiễu (đấu nối: 3 dây). Theo Autonics, 4-20mA chiếm 70% ứng dụng công nghiệp.

Digital/Relay: Ngõ ra ON/OFF cho điều khiển đơn giản, tích hợp trên cảm biến có hiển thị (VD: Autonics PSAN-D).

Truyền thông số: Modbus RTU, IO-Link hỗ trợ hệ thống hiện đại, cho phép đọc dữ liệu và cấu hình từ xa. Autonics cung cấp đầy đủ các tùy chọn tín hiệu, đáp ứng mọi nhu cầu tự động hóa.

Dưới đây là bảng so sánh tín hiệu 4-20mA, 0-10V, và Modbus về khoảng cách truyền, độ nhiễu, và ứng dụng:

Ghi chú:

• 4-20mA phổ biến nhất nhờ độ bền tín hiệu và tính đơn giản.
• 0-10V phù hợp cho khoảng cách ngắn, chi phí thấp.
• Modbus lý tưởng cho tích hợp số hóa, theo xu hướng công nghiệp 4.0.

4. Các loại cảm biến áp suất phổ biến trên thị trường

4.1 Phân loại theo nguyên lý đo áp suất

4.1.1 Cảm biến tương đối

Cảm biến áp suất đo áp suất so với áp suất khí quyển tại điểm đo, là loại phổ biến nhất. Ứng dụng: Giám sát áp suất trong máy nén khí, bơm nước. Gợi ý: Dòng PSAN Autonics (độ chính xác ±0,5% FS), phù hợp cho khí nén và chất lỏng, Omron E8F2 và Omron E8Y Series.

4.1.2 Cảm biến tuyệt đối

Đo áp suất so với chân không tuyệt đối (0 bar), dùng khi áp suất khí quyển ảnh hưởng kết quả. Ứng dụng: Đo độ cao trong hàng không, thí nghiệm khoa học. Dòng PSA Autonics, lý tưởng cho môi trường phòng sạch, ​​Omron E8F2, Omron 2SMPB Series.

4.1.3 Cảm biến áp suất chênh áp / Vi sai

Đo sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm. Ứng dụng: Đo mức chất lỏng trong bồn kín, lưu lượng qua tấm Orifice, kiểm tra tắc nghẽn bộ lọc HVAC. Gợi ý: Dòng PSAN-D Autonics, cung cấp tín hiệu chính xác cho hệ thống tự động, Omron ZN-PD Series và Omron E8Y Series.

4.1.4 Cảm biến áp suất chân không

Chuyên đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (âm áp). Ứng dụng: Hút chân không trong đóng gói thực phẩm. Gợi ý: Dòng PSB của Autonics, Omron E8F2, Omron ZN-PD Series, tối ưu cho quy trình sản xuất.

4.1.5 Cảm biến áp suất niêm kín

Đo áp suất so với áp suất tham chiếu cố định được niêm kín, thường dùng trong môi trường khắc nghiệt. Ứng dụng: Đo áp suất dưới nước sâu. Gợi ý: Omron E8F2, Omron D8M Series

4.2 Phân loại theo dải đo

• Áp suất thấp: <10 bar (VD: HVAC, y tế).
• Áp suất trung bình: 10-100 bar (VD: thủy lực, khí nén).
• Áp suất cao: >100 bar (VD: dầu khí, lò hơi). Theo MarketsandMarkets, cảm biến áp suất trung bình chiếm 60% thị trường công nghiệp.

4.3 Phân loại theo môi chất đo

Cảm biến được thiết kế cho khí nén, nước, dầu, hơi nước, hóa chất, hoặc thực phẩm. Ví dụ: Cảm biến cho thực phẩm cần màng ceramic hoặc inox 316L để đảm bảo vệ sinh. 

4.4 Phân loại theo vật liệu chế tạo

• Inox 304/316L: Chống ăn mòn, phổ biến trong hóa chất, thực phẩm.
• Ceramic: Chịu hóa chất mạnh, dùng trong dược phẩm.
• Hastelloy: Chống ăn mòn cực cao, dùng trong dầu khí.

4.5 Phân loại theo kiểu kết nối

• Ren: G1/4, G1/2, NPT (phổ biến cho khí nén, thủy lực).
• Mặt bích (Flange): Dùng trong bồn chứa lớn.
• Clamp: Dành cho thực phẩm, dược phẩm, dễ vệ sinh.

4.6 Phân loại theo cấp bảo vệ

• IP65: Chống bụi, nước phun (phù hợp nhà xưởng).
• IP67: Chống ngâm tạm thời (dùng ngoài trời).
• IP68: Chống ngâm lâu dài (dưới nước).

4.7 Phân loại theo tính năng đặc biệt

• Có màn hình hiển thị: Dễ cài đặt và đọc trực tiếp
• Chống cháy nổ (Ex): Phù hợp dầu khí, hóa chất (Autonics có dòng đạt chuẩn ATEX).
• Chịu nhiệt độ cao: Dùng trong lò hơi (lên đến 150°C). 

5. Ứng dụng của cảm biến áp suất

• Hệ thống thủy lực & khí nén: Cảm biến áp suất giám sát áp suất trong xy-lanh, đường ống, bình tích áp, đảm bảo vận hành ổn định. 
• Máy nén khí & Bơm: Điều khiển bật/tắt máy nén, giám sát áp suất đầu ra để tránh quá tải.
• Lò hơi & Hệ thống nhiệt: Giám sát áp suất hơi và nước cấp, phát hiện quá áp để đảm bảo an toàn.
• HVAC: Đo áp suất gió trong đường ống, kiểm tra tắc nghẽn bộ lọc khí.
• Công nghiệp Thực phẩm & Đồ uống (F&B): Đo áp suất trong bồn chứa, đường ống, đảm bảo vệ sinh với kết nối Clamp và vật liệu inox 316L. 
• Công nghiệp Hóa chất & Dược phẩm: Giám sát áp suất trong lò phản ứng, bồn chứa hóa chất, yêu cầu vật liệu chống ăn mòn và chống cháy nổ. 
• Ngành Nước & Xử lý nước thải: Đo áp suất đường ống, mức nước trong bể, hỗ trợ vận hành bền vững.
• Ngành Dầu khí & Khai khoáng: Đo áp suất trong giếng dầu, đường ống, yêu cầu chống cháy nổ và chịu áp cao.
• Sản xuất Ô tô & Phương tiện vận tải: Giám sát áp suất dầu, nhiên liệu, lốp xe để đảm bảo hiệu suất. 
• Thiết bị Y tế: Đo áp suất trong máy thở, máy đo huyết áp với độ chính xác cao (±0,1% FS).

6. Hướng dẫn chi tiết cách lựa chọn cảm biến áp suất

Bước 1: Xác định rõ yêu cầu ứng dụng

Để chọn cảm biến áp suất phù hợp, cần trả lời các câu hỏi:

• Môi chất cần đo: Khí nén, nước, dầu, hóa chất? Có ăn mòn, độ nhớt cao, hay nhiệt độ bất thường (VD: >100°C)?
• Dải áp suất: Min/Max và áp suất làm việc thông thường (VD: 0-10 bar)?
• Loại áp suất: Tương đối, tuyệt đối, chênh áp, hay chân không?
• Nhiệt độ: Nhiệt độ môi trường và môi chất (VD: -20°C đến 80°C)?
• Độ chính xác: Yêu cầu ±0,5% FS hay cao hơn (±0,1% FS)?
• Tín hiệu ngõ ra: 4-20mA, 0-10V, Modbus để kết nối với PLC, HMI?
• Kiểu kết nối cơ khí: Ren G1/4, NPT1/2, hay Clamp cho thực phẩm?
• Môi trường lắp đặt: Có rung động, ẩm ướt, bụi, hay nguy cơ cháy nổ (yêu cầu ATEX)?
• Màn hình hiển thị: Cần hiển thị tại chỗ hay chỉ truyền tín hiệu?
• Ngân sách: Dự kiến chi phí để cân đối giữa tính năng và giá thành?

Ví dụ: Trong hệ thống bơm nước, bạn cần cảm biến đo áp suất tương đối, dải 0-16 bar, tín hiệu 4-20mA, kết nối ren G1/2, và IP65 để chống ẩm.

Bước 2: Đọc và hiểu thông số kỹ thuật (Datasheet)

Thông số kỹ thuật là chìa khóa để chọn đúng cảm biến. Các thông số quan trọng bao gồm:

• Pressure Range: Dải áp suất (VD: 0-10 bar).
• Overpressure: Áp suất tối đa chịu được mà không hỏng (VD: 150% FS).
• Accuracy: Độ chính xác, gồm Linearity (sai lệch đường thẳng), Hysteresis (sai lệch khi tăng/giảm áp), và Repeatability (tính lặp lại, thường ±0,5% FS).
• Output Signal: 4-20mA, 0-10V, Modbus, hoặc relay ON/OFF.
• Response Time: Thời gian phản hồi (VD: <5ms cho ứng dụng nhanh).
• Temperature Error: Sai số do nhiệt độ (VD: ±0,02%/°C).
• Wetted Parts Material: Vật liệu tiếp xúc môi chất (VD: inox 316L, ceramic).
• Process Connection: Kiểu kết nối (VD: G1/4, Clamp).
• Electrical Connection: Đầu nối điện (VD: DIN43650, cáp tích hợp).
• IP Rating: Cấp bảo vệ (VD: IP65 chống bụi/nước phun).
• Certifications: Chứng nhận như CE, ATEX cho môi trường cháy nổ.

Ví dụ: Trên datasheet Autonics (tải tại autonics.com), các thông số này được trình bày rõ ràng trong bảng “Specifications” và “Ordering Information”. Ví dụ: Dòng PSAN ghi rõ dải đo, tín hiệu, và vật liệu màng, giúp bạn dễ dàng chọn mã phù hợp.

Bước 3: Lựa chọn thương hiệu và nhà cung cấp uy tín

• Tại sao chọn cảm biến áp suất Autonics?
  Autonics là thương hiệu Hàn Quốc hàng đầu, nổi bật với độ bền, độ chính xác (±0,5% FS), và đa dạng dòng sản phẩm (PSA, PSAN, PSS) phù hợp từ khí nén đến thực phẩm. Dòng PSAN hỗ trợ tín hiệu 4-20mA/Modbus, kết nối ren G1/4-G1/2, và đạt IP67.
• Tại sao chọn cảm biến áp suất Omron?
  Omron (Nhật Bản) cung cấp cảm biến với công nghệ tiên tiến, độ tin cậy cao, đặc biệt cho ngành y tế và ô tô. Dòng E8F2 nổi bật với màn hình hiển thị và khả năng đo áp suất chênh áp chính xác.

DACO - Nhà phân phối chính thức thương hiệu Autonics và Omron với hơn 15 năm kinh nghiệm tại Việt Nam

• Nhà phân phối chính thức: Cam kết 100% hàng chính hãng từ Autonics và Omron, cung cấp đầy đủ CO/CQ.
• Tồn kho lớn: Đảm bảo giao hàng nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu gấp.
• Đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm: Tư vấn chuyên sâu, hỗ trợ chọn mã sản phẩm tối ưu theo ứng dụng.
• Chính sách giá tốt và bảo hành chính hãng: Bảo hành 12-24 tháng theo tiêu chuẩn nhà sản xuất.
• Hỗ trợ kỹ thuật sau bán hàng: Hướng dẫn lắp đặt, xử lý sự cố tận tâm.

Xem thêm các sản phẩm cảm biến áp suất Autonics và Omron tại DACO hoặc liên hệ nhanh hotline để nhận tư vấn tốt nhất: 0904675995.

7. Hướng dẫn lắp đặt, bảo trì và khắc phục sự cố cơ bản

7. 1 Lưu ý quan trọng khi lắp đặt

• Chọn vị trí phù hợp: Tránh nơi rung động mạnh, nhiệt độ quá cao (>80°C), hoặc ẩm ướt vượt mức IP của cảm biến.
• Lắp đúng chiều: Đảm bảo ren hoặc kết nối cơ khí đúng hướng dòng chảy, siết lực vừa đủ (dùng gioăng PTFE hoặc keo làm kín, tránh rò rỉ).
• Môi chất đặc biệt: Sử dụng van cách ly cho hóa chất ăn mòn, ống siphon cho hơi nóng (>100°C) để bảo vệ cảm biến.

7.2 Đấu nối tín hiệu điện

• Đấu đúng cực tính: Kiểm tra sơ đồ đấu nối trên datasheet (VD: 4-20mA dùng 2 dây, 0-10V dùng 3 dây).
• Kiểm tra tín hiệu: Đảm bảo đúng loại tín hiệu (current hay voltage) với thiết bị nhận (PLC/HMI).
• Dây dẫn chống nhiễu: Sử dụng cáp bọc giáp cho môi trường nhiễu điện từ (VD: gần động cơ, biến tần).

Ví dụ: Với Autonics PSA, đấu dây + (đỏ) và - (đen) vào nguồn 24VDC, kiểm tra vòng lặp dòng 4-20mA trước khi vận hành.

7.3 Bảo trì định kỳ

• Kiểm tra điểm 0: Định kỳ xác minh tín hiệu đầu ra tại áp suất 0 (VD: 4mA cho 4-20mA).
• Kiểm tra rò rỉ: Xem xét kết nối cơ khí, gioăng, và màng cảm biến có dấu hiệu hư hỏng.
• Vệ sinh: Nếu môi chất bẩn (VD: dầu, bùn), tháo cảm biến và làm sạch màng bằng dung môi phù hợp, tránh dùng vật sắc nhọn.

Theo Autonics, bảo trì 6-12 tháng/lần giúp cảm biến duy trì độ chính xác ±0,5% FS.

7.4 Các lỗi thường gặp và cách kiểm tra sơ bộ

• Tín hiệu ra bằng 0 hoặc max:
• Kiểm tra nguồn cấp (24VDC đủ không?).
• Xem dây tín hiệu có đứt/hở mạch.
• Kiểm tra cảm biến có bị kẹt màng hoặc hỏng (liên hệ kỹ thuật nếu cần).
• Tín hiệu không ổn định:
• Kiểm tra nhiễu điện từ (di chuyển dây khỏi nguồn nhiễu).
• Xem vị trí lắp có rung động mạnh.
• Đảm bảo nguồn cấp ổn định (±10% dao động).
• Tín hiệu sai lệch:
• Kiểm tra điểm zero (reset nếu cảm biến hỗ trợ).
• Xem xét hiệu chuẩn lại (dùng thiết bị chuẩn áp suất).
• Kiểm tra màng cảm biến có bị bám bẩn hoặc ăn mòn.

Việc hiểu rõ nguyên lý, phân loại, và cách chọn đúng cảm biến giúp tối ưu hóa quy trình và tiết kiệm chi phí. Autonics và Omron là thương hiệu đáng tin cậy với các dòng sản phẩm đa dạng đáp ứng mọi nhu cầu. DACO – nhà phân phối chính thức Autonics và Omron – cam kết cung cấp hàng chính hãng, giá tốt, và hỗ trợ kỹ thuật tận tâm, là đối tác lý tưởng cho giải pháp cảm biến áp suất của bạn.

8. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q1: Cảm biến áp suất 4-20mA hoạt động như thế nào?

Tín hiệu 4-20mA tỷ lệ với áp suất đo được (4mA = áp suất min, 20mA = áp suất max). Nó truyền dữ liệu qua vòng lặp dòng, chống nhiễu tốt, tích hợp dễ với PLC/HMI.

Q2: Sự khác biệt giữa cảm biến tương đối và tuyệt đối là gì?

Cảm biến tương đối đo so với áp suất khí quyển (VD: 1 bar tại mực nước biển), phù hợp khí nén, bơm. Cảm biến tuyệt đối đo so với chân không (0 bar), dùng trong đo độ cao, phòng sạch.

Q3: Làm thế nào để chọn dải đo cảm biến áp suất cho phù hợp?

Chọn dải đo gấp 1,5-2 lần áp suất làm việc thông thường để tránh quá tải. Ví dụ: Hệ thống 10 bar nên chọn cảm biến 0-16 hoặc 0-25 bar.