Cảm biến áp suất chân không là gì? Nguyên lý – Cấu tạo – Ứng dụng của cảm biến

Cảm biến áp suất chân không

Chân không là một môi trường không có trọng lực. Chúng là một môi trường theo lý thuyết là môi trường không tồn tại vật chất. Ngày nay, có hai dạng môi trường chân không đang tồn tại. Một là môi trường chân không trong tự nhiên, hai là môi trường chân không nhân tạo. Đối với môi trường chân không trong tự nhiên, các bạn sẽ được nghe nói đến ở ngoài không gian.

Còn đối với môi trường chân không nhân tạo, dễ nhận biết thấy đó là máy hút chân không để bảo quản thực phẩm. Vậy câu hỏi đặt ra là: Áp suất chân không là gì? Làm thế nào mà chúng ta có thể đo lường được áp suất chân không? Bài viết hôm nay, mình xin chia sẽ kiến thức nói về sự hình thành áp suất chân không. Cùng với đó là phương pháp dùng cảm biến áp suất chân không để đo lường.

Áp suất chân không

Trước khi tìm hiểu về áp suất chân không, thì các bạn nên biết rằng áp suất tồn tại xung quanh chúng ta sẽ có 3 dạng áp suất phổ biến.

• Áp suất tuyệt đối (Absolute pressure)
• Áp suất chân không (Vacuum Pressure)
• Áp suất dư (Gauge Pressure)

Áp suất tuyệt đối là một dạng áp suất được tính bằng tổng giữa áp suất chân không và áp suất dư. Đây là dạng áp suất không được phổ biến hiện nay, tuy nhiên nó vẫn sẽ được ứng dụng đối với môi trường đo chênh áp.

Áp suất dư là dãy đo phổ biến nhât hiện nay, nó là ứng dụng của các loại đồng hồ đo áp suất hoặc cảm biến trong công nghiệp. Giá trị đo của nó được thể hiện bằng hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất chân không.

Áp suất chân không là gì?

Khi một môi trường khí kín được hút hết tất cả các phần tử khí có trong nó ra ngoài, thì lúc này môi trường đó sẽ được gọi là môi trường chân không. Vậy áp suất chân không là đại lượng vật lý tiêu biểu tượng trưng cho giá trị áp suất tại môi trường chân không đó. Nhưng, nếu đối với áp suất dư thì nó sẽ cho ra giá trị dương. Còn đới với áp suất chân không nó sẽ cho ra giá trị âm.

Từ đó, cảm biến áp suất chân không cũng sẽ được hay gọi với cái tên khác là cảm biến áp suất âm. Đây là tên gọi phổ biến mà nhiều người hay dùng để khi mua hàng nhất. Ngoài ra, áp suất chân không sẽ được tính bằng hiệu giữa áp suất khí quyển (1 atm) và áp suất tuyệt đối.

Ví dụ như sau: Nếu áp suất trên đồng hồ đo lường là 0 bar. Ta biết rằng, áp suất không khí hay áp suất tại mặt nước biển có giá trị là 1 atm (1,01325 bar) là cột mốc áp suất làm chuẩn. Từ đó, ta sẽ suy ra được áp suất tuyệt đối sẽ là 0 + 1,01325 = 1,01325 (bar). Vậy áp suất chân không sẽ là 1 – 1,01325 = 0,01325 (bar – gần như bằng không).

Bên trên chỉ là một bài toán mô phỏng cho các bạn dễ hiểu về cách ứng dụng tính toán các môi trường áp suất. Trên thực tế, thì chúng ta đã có sẵn hết các thiêt bị đo lường dùng để đo áp suất cho những môi trường. Dựa vô đấy, chúng ta sẽ nhận biết được áp suất đang có là bao nhiêu thôi.

Áp suất chân không bằng bao nhiêu?

Trước hết, các bạn sẽ phải hiểu rằng áp suất chân không luôn luôn cho ra giá trị âm. Vì thế, mỗi khi nhắc đến áp suất chân không mà cho ra giá trị dương thì hoàn toàn sai nhé. Trừ trường hợp, loại thiết bị đo lường ấy có thể dùng để đo cả áp suất âm và áp suất dương.

Hiện nay, giá trị đo thấp nhất đối với áp suất là -1 bar cho đến 0 bar. Nó sẽ không có giá trị áp suất thấp hơn nữa vì dựa vào công nghệ hiện đại ngày nay thì con số này “-1” này chính là giá trị tối thiểu trong áp suất.

Gía trị từ “-1 đến 0 bar” sẽ được gọi là áp suất âm hay là áp suất chân không. Còn trên 0 bar thì được hiểu là áp suất dương hay là áp suất dư. Vậy câu hỏi ở mục này thì bạn đã trả lời xong rồi phải không nhỉ.

Một số đơn vị áp suất chân không tương đương với “-1 bar” như sau:

• -1 bar = – 14,05 PSI
• -1 bar = -1000 mbar
• -1 bar = -0,987 atm
• -1 bar = -100000 Pa = -100 kPa = -0,1 MPa
• -1 bar = – 1,02 kg/cm²

Ứng dụng áp suất chân không

Ngày nay, người ta lợi dụng áp suất chân không trong rất nhiều lĩnh vực điển hình như:

• Dùng để nâng vật thể: Khi dùng áp suất chân không dùng để nâng vật thể, thì chúng ta có thể dùng phương pháp này có thể nâng khối lượng các vật thể có thể lên đến hàng tấn như là miếng sắt, miếng thép…Ngoài ra, chúng còn dùng trong các máy tự động CNC hoặc Phay trong việc cố định phôi/dao. Còn trong công nghiệp, họ sẽ dùng các đệm hút chân không trong băng truyền…
• Dùng để cô đặc chân không: Cô đặc chân không là một quá trình dùng để làm sôi các chất lỏng không ở nhiệt độ cao. Đây là một phương pháp dùng để đảm bảo chất lượng các dung dịch và dữ cho chất không bị biến chất ở nhiệt độ cao. Một số môi trường hay dùng để cô đặc như là: nước trái cây, nước ép, nước mắm, mía đường…
• Dùng trong hệ thống khử khí: chủ yếu chúng ta sẽ được bắt gặp ở những nhà máy sản xuất thực phẩm, đồ dùng gia đình, đồ chơi trẻ em, gối bông…Khi làm như vậy thì sẽ tăng được độ bền của sản phẩm giữ được lâu dài. Đơn giản bởi vì mọi vi khuẩn hoặc các chất gây hại có trong không khí đã được hút hết ra.

Cảm biến áp suất chân không

Như chúng ta đã biết, hiện nay chúng ta sẽ có hai cách dùng để đo áp suất chân không đó là:

• Đồng hồ đo áp suất chân không.
• Cảm biến đo áp suất chân không.

Đối với đồng hồ áp suất, vì nó là dạng cơ học nên tôi sẽ nó sẽ phù hợp hơn ở một bài viết khác.

Cảm biến áp suất chân không là gì?

Cảm biến áp suất chân không hay cảm biến áp suất âm là một loại cảm biến có thể đo được áp suất trong môi trường chân không. Giá trị phổ biến nhất đối với loại cảm biến áp suất chân không này chủ yếu là từ -1 đến 0 bar. Trong tiếng anh, cảm biến áp suất chân không được biết với cái tên là “Vacuum pressure transmitter”.

Đối với cảm biến áp suất chân không, tín hiệu ngõ ra của chúng sẽ thường là từ 4-20mA hoặc 0-10V. Nhưng phổ biến nhất vẫn là tín hiệu 4-20mA. Tuy nhiên, tín dạng tín hiệu của loại cảm biến này nó khác là đặc biệt.

Thông thường, đối với một cảm biến áp suất dương (trên 0 bar). Thì tín hiệu của nó sẽ tương ứng như sau: 0 bar = 4mA, các dãy áp suất cao hơn sẽ bằng 20mA. Tuy nhiên, đối vơi áp suất chân không 0 bar sẽ là 20mA, còn -1 bar là 4mA. Đây là điểm khác biệt rõ rệt của loại cảm biến áp suất này.

Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất chân không

Với cảm biến áp suất đo áp suất dương, thì nó đo sẽ được dựa trên một lực F tác dụng lên một miếng màng nhỏ có bên trong cảm biến. Thì điều này cũng tương tự nhưng nó sẽ ngược lại đối với cảm biến áp suất.

Trước hết, chúng ta phải hiểu về hiện tượng vật lý của môi trường áp suất chân không nhân tạo. Môi trường chân không sau khi được hút toàn bộ khí bên trong, cũng tương tự với áp suất dương nó sẽ sản sinh ra một áp lực F tác động. Tuy nhiên, đối với chân không nó sẽ sinh ra lực ép chứ không phải là áp lực.

Điều này có ý nghĩa gì đối với nguyên lý hoạt động của cảm biến đo áp suất chân không? Đơn giản như thế này, khi lực ép tác dụng lên một cái màng mỏng có bên trong cảm biến. Màng mỏng này sẽ được các vi mạch phân tích và chuyển đổi chúng sang tín hiệu tuyến tính từ 4 đến 20mA.

Cấu tạo cảm biến áp suất

Về phần cấu tạo cảm biến áp suất dùng đo chân không sẽ có những bộ phận cơ bản như sau:

• Electrical Connection: Dây dãn tín hiệu ngõ ra
• Signal conditioning electronics module: Vi mạch dùng để chuyển đổi áp suất sang tín hiệu tuyến tính
• Sensor: Bộ phận cảm nhận áp suất chân không
• Pressure port: Chân Ren kết nối

Phân loại cảm biến áp suất chân không

Ngoài cảm biến áp suất chân không -1 đến 0 bar. Hiện nay chúng ta còn 2 dạng cảm biến đo áp suất chân không khác. Đó là:

• Đồng hồ áp suất chân không điện tử
• Cảm biến áp suất chân không tuyệt đối

Đối với đồng hồ áp suất chân không điện tử nó hoạt động tương tự với cảm biến siêu áp suất âm. Điểm khác biệt lớn của loại đồng hồ này nó cho phép bạn đọc giá trị đo trực tiếp.

Cảm biến áp suất chân không tuyệt đối là một dạng cảm biến đo mức hoàn toàn khác với hai loại trên. Đây là loại cảm biến áp suất lấy mốc từ áp suất chân không tuyệt đối là 0 (đơn vị). Còn đối với loại cảm biến áp suất âm và đồng hồ áp suất chân không điện tử thì lấy mốc đó ở áp suất khí quyển (áp suất tại mặt nước biển = 1 atm).

Đồng hồ áp suất chân không điện tử (FKP)

Đồng hồ áp suất chân không điện tử là loại đồng hồ có những đặc điểm sau:

• Hiển thị giá trị áp suất trực tiếp trên màn hình hiển thị.
• Thay đổi được đơn vị đo (bar – MPa – mmH2O – …)
• Giải đo: -1 (bar) đến 100 bar
• Độ chính xác 0,1%
• Tín hiệu tuyến tính 4-20mA, truyền thông HART
• Hiển thị được 5 con số Digitals
• Tiêu chuẩn: ATEX zone (0, 1, 2) và zone (20, 21 ,22)
• Nguồn: 24 VDC
• Ren kết nối: ½” G hoặc ½ NPT.

Về nguyên lý hoạt động của loại đồng hồ áp suất chân không FKB này nó tương tự với cảm biến áp suất âm. Tuy nhiên, loại đồng hồ FKB còn dùng cho những khu vực cần yêu cầu kỹ thuật có độ chính xác cao.

Khi nào nên dùng đồng hồ áp suất chân không điện tử?

Ngoài yêu cần về độ chính xác cũng như khả năng phòng chống chảy nổ ra. Đồng hồ áp suất chân không này chủ yếu sẽ dùng để đo áp suất chân không của một số loại dầu.

Điển hình cho những loại dầu đó: Dầu Silicon hoặc là dầu Flo. Đây là những loại chất lỏng có độ ăn mòn với kim loại tương đối cao. Do đó, việc đo áp suất những môi trường này, thường phải cần dùng đến các loại đồng hồ áp suất chuyên dụng.

Bên cạnh về khả năng chống ăn mòn hoặc chống cháy nổ. Đó là việc hiển thị, đồng hồ áp suất này cho phép bạn đọc được 5 con số Digital. Như là 0000.0 (mbar – bar – MPa-…).

Bài viết tham khảo ứng dụng: Đồng hồ đo áp suất chân không điện từ

Cảm biến áp suất chân không tuyệt đối (FKH)

Nguyên lý hoạt động của loại cảm biến là nó lấy mốc tại điểm chân không tuyệt đối (0 bar). Do đó, khi dùng để đo áp suất chân không thì giá trị nó cho ra được hoàn toàn khác.

Ví dụ để hiểu rõ về cách đo của nó ta tiến hành như sau. Khi dùng để đo trực tiếp áp suất tại khu vực vừa dùng máy nén khí và máy tạo áp chân không.

Ban đầu, khí bên bể chứa được rút hết ra ngoài (môi trường chân không). Cảm biến áp suất FKH sẽ hiển thị trên đó là giá trị 0 (bar). Khi dần dần được nạp lại từ từ.

Từ môi trường chân không đến môi trường khí quyển. Giá trị của cảm biến sẽ hiển thị từ 0 bar đến 1 bar và hơn 1 bar. Vậy khi sử dụng loại nó ta phải hiểu cách đọc của thông số hiển thị.

Nếu, trên màn hình của cảm biến áp suất hiển thị là 0,9 bar. Thì chúng ta hiểu rằng, áp suất chân không trong đó sẽ là Pv = 1 – 0,9 = 0,1 (bar). Còn khi cảm biến áp suất hiển thị trên màn hình là 2 (bar).

Điều này, chúng ta không phải hiểu rằng là áp suất hiện tại là 2 bar. Mà nên phải hiểu theo hướng này. Áp suất mà hiện 2 (bar) đó là bao gồm áp suất chân không và áp suất dư.

Vì vậy, khi chúng ta đọc thì phải hiểu rằng áp suất hiện tại trong đó là 1 bar. Vì sao là 1 bar?

Giá trị từ chân không tuyệt đối đến áp suất khí quyển là 1 (bar). Mà áp suất xung quanh chúng ta (áp suất tại mặt nước biển) có giá trị là 1 bar. Vậy, 1 bar là giá trị áp suất đo từ áp suất khí quyển trở lên. Hiểu là áp suất tiêu chuẩn.

Còn về giá trị hiện 2 bar là phải hiểu nó là giá trị áp suất tuyệt đối (Absolute pressure).

Đặc điểm của loại cảm biến áp suất FKH:

• Nguồn: 24 VDC
• Phạm vi đo: từ 0 bar đến 30 bar
• Tín hiệu output: 4-20mA hoặc HART digital signal.
• Độ chính xác: 0,2%
• Màn hình hiển thị: 5 digitals
• Version: ATEX, IECEx
• Ren kết nối: ½ NPT hoặc ½ G

Khi nào nên dùng cảm biến áp suất chân không tuyệt đôi FKH?

Cảm biến áp suất chân không này chỉ phù hợp đối với một số chất lỏng và chất khí. Đối với chất lỏng, thì chỉ phù hợp dùng cho loại dầu Silicon.

Ứng dụng cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất chân không ngoài chức năng đo lường áp suất tại chỗ đấy là bao nhiêu bar hay mbar, thì chúng còn được dùng cho hệ thống điều khiển thiết bị tự động bằng PID. Hay sử dụng để hiển thị áp suất âm lên trên màn hình HMI hoặc trên phòng giám sát.

Đơn giản như đối với hệ thống cô đặc chân không. Đây là một hệ thống dùng để làm sôi dung dịch chất lỏng mà không cần dùng nhiệt độ cao. Hệ thống này hay dùng chủ yếu để bảo quản và tăng chất lượng sản phẩm. 

Lúc này, giá trị áp suất trong bình chân không kín sẽ được thông báo trên màn hình. Đồng thời, dựa vô tín hiệu này thì mọi bộ điều khiển dùng để điều khiển van xả. Để dễ hình dung, quá trình tự động nó diễn ra như thế này: Quá trình làm sôi dung dịch chất lỏng trong đó sẽ diễn ra theo thời gian. Ví dụ như bạn sẽ cài đặt độ trễ sau thời gian bao nhiêu phút đó. Thì phần van sẽ xả dung dịch đó qua một bộ phận khác để xử lý.

Hướng dẫn kiểm tra cảm biến áp suất chân không

Làm thế nào có thể kiểm tra được cảm biến áp suất đang còn hoạt động hay không? Chúng ta sẽ có hai cách để kiểm tra, các bạn hãy tham khảo qua để hiểu biết thêm nha.

Sử dụng đồng hồ điện tử Test 4

Đồng hồ điện tử Test 4 là một loại đồng hồ chuyên dùng đối với tín hiệu tuyến tính 4…20mA. Nó là loại đồng hồ có thể vừa đo tín hiệu và vừa phát ra tín hiệu tuyến tính.

Quá trình kiểm tra cảm biến áp suất chân không còn hoạt động hay không như sau:

Đối với đồng hồ Test 4 này bạn sẽ đổi thành sẽ sử dụng chức năng đo tín hiệu 4…20mA. Chúng ta sẽ nối chân dương của đồng hồ nối vào chân (+) của cảm biến. Và chân âm của đồng hồ sẽ nối vào chân (-) của cảm biến. Lúc này, nếu giá trị hiện trên đồng hồ ngưỡng trên 19,89mA cho đến 20mA thì cảm biến đang còn hoạt động tốt. Còn nếu giá trị mà hiển thị thấp hơn thì cảm biến bị hư nên đi bảo hành.

Đồng hồ Test 4 chỉ có nhược điểm nho nhỏ duy nhất. Đó là giá thành của nó mắc nhất so với các loại đồng hồ khác.

Sử dụng đồng hồ kim và một số loại đồng hồ điện tử 

Còn đối với những loại đồng hồ kim hoặc đồng hồ điện tử khác. Chúng ta sẽ đo đạc theo sơ đồ nối như sau:

Trước khi đo giá trị dòng điện, bạn nên nhớ điều chỉnh chế độ trước khi đo nha. Bấy giờ, nếu như giá trị hiển thị giống như giá trị tương đương phía trên. Còn không thì bạn phải đi bảo hành nó hoặc mua cái mới.

Một số lưu ý khi mua cảm biến

Dưới đây là một số điều lưu lý khi mua cảm biến áp suất chân không:

• Bạn nên để ý đến đơn vị áp suất âm là gì? Tín hiệu ngõ ra của cảm biến là loại nào?
• Ren dùng cho loại cảm biến đó là loại nào?
• Dãy đo áp suất âm từ bao nhiêu đến bao nhiêu? Hãy chú ý bạn sẽ nhầm lẫn với cảm biến đo áp suất âm và dương.

Tóm lại, bên công ty chúng mình chuyên cung cấp các loại thiết bị đo lường. Nếu như bạn đang cần tư vấn giải pháp nào thì hãy liên hệ với thông tin bên dưới nhé.

Bài viết tham khảo: Đồng hồ đo áp suất âm chân không là gì?

Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết của tôi. Chúc các bạn một ngày tốt lành!