Cảm biến áp suất là gì? Nguyên lý hoạt động – Cách đổi đơn vị đo

Có bạn nào từng tự hỏi rằng áp suất là gì? Vì sao lại tồn tại áp suất? Có cách nào mà chúng ta có thể nhận biết được áp suất là bao nhiêu? Từ đó chúng ta có thể điều khiển những thiết bị hoặc module dựa vào kết quả đo được từ áp suất. Bên cạnh đó, thì có thiết bị nào có thể dùng để nhận biết được áp suất không? Bài viết hôm nay tôi muốn đề cập đến cảm biến áp suất nước, là dạng thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu đo được thành tín hiệu điện. Vậy cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất

Khái niệm về áp suất

Về khái niệm của áp suất, thì thực ra nếu bạn dùng google tra ra thì nó sẽ có. Trên đó sẽ đưa ra nhiều khái niệm khác nhau về áp suất. Khi bạn đọc hết các khái niệm này thì bạn sẽ có thể mường tượng được áp suất là gì.

Tuy vậy, tôi cũng sẽ nêu ra cách hiểu của tôi cho mọi người về áp suất.

Sự hình thành của áp suất

Khi một môi trường vật chất ở dạng chất lỏng hoặc chất rắn bị một ngoại lực tác dụng vào. Lúc này, thể tích trong bình chứa ấy sẽ bị “ép” lại. Dẫn tới, làm các phân tử nước “H₂O” sẽ di chuyển gần hoặc sát lại nhau.

Mặt khác, khi mà các phân tử nước bị “ép” như thế. Thì, các phân tử nước di chuyển và tác động một lực lên thành bình. Lực này, chúng ta đã được học trong chương trình cấp 2, đó là “Áp lực”.

Khi mà trên một đơn vị diện tích bị tác động bởi một lực từ các phân từ. Thì lúc này chúng ta sẽ hiểu nó là “Áp suất”

Công thức tính “Áp suất”

“Áp suất” là một đại lượng vật lý. Theo khái niệm trong sách giáo khoa chúng ta được học, thì nó sẽ được định nghĩ thế này:” Áp suất là độ lớn của áp lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt vật thể”

Trong đó:

• P là áp suất (N/m², Pa, Bar, PSI, Atm…
• F là Áp lực (lực) (N)
• S là diện tích tiếp xúc (m²)

Cảm biến áp suất là gì?

Để trả lời câu hỏi về cảm biến áp suất là gì?. Các bạn đã phần nào hình dung ra được cách tạo thành áp suất. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản mà hồi chúng ta đã được học cấp 2.

Vậy cảm biến áp suất là dạng thiết bị dùng để chuyển đôi giữa áp suất trong bình chứa, bình nén…thành dạng tín hiệu điện. Các loại tín hiệu điện này điển hình như là 4…20mA, 0…5Vdc, 0…10 Vdc.

Tôi sẽ lấy ví dụ cách hoạt động cơ bản của cảm biến áp suất bằng hình ảnh trên.

Nếu cảm biến áp suất trên có giải đo từ 0 – 60 bar thì nó sẽ tương ứng với tín hiệu Analog ngõ ra là 4-20mA. Bạn có thể tính toán kết quả đo dựa vào cách tính nội suy. Ví dụ, nếu chúng ta dùng PLC hoặc các module điều khiển động cơ khác, chúng ta lập trình cho nó là đến 40 bar thì sẽ mở van. Khi mà cảm biến đo được tới hoặc hơn ngưỡng này sẽ truyền tín hiệu đi. Để cho PLC biết tới mức đấy van sẽ mở ra xả nước.

Như vậy, từ ví dụ trên thì bạn đã có thể hiểu được đại khái phần nào khi dùng cảm biến áp suất trong nhà máy, xí nghiệp…

Cách hoạt động của cảm biến áp suất

Cấu tạo của cảm biến áp suất

Mỗi loại cảm biến áp suất trên thị trường, sẽ có một cấu tạo khác nhau. Thế nên, về phần cấu tạo của loại cảm biến này, tôi chỉ có thể mô tả qua một số hình ảnh mà tôi thu thập được.

Nhưng nhìn chung, những loại cảm biến này sẽ có những bộ phận cơ bản như sau:

• Phần kết nối dây điện
• Bộ phận xử lý tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu điện
• Cảm biến dùng để đo áp suất
• Cổng áp suất

Mặt khác, để tương thích với nhiều vị trí ren thì sẽ có một số loại ren khác nhau. Điển hình một số loại ren của cảm biến áp suất:

• ½” GM – BSPM
• ¼ “GM – BSPM
• ¼” NPTM
• ½” NPTM
• ¼” GM – BSPM

Tiếp đến, về phần dùng để cảm nhận áp suất từ môi trường vật chất cần đo (chất lỏng, chất khí…). Bộ phận này thông thường sẽ được làm từ vật liệu bằng kim loại, silicon, gốm.

Về phần sử lý tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu điện. Đây là bộ dùng để xử lý tín hiệu đo được từ áp suất. Sau đó sẽ chuyển đổi tín hiệu đó thành các dạng tín hiệu tiêu chuẩn. Điển hình như là từ 4…20mA, 0…20mA, 0…5 Vdc, 0…10 Vdc.

Hướng dẫn nối dây cho cảm biến

Việc đấu nối dây cho cảm biến đo áp suất nó khá là đơn giản. Tuy vậy, tôi cũng sẽ hướng dẫn cho các bạn cách nối dây cho cảm biến.

Đầu tiên, bạn phải tháo bỏ lớp nắp bảo vệ của cảm biến. Ở bên trong, nó sẽ có 4 chân nối điện.

1. Ký hiệu số 1 là chân dương
2. Ký hiệu số 2 là chân âm
3. Ký hiệu số 3 là chân dùng để đấu nối khi tín hiệu ngõ ra từ 0-10 V
4. GND, chân không có ký hiệu nghĩa là nối đất (thông thường sẽ bỏ qua chân này)

Đối với loại cảm biến áp suất, luôn phải cấp một nguồn khoảng 24V để cho cảm biến duy trì. Thế nên loại này chúng ta thường sẽ đấu kiểu dây “Active”, nghĩa là sẽ có một thiết bị dùng để cung cấp nguồn và đồng thời đọc và truyền tỉa tín hiệu.

Bảng quy đổi đơn vị áp suất

Khi bạn dùng bất kỳ thiết bị áp suất nào như là đồng hồ đo áp suất hoặc cảm biến áp suất. Thì, bạn luôn phải biết về đơn vị mà bạn đang dùng nó đang có ý nghĩa như thế nào?

Thực tế thì khi bạn dùng cảm biến áp suất, bạn sẽ ít khi để tới giá trị nó đo được. Vì chủ yếu tín hiệu đã được mã hóa thành tín hiệu tiêu chuyển từ 4-20mA hoặc 0-10V. Tuy thế, quá trình đọc hiểu thông số trên cảm biến áp suất cũng không kém phần quan trọng

Chẳng hạn như, trên tay bạn là cảm biến áp suất từ 0 tới 100 bar như hình dưới đây.

Những người dân chuyên về mảng cơ điện tử, ô tô… mà đã từng học hay tiếp xúc về khí nén. Thì họ sẽ hiểu được đơn vị bar này là như thế nào?

Vậy dựa vô điều gì mà những người trên họ có thể hiểu được đơn vị bar?

Đối với những người “ngoại đạo” thì để hiểu rõ về đơn vị trên, thì chung ta nên chuyển đổi đơn vị sao cho mình dễ hiểu bản chất của nó.

Đơn giản như là: 1 bar = 10⁵ Pa = 10⁵ N/m²

Điều này cho thấy 1 Pa = 1 N/m²

Vậy 100 bar = 10⁷ bar = 10⁷ N/m²

Thế con số 10⁷ N/m² nó lớn đến mức như thế nào?

Tôi cũng cá với các bạn, thậm chí chính tôi thời học đại học còn chưa rõ nó như thế nào nữa. Huống chi là các bạn mới tìm hiểu cũng sẽ khó hình dung với con số trên.

Kg/ m² đó là lực cắn trên 1 đơn vị diện tích (m²)

Theo như tôi tìm hiểu từ các bài báo nước ngoài, thì 1 N = 0,10197 kg (lực).  Hoặc 1 kg (lực) = 9,8 Newton. Tôi sẽ lấy con số này tiêu chuẩn cho bài viết này của tôi.

Như bạn đã thấy ở trên, lực cắn của các loài động vật khá là lớn. Và nó khá là gần gũi với các bạn, nên lấy vị dụ như trên sẽ rất trực quan và dễ hiểu.

Với những lực cắn như trên lên cơ thể con người, thì đảm bảo với các bạn là các bạn sẽ bị tổn thương nặng. Thế nên, bạn có thể hình dung ra được 10⁷ N/m² là như thế nào rồi chứ. Có thể nói, lưu lượng dòng nước chảy nó rất mạnh khi mà lực chảy của nó lên đến 100 bar.

TÓM LẠI

Hãy cùng xem lại những gì bạn đọc được hôm nay nhé!

• Có rất nhiều về khái niệm của “Áp suất” nhưng đôi khi bạn cũng khó hiểu được bản chất của nó. Ở bài viết này, thì tôi đã đưa ra ví dụ như sau: Áp suất được hình thành khi một thể tích của chất lỏng hay chất khí bị một ngoại lực tác động. Dẫn đến, làm cho thể tích trong đó bị nén lại, hay “ép” lại.
• Từ khái niệm và nguyên lý cơ bản trên, thì người ta đã áp dụng tương tự vô cảm biến áp suất. Nhưng họ đã cải tiến thêm là, cảm biến áp suất dùng để chuyển đổi giá trị đo được thành tín hiệu điện. Như thế, rất dễ dàng cho các Module hoặc thiết bị công nghiệp điều khiển động cơ khác.
• Tuy bạn có thể hiểu được cảm biến áp suất là gì? Như thế nào? Thì thêm vào đó, bạn cũng đã hiểu thêm được rằng cấu tạo cơ bản bên trong cảm biến nó có những gì?
• Phần quan trọng cuối cùng, đó là về đơn vị và hiểu đơn vị đó. Việc đổi đơn vị trong quá trình đo là một điều cần thiết đối với những người “thợ”. Nhưng mà, việc hiểu bản chất đơn vị đó như thế nào thì khá là khó hình dung. Thế nên, bạn đã được đưa ví dụ thực tế từ “lực cắn” của các loài động vật hoặc con người. Như vậy bạn sẽ có thể dễ dàng hiểu hơn về giá trị áp suất đo được.

Bạn có thể tham khảo thêm một số bài viết dưới đây:

• Đồng hồ áp suất là gì?
• Cảm biến nhiệt độ PT100 là gì?
• Cảm biến đo mức điện dung
• Tổng hợp các loại cảm biến mà bạn nên biết

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

SALES ENGINEER: Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 0342962936