Cảm biến áp suất và các ứng dụng của chúng

Đo áp suất là một trong những chức năng đo cơ bản nhất trong bất cứ ngành công nghiệp nào.Từ một nhà máy lọc dầu đến một chiếc xe ủi đất, việc đo áp suất khí nén, lưu chất thủy lực, chất lỏng trong các quy trình, hơi nước hoặc vô số các môi trường trung gian khác là chuyện xảy ra hằng ngày và đóng vai trò then chốt đối với tất cả các cách thức điều khiển.

Nhóm 3

Thành viên :

Võ Vinh Hiển 21101172Dương Tiến Hùng 21001305

Võ Thanh Xuân 21204709

Nội dung báo cáo

1 Lịch sử đo áp suất

2 Khái niệm và nguyên lý hoặt động

3 Phân loại cảm biến áp suất

4 Ứng dụng cảm biến áp suất

5 Giới thiệu về một số cảm biến và lưu ý khi lựa

chọn cảm biến áp suất

Năm 1648, nhà toán học kiêm nhà vật lý Blaise Pascal nghe về thí nghiệm của Torricelli.Ông tin chắc rằng lực giữa cột thủy ngân 760 mm là trọng lượng của không khí bên trên Vì thế trên một ngọn núi , lực bị giảm bởi trọng lượng của không khí giữa không khí và núi Ông tiên đoán chiều cao của cột thủy ngân sẽ tăng và ông chứng minh thí nghiệm tại ngọn núi PuydeDome tại trung tâm Pháp Pascal cũng phát biểu rằng lực này gọi là “áp suất” tác dụng đều nhau theo mọi hướng.

1 Lịch sử đo áp suất

Năm 1843, một nhà khoa học Pháp Lucien Vidie đã phát minh ra phong vũ biểu dùng cân lò xo thay vì chất lỏng để đo áp suất khí quyển Sự co giãn của lò xo dưới tác dụng của áp suất được khuyếch đại một cách cơ học trong hệ thống chỉ thị

Năm 1930, bộ chuyển đổi đầu tiên là bộ chuyển đổi cơ khí trong đó sự chuyển động của màng, lò xo hoặc ống Bourdon là vai trò của lượng điện Màn áp suất đóng vai trò là điện dung.

1 Lịch sử đo áp suất

Năm 1955, strain gauge được tích hợp cầu điện trở đầu tiên xuất hiện

Năm 2000, cộng nghệ piezoresistive là công nghệ phổ biến nhất Nó áp dụng cho các cảm biến áp suất trong dãy từ 100mbar – 1500bar

2 Khái niệm và nguyên lý hoặt động

 Trong vật lý, áp suất là một đại lượng vật lý thể hiện cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi thành phần bề mặt vật chất :

P = F/A

 Đo áp suất là đo lực tác dụng trong môi trường đàn hồi, dựa trên sự chênh lệch áp suất giữa hai vùng kế cận nhau

 Khi sử dụng các loại cảm biến trang bị thêm cơ cấu chuyển đổi tín hiệu vị trí thành tín hiệu áp lực tương đương

 Nguyên lý làm việc chung của cảm biến áp suất là dựa trên cơ sở

biến dạng đàn hồi của các phần tự nhạy với áp suất Sự biến dạng

đàn hồi đó sẽ làm di chuyển một bộ phận cơ học từ đó dẫn đến sự

thay đổi của điện trở, điện dung hay điện áp

3 Phân loại cảm biến áp suất

Nguyên lý chung là dựa trên cơ sở biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất Các phần

Cấu tạo : Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố

định và một đầu để tự do

Nguyên lý : Khi đưa chất lưu vào trong ống, áp suất tác dụng

lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và đầu tự do di chuyển

Áp suất p

Cần di động

Sơ đồ lò xo ống 1 vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan

Dưới tác dụng của áp suất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra Còn

dưới tác dụng áp suất tháp nó sẽ co lại

Cảm biến áp suất dạng lò xo

Khi giãn ra hay co lại, lò xo sẽ làm quay kim chỉ thị của áp kế

Đối với lò xo ống dạng vòng, thường phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền động để tăng góc quay

Cảm biến áp suất dạng lò xo

Màng đàn hồi

Có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp, được chế tạo bằng thép

Cảm biến áp suất dạng màng

Màng đàn hồi

Nguyên lý : khi áp suất tác dụng lên 2 mặt của màng khác nhau gây ra lực tác động lên màng, làm cho nó biến dạng Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và khác nhau tùy thuộc điểm khảo sát

Màng đàn hồi

o Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó

thường sử dụng trong phạp vi hẹp của độ dịch chuyển màng

o Màng uốn nếp có đặc phi tuyến nhỏ hơn nên có thể sử dụng

với độ võng lớn hơn màng phẳng

Cảm biến áp suất dạng màng

Màng dẻo

Khi đo áp suất nhỏ người ta dùng màng dẻo hình tròn phẳng

chế tạo từ vải cao su

Màng dẻo

Cảm biến áp suất dạng màng

Màng dẻo

Trong một số trường hợp người ta dùng màng dẻo có tấm cứng Khi đó, ở tâm màng được kẹp cứng giữa hai tấm kim loại

Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở

Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến

dạng của cấu trúc màng ( khi có áp suất tác động đến) được chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó các phần tử áp

Cảm biến áp suất dạng màng

Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở

Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với

tác động của áp suất Bốn điện trở được đặt tại 4

trung diểm của các cạnh màng, 2 cặp điện trở

song song với màng và 2 cặp điện trở vuông góc

với màng ( để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện

trở này có chiều biến dạng trái ngược nhau ) Bốn

điện trở trên được ghép lại tạo thành cầu

Wheatsone.

Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở

Khi không có áp suất tác động các điện trở ở trạng

thái cân bằng, điện áp ngõ ra bằng 0 Khi có áp

suất tác động màng mỏng bị biến dạng , các giá trị

điện trở thay đổi, cụ thể giá trị các áp điện trở

song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp

điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược

lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0 Sự thay đổi

giá trị điện trở phụ thuộc và độ biến dạng của

màng, vì vậy bằng cách kiểm tra điện áp ngõ ra đó

ta có thể tính toán được áp   suất cần đo.

Cảm biến áp suất xi phông

Ống xi phông

 Là một ống trụ xếp nếp, có khả năng biến dạng đáng kể dưới

tác dụng của áp suất

 Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon, thép hợp kim ,

 Đường kính xi phông 8 – 100mm, chiều dày thành 0.1 –

0.3mm

Ống trụ

Cấu tạo : ống có dạng hình trụ, thành mỏng, 1 đầu bịt kín, được chế tạo bằng kim loại

Cảm biến áp suất ống trụ

Ống trụ

Nguyên lý :

Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất lưu tác động lên thành ống sẽ làm cho ống biến dạng

Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện, người ta dùng bộ chuyển đổi điện

Cảm biến áp suất có thể được đặt ở đáy một bể chứa để giám sát áp suất cột chất lỏng trong bể

Cảm biến sẽ gửi tín hiệu về hệ thống xử lý trung tâm để hệ thống biết được mức chất lỏng trong bể, qua đó điểu khiển hệ thống bơm để bơm chất lỏng vào bể

4 Ứng dụng cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất cũng được dùng trong các hệ thống thủy lực để giám sát áp lực của dầu thủy lực trong đường ống bơm và xylanh Việc giám sát này giúp bảo vệ đường ống và xylanh khi áp lực

vượt quá giới hạn

Cảm biến gửi tín hiệu về hệ thống điều khiển trung tâm để điều khiển bơm

Cảm biến áp suất sử dụng trong các hệ thống nén khí : khí sau khi qua máy nén sẽ nóng lên, sau đó được đưa tới hệ thống làm mát rồi qua cảm biến áp suất để kiểm tra áp suất của khí nén Tiếp theo khí nén sẽ được đưa tới hệ thống sấy khô để loại bỏ nước rồi được nạp vào bình chứa (hệ thống này được dùng để nạp gas vào bình)

5 Giới thiệu về một số cảm biến và lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất

Các lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất :

 Độ chính xác

 Hiệu suất nhiệt độ

 Điều kiện môi trường

 Sự ổn định của tín hiệu

 Chu kỳ lặp lại.

cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất Siemens Sitrans P500

Ưu điểm :

Độ chính xác cao, ≤ ± 0.03%

Độ bền và sự ổn định theo thời gian cao : 0.05%/ 5 năm

Chịu được nhiệt độ lớn lên đến 125 oC

Tầm đo rồng : 0 ~ 125 mbar

Màn hình hiển thị thân thiệt với người dùng

5 Giới thiệu về một số cảm biến và lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất Siemens Sitrans P DS III

Thường được dùng để đo áp suất tuyệt đối, sự chênh lệch áp suất của

dòng chảy và mực chất lỏng

Ưu điểm :

Độ chính xác ≤ ± 0.075%

Độ bền và sự ổn định theo thời gian : 0.25%/ 5 năm

Tầm đo rộng : 0 ~ 10 mbar hay 0 ~ 400 bar

cảm biến áp suất

Cảm biến Sitrans P 300

Cảm biến sitrans p 300 thường được ứng dụng với các ngành công nghiệp

thực phẩm, dược phẩm, đồ uống nhờ vào độ chính xác cao cũng như độ

bền của sản phẩm Cảm biến được chế tạo từ thép không rỉ

Độ chính xác ≤ ± 0.075%

Độ bền và sự ổn định theo thời gian : 0.25%/ 5 năm

Tầm đo rộng : 0 ~ 10 mbar hay 0 ~ 400 bar

5 Giới thiệu về một số cảm biến và lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất Siemens Sitrans P 280

Với ưu điểm lớn là thiết bị đo áp suất điều khiển không dây, thiết kế nhỏ gọn, tiêu

thụ điện năng cực thấp ( với nguồn cấp điện là pin ) nên thiết bị thường được lắp

đặt trực tiếp lên buồng chứa, ổng dẩn ở những nơi khó quan sát.

Độ chính xác cao, ≤ ± 0.025%

Độ bền và sự ổn định theo thời gian cao : 0.5% / 1 năm

Tầm đo rộng : 0 ~ 100 mbar đến 0 ~ 25 bar

Chế tạo từ vật liệu cao cấp thép 1.4305

cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất Siemens Sitrans P 250

Là cảm biến nhỏ gọn nhất dùng để đo áp suất vi sai Sự chênh lệch áp suất sẽ

được phát hiện với cảm biến bằng gốm sứ, rồi sau đó chuyển đổi thành tín hiệu 4

~ 20 mA hay 0 ~ 10 VDC

Độ chính xác cao, ≤ ± 1 %

Độ bền và sự ổn định theo thời gian cao : 0.5% / 1 năm

Tầm đo rộng : 0 ~ 100 mbar đến 0 ~ 25 bar

Chế tạo từ vật liệu cao cấp thép 1.4305

5 Giới thiệu về một số cảm biến và lưu ý khi lựa chọn cảm biến áp suất

Cảm biến Sitrans P 300

Cảm biến sitrans p 300 thường được ứng dụng với các ngành công nghiệp

thực phẩm, dược phẩm, đồ uống nhờ vào độ chính xác cao cũng như độ

bền của sản phẩm Cảm biến được chế tạo từ thép không rỉ

Độ chính xác ≤ ± 0.075%

Độ bền và sự ổn định theo thời gian : 0.25%/ 5 năm

Tầm đo rộng : 0 ~ 10 mbar hay 0 ~ 400 bar

quan tâm theo dõi của thầy giáo cùng các bạn !!!

Tài liệu tham khảo

-Tài liệu trên google

- Thư viện bài giảng điện tử

- …