Cảm biến áp suất khí

Cảm biến áp suất khí là gì?

Cảm biến áp suất khí là thiết bị chuyển đổi tín hiệu áp suất khí thành tín hiệu điện có thể đo được. Nó cảm nhận sự thay đổi áp suất khí thông qua các thành phần nhạy cảm và chuyển đổi chúng thành các tín hiệu điện tiêu chuẩn như điện áp, dòng điện hoặc tần số để xuất ra, có thể được đọc, ghi lại và giám sát từ xa bởi PLC, DCS, thiết bị hiển thị kỹ thuật số hoặc hệ thống SCADA.

Không giống như các đồng hồ đo áp suất cơ học truyền thống chỉ có thể đọc giá trị tại chỗ, ưu điểm cốt lõi của cảm biến áp suất khí là tín hiệu có thể được truyền tải, ghi lại và tích hợp vào hệ thống tự động hóa. Một đường tín hiệu duy nhất có thể cung cấp phản hồi thời gian thực về dữ liệu áp suất tại chỗ cho phòng điều khiển, giúp việc điều khiển trở nên hiệu quả hơn. đo áp suất Đây là một phần cơ bản của tự động hóa công nghiệp hiện đại và sản xuất thông minh.

Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử), các cảm biến áp suất khí hiện đại đang nhanh chóng phát triển theo hướng thu nhỏ, độ chính xác cao, tiêu thụ điện năng thấp và sản xuất hàng loạt.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất khí

Nguyên tắc hoạt động cốt lõi của cảm biến áp suất khí Mục đích là chuyển đổi tín hiệu áp suất khí thành tín hiệu điện có thể đo được. Mấu chốt là tận dụng các đặc tính vật lý của các linh kiện nhạy cảm với áp suất, những đặc tính này thay đổi theo áp suất, và sau đó chuyển đổi sự thay đổi này thành các tín hiệu điện tiêu chuẩn thông qua các mạch tiếp theo để xuất ra.

Các nguyên tắc cảm biến chính hiện nay bao gồm:

• Hiệu ứng áp điện trở: Sử dụng hiệu ứng áp điện trở của vật liệu bán dẫn silicon - khi chip silicon biến dạng dưới áp suất, giá trị điện trở của nó thay đổi tương ứng, và sự thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành điện áp đầu ra thông qua mạch cầu Wheatstone. Đây hiện là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực công nghiệp, với ưu điểm là độ nhạy cao, tốc độ phản hồi nhanh và chi phí tương đối thấp, phù hợp với điều kiện làm việc chung của khí và chất lỏng trong phạm vi 0-1000 bar.

• Điện dung Thiết bị này phát hiện sự thay đổi giá trị điện dung bằng cách tạo ra sự thay đổi khoảng cách giữa các bản cực tụ điện thông qua áp suất. Có khả năng chống quá áp mạnh và độ ổn định lâu dài tốt, thích hợp để đo áp suất thấp và siêu nhỏ hoặc trong môi trường ăn mòn.

  

• Vật liệu áp điện: Một số vật liệu (như tinh thể thạch anh) tạo ra điện tích dưới áp lực và phát ra tín hiệu điện, thích hợp cho việc đo áp suất động.
• Quang học: Sử dụng sự thay đổi đặc tính quang học của sợi quang hoặc cách tử dưới áp suất để thực hiện phép đo, thích hợp cho môi trường nhiễu điện từ mạnh.

Các loại cảm biến áp suất khí

Theo các tiêu chuẩn đo lường khác nhau, cảm biến áp suất khí chủ yếu được chia thành các loại sau:

• Cảm biến áp suất tuyệt đối: đo áp suất so với chân không tuyệt đối, thường được sử dụng để theo dõi áp suất khí quyển và đo độ cao.
• Cảm biến áp suất đo : Đo áp suất tương đối so với áp suất khí quyển xung quanh, ví dụ như hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS).
• Cảm biến áp suất chênh lệch: đo sự khác biệt giữa hai điểm áp suất và được sử dụng rộng rãi trong điều khiển lưu lượng đường ống và giám sát sự sụt giảm áp suất của bộ lọc.
• Cảm biến áp suất kín: Dựa trên áp suất tham chiếu kín cố định, phù hợp với các kịch bản công nghiệp cụ thể.

Các kịch bản ứng dụng điển hình của cảm biến áp suất khí

1. Ngành công nghiệp dầu khí

Ngành công nghiệp dầu khí là một trong những lĩnh vực ứng dụng đầy thách thức nhất đối với cảm biến áp suất khí. Áp suất làm việc của các đường ống dẫn khí tự nhiên đường dài có thể đạt tới 35-100 bar, và các yêu cầu về định mức áp suất, chứng nhận chống cháy nổ và lựa chọn vật liệu đối với bộ truyền áp suất là cực kỳ nghiêm ngặt. Quá trình vận chuyển khí tự nhiên trải rộng trên năm dải áp suất: đường ống dẫn khí chính đường dài áp suất cao (35-100 bar), đường ống dẫn khí tỉnh (16-35 bar), đường ống áp suất cao đô thị (1,6-4 bar), đường ống phân phối áp suất trung bình (0,1-1,6 bar) và người dùng cuối áp suất thấp (dưới 0,1 bar), mỗi dải đều có các yêu cầu về thiết bị hoàn toàn khác nhau.

Trong các ứng dụng dầu khí, chứng nhận chống cháy nổ là điều kiện tiên quyết hàng đầu để lựa chọn thiết bị. Khí tự nhiên thuộc nhóm khí IIC, và các thiết bị chống cháy nổ đạt tiêu chuẩn Ex db IIC T6 phải được lựa chọn cho các khu vực nguy hiểm (Vùng 1/Vùng 2). Ngoài ra, khí tự nhiên thường chứa một lượng nhỏ hydro sunfua (H₂S), có tính ăn mòn đối với màng thép không gỉ thông thường. Do đó, cần phải sử dụng vật liệu thép không gỉ 316L cho các bộ phận tiếp nhận chất lỏng.

2. Tự động hóa công nghiệp và điều khiển quy trình

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, cảm biến áp suất khí được sử dụng rộng rãi trong giám sát áp suất đường ống, điều khiển hệ thống khí nén, giám sát hoạt động máy nén khí và các trường hợp khác. Cho dù đó là giám sát áp suất của các bình phản ứng trong nhà máy hóa chất hay điều khiển áp suất đường ống của hệ thống máy nén khí, cảm biến áp suất khí có độ tin cậy cao đều không thể thiếu.

3. Điện tử ô tô

Điện tử ô tô là một thị trường ứng dụng quan trọng cho các cảm biến áp suất khí, chủ yếu bao gồm hệ thống giám sát áp suất đường ống nạp động cơ (cảm biến MAP) và hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS).

4. Thiết bị y tế

Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, các thiết bị như máy thở, máy gây mê và máy đo huyết áp đều dựa vào các cảm biến áp suất khí có độ chính xác cao để đạt được sự kiểm soát lưu lượng và áp suất khí chính xác.

5. Giám sát môi trường và hệ thống HVAC

Việc đo áp suất tại các trạm khí tượng, phát hiện áp suất trong các hệ thống giám sát chất lượng không khí, và giám sát áp suất và chênh lệch áp suất của các hệ thống HVAC đều dựa trên các cảm biến áp suất khí.

Hướng dẫn chung về lựa chọn cảm biến áp suất khí

Việc lựa chọn đúng là chìa khóa để đảm bảo độ chính xác, ổn định và an toàn của phép đo. Sau đây là sáu yếu tố phổ biến cần được xem xét khi lựa chọn:

1. Phạm vi áp suất

Dải đo là thông số kỹ thuật cơ bản nhất của cảm biến áp suất khí. Khi lựa chọn, cần đảm bảo dải đo của cảm biến bao phủ giá trị tối đa của áp suất mục tiêu, đồng thời vẫn giữ lại một biên độ an toàn nhất định. Dải đo thông thường dao động từ kPa đến MPa.

2. Loại tín hiệu đầu ra

Chọn tín hiệu đầu ra phù hợp theo yêu cầu giao diện của hệ thống điều khiển (PLC/DCS):

• Tín hiệu dòng điện hai dây 4-20 mA: tín hiệu tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất trong lĩnh vực công nghiệp, có khả năng chống nhiễu mạnh và phù hợp cho truyền dẫn đường dài.
• Tín hiệu điện áp 0-5 V/0-10 V: thích hợp cho truyền dẫn khoảng cách ngắn.
• Giao tiếp kỹ thuật số HART: có thể chồng lớp giao tiếp kỹ thuật số lên tín hiệu 4-20 mA, hỗ trợ cấu hình tham số từ xa và chẩn đoán.
• Giao thức RS-485 Modbus: Thích hợp cho việc kết nối mạng đa điểm và giám sát tập trung từ xa.

3. Khả năng tương thích với phương tiện truyền thông

Tính chất hóa học của khí cần đo quyết định trực tiếp việc lựa chọn vật liệu cho cảm biến. Khi đo các khí ăn mòn (như khí tự nhiên chứa H₂S, khí clo, khí amoniac, v.v.), cần sử dụng thép không gỉ 316L hoặc vật liệu hợp kim đặc biệt cho các bộ phận tiếp xúc. Khi đo các khí đặc biệt như hydro, cần phải xem xét cả vấn đề giòn hydro.

4. Mức độ chính xác

Độ chính xác của cảm biến áp suất khí công nghiệp thường được biểu thị bằng phần trăm của thang đo đầy đủ (% FS), với các mức độ chính xác phổ biến bao gồm ± 0,1% FS, ± 0,25% FS, ± 0,5% FS, v.v. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như đo lường thương mại, nên sử dụng các sản phẩm có độ chính xác 0,1 hoặc 0,25.

5. Chứng nhận chống cháy nổ

Cảm biến áp suất được sử dụng trong môi trường khí dễ cháy nổ phải đạt chứng nhận chống cháy nổ tương ứng:

• Loại chống nổ (Ex d): Vỏ có thể chịu được các vụ nổ bên trong mà không bị hư hại và sẽ không gây cháy nổ trong môi trường dễ cháy bên ngoài.
• Loại an toàn nội tại (Ex ia/Ex ib): Tia lửa điện hoặc hiệu ứng nhiệt sinh ra trong điều kiện hoạt động bình thường và điều kiện sự cố không đủ để gây cháy nổ trong môi trường dễ cháy.
• Khi lựa chọn, cần phải xác định loại khí độc hại, nhóm nhiệt độ và cấp độ vùng (Vùng 0/1/2) trong khu vực lắp đặt.

6. Phạm vi nhiệt độ hoạt động

Cảm biến áp suất khí cần phải thích ứng với các nhiệt độ môi trường khác nhau. Phạm vi nhiệt độ hoạt động điển hình cho các sản phẩm công nghiệp là từ -40°C đến 85°C. Trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ cao hoặc thấp, cần lựa chọn các sản phẩm có phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng.

Hướng dẫn lựa chọn đặc biệt cho các loại môi chất khí khác nhau

Tính chất hóa học của các loại khí khác nhau rất đa dạng, đòi hỏi các vật liệu, quy trình và thiết kế cảm biến cũng rất khác nhau. Sau đây là phân tích chi tiết về việc lựa chọn các thiết bị đo áp suất khí công nghiệp thông dụng:

Cảm biến áp suất nitơ

Nitơ là một trong những khí trơ được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, và việc đo áp suất của nó không phức tạp, nhưng nó có những yêu cầu đặc biệt trong các trường hợp cần độ tinh khiết cao và áp suất cao.

• Phương pháp đo thông thường: Đối với các đường ống dẫn nitơ thông thường, một cảm biến áp suất đa năng là đủ để đáp ứng các yêu cầu.
• Nitơ tinh khiết cao: Trong các ngành công nghiệp như bán dẫn đòi hỏi độ tinh khiết cực cao (ví dụ: ≥ 99,999%), cần phải lựa chọn các cảm biến làm bằng thép không gỉ SUS 316L để tránh ô nhiễm khí do các mối nối hợp kim đồng và các vật liệu khác gây ra.
• Bình khí áp suất cao: Khi đo áp suất của bình khí nitơ áp suất cao, nên chọn sản phẩm có phạm vi đo từ 1,5 đến 2 lần áp suất làm việc, và ưu tiên sử dụng chất lỏng giảm chấn (như glycerin) để giảm thiểu sốc áp suất và rung động trong quá trình nạp và xả khí.
• Yêu cầu về khả năng chống cháy nổ: Tại các khu vực nguy hiểm như nhà máy hóa dầu, phải lựa chọn các sản phẩm chống cháy nổ được chứng nhận bởi ATEX hoặc IECEx.

Cảm biến áp suất không khí/oxy

Đo nồng độ không khí là phương pháp phổ biến nhất, nhưng đo nồng độ oxy tinh khiết lại đòi hỏi các yêu cầu an toàn cao nhất và cụ thể nhất trong tất cả các loại khí.

• Khí nén: Là môi chất đo phổ biến nhất, người ta thường chọn cảm biến áp suất đa năng. Trong các hệ thống khí nén như máy nén khí, nên chọn các cảm biến có đầu ra tín hiệu tiêu chuẩn như 4-20mA để phù hợp với điều khiển tần số biến đổi.
• Oxy: Bản thân oxy không dễ cháy, nhưng nó có đặc tính hỗ trợ cháy mạnh. Dưới áp suất cao, nó phản ứng mạnh với các chất hữu cơ như dầu và mỡ, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.
• Yêu cầu cốt lõi: Quy trình "không sử dụng dầu": Đây là ưu tiên hàng đầu trong việc lựa chọn cảm biến oxy. Các cảm biến cần được sản xuất, làm sạch và đóng gói bằng quy trình "không sử dụng dầu".
• Chất lỏng đặc biệt: Để tránh phản ứng oxy hóa giữa dầu silicon thông thường và oxy, cảm biến cần được đổ đầy dầu trơ (như chất bôi trơn chứa flo) bên trong (® Oil).

Cảm biến áp suất carbon dioxide (Cảm biến áp suất CO₂)

Việc đo áp suất CO₂ chủ yếu được chia thành hai hướng: giám sát môi trường và làm lạnh công nghiệp, với những khác biệt đáng kể về yêu cầu kỹ thuật.

• Giám sát môi trường: chủ yếu đo nồng độ thấp (như 400-10000 ppm), thường sử dụng cảm biến nồng độ CO₂ thay vì các thiết bị đo áp suất thuần túy.
• Làm lạnh công nghiệp: Trong các hệ thống làm lạnh CO₂, áp suất rất cao (thường vượt quá 30 bar), và cần phải chọn các cảm biến áp suất được thiết kế đặc biệt cho áp suất cao để đảm bảo khả năng chịu áp suất và bảo vệ quá tải của chúng đáp ứng được các yêu cầu áp suất cực cao.

Cảm biến áp suất hydro

• Đo lường hydro là một thách thức lớn trong lĩnh vực thiết bị công nghiệp, với trọng tâm là giải quyết hai vấn đề chính: "sự giòn do hydro" và "sự thẩm thấu hydro".
• Hiện tượng giòn do hydro: Các nguyên tử hydro xâm nhập vào mạng tinh thể kim loại, khiến màng trở nên giòn và đột ngột bị gãy dưới tác động của ứng suất thấp hơn nhiều so với cường độ bình thường.
• Hiện tượng thẩm thấu hydro: Các nguyên tử hydro sẽ xuyên qua màng thép không gỉ và đi vào buồng dầu silicon bên trong để tạo thành bọt khí, gây ra hiện tượng trôi điểm 0 và phạm vi đo của cảm biến, cuối cùng dẫn đến hỏng hóc.
• Màng mạ vàng: Mạ vàng trên bề mặt màng thép không gỉ là một phương pháp hiệu quả để ngăn chặn sự thẩm thấu của hydro.
• Vật liệu đặc biệt: Trong môi trường hydro áp suất cao hoặc độ tinh khiết cao, có thể cần sử dụng các vật liệu có khả năng chống giòn hydro tốt hơn, chẳng hạn như Hastelloy và Inconel.

⚠️ Nghiêm cấm tuyệt đối việc sử dụng các lõi cảm biến chứa dầu thông thường: tuyệt đối không được sử dụng các cảm biến áp suất chứa dầu tiêu chuẩn trong môi trường hydro hoặc hỗn hợp khí có nồng độ hydro vượt quá 30%, vì chúng sẽ bị hỏng một cách có hệ thống.

Cảm biến áp suất khí clo/khí ăn mòn

Đối với loại khí này, việc lựa chọn vật liệu của cảm biến sẽ quyết định trực tiếp đến độ an toàn và độ tin cậy của phép đo.

• Khí ăn mòn (như khí clo Cl₂): là các khí độc màu vàng lục ở nhiệt độ và áp suất phòng. Khí clo khô vẫn có tính ăn mòn đối với thép, sắt, v.v., nhưng một khi chứa một lượng nhỏ hơi nước, nó sẽ tạo ra axit hypochlorous và axit hydrochloric có tính ăn mòn cao. Màng chắn áp suất và vỏ phải được làm bằng vật liệu chống ăn mòn như hợp kim tantali hoặc titan.
• Các khí ăn mòn khác (như amoniac NH3, hydro sunfua H₂S): Tương tự như khí clo, nên sử dụng màng phủ Hastelloy hoặc PTFE (polytetrafluoroethylene) để chống ăn mòn điện hóa. Khi đo khí tự nhiên có chứa H₂S, cần chọn loại đồng hồ đo áp suất chuyên dụng chống lưu huỳnh.

Cảm biến áp suất khí tự nhiên

Việc đo lường khí tự nhiên chủ yếu tập trung vào phòng chống cháy nổ và vật liệu, với dải áp suất trải rộng từ đường ống dẫn khí đường dài đến khí đốt dân dụng.

• Chứng nhận chống cháy nổ: Khí tự nhiên thuộc nhóm khí nguy hiểm IIC, và các thiết bị chống cháy nổ cấp cao như Ex db IIC T6 phải được lựa chọn trong khu vực Zone 1/2.
• Yêu cầu về vật liệu: Nếu khí tự nhiên chứa hydro sunfua (H₂S), vật liệu tiếp xúc với chất lỏng cần được nâng cấp để ngăn ngừa hiện tượng nứt do ăn mòn ứng suất.
• Phạm vi ứng dụng rộng: Từ truyền dẫn khí áp suất cao (>100 bar) đến khí áp suất siêu thấp trong đô thị (<30 mbar), cần lựa chọn phạm vi và độ chính xác phù hợp theo điều kiện vận hành cụ thể.

Những thách thức cốt lõi và các điểm lựa chọn quan trọng của các loại khí

• Cần sử dụng khí nitơ (N₂) có độ tinh khiết cao, và cần thép không gỉ 316L cho loại khí nitơ tinh khiết chịu va đập áp suất cao; Chọn loại có tầm hoạt động gấp 1,5-2 lần và loại chống sốc chứa chất lỏng cho các tình huống áp suất cao.
• Các rủi ro về an toàn liên quan đến không khí/oxy (O₂) (hỗ trợ đốt cháy) phải được xử lý bằng biện pháp "cấm sử dụng dầu"; Bên trong phải được đổ đầy dầu trơ; Áp dụng các kỹ thuật làm sạch chuyên dụng.
• Cảm biến nồng độ dùng để giám sát thường xuyên khí carbon dioxide (CO₂) áp suất cao (hệ thống làm lạnh); Hệ thống làm lạnh phải chọn loại chuyên dụng cho áp suất cao.
• Hiện tượng giòn hydro (H₂) và lớp mạ vàng màng thấm hydro; Chọn hợp kim đặc biệt cho các trường hợp áp suất cao; Nghiêm cấm sử dụng lõi chứa dầu thông thường.
• Màng và vỏ của thiết bị đo khí clo (Cl₂) có tính ăn mòn cao, được làm bằng vật liệu chống ăn mòn như hợp kim tantali hoặc titan.
• Nguy cơ cháy nổ khí tự nhiên và ăn mòn do chứa lưu huỳnh phải đạt chứng nhận chống cháy nổ (Ex db IIC T6); Khi chứa H₂S, cần lựa chọn vật liệu chống lưu huỳnh.

Biện pháp phòng ngừa khi lắp đặt

Việc lắp đặt đúng cách là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của cảm biến áp suất khí:

1. Khi đo áp suất khí, cần mở van đo áp suất ở đầu đường ống dẫn và lắp đặt cảm biến ở phần trên của đường ống để tạo điều kiện cho chất lỏng tích tụ chảy ngược trở lại đường ống.
2. Trước khi lắp đặt, cần xác nhận xem kích thước giao diện có phù hợp hay không. Nếu không phù hợp, cần sử dụng bộ chuyển đổi phù hợp.
3. Tránh lắp đặt trong phạm vi bức xạ của các nguồn nhiệt hoặc gần các nguồn rung động mạnh. Nếu cần, hãy lắp đặt các tấm cách nhiệt hoặc thiết bị giảm rung.
4. Không nên trộn lẫn cáp tín hiệu với cáp nguồn, và cần tránh nhiễu điện từ mạnh xung quanh các cảm biến.
5. Việc lắp đặt phải được thực hiện mà không có áp suất hoặc nguồn điện.
6. Đối với môi trường không chứa oxy và các môi trường không chứa dầu khác, cần đảm bảo tất cả các bộ phận tiếp xúc đều được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ dầu trước khi lắp đặt.

Là một thành phần quan trọng của các hệ thống đo lường và điều khiển công nghiệp hiện đại, cảm biến áp suất khí đang thúc đẩy sự phát triển của tự động hóa và trí tuệ nhân tạo trong nhiều ngành công nghiệp thông qua những tiến bộ công nghệ. Cho dù đó là đường ống dẫn dầu khí đường dài, điều khiển quy trình hóa chất, hay thiết bị điện tử ô tô và thiết bị y tế, các giải pháp đo áp suất khí có độ chính xác và độ tin cậy cao đều không thể thiếu.

Trong việc lựa chọn cụ thể, ngoài các thông số thông thường như phạm vi đo, độ chính xác và tín hiệu đầu ra, loại khí cần đo thường là yếu tố cốt lõi quyết định vật liệu cảm biến, quy trình và thiết kế an toàn. Từ khí nén thông thường đến các loại khí đặc biệt như oxy, hydro và clo, mỗi loại khí đều có những yêu cầu kỹ thuật riêng biệt đối với thiết bị đo của nó.

Công ty Silverinstruments đã có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị đo công nghiệp, cam kết cung cấp cho khách hàng các sản phẩm cảm biến áp suất chất lượng cao. Các sản phẩm cảm biến áp suất khí của chúng tôi bao gồm nhiều dải đo, tín hiệu đầu ra và mức độ chống cháy nổ, đáp ứng đầy đủ nhu cầu ứng dụng từ công nghiệp nói chung đến dầu khí, từ nhiệt độ phòng đến phạm vi nhiệt độ rộng, và từ khu vực thông thường đến khu vực nguy hiểm chống cháy nổ. Đồng thời, đối với các loại khí đặc biệt như oxy, hydro, clo, v.v., chúng tôi có thể cung cấp các giải pháp xử lý "không dầu", màng mạ vàng và vật liệu hợp kim đặc biệt theo yêu cầu.