Từ khoảng năm 1590 trở đi, con người đã bị cuốn hút bởi việc đo lường sự thay đổi áp suất. Những nỗ lực đầu tiên để giải thích sự biến động áp suất bắt đầu với các ống thủy tinh và các thí nghiệm đo áp suất khí quyển. Những dụng cụ đơn giản này được sử dụng để đo xem chất lỏng bên trong bị đẩy hoặc dịch chuyển bao nhiêu do sự thay đổi áp suất.

Quay ngược lại 500 năm đến ngày nay, chúng ta đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong việc đo lường sự tăng giảm áp suất của chất lỏng và khí trong đường ống. Hiện nay, chúng ta hiểu rõ hơn nhiều về ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất lên các tính chất vật lý và điện của vật liệu. Việc đo lường sự biến động áp suất với độ chính xác cao giờ đây trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết – nhờ vào các cảm biến áp suất hiện đại.

Cảm biến áp suất là gì?

Cảm biến áp suất là thiết bị phát hiện và đo áp suất. Trong trường hợp này, áp suất đề cập đến lượng lực tác dụng lên một diện tích. Cảm biến áp suất cho phép lập kế hoạch bảo trì cụ thể hơn, chẳng hạn như bảo trì dự đoán. Các thiết bị này thu thập dữ liệu thời gian thực về tình trạng của thiết bị. Từ dữ liệu có sẵn, các cảm biến có thể hỗ trợ dự đoán và chuẩn bị cho các mô hình hỏng hóc tiềm tàng.

Việc lắp đặt cảm biến áp suất trong các bể chứa và các thiết bị chịu áp suất khác giúp cảnh báo đội bảo trì khi áp suất giảm xuống dưới mức đã định trước, cho phép họ khắc phục sự cố ngay lập tức. Một ví dụ điển hình về cảm biến áp suất được sử dụng trong bảo trì là bộ chuyển đổi nhận tín hiệu khi có áp suất tác động lên nó.

Cảm biến áp suất hoạt động như thế nào?

Cảm biến áp suất hoạt động bằng cách đo các thay đổi vật lý xảy ra do sự chênh lệch áp suất. Sau khi đo các thay đổi vật lý này, dữ liệu được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các tín hiệu này sau đó có thể được hiển thị dưới dạng dữ liệu hữu ích mà nhóm có thể phân tích. Một ví dụ về quy trình này sẽ bao gồm các bước sau:

1. Cảm biến biến dạng chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện.

Loại cảm biến áp suất phổ biến là cảm biến đo biến dạng, một thiết bị cơ khí cho phép biến dạng nhẹ khi áp suất tăng hoặc giảm. Cảm biến đo và chuyển đổi những thay đổi vật lý này để xác định áp suất tác động lên thiết bị hoặc bồn chứa. Những thay đổi này sau đó được chuyển đổi thành điện áp hoặc tín hiệu điện.

2. Các tín hiệu điện được đo và ghi lại.

Khi cảm biến tạo ra tín hiệu điện, thiết bị có thể ghi lại giá trị áp suất. Biên độ của tín hiệu này thay đổi tùy thuộc vào áp suất mà cảm biến phát hiện và nguyên lý đo của cảm biến. Việc đo áp suất có thể được thực hiện liên tục hoặc trong khoảng thời gian rất ngắn, tùy thuộc vào loại cảm biến và hệ thống đo.

3. Hệ thống CMMS nhận tín hiệu điện.

Tín hiệu điện hiện tại được biểu thị dưới dạng chỉ số áp suất, đo bằng pound trên inch vuông (psi) hoặc Pascal (Pa). Các cảm biến truyền các chỉ số này, và hệ thống CMMS của bạn có thể nhận được chúng trong thời gian thực. Bằng cách lắp đặt nhiều cảm biến trên các thiết bị khác nhau, hệ thống CMMS hoạt động như một trung tâm giám sát toàn bộ cơ sở. Nhà cung cấp CMMS có thể giúp đảm bảo tất cả các cảm biến được kết nối liền mạch. Ví dụ, UpKeep CMMS cung cấp các tùy chọn tích hợp cảm biến và thiết bị liền mạch.

4. Hệ thống CMMS thông báo cho đội bảo trì.

Với các cảm biến được lắp đặt, đội ngũ bảo trì của bạn sẽ được cảnh báo khi mức áp suất quá cao hoặc quá thấp. Áp suất quá cao có thể cho thấy nguy cơ hư hỏng linh kiện hoặc thiết bị. Ngược lại, sự sụt giảm áp suất có thể là dấu hiệu của rò rỉ, đặc biệt là trong các bình chịu áp lực. Dữ liệu thời gian thực, kết hợp với chức năng di động, cho phép nhóm của bạn giám sát tình trạng của nhà máy mọi lúc.

7 loại cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất có thể được phân loại theo cách chúng phát hiện sự thay đổi áp suất. Cảm biến có thể quan sát và đo lường nhiều phản ứng vật lý khác nhau. Các loại cảm biến áp suất phổ biến nhất như sau:

1. Cảm biến biến dạng

Biến dạng (strain) đề cập đến sự giãn nở hoặc co lại tương đối của một vật liệu khi có lực tác dụng lên nó. Cảm biến biến dạng sử dụng sự thay đổi có thể quan sát được về kích thước hoặc hình dạng của phần tử đàn hồi để đo áp suất.

Cảm biến đo biến dạng bao gồm một phần tử đàn hồi bị biến dạng khi có lực tác dụng. Điện trở của cảm biến biến dạng thay đổi theo mức độ biến dạng của nó. Khi áp suất thay đổi, sự thay đổi về điện trở và điện áp được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các giá trị này sau đó được hiệu chuẩn thành áp suất tương đương và được hiển thị bởi cảm biến.

Cảm biến đo biến dạng rất lý tưởng cho các ứng dụng giám sát dài hạn. Nhờ tính sẵn có và tính linh hoạt, chúng là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi.

2. Vật liệu áp điện

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp điện mô tả sự tạo ra điện tích khi có lực cơ học tác dụng lên một số vật liệu nhất định. Hiện tượng này thể hiện rõ ở một số vật liệu và có thể đo được. Điện tích tạo ra phụ thuộc vào lực tác dụng. Cảm biến có thể đo và chuyển đổi những thay đổi điện tích này thành các tín hiệu điện tương ứng.

Cảm biến áp điện có kích thước rất nhỏ, khiến chúng trở thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng có không gian hạn chế. Ngoài ra, chúng thường có thể thu thập dữ liệu ở tần số cao, điều này rất có lợi cho các phép đo yêu cầu đo lường động tại các điểm dữ liệu trong khoảng thời gian ngắn.

3. Điện dung

Tụ điện là một thiết bị dùng để lưu trữ điện tích. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hai dây dẫn được ngăn cách bởi một khe hở nhỏ. Một cảm biến có thể đo điện dung giữa hai bản cực. Khoảng cách giữa hai bản cực quyết định điện dung, và điện dung này thay đổi khi khoảng cách giữa các bản cực thay đổi.

Cảm biến áp suất điện dung có phạm vi ứng dụng rộng rãi, chẳng hạn như đo sự thay đổi áp suất trong động cơ phản lực, lốp xe và các vật chứa khác. Cấu trúc cơ khí đơn giản cho phép chúng chịu được môi trường khắc nghiệt.

4. Áp kế

Những thiết bị đầu tiên được sử dụng để đo áp suất bao gồm một ống thủy tinh chứa đầy chất lỏng. Áp kế là một ống sử dụng sự dịch chuyển của chất lỏng để so sánh áp suất tác dụng giữa hai bề mặt. Áp kế cơ bản nhất có hình chữ U, với chất lỏng bên trong bị dịch chuyển do sự thay đổi áp suất.

Áp kế có thể được sử dụng để hiệu chuẩn các thiết bị khác và vẫn là một dụng cụ phổ biến trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, do tốc độ phản hồi chậm và phạm vi áp suất hạn chế, chúng không phù hợp cho việc đo áp suất động.

5. Áp suất chân không

Các cảm biến áp suất thông thường thường hoạt động bằng cách đo lực tác dụng lên một phần tử cơ khí. Các phương pháp cơ khí này có thể trở nên phức tạp hơn ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, đặc biệt là ở mức chân không cao. Đối với các ứng dụng trong môi trường chân không, phép đo có thể ít phụ thuộc vào phản ứng cơ học, thay vào đó, cảm biến quan sát và đo lường các tác động của áp suất lên các tính chất vật lý của vật liệu.

Cảm biến nổi tiếng được sử dụng để đo áp suất chân không là cảm biến Pirani, được đặt theo tên của người phát minh ra nó, Marcello Stefano Pirani. Cảm biến Pirani hoạt động bằng cách đo sự thay đổi nhiệt của một dây tóc được nung nóng bên trong một buồng đo. Khi áp suất trong buồng giảm, lượng nhiệt truyền từ dây tóc sang khí xung quanh giảm, làm thay đổi nhiệt độ và điện trở của dây tóc. Sự thay đổi này có thể được sử dụng để xác định áp suất một cách gián tiếp.

6. Ống Bourdon

Từ các loại cảm biến trước đây, chúng ta đã thấy cách biến dạng vật lý do lực tác dụng được sử dụng để đo áp suất. Đồng hồ đo áp suất ống Bourdon là các thiết bị cơ khí thông minh sử dụng chuyển động vật lý, tận dụng các lực do áp suất tạo ra để điều khiển mặt số đã hiệu chuẩn hiển thị các chỉ số áp suất.

Ống Bourdon được làm từ một ống cong hình chữ C, một đầu được bịt kín trong khi đầu kia hở ra môi trường cần đo. Khi áp suất bên trong ống tăng lên, ống cong sẽ cố gắng duỗi thẳng. Khi được nối với một cơ cấu truyền động, chuyển động vật lý của ống cong sẽ làm cho kim chỉ thị di chuyển để hiển thị giá trị áp suất trên mặt đồng hồ đo.

Nhờ cấu tạo đơn giản và độ bền cao, đồng hồ đo áp suất ống Bourdon thường có giá thành thấp nhưng tuổi thọ cao, cung cấp độ chính xác cho các ứng dụng áp suất cao. Tuy nhiên, vì chúng là thiết bị hoàn toàn cơ khí, nên các chỉ số đo có thể nhạy cảm với va chạm và rung động, do đó không nên sử dụng chúng cho các phép đo áp suất thấp đòi hỏi độ chính xác cao.

7. Áp kế khí quyển

Áp kế khí quyển là một loại thiết bị cơ khí khác được sử dụng để đo áp suất khí quyển. Nó bao gồm một xi lanh kim loại kín, tương tự như một viên nang. Viên nang này co lại và giãn ra để phản ứng với áp suất xung quanh. Những thay đổi nhỏ này có thể được đo và hiển thị trên mặt số, cho thấy giá trị áp suất tương ứng.

Áp kế khí quyển thường được sử dụng để đo áp suất khí quyển. Chúng phổ biến trong ngành hàng không nhờ độ bền và dễ sử dụng. Đối với các ứng dụng hàng không, loại áp kế này cũng có thể được sử dụng để đo độ cao dựa trên sự thay đổi áp suất khí quyển.

Các trường hợp sử dụng phổ biến của cảm biến áp suất

Với rất nhiều loại cảm biến áp suất có sẵn trên thị trường, ứng dụng của chúng trong nhà máy của bạn cũng rất đa dạng. Dường như hầu hết mọi thiết bị trong nhà máy của bạn đều cần đến cảm biến áp suất! Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng phổ biến của cảm biến áp suất:

Áp suất trong ống hoặc vòi thủy lực

Hệ thống đường ống hoặc hệ thống thủy lực có thể hoạt động dưới áp suất rất cao. Ví dụ, các đường ống dẫn khí tự nhiên có thể hoạt động ở áp suất từ 200 đến 1500 psi, tùy thuộc vào hệ thống.

Một ví dụ khác là ống mềm thủy lực bện dây, có thể hoạt động ở áp suất lên đến 6000 psi. Cảm biến áp suất giúp đảm bảo các hệ thống này hoạt động dưới giới hạn cho phép, duy trì mức độ an toàn chấp nhận được.

Tiêu chuẩn truyền tín hiệu điện tử

Hệ thống giám sát áp suất toàn nhà máy đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn, không chỉ về sản xuất mà còn cả tiêu chuẩn an toàn. Các bộ truyền tín hiệu điện tử cho phép gửi dữ liệu đến các vị trí từ xa trong nhà máy.

Áp suất chân không từ thấp đến cao

Công nghệ chân không đóng vai trò trung tâm trong một số quy trình công nghiệp và khoa học tiên tiến nhất. Nó được sử dụng trong sản xuất vật liệu composite, xử lý chất bán dẫn, sản xuất thiết bị hàng không vũ trụ và nhiều ứng dụng y tế khác nhau. Các quy trình này có thể yêu cầu các cảm biến áp suất chuyên dụng có khả năng đo áp suất chân không trong các phạm vi rất thấp, thay vì lên đến 10.000 psi.

Ứng dụng của việc tiết kiệm năng lượng

Những ứng dụng ban đầu của cảm biến áp suất chủ yếu liên quan đến môi trường, đặc biệt là trong dự báo thời tiết. Ngày nay, những ứng dụng môi trường này có thể được mở rộng sang lĩnh vực tiết kiệm năng lượng. Các thiết bị đo áp suất cũng có thể được sử dụng trong kiểm tra khí thải, giám sát ô nhiễm và hệ thống quản lý gió.

Ứng dụng trong ngành công nghệ

Sự phát triển của các thiết bị công nghệ cao đã mở đường cho sản xuất chính xác cao. Các phép đo chính xác là điều cần thiết để theo kịp các quy trình sản xuất không ngừng phát triển. Cảm biến áp suất cho phép đo nhạy hơn là cần thiết cho việc đo lưu lượng không khí, phòng sạch, hệ thống laser và nhiều lĩnh vực khác.

Ứng dụng sản xuất

Các quy trình sản xuất đòi hỏi sự kiểm soát chất lỏng, chẳng hạn như trong các hệ thống thủy lực và khí nén. Cảm biến áp suất phát hiện bất kỳ sự bất thường nào trong các hệ thống này bằng cách liên tục giám sát rò rỉ, sự cố khí nén và bất kỳ dấu hiệu nào của sự cố tiềm ẩn.

Bản tóm tắt

Hầu hết các nhà máy hiện đại đều dựa vào các bình chứa áp suất cao. Sự cố của thiết bị này có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng do năng lượng khổng lồ được tích trữ bên trong. Cảm biến áp suất giúp phát hiện sớm các rủi ro, cảnh báo cho đội bảo trì về bất kỳ sự bất thường nào lệch khỏi điều kiện vận hành tối ưu. Kết hợp với các chiến lược bảo trì dự đoán, các cảm biến này cho phép đội bảo trì thực hiện các biện pháp khắc phục trước khi xảy ra bất kỳ thiệt hại nào.