Cảm biến áp suất đo so với cảm biến áp suất tuyệt đối và chênh lệch: Hướng dẫn kỹ thuật về tự động hóa công nghiệp và điều khiển quy trình

Cảm biến áp suất đo (còn gọi là cảm biến áp suất tương đối) là thiết bị đo áp suất tương đối với áp suất khí quyển xung quanh. Cảm biến có một cổng tham chiếu có lỗ thông hơi mở ra không khí xung quanh. Phần tử cảm biến đo sự khác biệt giữa áp suất quá trình áp dụng cho một bên của màng ngăn và áp suất khí quyển áp dụng cho phía bên kia. Khi áp suất quá trình bằng áp suất khí quyển, đầu ra cảm biến bằng 0 (0 psi, 0 bar hoặc 0 kPa). Khi áp suất quá trình cao hơn áp suất khí quyển (áp suất dương), đầu ra là dương. Khi áp suất quá trình thấp hơn áp suất khí quyển (áp suất chân không hoặc áp suất âm), đầu ra là âm. Phần tử cảm biến thường là màng chắn gia công vi mô silicon áp điện (MEMS) hoặc máy đo biến dạng màng mỏng trên màng chắn kim loại. Khi áp suất làm biến dạng màng ngăn, điện trở của áp điện trở thay đổi, tạo ra công suất điện tỷ lệ với áp suất tác dụng. Tín hiệu đầu ra thường được khuếch đại đến các mức công nghiệp tiêu chuẩn: dòng điện vòng 4-20 mA, 0-5 VDC, 0-10 VDC hoặc đầu ra kỹ thuật số (I2C, SPI, CAN bus). Cảm biến áp suất đo được sử dụng trong hàng nghìn ứng dụng: giám sát áp suất hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén, mạng lưới phân phối nước, điều khiển máy bơm, đo mức bể (bằng cách đo áp suất thủy tĩnh) và điều khiển khí nén. Để biết thông số kỹ thuật chi tiết, các chuyên gia tìm nguồn cung ứng có thể tham khảo đo cảm biến áp suất trang sản phẩm cho bảng dữ liệu vật liệu và báo cáo thử nghiệm.

Sự khác biệt cơ bản giữa cảm biến đo áp suất, tuyệt đối và chênh lệch áp suất nằm ở áp suất tham chiếu được sử dụng để đo. Cảm biến áp suất đo sử dụng áp suất khí quyển làm tham chiếu. Cảm biến có vỏ thông hơi hoặc cổng tham chiếu mở ra không khí. Đầu ra bằng 0 ở áp suất khí quyển. Cảm biến đo phù hợp với hầu hết các quy trình công nghiệp vì người vận hành quan tâm đến áp suất tương đối với môi trường (ví dụ: 100 psi trên khí quyển). Cảm biến áp suất tuyệt đối sử dụng buồng tham chiếu chân không kín (chân không hoàn hảo, tuyệt đối 0 psi) làm tham chiếu. Cảm biến không được thông hơi ra khí quyển. Đầu ra chỉ bằng 0 trong chân không hoàn hảo. Cảm biến tuyệt đối được sử dụng để đo áp suất khí quyển, cảm biến độ cao và các ứng dụng trong đó sự thay đổi áp suất khí quyển sẽ ảnh hưởng đến phép đo (ví dụ: kiểm tra rò rỉ của thùng chứa kín, kiểm soát áp suất lò chân không). Cảm biến chênh lệch áp suất đo lường sự chênh lệch giữa hai áp suất quy trình (P1 - P2). Cả hai cổng đều không được thông hơi ra khí quyển. Cảm biến vi sai được sử dụng để đo lưu lượng (sử dụng tấm lỗ), giám sát bộ lọc (giảm áp suất qua bộ lọc) và đo mức chất lỏng trong bể kín (chênh lệch giữa áp suất đáy và áp suất hơi trên cùng). Sự lựa chọn phụ thuộc vào ứng dụng. Đối với bể có lỗ thông hơi, máy đo là chính xác. Đối với một bể kín có áp suất khí quyển thay đổi, có thể cần phải có sự chênh lệch. Để đo độ cao, cần phải có giá trị tuyệt đối. Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt chính.

Cảm biến áp suất đo hiện đại sử dụng công nghệ MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử), tích hợp các cấu trúc cơ khí cực nhỏ với các mạch điện tử trên một chip silicon duy nhất. Cốt lõi của cảm biến áp suất MEMS là một màng silicon được gia công vi mô, thường dày từ 5 đến 50 micromet, được chế tạo bằng phương pháp quang khắc và khắc. Piezoresistors (vùng silicon pha tạp thay đổi điện trở khi bị căng) được khuếch tán vào màng ngăn tại các vị trí có ứng suất cao (cạnh và trung tâm). Khi có áp suất tác dụng, màng ngăn sẽ bị lệch, gây ra lực căng trong các điện trở áp điện. Sự thay đổi điện trở tỷ lệ thuận với áp suất tác dụng. Bốn áp điện trở được kết nối theo cấu hình cầu Wheatstone, chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành tín hiệu điện áp vi sai. Tín hiệu điện áp được khuếch đại, tuyến tính hóa, bù nhiệt độ và chuyển đổi sang định dạng đầu ra mong muốn (4-20 mA, điện áp hoặc kỹ thuật số) bằng ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng) hoặc mạch điều hòa tín hiệu. Chip MEMS được gắn trên đế (gốm, PCB hoặc kim loại), liên kết bằng dây và được bảo vệ bằng lớp phủ gel hoặc màng ngăn cách ly bằng thép không gỉ để tương thích với môi trường. Tham chiếu máy đo đạt được bằng cách thông hơi mặt sau của chip MEMS (hoặc mặt sau của màng ngăn cách ly) ra khí quyển thông qua lỗ thông hơi trên vỏ cảm biến. Công nghệ MEMS có một số ưu điểm: kích thước rất nhỏ (chip nhỏ khoảng 1 mm x 1 mm), độ nhạy cao (microvolt trên phạm vi pascal), tiêu thụ điện năng thấp (milliwatt), khả năng lặp lại tuyệt vời và chi phí thấp khi sản xuất khối lượng lớn. Đối với môi trường công nghiệp khắc nghiệt (chất lỏng ăn mòn, nhiệt độ cao), chip MEMS có thể được cách ly khỏi môi trường bằng màng ngăn bằng thép không gỉ và chứa đầy dầu silicon (cảm biến áp suất đo chứa đầy dầu).

Cảm biến áp suất đo có sẵn trong một loạt các phạm vi áp suất để phù hợp với các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Phạm vi áp suất thấp (0-1 psi đến 0-15 psi, 0-0,07 bar đến 0-1 bar) được sử dụng để giám sát áp suất không khí HVAC, chênh lệch áp suất phòng sạch và hệ thống khí nén áp suất thấp. Phạm vi áp suất trung bình (0-50 psi đến 0-500 psi, 0-3,5 bar đến 0-35 bar) được sử dụng cho thủy lực công nghiệp nói chung, phân phối nước, áp suất xả bơm và điều khiển quá trình. Phạm vi áp suất cao (0-1000 psi đến 0-10.000 psi, 0-70 bar đến 0-700 bar) được sử dụng cho các thiết bị thủy lực hạng nặng, máy ép phun, máy ép thủy lực và cắt tia nước áp suất cao. Phạm vi chân không hoặc hỗn hợp (-14,7 psi đến 0 psi, -1 bar đến 0 bar) đo áp suất âm (chân không) để theo dõi lực hút, đóng gói chân không và các ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Phạm vi hỗn hợp (-14,7 đến 30 psi, -1 đến 2 bar) đo cả áp suất chân không và áp suất dương. Tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa để tương thích trong công nghiệp. Đầu ra analog: dòng điện vòng 4-20 mA (phổ biến nhất cho điều khiển công nghiệp, chạy cáp dài, chống nhiễu), 0-5 VDC, 0-10 VDC (phổ biến cho PLC và thu thập dữ liệu) và 1-5 VDC. Đầu ra kỹ thuật số: I2C và SPI (dành cho hệ thống nhúng và thiết bị IoT), RS-485 Modbus (dành cho mạng công nghiệp) và CAN bus (dành cho ô tô và thiết bị nặng). Điện áp kích thích thường là 5 VDC hoặc 9-30 VDC (đối với cảm biến 4-20 mA cấp nguồn vòng lặp).

Độ chính xác là thông số kỹ thuật quan trọng nhất đối với cảm biến áp suất đo. Nó thường được biểu thị dưới dạng phần trăm của toàn thang đo (%FS). Cảm biến áp suất đo cấp công nghiệp đạt được độ chính xác ±0,5% FS, ±0,25% FS hoặc ±0,1% FS. Cảm biến có độ chính xác cao dành cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm hoặc hiệu chuẩn đạt được ±0,05% FS hoặc cao hơn. Độ chính xác bao gồm một số nguồn lỗi: độ tuyến tính (độ lệch của đầu ra so với đường thẳng trong phạm vi áp suất), độ trễ (chênh lệch đầu ra khi tăng áp suất so với giảm áp suất), độ lặp lại (khả năng tạo ra cùng một đầu ra cho cùng một áp suất trong cùng điều kiện) và hiệu ứng nhiệt độ (độ lệch 0 và độ lệch nhịp theo nhiệt độ). Đối với cảm biến FS ±0,5%, tổng dải lỗi (bao gồm độ tuyến tính, độ trễ, độ lặp lại và hiệu ứng nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ được bù) nằm trong khoảng ±0,5% của số đọc toàn thang đo. Ví dụ: cảm biến 0-100 psi với độ chính xác ±0,5% FS có sai số tối đa là ±0,5 psi tại bất kỳ điểm nào. Bù nhiệt độ là điều cần thiết để đo chính xác ở các nhiệt độ hoạt động khác nhau. Cảm biến được hiệu chỉnh ở nhiều nhiệt độ (thường là -20°C, 25°C và 85°C) và các hệ số bù được lưu trữ trong ASIC hoặc bộ vi điều khiển của cảm biến. Trong quá trình vận hành, cảm biến sẽ đo nhiệt độ và áp dụng các hệ số hiệu chỉnh cho giá trị áp suất. Phạm vi nhiệt độ được bù thường là -20°C đến 85°C đối với cảm biến công nghiệp hoặc -40°C đến 125°C đối với cảm biến ô tô và cảm biến phạm vi mở rộng. Bên ngoài phạm vi được bù, độ chính xác giảm ở mức xác định (ví dụ: ±0,03% FS mỗi °C).

Các vật liệu được sử dụng trong chế tạo cảm biến áp suất đo xác định khả năng tương thích hóa học, khả năng chịu nhiệt độ và độ ổn định lâu dài. Vật liệu cổng áp suất: thép không gỉ (304, 316 hoặc 316L) là loại phổ biến nhất cho cảm biến công nghiệp, mang lại khả năng chống ăn mòn tuyệt vời cho nước, dầu, không khí và hóa chất nhẹ. Đối với môi trường có tính ăn mòn cao (axit, chất ăn da, nước mặn), có sẵn cổng Hastelloy C-276, Inconel hoặc titan. Đối với các ứng dụng thực phẩm và dược phẩm, cần có thép không gỉ 316L với kết nối Tri-Clamp vệ sinh. Chất liệu màng: dành cho cảm biến đa năng, màng ngăn bằng thép không gỉ 316L (độ dày 0,05-0,2 mm) mang lại độ nhạy và độ bền tốt. Đối với cảm biến áp suất thấp (dưới 5 psi), màng ngăn bằng gốm hoặc silicon (tiếp xúc trực tiếp với môi trường) mang lại độ nhạy cao hơn. Đối với các ứng dụng có độ tinh khiết cực cao (chất bán dẫn, dược phẩm), màng ngăn có thể được làm bằng gốm alumina hoặc silicon không có bộ phận làm ướt bằng kim loại. Vật liệu vỏ cảm biến: Cần có vỏ bọc được xếp hạng IP65/IP67/IP68 cho các ứng dụng rửa trôi, ngoài trời hoặc chìm. Các lựa chọn vỏ bao gồm thép không gỉ (dành cho môi trường ăn mòn), nhôm (dành cho công nghiệp nói chung) và polycarbonate (dành cho môi trường hoạt động nhẹ trong nhà). Vật liệu bịt kín: Vòng chữ O (Viton, EPDM, NBR) hoặc miếng đệm được sử dụng để bịt kín cổng áp suất và vỏ. Vật liệu bịt kín phải tương thích với chất lỏng xử lý. Viton (FKM) phù hợp với hầu hết các loại dầu, nhiên liệu và hóa chất; EPDM phù hợp với nước, hơi nước và dầu phanh; NBR thích hợp cho dầu khoáng và nhiên liệu. Đối với các ứng dụng ở nhiệt độ cao (trên 125°C / 260°F), có thể cần phải có con dấu bằng kim loại hoặc con dấu bằng thủy tinh với kim loại.

Cảm biến áp suất đo được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, với các thông số kỹ thuật khác nhau tùy theo ứng dụng. Đối với hệ thống thủy lực (máy ép công nghiệp, máy ép phun, thiết bị xây dựng, xe nâng), cảm biến áp suất đo từ 0-5000 psi đến 0-10.000 psi với đầu ra 4-20 mA và định mức IP67 là tiêu chuẩn. Cảm biến phải chịu được áp suất tăng vọt (áp suất định mức 2-3 lần) và có khả năng chịu áp suất cao. Đối với các hệ thống khí nén (giám sát khí nén, công cụ không khí, bộ truyền động khí nén), sử dụng cảm biến đo 0-150 psi hoặc 0-300 psi với đầu ra 0-10 VDC và thời gian phản hồi nhanh (dưới 1 ms). Để đo mức chất lỏng trong bể hở (tháp nước, bể chứa nước, bể chứa hóa chất, bể chứa nước thải), cảm biến áp suất chìm đo áp suất thủy tĩnh ở đáy bể. Áp suất tỷ lệ thuận với chiều cao chất lỏng: 1 psi ≈ 2,31 feet (0,7 mét) nước. Để đo mức chính xác, cảm biến phải được thông hơi qua cáp (thiết kế máy đo có lỗ thông hơi) để loại bỏ sự thay đổi áp suất khí quyển. Để theo dõi chân không (bao bì chân không, cốc hút, ống hút y tế, buồng chân không trong phòng thí nghiệm), cần có cảm biến áp suất hỗn hợp (-14,7 đến 0 psi, -1 đến 0 bar) để đo áp suất âm so với khí quyển. Cảm biến phải có độ phân giải cao ở áp suất thấp (0,1% FS hoặc cao hơn). Để điều khiển máy bơm và giám sát giếng (giếng nước, máy bơm tưới tiêu, máy bơm tăng áp), cảm biến đo 0-200 psi với đầu ra 4-20 mA và vỏ bằng thép không gỉ chắc chắn được sử dụng để theo dõi áp suất xả của máy bơm và bảo vệ khỏi các điều kiện chạy khô. Bảng dưới đây khớp với các ứng dụng có thông số kỹ thuật được đề xuất.

Đối với các nhà sản xuất xuất khẩu cảm biến áp suất, các chứng nhận tuân thủ và chất lượng được ghi lại là rất cần thiết. Các tiêu chuẩn và chứng nhận được yêu cầu nhiều nhất bao gồm: Dấu CE (Tuân thủ Châu Âu) theo Chỉ thị EMC (2014/30/EU) và Chỉ thị RoHS (2011/65/EU), ISO 9001 (hệ thống quản lý chất lượng) và cho các ứng dụng trong khu vực nguy hiểm, chứng nhận ATEX (Châu Âu) hoặc IECEx (quốc tế) về an toàn nội tại (Ex ia) hoặc vỏ chống cháy (Ex d). Các thử nghiệm hiệu suất cụ thể bao gồm: kiểm tra độ chính xác (đo tại 5-10 điểm hiệu chuẩn trong phạm vi áp suất, lên và xuống, để xác minh độ tuyến tính, độ trễ và độ lặp lại), kiểm tra bù nhiệt độ (đo ở -20°C, 25°C và 85°C hoặc phạm vi được chỉ định để xác minh độ dịch chuyển 0 và dịch chuyển nhịp), kiểm tra độ ổn định lâu dài (thử nghiệm độ lệch 500-1000 giờ ở áp suất định mức ở 85°C để xác minh rằng đầu ra không thay đổi nhiều hơn tỷ lệ phần trăm quy định mỗi năm), thử nghiệm quá áp (áp dụng áp suất định mức 1,5x đến 3x mà không bị hư hại), thử nghiệm áp suất nổ (thử nghiệm phá hủy để xác minh giới hạn an toàn), thử nghiệm an toàn điện (điện trở cách điện, độ bền điện môi) và thử nghiệm EMC (phát xạ bức xạ và dẫn điện theo CISPR 11, khả năng miễn nhiễm theo IEC 61000-4-2 đến -6). Đối với cảm biến áp suất dùng trong thiết bị y tế cần phải có chứng nhận ISO 13485. Đối với các ứng dụng ô tô, cần có chứng nhận IATF 16949. Đối với các ứng dụng về nước uống được, có thể cần phải có chứng nhận NSF/ANSI 61 đối với các vật liệu tiếp xúc với nước uống. Nhiều khách hàng công nghiệp lớn cũng yêu cầu kiểm tra nhà máy theo tiêu chuẩn ISO 9001 và ghi lại khả năng truy nguyên hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn quốc tế (NIST, PTB hoặc các viện đo lường quốc gia khác). Các nhà sản xuất duy trì các chứng chỉ hiện tại và hồ sơ chất lượng minh bạch sẽ có được lợi thế cạnh tranh trong tìm nguồn cung ứng quốc tế.