Tìm hiểu cảm biến áp suất máy nén khí
Cảm biến áp suất có nhiệm lấy tín hiệu áp lực và chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) để đưa về các vi mạch điện tử phục vụ cho việc đo lường, điều khiển và bảo vệ áp lực cho hệ thống lạnh. Cùng tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất.
Cấu tạo cảm biến áp suất
- Đầu nối
- Màng thép không gỉ
- Chíp cảm biến
- Vỏ bọc
- Vỏ cao su
- Mặt bảo vệ
Cảm biến áp suất sử dụng thuộc tính điện trở thay đổi khi ứng suất thay đổi của chất bán dẫn và có cấu tạo như hình minh họa trên.
Nó có một “chip” cảm biến (3) bằng bán dẫn Si có kích thuớc khoảng 4x3x1,7mm. “Chip” có màng cái mà sẽ bị biến dạng khi có tín hiệu áp suất đặt vào.
Nguyên lý làm việc
- Khi có áp suất tác động lên màng thép, nó gây ra sự biến dạng cơ học.
- Biến dạng này làm thay đổi trở kháng của lớp bán dẫn (Si) trên màng thép do hiện tượng khuếch tán nhiệt và sự cảm nhận sức căng.
- Mạch cầu Wheatstone cảm nhận sự thay đổi trong trở kháng này. Khi áp suất thay đổi, các giá trị điện áp trong mạch cầu cũng thay đổi tương ứng.
- Tín hiệu điện áp đầu ra từ mạch cầu sẽ tỉ lệ với sự thay đổi áp suất tác động lên cảm biến.
- Để tăng độ chính xác của cảm biến, nhất là khi làm việc trong các môi trường có nhiệt độ thay đổi, người ta mắc thêm các điện trở bù nhiệt độ. Các điện trở này giúp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của nhiệt độ lên tín hiệu điện áp đầu ra.
Thang đo của cảm biến áp suất
- Cảm biến đo áp lực dương: Thang đo phổ biến từ 1 đến 100 kg/cm². Thang đo này phù hợp cho việc đo lường, điều khiển và bảo vệ trong các hệ thống có áp lực dương.
- Cảm biến đo áp lực chân không: Thang đo từ 0 đến 1 kg/cm² phù hợp cho việc đo lường và điều khiển trong các hệ thống có áp suất chân không.
Sơ đồ modul đo lường
Nguyên lý hoạt động của modul đo lường, điều khiển và bảo vệ áp suất LP (Low Pressure – áp suất thấp) và HP (High Pressure – áp suất cao) trong hệ thống lạnh dựa trên việc thu thập và xử lý tín hiệu từ các cảm biến áp suất, sau đó điều khiển hệ thống máy nén nhằm duy trì áp suất trong giới hạn mong muốn. Dưới đây là các bước chi tiết:
Cảm biến áp suất (HP và LP)
- Cảm biến áp suất cao (HP) và cảm biến áp suất thấp (LP) sẽ cảm nhận các thay đổi về áp suất tại các vị trí tương ứng trong hệ thống (thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi).
- Cảm biến này chuyển đổi áp suất thành tín hiệu analog (điện áp) phù hợp với các giá trị áp suất đo được.
Chuyển đổi tín hiệu (A/D)
- Tín hiệu analog từ cảm biến áp suất sẽ được gửi đến vi mạch số chứa IC mã hóa (Analog-to-Digital Converter – A/D Converter) để chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang digital.
- Tín hiệu digital là dạng mà các vi xử lý (microprocessor) hoặc vi điều khiển (microcontroller) có thể hiểu và xử lý được.
Xử lý tín hiệu
- Tại vi xử lý/vi điều khiển, tín hiệu digital được xử lý theo chương trình đã được lập trình sẵn, nhằm đánh giá và điều khiển các thông số áp suất cao (HP) và áp suất thấp (LP).
- Hệ thống sẽ so sánh các giá trị áp suất thực tế với các ngưỡng giới hạn đã cài đặt trước đó (cut-in, cut-out) để quyết định hành động tiếp theo.
Hiển thị và điều khiển
- Sau khi xử lý, vi xử lý sẽ xuất ra kết quả và điều chỉnh. Kết quả này có thể được hiển thị trên màn hình để theo dõi các thông số áp suất hiện tại.
- Đồng thời, vi xử lý có thể điều khiển hệ thống lạnh, điều chỉnh máy nén để thay đổi áp suất về mức tối ưu.
Chuyển đổi tín hiệu ngược lại (D/A)
- Tín hiệu điều khiển từ vi xử lý thường ở dạng digital. Để tương tác với hệ thống máy nén, tín hiệu này sẽ được gửi đến IC giải mã (Digital-to-Analog Converter – D/A Converter), chuyển đổi tín hiệu từ digital trở lại dạng analog.
Khuếch đại và điều chỉnh máy nén
- Sau khi tín hiệu đã chuyển đổi sang analog, nó được khuếch đại và truyền tới hệ thống điều khiển máy nén để điều chỉnh áp lực. Máy nén sẽ thay đổi công suất để điều chỉnh áp suất cao và thấp về mức mong muốn.
Bảo vệ hệ thống
- Trong trường hợp áp suất vượt ngưỡng cài đặt, hệ thống sẽ kích hoạt các cơ chế bảo vệ, ngắt hoạt động của máy nén để tránh hư hỏng thiết bị.
Chọn cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất được lựa chọn dựa trên phạm vi đo lường của từng loại áp suất:
- Cảm biến áp suất thấp: Thường có thang đo từ 0-20 Kg/cm² phù hợp cho các thiết bị bay hơi.
- Cảm biến áp suất cao: Thường có thang đo từ 0-35 Kg/cm² cho các thiết bị ngưng tụ trong hệ thống lạnh.
*Nguồn tham khảo: Tự động điều khiển các quá trình nhiệt lạnh – Nguyễn Tấn Dũng, Trịnh Văn Dũng
