TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN VẬT LIỆU ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

——&——

ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT VÀ LƯU
LƯỢNG DÒNG CHẢY
GVHD: Ths Phạm Xuân Hô
Thực hiện: Nhóm 4


MỤC LỤC


CHƯƠNG I
CẢM BIẾN ÁP SUẤT

1. Lý thuyết
1.1. Khái niệm và nguyên lý đo áp suất
Áp suất là tỉ số lực tác dụng trên một đơn vị tích:

Áp suất khơng khí là áp lực mà khơng khí tác động lên mọi vật. Đại lượng
thay đổi theo nhiều yếu tố:

Pkk là áp suất khơng khí(Pa)
Áp suất tương đối là áp suất so với áp suất khơng khí trong khi áp suất
tuyệt đối là áp suất so với chân không hay:
Pđo = P tuyệt đối = P tương đối + P kk khi áp suất cần đo lớn hơn áp suất khơng khí

Pđo = P tuyệt đối = P kk - P tương đối khi áp suất cần đo nhỏ hơn áp suất khơng khí
Dù vậy đa phần các dụng cụ đo vẫn có nhãn ghi áp suất tương đối thay vì
tuyệt đối, nên khi sử dụng phải quy đổi cho phù hợp
Từ định nghĩa có thể thấy việc đo áp suất có liên qua trực tiếp đến việc đo
lực tác dụng F(N) trên một3 diện tích định sẵn . Mà đối với lực ta có các nguyên
lý đo đạc cơ bản tận dụng sự thay đổi của điện trở hoặc điện tích vật liệu dưới
tác động của ngoại lực.


1.2. Cảm biến áp điện trở
Cảm biến áp điện trở có nguyên lý là ứng dụng hiệu ứng áp điện trở hay sự
thay đổi về điện trở của vật liệu do biến dạng dưới tác động của ngoại lực.
Tùy vào loại vật liệu chế tạo ra cảm biến mà có thể có các loại cảm biến
khác nhau. Cơ bản có hai loại là kim loại và bán dẫn.
Tuy nhiên nguyên lý thay đổi điện trở của cảm biến vẫn bắt nguồn từ cơng
thức tính điện trở cơ bản:

Với R (Ω) là điện trở, (Ωm) là điện trở suất, L(m) là chiều dài, S(m2) là

tiết diện.
Vi phân công thức trên và chia cho R ta được:

Trong đó là độ thay đổi điện trở và R là điện trở ban đầu.
Có 2 thay thông số cơ bản đối với cảm biến áp điện trở là:
Độ thay đổi chiều dài trên chiều dài ban đầu

Hệ số biến dạng K (còn gọi là độ nhạy)

1.2.1. Cảm biến áp điện trở kiểu kim loại
Thành phần trong công thức (1.1) chỉ đáng kể khi vật liệu có tính đàn hồi

khi bị biến dạng. Vì vậy đối với cảm biến từ kim loại thành phần này có thể bỏ
qua
Quan hệ giữa sự thay đổi về tiết diện và sự thay đổi về chiều dài biểu diễn
thông qua hệ số Poisson v:
Cơng thức (1.1) và K có thể viết lại:
4


1.2.2. Cảm biến áp điện trở loại bán dẫn
Đối với cảm biến loại này thành phần là đáng kể và quan hệ với ứng suất
theo biểu thức

Trong đó gọi là hệ số áp điện trở
Ứng suất lại có quan hệ với độ biến dạng thông qua hệ số đàn hồi Y (hệ số
Young)

Vậy đối với bán dẫn

Hệ số biến dạng K đối với bán dẫn phụ thuộc nhiều vào thành phần .
Thành phần này có giá trị lớn (50 đến 120) và phụ thuộc rất lớn vào độ di
chuyển của các hạt tải trong chất bán dẫn.
Với là độ di chuyển hạt tải (đặc trưng cho điện trở của vật liệu), q và m lần
lượt là điện tích và khối lượng hạt tải, t là thời gian trung bình giữa các lần va
chạm của các hạt tải.
Thời gian t chủ yếu phụ thuộc phần nhiều vào khoảng cách giữa các hạt tải.
Gây biến đổi vật liệu sẽ thay đổi trực tiếp khoảng cách các hạt tải. Tức là tác
động đến điện trở.
Đối với bán dẫn độ nhạy lớn hơn nhiều so với kim loại.
1.2.3. Mạch cầu Wheatstone
Tuy có độ nhạy cao nhưng độ thay đổi về điện trở khi có tác động của các

cảm biến kiểu bán dẫn vẫn tương đối nhỏ.
Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng mạch cầu Wheatstone.
Có ba cách cơ bản kết nối cảm biến áp điện trở với mạch cầu Wheastone.

5

Kiểu 1/4

Kiểu bán phần

Kiểu toàn phần


Hình 1.1 các dạng mạch cầu Wheatstone
Đối với kiểu kết nối tồn phần điện áp ngõ ra sẽ gấp đơi kiểu bán phần và gấp 4
lần kiểu 1/4.
Cụ thể điện áp ngõ ra của các cách kết nối cơ bản lần lượt như sau:
Kiểu kết
Cơng thức tính theo R và ∆R
nối

Cơng thức
tính theo độ
nhạy

1/4
Bán phần
Tồn
phần
Đồng thời mạch cầu tồn phần và bán phần cũng loại trừ sai số do điện trở

dây dẫn khi cảm biến ở xa nguồn.

Hình 1.2 Sai số do điện trở dây dẫn

Hình 1.3 Sai số do điện trở dây dẫn tự triệt tiêu khi kết nối thêm 1 cảm biến
vào mạch cầu 1/4
1.2.4. Chuyển đổi thành tín hiệu điện
Bằng cơ chế đo lực 6dùng cảm biến áp điện trở kết hợp với mạch cầu
Wheatstone toàn phần có thể xây dựng một cơ chế cho cảm biến áp suất như
hình sau


Hình 1.4 Dùng điện trở
Đây là cách chuyển đổi thơng qua đại lượng trung gian là lực
Ngồi ra cịn có các cách chuyển đổi khác như

Hình 1.5 Dùng điện dung

Hình 1.6 Dùng điện cảm

Hình 1.7 Dùng LVDT
1.3. Cảm biến áp điện
Một kiểu chuyển đổi trực tiếp hơn tín hiệu “áp suất” thành tín hiệu điện áp
là sử dụng cảm biến áp điện.
7 trên nguyên tắc là sẽ xuất hiện điện áp trái dấu tại
Loại cảm biến này dựa
hai bề mặt đối diện nhau của vật liệu áp điện khi có lực tác động.
Giới hạn bề mặt bị tác động bằng một màng đàn hồi và nối 2 mặt đối diện
với các điện cực để thu được cảm biến áp suất kiểu áp điện:

Hình 1.8 Cấu tạo cảm biến áp điện
Vật liệu áp điện thường là cách tinh thể thạch anh, các loại gốm áp điện,
lithium niobate,….
2. Các cảm biến áp suất và ứng dụng
2.1. Cảm biến áp suất P-3000S
2.1.1. Nguyên lý hoạt động
P-3000S là cảm biến áp suất theo kiểu áp điện trở bán dẫn (Si) của hãng
Copal Electronics

Hình 1.9 Hình ảnh thực tế từ datasheet của nhà sản xuất

8


Hình 1.10 Cấu tạo loại đo áp suất tương đối
Trong đó:
*1 Pressure port: Cổng áp suất
*2 Housing: Vỏ ngồi
*3 Resin compound: Màng nhựa
*4 Sensor chip: Chíp cảm biến
*5 Resistor board for temp compensation : Điện trở bù nhiệt độ
*6 Terminal pin: Điện cực
Đối với loại đo chênh áp sẽ có 2 ngõ vào áp suất thay vì một như 2 loại đo áp
suất tương đối và tuyệt đối.

9

Hình 1.11 Cấu tạo loại đo áp suất và đo chênh áp

Tên của cảm biến luôn được quy rõ ràng để người dùng lựa chọn theo yêu cầu
đo. Áp suất tương đối (G-Gauge), áp suất tuyệt đối(A-Absolute) và chênh áp
(D-Differential)

Hình 1.12 Ba chế độ đo áp suát
Ví dụ: chọn P-3000S-501 G - 02
Thì P-3000S tức là dịng cảm biến
501 là giới hạn đo định mức 0-59kPa
G là chỉ loại cảm biến chỉ dùng đo áp suất tương đối
02 là sai số do nhiệt độ
Các cảm biến với thông số khác nhau của hàng được trình bày ở bảng sau

Hình 1.13 Các loại cảm biến dòng P-3000S
Tùy vào yêu cầu sử dụng có thể tra để tìm cảm biến phù hợp.
Tuy có cấu tạo khác nhau ở các chế độ đo tuy nhiên các cảm biến P-3000S
10
vẫn có 5 chân như sau


Hình 1.14 Sơ đồ chân
Trong đó các chân (1), (2) ứng với ngõ ra (0~100mV), ngõ vào (3), (4) cần
dòng điện DC ổn định cấp cho cảm biến là 1,5mA, chân G có cơng dụng bảo
vệ các phần của cảm biến khỏi dịng rị khi có chạm vỏ (housing)
Điện áp ngõ ra (span voltage) và các thông số của các cảm biến thuộc dịng P3000S cụ thể ở bảng sau.

11
Hình 1.15 Thơng số kỹ thuật
Như đã đề cập dịng cảm biến cần dịng ổn định 1,5mA để hoạt động chính xác,
việc thiết kế một mạch ổn định dòng cho cảm biến là tất yếu. Trong mạch điện

dưới đây Zener LM336-2.5 có tác dụng ổn áp với Vi=2,5V, do đó dịng điện
ngõ ra của OP1 là:


Hình 1.16 Mạch đo
Bộ phận khuếch đại đo lường có công dụng biến đổi điện áp của cảm biến
(V1) thành điện áp ngõ ra Vout (Vo) theo quan hệ:
Tỉ số điện áp Vo/V1 hay chính tỉ số áp suất vào và điện áp ra của mạch có thể
thay đổi, hãy tính tốn với 1 cảm biến cụ thể :
Chọn cảm biến P-3000S-102 A-02 với tầm đo 0-98.1(kPa) ứng với điện áp
ngõ ra từ 0-80mV.
Giả sử giá trị đo được của áp suất (tuyệt đối) là P = 50kPa ứng với điện áp
ngõ ra sẽ là:

Vậy để Vo có giá trị theo mong muốn người dùng cần giá trị R2 tương ứng,
chẳng hạn để có Vo = 5V giá trị R2 sẽ là:

Ngồi ra các cảm biến loại này cịn có thể điều chỉnh offset thông qua VR1.
Tức là nếu muốn với mức áp suất là 0 thì Vo cũng có giá trị 0. Nếu Vo khác 0
thì cần xoay VR1 đến khi bằng 0. Do vậy thao tác này còn được gọi là chỉnh 0.
Trên thực tế, việc sử dụng các cảm biến thơ (khơng bao gồm mạch đo)
khơng có hiệu quả cao trong nhiều trường hợp. Nhà sản xuất sẽ “đóng gói” cả
mạch đo, cảm biến, những bộ phận cố định, …. thành một sản phẩm cảm biến.
Chẳng hạng như cảm biến12áp suất nước 4-20mA hãng Georgin


Hình 1.17 Các bộ phận một cảm biến thực tế
Khi nói tới cảm biến áp suất 4-20mA, có nghĩa là đang nói tới tín hiệu ngõ
ra (Vo) của mạch đo (signal conditioning electronics module)
Bộ phận tiếp nhận áp suất (pressure port) lúc này cũng được nối đến bộ

phận kết nối cơ khí (ren, clamp, SMS, mặt bích …)
Bộ phận kết nối tín hiệu (electrical connection) thường là các dây nối tương
ứng với cảm biến. Thơng thường sẽ có các loại cảm biến 2 , 3 và 4 dây
*cách đấu dây cảm biến
+ Cảm biến áp suất 4 dây thì việc kết nối khá đơn giản với nguồn riêng và
tín hiệu riêng. Trong đó, 2 dây nguồn cấp cho cảm biến và 2 dây là tín hiệu ngõ
ra. Điều quan trọng là xác định đúng 2 dây nào là nguồn cấp và dây nào là dây
tín hiệu.

Hình 1.18 Cảm biến loại 4 dây
Nguồn cấp cho cảm biến thông thường từ 9-32Vdc được in ngay trên thân
cảm biến. Việc dùng nguồn 12Vdc hay 24Vdc đều phù hợp vì nằm trong khoản
cho phép của cảm biến. Lưu ý là không được cấp cao hơn nguồn định mức của
cảm biến để tránh gây hư hỏng.
13

+ Sự khác biệt của cảm biến áp suất 3 dây với cảm biến áp suất 4 dây chính
là thiếu mất một dây Âm ( – ) hay còn gọi là dây Mass. Thật ra dây Mass ( 0
V ) được nối chung với nhau.


Hình 1.19 Cảm biến loại 3 dây
Việc đấu dây cảm biến áp suất 3 dây khá đơn giản. Trong đó, 2 dây là
nguồn cấp cho cảm biến và dây ( + ) cịn lại là dây tín hiệu truyền về. Như vậy,
nguồn cấp sẽ là 9 ( + ) và 11 ( – ), cịn tín hiệu ngõ ra sẽ là 12 ( + ).
+Cảm biến áp suất 2 dây mặc định chân 11 ( + ) và chân 12 ( – ). Việc kết
nối hết hết sức đơn giản là cấp nguồn 9-32Vdc vào chân 11 ( + ), cịn chân 12
( – ) chính là ngõ ra Output 4-20mA của cảm biến áp suất. Trên thực tế cảm
biến 2 dây phổ biến hơn 3 và 4 dây rất nhiều.

Hình 1.20 Cảm biến loại 2 dây
2.1.2. Ứng dụng
Cảm biến áp suất có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đa phần là
công nghiệp và sản xuất như giám sát nhiệt độ, đo áp suất đường ống, đo áp
suất lốp, …… Tùy vào từng trường hợp cần chọn lựa cảm biến cho phù hợp
với mơi trường làm việc, tính kinh tế,…..
Cách sử dụng cảm biến đơn giản nhất là kết nối với một màn hình để đọc
giá trị áp suất đo được.

14


Hình 1.21 Kết nối cảm biến áp suát với màn hình
Kết nối với biến tần để điều khiển lưu lượng gió

Hình 1.22 Kết nối cảm biến áp st với biến tần
Hoặc PLC

15


Hình 1.23 Kết nối cảm biến áp suát với PLC
2.2. Cảm biến áp suất APT3000
APT3000 cho ứng dụng công nghiệp nói chung là giải pháp lý tưởng cho
những khách hàng có yêu cầu đo lường khắt khe. APT3000 sản phẩm chất
lượng rất cao, mà ngay cả những điều kiện môi trường bất lợi nhất không thể
ảnh hưởng.
APT3000 cung cấp dải đo liên tục từ 0-0,16 đến 0-1000 bar ở tất cả các
đơn vị chính. Có tín hiệu đầu ra 4-20mA(HART). Các dải đo này có thể được
kết hợp trong tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn của ngành. Ứng dụng vào chế tạo máy,

thủy lực, khí nén, máy bơm, cơng nghiệp hóa chất.
Đây cũng là loại cảm biến áp suất 2 dây, có màn hình LCD được kết nối
phục vụ đo đạc trực tiếp.

16

Hình 1.24 Cảm biến áp suất APT3000


Thông số kỹ thuật

17