Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của transmitter đo áp suất và chênh áp

Các cảm biến chênh áp thông thường được thiết kế hoạt động dựa trên nguyên lý đo sự chênh lệch điện dung. Trong thiết kế này, phần tử cảm biến là một màng kim loại đàn hồi được đặt giữa 2 bề mặt kim loại cố định, tất cả có 3 tấm kim loại tạo thành 2 tụ điện có chung 1 bản cực. Dung môi (thường là silicone lỏng có thể chuyển động được từ màng cách li sang màng cảm biến và làm thay đổi điện dung của 2 tụ điện.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Khi có bất kỳ sự chênh lệch áp suất nào sẽ khiến màng cảm biến bị cong về hướng có áp suất thấp hơn. Màng cảm biến có tính đàn hồi và là phần tử được chế tạo tinh vi, chính xác. Có nghĩa là nó có chức năng phát hiện lực tác dụng. Áp lực này có thể chỉ là một hàm của sự chênh áp tác động lên một diện tích bề mặt theo công thức về lực, áp suất, tiết diện F = PA.  Trong trường hợp này chúng ta có 2 lực tác động lên màng cảm biến, do đó công thức ở trên có thể được viết lại như một hàm của chênh áp (P2 - P1) và tiết diện : F = (P1 − P2)A. Do tiết diện của màng cảm biến là không đổi, và lực liên quan đến sự dịch chuyển của màng, bây giờ chúng ta cần suy ra độ chênh áp dựa bằng cách đo độ dịch chuyển của màng.

Một chức năng nữa của màng cảm biến là nó như một bản cực của 2 tụ điện để có thể đo sự dịch chuyển. Do điện dung của tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực, điện dung ở phía áp suất thấp sẽ tăng lên trong khi điện dung ở phía áp suất cao sẽ giảm. Các bạn hãy xem ở hình bên dưới:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một mạch phát hiện điện dung được kết nối vào tế bào cảm biến sử dụng một tín hiệu AC tần số cao để đo sự chênh lệch điện dung giữa 2 nửa, và chuyển thành một tín hiệu DC và biến nó trở thành tính hiệu đầu ra của thiết bị đo áp suất.

Những cảm biến áp suất này có độ chính xác rất cao, ổn định và tin cậy. Một điều thú vị trong cách thiết kế này đó là sử dụng 2 màng cách ly để chuyển áp suất quá trình (áp suất đo) đến màng cảm biến thông qua dung môi được đặt trong nó. Khung nền bằng chất rắn (solid frame) giới hạn chuyển động của 2 màng cách ly để ngăn không có bất lỳ lực nào có thể tác động màng cảm biến vượt qua giới hạn của nó. Như hình minh họa, màng cách ly được đẩy về phía khung nền chất rắn, chuyển động của nó được truyền qua màng cảm biến thông qua chất lỏng lấp đầy bên trong. Nếu áp lực quá lớn được đưa vào phía này, màng cách ly chỉ có thể ép vào khung chất rắn (nó phẳng lại) và không di chuyển thêm điều này đảm bảo không có bất kỳ 1 lực nào tác động thêm lên màng cảm biến, ngay cả khi áp suất quá trình được tăng thêm. việc sử dụng màng cách ly và chất lỏng điền đầy giúp giảm thiểu hư hỏng không đáng có của cảm biến.

Và có một lưu ý nữa là chất lỏng lấp đầy này chính là chất dung môi của cảm biến điện dung.

Một ví dụ điển hình của một thiết bị đo áp suất dựa trên cảm biến chênh lệch điện dung là model transmitter chênh áp Rosemount 1511, nó có hình dạng như ở hình dưới:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Bằng cách tháo 4 bulong của transmitter, chúng ta có thế tháo 2 mặt bích từ khoang áp suất, để có thế thấy được màng cách ly.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một bức ảnh phóng to cho thấy rõ cấu tạo của màng cách ly, nó không được thiết kế như màng cảm biến, các nếp gấp đồng tâm bằng kim loại của màng cách ly giúp nó dễ dàng uốn cong khi có áp lực tác dụng lên, truyền áp suất quá trình qua chất dung môi lỏng tới màng cảm biến.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Cấu tạo bên trong của cảm biến chênh áp điện dung (khi ta cắt  đôi 1 cảm biến chênh áp rosemount 1151) cho thấy màng cách ly, màng cảm biến và các cổng kết nối của chúng:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Ở đây, màng cách ly bên trái nhình rõ hơn so với màng cách ly bên phải. Và ta thấy rõ ràng trong bức ảnh này có 1 khoảng hở nhỏ hay chính xác hơn là đường ống nhỏ nối từ 2 màng cách ly trái phải với một khoàng hở lớn, nơi đặt màng cảm biến. Tất cả chúng được bao bọc bởi khung kim loại chắc chắn và nên nhớ rằng trong các khoảng hở này thường được lấp đầy bởi chất dung môi lỏng, mục đích là truyền áp lực từ 2 màng cách ly đến màng cảm biến. Như đã đề cập trước đây khung kim loại rắn giới hạn sự di chuyển của 2 màng cách ly, bằng cách này màng cảm biến được bảo vệ tránh hư hỏng do áp suất quá cao được đặt vào màng cách ly đơn giản là vì chúng không thể dịch chuyển xa hơn do có khung kim loại giới hạn chuyển động.

Cảm biến áp suất kiểu điện dung vốn dĩ là để đo sự chênh lệch áp suất giữa 2 bên của nó. Để phù hợp với chức năng này, cảm biến đo áp suất thường có 2 cổng để đo áp suất quá trình. Tất cả các mạch điện tử cần thiết để chuyển đổi tín hiệu điện dung của cảm biến thành tín hiệu đo lường được đặt trong phần cấu trúc màu xanh phía trên. Một phiên bản mới của cảm biến chênh áp kiểu điện dung là transmitter áp suất rosemount 3051:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Như đối với tất các các thiết bị đo chênh áp khác, thiết bị này cũng có 2 cổng để kết nối với các nguồn áp suất cần đo. Mặt phẳng màng cảm biến vuông góc với mặt phẳng 2 màng cách ly, thiết kế này nhỏ gọn hơn cảm biến áp suất kiểu cũ.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một thay đổi nhỏ về cách lắp đặt cảm biến là nó không được nhúng trong khung kim loại như cảm biến loại rosemount đời đầu mà thay vào đó cụm cảm biến được đặt riêng biệt khỏi khung và chỉ được kết nối với 2 màng cách ly bằng 2 ống dẫn nhỏ. Bằng cách này thì khi có sự cô giãn của kim loại rắn do giãn nở nay lực ép bu long sẽ không ảnh hưởng điến màng cảm biến tránh sai số khi đo.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Việc truyền áp suất quá trình từ màng cách ly chuyển đến màng cảm biến đều do chất lỏng bên trong các ống dẫn.

Chất lỏng này có các chức năng sau:

- Bảo vệ màng cảm biến tránh quá trình oxy hóa , ăn mòn.
- Chúng kết hợp với các màng cách ly bảo vệ tránh màng cảm biến bị quá áp suất dẫn đến bị hỏng
- Nó chính là chất dung môi của cảm biến.

NGUỒN: (Instrumentation.com)

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)


TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Giáo trình và bài giảng cảm biến áp suất.

LINK DOWNLOAD


VIDEO THAM KHẢO:

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo chênh áp

TỔNG HỢP VÀ BIÊN DỊCH: CTV Thụy Cọt (EBOOKBKMT)

Các cảm biến chênh áp thông thường được thiết kế hoạt động dựa trên nguyên lý đo sự chênh lệch điện dung. Trong thiết kế này, phần tử cảm biến là một màng kim loại đàn hồi được đặt giữa 2 bề mặt kim loại cố định, tất cả có 3 tấm kim loại tạo thành 2 tụ điện có chung 1 bản cực. Dung môi (thường là silicone lỏng có thể chuyển động được từ màng cách li sang màng cảm biến và làm thay đổi điện dung của 2 tụ điện.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Khi có bất kỳ sự chênh lệch áp suất nào sẽ khiến màng cảm biến bị cong về hướng có áp suất thấp hơn. Màng cảm biến có tính đàn hồi và là phần tử được chế tạo tinh vi, chính xác. Có nghĩa là nó có chức năng phát hiện lực tác dụng. Áp lực này có thể chỉ là một hàm của sự chênh áp tác động lên một diện tích bề mặt theo công thức về lực, áp suất, tiết diện F = PA.  Trong trường hợp này chúng ta có 2 lực tác động lên màng cảm biến, do đó công thức ở trên có thể được viết lại như một hàm của chênh áp (P2 - P1) và tiết diện : F = (P1 − P2)A. Do tiết diện của màng cảm biến là không đổi, và lực liên quan đến sự dịch chuyển của màng, bây giờ chúng ta cần suy ra độ chênh áp dựa bằng cách đo độ dịch chuyển của màng.

Một chức năng nữa của màng cảm biến là nó như một bản cực của 2 tụ điện để có thể đo sự dịch chuyển. Do điện dung của tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực, điện dung ở phía áp suất thấp sẽ tăng lên trong khi điện dung ở phía áp suất cao sẽ giảm. Các bạn hãy xem ở hình bên dưới:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một mạch phát hiện điện dung được kết nối vào tế bào cảm biến sử dụng một tín hiệu AC tần số cao để đo sự chênh lệch điện dung giữa 2 nửa, và chuyển thành một tín hiệu DC và biến nó trở thành tính hiệu đầu ra của thiết bị đo áp suất.

Những cảm biến áp suất này có độ chính xác rất cao, ổn định và tin cậy. Một điều thú vị trong cách thiết kế này đó là sử dụng 2 màng cách ly để chuyển áp suất quá trình (áp suất đo) đến màng cảm biến thông qua dung môi được đặt trong nó. Khung nền bằng chất rắn (solid frame) giới hạn chuyển động của 2 màng cách ly để ngăn không có bất lỳ lực nào có thể tác động màng cảm biến vượt qua giới hạn của nó. Như hình minh họa, màng cách ly được đẩy về phía khung nền chất rắn, chuyển động của nó được truyền qua màng cảm biến thông qua chất lỏng lấp đầy bên trong. Nếu áp lực quá lớn được đưa vào phía này, màng cách ly chỉ có thể ép vào khung chất rắn (nó phẳng lại) và không di chuyển thêm điều này đảm bảo không có bất kỳ 1 lực nào tác động thêm lên màng cảm biến, ngay cả khi áp suất quá trình được tăng thêm. việc sử dụng màng cách ly và chất lỏng điền đầy giúp giảm thiểu hư hỏng không đáng có của cảm biến.

Và có một lưu ý nữa là chất lỏng lấp đầy này chính là chất dung môi của cảm biến điện dung.

Một ví dụ điển hình của một thiết bị đo áp suất dựa trên cảm biến chênh lệch điện dung là model transmitter chênh áp Rosemount 1511, nó có hình dạng như ở hình dưới:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Bằng cách tháo 4 bulong của transmitter, chúng ta có thế tháo 2 mặt bích từ khoang áp suất, để có thế thấy được màng cách ly.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một bức ảnh phóng to cho thấy rõ cấu tạo của màng cách ly, nó không được thiết kế như màng cảm biến, các nếp gấp đồng tâm bằng kim loại của màng cách ly giúp nó dễ dàng uốn cong khi có áp lực tác dụng lên, truyền áp suất quá trình qua chất dung môi lỏng tới màng cảm biến.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Cấu tạo bên trong của cảm biến chênh áp điện dung (khi ta cắt  đôi 1 cảm biến chênh áp rosemount 1151) cho thấy màng cách ly, màng cảm biến và các cổng kết nối của chúng:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Ở đây, màng cách ly bên trái nhình rõ hơn so với màng cách ly bên phải. Và ta thấy rõ ràng trong bức ảnh này có 1 khoảng hở nhỏ hay chính xác hơn là đường ống nhỏ nối từ 2 màng cách ly trái phải với một khoàng hở lớn, nơi đặt màng cảm biến. Tất cả chúng được bao bọc bởi khung kim loại chắc chắn và nên nhớ rằng trong các khoảng hở này thường được lấp đầy bởi chất dung môi lỏng, mục đích là truyền áp lực từ 2 màng cách ly đến màng cảm biến. Như đã đề cập trước đây khung kim loại rắn giới hạn sự di chuyển của 2 màng cách ly, bằng cách này màng cảm biến được bảo vệ tránh hư hỏng do áp suất quá cao được đặt vào màng cách ly đơn giản là vì chúng không thể dịch chuyển xa hơn do có khung kim loại giới hạn chuyển động.

Cảm biến áp suất kiểu điện dung vốn dĩ là để đo sự chênh lệch áp suất giữa 2 bên của nó. Để phù hợp với chức năng này, cảm biến đo áp suất thường có 2 cổng để đo áp suất quá trình. Tất cả các mạch điện tử cần thiết để chuyển đổi tín hiệu điện dung của cảm biến thành tín hiệu đo lường được đặt trong phần cấu trúc màu xanh phía trên. Một phiên bản mới của cảm biến chênh áp kiểu điện dung là transmitter áp suất rosemount 3051:

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Như đối với tất các các thiết bị đo chênh áp khác, thiết bị này cũng có 2 cổng để kết nối với các nguồn áp suất cần đo. Mặt phẳng màng cảm biến vuông góc với mặt phẳng 2 màng cách ly, thiết kế này nhỏ gọn hơn cảm biến áp suất kiểu cũ.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Một thay đổi nhỏ về cách lắp đặt cảm biến là nó không được nhúng trong khung kim loại như cảm biến loại rosemount đời đầu mà thay vào đó cụm cảm biến được đặt riêng biệt khỏi khung và chỉ được kết nối với 2 màng cách ly bằng 2 ống dẫn nhỏ. Bằng cách này thì khi có sự cô giãn của kim loại rắn do giãn nở nay lực ép bu long sẽ không ảnh hưởng điến màng cảm biến tránh sai số khi đo.

(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Việc truyền áp suất quá trình từ màng cách ly chuyển đến màng cảm biến đều do chất lỏng bên trong các ống dẫn.

Chất lỏng này có các chức năng sau:

- Bảo vệ màng cảm biến tránh quá trình oxy hóa , ăn mòn.
- Chúng kết hợp với các màng cách ly bảo vệ tránh màng cảm biến bị quá áp suất dẫn đến bị hỏng
- Nó chính là chất dung môi của cảm biến.

NGUỒN: (Instrumentation.com)

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)


TÀI LIỆU THAM KHẢO:

- Giáo trình và bài giảng cảm biến áp suất.

LINK DOWNLOAD


VIDEO THAM KHẢO:

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo chênh áp

TỔNG HỢP VÀ BIÊN DỊCH: CTV Thụy Cọt (EBOOKBKMT)

Chuyên mục: F. Bài viết chuyên ngành Điện tự động hóa (Automation Electrical) F. Bài viết kỹ thuật