Cảm biến áp suất 4-20mA: Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, cảm biến áp suất 4-20mA là lựa chọn phổ biến nhờ tính ổn định cao, khả năng truyền tín hiệu xa và dễ tích hợp vào các bộ điều khiển. Vậy cảm biến này hoạt động như thế nào, có cấu tạo gì đặc biệt và được ứng dụng ra sao? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.

Hình ảnh: Cảm biến áp suất 4-20mA

1. Cảm biến áp suất 4-20mA là gì?

Cảm biến áp suất 4-20mA là thiết bị dùng để đo áp suất chất lỏng hoặc khí và chuyển đổi giá trị đo được thành tín hiệu dòng điện tuyến tính trong khoảng 4mA đến 20mA. Đây là loại tín hiệu chuẩn trong công nghiệp, dễ sử dụng và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ hoặc sụt áp đường truyền.

Ví dụ:

• 4mA tương ứng với giá trị áp suất thấp nhất (thường là 0 bar).
• 20mA tương ứng với áp suất tối đa (ví dụ 10 bar, 100 bar... tùy loại cảm biến).

2. Cấu tạo cảm biến áp suất 4-20mA

Cấu tạo cơ bản của cảm biến áp suất sử dụng tín hiệu dòng điện bao gồm:

2.1. Màng cảm biến (Diaphragm)

Tiếp xúc trực tiếp với môi chất, thường được làm bằng thép không gỉ hoặc hợp kim chịu áp lực cao. Khi áp suất tác động, màng bị biến dạng.

2.2. Phần tử cảm biến (Sensor Element)

Chuyển sự biến dạng của màng thành tín hiệu điện. Có thể sử dụng công nghệ như strain gauge, áp điện (piezoresistive) hoặc điện dung (capacitive).

2.3. Mạch xử lý tín hiệu

Khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu điện thu được thành dòng điện tuyến tính 4–20mA. Mạch này cũng thường tích hợp bù nhiệt và chống nhiễu.

2.4. Vỏ bảo vệ và ngõ ra kết nối

Làm từ inox 316L, hợp kim nhôm hoặc nhựa kỹ thuật. Cảm biến có đầu kết nối điện dạng DIN, M12 hoặc cáp chống nước IP65/IP67.

Hình ảnh: Minh họa cấu tạo cảm biến áp suất

3. Nguyên lý hoạt động

Khi môi chất (khí hoặc chất lỏng) tạo áp suất lên màng cảm biến, màng bị biến dạng theo mức áp lực. Phần tử cảm biến sẽ ghi nhận sự thay đổi và chuyển thành tín hiệu điện.

Tín hiệu này sau đó được mạch điện xử lý và xuất ra dòng điện tương ứng từ 4mA đến 20mA, phản ánh mức áp suất theo tỷ lệ tuyến tính.

Ví dụ: Cảm biến đo dải 0–10 bar

• Áp suất 0 bar → tín hiệu 4mA
• Áp suất 5 bar → tín hiệu 12mA
• Áp suất 10 bar → tín hiệu 20mA

Hình ảnh: Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

4. Cách đấu cảm biến áp suất 4-20mA

4.1.Cách đấu cảm biến áp suất 4 dây

Đối với cảm biến áp suất 4 dây thì cách đấu nối khá dễ dàng vì nó có 2 dây nguồn và 2 dây tín hiệu riêng biệt nên ta chỉ cần đấu đúng nguồn và lấy tín hiệu sử dụng là xong

Hình ảnh: Đấu nối cảm biến áp suất 4-20ma 4 dây

4.2. Cách đấu cảm biến áp suất 3 dây

Đối với cảm biến áp suất 3 dây thì có điểm khác đặc biệt là 0v của nguồn và 0v của tín hiệu được đấu nối chung (hay còn gọi là mass chung). Vì vậy khi đấu nối ta chỉ cần chú ý điểm này là cảm biến sẽ hoạt động tốt.

Hình ảnh: Đấu nối cảm biến áp suất 4-20ma 3 dây

4.3. Cách đấu cảm biến áp suất 2 dây

Riêng đối với cảm biến áp suất 2 dây thì do dùng nguồn và tín hiệu chung trên 2 dây nên việc đấu nối hơi khác so với 2 loại trên. Nếu các thiết bị nhận có xuất nguồn loop trên 2 dây tín hiệu thì cảm biến sẽ hoạt động tốt, tuy nhiên nếu thiết bị nhận không có nguồn loop thì chúng ta phải đấu nối tiếp thêm một nguồn phát 24V hoặc 12v thì cảm biến mới hoạt động được.

Hình ảnh: Cách đấu nối cảm biến áp suất 4-20ma 2 dây

5. Một số loại cảm biến áp suất phổ biến

Dựa vào nguyên lý và cấu tạo, cảm biến áp suất có thể được phân thành:

• Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute Pressure Sensor): đo so với áp suất chân không tuyệt đối.
• Cảm biến áp suất tương đối (Gauge Pressure Sensor): đo so với áp suất khí quyển.
• Cảm biến áp suất chênh lệch (Differential Pressure Sensor): đo chênh lệch giữa hai điểm áp suất.

6. Ứng dụng thực tế

• Trong hệ thống HVAC: giám sát áp suất gió và khí.
• Trong ngành nước và xử lý nước thải: đo áp suất đường ống, bể chứa.
• Trong nhà máy công nghiệp: kiểm soát áp suất dầu, khí nén, chất lỏng.
• Trong ngành y tế: đo huyết áp, hô hấp, áp suất buồng khí.

Kết luận

Hiểu rõ cấu tạo cảm biến áp suất giúp kỹ sư, nhà thiết kế và người sử dụng lựa chọn đúng loại cảm biến, đảm bảo độ bền, hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành. Nếu bạn đang tìm hiểu hoặc chuẩn bị đầu tư hệ thống đo lường, đừng bỏ qua bước đánh giá kỹ lưỡng cấu tạo và thông số kỹ thuật của cảm biến.