Trong các ngành sản xuất sử dụng ứng dụng công nghệ tự động hóa chắc chắn sẽ phải sử dụng bộ cảm biến để điều khiến hệ thống dây chuyền sản xuất. Cảm biến áp suất chân không được sử dụng tại các dây chuyền sản xuất có áp suất chân không. Vậy bộ cảm biến này là gì? Chúng có vai trò gì trong hoạt động sản xuất. Cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
1. Bộ cảm biến áp suất chân không là gì?
Bộ cảm biến chân không là những thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận trạng thái hoặc quá trình vật lý, hóa học ở môi trường chân không. Sau khi thu thập thông tin, cảm biến sẽ chuyển thành tín hiệu để thu thập trạng thái áp suất chân không đó.
Những thông tin này sẽ được xử lý để kết luận được trạng thái của môi trường. Từ đó, cảm biến có nhiều công dụng trong khoa học nghiên cứu, xử lý thông tin, điều khiển những quá trình khác nhau.
Trong tiếng anh, cảm biến áp suất chân không gọi là “Vacuum pressure sensor” hoặc “Vacuum pressure transmitter”.
Tên gọi khác: cảm biến áp suất âm, cảm biến chân không, cảm biến hút chân không.
2. Cấu tạo của cảm biến áp suất chân không
Tùy thuộc vào thiết kế và từng nhà sản xuất, cấu tạo của cảm biến chân không có các bộ phận khác nhau. Về cơ bản, chúng bao gồm một số thành phần phổ biến dưới đây.
a, Phần tử cảm biến (Sensing element)
Phần tử cảm biến là bộ phận quan trọng, có nhiệm vụ phát hiện những thay đổi về áp suất và chuyển nó thành tín hiệu điện. Có nhiều loại phần tử cảm biến khác nhau như: tinh thể áp điện, cảm biến đo biến dạng hoặc tụ điện.
b, Màng cảm biến (Diaphragm)
Lớp màng cảm biến được làm bằng kim loại hoặc silicon. Đây là một màng mỏng, linh hoạt, có khả năng làm lệch hướng khi có sự thay đổi áp suất. Lớp màng này là thành phần mà phần tử cảm biến được gắn vào.
c, Phớt và vòng đệm (Seals and O-rings)
Phớt và vòng đệm được sử dụng để đảm bảo cảm biến áp suất chân không kín khí và không bị rò rỉ. Chúng được làm bằng vật liệu chịu nhiệt cao và áp suất thấp.
d, Bộ khuếch đại và thiết bị điện tử (Amplifier and electronics)
Các thành phần này có nhiệm vụ khuếch đại và xử lý tín hiệu điện từ phần tử cảm biến. Tùy thuộc vào thiết kế của từng loại, chúng có thể được tích hợp vào cảm biến hoặc tách rời ra.
e, Vỏ cảm biến (Housing)
Lớp vỏ bên ngoài của cảm biến chân không giúp bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bị hư hỏng bởi các yếu tố bên ngoài môi trường. Lớp vỏ bên ngoài được thiết kế với các loại vật liệu đặc biệt như: INOX 304, INOX 316,…
Mô tả cấu tạo của một cảm biến áp suất chân không
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến chân không
Cảm biến áp suất chân không hoạt động dựa theo nguyên tắc chênh lệch áp suất trên màng ngăn. Độ lệch của màng ngăn sẽ được chuyển thành tín hiệu điện bởi phần tử cảm ứng, có thể đo lường và sử dụng để xác định áp suất.
Nguyên lý làm việc của cảm biến chân không được giải thích chi tiết như sau:
- Cảm biến được kết nối với hệ thống chân không được đo thông qua một cổng kết nối
- Sự chênh lệch giữa áp suất chân không và áp suất khí quyển bên ngoài làm màng ngăn bên trong cảm biến bị lệch
- Độ lệch của màng được phát hiện bởi phần từ cảm biến (có thể là tinh thể áp điện, cảm biến đo biến dạng hoặc tấm điện dung).
- Phần tử cảm biến sẽ chuyển đổi độ lệch thành tín hiệu điện. Tín hiệu tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất
- Sau đó, tín hiệu điện được khuếch đại và xử lý bởi các thiết bị điện tử bên trong cảm biến
- Tín hiệu sau khi xử lý sẽ xuất ra dưới dạng tín hiệu điện áp, dòng điện hoặc tín hiệu số mà bộ điều khiển, máy tính hay thiết bị đầu ra có thể đọc được.
Độ chính xác và độ nhạy cảm của cảm biến áp suất chân không sẽ phụ thuộc vào chất lượng của bộ phận cảm biến và thiết bị điện tử, cũng như thiết kế của màng ngăn và vỏ. Bởi vậy, các loại cảm biến chân không khác nhau sẽ có độ chính xác và phạm vi độ nhạy khác nhau. Chúng cũng phù hợp sử dụng cho những ứng dụng khác nhau.
Cảm biến tiếp nhận thông tin áp suất hút chân không từ hệ thống
4. Các loại cảm biến hiện nay
Cảm biến thường được chia làm nhiều loại khác nhau, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng. Dưới đây là một số loại cảm biến dùng cho hệ thống áp suất chân không thông dụng:
Cảm biến áp suất chân không điện dung
Cảm biến này đo sự thay đổi điện dung của tụ điện do độ lệch của màng ngăn. Cảm biến điện dung có độ nhạy và độ chính xác cao. Chúng thường được dùng trong các ứng dụng khoa học và công nghiệp.
Cảm biến áp suất chân không áp điện
Loại cảm biến này sử dụng tinh thể áp điện để chuyển đổi ứng suất cơ học thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện giúp thời gian phản hồi nhanh và độ chắc chắn cao. Do đó, dòng cảm biến này được sử dụng cho các ứng dụng như ô tô, hàng không vũ trụ và công nghiệp.
Cảm biến áp suất chân không dây cộng hưởng
Cảm biến chân không dùng tần số cộng hưởng của dây để đo lường áp suất của hệ thống chân không. Chúng có độ chính xác cao và ổn định. Thiết bị sử dụng cho ứng dụng bán dẫn và phủ chân không.
Ngoài các loại chính trên, có một số loại cảm biến khác như: màng ngăn, ống Bourdon, áp kế điện dung,… Mỗi loại cảm biến có tính năng và ứng dụng riêng. Tùy thuộc vào phạm vi áp suất cần thiết, độ chính xác, điều kiện môi trường mà chúng ta lựa chọn loại cảm biến áp suất âm phù hợp.
Hình ảnh một số cảm biến áp suất âm
5. Ứng dụng
Cảm biến áp suất chân không sử dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến chân không:
- Quy trình sản xuất công nghiệp: Cảm biến áp suất âm dùng cho các quy trình sản xuất công nghiệp khác nhau như: sơn chân không, chưng cất chân không, sấy chân không, xi mạ,… Những cảm biến này sử dụng để theo dõi và kiểm soát áp suất chân không để đạt yêu cầu sản xuất mong muốn.
- Phát hiện rò rỉ: Cảm biến áp suất chân không sử dụng để phát hiện rò rỉ ở hệ thống chân không hoặc bình tích. Nhờ cảm biến, người ta sẽ phát hiện được bất kỳ sự thay đổi nào về áp suất chân không. Từ đó có thể xác định và sửa chữa.
- Nghiên cứu khoa học: Cảm biến chân không sử dụng trong nghiên cứu và thí nghiệm khoa học để tạo môi trường chân không và duy trì. Một số ứng dụng như: buồng chân không, buồng mô phỏng không gian, máy gia tốc hạt,..
- Thiết bị y tế: Sử dụng trong các thiết bị y tế như: máy thở, máy gây mê, máy hút chân không.
- Giám sát môi trường: Cảm biến chân không dùng trong các hệ thống giám sát môi trường với mục đích đo áp suất khí quyển và chất lượng không khí.
- Hàng không vũ trụ và hàng không: Cảm biến dùng trong ứng dụng như hệ thống điều khiển và cảm biến độ cao.
- Công nghiệp ô tô: Cảm biến áp suất hút chân không sử dụng trong việc quản lý động cơ, hệ thống phun nhiên liệu và hệ thống trợ lực phanh.
Cảm biến chân không sử dụng cho nhiều lĩnh vực đời sống và công nghiệp
>> Tham khảo: Các loại đồng hồ đo áp suất chân không
6. Ưu và nhược điểm
Cảm biến áp suất chân không đem lại ưu điểm cho việc sử dụng và hiệu quả sản xuất. Bên cạnh đó, các thiết bị này cũng tồn tại một vài nhược điểm cần lưu ý.
6.1. Ưu điểm
- Độ chính xác cao: Cảm biến áp suất chân không cho phép đo áp suất chân không chính xác và tin cậy. Đây là tiêu chí rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng công nghiệp, khoa học và y tế.
- Sử dụng được cho đa dạng ứng dụng từ y tế, nghiên cứu đến công nghiệp, hàng không vũ trụ.
- Cải thiện kiểm soát quy trình: thiết bị cảm biến có thể cải thiện kiểm soát quy trình bằng cách theo dõi và kiểm soát áp suất chân không trong hệ thống, mang lại hiệu suất ổn định và hiệu quả hơn.
- Dễ dàng tích hợp vào hệ thống hiện có, khiến chúng trở thành giải pháp tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng.
- Chi phí bảo trì thấp: Chỉ cần hiệu chuẩn và vệ sinh cảm biến định kỳ để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất làm việc.
Cảm biến có độ chính xác cao, dễ dàng tích hợp vào hệ thống làm việc
6.2. Nhược điểm
- Phạm vi áp suất có giới hạn: Cảm biến áp suất chân không thường thiết kế để đo lường mức áp suất thấp (trong khoảng từ 1 torr đến 10^-9 torr). Chúng có thể không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đo áp suất cao hơn.
- Dễ bị vỡ: Cảm biến có thể dễ bị vỡ và hư hỏng do thao tác và va đập mạnh.
- Hạn chế môi trường: Cảm biến ảnh hưởng bởi những hạn chế về điều kiện môi trường chẳng hạn như: phạm vi nhiệt độ hoặc áp suất; nguy cơ ăn mòn do tiếp xúc với vật liệu ăn mòn hoặc mài mòn;… Để khắc phục tình trạng này, người sử dụng cần lựa chọn loại cảm biến tương thích với môi trường.
- Yêu cầu hiệu chuẩn: Cảm biến áp suất hút chân không yêu cầu hiệu chuẩn định kỳ để duy trì độ chính xác, đây có thể là một quá trình tốn thời gian và tốn kém.
7. Cảm biến áp suất chân không có sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt không?
Có. Một số cảm biến áp suất hút chân không được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt. Chẳng hạn như nhiệt độ cao, áp suất cực cao và vật liệu ăn mòn hoặc mài mòn. Ví dụ, các cảm biến áp suất thiết kế bằng vật liệu bền như: thép không gỉ hoặc gốm và được thiết kế để hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao hoặc áp suất cao.
Khi lựa chọn và sử dụng, chúng ta cần xem xét các yếu tố như nhiệt độ và áp suất, khả năng tương thích hóa học và các loại áp lực cơ học khác để chọn cảm biến thích hợp. Trong một số trường hợp, có thể cần phải lắp thêm lớp bảo vệ hoặc che chắn để tránh làm hỏng cảm biến.
8. Thông tin về bộ cảm biến nhạy cảm nhất thế giới
Thử nghiệm thành công một cảm biến nhạy cảm nhất thế giới có khả năng đo khối lượng của hạt proton trong môi trường chân không. Trước đây, bộ cảm biến nhạy cảm nhất thế giới có khả năng cân được các vật chất có khối lượng 100 hectograms, điều đó tương đương 1/10 zeptogram.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Nano Catalan Tây Ban Nha đã chế tạo thành công thiết bị ống Nano được gắn với bộ phân giải tốt nhất, có khả năng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt. Đối với loại thiết bị này chúng có thể đo được các khối lượng hạt proton nặng 1.7 hectogram.
Thí nghiệm được diễn ra trong môi trường chân không do một hệ thống bơm chân không tạo ra để làm giảm các sự can thiệp từ các nguyên tử khác. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng có thể sản xuất được các bộ cảm biến nano như vậy nhưng với chi phí thấp hơn.
Đồng thời đội nghiên cứu cũng tin rằng có thể sử dụng bộ cảm biến nhạy cảm này để có thể phân biệt sự khác nhau giữa các mẫu hóa chất với đơn vị khoảng vài proton hoặc sử dụng các bộ cảm biến trong lĩnh vực y tế vào việc chuẩn đoán tình hình sức khỏe bằng việc xác định sự biến đổi của bệnh trong các phân tử ở cấp độ Proton.
Những nghiên cứu mới nhất về bộ cảm biến nhạy cảm sẽ mang đến thêm nhiều ứng dụng khoa học, sản xuất đáp ứng yêu cầu tất yếu của cuộc sống. Trong ngành chân không, cảm biến cũng được sử dụng để đo áp suất chân không giúp bơm hoạt động hiệu quả.
Trên đây là thông tin tổng hợp về cảm biến áp suất chân không. Thông qua bài viết, chắc hẳn bạn đã hiểu thêm về cấu tạo, nguyên lý và các đặc điểm nổi bật của chúng. Từ đó, chúng ta có thể lựa chọn và sử dụng thiết bị một cách tốt nhất.
Trả lời
Bạn phải đăng nhập để gửi phản hồi.