Trang chủ » Ứng dụng » Cảm biến áp suất chân không và những lưu ý cần biết

Cảm biến áp suất chân không và những lưu ý cần biết

Trong các hệ thống hút chân không hiện đại, việc giám sát và điều khiển áp suất là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn khi vận hành. Một trong những thiết bị không thể thiếu trong quy trình này chính là cảm biến áp suất chân không. Với khả năng đo lường chính xác áp suất bên trong buồng hút, cảm biến giúp máy bơm hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Thông tin chung về cảm biến chân không

Cảm biến áp suất chân không là gì?

Cảm biến chân không được sử dụng để đo áp suất chân không hoặc áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. Chân không có nghĩa là áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. Do chân không tuyệt đối không bao giờ đạt được, việc đo lường thường liên quan đến mức gần như không có áp suất khí. Chân không có thể được đo bằng cảm biến áp suất thông thường; tuy nhiên, các cảm biến này thường không phát hiện được nồng độ khí cực thấp do tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu kém. Cảm biến chân không dựa vào các tính chất vật lý của phân tử khí liên quan đến số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích.

Cảm biến áp suất trong máy bơm hút chân không

Cảm biến áp suất chân không đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển hoạt động của máy bơm hút chân không. Thiết bị này giúp đo chính xác mức độ chân không được tạo ra trong buồng hút, từ đó đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, hiệu quả và an toàn. Khi áp suất trong buồng chân không đạt đến mức cài đặt trước, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển để tự động ngắt hoặc điều chỉnh tốc độ bơm, tránh hiện tượng bơm quá mức gây hư hại thiết bị hoặc lãng phí năng lượng. Tùy theo yêu cầu ứng dụng, cảm biến có thể sử dụng nguyên lý áp suất biến dung, cảm biến áp suất điện trở, hoặc cảm biến Pirani trong trường hợp cần đo mức chân không trung bình đến cao. 

Thiết kế cảm biến chân không

Các cảm biến hoạt động trong dải áp suất chân không thường sử dụng sự dịch chuyển vật lý hoặc sự thay đổi đặc tính vật liệu để đo lường. Cảm biến chân không trung bình đến cao sử dụng các đặc tính của môi trường như độ dẫn nhiệt và sự ion hóa để đo.

Chân không thấp (Low Vacuum)

Chân không thấp có thể được đo bằng các phương pháp cơ học như những phương pháp được liệt kê dưới đây:

• Công nghệ piston sử dụng một piston/xi lanh kín để đo sự thay đổi áp suất.
• Độ lệch cơ học sử dụng một phần tử đàn hồi hoặc linh hoạt để bị lệch cơ học khi áp suất thay đổi, ví dụ như màng chắn (diaphragm), ống Bourdon, hoặc ống xếp (bellows).
• Cảm biến áp suất áp điện (Piezoelectric pressure sensors) đo áp suất động và áp suất gần tĩnh. Các bộ chuyển đổi hai chiều này bao gồm vật liệu thạch anh hoặc gốm đã được kim loại hóa có tính chất điện tự nhiên. Chúng có khả năng chuyển đổi ứng suất cơ học thành điện thế và ngược lại.
• Hệ thống cơ điện vi mô (MEMS) thường là các hệ thống vi mô được sản xuất bằng công nghệ vi cơ học bề mặt silicon, dùng trong các hệ thống công nghiệp hoặc sinh học rất nhỏ.
• Phần tử dao động (Vibrating elements) sử dụng công nghệ dao động, như cộng hưởng silicon.
• Thiết bị áp suất biến dung (Variable capacitance pressure instruments) sử dụng sự thay đổi điện dung tạo ra do chuyển động của màng chắn để đo áp suất. Thiết bị này dùng màng chắn mỏng như một bản tụ. Áp suất tác động làm màng chắn bị lệch và thay đổi điện dung. Sự lệch của màng chắn gây ra thay đổi điện dung, được phát hiện bởi mạch cầu điện. Cảm biến áp suất tuyệt đối biến dung có chân không giữa các bản tụ rất lý tưởng để tránh sai số bằng cách giữ hằng số điện môi không đổi.
• Cảm biến ứng suất (Strain gauges) là các điện trở biến thiên theo ứng suất, được gắn vào các bộ phận của cấu trúc bị biến dạng khi áp suất thay đổi. Cảm biến ứng suất có độ bền cao, chính xác và ổn định, có thể hoạt động trong môi trường rung động và va chạm mạnh, cũng như với nhiều loại môi trường áp suất khác nhau. Các loại cảm biến ứng suất gồm: cảm biến ứng suất dán (bonded), cảm biến phun phủ (sputtered), và cảm biến bán dẫn (semiconductor strain gauge).
• Cảm biến điện trở áp điện bán dẫn (Semiconductor piezoresistive sensors) dựa trên công nghệ bán dẫn. Sự thay đổi điện trở không chỉ do sự thay đổi chiều dài và chiều rộng (như với strain gauge) mà còn do sự dịch chuyển của các điện tích bên trong điện trở. Có bốn điện trở áp điện trong vùng màng cảm biến, được kết nối theo cầu điện trở. Khi màng bị lệch, hai điện trở chịu ứng suất tiếp tuyến, hai cái còn lại chịu ứng suất hướng tâm.

Chân không trung bình đến cao (Medium – High Vacuum)

Ở mức chân không trung bình và cao, việc đo chân không chính xác hơn bằng các thiết bị nhiệt và phân tử.

• Độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity) – Độ dẫn nhiệt của khí được đo bằng đồng hồ Pirani. Đây là thiết bị đơn giản chứa một bản nung nóng và đo lượng nhiệt bị mất đi. Lượng nhiệt mất đi phụ thuộc vào áp suất khí. Có nhiều thiết kế đồng hồ Pirani khác nhau. Một thiết kế sử dụng hai bản với nhiệt độ khác nhau, lượng điện năng tiêu thụ để đốt nóng là cơ sở đo áp suất khí. Thiết kế khác dùng một bản duy nhất để đo độ dẫn nhiệt qua sự mất nhiệt ra môi trường xung quanh. 
• Đồng hồ ion hóa (Ionization gauge) – Các đồng hồ chân không dùng ion có cấu trúc tương tự đèn chân không. Mối quan hệ giữa dòng ion và dây đốt gần như tuyến tính với mật độ phân tử (áp suất). Nguyên lý hoạt động giống như đồng hồ chân không kiểu đèn điện tử, nhưng bản cực được thay bằng dây được bao quanh bởi lưới, còn dây đốt cathode ở bên ngoài. Có hai loại: cathode nóng (hot cathode) và cathode lạnh (cold cathode). Sự khác biệt chính giữa hai loại là phương pháp tạo ra electron. Thiết bị cathode lạnh tạo electron từ bề mặt điện cực nhờ trường điện áp cao.

Lắp đặt và bảo trì

Cách sử dụng cảm biến áp suất chân không?

Việc sử dụng cảm biến áp suất chân không thường bao gồm các bước sau:

1. Kết nối cảm biến: Cảm biến áp suất chân không cần được kết nối với hệ thống hoặc bình chứa chân không đang được đo. Thông thường, cảm biến sẽ có một cổng đầu vào để kết nối với hệ thống hoặc bình chứa.
2. Cấp nguồn cho cảm biến: Cảm biến áp suất chân không cần có nguồn điện để hoạt động. Tùy vào loại cảm biến, điều này có thể bao gồm việc kết nối bộ nguồn hoặc pin với cảm biến.
3. Hiệu chuẩn cảm biến: Trước khi sử dụng, cảm biến cần được hiệu chuẩn để đảm bảo đo lường chính xác và đáng tin cậy. Việc hiệu chuẩn thường bao gồm việc đưa cảm biến tiếp xúc với áp suất chân không đã biết và điều chỉnh đầu ra của cảm biến sao cho khớp với giá trị đã biết đó.
4. Đọc kết quả đầu ra: Sau khi kết nối, cấp nguồn và hiệu chuẩn, cảm biến sẽ bắt đầu cung cấp các giá trị đo áp suất chân không. Kết quả đầu ra có thể dưới dạng tín hiệu điện hoặc hiển thị kỹ thuật số, tùy thuộc vào loại cảm biến.
5. Giám sát và điều khiển chân không: Dựa trên đầu ra của cảm biến, người vận hành có thể giám sát và điều chỉnh mức chân không trong hệ thống hoặc bình chứa. Việc này có thể bao gồm điều chỉnh bơm chân không hoặc van để duy trì áp suất như mong muốn.

Lưu ý: Cần tuân thủ hướng dẫn từ nhà sản xuất để đảm bảo cảm biến hoạt động đúng cách và đo chính xác. Ngoài ra, nên bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ cảm biến để duy trì độ chính xác và độ tin cậy.

Phương pháp và quy trình hiệu chuẩn cảm biến áp suất chân không

Hiệu chuẩn cảm biến áp suất chân không bao gồm việc so sánh đầu ra của cảm biến với một tiêu chuẩn hoặc giá trị tham chiếu đã biết ở các mức áp suất chân không khác nhau. Phương pháp và các bước hiệu chuẩn có thể thay đổi tùy theo loại và model cảm biến, nhưng nhìn chung gồm các bước sau:

1. Chuẩn bị: Trước khi bắt đầu hiệu chuẩn, đảm bảo cảm biến sạch và không bị bụi bẩn hoặc tạp chất ảnh hưởng đến độ chính xác. Đảm bảo thiết bị hiệu chuẩn (như thiết bị chân không chuẩn) được thiết lập đúng và hoạt động ổn định.
2. Thiết lập mức áp suất tham chiếu: Chọn hai hoặc nhiều mức áp suất tham chiếu bao phủ phạm vi làm việc dự kiến của cảm biến. Các mức này nên được truy xuất từ một tiêu chuẩn đã được công nhận.
3. Kết nối cảm biến với thiết bị hiệu chuẩn: Kết nối cảm biến với thiết bị hiệu chuẩn (như tiêu chuẩn chân không hoặc đồng hồ đo áp suất tham chiếu) bằng đầu nối và ống phù hợp. Đảm bảo kết nối chặt và kín khí.
4. Ghi nhận áp suất tham chiếu: Ghi lại các giá trị áp suất tại từng mức áp suất bằng thiết bị hiệu chuẩn. Đây là các giá trị tiêu chuẩn dùng để so sánh.
5. Ghi nhận đầu ra của cảm biến: Tại mỗi mức áp suất, ghi lại đầu ra của cảm biến chân không.
6. So sánh kết quả: So sánh giá trị đầu ra của cảm biến với giá trị tham chiếu. Tính toán sai số hoặc độ lệch giữa hai giá trị.
7. Điều chỉnh đầu ra cảm biến: Nếu có sai số đáng kể giữa đầu ra và giá trị tham chiếu, điều chỉnh đầu ra của cảm biến. Việc này có thể bao gồm chỉnh hệ số khuếch đại tín hiệu, độ lệch 0 (zero offset), hoặc các thiết lập khác.
8. Lặp lại hiệu chuẩn: Thực hiện lại quá trình hiệu chuẩn tại mỗi mức áp suất tham chiếu để đảm bảo độ chính xác và nhất quán.
9. Ghi chép dữ liệu hiệu chuẩn: Ghi lại toàn bộ dữ liệu hiệu chuẩn, bao gồm áp suất tham chiếu, đầu ra cảm biến, và các điều chỉnh đã thực hiện. Dữ liệu này có thể dùng để lập chứng chỉ hiệu chuẩn.
10. Xác minh độ chính xác: Kiểm tra lại độ chính xác của cảm biến định kỳ bằng cách lặp lại quy trình hiệu chuẩn hoặc sử dụng tiêu chuẩn tham chiếu đã biết.

Lưu ý: Luôn tuân thủ hướng dẫn hiệu chuẩn cụ thể từ nhà sản xuất đối với từng loại cảm biến để đảm bảo kết quả đo chính xác và đáng tin cậy.

Lưu ý an toàn khi sử dụng cảm biến áp suất chân không

Dưới đây là một số lưu ý an toàn khi làm việc với cảm biến áp suất chân không:

• Tuân thủ hướng dẫn nhà sản xuất: Luôn tuân thủ hướng dẫn lắp đặt, sử dụng và bảo trì của nhà sản xuất.
• Sử dụng thiết bị bảo hộ thích hợp: Tùy ứng dụng, có thể cần trang bị bảo hộ cá nhân như găng tay, kính bảo hộ, hoặc khẩu trang.
• Xử lý nhẹ nhàng: Cảm biến là thiết bị tinh vi, dễ bị hư hại nếu bị va chạm hoặc rung mạnh. Hãy cẩn thận khi vận chuyển hoặc lắp đặt.
• Sử dụng đầu nối và ống dẫn phù hợp: Đảm bảo sử dụng phụ kiện phù hợp và lắp đặt kín khít khi kết nối cảm biến với hệ thống chân không.
• Tuân thủ giới hạn áp suất và nhiệt độ: Mỗi cảm biến được thiết kế để hoạt động trong dải áp suất và nhiệt độ nhất định. Không vượt quá giới hạn này để tránh hư hại thiết bị.
• Theo dõi rò rỉ: Rò rỉ chân không có thể gây nguy hiểm và làm sai lệch kết quả đo. Hãy kiểm tra thường xuyên và khắc phục rò rỉ kịp thời.
• Ngắt điện trước khi bảo trì: Ngắt nguồn điện trước khi bảo trì hoặc thay thế cảm biến để tránh nguy cơ điện giật.
• Xử lý đúng cách khi thải bỏ: Khi cần thải bỏ cảm biến, hãy tuân thủ quy định địa phương và hướng dẫn bảo vệ môi trường.
• Đào tạo nhân sự: Đảm bảo nhân viên làm việc với cảm biến được đào tạo đầy đủ về cách sử dụng và an toàn lao động.

Tuân thủ những lưu ý này sẽ giúp đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn, bền bỉ và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng.

Kết luận

Cảm biến áp suất chân không là một thành phần quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy cho các hệ thống hút chân không. Việc lựa chọn đúng loại cảm biến phù hợp với dải áp suất, môi trường làm việc và mục đích sử dụng sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất cũng như hạn chế sự cố kỹ thuật không mong muốn.

Tham khảo bài viết khác: Ống hút chân không có những loại nào phổ biến?