Trong vận hành hệ thống công nghiệp và tòa nhà hiện đại, có một thông số kỹ thuật tưởng chừng đơn giản nhưng lại quyết định trực tiếp đến hiệu quả năng lượng, độ an toàn và tuổi thọ thiết bị, đó chính là chênh lệch áp suất khí. Một bộ lọc bị tắc nghẽn, một đường ống gió mất cân bằng hay một phòng sạch bị thủng áp đều bắt đầu từ sự thay đổi của thông số này. Và thiết bị duy nhất có thể phát hiện những biến động đó một cách liên tục, chính xác chính là cảm biến chênh áp suất khí.

SƠ LƯỢC VỀ CHÊNH ÁP VÀ CẢM BIẾN CHÊNH ÁP SUẤT KHÍ
Trước khi đi vào cơ chế hoạt động của thiết bị, cần hiểu rõ bản chất của đại lượng cần đo.

Chênh áp suất là hiệu số giữa áp suất tại hai điểm khác nhau trong cùng một hệ thống hoặc giữa hai hệ thống riêng biệt. Ký hiệu phổ biến là ΔP, đơn vị đo thường dùng là Pascal (Pa), kilopascal (kPa), millibar (mbar) hoặc inch water column (inWC) tùy lĩnh vực ứng dụng.

Điều quan trọng cần phân biệt là chênh áp khác hoàn toàn với áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối. Áp suất tuyệt đối đo so với chân không hoàn toàn, áp suất tương đối đo so với áp suất khí quyển, còn chênh áp đo sự khác biệt giữa hai điểm bất kỳ trong hệ thống bất kể mức áp suất tuyệt đối của chúng là bao nhiêu.

Cảm biến chênh áp suất khí là thiết bị đo lường sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm trong một hệ thống khí hoặc không khí. Thiết bị không đo áp suất tuyệt đối tại một điểm mà đo hiệu số áp suất giữa hai đầu vào, thường ký hiệu là ΔP.

Cảm biến chênh áp suất khí có hai cổng kết nối được ký hiệu là cổng áp cao (High port hoặc H) và cổng áp thấp (Low port hoặc L). Mỗi cổng được nối với một điểm đo trong hệ thống thông qua ống dẫn áp. Bên trong thiết bị, hai cổng này dẫn áp suất vào hai phía của một phần tử cảm nhận trung tâm.

Tham khảo sản phẩm: Cảm biến chênh áp khí 2 dây

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN CHÊNH ÁP SUẤT KHÍ

Hiện nay có ba công nghệ cảm nhận phổ biến nhất trong cảm biến chênh áp suất khí:

• Công nghệ màng cảm biến

Đây là công nghệ phổ biến và lâu đời nhất. Một màng mỏng đàn hồi được đặt giữa hai buồng áp suất. Khi có chênh lệch áp suất giữa hai cổng, màng bị uốn cong về phía áp suất thấp hơn. Mức độ biến dạng của màng tỷ lệ thuận với độ chênh áp và được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua các phương pháp khác nhau như điện trở biến dạng (strain gauge), điện dung hoặc cảm ứng từ.

Ưu điểm của công nghệ này là đơn giản, bền bỉ và chi phí hợp lý. Phù hợp cho dải đo từ vài Pa đến hàng chục kPa, bao phủ phần lớn ứng dụng HVAC và giám sát bộ lọc.

• Công nghệ áp điện

Phần tử cảm nhận là một chip silicon có các điện trở được tích hợp trực tiếp lên bề mặt. Khi áp lực tác động làm biến dạng chip, điện trở thay đổi theo nguyên lý áp điện trở. Sự thay đổi này được đo bằng mạch cầu Wheatstone và khuếch đại thành tín hiệu đầu ra.

Công nghệ này cho độ chính xác cao hơn, thời gian phản hồi nhanh hơn và kích thước nhỏ gọn hơn so với màng cơ học. Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và đo lường động (thay đổi nhanh).

• Công nghệ điện dung

Hai tấm điện cực được đặt ở hai phía của màng cảm biến tạo thành tụ điện. Khi màng bị uốn cong bởi chênh áp, khoảng cách giữa các tấm điện cực thay đổi, kéo theo điện dung thay đổi. Sự thay đổi điện dung này tỷ lệ với chênh áp và được xử lý bởi mạch điện tử bên trong.

Ưu điểm nổi bật của công nghệ điện dung là độ nhạy cực cao ở dải đo thấp, phù hợp để đo chênh áp rất nhỏ chỉ vài Pascal trong phòng sạch và phòng thí nghiệm.

• Tín hiệu đầu ra

Sau khi phần tử cảm nhận chuyển đổi chênh áp thành tín hiệu điện, bộ xử lý bên trong thiết bị khuếch đại, lọc nhiễu và hiệu chỉnh tín hiệu trước khi xuất ra ngoài. Các chuẩn tín hiệu đầu ra phổ biến bao gồm:

Tín hiệu analog 4-20 mA là chuẩn công nghiệp phổ biến nhất, chống nhiễu tốt và truyền được xa đến hàng trăm mét. Tín hiệu điện áp 0 đến 10 V hoặc 0 đến 5 V dễ kết nối với nhiều loại bộ điều khiển. Giao tiếp số RS-485 Modbus RTU hoặc BACnet cho phép tích hợp vào hệ thống BMS và SCADA phức tạp. Một số model còn tích hợp tiếp điểm relay để kích hoạt cảnh báo hoặc điều khiển trực tiếp mà không cần qua bộ điều khiển trung gian.

Tham khảo sản phẩm: Cảm biến chênh áp suất khí

ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA CẢM BIẾN CHÊNH ÁP SUẤT KHÍ

• Giám sát và bảo trì bộ lọc trong hệ thống HVAC

Đây là ứng dụng phổ biến nhất và cũng là ví dụ dễ hình dung nhất như đã đề cập ở phần mở đầu. Cảm biến chênh áp được lắp đặt với một cổng ở phía trước và một cổng ở phía sau bộ lọc không khí. Khi bộ lọc sạch, chênh áp thấp. Khi bộ lọc tích bụi, sức cản tăng dần và chênh áp tăng theo. Hệ thống BMS theo dõi xu hướng này liên tục và cảnh báo kỹ thuật viên khi chênh áp vượt ngưỡng cài đặt, cho phép lên kế hoạch bảo trì chủ động thay vì chờ đến khi hệ thống hỏng hóc.

Lợi ích thực tế rất rõ ràng: tránh thay bộ lọc quá sớm gây lãng phí, tránh để bộ lọc bẩn quá lâu gây hỏng thiết bị và tăng điện năng tiêu thụ, đồng thời có bằng chứng dữ liệu cho công tác bảo trì và báo cáo vận hành.

• Kiểm soát áp suất phòng sạch và khu cách ly

Trong các cơ sở sản xuất dược phẩm, phòng mổ bệnh viện, phòng thí nghiệm sinh học và nhà máy sản xuất chip bán dẫn, việc duy trì chênh áp giữa các khu vực là yêu cầu bắt buộc theo tiêu chuẩn GMP và ISO.

Phòng sạch cần được duy trì áp suất dương so với hành lang bên ngoài để ngăn không khí ô nhiễm từ bên ngoài xâm nhập vào. Ngược lại, phòng cách ly bệnh nhân nhiễm trùng cần áp suất âm để ngăn vi khuẩn hoặc virus thoát ra ngoài. Cảm biến chênh áp theo dõi liên tục khoảng chênh lệch này và hệ thống HVAC tự động điều chỉnh lưu lượng gió để duy trì mức chênh áp trong giới hạn cho phép, thường chỉ vài pascal đến vài chục pascal.

• Đo lưu lượng khí gián tiếp

Đây là ứng dụng thú vị dựa trên nguyên lý vật lý cơ bản: khi dòng khí đi qua một điểm thắt (ống venturi, tấm orifice hay ống pitot), tốc độ dòng khí tăng lên và áp suất giảm xuống theo định luật Bernoulli. Chênh lệch áp suất giữa trước và sau điểm thắt tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc dòng khí, từ đó tính được lưu lượng thể tích.

Phương pháp này rất phổ biến trong đo lưu lượng khí công nghiệp, đo gió trong hệ thống HVAC và đo lưu lượng khí đốt trong các quy trình đốt cháy công nghiệp vì không có phần tử chuyển động, độ bền cao và chi phí bảo trì thấp.

• Giám sát đường ống và phát hiện tắc nghẽn

Trong các hệ thống đường ống dẫn khí công nghiệp, chênh áp giữa đầu vào và đầu ra của từng đoạn ống là chỉ số phản ánh trực tiếp tình trạng thông thoáng của đường ống. Chênh áp tăng bất thường so với mức vận hành bình thường là dấu hiệu cảnh báo sớm về tắc nghẽn, đóng cặn hoặc van bị đóng một phần. Phát hiện sớm giúp tránh được những sự cố nghiêm trọng hơn và giảm chi phí sửa chữa đáng kể.

• Kiểm soát buồng đốt và lò công nghiệp

Trong các lò đốt công nghiệp, lò nung và lò sấy, chênh áp giữa buồng đốt và môi trường bên ngoài là thông số quan trọng để kiểm soát quá trình đốt cháy. Duy trì chênh áp âm nhỏ (draft pressure) trong buồng đốt đảm bảo khói thoát ra ngoài đúng hướng và không bị lọt vào khu vực làm việc. Sai lệch so với giá trị cài đặt có thể dẫn đến đốt cháy không hoàn toàn, tiêu thụ nhiên liệu tăng cao hoặc nguy cơ rò rỉ khói độc.​

Xem thêm: Đồng hồ chênh áp nước là gì

HƯỚNG DẪN CHỌN CẢM BIẾN CHÊNH ÁP SUẤT KHÍ PHÙ HỢP
Trên thị trường hiện có rất nhiều loại cảm biến chênh áp với dải đo, độ chính xác và tính năng khác nhau. Việc chọn sai thiết bị không chỉ gây lãng phí chi phí mà còn ảnh hưởng đến chất lượng đo lường và tuổi thọ thiết bị. Dưới đây là các tiêu chí quan trọng cần xem xét theo thứ tự ưu tiên.

• Tiêu chí 1: Xác định đúng dải đo 

Đây là tiêu chí quan trọng nhất và cũng là nơi người dùng mắc sai lầm nhiều nhất. Cần trả lời hai câu hỏi: chênh áp tối đa trong điều kiện vận hành bình thường là bao nhiêu và chênh áp có thể đạt tối đa trong điều kiện cực đoan là bao nhiêu.

Nguyên tắc chọn dải đo là giá trị vận hành bình thường nên nằm trong khoảng 20 đến 80% dải đo của cảm biến. Chọn dải đo quá rộng so với giá trị thực tế sẽ giảm độ phân giải và độ chính xác của phép đo. Chọn dải đo quá hẹp có nguy cơ quá tải cảm biến và gây hỏng hóc thiết bị.

Ví dụ thực tế: nếu chênh áp qua bộ lọc HVAC khi mới thay dao động từ 20 đến 50 Pa và giới hạn thay bộ lọc là 150 Pa thì nên chọn cảm biến có dải đo 0 đến 250 Pa hoặc 0 đến 500 Pa, không nên chọn 0 đến 100 Pa vì sẽ bị quá tải khi bộ lọc bẩn.

• Tiêu chí 2: Độ chính xác và độ phân giải

Độ chính xác thường được biểu thị theo phần trăm Full Scale (FS) hoặc phần trăm giá trị đọc. Hai con số này có ý nghĩa khác nhau và cần đọc kỹ trước khi so sánh sản phẩm.

Cảm biến ±1% FS trên dải đo 1000 Pa có sai số tuyệt đối là ±10 Pa ở mọi điểm đo. Nếu bạn đang đo chênh áp thực tế chỉ 50 Pa thì sai số tương đối lên đến 20%, hoàn toàn không phù hợp. Trong trường hợp này cần chọn cảm biến có dải đo hẹp hơn và phù hợp hơn với giá trị thực tế cần đo.

Ứng dụng phòng sạch và kiểm soát áp suất phòng cách ly thường yêu cầu độ chính xác cao, có thể đến ±0,5% FS hoặc tốt hơn vì chênh áp cần kiểm soát chỉ trong khoảng vài Pa.

• Tiêu chí 3: Áp suất tĩnh tối đa

Đây là thông số nhiều người bỏ qua nhưng rất quan trọng. Áp suất tĩnh là áp suất tuyệt đối tại các cổng đo, không phải chênh áp. Ví dụ, trong một đường ống dẫn khí nén vận hành ở 6 bar, chênh áp qua bộ lọc có thể chỉ 50 mbar nhưng áp suất tĩnh tại cổng đo lên đến 6 bar. Cảm biến chênh áp phải chịu được áp suất tĩnh này mà không bị hỏng hoặc sai số.

Cần chọn cảm biến có áp suất tĩnh tối đa (Maximum Allowable Working Pressure hoặc MAWP) cao hơn áp suất vận hành thực tế của hệ thống với hệ số an toàn tối thiểu 1,5 đến 2 lần.

• Tiêu chí 4: Tín hiệu ngõ ra phù hợp với hệ thống điều khiển

Nếu hệ thống điều khiển sử dụng đầu vào analog 4 đến 20 mA thì chọn cảm biến có ngõ ra tương ứng. Nếu cần tích hợp vào hệ thống BMS dùng giao thức BACnet hoặc Modbus RTU thì cần cảm biến hỗ trợ giao tiếp số. Nếu chỉ cần cảnh báo đơn giản khi vượt ngưỡng thì cảm biến có tiếp điểm relay tích hợp là đủ và tiết kiệm chi phí hơn.

• Tiêu chí 5: Điều kiện môi trường lắp đặt

Nhiệt độ môi trường xung quanh ảnh hưởng đến độ chính xác và tuổi thọ của cảm biến, đặc biệt là các model không có bù nhiệt độ tích hợp. Cần chọn cảm biến có dải nhiệt độ hoạt động bao phủ toàn bộ biên độ nhiệt độ thực tế tại vị trí lắp đặt.

Môi trường có hóa chất ăn mòn, độ ẩm cao hoặc bụi bẩn nhiều yêu cầu cảm biến có cấp bảo vệ IP65 trở lên và vật liệu tiếp xúc phù hợp như thân nhôm, inox hoặc nhựa kỹ thuật chịu hóa chất.

Môi trường có nguy cơ cháy nổ như khu vực lưu trữ khí dễ cháy, phòng sơn hoặc khu chế biến bột yêu cầu cảm biến đạt chứng nhận chống nổ ATEX hoặc IECEx.

Xem thêm: Đồng hồ áp suất điện tử là gì ?

Cảm biến chênh áp suất khí là thiết bị đơn giản về nguyên lý nhưng có vai trò vô cùng quan trọng trong hàng loạt ứng dụng công nghiệp và dân dụng hiện đại. Một chiếc cảm biến chênh áp được chọn đúng và lắp đặt đúng vị trí có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí năng lượng, kéo dài tuổi thọ thiết bị, đảm bảo an toàn môi trường làm việc và nâng cao chất lượng sản phẩm trong các quy trình sản xuất đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ.

Sensors Việt Nam phân phối đa dạng các dòng cảm biến chênh áp suất khí chất lượng cao từ các thương hiệu uy tín hàng đầu thế giới, với đầy đủ lựa chọn về dải đo, công nghệ, tín hiệu ngõ ra và chứng nhận an toàn phù hợp với mọi ứng dụng thực tế. Liên hệ ngay với Sensors Việt Nam để được tư vấn chọn cảm biến chênh áp phù hợp nhất cho dự án của bạn.