Đo chênh lệch áp suất là không thể thiếu trong các quy trình điều khiển công nghiệp. Cốt lõi của nó là đo chênh lệch áp suất giữa hai điểm khác nhau trong cùng một đường ống, bể chứa, thiết bị hoặc quy trình, tức là chênh lệch áp suất giữa phía áp suất-cao và phía áp suất-thấp. So với phép đo áp suất một điểm, phép đo chênh lệch áp suất không chỉ phản ánh những thay đổi về áp suất mà còn có thể được sử dụng thêm để đo gián tiếp các thông số như tốc độ dòng chảy, mức chất lỏng, chênh lệch áp suất của bộ lọc và trạng thái vận hành thiết bị. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như dầu khí, khí tự nhiên, hóa chất, điện, dược phẩm, thực phẩm, luyện kim và xử lý nước.
Trong các khu công nghiệp thực tế, áp suất chênh lệch thường được phát hiện bằng cách sử dụng máy phát áp suất chênh lệch. Bộ phát đưa ra hai áp suất đo được thông qua phía áp suất-cao (H) và phía áp suất-thấp (L) tương ứng. Sau khi cảm biến cảm nhận được tác động áp suất ở cả hai phía, nó sẽ chuyển đổi chênh lệch áp suất thành tín hiệu điện. Sau khi xử lý tín hiệu, bù nhiệt độ và tính toán tuyến tính hóa, nó xuất ra các tín hiệu tiêu chuẩn như 4~20mA, HART, RS485/Modbus, cung cấp dữ liệu đo quy trình ổn định cho các hệ thống điều khiển, PLC, DCS hoặc hệ thống thu thập dữ liệu.
Chìa khóa để đo chênh lệch áp suất không chỉ là "đo hai áp suất rồi trừ đi chúng", mà còn xem xét toàn diện các yếu tố như phạm vi đo, áp suất tĩnh, nhiệt độ, mật độ trung bình, phương pháp lắp đặt, hệ thống đường ống xung và hiệu suất cảm biến. Đặc biệt trong các điều kiện vận hành như áp suất tĩnh cao, chênh lệch áp suất thấp, nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn, phép đo chênh lệch áp suất đặt ra yêu cầu cao về cấu trúc cảm biến, thuật toán bù nhiệt độ và chất lượng lắp đặt tổng thể của thiết bị.
I. Chênh lệch áp suất là gì?
1. Các khái niệm cơ bản về chênh lệch áp suất
Áp suất chênh lệch (DP) là chênh lệch áp suất giữa hai điểm đo áp suất và mối quan hệ cơ bản của nó là:
ΔP = P₁ − P₂
Ở đâu:
• ΔP: Chênh lệch áp suất;
• P₁: Áp suất bên{0}}cao;
• P₂: Áp suất phía{0}}thấp.
Ví dụ: nếu áp suất đầu vào của một thiết bị nhất định trong đường ống là 0,80MPa và áp suất đầu ra là 0,65MPa thì chênh lệch áp suất giữa hai điểm là:
ΔP=0.80 − 0.65=0.15MPa
Dấu hiệu của chênh lệch áp suất phụ thuộc vào định nghĩa của các bên{0}áp suất cao và thấp. Khi áp suất phía-cao cao hơn áp suất phía-thấp, đầu ra là áp suất chênh lệch dương; ngược lại, nó có thể biểu hiện dưới dạng chênh lệch áp suất âm. Do đó, trong quá trình lựa chọn và lắp đặt bộ truyền áp suất chênh lệch, cần xác nhận chính xác sự tương ứng giữa giao diện H và L và đường ống xử lý.
2. Nguyên lý làm việc của phép đo chênh lệch áp suất
Khác biệtmáy phát áp suất chênh lệchchủ yếu bao gồm các giao diện áp suất, màng cách ly, lõi cảm biến, mạch xử lý tín hiệu, mô-đun bù nhiệt độ và mạch đầu ra.
Phương tiện xử lý lần lượt nhập vào phía-áp suất cao và phía áp suất-thấp của bộ phát. Áp suất ở cả hai bên tác động lên bộ phận nhạy cảm thông qua hệ thống cách ly, khiến cảm biến tạo ra những thay đổi vật lý liên quan đến chênh lệch áp suất. Lấy công nghệ cảm biến áp suất silicon điện dung, áp điện hoặc đơn tinh thể làm ví dụ, cảm biến sẽ chuyển đổi sự thay đổi cơ học này thành tín hiệu điện.
Sau khi chuyển đổi tương tự-sang-kỹ thuật số, lọc kỹ thuật số, bù nhiệt độ, tuyến tính hóa và hiệu chuẩn, thiết bị sẽ chuyển đổi chênh lệch áp suất đo được thành tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn.
Đối với máy phát áp suất chênh lệch đầu ra 4 ~ 20mA, đầu ra lý thuyết của nó có thể được biểu thị bằng:
I=4mA + 16mA × (ΔP − ΔPmin) / (ΔPmax − ΔPmin)
Ví dụ: nếu phạm vi đo chênh lệch áp suất là 0 ~ 100kPa, khi chênh lệch áp suất thực tế là 50kPa, thì đầu ra lý thuyết là:
tôi=4 + 16 × 50/100=12mA
Do đó, hệ thống điều khiển có thể suy ra chênh lệch áp suất thực tế dựa trên tín hiệu đầu ra của máy phát.
3. Sự khác biệt giữa chênh lệch áp suất và áp suất tĩnh
Một khái niệm rất quan trọng trong phép đo chênh lệch áp suất là “áp suất tĩnh”.
Giả sử áp suất phía-cao là 10MPa và áp suất phía-thấp là 9,9MPa, thì:
ΔP=10 − 9.9=0.1MPa
Tại thời điểm này, mặc dù chênh lệch áp suất đo được chỉ là 0,1MPa nhưng áp suất tĩnh thực tế do máy phát sinh ra có thể gần tới 10MPa.
Do đó, bộ truyền áp suất chênh lệch không chỉ phải đáp ứng yêu cầu về phạm vi áp suất chênh lệch mà còn phải đáp ứng yêu cầu áp suất tĩnh làm việc tối đa.
Đây cũng là một trong những khác biệt quan trọng giữa phép đo chênh lệch áp suất và phép đo áp suất thông thường về mặt lựa chọn. Đối với các ứng dụng áp suất tĩnh cao, chênh lệch áp suất thấp, nếu chỉ xem xét phạm vi áp suất chênh lệch mà bỏ qua khả năng áp suất tĩnh, nó có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến áp suất tĩnh lên cảm biến, do đó làm giảm độ chính xác của phép đo.
II. Cách xác minh các thông số kỹ thuật cho chênh lệch áp suất
Đo lường
Việc lựa chọn một bộ truyền áp suất chênh lệch không chỉ nên nhìn vào “phạm vi” và “độ chính xác”. Trong các ứng dụng thực tế, nên kiểm tra một cách có hệ thống theo các thông số sau.
1. Phạm vi đo
Đầu tiên, xác định chênh lệch áp suất tối thiểu, chênh lệch áp suất bình thường và chênh lệch áp suất tối đa có thể thực sự xảy ra trong hệ thống xử lý.
Ví dụ, độ giảm áp suất bình thường của một bộ lọc nhất định trong quá trình vận hành là khoảng 20kPa và nó có thể đạt tới 80kPa trong điều kiện bị tắc. Một phạm vi áp suất chênh lệch thích hợp có thể được lựa chọn theo yêu cầu của quy trình.
Nếu phạm vi quá lớn, điểm vận hành thực tế sẽ ở khoảng phạm vi thấp hơn trong một thời gian dài, ảnh hưởng đến độ phân giải đo hiệu quả; nếu phạm vi quá nhỏ, nó có thể vượt quá phạm vi trong điều kiện hoạt động bất thường.
2. Áp suất tĩnh
Áp suất tĩnh là một thông số phải được đặc biệt chú ý khi lựa chọn bộ truyền áp suất chênh lệch.
Ví dụ:
• Dải chênh lệch áp suất: 0~10kPa
• Áp suất đường ống: 4MPa
• Chênh áp thực tế: 5kPa
Lúc này không thể coi đơn giản là thiết bị chỉ cần đáp ứng được khả năng chịu áp suất 10kPa; cũng cần phải xác nhận rằng máy phát có thể chịu được áp suất tĩnh làm việc khoảng 4MPa và kiểm tra ảnh hưởng của áp suất tĩnh đến điểm và phạm vi 0.
3. Độ chính xác
Độ chính xác của máy phát chênh lệch áp suất thường được biểu thị bằng phần trăm của toàn thang đo, chẳng hạn như ±0,1%FS, ±0,075%FS, v.v.
Đối với máy phát có phạm vi 0~100kPa và độ chính xác ±0,1%FS, mức độ lỗi cơ bản theo lý thuyết là:
100kPa × 0,1%=±0,1kPa
Cần lưu ý rằng sai số đo thực tế cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, áp suất tĩnh, vị trí lắp đặt, đường ống xung và độ ổn định lâu dài. Vì vậy, việc lựa chọn kỹ thuật không thể chỉ so sánh một “con số chính xác”.
4. Khả năng quá tải và ảnh hưởng của áp suất tĩnh
Các cơ sở công nghiệp có thể gặp phải tình trạng van hoạt động sai, dao động áp suất, sốc khi khởi động, v.v., do đó, cần phải xác nhận khả năng quá tải một phía của máy phát và áp suất tĩnh tối đa.
Đặc biệt trong phép đo chênh lệch áp suất tĩnh cao, cũng phải chú ý đến độ trôi bằng 0 do thay đổi áp suất tĩnh. Bộ truyền áp suất chênh lệch-hiệu suất cao thường giảm những tác động này thông qua thiết kế cấu trúc cảm biến và thuật toán bù áp suất tĩnh.
5. Điều kiện nhiệt độ và môi trường
Cần kiểm tra nhiệt độ của quá trình, nhiệt độ môi trường và xem môi trường có bị ăn mòn, nhớt, kết tinh hay chứa các hạt rắn hay không.
Đối với phương tiện có nhiệt độ-cao, tác động của nhiệt độ quy trình lên bộ phát có thể giảm bớt thông qua các bình ngưng tụ, cánh tản nhiệt hoặc vòng đệm từ xa; đối với môi trường ăn mòn, cần lựa chọn màng ngăn và vật liệu làm ướt phù hợp dựa trên tính chất của môi trường, chẳng hạn như 316L, Hastelloy, Tantalum, v.v.
6. Phương thức đầu ra và truyền thông
Đầu ra chung bao gồm:
• 4~20mA;
• 4~20mA + HART;
• RS485/Modbus RTU;
• Các phương thức truyền thông kỹ thuật số khác.
Đối với hệ thống DCS và PLC truyền thống, 4~20mA vẫn có khả năng ứng dụng cao; đối với các hệ thống yêu cầu cài đặt thông số, chẩn đoán và bảo trì từ xa, có thể xem xét các sản phẩm có chức năng giao tiếp HART.
III. Các ứng dụng của phép đo chênh lệch áp suất là gì?
Đặc điểm lớn nhất của phép đo chênh lệch áp suất là nó có thể thu được các thông số quy trình khác thông qua chênh lệch áp suất, do đó phạm vi ứng dụng của nó vượt xa "phát hiện chênh lệch áp suất" đơn giản.
1. Đo lưu lượng đường ống
Đo lưu lượng chênh lệch áp suất là một trong những ứng dụng cổ điển trong đo lường quy trình công nghiệp.
Khi chất lỏng đi qua các thiết bị tiết lưu như tấm lỗ, vòi phun hoặc ống Venturi, vận tốc chất lỏng thay đổi, tạo ra chênh lệch áp suất trước và sau thiết bị tiết lưu. Theo các mối quan hệ cơ học chất lỏng, có một mối quan hệ nhất định giữa tốc độ dòng chảy và căn bậc hai của chênh lệch áp suất:
Q ∝ √ΔP
Trong điều kiện lý tưởng, nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
Q = C√ΔP
Trong đó Q là tốc độ dòng chảy và C là hệ số toàn diện liên quan đến bản chất của môi trường, cấu trúc đường ống và thiết bị tiết lưu.
Do đó, bằng cách đo chênh lệch áp suất trước và sau thiết bị tiết lưu, tốc độ dòng chảy trong đường ống có thể được tính toán gián tiếp.
Trong kỹ thuật thực tế, các yếu tố như mật độ môi trường, nhiệt độ, áp suất, số Reynolds, cấu trúc thiết bị tiết lưu và điều kiện lắp đặt cũng cần được xem xét. Do đó, phép đo luồng có độ chính xác-cao thường yêu cầu bù các tham số liên quan.
2. Đo mức chất lỏng
Máy phát áp suất chênh lệch cũng có thể được sử dụng để đo mức chất lỏng trong bể bằng cách sử dụng áp suất do cột chất lỏng tạo ra.
Mối quan hệ cơ bản của áp suất cột chất lỏng là:
ΔP=ρgh
Ở đâu:
• ρ là mật độ chất lỏng;
• g là gia tốc trọng trường;
• h là chiều cao mực chất lỏng.
Do đó, khi mật độ tương đối ổn định, mức chất lỏng có thể được tính bằng cách đo chênh lệch áp suất do cột chất lỏng tạo ra.
Đối với bể hở, mức chất lỏng thường có thể được đo bằng mối quan hệ giữa áp suất ở đáy bể và áp suất khí quyển; đối với bể kín, áp suất pha khí ở đỉnh bể cũng phải được xem xét, do đómáy phát áp suất chênh lệchthường được sử dụng để kết nối lần lượt với đáy và đỉnh bể.
Trong các bể có nhiệt độ cao, độ chân không cao hoặc môi trường dễ bay hơi, các yếu tố như nước ngưng, thay đổi mật độ và vòng đệm từ xa cần được xem xét thêm.
3. Giám sát chênh lệch áp suất bộ lọc
Trong quá trình hoạt động của bộ lọc bình thường, môi trường lọc tạo ra một tổn thất áp suất nhất định. Khi phần tử lọc dần bị tắc, chênh lệch áp suất giữa trước và sau sẽ liên tục tăng lên.
Do đó, có thể lắp đặt các vòi áp suất tương ứng ở đầu vào và đầu ra của bộ lọc để giám sát theo thời gian thực-thông qua bộ truyền áp suất chênh lệch:
ΔP=P_inlet − P_outlet
Khi chênh lệch áp suất đạt đến giá trị cài đặt, hệ thống điều khiển có thể đưa ra cảnh báo để nhắc nhở nhân viên bảo trì kiểm tra hoặc thay thế bộ phận lọc.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong lọc không khí, lọc chất lỏng, xử lý dầu khí và hệ thống loại bỏ bụi công nghiệp.
4. Giám sát hoạt động của máy bơm, quạt và máy nén
Trong các thiết bị như máy bơm, quạt và máy nén, chênh lệch áp suất đầu vào{0}}đầu ra có thể đóng vai trò là một trong những thông số quan trọng để đánh giá trạng thái vận hành của thiết bị.
Ví dụ, việc theo dõi chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của máy bơm có thể hỗ trợ đánh giá tình trạng vận hành của máy bơm; trong hệ thống vận chuyển khí, những thay đổi về chênh lệch áp suất trước và sau quạt hoặc máy nén cũng có thể được sử dụng để theo dõi trạng thái vận hành.
Cần lưu ý rằng chênh lệch áp suất của thiết bị không thể chỉ biểu thị tình trạng sức khỏe của thiết bị. Trong các ứng dụng kỹ thuật, thường cần kết hợp các thông số như tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, độ rung và dòng điện để đánh giá toàn diện.
5. Hệ thống sạch và hệ thống thông gió
Trong phòng sạch, phòng thí nghiệm, xưởng dược phẩm và hệ thống xử lý không khí, cần phải duy trì một độ chênh áp suất nhất định giữa các khu vực khác nhau.
Bằng cách sử dụng bộ truyền áp suất chênh lệch để đo chênh lệch áp suất giữa hai khu vực, có thể xác định xem khu vực sạch có được duy trì ở trạng thái áp suất quy định hay không.
Ví dụ, ở những khu vực sạch cần duy trì áp suất dương, có thể theo dõi sự chênh lệch áp suất giữa phòng và các khu vực lân cận; ở một số nơi cần kiểm soát áp suất âm, tín hiệu chênh lệch áp suất có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái áp suất âm.
6. Độ kín khí và phát hiện rò rỉ
Trong các lĩnh vực như sản xuất chính xác, phụ tùng ô tô, phụ kiện van và thiết bị y tế, phép đo chênh lệch áp suất cũng có thể được sử dụng để kiểm tra độ kín khí.
Trong quá trình thử nghiệm, một áp suất khí thử nghiệm nhất định được nạp vào đối tượng thử nghiệm và bằng cách theo dõi sự thay đổi áp suất trước và sau thử nghiệm, có thể xác định xem đối tượng thử nghiệm có bị rò rỉ hay không.
Để phát hiện rò rỉ vi mô và- vi áp suất thấp, các yêu cầu cao hơn thường được đặt ra đối với độ phân giải, độ ổn định, bù nhiệt độ và tốc độ phản hồi của cảm biến chênh lệch áp suất.
IV. Các vấn đề kỹ thuật chính trong đo chênh lệch áp suất
Đo chênh lệch áp suất có vẻ đơn giản nhưng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các ứng dụng kỹ thuật thực tế.
Đầu tiên là hệ thống đường ống xung lực. Chiều dài, đường kính trong, chiều cao lắp đặt của đường dây xung và liệu có bọt khí, sự tích tụ chất lỏng hoặc sự lắng đọng hạt bên trong đường dây có thể ảnh hưởng đến kết quả đo hay không. Đối với môi trường chất lỏng cần tránh khí lọt vào đường dẫn xung; đối với môi trường khí, cần tránh tích tụ nước ngưng.
Thứ hai là phương pháp cài đặt. Các mặt áp suất-cao và thấp của bộ truyền áp suất chênh lệch phải được kết nối chính xác với đường ống xử lý và phải chọn vị trí lấy áp suất hợp lý dựa trên trạng thái trung bình. Đối với các phương tiện như hơi nước có nhiệt độ-cao, cũng cần sử dụng nước ngưng để tạo thành lớp đệm chất lỏng nhằm ngăn môi trường có nhiệt độ-cao trực tiếp đi vào bộ phát.
Thứ ba là hiệu ứng nhiệt độ. Bản thân cảm biến có đặc tính nhiệt độ và sự thay đổi nhiệt độ trung bình cũng có thể gây ra thay đổi mật độ. Do đó, phép đo chênh lệch áp suất có độ chính xác cao-thường yêu cầu bù nhiệt độ và một số ứng dụng về lưu lượng và mức chất lỏng còn yêu cầu bù mật độ.
Ngoài ra, đối với các ứng dụng áp suất tĩnh cao, chênh lệch áp suất thấp, phải đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của áp suất tĩnh, khả năng quá tải và độ ổn định điểm 0. Ví dụ, khi đo chênh lệch áp suất nhỏ vài kPa dưới áp suất đường ống vài MPa hoặc thậm chí cao hơn, cảm biến không chỉ phải chịu được áp suất tĩnh cao mà còn giải quyết chính xác những thay đổi áp suất chênh lệch rất nhỏ, đặt ra yêu cầu cao hơn về cấu trúc cảm biến và công nghệ xử lý tín hiệu.
V. Tóm tắt
Bản chất của phép đo chênh lệch áp suất là thu được chính xác chênh lệch áp suất giữa hai điểm áp suất, với công thức cơ bản là ΔP=P₁−P₂. Thông qua thông số cơ bản này, các phép đo của các thông số công nghiệp khác nhau như tốc độ dòng chảy, mức chất lỏng, áp suất chênh lệch của bộ lọc, trạng thái vận hành thiết bị và độ kín khí có thể được thực hiện sâu hơn.
Trong kỹ thuật thực tế, việc lựa chọnmáy phát áp suất chênh lệchkhông chỉ tập trung vào phạm vi đo và độ chính xác mà còn xem xét toàn diện áp suất tĩnh, khả năng quá tải, ảnh hưởng của áp suất tĩnh, phạm vi nhiệt độ, đặc tính môi trường, vật liệu ướt, phương pháp đường xung, tín hiệu đầu ra và điều kiện lắp đặt.
Với sự phát triển không ngừng của hệ thống điều khiển quá trình và tự động hóa công nghiệp, phép đo chênh lệch áp suất đang phát triển từ việc phát hiện thông số đơn{0}}truyền thống sang độ chính xác cao, số hóa và chẩn đoán thông minh. Đối với các điều kiện vận hành công nghiệp phức tạp, công nghệ cảm biến, bù nhiệt độ, bù áp suất tĩnh và khả năng xử lý tín hiệu số sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định lâu dài và hiệu quả ứng dụng thực tế của hệ thống đo chênh lệch áp suất.
