Sơ lược về cảm biến áp suất

Sơ lược về cảm biến áp suất
Đo áp suất là một trong những chức năng đo cơ bản nhất trong bất cứ ngành
công nghi
ệp nào. Từ một nhà máy lọc dầu đến một chiếc xe ủi đất, việc đo
áp suất khí nén, lưu chất thủy lực, chất lỏng trong các quy trình, hơi nước
ho
ặc vô số các môi trường trung gian khác là chuyện xảy ra hàng ngày và
đóng vai trò then chốt đối với tất cả các cách thức điều khiển. Kết quả là, ở
đâu ta cũng bắt gặp các thiết bị đo áp suất, và có vô số các lựa chọn cho bạn.
M
ặc dù cũng có một số ngoại lệ song việc tổng kết lại các công nghệ đo áp
su
ất theo các thuật ngữ nói chung có thể đem lại những ứng dụng tốt hơn.
Bài báo này sẽ trình bày về các vấn đề sau:
-
Khái niệm về áp suất.
-
Tìm hiểu về khoảng đo và độ chính xác trong phép đo áp suất.
-
Cách chọn thiết bị đo áp suất.
-
Khả năng của đầu phát thông minh.
Áp suất, theo thuật ngữ cơ khí còn được gọi là ứng suất nén, có những
đặc tính đặc biệt mà ảnh hưởng tới các phương thức đo như:
- Áp suất thường được đo bằng các đơn vị lực/diện tích.
-
Nó tồn tại ở các lưu chất tĩnh và động.
-
Áp suất lưu chất thường được đo là một giá trị vi sai so với một
cái khác.
Hai ki

ểu đo áp suất có thể chia thành 3 nhóm sau:
*
Áp suất tuyệt đối: được đo so với chân không tuyệt đối, hoàn toàn bỏ
qua ảnh hưởng của áp suất khí quyển. Phương pháp đo này được sử dụng
chủ yếu để nghiên cứu hoặc thiết kế, nhưng có một số ứng dụng mà giá trị
đọc tuyệt đối lại có ích khi đặt trong điều kiện cụ thể của quá trình. Bởi vì
trên thực tế khó có thể hút một chân không tuyệt đối bên trong vỏ cảm biến,
các cảm biến thường điều chỉnh giá trị đọc của thiết bị đo bằng cách sử dụng
h
ệ số sửa cố định hoặc các đơn vị phức tạp hơn sử dụng một áp suất khí áp
đã được đo.
* Áp suất vi sai: là áp suất trong một khu vực hoặc một đường ống khi
được so với áp suất khác. Giá trị đọc là sự chênh lệch giữa hai áp suất và
không tính đến áp suất của hai bên so với áp suất của khí quyển hoặc chân
không.
*
Áp suất calip: là một dạng của áp suất vi sai, là áp suất ở một khu vực
ho
ặc đường ống so với áp suất khí quyển. Loại này được áp dụng phổ biến
nh
ất.
Hai đơn vị đo áp suất phổ biến nhất là “psi” và “bar”. Cả psi và bar đều
s
ử dụng hậu tố “a” hoặc “g” để chỉ áp suất tuyệt đối (absolute pres-sure)
ho
ặc áp suất calip (gage pres-sure). Khi không sử dụng hậu tố thì người ta
giả định đó là áp suất calip. Trong khi psi chủ yếu vẫn còn được sử dụng ở
Mỹ thì
đơn vị đo thứ hai theo hệ mét ngày càng trở nên phổ biến. “Bar” đã
thay thế bằng “pascal” và “kilopascal” vì số này dùng thuận tiện hơn. Cũng

t
ồn tại nhiều đơn vị đo khác, nhưng nhìn chung chúng chỉ được sử dụng cho
nh
ững ứng dụng đặc biệt.
K
ết quả phép đo áp suất vi sai không chỉ rõ là áp suất tuyệt đối hay calip,
b
ởi vì cả hai bên của phép đo đều được so sánh một cách trực tiếp. Giá trị
đọc chỉ là độ chênh lệch áp suất chứ không cho biết độ lớn cụ thể của áp suất
m
ỗi bên. Nếu áp suất vi sai giữa hai bể chứa là 50 psi, thì các bể đó có thể là
10 psi và 60 psi, hoặc 5000 psi và 5050 psi. Không có cách nào để xác định
áp suất tương ứng với khí quyển mà không dùng đến một cảm biến khác. Áp
su
ất vi sai thường được sử dụng hậu tố “d” (dif-ferential pressure).
Thông th
ường, các áp kế cơ khí với ống Bourdon được uốn cong là thiết
bị đo tiêu chuẩn, và hiện nay các thiết bị này vẫn tồn tại với nhiều cấu hình.
Tuy nhiên,
cũng như các dạng thiết bị đo khác, các cấu hình điện tử đã
chiếm ưu thế.
Tính chính xác, phạm vi đo và độ an toàn
Các thiết bị đo áp suất điện tử mà calip cơ khí có cách thể hiện tính chính
xác như nhau, khi cho biết một hệ sai số là giá trị phần trăm của dải đo. Ví
dụ
, một calip có dải đo từ 0-500 psi, chất lượng tốt sẽ có thể cho độ chính
xác là +-0.5% dải đo. Điều đó có nghĩa là thiết bị có dải sai số là 5 psi (+-2.5
psi)
tại bất cứ điểm nào trên thang. Bộ biến đổi tín hiệu và đầu phát điện tử
thường có dùng một cách thể hiện độ chính xác. Bởi vì phạm vi đo liên quan

đến độ chính xác, nên điều quan trọng là phải chọn được một thiết bị có dải
đo càng sát mức vận hành thực tế càng tốt trong khi vẫn đảm bảo khả năng
hoạt động trong trường hợp áp suất tăng vọt. Nói cách khác, nếu quá trình
bạn diễn ra tại áp suất 75 psi, tốt hơn hết hãy sử dụng một calip có phạm vi
đo 0-100 psi thay vì một calip có phạm vi đo 0-500 psi, ngay cả khi chúng
có thông số chính xác định mức như nhau. Chọn dải đo không thích hợp
th
ường là lỗi phổ biến nhất khi chọn và áp dụng các thiết bị đo áp suất.
Khách hàng có xu hướng quan tâm tới giá cả khi chọn một thiết bị đo áp suất
để giảm thiểu lượng hàng hóa lưu kho và sau đó họ lại cố gắng bắt các thiết
bị này làm việc trong một loạt các dải ứng dụng khác nhau. Kết quả là độ
chí
nh xác của phép đo bị ảnh hưởng.
Ở một số đầu phát tín hiệu, phạm vi đo có thể được điều chỉnh bằng kỹ
thuật điện tử. Ví dụ, một số thiết bị được thiết kế để đo từ 0 đến 500psi có
thể được điều chỉnh bằng kỹ thuật điện tử để cho giá trị đọc trong khoảng 0-
300 psi.
Điều này giúp mở rộng khu vực giá trị đọc tương ứng trên tín hiệu
4-20 mA,
nhưng thực sự không tăng tính chính xác. Trong hầu hết các
trường hợp, tỉ số giữa phạm vi đo và giá trị nhỏ nhất có thể đo được sẽ giống
như toàn bộ thang đo 0-500.
Tom Reid,
giám đốc sản xuất của GE-Druck, cho biết: “Có những cảm
bi
ến $2 hoặc $3 có thể đưa vào lốp xe ôtô và đưa kết quả phản hồi tới bảng
đồng hồ của bạn. Trong trường hợp này, không cần tính chính xác quá cao
hay
khả năng đáp ứng nhanh để nói rằng lốp xe phải đằng trước của bạn bị
non hơi”. “Tình hình cũng tương tự nếu bạn chỉ muốn cảm biến của bạn đọc

được một giá trị áp suất gần đúng bên trong bể chứa. Miễn là cơ cấu và vỏ
củ
a cảm biến vẫn chịu được thì đó có thể là tất cả những gì đáng quan tâm.
Nó hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình đó quan trọng đến mức nào”.
Victor Miller, m
ột chuyên gia về đo áp suất làm việc cho hãng Wika
Instrument, nh
ấn mạnh rằng mức độ nắm rõ một ứng dụng sẽ quyết định tầm
quan
trọng của phạm vi đo và tính bền của thiết bị. Ông nhận thấy rằng
“Ng
ười sử dụng không tính đến động lực học của những gì đang diễn ra bên
trong h
ệ thống”. Khi một chất lưu chuyển động và một van bỗng nhiên mở
hay đóng, điều này khiến áp suất tăng đột ngột chuyển động với tốc độ âm
thanh qua
toàn hệ thống. Điều đó có thể phá hỏng một cảm biến, hoặc ít nhất
cùng vô hiệu hóa khả năng so kiểm của cảm biến. Không cần bảo vệ các ứng
dụng ở trạng thái tĩnh và lưu chất nén khỏi sự tăng áp đột ngột nhiều như ở
môi trường động năng hơn.
Các tiêu chí lựa chọn một thiết bị đo áp suất
M
ột khi đã xác định được yêu cầu của phép đo cho một ứng dụng cụ thể,
bạn có thể chọn một thiết bị phù hợp căn cứ vào các thuộc tính làm việc
khác ngoài tiêu chí phạm vi đo và tính chính xác. Các yếu tố đó bao gồm:
V
ật liệu: Các thiết bị đo chỉ rõ chất liệu của các chi tiết bị ướt, có nghĩa là
những bộ phận tiếp xúc với lưu chất được sử dụng trong quá trình. Có một
loại các lựa chọn để có thể chịu được các chất lỏng hoặc các chất khí khắc
nghi

ệt/phức tạp. Cũng có nhiều lựa chọn đối với vỏ bảo vệ của cảm biến vì
môi trường ăn mòn trong nhà máy có thể tấn công từ bên ngoài. Các nguyên
li
ệu ngoại nhập thì có giá thành cao vì vậy hãy chọn lựa một cách khôn
ngoan.
C
ấu hình bên trong: Nhiều cảm biến có các rãnh bên trong chứa lưu chất
được dùng trong quá trình khi vận hành. Nếu lưu chất trung tính và một
l
ượng nhỏ bị kẹt bên trong các rãnh không làm hư hại sản phẩm thì có thể
chấp nhận được. Tuy nhiên một số ứng dụng phức tạp không cho phép điều
này. Các cảm biến có sẵn màng chắn xối nước và các bộ phận bên trong
được bao kín để ngăn sự thâm nhập lưu chất và giữ cho dòng lưu chất của
quá trình ít bị gián đoạn nhất. Một màng ngăn cũng có thể có sẵn như là phụ
kiện của cảm biến.
Vỏ bảo vệ: Các yêu cầu an toàn của một nhà máy xử lý nước thải với yêu
c
ầu an toàn của nhà máy lọc dầu. Nhiều lựa chọn có thể đáp ứng những môi
tr
ường làm việc trong đó yêu cầu thiết bị đo phải có khả năng chống nổ hoặc
th
ực sự an toàn. Hơn nữa, nhiều công ty đã đưa ra các chính sách rõ ràng về
loạ
i cũng như phạm vi ứng dụng các lựa chọn. Mặt khác, nếu môi trường
cháy nổ không phải là tiêu chí cần quan tâm thì còn có nhiều thiết bị đa dạng
hơn nữa để lựa chọn. Cũng như vậy, sự cồng kềnh của thiết bị sẽ phụ thuộc
chủ yếu vào thiết bị điện tử đi kèm để truyền tin. Một thiết bị biến đổi tín
hi
ệu đơn giản với một dây đầu ra 4-20mA duy nhất có thể rất nhỏ gọn, trong
khi đó bộ biến đổi tín hiệu thông minh với kết nối bus trường có thể lớn hơn

để chứa thêm mạch phụ.
Đầu nối gá lắp: Các thiết bị đo thường có đường dẫn dạng ren ống từ 1/8
t
ới 1/2 inch, chuẩn NPT (tiết diện ống bình thường của Mỹ) hoặc BSPT (tiết
di
ện ống chuẩn của Anh). Tuy nhiên, cũng có thêm những lựa chọn khác cho
các ứng dụng chuyên biệt hơn, bao gồm mâm cặp 3 chấu tự định tâm và các
l
ựa chọn dạng gờ khác. Các thiết bị đo áp suất vi sai thường sử dụng cụm
ống để đơn giản hóa các đầu nối.
Truy
ền thông: Hầu hết các bộ chuyển đổi tín hiệu phát dữ bằng tín hiệu
tương tự 4-20 mA. Nếu một ứng dụng sử dụng phương pháp này, có thể cần
thêm
quá trình chuẩn bị tín hiệu để đảm bảo quá trình phát tin cậy. Các bộ
chuyển đổi tín hiệu cũng như truyền thông thông qua các giao thức bus
tr
ường, không dây hoặc HART.
Công ngh
ệ cảm biến: Có khoảng 10 công nghệ và các dạng khác nhau
của chúng để biến đổi áp suất thành tín hiệu điện tử, tuy nhiên không có
công nghệ nào chiếm ưu thế cả. Các nhà sản xuất thiết bị có xu hướng sử
dụ
ng một hoặc hai công nghệ căn cứ vào sự kết hợp giữa tiêu chí hiệu quả
hoạ
t động và khả năng ứng dụng thương mại, cố gắng hết sức để tối ưu hóa
hi
ệu suất và giảm thiểu nhược điểm. Tài liệu của sản phẩm thậm chí còn
không
đề cập đến công nghệ đã sử dụng. Theo ông Allen Hood, giám đốc

sản phẩm của hãng ABB instrumentation thì, “Điều mấu chốt nhất là có đủ
kinh nghiệm về một công nghệ cảm biến nhất định”. “Chuẩn trước kia là
loạ
i điện dung, nhưng bây giờ có rất nhiều công nghệ cảm biến bởi vì chúng
được tối ưu hóa cho một phạm vi đo cụ thể. Khả năng của các bộ vi xử lý
trong các đầu phát thông minh bù cho những điểm yếu của cảm biến và cho
phép nhà sản xuất tập trung vào những vấn đề khác”.
L
ắp đặt, bổ sung phụ kiện, và bảo trì
Lắp đặt đúng cách có thể đóng vai trò quan trọng như việc chọn được
thi
ết bị phù hợp. Các thiết bị đo áp suất thường được lắp với thiết bị đóng
ng
ắt nhanh, đặc biệt trong các quá trình liên tục. Nhờ đó các thiết bị có thể
được so kiểm, sửa chữa và thay thế quá trình vẫn đang diễn ra. Trong các
trường hợp mà quá trình vận hành là những quá trình gián đoạn, thì điều
này không giữ vai trò quan trọng như vậy và một thiết bị có thể được lắp
tr
ực tiếp vào dòng lưu chất. Một đoạn đường ống tới cảm biến được coi là
một đoạn ống nối và phát huy tác dụng trong các trường hợp mà không có
đủ chỗ hoặc lối đi cho vỏ bảo vệ của đầu phát. Tuy nhiên đoạn ống nối cần
được sử dụng cẩn thận:
-
Các đoạn ống này càng ngắn càng tốt.
- N
ếu lưu chất quá trình là chất lỏng, đảm bảo rằng tất cả không khí
đã được hút ra.
- N
ếu bạn cần giá trị đọc ở vị trí thuận tiện hơn, hãy nối một cáp
m

ở rộng, chứ không phải là đoạn ống nối.
- Trong
các trường hợp nhiệt độ cao, đặc biệt là đo áp suất ở dạng
hơi, hãy đảm bảo rằng đoạn ống nối có thể hoạt động như một ống xi-
phông.
Các phụ kiện có thể giúp đơn giản hóa quá trình lắp đặt, hoặc bảo vệ thiết
bị. Dưới đây là một số ví dụ:
Van đóng và xả (Block anh bleed valve) – là một van được lắp trên đoạn ống
n
ối, cho phép áp suất có thể được xả từ cảm biến sau khi đã đóng các kết nối
của quá trình.
Van
thủy lực (Snubber) – là một thiết bị làm chậm lại dòng chảy từ quá trình
đến cảm biến, chủ yếu để ngăn chặn sự rung đập nhằm tăng cường tuổi thọ
cho cảm biến. Khi được áp dụng đúng cách, có thể thu được giá trị đọc đúng
mà không làm ảnh hưởng tới màng ngăn của cảm biến.
Màng ngăn (Diaphragm seal) – là một màng ngăn được lắp phía dưới cảm
bi
ến để truyền áp suất đi mà không cho lưu chất của quá trình thâm nhập vào
cảm biến. Khi sử dụng, cảm biến phải được nạp đầy bởi một chất trơ, thường
là đầu silicon để truyền áp suất của toàn hệ thống.
B
ộ bảo vệ quá áp (overpressure protector) – là một van lò xo tự đóng trong
tr
ường hợp áp suất quá lớn trước khi cảm biến bị hư hỏng. Thiết bị này được
s
ử dụng khi có khả năng áp suất tăng đột ngột.
Đường ống phân hồi (Manifold) – được dùng để đơn giản hóa việc đi ống
ph
ức tạp tới một áp kế vi sai, thiết bị này thường tích hợp các van bên trong

để ngắt, xả áp suất, và thực hiện các chức năng cân bằng được dễ dàng.
Các yêu cầu về bảo trì và so kiểm thay đổi mạnh mẽ, căn cứ vào từng thiết
bị đo riêng biệt và nhu cầu của quá trình. Một thiết bị chất lượng trong một
ứng dụng đóng vai trò thứ yếu có thể vận hành hàng năm mà không cần phải
giám sát. Mặt khác, trong một ứng dụng khắc khe, khi tính chính xác đóng
vai
trò quan trọng nhất, các đầu phát sẽ cần được so kiểm theo định kì. Tuy
nhiên,
các bộ biến đổi tín hiệu và đầu phát chất lượng cao được so kiểm
chính xác ngay khi xuất xưởng, điều này vượt xa khả năng so kiểm hầu hết