Các loại đồng hồ đo áp suất khác nhau và cách chọn một loại

Đồng hồ đo áp suất là một trong những thiết bị cơ bản nhất trong mọi môi trường công nghiệp, cơ khí hoặc quy trình. Chúng cung cấp phép đo áp suất chất lỏng hoặc khí theo thời gian thực, cho phép người vận hành giám sát hiệu suất hệ thống, ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và đảm bảo an toàn cho nhân viên. Tuy nhiên, thuật ngữ "đồng hồ đo áp suất" bao gồm một danh mục dụng cụ rộng đáng ngạc nhiên, mỗi loại được thiết kế cho một nguyên lý đo lường cụ thể, môi trường vận hành và yêu cầu về độ chính xác. Hiểu các loại đồng hồ đo khác nhau hiện có — và biết loại nào phù hợp với ứng dụng nào — là kiến ​​thức cần thiết cho các kỹ sư, chuyên gia mua sắm cũng như kỹ thuật viên bảo trì.

Đồng hồ đo áp suất thực sự đo được những gì

Trước khi khám phá các loại thước đo khác nhau, điều quan trọng là phải làm rõ những gì thực sự được đo, bởi vì các loại thước đo khác nhau được xác định một phần bởi điểm tham chiếu của chúng. Áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích và nó có thể được biểu thị tương ứng với các đường cơ sở khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và thiết kế thiết bị.

Áp suất đo là giá trị được đo phổ biến nhất và biểu thị áp suất liên quan đến áp suất khí quyển cục bộ. Chỉ số áp suất đo bằng 0 có nghĩa là áp suất hệ thống bằng áp suất khí quyển - không phải là không có áp suất nào cả. Áp suất tuyệt đối được đo tương đối với chân không hoàn hảo và được sử dụng trong các ứng dụng mà sự biến đổi khí quyển sẽ gây ra sai số không thể chấp nhận được, chẳng hạn như trong các quy trình chân không hoặc nhạy cảm với độ cao. Áp suất chênh lệch đo lường sự chênh lệch giữa hai điểm áp suất trong một hệ thống và rất quan trọng để theo dõi tốc độ dòng chảy, điều kiện bộ lọc và mức độ trong bình điều áp. Mỗi loại phép đo này tương ứng với các thiết kế máy đo cụ thể, vì vậy việc xác định điểm tham chiếu chính xác là bước đầu tiên để chọn đúng thiết bị.

Đồng hồ đo áp suất ống Bourdon

Máy đo ống Bourdon là máy đo cơ học được sử dụng rộng rãi nhất máy đo áp suất trên thế giới. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên một ống kim loại rỗng, cong - thường có hình chữ C, xoắn ốc hoặc xoắn ốc - hơi thẳng khi áp suất bên trong tăng lên. Chuyển động này được khuếch đại một cách cơ học thông qua liên kết bánh răng và bánh răng, giúp chuyển độ lệch của ống thành chuyển động quay của con trỏ trên mặt số đã được hiệu chỉnh. Đồng hồ đo ống Bourdon mạnh mẽ, đáng tin cậy, khép kín và không yêu cầu nguồn điện bên ngoài, khiến chúng trở thành thiết bị mặc định trong ngành để theo dõi áp suất cho mục đích chung trên hầu hết tất cả các lĩnh vực.

Đồng hồ đo ống Bourdon có phạm vi đo từ thấp tới 0–0,6 bar cho đến vài nghìn bar, tùy thuộc vào vật liệu ống và độ dày thành ống. Vật liệu ống tiêu chuẩn bao gồm đồng thau và đồng phốt-pho cho dịch vụ chung, trong khi ống thép không gỉ được chỉ định cho môi trường ăn mòn, chất lỏng nhiệt độ cao hoặc các ứng dụng vệ sinh. Hạn chế chính của đồng hồ đo ống Bourdon là độ nhạy với rung động và xung áp suất, cả hai đều có thể gây ra sự mài mòn sớm của chuyển động và hoạt động thất thường của con trỏ. Đồng hồ đo chứa đầy chất lỏng - trong đó vỏ chứa đầy dầu glycerine hoặc silicone - giải quyết hạn chế này một cách hiệu quả bằng cách làm giảm chuyển động bên trong và bôi trơn cơ cấu bánh răng.

Đồng hồ đo áp suất màng

Đồng hồ đo màng sử dụng màng linh hoạt làm bộ phận cảm biến thay vì ống cong. Khi áp suất tác dụng lên một bên của màng ngăn, nó sẽ bị lệch và độ lệch này được chuyển thành chuyển động của con trỏ thông qua một liên kết cơ học. Thiết kế màng ngăn làm cho các đồng hồ đo này đặc biệt phù hợp để đo áp suất thấp nằm dưới phạm vi thực tế của dụng cụ ống Bourdon, thường từ vài milibar đến khoảng 40 bar. Do phần tử cảm biến có bề mặt lớn, tương đối phẳng nên đồng hồ đo màng cũng nhạy hơn với những thay đổi áp suất nhỏ ở phạm vi thấp so với các loại ống Bourdon.

Một trong những ưu điểm chính của máy đo màng là sự phù hợp của chúng với môi trường có độ nhớt cao, bị ô nhiễm hoặc có tính ăn mòn cao. Màng ngăn có thể được sản xuất từ ​​thép không gỉ, Hastelloy, tantalum, kim loại phủ PTFE hoặc các vật liệu đặc biệt khác có khả năng chống lại sự tấn công của hóa chất. Trong nhiều thiết kế, môi trường xử lý không bao giờ tự đi vào thân máy đo — nó chỉ tiếp xúc với mặt màng — điều này giúp ngăn ngừa tắc nghẽn chuyển động và đơn giản hóa việc vệ sinh. Điều này làm cho máy đo màng trở thành lựa chọn ưu tiên trong các ứng dụng xử lý hóa chất, thực phẩm và đồ uống, sản xuất dược phẩm và xử lý nước thải.

Đồng hồ đo áp suất dạng viên nang

Đồng hồ đo dạng viên nang được thiết kế đặc biệt để đo áp suất khí rất thấp, đặc biệt trong khoảng 0–600 mbar. Phần tử cảm biến bao gồm hai màng kim loại dạng sóng được hàn với nhau ở ngoại vi để tạo thành một viên nang kín. Khi áp suất được tác động lên bên ngoài viên nang, hai màng ngăn được ép lại với nhau, tạo ra sự dịch chuyển cơ học chính xác. Thiết kế này cực kỳ nhạy cảm và tuyến tính trong phản ứng của nó ở phạm vi áp suất thấp, khiến nó trở nên lý tưởng cho các hệ thống cung cấp khí đốt, giám sát áp suất HVAC, điều khiển không khí đốt và chỉ báo chênh lệch áp suất của bộ lọc trong ống dẫn áp suất thấp.

Đồng hồ đo dạng viên nang chỉ được sử dụng với khí sạch, khô, không ăn mòn. Chúng không phù hợp với môi trường chất lỏng và nhạy cảm với sự hiện diện của chất ngưng tụ hoặc ô nhiễm hạt trong dòng khí. Khi lắp đặt đồng hồ đo dạng viên nang trong các ứng dụng giám sát khí, nên sử dụng bẫy hơi ẩm hoặc bộ lọc nội tuyến phía trước đồng hồ đo để bảo vệ bộ phận cảm biến và duy trì độ chính xác theo thời gian.

Đồng hồ đo áp suất chênh lệch

Đồng hồ đo áp suất chênh lệch có hai cổng áp suất - phía áp suất cao và phía áp suất thấp - và hiển thị sự khác biệt giữa hai cổng. Điều này làm cho chúng khác biệt cơ bản với các dụng cụ đo áp suất tuyệt đối hoặc áp suất tuyệt đối, đo áp suất tại một điểm duy nhất. Đồng hồ đo áp suất chênh lệch được sử dụng ở bất cứ nơi nào mối quan hệ giữa hai giá trị áp suất mang nhiều ý nghĩa hoạt động hơn là chỉ riêng giá trị riêng lẻ.

Các ứng dụng phổ biến bao gồm theo dõi sự giảm áp suất qua các bộ lọc và bộ lọc để cho biết khi nào cần vệ sinh hoặc thay thế, đo tốc độ dòng chảy qua các tấm lỗ và đồng hồ đo lỗ thông hơi (trong đó áp suất chênh lệch tương quan trực tiếp với tốc độ dòng chảy) và theo dõi mức chất lỏng trong bể điều áp kín. Đồng hồ đo áp suất chênh lệch có thể được chế tạo bằng cách sử dụng các bộ phận cảm biến màng ngăn, piston hoặc ống Bourdon, tùy thuộc vào phạm vi áp suất và môi trường liên quan. Chúng phải được lựa chọn cẩn thận để tương thích đồng thời với cả hai phương tiện xử lý, vì cả hai cổng có thể tiếp xúc với các chất lỏng khác nhau hoặc cùng một chất lỏng ở các điều kiện khác nhau.

Đồng hồ đo áp suất kỹ thuật số và điện tử

Đồng hồ đo áp suất kỹ thuật số sử dụng bộ chuyển đổi áp suất điện tử - thường là bộ phận cảm biến áp điện, điện dung hoặc máy đo biến dạng - để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, sau đó được xử lý và hiển thị dưới dạng đọc số trên màn hình LCD hoặc LED. Không giống như máy đo cơ học, thiết bị kỹ thuật số có một số ưu điểm khác biệt bao gồm độ chính xác cao hơn, khả năng ghi dữ liệu, đầu ra cảnh báo có thể định cấu hình, đơn vị đo có thể lựa chọn và khả năng truyền số đọc đến hệ thống giám sát từ xa thông qua các giao thức truyền thông tương tự hoặc kỹ thuật số như 4–20 mA, HART hoặc Modbus.

Đồng hồ đo kỹ thuật số ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở công nghiệp hiện đại, nơi dữ liệu quy trình cần được tích hợp vào SCADA hoặc hệ thống điều khiển phân tán. Chúng cũng có giá trị trong các ứng dụng hiệu chuẩn và thử nghiệm khi độ phân giải và độ chính xác của máy đo cơ học không đủ. Nhược điểm chính của chúng là sự phụ thuộc vào nguồn pin hoặc nguồn cung cấp bên ngoài, khả năng dễ bị nhiễu điện từ và chi phí ban đầu cao hơn so với các giải pháp thay thế cơ học. Trong các ứng dụng quan trọng về an toàn, máy đo dự phòng cơ học thường được lắp đặt cùng với thiết bị kỹ thuật số để cung cấp chỉ báo trực quan an toàn trong trường hợp mất điện.

So sánh các loại đồng hồ đo áp suất chính

Việc chọn loại máy đo phù hợp bắt đầu bằng việc kết hợp các đặc điểm thiết kế của thiết bị với nhu cầu cụ thể của ứng dụng. Bảng dưới đây cung cấp sự so sánh thực tế về các loại máy đo chính theo các tiêu chí lựa chọn chính:

Các loại máy đo chuyên dụng cho các ứng dụng cụ thể

Ngoài các danh mục chính, một số loại máy đo chuyên dụng được thiết kế cho các điều kiện vận hành đòi hỏi khắt khe hoặc bất thường mà các thiết bị tiêu chuẩn sẽ không hoạt động hoặc hoạt động không đầy đủ.

Máy đo độ tinh khiết và vệ sinh cao

Trong môi trường dược phẩm, công nghệ sinh học và chế biến thực phẩm, các thiết kế đo tiêu chuẩn không được chấp nhận vì chúng chứa các kẽ hở, chân chết và các vật liệu không hợp vệ sinh chứa vi khuẩn và cản trở việc làm sạch hiệu quả. Đồng hồ đo áp suất vệ sinh được thiết kế với mặt màng phẳng, bề mặt bên trong được đánh bóng và các kết nối tuân thủ tiêu chuẩn vệ sinh 3-A hoặc EHEDG. Tất cả các bộ phận bị ướt đều được sản xuất từ ​​thép không gỉ 316L với các giá trị độ nhám bề mặt được xác định, thường là Ra ≤ 0,8 µm, để đảm bảo khả năng làm sạch hoàn toàn theo quy trình CIP (làm sạch tại chỗ) và SIP (khử trùng tại chỗ).

Đồng hồ đo áp suất cao và siêu cao áp

Các ứng dụng như thử nghiệm thủy lực, cắt tia nước, lò phản ứng hóa học áp suất cao và hệ thống nén khí yêu cầu đồng hồ đo được định mức cho áp suất cực cao vượt quá 1.000 bar trở lên. Những thiết bị này sử dụng ống Bourdon xoắn ốc — một cấu hình ống lò xo cuộn chặt cung cấp nhiều vòng lệch để có độ chính xác cao hơn ở phạm vi cao — kết hợp với vỏ thép không gỉ chịu lực cao và các kết nối quy trình áp suất cao chuyên dụng như hình nón và ổ cắm hoặc phụ kiện áp suất trung bình. Mô hình an toàn với tấm chắn phía sau là bắt buộc khi lắp đặt đồng hồ đo áp suất cao để bảo vệ người vận hành trong trường hợp vỡ ống.

Đồng hồ đo kiểm tra và hiệu chuẩn

Đồng hồ đo kiểm tra là dụng cụ chính xác có cấp độ chính xác từ 0,25% trở lên, được sử dụng để xác minh số đọc của đồng hồ đo quy trình đã lắp đặt, hiệu chỉnh thiết bị đo và thực hiện kiểm tra nghiệm thu trên hệ thống áp suất. Chúng có đường kính quay số lớn - thường là 150 mm hoặc 250 mm - cho phép nội suy con trỏ chính xác, mặt số có dải gương để loại bỏ lỗi đọc thị sai và cơ chế con trỏ có thể điều chỉnh. Đồng hồ đo kiểm tra phải được bảo quản cẩn thận trong hộp bảo vệ khi không sử dụng và hiệu chuẩn lại định kỳ theo các tiêu chuẩn có thể truy nguyên để duy trì độ chính xác đã nêu.

Các yếu tố chính khi chọn đồng hồ đo áp suất phù hợp

Việc chọn đúng đồng hồ đo áp suất từ nhiều loại khác nhau hiện có đòi hỏi phải đánh giá một số yếu tố phụ thuộc lẫn nhau. Quyết định vội vàng này thường dẫn đến lỗi thiết bị sớm, kết quả đọc không chính xác hoặc nguy hiểm về an toàn. Danh sách kiểm tra sau đây bao gồm các tiêu chí lựa chọn quan trọng nhất:

• Phạm vi áp suất: Áp suất vận hành bình thường của hệ thống phải nằm trong khoảng từ 25% đến 75% phạm vi toàn thang đo của máy đo. Hoạt động liên tục ở mức cao nhất của thang đo sẽ làm tăng độ mỏi của bộ phận cảm biến, trong khi phạm vi quá rộng sẽ làm giảm khả năng đọc và độ chính xác ở điều kiện hoạt động bình thường.
• Khả năng tương thích phương tiện: Tất cả các vật liệu bị ướt - ống, ổ cắm và bất kỳ bộ phận bên trong nào - phải tương thích về mặt hóa học với chất lỏng hoặc khí xử lý. Tham khảo biểu đồ kháng hóa chất và chỉ định loại vật liệu chính xác cho từng ứng dụng để ngăn ngừa hư hỏng do ăn mòn.
• Nhiệt độ quá trình: Nhiệt độ quá trình tăng cao ảnh hưởng đến độ chính xác của máy đo và có thể làm hỏng bộ phận cảm biến. Đối với môi trường có nhiệt độ trên 60°C, nên sử dụng ống siphon (dùng cho hơi nước), bộ phận làm mát hoặc cụm màng ngăn từ xa để bảo vệ thân máy đo khỏi tiếp xúc với nhiệt.
• Rung và đập: Các hệ thống có máy bơm, máy nén hoặc dao động áp suất tần số cao yêu cầu đồng hồ đo chứa đầy chất lỏng hoặc lắp đặt bộ giảm chấn (van điều tiết xung) trong kết nối đầu vào của đồng hồ đo để bảo vệ chuyển động khỏi tải theo chu kỳ nhanh.
• Đánh giá bảo vệ môi trường: Đồng hồ đo được lắp đặt ngoài trời hoặc trong môi trường ẩm ướt, bụi bặm hoặc có tính ăn mòn hóa học phải có xếp hạng IP (bảo vệ chống xâm nhập) thích hợp. IP65 hoặc cao hơn thường được yêu cầu khi lắp đặt ngoài trời để ngăn hơi ẩm và chất gây ô nhiễm xâm nhập vào vỏ.
• Lớp chính xác: Cấp độ chính xác cần thiết phụ thuộc vào mức độ quan trọng của phép đo. Giám sát công nghiệp nói chung thường yêu cầu cấp độ chính xác 1,6% hoặc 2,5%, trong khi các ứng dụng điều khiển quá trình có thể yêu cầu cấp độ chính xác 1,0% hoặc cao hơn. Các ứng dụng hiệu chuẩn và quan trọng về an toàn yêu cầu dụng cụ có độ chính xác từ 0,25% đến 0,6%.

Thực hành lắp đặt và bảo trì giúp bảo vệ hiệu suất của máy đo

Ngay cả đồng hồ đo áp suất được chỉ định tốt nhất cũng sẽ hoạt động kém hoặc hỏng sớm nếu lắp đặt không đúng cách hoặc bị bỏ quên trong quá trình sử dụng. Máy đo phải luôn được lắp ở vị trí thẳng đứng nếu có thể, vì việc lắp nghiêng hoặc đảo ngược sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng của con trỏ và, trong các máy đo chứa đầy chất lỏng, có thể gây rò rỉ chất lỏng từ vỏ. Các kết nối quy trình phải được thực hiện bằng cách sử dụng chất bịt kín ren chính xác cho vật liệu - Băng PTFE được sử dụng rộng rãi nhưng không nên áp dụng cho sợi đầu tiên để ngăn các mảnh vỡ lọt vào đầu vào máy đo. Một van cách ly thủ công được lắp đặt giữa dây chuyền xử lý và máy đo cho phép máy đo được cách ly để thay thế hoặc hiệu chuẩn mà không làm gián đoạn hoạt động của hệ thống.

Kiểm tra thường xuyên các đồng hồ đo đã lắp đặt nên kiểm tra độ lệch của con trỏ, mặt số bị nứt, rò rỉ vỏ và ăn mòn kết nối quy trình. Các đồng hồ đo hiển thị sai số bù nhất quán cần được hiệu chuẩn lại hoặc thay thế. Trong các ứng dụng quan trọng về an toàn, lịch trình hiệu chỉnh và thay thế máy đo chính thức - thường là hàng năm hoặc được xác định bằng đánh giá rủi ro - phải được ghi lại và tuân thủ nghiêm ngặt. Hiểu các loại đồng hồ đo khác nhau hiện có và áp dụng các phương pháp lựa chọn, lắp đặt và bảo trì hợp lý đảm bảo rằng phép đo áp suất vẫn chính xác, đáng tin cậy và an toàn trong suốt vòng đời của bất kỳ hệ thống điều áp nào.