Bạn thực sự cần loại đồng hồ đo áp suất nào và làm thế nào để bạn chọn nó đúng?

Đồng hồ đo áp suất là một trong những thiết bị được lắp đặt phổ biến nhất trong bất kỳ cơ sở công nghiệp nào, tuy nhiên chúng cũng nằm trong số những thiết bị thường xuyên bị xác định sai nhất. Đi qua bất kỳ nhà máy xử lý, hệ thống khí nén hoặc mạch thủy lực nào và bạn sẽ tìm thấy đồng hồ đo áp suất - một số đọc chính xác và đáng tin cậy, một số khác rung đến mức không thể đọc được, bị ăn mòn bởi môi trường xử lý không tương thích hoặc đơn giản là được lắp đặt sai phạm vi áp suất cho ứng dụng. Hậu quả có thể từ bất tiện — một thước đo không thể đọc được và không cung cấp thông tin hữu ích — đến nguy hiểm, khi một thước đo được chỉ định không chính xác bị hư hỏng về mặt cấu trúc trong điều kiện quá áp suất. Hiểu các loại đồng hồ đo áp suất khác nhau, các thông số kỹ thuật xác định sự phù hợp của chúng cho các ứng dụng cụ thể cũng như các biện pháp lắp đặt và bảo trì giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng là kiến ​​thức cơ bản cho các kỹ sư quy trình, kỹ thuật viên bảo trì và chuyên gia thiết bị đo đạc làm việc với bất kỳ loại hệ thống điều áp nào.

Đồng hồ đo áp suất hoạt động như thế nào: Nguyên tắc đo lường cốt lõi

Hầu hết các đồng hồ đo áp suất công nghiệp đều sử dụng phần tử cảm biến cơ học biến dạng dưới áp suất tác dụng - biến dạng đàn hồi của phần tử cảm biến được liên kết cơ học với một con trỏ di chuyển qua thang đo đã hiệu chuẩn, chuyển đổi biến dạng vật lý thành chỉ báo áp suất có thể đọc được. Ống Bourdon là phần tử cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị đo công nghiệp: nó là một ống cong hoặc xoắn ốc có tiết diện hình bầu dục hoặc hình elip, được bịt kín ở một đầu (nối với cơ cấu con trỏ) và mở ở đầu kia (nối với kết nối quá trình). Khi áp suất bên trong được tác dụng, ống có xu hướng duỗi thẳng do chênh lệch áp suất tác động lên hình học cong của nó và chuyển động làm thẳng này - được khuếch đại thông qua cơ cấu bánh răng và đòn bẩy gọi là chuyển động - đẩy con trỏ đi qua thang đo. Sự sang trọng của ống Bourdon là sự kết hợp giữa tính đơn giản, độ tin cậy và khả năng phạm vi áp suất rộng - đồng hồ đo ống Bourdon đo chính xác áp suất từ ​​dưới 1 bar đến trên 10.000 bar tùy thuộc vào vật liệu ống, độ dày thành và hình dạng.

Đối với phạm vi áp suất thấp hơn - thường dưới 0,6 bar - trong đó ống Bourdon thiếu độ nhạy, các thành phần cảm biến màng ngăn và viên nang được sử dụng thay thế. Máy đo màng ngăn sử dụng một đĩa lượn sóng mỏng được kẹp giữa hai mặt bích làm bộ phận cảm biến; áp lực tác dụng lên một mặt của màng ngăn làm cho nó bị lệch và độ lệch này được truyền đến cơ cấu con trỏ. Đồng hồ đo dạng viên nang sử dụng hai màng ngăn dạng sóng được hàn với nhau ở chu vi của chúng để tạo thành một màng kín - áp suất tác động từ bên ngoài hoặc bên trong làm cho màng mở rộng hoặc co lại, mang lại độ nhạy cao hơn so với một màng ngăn đơn để đo chênh lệch áp suất rất thấp. Các công nghệ cảm biến này xác định khả năng phạm vi áp suất cơ bản của máy đo và phải phù hợp với phạm vi áp suất quy trình dự kiến ​​trước khi xem xét bất kỳ thông số kỹ thuật nào khác.

Các loại đo áp suất và ý nghĩa của chúng

Trước khi chọn đồng hồ đo áp suất, điều cần thiết là phải hiểu loại áp suất nào đang được đo - áp suất đo, áp suất tuyệt đối hoặc áp suất chênh lệch - vì đây là những đại lượng khác nhau về cơ bản đòi hỏi các loại đồng hồ đo khác nhau và tạo ra kết quả không thể so sánh trực tiếp nếu không hiệu chỉnh.

• Đồng hồ đo áp suất (PSIG/bar g): Đo áp suất tương đối với áp suất khí quyển địa phương. Đây là loại phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp - chỉ số áp suất đo bằng 0 có nghĩa là áp suất đo được bằng áp suất khí quyển, không phải hệ thống ở trong chân không. Hệ thống khí nén, mạch thủy lực, đường hơi và hệ thống cấp nước đều được giám sát thông thường bằng dụng cụ đo áp suất. Cổng tham chiếu của máy đo (nếu có) mở thông với khí quyển để cung cấp tham chiếu.
• Áp suất tuyệt đối (PSIA/bar a): Đo áp suất tương đối với chân không hoàn hảo (áp suất bằng không). Được sử dụng trong các ứng dụng cần có giá trị áp suất tuyệt đối để tính toán nhiệt động lực học, xác định áp suất hơi hoặc đo bù độ cao. Đồng hồ đo áp suất tuyệt đối có buồng tham chiếu kín ở chân không thay vì cổng tham chiếu khí quyển. Phong vũ biểu thời tiết và màn hình hệ thống chân không là những ví dụ về ứng dụng đo áp suất tuyệt đối.
• Áp suất chênh lệch (ΔP): Đo chênh lệch áp suất giữa hai điểm trong hệ thống, bất kể áp suất tuyệt đối tại một trong hai điểm. Được sử dụng để theo dõi tình trạng bộ lọc (khi tăng ΔP biểu thị tải bộ lọc), đo lưu lượng (trong đó chênh lệch áp suất trên tấm lỗ hoặc Venturi tỷ lệ với bình phương tốc độ dòng chảy) và đo mức trong bình điều áp. Đồng hồ đo áp suất chênh lệch có hai kết nối quy trình - phía cao và phía thấp - và hiển thị sự khác biệt giữa hai kết nối.
• Đo chân không: Áp suất dưới khí quyển được đo bằng áp suất âm (đôi khi được biểu thị bằng inch thủy ngân hoặc chân không milibar trên thang đo chuyên dụng) hoặc dưới dạng áp suất tuyệt đối gần bằng 0. Đồng hồ đo chân không sử dụng ống Bourdon hoặc màng ngăn được hiệu chỉnh để đọc trong phạm vi chân không, với thang đo thường chạy từ -1 bar (hoặc -29,9 inHg) đến 0.

Thông số kỹ thuật chính để lựa chọn đồng hồ đo áp suất

Việc chọn đồng hồ đo áp suất chính xác cho một ứng dụng đòi hỏi phải kết hợp một bộ thông số kỹ thuật phụ thuộc lẫn nhau với điều kiện quy trình, môi trường lắp đặt và yêu cầu về độ chính xác của điểm đo. Bảng sau đây tóm tắt các thông số quan trọng nhất và ý nghĩa thực tế của chúng.

Lựa chọn phạm vi áp suất: Quy tắc hai phần ba

Nên chọn phạm vi áp suất của máy đo sao cho áp suất vận hành bình thường nằm trong khoảng một phần ba giữa của thang đo - thường là từ 25% đến 75% áp suất toàn thang đo, với điểm vận hành lý tưởng ở khoảng 50 đến 65% toàn thang đo. Việc vận hành đồng hồ đo một cách nhất quán ở mức cao nhất trong phạm vi của nó sẽ khiến bộ phận cảm biến chịu ứng suất gần giới hạn đàn hồi của nó, làm tăng độ mỏi và giảm tuổi thọ sử dụng. Vận hành nó ở mức thấp nhất của phạm vi sẽ làm giảm độ phân giải đọc và làm cho những thay đổi áp suất khó phát hiện. Phần dưới của phạm vi phải phù hợp với bất kỳ điều kiện áp suất hoặc áp suất tăng vọt dự kiến ​​nào mà không vượt quá giới hạn quá áp được chỉ định của máy đo - thường là 130% toàn thang đo đối với máy đo tiêu chuẩn.

Lựa chọn vật liệu ướt để tương thích quy trình

Vật liệu ướt của đồng hồ đo áp suất - ống Bourdon, ổ cắm (thân kết nối quy trình) và bất kỳ phụ kiện ướt bên trong nào - phải tương thích về mặt hóa học với chất lỏng quy trình. Sự không tương thích gây ra hiện tượng ăn mòn hoặc nứt do ăn mòn ứng suất của bộ phận cảm biến, dẫn đến sai lệch phép đo, hư hỏng cấu trúc hoặc đứt gãy đột ngột có thể giải phóng chất lỏng xử lý có áp suất ra khỏi vỏ máy đo. Hướng dẫn lựa chọn vật liệu sau đây bao gồm các loại chất lỏng công nghiệp phổ biến nhất.

• Đồng thau (hợp kim đồng): Vật liệu ướt tiêu chuẩn cho chất lỏng không ăn mòn bao gồm nước, hơi nước, không khí, nitơ và khí trung tính. Không thích hợp với amoniac (gây nứt ăn mòn ứng suất của hợp kim đồng), axetylen (tạo thành axetylua đồng dễ nổ) hoặc môi trường axit hoặc kiềm mạnh. Đồng hồ đo ướt bằng đồng thau có chi phí thấp hơn và là thông số kỹ thuật phù hợp cho phần lớn các ứng dụng dịch vụ tiện ích chung.
• Thép không gỉ 316: Vật liệu tiêu chuẩn cho dịch vụ xử lý hóa học, ứng dụng thực phẩm và dược phẩm, nước biển, nước muối và chất lỏng có tính axit hoặc kiềm nhẹ. Cung cấp khả năng chống ăn mòn cho nhiều loại hóa chất công nghiệp và tương thích với hầu hết các axit ngoại trừ axit clohydric ở nồng độ và nhiệt độ cao, gây ra hiện tượng rỗ clorua. Đồng thời là vật liệu tiêu chuẩn cho đồng hồ đo dịch vụ oxy, trong đó đồng thau bị cấm do nguy cơ bốc cháy do nhiễm bẩn dầu.
• Monel (hợp kim Ni-Cu): Được chỉ định cho dịch vụ axit hydrofluoric và một số ứng dụng axit khoáng có tính ăn mòn cao trong đó thép không gỉ sẽ bị hỏng do rỗ hoặc ăn mòn nói chung. Cũng được sử dụng trong dịch vụ nước biển và hàng hải, nơi sự kết hợp của clorua và oxy tạo ra các điều kiện ăn mòn đặc biệt mạnh mẽ mà thép không gỉ có thể không chống lại đầy đủ ở các bộ phận bên trong máy đo dễ bị nứt.
• Hastelloy C276: Hợp kim niken-molybden-crom hiệu suất cao dành cho các dịch vụ ăn mòn đòi hỏi khắt khe nhất bao gồm axit sulfuric đậm đặc, axit clohydric, khí clo và các dịch vụ axit hỗn hợp trong đó tất cả các vật liệu tiêu chuẩn khác sẽ ăn mòn ở mức không thể chấp nhận được. Đắt hơn đáng kể so với thép không gỉ nhưng mang lại tuổi thọ sử dụng trong điều kiện các lựa chọn thay thế không thành công trong vòng vài ngày hoặc vài tuần.
• Phốt màng (phớt hóa chất): Đối với chất lỏng cực kỳ hung hãn, môi trường có độ nhớt cao, chất bùn hoặc chất lỏng kết tinh có thể chặn hoặc tấn công các đường dẫn bên trong của máy đo, một màng bịt (còn gọi là phốt hóa học hoặc màng ngăn từ xa) tách hoàn toàn máy đo khỏi chất lỏng xử lý. Phớt bao gồm một màng ngăn linh hoạt (bằng vật liệu tương thích với chất lỏng xử lý) được liên kết với hệ thống chất lỏng làm đầy truyền áp suất từ ​​màng ngăn đến máy đo thông qua chất lỏng làm đầy thủy lực không ăn mòn như dầu silicone hoặc glycerine. Bản thân máy đo sau đó chỉ tiếp xúc với chất lỏng chứ không phải môi trường xử lý.

Đồng hồ đo chứa đầy chất lỏng: Khi nào và tại sao nên sử dụng chúng

Đồng hồ đo áp suất chứa đầy chất lỏng - thường chứa đầy glycerine (glycerol) hoặc dầu silicon - được chỉ định cho các ứng dụng liên quan đến áp suất dao động, độ rung hoặc khi đồng hồ đo được gắn trực tiếp trên thiết bị rung như máy bơm, máy nén và động cơ pittông. Việc đổ đầy chất lỏng mang lại hai lợi ích riêng biệt: nó làm giảm dao động của kim chỉ báo do xung áp suất gây ra (làm cho kim đồng hồ đo khô rung lên rõ ràng và khiến cho việc đọc không thể thực hiện được đồng thời tăng tốc độ mài mòn của chuyển động) và nó bôi trơn cơ chế chuyển động để giảm ma sát và mài mòn do chuyển động vi mô do rung động của các bộ phận bánh răng và đòn bẩy gây ra.

Đồng hồ đo chứa đầy Glycerine phù hợp với nhiệt độ môi trường xung quanh và vừa phải - thường là -20°C đến 60°C - và không thích hợp để lắp đặt ngoài trời nơi xảy ra nhiệt độ đóng băng, vì glycerine đóng băng ở khoảng -12°C (glycerine nguyên chất) đến -40°C tùy thuộc vào hàm lượng nước. Đồng hồ đo chứa đầy silicon có phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiều — thường là -60°C đến 200°C — và là lựa chọn chính xác để lắp đặt ngoài trời ở vùng khí hậu lạnh, các ứng dụng dịch vụ nhiệt độ cao hoặc nơi đồng hồ đo có thể tiếp xúc trực tiếp với nhiệt mặt trời trong vỏ nhà máy chế biến. Cả hai loại làm đầy đều làm cho vỏ đồng hồ đo và cửa sổ mờ đục ở mặt sau và các bên nhưng có mặt trước rõ ràng để đọc. Đồng hồ đo chứa đầy glycerine và silicon đắt hơn đồng hồ đo khô và cần có hộp kín để tránh thất thoát chất lỏng - do đó, vật liệu vỏ và chất lượng bịt kín cửa sổ là các thông số chất lượng quan trọng hơn đối với đồng hồ đo chứa đầy so với đồng hồ đo khô tương đương.

Các lớp chính xác và khi nào độ chính xác cao hơn có vấn đề

Pressure gauge accuracy is defined by its accuracy class — a number representing the maximum permissible error as a percentage of the full scale range, measured at any point on the scale under reference conditions (typically 20°C ambient, upright installation). Máy đo Loại 1.0 có phạm vi từ 0 đến 10 bar có sai số tối đa cho phép là ±0,1 bar tại bất kỳ điểm nào trên thang đo của nó. Máy đo Loại 2,5 có cùng phạm vi có sai số tối đa cho phép là ± 0,25 bar - kém chính xác hơn 2,5 lần. Việc chỉ định lớp tuân theo tiêu chuẩn EN 837 trong thông lệ Châu Âu và ASME B40.100 trong thông lệ Bắc Mỹ.

Đối với hầu hết các ứng dụng giám sát quy trình và chỉ báo an toàn, độ chính xác Loại 1.6 hoặc Loại 2.5 là đủ - máy đo cung cấp đủ độ chính xác để giám sát các điều kiện quy trình, xác định xu hướng và cảnh báo người vận hành về những sai lệch đáng kể. Đối với các ứng dụng mà số đọc của máy đo được sử dụng trực tiếp cho các quyết định kiểm soát quy trình, xác minh điểm đặt hoặc tham chiếu hiệu chuẩn, Loại 1.0 trở lên là phù hợp. Đồng hồ đo kiểm tra được sử dụng làm tài liệu tham khảo hiệu chuẩn thường là Loại 0,25 hoặc Loại 0,1, với các chuyển động chính xác và đường kính quay số lớn hơn cho phép chia độ thang đo mịn hơn để nội suy các số đọc giữa các vạch chia độ. Sẽ lãng phí về mặt kinh tế và không cần thiết về mặt vận hành khi chỉ định đồng hồ đo Loại 0,25 có độ chính xác cao cho các ứng dụng giám sát quy trình chung — chi phí bổ sung không mang lại lợi ích vận hành nào nếu ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao hơn và đồng hồ đo chính xác dễ bị hư hại hơn do xung và rung hiện có trong hầu hết các môi trường công nghiệp.

Thực hành cài đặt tốt nhất để có hiệu suất đo đáng tin cậy

Đồng hồ đo áp suất được chỉ định chính xác được lắp đặt không chính xác sẽ không mang lại hiệu suất hoặc tuổi thọ định mức. Một số biện pháp lắp đặt luôn ngăn chặn các nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi máy đo và độ thiếu chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.

• Lắp đặt van cách ly đồng hồ đo áp suất (van đồng hồ đo) giữa quy trình và đồng hồ đo: Van kim hoặc van bi trong đường kết nối máy đo cho phép máy đo được cách ly khỏi quá trình bảo trì, thay thế hoặc về 0 mà không cần tắt hệ thống. Sự bổ sung duy nhất này làm giảm đáng kể sự gián đoạn vận hành do bảo trì máy đo định kỳ và cho phép loại bỏ máy đo để hiệu chuẩn mà không bị gián đoạn quy trình.
• Lắp đặt bộ giảm xung hoặc vít hạn chế xung cho hệ thống tạo xung: Đối với các đồng hồ đo trên đường xả của máy bơm hoặc máy nén pittông trong đó đồng hồ đo chứa đầy chất lỏng không đủ để quản lý xung, một bộ giảm chấn thủy lực (một thiết bị có lỗ hạn chế hoặc đĩa thiêu kết làm chậm quá trình truyền áp suất đến đồng hồ đo) sẽ hấp thụ các chuyển tiếp áp suất nhanh mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của trạng thái ổn định.
• Sử dụng siphon (đuôi lợn) để hấp: Đồng hồ đo áp suất on steam lines must be protected from direct contact with high-temperature steam, which would overheat the Bourdon tube and accelerate material creep and fatigue. A pigtail siphon — a coiled or U-shaped section of tubing installed between the steam line and the gauge — traps condensate that forms a water barrier, protecting the gauge from steam temperature while still transmitting steam pressure accurately. The siphon must be filled with water before the gauge is put into service.
• Gắn đồng hồ đo thẳng đứng trừ khi có quy định khác: Hầu hết các đồng hồ đo áp suất đều được hiệu chỉnh ở vị trí thẳng đứng (mặt số hướng về phía trước, kết nối xử lý ở phía dưới). Việc lắp đặt đồng hồ đo theo hướng không chuẩn - đặc biệt là nằm ngang hoặc lộn ngược - gây ra sự dịch chuyển bằng 0 do trọng lực gây ra do trọng lượng của các bộ phận chuyển động tác động theo hướng khác so với lực lò xo. Nếu yêu cầu lắp đặt không thẳng đứng, máy đo phải được điều chỉnh bằng 0 theo hướng lắp đặt của nó hoặc phải chỉ định máy đo có chuyển động chứa đầy chất lỏng được bịt kín để bù cho các hiệu ứng trọng lực do định hướng gây ra.
• Áp dụng chất bịt kín ren thích hợp để xử lý các kết nối: Sử dụng băng PTFE hoặc chất bịt kín ren lỏng thích hợp cho chất lỏng xử lý và nhiệt độ trên ren kết nối quy trình của máy đo. Chỉ bôi chất bịt kín vào ren đực - không bao giờ bôi keo vào bên trong ổ cắm đồng hồ đo, nơi nó có thể đi vào bên trong đồng hồ đo và cản trở đường dẫn áp suất. Siết chặt máy đo bằng tay cộng với một đến hai vòng bằng cách sử dụng cờ lê trên mặt phẳng lục giác của ổ cắm, không bao giờ đặt trên vỏ máy đo, không được thiết kế để chống lại tải xoắn khi siết chặt ren và sẽ bị nứt hoặc biến dạng nếu được sử dụng làm bề mặt siết chặt.

Bảo trì, hiệu chuẩn và thay thế đồng hồ đo áp suất

Đồng hồ đo áp suất thường được coi là dụng cụ được lắp đặt cố định, không cần bảo trì - một cách tiếp cận dẫn đến đồng hồ đo còn nguyên vẹn về mặt cơ học nhưng đọc không chính xác hoặc đồng hồ đo bị hỏng về mặt cấu trúc mà không có cảnh báo do sự xuống cấp không được phát hiện. Phương pháp bảo trì có hệ thống bảo vệ cả tính toàn vẹn của phép đo và sự an toàn của nhân viên trong môi trường hệ thống có áp suất.

Việc xác minh hiệu chuẩn - so sánh số đọc của máy đo với máy đo tham chiếu được chứng nhận hoặc máy đo trọng lượng tại nhiều điểm trên cân - phải được thực hiện trên tất cả các máy đo được sử dụng để kiểm soát quá trình hoặc chức năng an toàn trong các khoảng thời gian được xác định bởi mức độ quan trọng của phép đo và độ ổn định lịch sử của máy đo. Đối với các ứng dụng quan trọng về an toàn như chỉ báo áp suất nồi hơi, xác minh điểm đặt van giảm áp của bình áp suất và đồng hồ đo bình chứa khí nén, việc xác minh hiệu chuẩn hàng năm thường là khoảng thời gian tối thiểu có thể chấp nhận được, với việc kiểm tra đồng hồ đo thường xuyên hơn trong môi trường khắc nghiệt hoặc dịch vụ chu kỳ cao.

• Dấu hiệu đồng hồ đo cần thay thế ngay: Con trỏ không trở về 0 khi giải phóng áp suất (biểu thị sự biến dạng vĩnh viễn của phần tử cảm biến); cửa sổ bị nứt hoặc bị che khuất khiến việc đọc không thể đọc được; sự ăn mòn có thể nhìn thấy trên vỏ, kết nối hoặc mặt số; đổ đầy chất lỏng rò rỉ từ máy đo chứa đầy chất lỏng (biểu thị sự hỏng hóc của vỏ hộp sẽ cho phép hơi ẩm xâm nhập); hoặc bất kỳ số đọc nào khác với máy đo tham chiếu nhiều hơn dung sai cấp độ chính xác của máy đo.
• Quy trình tháo máy đo an toàn: Đóng van cách ly (khóa đồng hồ đo) để cách ly đồng hồ đo khỏi áp suất đường ống. Từ từ nới lỏng kết nối máy đo - không tháo hoàn toàn cho đến khi áp suất được xả qua cống hoặc lỗ thông hơi nếu van cách ly không phải là loại ngắt tích cực. Mang PPE thích hợp cho chất lỏng quy trình cụ thể - tấm che mặt và găng tay chống hóa chất cho dịch vụ ăn mòn, găng tay chịu nhiệt cho dịch vụ hơi nước. Never attempt to remove a pressure gauge from a pressurized line without first confirming the isolation valve is closed and any trapped pressure in the gauge connection has been safely vented.

Đồng hồ đo áp suất là những dụng cụ có vẻ đơn giản nhưng có những hậu quả không hề đơn giản khi chúng được chỉ định không chính xác, lắp đặt không đúng cách hoặc bảo trì không đầy đủ. Nguyên tắc kỹ thuật phù hợp với loại máy đo, phạm vi áp suất, vật liệu ướt, làm đầy, cấp độ chính xác và xếp hạng trường hợp với các điều kiện quy trình cụ thể và nhu cầu môi trường của từng điểm đo - kết hợp với thực hành lắp đặt, hiệu chuẩn và thay thế có hệ thống - là nền tảng của phép đo áp suất đáng tin cậy trên mọi hệ thống điều áp trong bất kỳ cơ sở công nghiệp nào.