Cảm biến áp suất chênh lệch: Ứng dụng cho lưu lượng, mức độ và bộ lọc | YUNRUI

Cảm biến áp suất chênh lệch: Không chỉ đơn thuần là sự khác biệt về áp suất

Các bộ truyền áp suất chênh lệch có mặt ở khắp mọi nơi trong lĩnh vực này. Nhưng chúng thường bị đánh giá thấp. Một số người coi chúng như một "phiên bản hai cổng" của bộ truyền áp suất tiêu chuẩn. Một số người chỉ nhớ đến phía H và phía L.

Nhiều người ngay lập tức liên tưởng áp suất chênh lệch với phép đo lưu lượng bằng tấm chắn lỗ. Những hiểu biết này không sai, nhưng chưa đầy đủ. Sức mạnh thực sự của bộ truyền áp suất chênh lệch nằm ở chỗ nó đo một đại lượng vật lý đơn giản: sự khác biệt áp suất giữa hai điểm. Thông qua các mối quan hệ trong quá trình, sự khác biệt áp suất này được chuyển đổi thành lưu lượng, mức độ, điện trở, chênh lệch áp suất phòng sạch, tắc nghẽn bộ lọc, lưu lượng gió lò nung hoặc trạng thái hoạt động của thiết bị.

Vì vậy, khi bạn xem xét một bộ truyền áp suất chênh lệch trong thực tế, đừng chỉ hỏi "phạm vi đo là bao nhiêu?". Trước tiên hãy hỏi: sự chênh lệch áp suất này thực sự thể hiện điều gì?

1. Bộ truyền áp suất chênh lệch thực sự đo cái gì?

Bộ truyền áp suất chênh lệch có hai cổng áp suất. Một cổng là phía áp suất cao, thường được ký hiệu là H. Một cổng là phía áp suất thấp, thường được ký hiệu là L. Biến số chính mà nó xuất ra là:

Nếu áp suất phía H cao hơn áp suất phía L, thì chênh lệch áp suất là dương. Nếu áp suất phía H thấp hơn áp suất phía L, thì chênh lệch áp suất có thể là âm, hoặc đầu ra có thể rơi vào phạm vi ngược lại. Phát biểu này trông có vẻ đơn giản. Nhiều vấn đề thực tế bắt đầu ngay từ đây.

Bản thân bộ truyền áp suất chênh lệch không biết nó được kết nối với tấm chắn lỗ, bộ lọc, bể chứa hay ống dẫn khí. Nó chỉ biết sự khác biệt áp suất giữa phía H và phía L. Việc áp suất chênh lệch này được hiểu là lưu lượng, mức, điện trở hay chênh lệch áp suất môi trường được xác định bởi mô hình quy trình, cấu hình bộ truyền, chương trình PLC và màn hình HMI.

Vì vậy, đối với một điểm đo áp suất chênh lệch, ít nhất bốn điều phải được xác nhận. Thứ nhất, phía H được kết nối ở đâu. Thứ hai, phía L được kết nối ở đâu. Thứ ba, chiều dương của áp suất chênh lệch biểu thị điều gì. Thứ tư, phạm vi áp suất chênh lệch được chuyển đổi sang đơn vị kỹ thuật như thế nào. Nếu bốn điều này không rõ ràng, cho dù bạn có kỹ năng đấu dây và vận hành tốt đến đâu, bạn cũng có thể dễ dàng đấu nối sai điểm.

2. Tại sao áp suất chênh lệch có thể cho ra nhiều phép đo như vậy?

Giá trị ứng dụng thực tiễn của áp suất chênh lệch nằm ở chỗ nó thường phản ánh “sức cản của quá trình” hoặc “chiều cao cột chất lỏng”. Khi có sự tắc nghẽn trong đường ống, chất lỏng chảy qua chỗ tắc nghẽn sẽ tạo ra sự tổn hao áp suất. Sự tổn hao áp suất này có liên quan đến lưu lượng. Khi có áp suất chênh lệch giữa hai đầu bộ lọc, bộ lọc càng bị tắc nghẽn thì sức cản càng lớn, và áp suất chênh lệch thường càng cao. Khi có áp suất chênh lệch giữa đáy và đỉnh của bể chứa, áp suất chênh lệch có liên quan đến chiều cao cột chất lỏng. Trong các ứng dụng áp suất thấp như ống dẫn khí, phòng sạch và buồng lò nung, áp suất chênh lệch vài chục hoặc vài trăm Pascal có thể phản ánh trạng thái cung cấp và thải khí hoặc mối quan hệ áp suất giữa trong nhà và ngoài trời.

Nói cách khác, bộ truyền áp suất chênh lệch không chỉ phục vụ một loại ứng dụng duy nhất. Nó là cảm biến nền tảng cho nhiều sơ đồ đo lường. Cùng một bộ truyền áp suất chênh lệch, nhưng với các thành phần chính khác nhau, cấu trúc lấy mẫu áp suất, màng ngăn cách ly, mặt bích từ xa và phương pháp tính toán khác nhau, sẽ trở thành các dạng sản phẩm khác nhau trong thực tế.

3. Dòng chảy chênh lệch áp suất: Ứng dụng điển hình nhất của phương pháp này

Đo lưu lượng chênh lệch áp suất là ứng dụng điển hình nhất của bộ truyền áp suất chênh lệch. Các thành phần chính như tấm chắn lỗ, vòi phun, ống Venturi, ống Pitot trung bình và ống Pitot về cơ bản tạo ra sự chênh lệch áp suất có thể tính toán được tại một vị trí cụ thể khi chất lỏng chảy qua. Bộ truyền áp suất chênh lệch đo sự chênh lệch áp suất này. Hệ thống điều khiển sau đó chuyển đổi áp suất chênh lệch thành lưu lượng bằng cách sử dụng công thức hoặc mô-đun tính toán lưu lượng.

Một điểm quan trọng cần lưu ý trong thực tế: lưu lượng và áp suất chênh lệch thường không có mối quan hệ tuyến tính. Trong nhiều phép đo lưu lượng bị hạn chế, lưu lượng xấp xỉ tỷ lệ thuận với căn bậc hai của áp suất chênh lệch. Vì vậy, lưu lượng áp suất chênh lệch thường liên quan đến "phép lấy căn bậc hai". Phép lấy căn bậc hai có thể được thực hiện trong bộ truyền tín hiệu, hoặc trong PLC, DCS, hoặc bộ đếm tổng lưu lượng. Nhưng nó không thể được thực hiện ở cả hai phía. Nếu bộ truyền tín hiệu đã được cấu hình để xuất ra giá trị căn bậc hai, và PLC thực hiện lại phép tính đó, lưu lượng sẽ thấp hơn đáng kể. Nếu bộ truyền tín hiệu xuất ra áp suất chênh lệch tuyến tính, nhưng PLC xử lý nó như lưu lượng tuyến tính và hiển thị trực tiếp, điều đó cũng sai. Vì vậy, khi vận hành một điểm đo lưu lượng áp suất chênh lệch, hãy luôn làm rõ: bộ truyền tín hiệu đang xuất ra áp suất chênh lệch tuyến tính hay phần trăm lưu lượng sau khi lấy căn bậc hai?

4. Mức chênh lệch áp suất: Bể hở, bể kín và mặt bích đặt từ xa

Phương pháp đo mức bằng chênh lệch áp suất cũng rất phổ biến. Đối với bể hở, nguyên lý tương đối dễ hiểu. Đầu H được nối với đáy bể. Đầu L được thông hơi ra khí quyển hoặc nối với miệng bể hở. Mức chất lỏng càng cao, áp suất cột chất lỏng ở đáy bể càng cao, và chênh lệch áp suất càng lớn. Nếu mật độ của môi chất về cơ bản ổn định, mức chất lỏng có thể được tính toán từ chênh lệch áp suất.

Đối với bể kín, cần thêm một bước nữa. Áp suất hơi bên trong bể tác động đồng thời lên bề mặt chất lỏng và đầu đo áp suất phía trên. Nếu phía H được nối với đáy bể và phía L được nối với đỉnh, về mặt lý thuyết, áp suất hơi sẽ triệt tiêu lẫn nhau, chủ yếu chỉ còn lại áp suất chênh lệch cột chất lỏng. Nhưng trong thực tế, bạn cũng cần kiểm tra xem phía L là chân khô hay chân ướt. Nếu có cột chất lỏng ổn định trong đường ống xung phía L, sẽ có sự dịch chuyển âm cố định. Tại thời điểm này, giá trị 0 không còn tương ứng với 4 mA nữa.

Các mặt bích điều khiển từ xa là một loại khác. Nhiệt độ cao, ăn mòn, độ nhớt, kết tinh và các ứng dụng vệ sinh thường không phù hợp với các đường ống xung thông thường. Trong những trường hợp này, người ta sử dụng các bộ truyền áp suất chênh lệch từ xa với ống mao dẫn và màng ngăn cách ly. Mặt bích điều khiển từ xa có thể giải quyết các vấn đề tắc nghẽn, ăn mòn và cách ly môi chất. Nhưng chúng cũng mang đến các vấn đề về ảnh hưởng của nhiệt độ mao dẫn, chênh lệch chiều cao lắp đặt, mật độ chất lỏng và tốc độ phản hồi. Vì vậy, việc sử dụng áp suất chênh lệch không phải là "chỉ cần kết nối là hoạt động". Bạn phải xem xét đồng thời chiều cao mực chất lỏng, mật độ môi chất, áp suất trong bể, phương pháp xung và lượng dịch chuyển.

5. Bộ lọc, bơm và bộ trao đổi nhiệt: Sử dụng áp suất chênh lệch để theo dõi điện trở của thiết bị

Một ứng dụng rất thiết thực khác của bộ truyền áp suất chênh lệch là giám sát điện trở trước và sau thiết bị. Áp suất chênh lệch tăng lên giữa hai đầu bộ lọc thường cho thấy bộ lọc bị tắc nghẽn, môi chất bẩn hoặc lưu lượng bất thường. Áp suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra của bơm có thể phản ánh sự thay đổi cột áp của bơm. Áp suất chênh lệch bất thường giữa hai đầu bộ trao đổi nhiệt có thể liên quan đến tắc nghẽn, đóng cặn, độ mở van hoặc thay đổi lưu lượng. Áp suất chênh lệch giữa hai điểm trong mạng đường ống cũng có thể được sử dụng để đánh giá sự cân bằng thủy lực và khả năng cung cấp áp suất cuối đường ống.

Các ứng dụng này không nhất thiết phải yêu cầu các phép tính phức tạp. Mấu chốt là chọn đúng vị trí các điểm đo áp suất. Nếu các điểm đo trước và sau thiết bị quá gần nhau, chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn cục bộ. Nếu các điểm đo dễ bị tắc nghẽn, áp suất chênh lệch sẽ dần bị sai lệch. Nếu trạng thái van ở cả hai phía không nhất quán, chỉ số đo cũng sẽ bị thay đổi một cách giả tạo. Vì vậy, các điểm đo áp suất chênh lệch này có giá trị bảo trì cao. Chúng không chỉ hiển thị một con số trên màn hình. Chúng giống như một tín hiệu sớm về tình trạng hoạt động của thiết bị.

6. Áp suất chênh lệch thấp: Ống dẫn khí, phòng sạch, lò nung và áp suất phòng.

Chênh lệch áp suất không phải lúc nào cũng ở mức kPa hoặc MPa. Nhiều hệ thống HVAC, phòng sạch, lò nung, ống dẫn và hệ thống thu gom bụi đều quan tâm đến chênh lệch áp suất thấp ở mức Pa. Ví dụ, phòng sạch cần duy trì độ chênh lệch áp suất giữa các phòng liền kề. Lò nung có thể cần kiểm soát áp suất âm nhẹ. Các bộ lọc cần theo dõi sự thay đổi về sức cản không khí. Cả hai phía của ống dẫn khí cần đánh giá lưu lượng không khí hoặc trạng thái sức cản.

Khó khăn với các điểm áp suất chênh lệch thấp không nằm ở độ phức tạp của công thức, mà là ở quá nhiều nhiễu loạn trong môi trường. Chiều dài đường ống dẫn xung, ảnh hưởng của tốc độ gió, hướng lắp đặt, rung động, ngưng tụ, hướng cổng, việc đóng mở cửa và khởi động/dừng quạt đều có thể gây ra sự dao động trong kết quả đo. Các bộ truyền áp suất chênh lệch thấp có phạm vi đo rất nhỏ. Sự trôi lệch vài chục Pa có thể không đáng chú ý ở điểm áp suất bình thường, nhưng đó là vấn đề đáng kể trong môi trường áp suất chênh lệch phòng sạch. Vì vậy, áp suất chênh lệch thấp đòi hỏi sự chú ý đặc biệt đến các chi tiết lắp đặt và kiểm tra điểm 0.

7. Các sản phẩm phái sinh phổ biến từ bộ truyền áp suất chênh lệch

Từ góc độ sản phẩm, bộ truyền áp suất chênh lệch có thể tạo ra nhiều thiết bị hiện trường. Bảng sau đây tóm tắt các loại sản phẩm chính và các ứng dụng điển hình của chúng:

Loại sản phẩm	Ứng dụng điển hình
Bộ truyền áp suất chênh lệch thông minh	Thực hiện các phép đo áp suất chênh lệch, lưu lượng, mức và áp suất chênh lệch của bộ lọc theo quy trình thông thường.
Bộ truyền áp suất chênh lệch thấp	Phòng sạch, ống dẫn khí, buồng lò nung — phạm vi nhỏ cấp Pa
Bộ truyền tín hiệu lưu lượng áp suất chênh lệch	Tính căn bậc hai, bù nhiệt độ và áp suất, tính tổng và hiển thị lưu lượng
Bộ truyền tín hiệu mức áp suất chênh lệch	Thùng hở, thùng kín, chân khô, chân ướt và ca làm việc
Áp suất chênh lệch mặt bích từ xa	Ứng dụng trong nhiệt độ cao, ăn mòn, độ nhớt, kết tinh và vệ sinh.
Bộ truyền đa biến	Kết hợp áp suất chênh lệch, áp suất tĩnh và nhiệt độ để đo lưu lượng bù.
Công tắc áp suất chênh lệch	Chuyển mạch tín hiệu đầu ra để báo động hoặc khóa liên động khi đạt đến áp suất chênh lệch đã cài đặt.

Những sản phẩm này có thể có tên gọi khác nhau. Nhưng logic cơ bản thường xoay quanh "sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm".“

8. Việc lựa chọn không thể chỉ tập trung vào phạm vi.

Lựa chọn bộ truyền áp suất chênh lệch: phạm vi đo dĩ nhiên là rất quan trọng. Nhưng chỉ tập trung vào phạm vi đo là nguy hiểm. Ít nhất cần phải xem xét các điều kiện sau.

8.1 Danh sách kiểm tra lựa chọn

Yếu tố lựa chọn	Những điều cần kiểm tra
Đối tượng đo lường	Lưu lượng, mực nước, áp suất chênh lệch của bộ lọc, áp suất chênh lệch thấp hoặc điện trở của thiết bị
Phạm vi áp suất chênh lệch	Áp suất chênh lệch bình thường, áp suất chênh lệch tối đa, áp suất chênh lệch ngược cho phép và xung áp khi khởi động
Điều kiện áp suất tĩnh	Chênh lệch áp suất nhỏ không có nghĩa là áp suất tĩnh thấp — đặc biệt cần chú ý đến các đường ống dẫn áp suất cao.
Môi trường và nhiệt độ	Ăn mòn, kết tinh, độ nhớt, các hạt rắn, nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và các yêu cầu vệ sinh.
Cấu trúc lắp đặt	Ống góp ba van, ống góp năm van, mặt bích điều khiển từ xa và chiều dài mao dẫn
Kết quả và Truyền thông	Các giao thức 4-20 mA, HART, RS-485 hoặc fieldbus
Yêu cầu về môi trường	Xếp hạng bảo vệ, chống cháy nổ, chống xung điện, chống rung, sử dụng ngoài trời và nối đất

8.2 Giải thích các yếu tố cần cân nhắc chính

Đầu tiên, đối tượng đo. Đó là lưu lượng, mực nước, áp suất chênh lệch của bộ lọc, áp suất chênh lệch thấp, hay điện trở của thiết bị trước và sau?

Thứ hai, phạm vi áp suất chênh lệch. Áp suất chênh lệch bình thường, áp suất chênh lệch tối đa, áp suất chênh lệch ngược cho phép và hiện tượng tăng áp đột ngột khi khởi động đều phải được xem xét.

Thứ ba, điều kiện áp suất tĩnh. Chênh lệch áp suất nhỏ không có nghĩa là áp suất tĩnh thấp ở cả hai phía. Ví dụ, trên một tấm chắn lỗ của đường ống cao áp, chênh lệch áp suất có thể chỉ vài chục kPa, nhưng áp suất tĩnh của đường ống có thể rất cao.

Thứ tư, môi trường và nhiệt độ. Sự ăn mòn, độ nhớt, sự kết tinh, các hạt rắn, nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp và các yêu cầu vệ sinh đều ảnh hưởng đến vật liệu màng ngăn và phương pháp lấy mẫu áp suất.

Thứ năm, cấu trúc lắp đặt. Các đường ống dẫn xung thông thường, cụm van ba van, cụm van năm van, lắp đặt trực tiếp bằng mặt bích, mặt bích điều khiển từ xa và chiều dài ống mao dẫn phải được xác định trước.

Thứ sáu, đầu ra và giao tiếp. Các giao thức 4-20 mA, HART, RS-485, Profibus PA, Foundation Fieldbus hoặc các giao thức khác ảnh hưởng đến việc đấu dây và tích hợp hệ thống.

Thứ bảy, bảo vệ và chống cháy nổ. Môi trường ngoài trời, chống thấm nước, chống bụi, ăn mòn, và các khu vực dễ cháy hoặc dễ nổ không thể được xem xét sau cùng.

9. Những hiểu lầm thường gặp trong lĩnh vực này

10. Kết luận: Xem các điểm chênh lệch áp suất như là “Giải pháp đo lường”.”

Bộ truyền áp suất chênh lệch không phải là một thiết bị độc lập. Nó thường được kết nối với các tấm chắn lỗ, bể chứa, bộ lọc, cụm van, đường ống xung, mặt bích điều khiển từ xa, chương trình PLC và màn hình HMI. Vì vậy, khi đánh giá điểm áp suất chênh lệch tại hiện trường, đừng chỉ nhìn vào đầu đo. Hãy xem xét cả phía H, phía L, đối tượng quy trình, phạm vi, độ lệch, căn bậc hai, dây dẫn và chuyển đổi chương trình cùng nhau.

Nếu bạn hiểu rõ chuỗi này, thì bộ truyền áp suất chênh lệch không khó hiểu. Cái khó là không nhầm lẫn giữa “sự chênh lệch áp suất mà nó đo được” với “giá trị kỹ thuật mà chúng ta muốn hiển thị”.”

---

Bài đọc liên quan

• Áp suất tương đối, áp suất tuyệt đối và áp suất chênh lệch: Hướng dẫn thực tiễn dành cho kỹ sư hiện trường.
• Nguyên lý hoạt động của bộ truyền áp suất: Từ lực tác động trong quá trình đến tín hiệu 4-20mA.
• Lựa chọn bộ truyền động và tính toán kích thước van: Các phương pháp tính toán kỹ thuật
• Hướng dẫn so sánh bộ định vị van kỹ thuật số Fisher DVC6200 và Siemens PS2:
• Bộ điều khiển vị trí van hoàn chỉnh: Nguyên lý hoạt động + Khắc phục sự cố tại hiện trường

---