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 các bộ phận bảo trì tại nhà máy. Thông thường các nỗ lực nhằm cải thiện hi ệu năng làm việc chỉ làm cho tình hình xấu hơn. Chẩn đoán thông minh Thu ật ngữ thiết bị đo thông minh mô tả một thiết bị mà chức năng không chỉ dừng lại ở việc phát đi một biến đơn lẻ của quá trình. Tuy nhiên, khái niệm này được áp dụng như thế nào đối với một bộ cảm biến áp suất? Nó còn đo đ ược cái gì khác nữa? Paul Schmeling, giám đốc kinh doanh cao cấp của Emerson Process Management cho bi ết: “Mỗi khi hỏng hóc hay xảy ra những sự cố cần kỹ sư vận hành hay nhân viên bảo trì can thiệp, thông thường cần phải tìm hiểu nguyên nhân và ngăn chặn tình hình tương tự tái diễn”. Vì thiết bị đo là “tai m ắt” của quá trình vận hành của một nhà máy, nên cần phải bổ sung thêm các tính năng để có thể thu được nhiều thông tin hơn nữa về đo hoặc về quá trì nh sản xuất. M ột số chức năng thông minh liên quan tới quá trình và sao chép những gì mà một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) có thể làm được, nhưng nếu thi ết bị đo tự tồn tại, những chức năng như vậy có thể rất quan trọng. Các ch ức năng được những nhà sản xuất đưa ra khác nhau, và đưới đây là một số ví dụ : - Đo và ghi chép các sự cố xảy ra khi áp suất quá cao. - Đếm các tín hiệu lỗi và cảnh báo. - Phân tích những thay đổi về nhiễu mang tính hệ thống báo hiệu khả năng xấu có thể xảy ra. - Đo lưu chất quá trình và nhiệt độ xung quanh. - T ự hiệu chỉnh giá trị áp xuất để bù khi nhiệt độ thay đổi. - T ự chẩn đoán các chức năng điện tử và phần cứng. - Tính năng đặt giá trị cảnh báo. - Ghi chép và lập lịch cho quá trình so kiểm. Đầu phát có thể truyền các thông tin này bằng giao thức như HART, hoặc m ột bus trường phức tạp hơn. Quá trình truyền thông có thể liên tục, nếu được gắn với một hệ thống lớn hơn, hoặc thông qua thiết bị cầm tay tại các khoảng thời gian cho trước. Cu ối cùng, lời khuyên tốt nhất để chọn một thiết bị đo áp suất hoặc bất cứ một loại thiết bị đo nào là bạn phải hiểu rõ về ứng dụng. Kiến thức về sự chí nh xác, truyền thông và chẩn đoán đều sẽ được chuyển thành các thông s ố kĩ thuật dễ đọc. Nếu không lựa chọn cảm biến áp suất có thể sẽ không đạt được mục tiêu đề ra và bạn sẽ bỏ lỡ một yếu tố then chốt trong điều khiển quá trình. . 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. 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