Việc kiểm soát áp suất trong các hệ thống công nghiệp, đặc biệt là thông qua van xả (van an toàn) và cảm biến áp suất, là yếu tố sống còn để đảm bảo an toàn, hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Cảm biến áp suất đóng vai trò là “mắt thần” giúp hệ thống tự động theo dõi, phản ứng và điều chỉnh kịp thời khi áp suất vượt quá giới hạn cho phép.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị có chức năng cảm nhận áp suất của chất lỏng hoặc chất khí trong đường ống, bồn chứa, sau đó chuyển đổi áp suất đã đo được thành tín hiệu điện (điện áp hoặc dòng điện).
Nguyên lý chung
- Tiếp nhận áp suất: Khi áp suất tác động lên màng chắn (diaphragm) của cảm biến, màng chắn sẽ bị biến dạng (dịch chuyển).
- Chuyển đổi: Sự biến dạng cơ học này được một bộ phận cảm biến bên trong chuyển đổi thành sự thay đổi về điện, thường là sự thay đổi điện trở hoặc điện dung.
- Xử lý tín hiệu: Mạch điện tử trong cảm biến xử lý tín hiệu điện này và xuất ra tín hiệu chuẩn hóa (ví dụ: 4-20mA hoặc 0-10V).
- Truyền về bộ điều khiển: Tín hiệu đầu ra được truyền về các thiết bị điều khiển như PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) hoặc biến tần.
- Điều khiển: PLC/Biến tần sử dụng tín hiệu này để đưa ra lệnh điều khiển, ví dụ: mở/đóng van xả (van điều khiển) hoặc điều chỉnh công suất của động cơ bơm để duy trì áp suất ở mức mong muốn.
Các nguyên lý chuyển đổi phổ biến bao gồm:
- Piezoresistive (Điện trở áp suất): Sử dụng sự thay đổi điện trở của máy đo ứng suất gắn trên màng ngăn khi màng bị biến dạng.
- Điện dung (Capacitive): Đo sự thay đổi điện dung giữa một tấm cố định và một tấm di động (gắn với màng ngăn) do áp suất gây ra.
Các loại cảm biến áp suất van xả phổ biến
Trong các hệ thống kiểm soát áp suất van xả trong công nghiệp, người ta thường sử dụng các loại cảm biến áp suất với dải đo phù hợp với hệ thống hơi, khí nén, hoặc chất lỏng. Việc phân loại thường dựa trên nguyên lý hoạt động, loại áp suất đo, và tín hiệu đầu ra:
Phân loại theo nguyên lý hoạt động
- Cảm biến Piezoresistive/Điện trở: Phổ biến nhất, độ chính xác và độ bền cao.
- Cảm biến Điện dung: Thường dùng trong các môi trường có nhiệt độ cao và độ chính xác rất cao.
Phân loại theo loại áp suất đo
- Áp suất Tương đối (Gauge): Đo áp suất so với áp suất khí quyển. Loại này được dùng phổ biến nhất trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp.
- Áp suất Tuyệt đối (Absolute): Đo áp suất so với chân không hoàn toàn.
- Áp suất Chênh lệch (Differential): Đo sự khác biệt áp suất giữa hai điểm, thường dùng để giám sát bộ lọc, đo mức chất lỏng.
Phân loại theo tín hiệu đầu ra
- Ngõ ra Dòng điện: 4-20mA (phổ biến nhất, ít bị nhiễu và truyền xa tốt).
- Ngõ ra Điện áp: 0-10VDC, 0-5VDC (thường dùng trong các hệ thống có khoảng cách truyền ngắn hơn).
Các thương hiệu và dòng sản phẩm phổ biến: WIKA, SENSYS, SIEMENS (SITRANS P), Yokogawa… với các model như S-20 (WIKA), P200 (SIEMENS) được tin dùng trong các hệ thống van điều khiển áp suất công nghiệp.
Lợi ích của việc sử dụng cảm biến áp suất trong ngành công nghiệp
Cảm biến áp suất là công cụ không thể thiếu, mang lại nhiều lợi ích thiết yếu cho các quy trình công nghiệp:
- Đảm bảo An toàn:
- Ngăn ngừa quá áp: Liên tục giám sát và cảnh báo, giúp kích hoạt van xả (van an toàn) hoặc hệ thống điều khiển để giảm áp suất dư thừa, tránh hư hỏng thiết bị, đường ống, và nguy hiểm cho con người (như trường hợp nồi hơi, bình áp lực).
- Nâng cao Hiệu suất và Độ chính xác:
- Kiểm soát quy trình: Cung cấp dữ liệu chính xác theo thời gian thực để điều khiển bơm, van xả, và các thiết bị khác, duy trì áp suất ở mức tối ưu cho sản xuất (ví dụ: trong hệ thống hơi nước, khí nén).
- Giảm chi phí: Tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ bằng cách điều chỉnh công suất động cơ (kết hợp với biến tần), giảm tổn thất lưu chất do rò rỉ hoặc quá trình xả không cần thiết.
- Bảo trì Dự đoán:
- Phát hiện tắc nghẽn: Giúp giám sát sự chênh lệch áp suất qua bộ lọc. Khi áp suất tăng/giảm bất thường có thể cảnh báo tắc nghẽn, giúp bảo trì kịp thời, tránh ngừng sản xuất đột ngột.
- Kéo dài Tuổi thọ thiết bị:
- Tránh để hệ thống hoạt động ở điều kiện áp suất quá cao hoặc không ổn định, qua đó giảm hao mòn và kéo dài tuổi thọ của bơm, van, và đường ống.
Cách kiểm tra hiệu suất của cảm biến áp suất
Để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, cảm biến áp suất cần được kiểm tra định kỳ:
1. Kiểm tra vật lý và kết nối
- Kiểm tra nguồn cấp và dây kết nối: Đảm bảo nguồn điện cấp cho cảm biến nằm trong dải quy định (ví dụ: 8-30VDC). Kiểm tra dây kết nối (dây tín hiệu, nguồn) không bị đứt, lỏng, oxy hóa, hoặc bị nhiễu.
- Kiểm tra vật lý: Cảm biến không bị nứt, móp méo, hoặc bám bẩn (đặc biệt là màng đo).
2. Kiểm tra tín hiệu đầu ra (Kiểm tra tại chỗ)
Sử dụng đồng hồ vạn năng (multimeter) để đo tín hiệu đầu ra của cảm biến mà không cần tháo cảm biến ra khỏi hệ thống:
- Với ngõ ra 4-20mA: Đo dòng điện. Khi áp suất bằng 0, tín hiệu phải là 4mA. Khi áp suất đạt tối đa (full scale), tín hiệu phải là 20mA. Nếu nằm ngoài dải này, cảm biến có thể bị lỗi.
- Với ngõ ra 0-10VDC: Đo điện áp. Giá trị điện áp phải tương ứng với mức áp suất đang đo.
3. Kiểm tra bằng máy đo áp suất chuẩn (Hiệu chuẩn)
Đây là cách kiểm tra độ chính xác cao nhất:
- Thiết bị: Cần một bộ tạo áp suất chuẩn (như bơm tay chuẩn) và một máy đo áp suất chuẩn (hoặc đồng hồ áp suất chuẩn).
- Cách làm:
- Tạo áp suất thử nghiệm bằng bơm tay.
- Kết nối cảm biến cần kiểm tra và máy đo áp suất chuẩn với cùng một nguồn áp suất này.
- Quan sát giá trị áp suất thực tế từ máy đo chuẩn và so sánh với giá trị tín hiệu (quy đổi từ mA/V sang Bar/psi) mà cảm biến đang truyền về.
- Nếu có sự chênh lệch lớn, cảm biến cần được hiệu chuẩn lại hoặc thay thế.
Các vấn đề thường gặp khi kiểm soát áp suất van xả
Khi kiểm soát áp suất bằng van xả và cảm biến, các sự cố sau thường xuyên xảy ra:
| Vấn đề thường gặp | Nguyên nhân chính | Hậu quả |
| Van xả bị tắc/kẹt | Cặn bẩn, chất rắn tích tụ, cặn thức ăn (trong nồi hơi/nồi áp suất) bám vào van. | Áp suất không giảm sau khi đạt mức cài đặt, dẫn đến quá áp, nguy cơ nổ hoặc hỏng thiết bị. |
| Van xả bị rò rỉ | Gioăng/vòng đệm (O-ring) bị mòn, lỏng, hoặc hỏng do nhiệt độ cao/ăn mòn. | Mất áp suất hệ thống, rò rỉ lưu chất (khí/hơi/lỏng), lãng phí năng lượng, làm suy giảm hiệu suất hoạt động. |
| Cảm biến áp suất không chính xác | Nhiễu điện từ, lỗi hiệu chuẩn, nhiệt độ hoạt động vượt ngưỡng, hoặc hỏng hóc vật lý. | Hệ thống điều khiển (PLC) nhận dữ liệu sai, dẫn đến van xả mở/đóng không đúng thời điểm, gây hoạt động không ổn định hoặc nguy hiểm. |
| Van hoạt động không ổn định (rung mạnh) | Áp suất không ổn định, lưu lượng chất lỏng hoặc hơi quá thấp/cao, cặn bẩn cản trở cơ chế van. | Gây mài mòn nhanh cơ cấu van, ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống. |
| Ăn mòn và hư hỏng vật liệu | Lựa chọn vật liệu cảm biến/van không phù hợp với môi trường (hóa chất ăn mòn, nhiệt độ cao). | Hỏng hóc vật lý, rò rỉ, và làm giảm tuổi thọ nghiêm trọng. |
So sánh giữa các phương pháp kiểm soát áp suất khác nhau
Kiểm soát áp suất có thể được thực hiện bằng nhiều loại van khác nhau, mỗi loại có mục đích và nguyên lý hoạt động riêng biệt:
| Đặc điểm | Van An Toàn (Safety Valve) / Van Xả Áp (Relief Valve) | Van Giảm Áp (Pressure Reducing Valve – PRV) | Van Điều Khiển (Control Valve) Kèm Cảm Biến |
| Mục đích chính | Bảo vệ an toàn hệ thống khỏi áp suất vượt mức (Quá áp). | Giảm và duy trì áp suất đầu ra ở mức mong muốn (thấp hơn đầu vào). | Duy trì áp suất/lưu lượng chính xác ở một điểm đặt thông qua phản hồi. |
| Cơ chế hoạt động | Tự động mở hoàn toàn (hoặc mở theo tỷ lệ) khi áp suất đạt điểm đặt an toàn. Cơ học (lò xo). | Tự động điều chỉnh độ mở dựa trên lực cân bằng của lò xo và áp suất đầu ra. Cơ học. | Nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất, bộ điều khiển (PLC) tính toán và gửi tín hiệu (thường là 4-20mA) để điều khiển cơ cấu mở/đóng của van. Điện/Khí nén. |
| Phản ứng | Nhanh chóng, mở ra để giải phóng áp suất dư thừa. | Tự động và liên tục duy trì áp suất đầu ra ổn định. | Liên tục và linh hoạt, có thể điều chỉnh theo thời gian thực để đáp ứng thay đổi của hệ thống. |
| Tính năng an toàn | Rất cao, là lớp bảo vệ cuối cùng. | Đảm bảo áp suất tiêu chuẩn cho thiết bị sử dụng. | Cao, cho phép giám sát và điều chỉnh từ xa, cảnh báo sớm. |
Kết luận: Hệ thống kiểm soát áp suất van xả sử dụng cảm biến và van điều khiển cung cấp khả năng điều chỉnh và duy trì áp suất chính xác, linh hoạt nhất. Van an toàn là thiết bị bổ sung không thể thiếu để bảo vệ tối đa.
Hướng dẫn lắp đặt cảm biến áp suất van xả
Việc lắp đặt đúng kỹ thuật là rất quan trọng để đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ của cảm biến.
1. Lắp đặt Cơ khí
- Vị trí lắp đặt: Cảm biến phải được lắp ở vị trí thuận tiện để đo áp suất chính xác của lưu chất trước hoặc sau van xả, đồng thời dễ dàng bảo trì.
- Sử dụng ống Siphon (ống xi phông): Bắt buộc khi đo áp suất hơi nước hoặc chất lỏng có nhiệt độ cao. Ống siphon giúp làm giảm nhiệt độ của hơi/chất lỏng trước khi tiếp xúc với màng đo của cảm biến, tránh gây sốc nhiệt và hỏng cảm biến. Lưu ý: Phải đổ đầy nước (chất lỏng không nén được) vào ống Siphon trước khi vận hành.
- Gá lắp: Sử dụng ren kết nối (như ren 1/4″ NPT hoặc 1/2″ NPT) để gắn cảm biến chắc chắn vào đường ống/bồn. Đảm bảo cảm biến được lắp đúng hướng, không bị rung lắc.
2. Lắp đặt Điện
- Nguồn cấp: Cấp nguồn điện áp chuẩn (ví dụ: 24VDC) theo thông số kỹ thuật của cảm biến.
- Đấu nối tín hiệu:
- Ngõ ra 4-20mA (2 dây): Mắc nối tiếp cảm biến với bộ nguồn qua thiết bị đo/điều khiển (PLC).
- Ngõ ra 0-10VDC (3 dây): Đấu đúng dây nguồn (V+), dây đất (GND), và dây tín hiệu (Output).
- Chống nhiễu: Đảm bảo dây tín hiệu được đi riêng biệt, tránh xa cáp nguồn điện áp cao hoặc các nguồn gây nhiễu điện từ.
Thông số kỹ thuật cần biết về cảm biến áp suất
Khi lựa chọn cảm biến áp suất, cần chú ý các thông số kỹ thuật sau:
| Thông số | Ý nghĩa | Ví dụ & Giải thích |
| Phạm vi đo (Measuring Range) | Dải áp suất tối thiểu và tối đa mà cảm biến có thể đo. | 0-10 bar, -1-1 bar (áp suất chân không), 0-600 bar. |
| Tín hiệu đầu ra (Output) | Loại tín hiệu điện mà cảm biến phát ra. | 4-20mA (phổ biến nhất), 0-10VDC. |
| Độ chính xác (Accuracy) | Sai số tối đa giữa giá trị đo và giá trị thực tế. | 0.5% F.S. (Full Scale) hoặc 1% F.S. |
| Nguồn cấp (Power Supply) | Điện áp cần thiết để cảm biến hoạt động. | 8-30VDC hoặc 24VDC. |
| Vật liệu thân (Housing Material) | Vật liệu chế tạo vỏ cảm biến, ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn. | Inox 316 (phổ biến nhất trong công nghiệp). |
| Cấp độ bảo vệ (IP Rating) | Khả năng chống bụi và chống nước xâm nhập. | IP65 (chống bụi hoàn toàn, chống tia nước), IP67 (có thể ngâm trong nước tạm thời). |
| Nhiệt độ hoạt động | Dải nhiệt độ môi trường mà cảm biến có thể hoạt động ổn định. | -20 đến 80 độC (cần Siphon cho nhiệt độ cao hơn). |
| Thời gian đáp ứng | Khoảng thời gian cảm biến phản hồi với sự thay đổi áp suất. | <4ms (càng nhỏ càng tốt, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống điều khiển nhanh). |
Các ứng dụng thực tế của cảm biến áp suất van xả
Hệ thống kiểm soát áp suất bằng cảm biến và van xả/van an toàn được ứng dụng rộng rãi:
- Hệ thống hơi nước và Lò hơi (Boiler): Cảm biến đo áp suất hơi trong lò. Nếu áp suất vượt quá giới hạn an toàn, tín hiệu sẽ kích hoạt van an toàn xả hơi ra ngoài, ngăn ngừa nổ lò hơi.
- Hệ thống cấp nước & Bơm: Cảm biến giám sát áp suất đầu ra của bơm. Khi áp suất tăng đột ngột (do tắc nghẽn hoặc van đóng nhanh), cảm biến sẽ kích hoạt van xả áp (relief valve) hoặc điều khiển tốc độ bơm (qua biến tần) để giảm áp suất, bảo vệ bơm và đường ống.
- Hệ thống điều hòa không khí & Làm lạnh (HVAC/Chiller): Theo dõi áp suất môi chất lạnh. Nếu áp suất quá cao, cảm biến sẽ báo hiệu để kích hoạt van xả hoặc tắt máy nén, bảo vệ hệ thống khỏi hư hỏng.
- Thiết bị công nghiệp: Trong các máy ép, máy gia công kim loại, cảm biến áp suất đảm bảo áp lực thủy lực/khí nén được duy trì ở mức chính xác và kích hoạt van xả khi quá tải.
- Nồi áp suất gia đình: Mặc dù đơn giản hơn, nguyên lý vẫn là sử dụng van xả áp để giải phóng hơi nước khi áp suất bên trong vượt mức cho phép, đảm bảo an toàn cho người dùng.
Tính năng an toàn trong hệ thống kiểm soát áp suất
Tính năng an toàn là ưu tiên hàng đầu, đặc biệt khi kiểm soát áp suất cao.
1. Van An Toàn (Safety Valve)
- Vai trò: Là tuyến phòng thủ cuối cùng. Van an toàn được cài đặt để tự động mở ở một áp suất cài đặt (Set Pressure) cố định, cao hơn áp suất vận hành bình thường nhưng thấp hơn áp suất tối đa mà thiết bị có thể chịu.
- Cơ chế: Thường sử dụng cơ chế lò xo để giữ van đóng. Khi áp suất hệ thống vượt qua lực nén của lò xo, van mở ra và xả áp suất dư thừa.
2. Hệ thống Giám Sát và Cảnh Báo (PLC/SCADA)
- Phản hồi liên tục: Cảm biến áp suất cung cấp dữ liệu liên tục về PLC. PLC có thể được lập trình để:
- Cảnh báo (Alarm): Kích hoạt đèn báo/còi khi áp suất đạt đến mức cảnh báo (Warning Level).
- Hành động tự động (Trip/Shutdown): Tắt hệ thống, ngắt bơm, hoặc mở van điều khiển khi áp suất đạt đến mức nguy hiểm (Critical Level).
3. Hệ thống Giám Sát Áp Suất Lốp (TPMS)
- An toàn ô tô: Mặc dù khác với van xả công nghiệp, TPMS cũng là một ví dụ về kiểm soát áp suất. Cảm biến lắp ở van lốp theo dõi áp suất lốp thời gian thực, cảnh báo người lái khi áp suất lốp giảm dưới mức an toàn, giúp ngăn ngừa tai nạn và lốp nổ.
Bằng cách kết hợp cảm biến áp suất (cung cấp dữ liệu chính xác), van điều khiển (điều chỉnh lưu lượng) và van an toàn (cơ chế bảo vệ), hệ thống kiểm soát áp suất đạt được độ an toàn và độ tin cậy tối đa.
