Nếu bạn đã dành thời gian tìm hiểu về thiết bị đo đạc công nghiệp, bạn gần như chắc chắn đã nghe thấy người ta trao đổi qua lại "đầu dò" và "máy phát". Các kỹ thuật viên mới nhầm lẫn chúng, các nhóm mua sắm yêu cầu một cái khi họ muốn nói cái kia và thậm chí một số danh mục sản phẩm sử dụng các thuật ngữ thay thế cho nhau. Sự nhầm lẫn này gây ra các vấn đề thực sự trên trang web - Tôi đã thấy sự chậm trễ của dự án và việc trả lại lô hàng xảy ra chỉ vì không ai dừng lại để làm rõ chính xác chức năng của từng thiết bị và cách chúng hoạt động cùng nhau.
Sự thật là chúng không giống nhau. Bộ chuyển đổi và bộ phát hoạt động như một cặp, vàmỗi máy phát áp lựcdựa vào cả hai bộ phận để đọc áp suất vật lý và gửi nó đến hệ thống điều khiển trong nhà máy.
Hướng dẫn này phân tích sự khác biệt cốt lõi giữa hai loại, hướng dẫn từng bước về cách hoạt động của một bộ truyền áp suất điển hình, giải thích ba loại đo áp suất phổ biến nhất và bao gồm các tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn mà bạn sẽ thấy trong mọi nhà máy xử lý. Cuối cùng, bạn sẽ có thể phân biệt hai loại này, hiểu điều gì đang xảy ra bên trong vỏ bộ phát và đưa ra quyết định định cỡ tốt hơn cho các ứng dụng của riêng bạn.
Máy phát so với đầu dò: Sự khác biệt thực tế là gì?
Cách dễ nhất để giữ chúng thẳng là: đầu dò cảm nhận được áp suất và máy phát sẽ gửi tín hiệu. Chúng là hai chức năng riêng biệt thường được đóng gói cùng nhau trong một thiết bị -, đó là lý do tại sao rất nhiều người nhầm lẫn các thuật ngữ.
Đầu dò làm gì
Đầu dò là một thiết bị chuyển đổi dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Trong phép đo áp suất, nó lấy lực cơ học vật lý từ áp suất chất lỏng hoặc khí và biến nó thành tín hiệu điện nhỏ, yếu.
Sản lượng điện thô đó rất nhỏ - thường là milivolt - và nó không được tiêu chuẩn hóa. Nó thay đổi từ thiết kế cảm biến này sang thiết kế cảm biến tiếp theo và quá yếu để di chuyển xa hơn một khoảng cách ngắn mà không gây ra tiếng ồn và mất độ chính xác. Bản thân tín hiệu đầu dò thô không hữu ích để gửi tới PLC hoặc DCS ở phía bên kia của cơ sở.
Đầu dò có nhiều công nghệ cảm biến: máy đo biến dạng, điện dung, áp điện, chiết áp, v.v. Cái nào được sử dụng tùy thuộc vào phạm vi áp suất, loại trung bình, nhiệt độ và yêu cầu độ chính xác của ứng dụng.
Máy phát làm gì
Bộ phát lấy tín hiệu điện yếu, không{0}}tiêu chuẩn từ đầu dò và điều kiện, khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu đầu ra được tiêu chuẩn hóa trong ngành có thể truyền đi khoảng cách xa một cách đáng tin cậy.
Công việc của máy phát là biến một tín hiệu biến đổi nhỏ thành một phạm vi nhất quán, được công nhận rộng rãi - phổ biến nhất là 4–20 mA cho các vòng dòng điện hoặc 1–5 V cho đầu ra điện áp - trong đó mức dưới cùng của phạm vi bằng 0% áp suất đo được và mức trên cùng bằng 100%. Tín hiệu tiêu chuẩn hóa này có thể chạy hàng trăm mét xuyên qua hệ thống dây điện của nhà máy mà không làm mất đi độ chính xác và mọi hệ thống điều khiển trên thế giới đều biết cách diễn giải nó.
Tại sao các thuật ngữ thường bị lẫn lộn
Gần như tất cả các máy phát áp suất hiện đại được bán ngày nay đều đóng gói cả phần tử cảm biến đầu dò và mạch máy phát bên trong một vỏ duy nhất. Đối với hầu hết các thiết bị đo hiện trường, bạn không mua riêng chúng - mà bạn mua cả bộ lắp ráp hoàn chỉnh.
Theo thời gian, ngành công nghiệp bắt đầu gọi toàn bộ đơn vị bằng một trong hai tên. Một số nhà cung cấp gọi nó là bộ chuyển đổi áp suất, những nhà cung cấp khác gọi nó là bộ chuyển đổi áp suất và đối với hầu hết các thiết bị--có sẵn, cả hai tên đều đề cập đến cùng một sản phẩm hoàn chỉnh. Sự khác biệt chỉ quan trọng khi bạn sửa chữa các bộ phận bên trong, định cỡ cảm biến thô cho các bản dựng tùy chỉnh hoặc so sánh các bộ phận ở cấp độ thành phần.
Máy phát áp lực thực sự hoạt động như thế nào (Từng bước)
Bên trong mỗi máy phát áp suất công nghiệp, có ba giai đoạn cốt lõi: màng cách ly, bộ chuyển đổi cảm biến và mạch tín hiệu máy phát. Đây là những gì xảy ra ở mỗi giai đoạn khi bạn áp dụng áp lực quy trình.
Giai đoạn 1: Cơ hoành đo tiếp xúc lần đầu
Chất lỏng hoặc khí xử lý không bao giờ chạm trực tiếp vào bộ phận cảm biến nhạy cảm. Đầu tiên, nó ép vào một màng đo mỏng, chắc chắn được hàn hoặc kẹp vào mặt kết nối quy trình của máy phát.
Màng ngăn này được làm bằng thép không gỉ, Hastelloy hoặc vật liệu chống ăn mòn-khác phù hợp với môi trường xử lý. Nó uốn cong rất nhẹ dưới áp suất và truyền lực đó qua chất lỏng làm đầy (thường là dầu silicon hoặc chất lỏng trơ khác) sang bộ phận cảm biến thực tế ở phía bên kia.
Sự tách biệt này phục vụ hai mục đích quan trọng:
- Nó bảo vệ vật liệu cảm biến dễ vỡ khỏi môi trường xử lý ăn mòn, mài mòn hoặc bẩn
- Nó cho phép cảm biến được hiệu chuẩn và niêm phong tại nhà máy, do đó nó vẫn chính xác trong nhiều năm trong điều kiện hiện trường khắc nghiệt
Giai đoạn 2: Đầu dò chuyển đổi lực thành tín hiệu điện
Phía sau chất lỏng đổ đầy là bộ chuyển đổi - cảm biến áp suất thực tế. Ba công nghệ phổ biến nhất trong các ứng dụng quy trình công nghiệp:
Cảm biến đo biến dạngđược sử dụng rộng rãi nhất. Một mẫu điện trở nhạy cảm-có biến dạng nhỏ được liên kết với một màng ngăn cứng. Khi áp suất làm lệch màng ngăn, các điện trở sẽ giãn ra hoặc nén lại, làm thay đổi điện trở của chúng. Sự thay đổi này rất nhỏ và được đo thông qua mạch cầu Wheatstone, tạo ra mức đầu ra mức milivolt{4}}tỷ lệ với áp suất.
Cảm biến điện dungsử dụng hai tấm kim loại song song, một tấm cố định và một tấm gắn vào màng ngăn linh hoạt. Khi áp suất di chuyển màng ngăn, khe hở giữa các tấm thay đổi, làm thay đổi điện dung. Thiết kế này rất ổn định ở phạm vi áp suất rất thấp và hoạt động tốt dưới sự thay đổi nhiệt độ rộng.
Cảm biến áp điệntạo ra một điện áp nhỏ trực tiếp khi vật liệu tinh thể được đặt dưới áp lực cơ học. Chúng vượt trội trong việc đo các mức tăng áp suất nhanh và sự thay đổi áp suất động, nhưng ít phổ biến hơn đối với phép đo áp suất quy trình ở trạng thái ổn định.
Trong mọi trường hợp, kết quả cuối cùng đều giống nhau: một tín hiệu điện rất nhỏ thay đổi khi áp suất thay đổi. Bản thân tín hiệu này quá yếu và dễ bị biến dạng để truyền qua cây.
Giai đoạn 3: Mạch phát tạo ra tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn
Tín hiệu đầu dò thô được đưa vào bảng mạch điện tử của máy phát. Bảng này thực hiện ba điều quan trọng:
1. Điều hòa tín hiệu: Nó lọc nhiễu điện, bù cho sự chênh lệch nhiệt độ và tuyến tính hóa đầu ra để tín hiệu phù hợp với áp suất đồng đều trên toàn phạm vi.
2. Khuếch đại: Nó tăng tín hiệu milivolt nhỏ lên đến mức mạnh và có thể sử dụng được.
3.Tiêu chuẩn hóa: Nó chuyển đổi tín hiệu thành phạm vi đầu ra được công nhận rộng rãi - hầu như luôn luôn là 4–20 mA đối với hệ thống lắp đặt công nghiệp hai dây-hoặc 1–5 V để sử dụng tủ khoảng cách ngắn hơn.
Tín hiệu tiêu chuẩn cuối cùng chạy qua các thiết bị đầu cuối của máy phát đến hệ thống điều khiển, nơi PLC hoặc DCS đọc giá trị dòng điện hoặc điện áp và ánh xạ nó trở lại giá trị áp suất thực tế.
3 loại đo áp suất phổ biến
Các máy phát áp suất không đo áp suất theo cùng một cách. Những gì họ gọi là "điểm 0" sẽ thay đổi cách hiểu cách đọc. Có ba loại chính và việc chọn sai kích cỡ là một lỗi rất phổ biến.
Đo áp suất
Máy đo áp suất là loại phổ biến nhất được sử dụng trong các nhà máy chế biến. Nó đo áp suất tương đối với áp suất khí quyển hiện tại.
Khi máy phát áp suất đo đọc 0, điều đó có nghĩa là áp suất bên trong bằng áp suất không khí xung quanh bên ngoài. Các bài đọc thường được gắn nhãn bằng hậu tố (g), chẳng hạn như psi(g) hoặc bar(g).
Áp suất kế được sử dụng cho hầu hết các phép đo áp suất bể chung, áp suất đường ống và lưu lượng bơm. Nếu bạn không có lý do cụ thể để đo áp suất tuyệt đối hoặc chênh lệch, bạn gần như chắc chắn cần phải đo áp suất.
Áp suất tuyệt đối
Áp suất tuyệt đối được đo tương đối với chân không hoàn hảo - 0 psi(a)=chân không tổng cộng. Nó bao gồm áp suất khí quyển như một phần của bài đọc.
Ở mực nước biển, áp suất khí quyển bình thường là khoảng 14,7 psi(a). Điều đó có nghĩa là một bể chứa mở ra khí quyển sẽ đọc được 14,7 psi(a) trên máy phát áp suất tuyệt đối và 0 psi(g) trên máy phát áp suất đo.
Áp suất tuyệt đối được sử dụng cho các quy trình chân không, hệ thống khí kín, đo áp suất hơi và bất kỳ ứng dụng nào mà bạn cần đọc độc lập với những thay đổi về áp suất khí quyển cục bộ.
Áp suất chênh lệch
Bộ truyền áp suất chênh lệch (DP) đo sự chênh lệch áp suất giữa hai cổng đầu vào riêng biệt. Chúng không cho bạn biết áp suất tại một trong hai điểm - mà chỉ cho bạn biết áp suất ở một bên cao hơn bên kia bao nhiêu.
Đây là một loại phép đo cực kỳ linh hoạt. Máy phát áp suất chênh lệch được sử dụng cho:
- Đo lưu lượng qua các tấm lỗ, ống Venturi và vòi phun dòng chảy
- Đo mức trong bể điều áp bằng cách so sánh áp suất đầu với áp suất chăn khí
- Phát hiện tắc nghẽn bộ lọc và bộ lọc bằng cách đo độ giảm áp suất
- Giám sát chênh lệch áp suất bơm
Cảm biến bên trong hoạt động theo cách cơ bản giống nhau, nhưng nó chịu áp lực ở cả hai phía của màng cảm biến thay vì chỉ một.
Tín hiệu đầu ra tiêu chuẩn: 4–20mA so với. 1–5V
Bạn sẽ thấy hai tiêu chuẩn đầu ra được sử dụng trên hầu hết các máy phát áp suất công nghiệp. Mỗi cái đều có trường hợp sử dụng tốt nhất của riêng mình.
Vòng lặp dòng điện 4–20 mA (phổ biến nhất)
Tín hiệu 4–20 mA là đặc trưng của điều khiển quy trình công nghiệp. 4 mA tương ứng với 0% phạm vi áp suất và 20 mA tương ứng với 100%.
Ưu điểm lớn nhất của tín hiệu dòng điện là nó không bị suy giảm khi chạy dây dài và có khả năng chống nhiễu điện cao từ động cơ, VFD và các thiết bị nhà máy khác. Nó cũng hỗ trợ hoạt động hai{1}dây, trong đó cùng một cặp dây cung cấp cả nguồn điện cho bộ phát và truyền tín hiệu đo.
"Số 0 trực tiếp" 4 mA là có chủ ý: nếu tín hiệu giảm xuống 0 mA, hệ thống điều khiển sẽ ngay lập tức nhận ra đó là dây bị đứt hoặc máy phát bị lỗi chứ không phải là số đọc áp suất bằng 0. Đây là một tính năng chẩn đoán và an toàn quan trọng.
Đầu ra điện áp 1–5 V
Đầu ra điện áp ít phổ biến hơn trong lắp đặt tại hiện trường nhưng được sử dụng rộng rãi trong tủ điều khiển, bàn thử nghiệm và các ứng dụng có khoảng cách ngắn hơn. 1 dải V=0%, dải 5 V=100%.
Tín hiệu điện áp đơn giản hơn và rẻ hơn trong thời gian ngắn, nhưng chúng mất độ chính xác trong khoảng cách xa do điện trở của dây và chúng dễ bị nhiễu điện hơn nhiều. Họ cũng yêu cầu hệ thống dây điện riêng biệt. Đối với mọi thứ bên ngoài môi trường tủ được kiểm soát, 4–20 mA hầu như luôn là lựa chọn tốt hơn.
Mẹo lựa chọn nhanh và những quan niệm sai lầm thường gặp
Sau khi làm việc với các thiết bị này trong các nhà máy xử lý, tôi thấy có một số lỗi lặp lại nhiều hơn những lỗi khác.
1. Đừng vô tình mua áp lực tuyệt đối. Nếu bạn đặt hàng một máy phát tuyệt đối cho ứng dụng đo áp suất tiêu chuẩn, tất cả số đọc của bạn sẽ sai lệch khoảng 14,7 psi. Luôn-kiểm tra kỹ loại tham chiếu trước khi đặt hàng.
2,4–20 mA không lỗi thời. Ngay cả với tất cả các giao thức fieldbus kỹ thuật số hiện có, 4–20 mA đơn giản vẫn là tiêu chuẩn tín hiệu được hỗ trợ phổ biến nhất, dễ khắc phục sự cố nhất và đáng tin cậy nhất để đo áp suất cơ bản.
3. Độ chính xác phụ thuộc vào nhiều thứ hơn là cảm biến. Bộ chuyển đổi-có độ chính xác cao vẫn sẽ cho kết quả đọc kém nếu được lắp đặt sai, tiếp xúc với nhiệt độ cực cao ngoài định mức của nó hoặc khớp với vật liệu màng không phù hợp cho môi trường xử lý.
Nếu bạn đang xác định kích thước bộ truyền áp suất cho quy trình của mình và không chắc chắn loại áp suất, tín hiệu đầu ra hoặc vật liệu màng nào phù hợp với ứng dụng của mình thì trước tiên, bạn nên xác nhận với chuyên gia thiết bị. Việc đưa thông số kỹ thuật ngay vào giao diện người dùng sẽ tránh được tình trạng trì hoãn thời gian thực hiện hàng tuần và trả lại sau đó.
Câu hỏi thường gặp
Bộ chuyển đổi áp suất có giống như máy phát không?
Không chính xác. Một bộ chuyển đổi chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện thô. Bộ phát lấy tín hiệu thô đó và biến nó thành đầu ra tầm xa- được tiêu chuẩn hóa. Hầu hết các máy phát áp lực hiện trường được bán ngày nay đều bao gồm cả hai bộ phận trong một vỏ, vì vậy các thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau.
Tại sao sử dụng 4–20mA thay vì 0–20mA?
Điểm zero trực tiếp 4 mA phục vụ hai mục đích: nó cấp nguồn cho bộ phát trên một-vòng dây hai dây và cho phép hệ thống điều khiển nhận biết sự khác biệt giữa số đọc áp suất thực bằng 0 và dây bị đứt hoặc bộ phát bị lỗi. Nếu tín hiệu giảm xuống 0 mA, nó ngay lập tức được nhận biết là có lỗi.
Ba loại đo áp suất là gì?
Ba loại chính là áp suất đo (tham chiếu đến khí quyển), áp suất tuyệt đối (tham chiếu đến chân không) và áp suất chênh lệch (đo chênh lệch giữa hai điểm).
Đầu dò có thể hoạt động mà không cần máy phát không?
Bộ chuyển đổi thô sẽ tạo ra tín hiệu điện nhưng sẽ rất yếu, không{0}} đạt tiêu chuẩn và không phù hợp để truyền đi khoảng cách xa. Để sử dụng điều khiển quá trình chung, cần có một máy phát để điều hòa và chuẩn hóa tín hiệu.
suy nghĩ cuối cùng
Bộ truyền áp suất là một trong những thiết bị phổ biến nhất trong bất kỳ nhà máy xử lý nào, nhưng rất dễ coi chúng như một hộp đen. Hiểu sự khác biệt giữa đầu dò và máy phát, cách hoạt động của phần tử cảm biến cũng như ý nghĩa của các loại áp suất và tín hiệu khác nhau sẽ giúp bạn chỉ định chúng một cách chính xác, khắc phục sự cố nhanh hơn và tránh các lỗi định cỡ phổ biến nhất.
Cuối cùng, bộ truyền áp suất tốt nhất không phải là bộ truyền tín hiệu có thông số kỹ thuật đẹp nhất - mà nó là bộ truyền áp suất phù hợp chính xác với môi trường xử lý, phạm vi áp suất, nhiệt độ và môi trường lắp đặt của bạn.
Nếu bạn cần trợ giúp để chọn bộ truyền áp suất phù hợp cho ứng dụng của mình hoặc bạn có thắc mắc về tín hiệu đầu ra, vật liệu màng ngăn hoặc loại áp suất, nhóm kỹ thuật của chúng tôi có thể xem xét các tham số quy trình của bạn và đề xuất cấu hình có kích thước phù hợp.
Tài liệu tham khảo
- Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA). (2022).Đo áp suất: Nguyên tắc, lắp đặt và hiệu chuẩn. Công viên Tam giác Nghiên cứu, NC: ISA.
- Công ty Rosemount (2024).Nguyên tắc cơ bản về máy phát áp lực: Hướng dẫn công nghệ và ứng dụng. Giải pháp tự động hóa Emerson.
- WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG. (2023).Bộ chuyển đổi áp suất và bộ truyền: Giải thích kỹ thuật. Thiết bị công nghiệp WIKA.
- Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). (2021).Hiệu chuẩn dụng cụ đo áp suất. Sổ tay NIST 150.
- Đo lường & Phân tích ABB. (2024).Máy phát áp lực công nghiệp: Hướng dẫn lựa chọn công nghệ.
