Áp suất tuyệt đối là áp suất đo so với chân không hoàn toàn (0 tuyệt đối), còn áp suất dư là áp suất đo so với khí quyển xung quanh. Hai giá trị liên hệ qua công thức Pabs = Pg + Patm. Đồng hồ trong xưởng hầu như luôn chỉ áp suất dư, trong khi phương trình khí, bảng hơi và đường đặc tính bơm lại cần áp suất tuyệt đối.
Bài này giải thích ba điểm chuẩn (chân không tuyệt đối, khí quyển, áp suất dư), cách đọc hậu tố bara, barg, psia, psig, cách ghi chân không, và khi nào phải đổi sang áp suất tuyệt đối trong tính toán. Phần cuối nói về chọn đồng hồ, cảm biến đúng kiểu đo để không bị sai số.
Áp suất tuyệt đối, áp suất dư và chân không là gì
Cùng một trạng thái của lưu chất có thể được ghi bằng Pa, bar hoặc psi, nhưng con số chỉ có nghĩa khi biết gốc đo. Nếu chưa nắm rõ các đơn vị đo áp suất và cách quy đổi, nên đọc bài tổng hợp ở liên kết này trước, rồi quay lại phần phân biệt gốc đo dưới đây.
Có ba điểm chuẩn cần phân biệt:
- Chân không tuyệt đối: không còn phân tử khí nào, áp suất bằng 0. Đây là gốc của áp suất tuyệt đối, ký hiệu 0 bara.
- Khí quyển: áp suất của lớp không khí quanh thiết bị, khoảng 1,013 bar ở mực nước biển. Đây là gốc của áp suất dư (gauge), tức 0 barg.
- Áp suất dư: phần chênh lệch so với khí quyển. Giá trị dương là áp suất cao hơn khí quyển; giá trị âm là chân không (áp suất dư âm), cũng gọi là áp suất tương đối.
Sơ đồ thang đo theo chiều tăng dần như sau, lấy khí quyển 1,01325 bar làm chuẩn:
| Điểm chuẩn | Áp suất tuyệt đối (bara) | Áp suất dư (barg) | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Chân không tuyệt đối | 0 | -1,013 | Không có khí, gốc của thang tuyệt đối |
| Chân không thô | 0,413 | -0,6 | Điểm cắt thông dụng của bơm hút |
| Khí quyển | 1,013 | 0 | Gốc của thang áp suất dư |
| Khí nén công nghiệp | 8,013 | 7 | Áp suất làm việc của nhiều máy nén |
Áp suất tuyệt đối không bao giờ âm, vì không có áp suất nào thấp hơn chân không hoàn toàn. Còn áp suất dư có thể âm, nhưng giới hạn dưới là khoảng -1,013 barg ở mực nước biển. Đây là lý do thang của đồng hồ chân không dừng ở -1 bar.
Công thức liên hệ áp suất tuyệt đối và áp suất dư theo độ cao
Công thức chuyển đổi chỉ có một dòng: Pabs = Pg + Patm, hay Pg = Pabs − Patm. Cả ba đại lượng phải cùng đơn vị. Ví dụ đồng hồ chỉ 6 bar ở mực nước biển thì áp suất tuyệt đối là 6 + 1,01325 = 7,01 bara. Máy nén khí 7 barg tạo ra khoảng 8,01 bara.
Khí quyển thay đổi theo độ cao
Patm không cố định. Ở mực nước biển, khí quyển chuẩn là 1,01325 bar (101 325 Pa). Càng lên cao, cột không khí phía trên càng ngắn nên áp suất giảm: khoảng 0,9 bar ở độ cao 1000 m và khoảng 0,8 bar ở 2000 m theo mô hình khí quyển chuẩn (tham khảo). Ở cùng một nơi, thời tiết cũng làm Patm dao động, thường trong khoảng ±20 – 30 mbar (±2 – 3 %) quanh giá trị trung bình.
Hệ quả thực tế: áp suất tuyệt đối tương ứng với 6 barg ở Hà Nội (gần mực nước biển) là 7,01 bara, nhưng ở nhà máy tại cao nguyên 1000 m chỉ là khoảng 6,9 bara. Với tính toán thô thì sai khác này không quan trọng, nhưng với đo lưu lượng khí, kiểm tra hiệu suất máy nén và hiệu chuẩn cảm biến thì phải ghi rõ giá trị Patm đã dùng.
Ký hiệu bara, barg, psia, psig trên catalogue và bản vẽ
Hậu tố sau đơn vị cho biết gốc đo. Chữ “a” là absolute (tuyệt đối), chữ “g” là gauge (dư). Các dạng gặp nhiều nhất:
- bara, psia: áp suất tuyệt đối. 1 bara = 1 bar so với chân không hoàn toàn; 14,696 psia ≈ 1 atm.
- barg, psig: áp suất dư. 0 barg = áp suất khí quyển tại chỗ.
- mbar(a), Torr: thường dùng cho chân không, mặc định hiểu là tuyệt đối vì số đo nhỏ và dương.
- bar (không hậu tố): trong thông số van, đồng hồ và nồi hơi, mặc định là áp suất dư; trong bảng hơi và tài liệu nhiệt động học lại thường là áp suất tuyệt đối. Khi có nghi ngờ phải hỏi lại hãng.
Với van và mặt bích, PN và Class luôn hiểu là áp suất dư. Van PN16 chịu được áp suất làm việc tối đa 16 barg ở nhiệt độ tham chiếu 20 °C, không phải 16 bara. Chênh lệch 1 bar này nhỏ so với 16 bar, nhưng cần nhớ khi so định mức van với thông số ghi theo bara của thiết bị khác.
Trên catalogue cảm biến, kiểu đo thường ghi bằng một chữ cái cạnh dải đo: “A” là absolute, “G” là gauge. “SG” là sealed gauge: phía sau màng là buồng kín chứa khí ở khoảng 1 atm, nên không cần lỗ thông khí và chống ẩm tốt hơn. Đổi lại, số đọc lệch so với áp suất dư thực theo dao động khí quyển, nên chỉ dùng khi dải đo đủ lớn để vài chục mbar này nhỏ hơn nhiều so với sai số cho phép.
Áp suất chân không: đơn vị và cách ghi
Chân không là áp suất tuyệt đối thấp hơn khí quyển. Có hai cách ghi, thường trộn lẫn trong một bản vẽ: áp suất dư âm (-0,6 barg) hoặc áp suất tuyệt đối (413 mbar). Đồng hồ cơ chia thang theo kiểu thứ nhất (-1…0 bar), còn đầu đo chân không và catalogue bơm chân không ghi theo kiểu thứ hai (mbar, Torr). Đơn vị phổ biến gồm mbar, Torr (1 Torr = 1/760 atm ≈ 133,322 Pa), kPa, cmHg và phần trăm chân không.
Bảng đối chiếu sáu mức thường gặp, tính từ Patm = 1,01325 bar:
| Áp suất dư (barg) | Áp suất tuyệt đối (mbar) | Torr | % chân không | cmHg chân không |
|---|---|---|---|---|
| -0,2 | 813 | 610 | 20 | 15 |
| -0,5 | 513 | 385 | 49 | 38 |
| -0,6 | 413 | 310 | 59 | 45 |
| -0,8 | 213 | 160 | 79 | 60 |
| -0,9 | 113 | 85 | 89 | 68 |
| -1,0 | 13 | 9,9 | 99 | 75 |
Phần trăm chân không tính bằng (Patm − Pabs) / Patm. Mức -1 barg tương ứng 13 mbar tuyệt đối, tức đã gần giới hạn của đồng hồ cơ ở mực nước biển. Vượt ngưỡng này, thang barg không còn phân giải được, phải dùng đầu đo chân không đọc theo áp suất tuyệt đối.
Theo cách phân loại thường dùng (tham khảo, ranh giới khác nhau giữa tài liệu): chân không thô từ khí quyển đến khoảng 1 mbar, chân không trung bình khoảng 1 đến 10⁻³ mbar, chân không cao từ 10⁻³ đến 10⁻⁷ mbar. Máy hút bụi công nghiệp, kẹp hút và hệ thống hút chân không đóng gói chỉ dùng vùng thô.
Trong tự động hóa, mức chân không thường được giám sát bằng công tắc áp suất chân không. Ví dụ điển hình là công tắc đặt ở -0,6 bar: bơm chân không chạy đến khi buồng đạt -0,6 barg (413 mbar tuyệt đối) thì ngắt, và chạy lại khi áp suất rò lên trên giá trị chênh lệch đã đặt.
Áp suất vi sai (chênh áp)
Áp suất vi sai (differential pressure, ΔP) là hiệu của hai áp suất đo tại hai điểm: ΔP = P1 − P2. Cả hai áp suất cùng quy về một gốc, nên áp suất khí quyển bị triệt tiêu và ΔP có cùng giá trị dù đo theo barg hay bara. Vì vậy cảm biến vi sai không có khái niệm “tuyệt đối” hay “dư”, chỉ có dải ΔP và áp suất tĩnh tối đa chịu được.
Các ứng dụng thường gặp:
- Qua bộ lọc: ΔP tăng khi lọc bẩn, báo thời điểm thay lõi. Lọc khí HVAC đo bằng Pa hoặc mmH₂O, lọc dầu và nước đo bằng bar.
- Qua van điều khiển: ΔP tại van là cơ sở tính hệ số Kv và kiểm tra xâm thực.
- Lưu lượng kế tấm orifice, ống Venturi: lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai của ΔP (theo ISO 5167), nên ΔP nhỏ gấp 4 lần thì lưu lượng chỉ nhỏ đi 2 lần.
- Đo mức bể kín: chênh áp giữa đáy và đỉnh bể trừ đi áp suất khí trên mặt thoáng.
Đơn vị thường dùng là mbar, kPa và mmH₂O, vì giá trị chỉ từ vài chục Pa đến vài bar. 1 mbar = 100 Pa = 10,197 mmH₂O.
Khi nào bắt buộc dùng áp suất tuyệt đối trong tính toán
Quy tắc chung: mọi công thức có áp suất ở dạng tỉ số, lũy thừa hoặc nằm cùng nhiệt độ tuyệt đối đều cần áp suất tuyệt đối. Bốn trường hợp thường gặp nhất:
Phương trình khí lý tưởng và nhiệt độ Kelvin
Phương trình PV = nRT chỉ đúng khi P là áp suất tuyệt đối và T tính bằng kelvin. Dùng áp suất dư sẽ làm sai khối lượng khí: khoảng 13 % ở 7 barg và càng lớn khi áp suất càng thấp. Cách đổi T(K) = t(°C) + 273,15 và các thang khác có trong bài về thang nhiệt độ tuyệt đối Kelvin.
Tỉ số nén máy nén khí
Tỉ số nén r = P đầu ra / P đầu vào, cả hai tuyệt đối. Máy nén cấp 7 barg từ khí quyển có r = (7 + 1,013) / 1,013 ≈ 7,9, không phải 7. Nhiệt độ cuối nén và công nén tăng theo r, nên sai chỗ này làm sai công suất động cơ. Tham khảo thêm về hệ thống khí nén để nắm các cấp áp suất thường dùng.
Hơi bão hòa và NPSH bơm
Bảng hơi nước tra theo áp suất tuyệt đối. Hơi 10 barg tương ứng 11 bara, nhiệt độ bão hòa khoảng 184 °C (tham khảo bảng hơi). Nếu tra nhầm theo 10 bara thì được khoảng 180 °C, lệch khoảng 4 °C, đủ làm sai tính toán chênh nhiệt ở bộ trao đổi nhiệt.
NPSH khả dụng của bơm cũng dùng áp suất tuyệt đối: NPSHa = (Pnguồn − Pbão hòa) / (ρg) + chênh cao − tổn thất. Bể hở nước 20 °C ở mực nước biển có Pnguồn = 101 325 Pa, áp suất hơi bão hòa của nước khoảng 2,34 kPa, ra cột áp khoảng 10,1 m trước khi trừ chênh cao và tổn thất. Nước nóng hơn thì áp suất bão hòa lớn hơn, NPSHa giảm, bơm dễ xâm thực.
Quy đổi lưu lượng khí về điều kiện tiêu chuẩn
Lưu lượng khí thực (m³/h) đổi về lưu lượng khí tiêu chuẩn Nm³/h theo công thức QN = Q × (Pabs / P₀) × (T₀ / T), với P₀ = 1,01325 bar và T₀ = 273,15 K (tùy hãng, điều kiện chuẩn có thể là 15 hoặc 20 °C).
Ví dụ 100 m³/h khí ở 6 barg và 20 °C: Pabs = 7,013 bara, T = 293,15 K, QN = 100 × (7,013 / 1,013) × (273,15 / 293,15) ≈ 645 Nm³/h. Nếu dùng nhầm 6 bar thay vì 7,013 bara, kết quả chỉ khoảng 552 Nm³/h, thiếu hơn 14 %.
Chọn đồng hồ và cảm biến theo kiểu áp suất
Trước khi đặt hàng cần biết đo áp suất dư, tuyệt đối hay chân không. Chọn sai kiểu thì thiết bị vẫn chạy, nhưng số đọc sai một lượng bằng khí quyển.
Đồng hồ áp, đồng hồ chân không và đồng hồ hợp chất
Đồng hồ cơ kiểu ống Bourdon đo áp suất dư. Đồng hồ áp suất thường có thang từ 0, đồng hồ chân không có thang -1…0 bar, còn đồng hồ hợp chất (compound) có thang -1…+9 bar hoặc dải khác, đọc được cả chân không lẫn áp dương, rất hợp cho đường hút bơm. Với vị trí cần đo gần chân không sâu, nên chọn đồng hồ đo áp suất chân không có thang -1…0 bar, kim chạy ngược chiều so với đồng hồ áp thường.
Cảm biến gauge, absolute và sai số trên bồn chân không
Cảm biến kiểu gauge có lỗ thông khí phía sau màng, nên một mặt màng luôn chịu khí quyển tại chỗ và tín hiệu 4 – 20 mA tỉ lệ với áp suất dư. Với cảm biến áp suất tuyệt đối, phía sau màng là buồng chân không kín. Buồng này đóng vai trò gốc 0 bara nên tín hiệu không phụ thuộc thời tiết hay độ cao lắp đặt.
Dùng cảm biến gauge cho bồn chân không gây ba sai số. Thứ nhất, Patm dao động ±20 – 30 mbar theo thời tiết sẽ cộng thẳng vào số đọc, trong khi bồn chỉ làm việc ở vài chục mbar. Thứ hai, dải -1…0 bar với cấp chính xác 0,5 % FS có sai số 5 mbar, tức đã khoảng 25 % ở 20 mbar tuyệt đối. Thứ ba, hơi ẩm lọt qua lỗ thông khí có thể ngưng tụ phía sau màng.
Quy tắc chọn: dải áp suất dưới khoảng 1 bar tuyệt đối thì dùng cảm biến absolute; đo áp dư thông thường thì dùng gauge; áp cao mà cần ổn định thì cân nhắc sealed gauge.
Nếu cần xác định kiểu đo (gauge, absolute hay vi sai), dải đo và vật liệu tiếp xúc môi chất cho từng điểm đo, kỹ thuật Viva có thể hỗ trợ chọn thiết bị theo thông số vận hành của bạn. Bạn có thể đến trực tiếp văn phòng tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để xem mẫu.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Giải thích tổng quát về các phương pháp và gốc đo có tại tài liệu tham chiếu Pressure measurement.
Câu hỏi thường gặp về áp suất tuyệt đối
Áp suất tuyệt đối là gì và khác áp suất dư thế nào?
Áp suất tuyệt đối là áp suất đo so với chân không hoàn toàn nên luôn không âm. Áp suất dư đo so với khí quyển tại chỗ nên có thể âm khi là chân không. Hai loại liên hệ theo công thức Pabs = Pg + Patm, với Patm ≈ 1,013 bar ở mực nước biển.
Đồng hồ chỉ 6 bar thì áp suất tuyệt đối là bao nhiêu?
Đồng hồ cơ thông thường chỉ áp suất dư, nên 6 bar tương ứng 6 barg. Áp suất tuyệt đối bằng 6 + 1,01325 ≈ 7,01 bara ở mực nước biển. Ở nơi cao 1000 m, khí quyển chỉ khoảng 0,9 bar (tham khảo) nên áp suất tuyệt đối là khoảng 6,9 bara.
Khi nào phải dùng áp suất tuyệt đối thay vì áp suất dư?
Khi công thức có tỉ số hoặc nhiệt độ tuyệt đối: phương trình khí lý tưởng, tỉ số nén máy nén khí, tra bảng hơi bão hòa, tính NPSH bơm và quy đổi lưu lượng khí về Nm³/h. Dùng áp suất dư ở những chỗ này làm kết quả sai hàng chục phần trăm.
Có áp suất tuyệt đối âm không?
Không. Chân không hoàn toàn là 0 bara, thấp hơn nữa không tồn tại. Giá trị âm chỉ xuất hiện khi ghi bằng áp suất dư, ví dụ -0,6 barg tương ứng 0,413 bara. Giới hạn dưới của áp suất dư là khoảng -1,013 barg ở mực nước biển.
Có dùng cảm biến gauge để đo áp suất tuyệt đối trong bồn chân không được không?
Không nên. Cảm biến gauge đo so với khí quyển nên số đọc dao động theo thời tiết khoảng ±20 – 30 mbar, và dải -1…0 bar có sai số tuyệt đối lớn khi bồn chỉ còn vài chục mbar. Với chân không, hãy dùng cảm biến absolute có buồng chân không kín phía sau màng.
