Đơn vị đo áp suất trong hệ SI là pascal (Pa), bằng 1 newton lực tác dụng vuông góc lên 1 m² diện tích. Ngoài thực tế, kỹ sư gặp bar, kPa, MPa, psi, kgf/cm², atm, mmHg và mH₂O trên cùng một nhà máy, thậm chí trên cùng một cái tem van. Biết quy đổi giữa các đơn vị đo áp suất này là điều kiện để đọc đúng đồng hồ, chọn đúng cảm biến và không đặt nhầm van chịu áp.
Bài này giải thích nguồn gốc từng đơn vị đo áp suất, đưa bảng quy đổi chính xác theo hằng số chuẩn, rồi chỉ ra những chỗ người làm bảo trì và mua hàng hay nhầm: bar với kgf/cm², MPa với bar, áp suất dư với áp suất tuyệt đối, PN với áp suất làm việc thực tế.
Áp suất là gì và vì sao có nhiều đơn vị đo áp suất
Áp suất là lực tác dụng vuông góc trên một đơn vị diện tích: P = F / S. Với F tính bằng newton (N) và S tính bằng mét vuông (m²), P có đơn vị N/m², tức pascal. Cùng một lực, diện tích tiếp xúc càng nhỏ thì áp suất càng lớn. Đó là lý do mũi kim đâm thủng da còn lòng bàn tay ấn cùng lực thì không.
Số lượng đơn vị đo áp suất nhiều vì chúng ra đời từ ba nguồn khác nhau. Nguồn thứ nhất là cột chất lỏng: mmHg, Torr, mH₂O, inH₂O đo áp suất bằng chiều cao cột thủy ngân hoặc cột nước mà nó cân bằng được. Nguồn thứ hai là lực trên diện tích theo hệ đo lường cũ: kgf/cm² trong hệ mét kỹ thuật, psi (pound lực trên inch vuông) trong hệ Anh – Mỹ. Nguồn thứ ba là hệ SI: Pa và các bội số kPa, MPa; bar không thuộc SI nhưng được chấp nhận dùng kèm vì bằng đúng 100 000 Pa.
Mỗi ngành giữ thói quen riêng khi chọn đơn vị đo áp suất. Hệ thống thủy lực và thiết kế bình chịu áp thường dùng MPa. Khí nén, đường ống nước và hơi công nghiệp ở Việt Nam dùng bar. Thiết bị xuất xứ Mỹ ghi psi. Kỹ thuật chân không dùng mbar hoặc Torr. Thông gió điều hòa (HVAC) đo chênh áp bằng Pa hoặc mmH₂O. Khi mua thiết bị nhập khẩu, bạn thường phải đọc catalogue ghi một đơn vị và đối chiếu với bản vẽ ghi một đơn vị khác.
Áp suất và lưu lượng là hai thông số đầu tiên cần chốt khi chọn van, và lưu lượng cũng có cả họ đơn vị riêng, xem thêm bài về đơn vị lưu lượng như m³/h và Nm³/h để tránh nhầm giữa hai đại lượng này.
Các đơn vị đo áp suất thông dụng
Phần này đi qua từng đơn vị đo áp suất theo thứ tự gặp trong thực tế: định nghĩa, hệ số sang Pa và chỗ nó thường xuất hiện. Số liệu dùng hằng số chuẩn, các giá trị làm tròn sẽ ghi rõ.
Đơn vị đo áp suất Pa, kPa và MPa
1 Pa = 1 N/m² là một áp suất rất nhỏ: cột nước cao 1 mm chỉ tạo ra khoảng 9,8 Pa. Vì vậy Pa là đơn vị đo áp suất dùng cho chênh áp thấp như tổn thất qua lọc gió hoặc áp suất phòng sạch. Bội số 1 kPa = 1 000 Pa dùng cho áp suất khí quyển (khoảng 101,3 kPa), tổn thất cột áp bơm nước và áp suất lốp theo thông số châu Âu.
1 MPa = 10⁶ Pa = 10 bar. MPa là đơn vị đo áp suất cao, dùng cho hệ thủy lực (xi lanh công nghiệp thường làm việc khoảng 16 – 35 MPa, tham khảo catalogue hãng), bình chịu áp lực, thử bền đường ống. MPa còn dùng cho ứng suất vật liệu, nên cùng một đơn vị cho phép so sánh trực tiếp áp suất làm việc với giới hạn chảy của thép. Sai lầm hay gặp nhất là đọc 1,6 MPa thành 1,6 bar, trong khi giá trị đúng là 16 bar.
Đơn vị đo áp suất bar và mbar
1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa = 0,1 MPa. Giá trị này được chọn gần bằng áp suất khí quyển trung bình (1 atm = 1,01325 bar), nên con số đo bằng bar dễ hình dung: 1 bar xấp xỉ áp suất không khí quanh ta. Bar là đơn vị đo áp suất phổ biến nhất trong khí nén, nước, hơi và bảng thông số van châu Âu (PN).
1 mbar = 100 Pa, dùng cho áp suất thấp: áp suất khí quyển ghi trong dự báo thời tiết (khoảng 1 013 mbar ở mực nước biển), chân không thô, và dải đo của cảm biến chênh áp.
psi – pound trên inch vuông
psi là pound-force trên inch vuông (pound per square inch). 1 psi = 6 894,757 Pa, nên 1 bar = 14,5038 psi. Con số này giải thích vì sao đồng hồ Mỹ cùng dải có con số lớn gấp 14,5 lần: dải 0 – 10 bar tương đương 0 – 145 psi. Lốp ô tô bơm 2,2 bar sẽ đọc là khoảng 32 psi.
Khi psi đi kèm hậu tố, phải đọc kỹ: psig là áp suất dư (đo so với khí quyển), psia là áp suất tuyệt đối. Trên catalogue Mỹ, nếu chỉ ghi “psi” mà không có hậu tố thì thông thường hiểu là psig, nhưng nên xác nhận với hãng khi đặt hàng cảm biến.
kgf/cm² (atmosphere kỹ thuật, at)
kgf/cm² là lực 1 kilogam-lực (kgf) trên 1 cm². Một kgf bằng trọng lượng của 1 kg khối lượng ở gia tốc trọng trường chuẩn 9,80665 m/s², tức 9,80665 N. Chia cho diện tích 1 cm² = 0,0001 m² ra 98 066,5 Pa. Vì 9,80665 gần bằng 10 nên 1 kgf/cm² xấp xỉ 1 bar, nhưng không bằng: 1 kgf/cm² = 0,980665 bar.
Trong đời sống kỹ thuật Việt Nam, kgf/cm² thường được viết là kg/cm² hoặc “kg”. Đồng hồ áp suất đời cũ, nồi hơi và thiết bị Nhật, Hàn, Liên Xô cũ đều chia theo đơn vị này. Tên kỹ thuật của nó là atmosphere kỹ thuật (at), khác với atmosphere chuẩn (atm).
Đơn vị đo áp suất atm
Atmosphere chuẩn (atm) được định nghĩa bằng đúng 101 325 Pa, là áp suất khí quyển trung bình ở mực nước biển. Từ đó 1 atm = 1,01325 bar = 760 mmHg = 14,6959 psi. Atm là đơn vị đo áp suất dùng nhiều trong hóa học, lặn biển và tính toán khí lý tưởng; ít khi xuất hiện trên đồng hồ công nghiệp.
Nếu cần chuyển nhanh sang đơn vị SI, xem hướng dẫn quy đổi atm sang Pa kèm ví dụ tính.
mmHg và Torr
mmHg là áp suất của cột thủy ngân cao 1 mm, bằng khoảng 133,322 Pa. Torr được định nghĩa là 1/760 atm, tức 101 325/760 ≈ 133,322 Pa, nên trong thực tế hai đơn vị này trùng nhau. Y tế dùng mmHg để đo huyết áp, còn kỹ thuật chân không dùng Torr (và mbar) để ghi mức hút của bơm.
Mức chân không sâu thường ghi bằng Torr hoặc mTorr: bơm cánh gạt một cấp đạt cỡ 10⁻² Torr, loại hai cấp xuống cỡ 10⁻³ Torr (tham khảo catalogue hãng).
Đơn vị đo áp suất bằng cột nước: mmH₂O, mH₂O, inH₂O
Cột nước đo áp suất bằng chiều cao nước cân bằng được. 1 mH₂O = 9 806,65 Pa ≈ 0,0981 bar, nên cột nước 10 m tạo ra khoảng 0,98 bar. Quy tắc nhẩm này dùng liên tục để đổi cột áp bơm (đơn vị mét) sang áp suất: bơm có cột áp 50 m cấp được khoảng 4,9 bar, nếu môi chất là nước.
1 mmH₂O = 9,80665 Pa, 1 inH₂O ≈ 249,09 Pa. Hai đơn vị này dùng trong quạt, hệ thống thông gió, lò đốt và đo mức bằng áp suất thủy tĩnh, nơi áp suất chỉ vài trăm Pa. Với chất lỏng khác nước, cột áp mét chỉ quy đổi được sau khi nhân với tỷ trọng.
Bảng quy đổi đơn vị đo áp suất
Bảng ma trận quy đổi đơn vị đo áp suất dưới đây đọc theo hàng: lấy 1 đơn vị ở cột đầu, các ô bên phải là giá trị tương đương trong đơn vị của từng cột. Số liệu tính từ 1 psi = 6 894,757 Pa, 1 kgf/cm² = 98 066,5 Pa, 1 atm = 101 325 Pa, 1 mmHg = 133,322 Pa và 1 mH₂O = 9 806,65 Pa, làm tròn 6 chữ số có nghĩa.
| 1 đơn vị = | Pa | kPa | MPa | bar | psi | kgf/cm² | atm | mmHg | mH₂O |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Pa | 1 | 0,001 | 1×10⁻⁶ | 1×10⁻⁵ | 1,45038×10⁻⁴ | 1,01972×10⁻⁵ | 9,86923×10⁻⁶ | 0,00750062 | 1,01972×10⁻⁴ |
| 1 kPa | 1 000 | 1 | 0,001 | 0,01 | 0,145038 | 0,0101972 | 0,00986923 | 7,50062 | 0,101972 |
| 1 MPa | 1 000 000 | 1 000 | 1 | 10 | 145,038 | 10,1972 | 9,86923 | 7 500,62 | 101,972 |
| 1 bar | 100 000 | 100 | 0,1 | 1 | 14,5038 | 1,01972 | 0,986923 | 750,062 | 10,1972 |
| 1 psi | 6 894,76 | 6,89476 | 0,00689476 | 0,0689476 | 1 | 0,070307 | 0,068046 | 51,7149 | 0,70307 |
| 1 kgf/cm² | 98 066,5 | 98,0665 | 0,0980665 | 0,980665 | 14,2233 | 1 | 0,967841 | 735,559 | 10 |
| 1 atm | 101 325 | 101,325 | 0,101325 | 1,01325 | 14,6959 | 1,03323 | 1 | 760 | 10,3323 |
| 1 mmHg | 133,322 | 0,133322 | 1,33322×10⁻⁴ | 0,00133322 | 0,0193368 | 0,00135951 | 0,00131579 | 1 | 0,0135951 |
| 1 mH₂O | 9 806,65 | 9,80665 | 0,00980665 | 0,0980665 | 1,42233 | 0,1 | 0,0967841 | 73,5559 | 1 |
Bảng thứ hai liệt kê các cấp áp suất hay gặp trong thông số van, đồng hồ và bơm, đã quy đổi sẵn để tra nhanh.
| bar | MPa | psi | kgf/cm² |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,1 | 14,5 | 1,02 |
| 2 | 0,2 | 29,0 | 2,04 |
| 4 | 0,4 | 58,0 | 4,08 |
| 6 | 0,6 | 87,0 | 6,12 |
| 10 | 1,0 | 145,0 | 10,20 |
| 16 | 1,6 | 232,1 | 16,32 |
| 25 | 2,5 | 362,6 | 25,49 |
| 40 | 4,0 | 580,2 | 40,79 |
Cách nhẩm nhanh: nhân bar với 14,5 để ra psi; chia bar cho 10 để ra MPa; nhân bar với 1,02 để ra kgf/cm². Cần độ chính xác cao hơn thì dùng công cụ đổi psi sang bar và nhập sẵn hằng số chuẩn.
Áp suất tuyệt đối, áp suất dư và ký hiệu bara/barg
Cùng một con số bar có thể mang hai nghĩa tùy gốc đo. Áp suất đo so với chân không hoàn toàn (0 tuyệt đối) gọi là áp suất tuyệt đối, ký hiệu bara, psia, hoặc mbar(a). Áp suất đo so với khí quyển xung quanh gọi là áp suất dư (gauge), ký hiệu barg, psig. Hai loại liên hệ theo công thức Pabs = Pg + Patm, với Patm ≈ 1,013 bar ở mực nước biển.
Ví dụ đồng hồ chỉ 6 bar thì áp suất tuyệt đối là khoảng 7,01 bara. Đồng hồ cơ thông thường và công tắc áp suất đo áp suất dư; các đại lượng nhiệt động học như tỉ số nén hay nhiệt độ sôi của hơi lại tính theo áp suất tuyệt đối. Phần phân tích chi tiết, gồm cả chân không và áp suất vi sai, nằm trong bài riêng về áp suất tuyệt đối ở liên kết trên.
Đơn vị đo áp suất trên đồng hồ, cảm biến và thông số van
Đây là chỗ đơn vị đo áp suất gây nhầm nhiều nhất, vì ba loại thiết bị trên cùng một đường ống thường ghi ba đơn vị khác nhau.
Đơn vị đo áp suất trên mặt đồng hồ hai thang
Một chiếc đồng hồ áp suất bán cho thị trường quốc tế thường in hai thang: vòng ngoài là bar hoặc kgf/cm², vòng trong là psi. Hai thang cùng đọc trên một kim, nên nếu kim chỉ 6 vạch bar thì thang psi cho khoảng 87. Cần kiểm tra thang nào đậm, thang nào là phụ, nhất là khi dải đo kết thúc ở những số không tròn như 0 – 14,5 bar.
Dù thang chia theo đơn vị đo áp suất nào, đồng hồ nên chọn sao cho áp suất làm việc nằm khoảng 1/3 đến 2/3 dải đo (quy tắc thực hành phổ biến). Dưới 1/3 dải, sai số tương đối lớn vì cấp chính xác tính theo % toàn thang; sát đỉnh thang, ống Bourdon mỏi nhanh khi áp dao động. Dải đo hay lệch theo đơn vị đo áp suất: đồng hồ 0 – 10 kgf/cm² chỉ tương đương 0 – 9,8 bar.
Đơn vị đo áp suất trên cảm biến và rơ le
Dải đo của cảm biến áp suất thường ghi bằng bar hoặc MPa, ví dụ 0 – 16 bar hoặc 0 – 1,6 MPa, và tín hiệu 4 – 20 mA tỉ lệ tuyến tính với dải đó. Cùng một dòng 12 mA ứng với giữa dải: 8 bar nếu dải 0 – 16 bar, hoặc 0,8 MPa nếu dải 0 – 1,6 MPa. Nhập sai đơn vị trong bộ điều khiển PLC sẽ làm sai số hiển thị lên 10 lần.
Thang chỉnh của rơ le áp suất hay công tắc áp suất thường in bar và psi song song, đôi khi thêm kPa. Điểm đặt và độ chênh (hysteresis) phải đọc cùng một đơn vị đo áp suất; đặt cut-in theo psi nhưng cut-out theo bar là lỗi cấu hình hay gặp khi lắp lại thiết bị.
Thông số van: DN và PN
Thông số van gồm hai thứ cần đọc cùng nhau: kích thước danh nghĩa DN chỉ cỡ ống và PN chỉ cấp áp suất. Tem van châu Âu ghi ví dụ “DN50 PN16”; tem Mỹ ghi “2 in Class 150”.
PN16 nghĩa là cấp áp suất danh nghĩa tương ứng 16 bar ở 20 °C, không phải áp suất làm việc cho phép ở mọi nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, giới hạn chảy của vật liệu thân van giảm, nên áp suất làm việc tối đa cũng giảm theo. Chi tiết nằm trong bài về áp suất danh nghĩa PN của van và mặt bích.
Class 150 cũng không có nghĩa là 150 psi ở mọi điều kiện. Theo bảng áp suất – nhiệt độ của ASME B16.5, với thép carbon nhóm vật liệu 1.1, Class 150 chịu khoảng 19,6 bar (285 psig) ở 38 °C và giảm còn khoảng 13,8 bar (200 psig) ở khoảng 200 °C (tham khảo, cần đối chiếu bảng áp suất – nhiệt độ của đúng vật liệu và hãng sản xuất). PN và Class đều là áp suất dư, không phải áp suất tuyệt đối.
Lỗi thường gặp khi quy đổi đơn vị đo áp suất
Các sai sót sau xuất hiện lặp lại trong biên bản nghiệm thu và đơn đặt hàng. Đa số không do tính toán sai mà do đọc nhầm đơn vị.
- Coi 1 kgf/cm² bằng 1 bar. Thực tế 1 kgf/cm² = 0,980665 bar, nhỏ hơn khoảng 1,9 %. Ở 4 kgf/cm² sai lệch chưa đến 0,08 bar, nhưng 40 kgf/cm² đã thấp hơn 40 bar khoảng 0,77 bar. Khi thử áp sát ngưỡng nghiệm thu, độ lệch này có thể quyết định kết quả đạt hay không.
- Nhầm MPa với bar. 1 MPa = 10 bar. Đặt van PN16 cho đường ống ghi 1,6 MPa là đúng, nhưng đặt van PN1,6 vì đọc là “1,6 bar” thì sai 10 lần.
- Lẫn áp suất dư và áp suất tuyệt đối. Máy nén khí 7 barg tương ứng 8,01 bara. Dùng barg trong công thức khí lý tưởng ở mức này sẽ sai khoảng 13 %.
- Hiểu psi Mỹ như bar. Đồng hồ 0 – 100 psi chỉ chịu đến 6,9 bar. Đặt 100 psi cho đường 10 bar sẽ làm đồng hồ quá tải.
- Quên nhiệt độ khi đọc PN và Class. Định mức áp suất của van luôn đi kèm nhiệt độ. Xem bài về đơn vị đo nhiệt độ để quy đổi °C, °F và K khi đối chiếu bảng áp suất – nhiệt độ của hãng.
Cách phòng tránh đơn giản: ghi rõ đơn vị đo áp suất cùng con số trong mọi bản vẽ, mọi đơn đặt hàng, và quy đổi tất cả về một đơn vị duy nhất (khuyến nghị bar hoặc MPa) trước khi so sánh.
Nếu bạn đang cần đối chiếu đơn vị đo áp suất trên catalogue với đồng hồ, cảm biến hoặc van đang lắp tại nhà máy, kỹ thuật Viva có thể hỗ trợ chọn thiết bị theo áp suất, nhiệt độ và đơn vị hiển thị yêu cầu. 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 và trao đổi thông số.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Các định nghĩa chính thức về pascal và hệ đơn vị SI có tại tài liệu tham chiếu Pascal (unit).
Câu hỏi thường gặp về đơn vị đo áp suất
Đơn vị đo áp suất trong hệ SI là gì?
Đơn vị đo áp suất trong hệ SI là pascal (Pa), bằng 1 N/m². Vì Pa rất nhỏ nên thực tế dùng kPa (1 000 Pa), MPa (1 000 000 Pa) và bar (100 000 Pa). Bar không thuộc SI nhưng được chấp nhận dùng kèm, và là đơn vị phổ biến nhất trên đồng hồ cùng thông số van châu Âu.
1 bar bằng bao nhiêu psi, MPa và kgf/cm²?
1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa = 14,5038 psi = 1,01972 kgf/cm². Theo chiều ngược lại, 1 kgf/cm² = 0,980665 bar và 1 psi = 0,0689476 bar. Khi cần nhẩm nhanh: nhân bar với 14,5 ra psi, chia 10 ra MPa, nhân 1,02 ra kgf/cm².
Vì sao kgf/cm² gần bằng bar nhưng không bằng nhau?
1 kgf là trọng lượng của 1 kg khối lượng ở gia tốc trọng trường chuẩn 9,80665 m/s², tức 9,80665 N. Chia cho 1 cm² ra 98 066,5 Pa, còn 1 bar là đúng 100 000 Pa. Chênh lệch khoảng 1,9 % nên không nên coi hai đơn vị này bằng nhau khi thử áp hoặc nghiệm thu.
Nên dùng đơn vị đo áp suất nào khi lập bản vẽ và đặt hàng thiết bị?
Nên dùng bar hoặc MPa và ghi rõ là áp suất dư (barg) hay tuyệt đối (bara). Nếu thiết bị nhập khẩu ghi psi hoặc kgf/cm², hãy quy đổi sang bar kèm chú thích đơn vị gốc trong cùng một dòng, để người lắp đặt và bộ phận mua hàng cùng đọc ra một giá trị.
PN16 có nghĩa là van chịu được 16 bar ở mọi nhiệt độ không?
Không. PN16 là cấp áp suất danh nghĩa tương ứng 16 bar ở 20 °C. Khi nhiệt độ tăng, giới hạn chảy của vật liệu giảm nên áp suất làm việc cho phép giảm theo. Cần tra bảng áp suất – nhiệt độ của vật liệu và hãng sản xuất trước khi chọn van cho hơi hoặc nước nóng.
